一种小型无线充电设备及其工作方法与流程

本申请涉及无线充电领域，尤其涉及一种小型无线充电设备及其工作方法。

背景技术：

相比较现有的有线连接充电方式，无线充电方式代表了一种更新、更先进和更方便的充电技术，随着无线充电的电能转化率的提高，无线充电达到并且超过有线充电的电能转化率，无线充电技术在人们的日常生活中将得到广泛应用。目前存在的无线充电方式有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种，其中电磁感应式适合近距离供电。

但是，现有的无线充电设备需要专用的发射电路和发射天线，电路设计复杂，天线体积较大，成本偏高。由于现有无线充电设备体积较大，所以难以应用到小型和便携设备中。

另外，通过无线方式充电时，需要设计专用的接收天线，和目前的近场支付天线无法共用。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种小型无线充电设备，包括小型发射天线、信号发生电路和调整电路组成，

所述信号发生电路产生电压信号；

所述调整电路对所述信号发生电路产生的电压信号进行频率选择和放大，产生正弦波信号，发送给发所述小型发射天线；

所述小型发射天线将所述调整电路发送的正弦波信号发射到外部空间,

进一步，所述信号发生电路包括充电电源、开关、稳压电路，使用开关控制充电电源为无线充电系统提供电压。

进一步，所述调整电路包括依次相连的晶振电路、放大电路、选择电路和整形电路，

所述晶振电路用于产生一定频率的振荡信号；

所述放大电路用于将所述晶振电路产生的振荡信号进行放大；

所述选择电路去除放大后的振荡信号中不符合频率要求的脉冲杂讯；

所述整形电路对去除杂讯后特定频率的振荡信号整形，从而输出正弦波信号。

进一步，所述小型发射天线包括有源天线和无源天线。

进一步，所述小型发射天线是将铜丝绕制若干圈后直接印刷在PCB板上。

进一步，基于所述无线充电设备的无线充电系统，包括所述的无线充电设备，以及接收端，其中接收端包括接收天线、电流调整单元、电源管理芯片和可充电电池。

本申请还提出一种无线充电方法，包括如下步骤：

步骤S1：信号发生电路产生电压信号；

步骤S2：对产生的电压信号进行频率选择和方法；

步骤S3：产生正弦波；

步骤S4：将正弦波发送给小型发射天线；

步骤S5：小型发射天线将接收的正弦波发射到外部空间。

进一步，所述无线充电方法，包括步骤S6：接收天线接收正弦波，产生感应电流，存入充电电池。

进一步，所述信号发生电路包括充电电源、开关、稳压电路，使用开关控制充电电源为无线充电系统提供电压。

进一步，所述调整电路包括依次相连的晶振电路、放大电路、选择电路和整形电路。

上述本发明提出的一种小型无线充电设备及其工作方法，获得了以下技术效果：

本申请提出的小型无线充电设备结构简单、体积小巧，适用于空间有限的小型可充电设备；仅需波形发生电路和若干分立元件即可实现，成本低廉。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请小型充电设备的结构图；

图2是接收端的结构图；

图3是信号发生电路结构图；

图4是振荡电路方框图；

图5是调整电路的结构图；

图6是本申请小型充电设备的工作流程图；

图7是调整电路的工作流程；

图8是接收端的工作流程；

图9是线圈天线的等效电路图；

图10是接收天线示意图。

附图标记说明：

1-信号发生电路，2-调整电路，3-小型发射天线，4-接收天线，5-电流调整单元，6-电源管理芯片，7-可充电电池，8-放大环节，9-反馈环节；10-开关。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除、完整的描述。

