谐振型非接触供电装置、集成电路和恒压控制方法
【专利摘要】公开了一种谐振型非接触供电装置、集成电路和恒压控制方法。其中，谐振型非接触供电装置包括逆变器、发射侧谐振电路、接收侧谐振电路、整流电路和输出电容，在此基础上，通过在第一状态下保持逆变器接收的电能能够被传输到整流电路，在第二状态下使得逆变器接收的电能不能传输到所述整流电路，进而通过在第一状态和第二状态间切换，可以控制使得谐振型非接触供电装置输出相对恒定的电压，从而可以直接连接恒压型负载。
【专利说明】谐振型非接触供电装置、集成电路和恒压控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子技术，具体涉及谐振型非接触供电装置、集成电路和恒压控制方法。
【背景技术】
[0002]非接触供电技术基于其方便实用的特点而广泛应用于电子产品领域，尤其是小功率电子产品行业如移动电话、MP3播放器、数码照相机、便携式电脑等。现有技术的谐振型非接触供电装置通常包含有一个由发射线圈LI和接收线圈L2构成的谐振与磁耦合电路，发射线圈LI与电能发射端的其它元件构成发射侧谐振电路，接收线圈L2与电能接收端的其它元件构成接收侧谐振电路。通过将发射侧谐振电路和接收侧谐振电路的谐振频率设置为相同，可以使得发射侧谐振电路谐振时，通过电磁场与发射侧谐振电路耦合的接收侧谐振电路也发生谐振，由此实现以非接触的方式传输电能。该谐振频率被称为自感谐振频率。
[0003]在工作在自感谐振频率下时，现有的谐振型非接触供电装置对负载输出一个相对恒定的电流，其等效于一个电流源，因此，谐振型非接触供电装置的输出不能应用于需要恒定电压的负载。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，提供一种谐振型非接触供电装置、集成电路和恒压控制方法，使得其可以输出相对恒定的电压，以使得谐振型非接触供电装置可以直接连接需要恒定电压的负载。
[0005]第一方面，提供一种谐振型非接触供电装置，包括:
[0006]逆变器，接收电能，输出具有自感谐振频率的交流电；
[0007]发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从所述逆变器接收所述交流电；
[0008]接收侧谐振电路，包括接收线圈，所述接收线圈与所述发射线圈分离地以非接触方式耦合，所述接收侧谐振电路用于从所述发射线圈接收电能；
[0009]整流电路，与所述接收侧谐振电路连接；
[0010]输出电容，并联连接在所述整流电路的输出端口 ；
[0011]状态切换电路，在第一状态下保持所述接收侧谐振电路对所述整流电路输出交流电，在第二状态下使得所述整流电路的输入端口接地；
[0012]控制电路，控制所述状态切换电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述整流电路的输出电压保持恒定。
[0013]优选地，所述状态切换电路包括:
[0014]第一开关，连接在所述整流电路的输入端口的第一端和接地端之间；
[0015]第二开关，连接在所述整流电路的输入端口的第二端和接地端之间；
[0016]所述控制电路用于根据反馈电压输出开关控制信号控制所述第一开关和第二开关同时导通和关断，所述反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例。
[0017]优选地，所述控制电路在所述反馈电压增大时增大每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以减小电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时减小每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以增大电路处于第一状态的时间。
[0018]优选地，所述控制电路包括:
[0019]误差放大电路，输入所述反馈电压和基准电压输出误差补偿信号；
[0020]比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号；
[0021]驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号输出开关控制信号，控制所述第一开关和所述第二开关。
[0022]优选地，所述发射线圈和所述接收线圈被配置为在以预定的耦合度耦合且工作在所述自感谐振频率下时，所述发射线圈和所述接收线圈的互感感抗等于额定负载工作在第一状态时的等效负载阻抗。
[0023]第二方面，提供一种谐振型非接触供电装置，包括:
[0024]逆变器，在第一状态下接收电能输出具有自感谐振频率的交流电，在第二状态下停止工作；
[0025]发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从所述逆变器接收所述交流电；
[0026]接收侧谐振电路，包括接收线圈，所述接收线圈与所述发射线圈分离地以非接触方式耦合，所述接收侧谐振电路用于从所述发射线圈接收电能；
[0027]整流电路，与所述接收侧谐振电路连接；
[0028]输出电容，并联连接在所述整流电路的输出端口 ；
[0029]控制电路，控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述整流电路的输出电压保持恒定。
[0030]优选地，所述控制电路根据反馈电压控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，在所述反馈电压增大时减小每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时增大每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间。
[0031 ] 优选地，所述控制电路包括:
[0032]误差放大电路，输入反馈电压和基准电压输出误差补偿信号，所述反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例；
[0033]比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号；
[0034]逆变控制器，根据所述脉宽调制信号在第一状态和第二状态间切换，在第一状态下输出具有自感谐振频率的逆变控制信号，在第二状态下输出使所述逆变器停止工作的逆变控制信号。
