谐振型非接触供电装置和集成电路的制作方法
【专利摘要】公开了一种谐振型非接触供电装置和集成电路。所述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；开关型变换器，与所述整流电路连接，对整流电路的输出电压进行变换；控制电路，根据第一反馈电压输出开关控制信号控制所述开关型变换器，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定。由此，可以实现恒压输出。
【专利说明】谐振型非接触供电装置和集成电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种谐振型非接触供电装置和集成电路。
【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和集成电路，使得工作于自感谐振频率的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]开关型变换器，与所述整流电路连接，对整流电路的输出电压进行变换；
[0011]控制电路，根据第一反馈电压输出开关控制信号控制所述开关型变换器，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定；
[0012]所述第一反馈电压与所述开关型变换器的输出电压成比例。
[0013]优选地，所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
[0014]优选地，所述控制电路包括:
[0015]第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号；
[0016]比较器，比较所述第一补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
[0017]优选地，所述控制电路根据第一反馈电压和第二反馈电压输出开关控制信号控制所述开关型变换器，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定；
[0018]所述第二反馈电压与所述开关型变换器的输入电压成比例；
[0019]所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
[0020]优选地，所述控制电路包括:
[0021]第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号；
[0022]第二补偿电路，输入所述第一补偿信号和所述第二反馈电压输出第二补偿信号；
[0023]比较器，比较所述第二补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
[0024]第二方面，提供一种集成电路，用于谐振型非接触供电装置，所述集成电路包括:
[0025]整流电路；
[0026]功率开关和整流元件，所述功率开关和整流元件用于构建与整流电路连接的开关型变换器；
[0027]控制电路，根据第一反馈电压输出开关控制信号控制所述功率开关，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定；
[0028]所述第一反馈电压与所述开关型变换器的输出电压成比例。
[0029]优选地所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
[0030]优选地，所述控制电路包括:
[0031]第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号；
[0032]比较器，比较所述第一补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
[0033]优选地，所述控制电路根据第一反馈电压和第二反馈电压输出开关控制信号控制所述功率开关，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定；
[0034]所述第二反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例；
[0035]所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
[0036]优选地，所述控制电路包括:
[0037]第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号；
[0038]第二补偿电路，输入所述第一补偿信号和所述第二反馈电压输出第二补偿信号；
[0039]比较器，比较所述第二补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
[0040]通过在整流电路输出端连接开关型变换器，根据开关型变换器的输出电压来控制开关型变换器，使得开关型变换器的输出电压保持稳定。由此，可以直接连接恒压型负载。
【专利附图】
【附图说明】
[0041]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:
[0042]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；
[0043]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；
[0044]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；
[0045]图4是图3所示等效电路工作在自感谐振频率下时的阻抗参数示意图；
[0046]图5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；
[0047]图6是本发明第一实施例的开关型变换器的电路示意图；
[0048]图7是本发明第一实施例的控制电路的电路示意图；
[0049]图8是本发明第一实施例的一个替代实施方式的控制电路的电路示意图；
[0050]图9是本发明第二实施例的控制电路的电路示意图；
[0051]图10是本发明第二实施例的一个替代实施方式的控制电路的电路示意图。
【具体实施方式】
[0052]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。
[0053]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。
[0054]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。
[0055]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。
[0056]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。
[0057]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、开关型变换器15和控制电路16。
[0058]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、开关型变换器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。
[0059]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。
[0060]其中，逆变器11接收电能输入Vin输出具有自感谐振频率的交流电va。。
[0061]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。
[0062]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12的漏感抗和接收侧谐振电路13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12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。
[0063]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LI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。
[0064]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。
[0065]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。
[0066]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。
[0067]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。