[0035]优选地，所述发射线圈和所述接收线圈被配置为在以预定的耦合度耦合且工作在所述自感谐振频率下时，所述发射线圈和所述接收线圈的互感感抗等于额定负载工作在第一状态时的等效负载阻抗。
[0036]第三方面，提供一种集成电路，用于谐振型非接触供电装置，包括:
[0037]整流电路；
[0038]状态切换电路，在第一状态下保持所述接收侧谐振电路对所述整流电路输出交流电，在第二状态下使得所述整流电路的输入端口接地；
[0039]控制电路，控制所述状态切换电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述整流电路的输出电压保持恒定。
[0040]优选地,所述状态切换电路包括:
[0041]第一开关，连接在所述整流电路的输入端口的第一端和接地端之间；
[0042]第二开关，连接在所述整流电路的输入端口的第二端和接地端之间；
[0043]所述控制电路用于根据反馈电压输出开关控制信号控制所述第一开关和第二开关同时导通和关断，所述反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例。
[0044]优选地，所述控制电路在所述反馈电压增大时增大每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以减小电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时减小每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以增大电路处于第一状态的时间。
[0045]优选地，所述控制电路包括:
[0046]误差放大电路，输入所述反馈电压和基准电压输出误差补偿信号；
[0047]比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号；
[0048]驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号输出开关控制信号，控制所述第一开关和所述第二开关。
[0049]第四方面，一种集成电路，用于谐振型非接触供电装置，包括:
[0050]逆变器，在第一状态下接收电能输出具有自感谐振频率的交流电，在第二状态下停止工作；
[0051]控制电路，控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述谐振型非接触供电装置的输出电压保持恒定。
[0052]优选地，所述控制电路根据反馈电压控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，在所述反馈电压增大时减小每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时增大每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间。
[0053]优选地，所述控制电路包括:
[0054]误差放大电路，输入反馈电压和基准电压输出误差补偿信号，所述反馈电压与所述谐振型；
[0055]比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号；
[0056]逆变控制器，根据所述脉宽调制信号在第一状态和第二状态间切换，在第一状态下输出具有自感谐振频率的逆变控制信号，在第二状态下输出使逆变器停止工作的逆变控制信号。
[0057]第五方面，提供一种谐振型非接触供电装置的恒压控制方法，所述谐振型非接触供电装置包括逆变器、发射侧谐振电路、接收侧谐振电路、整流电路和输出电容，所述方法包括:
[0058]控制所述谐振型非接触供电装置在第一状态和第二状态间切换，以使得所述谐振型非接触供电装置的输出电压保持恒定；
[0059]其中，在第一状态下保持所述逆变器接收的电能传输到所述整流电路，在第二状态下停止对所述整流电路传输电能。
[0060]优选地，在第一状态下保持所述接收侧谐振电路对所述整流电路输出交流电，在第二状态下使得所述整流电路的输入端口接地。
[0061]优选地，在第一状态下控制所述逆变电路接收电能输出具有自感谐振频率的交流电，在第二状态下控制所述逆变电路停止工作。
[0062]通过在第一状态下保持逆变器接收的电能能够被传输到整流电路，在第二状态下使得逆变器接收的电能不能传输到所述整流电路，进而通过在第一状态和第二状态间切换，可以控制使得谐振型非接触供电装置输出相对恒定的电压，从而可以直接连接恒压型负载。
【专利附图】
【附图说明】
[0063]通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中:
[0064]图1是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的电路示意图；
[0065]图2是本发明的谐振型非接触供电装置的谐振与磁耦合电路的等效电路图；
[0066]图3是本发明的谐振型非接触供电装置的谐振与磁耦合电路解耦后的等效电路图；
[0067]图4是图3所示等效电路工作在自感谐振频率下时的参数示意图；
[0068]图5是本发明的谐振型非接触供电装置的谐振与磁耦合电路的简化等效电路图；
[0069]图6是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的原理示意图；
[0070]图7是本发明第二实施例的谐振型非接触供电装置的电路示意图；
[0071]图8是本发明第三实施例的谐振型非接触供电装置的恒压控制方法的流程图。
【具体实施方式】
[0072]以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
[0073]此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
[0074]同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
[0075]除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
[0076]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0077]图1是本发明第一实施例的谐振型非接触供电装置的电路示意图。如图1所示，谐振型非接触供电装置10包括逆变器11、发射侧谐振电路12、接收侧谐振电路13、整流电路14、输出电容C。、状态切换电路15和控制电路16。
[0078]在本实施例中，逆变器11、发射侧谐振电路12属于谐振型非接触供电装置10的电能发射端；接收侧谐振电路13、整流电路14、输出电容C。、状态切换电路15和控制电路16属于谐振型非接触供电装置10的电能接收端。
[0079]电能发射端和电能接收端通过发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13分离地以非接触方式耦合，从而实现电能传输。
[0080]其中，逆变器11接收电能输出具有自感谐振频率的交流电va。。
[0081]逆变器11可以是全桥式逆变电路、半桥式逆变电路以及其他任何公知的具有逆变功能的逆变器。
[0082]发射侧谐振电路12包括发射线圈LI，其用于从逆变器11接收所述交流电va。。为了平衡发射侧谐振电路13的漏感抗和接收侧谐振电路14的反射感抗以及电路中由寄生参数引起的感抗，消除高频下由于这些寄生参数存在而产生的电压尖峰和浪涌电流，减小电磁干扰和电源噪声并达到减小电源的视在功率，提高电源的功率因数，发射侧谐振电路13中可以加入发射侧谐振电容Cs，其与发射线圈LI串联或并联，以与发射线圈LI形成谐振电路。当然，本领域技术人员可以理解，在某些情况下可以利用电路的分布电容(例如发射线圈导线之间的分布电容)来做为发射侧谐振电容，从而不必在电路中设置独立的电容元件。
[0083]接收侧谐振电路13包括接收线圈L2，接收线圈L2与发射侧谐振电路12的发射线圈L2可以分离地以非接触方式耦合，接收侧谐振电路13用于从发射线圈LI接收电能。
[0084]同时，为了减小电能接收端消耗的无功功率，增大谐振与磁耦合电路传输的有功功率，接收侧谐振电路13可以加入接收侧谐振电容Cd。如上所述，接收侧谐振电容Cd可以利用电路其它元件的分布电容(例如线圈导线之间的分布电容)来实现，从而不必在电路中设置专门的电容元件。
[0085]发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13构成谐振与磁耦合电路。
[0086]图2是本发明的谐振型非接触供电装置的谐振与磁耦合电路的等效电路图，也即发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13的电路示意图。
[0087]如图2所示，发射线圈LI可以等效为第一理想线圈Ls以及线圈电阻Rs，同样，接收线圈L2可以等效为第二理想线圈Ld以及线圈电阻Rd。第一理想线圈Ls和第二理想线圈Ld相互耦合。在图2中，发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13均采用串联谐振的方式来组成谐振电路，其中，发射侧谐振电路12具有发射侧谐振电容Cs，接收侧具有接收侧谐振电容Cd。如上所述，发射侧谐振电容Cs和接收侧谐振电容Cd可以为集总元件或者利用其它元件的分布参数实现。
[0088]由此，谐振和磁耦合电路构成一互感耦合电路。
[0089]通常，为了使得发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13能够以谐振方式传递能量，两者具有相同的谐振频率，也即:
【权利要求】
1.一种谐振型非接触供电装置，包括: 逆变器，接收电能，输出具有自感谐振频率的交流电； 发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从所述逆变器接收所述交流电； 接收侧谐振电路，包括接收线圈，所述接收线圈与所述发射线圈分离地以非接触方式耦合，所述接收侧谐振电路用于从所述发射线圈接收电能； 整流电路，与所述接收侧谐振电路连接； 输出电容，并联连接在所述整流电路的输出端口； 状态切换电路，在第一状态下保持所述接收侧谐振电路对所述整流电路输出交流电，在第二状态下使得所述整流电路的输入端口接地； 控制电路，控制所述状态切换电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述整流电路的输出电压保持恒定。
2.根据权利要求1所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述状态切换电路包括: 第一开关，连接在所述整流电路的输入端口的第一端和接地端之间； 第二开关，连接在所述整流电路的输入端口的第二端和接地端之间； 所述控制电路用于根据反馈电压输出开关控制信号控制所述第一开关和第二开关同时导通和关断，所述反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例。
3.根据权利要求2所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述控制电路在所述反馈电压增大时增大每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以减小电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时减小每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以增大电路处于第一状态的时间。
4.根据权利要求2所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述控制电路包括: 误差放大电路，输入所述反馈电压和基准电压输出误差补偿信号； 比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号； 驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号输出开关控制信号，控制所述第一开关和所述第二开关。
5.根据权利要求1所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈被配置为在以预定的耦合度耦合，且工作在所述自感谐振频率下时，所述发射线圈和所述接收线圈的互感感抗等于额定负载工作在第一状态时的等效负载阻抗。