[0068]由此，谐振与磁耦合电路构成一互感耦合电路。
[0069]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:
[_] = =
[0071]其中，fs为发射侧谐振电路12的谐振频率，fd为接收侧谐振电路13的谐振频率；Ls为第一理想线圈Ls的电感值，Ld为第二理想线圈Ld的电感值；CS为发射侧谐振电容的电容值，Cd为接收侧谐振电容的电容值。
[0072]优选地，可以设置使得第一理想线圈Ls的电感值等于第二理想线圈Ld的电感值，并且发射侧谐振电容的电容值Cs等于接收侧谐振电容的电容值cd，从而使得发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13谐振频率相同。
[0073]将上述谐振频率称为自感谐振频率。工作在上述谐振频率下时，发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路13同时谐振，谐振与磁耦合电路中所有的电感和电容阻抗均相互抵消，系统具有很闻的效率。
[0074]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。如图3所不，由于发射线圈LI和接收线圈L2的稱合存在漏感和互感，图2所不的谐振与磁耦合电路可以解耦等效为图3的形式，即，将相互耦合的理想线圈Ls和Ld解耦为发射侧漏电感Ls’、接收侧漏电感L/和互感Lm。由此，图2所示的谐振与磁耦合电路可以进一步等效为图3所示的两端口网络。
[0075]图4是图3所示等效电路工作在自感谐振频率下时的阻抗参数示意图。如图4所示，当逆变电路11对发射侧谐振电路12输出具有自感谐振频率Otl的交流电Va。时，图3中发射侧漏电感Ls’和发射侧谐振电容Cs的串联电路的等效阻抗为-JociLm,由此，可以与互感的阻抗抵消，从而使得电能发射端输入端口的阻抗最小，发射侧谐振电路谐振。同时，接收侧漏电感L/和接收侧谐振电容Cd的串联电路的等效阻抗为_j OciLm,也可以与互感的阻抗抵消，从而使得电能接收端输出端口的阻抗最小，接收侧谐振电路谐振。由此，可以保证传输效率最高。
[0076]在工作在自感谐振频率Qci下时，谐振型非接触供电装置10的谐振与磁耦合电路相对于在后的由整流电路14、开关型变换器15以及负载构成的部分可等效为一个交流电流源。由于整流电路14只进行交流-直流变换，并不调节电压和电流的幅值，因此，谐振与磁耦合电路和整流电路14相对于在后的开关型变换器以及负载可等效为一个直流电流源A，如图5所示。
[0077]整流电路14与接收侧谐振电路13连接，其可以将接收侧谐振电路13输出的交流电整流为直流电输出。
[0078]整流电路14可以是全桥整流电路也可以是半桥整流电路。
[0079]开关型变换器15与整流电路14连接，对整流电路14的输出电压 '进行变换。开关型变换器15可以采用现有的电路拓扑，其可以为例如降压型(BUCK)变换器。
[0080]图6是本发明实施例的开关型变换器的电路示意图。如图6所示，开关型变换器15采用降压型拓扑，包括输入滤波电容Cin、功率开关S1、整流二极管Dl、储能电感LI和输出电容C。。其中，输入滤波电容Cin连接在开关型变换器15的输入端和接地端之间，功率开关SI连接在开关型变换器15的输入端和中间端LX之间，整流二极管Dl连接在中间端LX和接地端之间，储能电感LI连接在中间端LX和输出端之间，输出电容C。连接在输出端和接地端之间。
[0081]应理解，整流二极管Dl可以替换为整流开关S2，其与功率开关SI交替导通和关断，也可以实现进行电压变换。
[0082]应理解，功率开关SI和整流开关S2可以利用任何可控半导体开关器件实现，例如，金属氧化物晶体管等。
[0083]在本实施例中，控制电路16根据第一反馈电压Vfbl输出开关控制信号Q控制开关型变换器15，以使得开关型变换器15的输出电压V()Ut保持恒定。
[0084]其中，第一反馈电压Vfbl与开关型变换器15的输出电压Vtjut成比例。，第一反馈电压Vfbl可以通过连接在开关型变换器15的输出端和接地端之间的分压网络对输出电压Vwt分压获得。
[0085]对于降压型拓扑的开关型变换器，其输出电压等于输入电压与开关控制信号的占空比的乘积(在此以开关控制信号Q为高电平时，功率开关SI导通为例进行说明)，也即:vout = Vr.D，其中，D为开关控制信号的占空比。
[0086]由此，假设负载阻抗为&，则在图5中，从电流源A输出端口向右看得到的输入阻抗Zin满足:
【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； 开关型变换器，与所述整流电路连接，对整流电路的输出电压进行变换； 控制电路，根据第一反馈电压输出开关控制信号控制所述开关型变换器，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定； 所述第一反馈电压与所述开关型变换器的输出电压成比例。
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，所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
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，所述控制电路包括: 第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号； 比较器，比较所述第一补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
4.根据权利要求1所述的谐振型非接触供电装置，其特征在于所述控制电路根据第一反馈电压和第二反馈电压输出开关控制信号控制所述开关型变换器，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定； 所述第二反馈电压与所述开关型变换器的输入电压成比例； 所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
5.根据权利要求4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: 第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号； 第二补偿电路，输入所述第一补偿信号和所述第二反馈电压输出第二补偿信号； 比较器，比较所述第二补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
6.一种集成电路，用于谐振型非接触供电装置，所述集成电路包括: 整流电路； 功率开关和整流元件，所述功率开关和整流元件用于构建与整流电路连接的开关型变换器； 控制电路，根据第一反馈电压输出开关控制信号控制所述功率开关，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定； 所述第一反馈电压与所述开关型变换器的输出电压成比例。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
8.根据权利要求7所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路包括: 第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号；比较器，比较所述第一补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
9.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，所述功率开关和整流元件用于构建降压型拓扑的开关型变换器； 所述控制电路根据第一反馈电压和第二反馈电压输出开关控制信号控制所述功率开关，以使得所述开关型变换器的输出电压保持恒定； 所述第二反馈电压与所述整流电路的输出电压成比例； 所述控制电路在所述第一反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第一反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压增大时增大所述开关控制信号的占空比，在所述第二反馈电压减小时减小所述开关控制信号的占空比。
10.根据权利要求9所述的集成电路，其特征在于，所述控制电路包括: 第一补偿电路，输入所述第一反馈电压和参考电压输出第一补偿信号； 第二补偿电路，输入所述第一补偿信号和所述第二反馈电压输出第二补偿信号； 比较器，比 较所述第二补偿信号和三角波信号输出所述开关控制信号。
【文档编号】H02M3/24GK104079081SQ201410343211
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】余峰, 张望 申请人:南京矽力杰半导体技术有限公司