6.一种谐振型非接触供电装置，包括: 逆变器，在第一状态下接收电能输出具有自感谐振频率的交流电，在第二状态下停止工作； 发射侧谐振电路，包括发射线圈，用于从所述逆变器接收所述交流电； 接收侧谐振电路，包括接收线圈，所述接收线圈与所述发射线圈分离地以非接触方式耦合，所述接收侧谐振电路用于从所述发射线圈接收电能； 整流电路，与所述接收侧谐振电路连接； 输出电容，并联连接在所述整流电路的输出端口 ； 控制电路，控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述整流电路的输出电压保持恒定。
7.根据权利要求6所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述控制电路根据反馈电压控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，在所述反馈电压增大时减小每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时增大每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间。
8.根据权利要求6所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述控制电路包括: 误差放大电路，输入反馈电压和基准电压输出误差补偿信号，所述反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例； 比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号； 逆变控制器，根据所述脉宽调制信号在第一状态和第二状态间切换，在第一状态下输出具有自感谐振频率的逆变控制信号，在第二状态下输出使所述逆变器停止工作的逆变控制信号。
9.根据权利要求6所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈被配置为在以预定的耦合度耦合，且工作在所述自感谐振频率下时，所述发射线圈和所述接收线圈的互感感抗等于额定负载工作在第一状态时等效负载阻抗。
10.一种集成电路，用于谐振型非接触供电装置，包括: 整流电路； 状态切换电路，在第一 状态下保持所述接收侧谐振电路对所述整流电路输出交流电，在第二状态下使得所述整流电路的输入端口接地； 控制电路，控制所述状态切换电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述整流电路的输出电压保持恒定。
11.根据权利要求10所述的集成电路，其特征在于，所述状态切换电路包括: 第一开关，连接在所述整流电路的输入端口的第一端和接地端之间； 第二开关，连接在所述整流电路的输入端口的第二端和接地端之间； 所述控制电路用于根据反馈电压输出开关控制信号控制所述第一开关和第二开关同时导通和关断，所述反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例。
12.根据权利要求10所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路在所述反馈电压增大时增大每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以减小电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时减小每个周期内所述第一开关和第二开关的导通时间，以增大电路处于第一状态的时间。
13.根据权利要求10所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路包括: 误差放大电路，输入所述反馈电压和基准电压输出误差补偿信号； 比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号； 驱动电路，用于根据所述脉宽调制信号输出开关控制信号，控制所述第一开关和所述第二开关。
14.一种集成电路，用于谐振型非接触供电装置，包括: 逆变器，在第一状态下接收电能输出具有自感谐振频率的交流电，在第二状态下停止工作； 控制电路，控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，以使得所述谐振型非接触供电装置的输出电压保持恒定。
15.根据权利要求14所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路根据反馈电压控制所述逆变电路在第一状态和第二状态间切换，在所述反馈电压增大时减小每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间，在所述反馈电压减小时增大每个周期内所述逆变电路处于第一状态的时间。
16.根据权利要求14所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路包括: 误差放大电路，输入反馈电压和基准电压输出误差补偿信号，所述反馈电压与所述谐振型； 比较器，用于比较所述误差补偿信号和三角波信号输出脉宽调制信号； 逆变控制器，根据所述脉宽调制信号在第一状态和第二状态间切换，在第一状态下输出具有自感谐振频率的逆变控制信号，在第二状态下输出使逆变器停止工作的逆变控制信号。
17.一种谐振型非接触供电装置的恒压控制方法，所述谐振型非接触供电装置包括逆变器、发射侧谐振电路、接收侧谐振电路、整流电路和输出电容，所述方法包括: 控制所述谐振型 非接触供电装置在第一状态和第二状态间切换，以使得所述谐振型非接触供电装置的输出电压保持恒定； 其中，在第一状态下保持所述逆变器接收的电能传输到所述整流电路，在第二状态下停止对所述整流电路传输电能。
18.根据权利要求17所述的恒压控制方法，其特征在于，在第一状态下保持所述接收侧谐振电路对所述整流电路输出交流电，在第二状态下使得所述整流电路的输入端口接地。
19.根据权利要求17所述的恒压控制方法，其特征在于，在第一状态下控制所述逆变电路接收电能输出具有自感谐振频率的交流电，在第二状态下控制所述逆变电路停止工作。
【文档编号】H02M3/24GK104079079SQ201410335026
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】张望, 余峰 申请人:南京矽力杰半导体技术有限公司