本申请提供一种小型无线充电设备，如图1所示，包括小型发射天线3、信号发生电路1和调整电路2组成。具体的：

所述信号发生电路1产生电压信号；

具体的，如图3所示，所述信号发生电路1包括充电电源101、开关102、稳压电路103。

更具体的，开关102控制充电电源101为无线充电设备提供电压，稳压电路103将充电电源101所提供的电源信号稳定为所需要的额定电压。

所述调整电路2对所述信号发生电路1产生的电压信号进行频率选择和放大，产生正弦波信号，发送给发所述小型发射天线3；

具体的，所述调整电路2如图5所示，包括依次相连的晶振电路201、放大电路202、选择电路203和整形电路204，具体的：

所述振荡电路201用于产生一定频率的振荡信号；

具体的，所述振荡电路201用于产生正弦波信号，可以是RC振荡电路、LC振荡电路或晶体振荡电路，如图4所示为一种振荡电路201的方框图，包括放大环节8和反馈网络9。图中开关10置于2的位置，当U_i去掉后仍有稳定的输出，其中反馈信号代替了放大电路的输入信号，由下面公式(1)～(3)：

${\stackrel{\·}{U}}_o=A_u{\stackrel{\·}{U}}_f---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_f=F{\stackrel{\·}{U}}_o---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_o=A_{u}F{\stackrel{\·}{U}}_o---\left(3\right)$

得出自激振荡的条件是：

A_uF＝1即：

即需满足：

(1)幅度条件：A_uF＝1；

(2)相位条件：n是整数；

具体的，相位条件意味着振荡电路必须是正反馈，幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A或反馈系数F达到)

所述放大电路202用于将所述晶振电路产生的振荡信号进行放大；

所述选择电路203去除放大后的振荡信号中不符合频率要求的脉冲杂讯；

所述整形电路204对去除杂讯后特定频率的振荡信号整形，从而输出正弦波信号。

具体的，所述电压信号经调整电路2调整后输出的正弦波的频率设定为13.56±1MHz。

所述小型发射天线3将所述调整电路2发送的正弦波信号发射到外部空间。

具体的，所述小型发射天线3是工作频率在3～15MHz的小型短波天线。

具体的，所述小型发射天线3可以包括多种形式，可以是带贴片型、线圈型和偶极子型，如图1中所示为线圈型天线，采用铜线按照一定的形状绕制若干圈，在铜线的两端加激励源，同时直接印刷在PCB板上。

具体的，所述小型发射天线3的工作原理为：天线线圈中通过变化的电流时，在它的周围建立起感应磁场，感应磁场会影响接收天线的场量，根据法拉第电磁感应定律，接收天线4磁场的变化又会影响线圈上电流的变化，生成感应电流。

具体的，所述线圈天线的等效电路图如图9所示，其中端口TX1与TX2之间天线线圈的电阻损耗为电阻R，L代表天线线圈电感，C为线圈与TX1和TX2之间的电容损耗，其中电容C与天线线圈串联或者并联起来组成LC谐振电路，通过此谐振电路，小型发射天线3与接收天线4进行耦合。

所述谐振电路的谐振频率要求调制13.56MHz，

具体的，所述小型接收天线9设计和选用时需对电感求值，电感为当天线内通过交流电时，在导线的内部及其周围会产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比，用L表示，以RL串联电路为例，天线电感的理论计算公 式如下：

Z＝R+jωL (4)

I_m(Z)＝ωL＝2πfL (5)

$L=\frac{I_m\left(z\right)}{2\mathrm{\π}f}---\left(6\right)$

其中，Z为线圈天线的阻抗，R为阻抗实部，表示电阻，ω是交流信号的角频率，I_m为阻抗虚部，求出阻抗虚部，就可以获得电感值，又：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}---\left(7\right)$

由式(7)可以看出，天线的频率跟电感L和电容C有关，天线尺寸越大，则线圈的电感也就越大，相对电容就更小，当天线的电感大于5μH时，则不容易使匹配到合适的电容C值。

具体的，小型发射天线3包括有源天线和无源天线，

具体的，所述有源天线内置放大器，用于信号强度补偿，

具体的，所述线圈形状可以是矩形线圈，也可以是圆形型圈，也包括其他根据有限空间绕制的其他形状。

基于所述小型无线充电设备的无线充电系统包括接收端，所述接收端为小型可穿戴设备，其中可充电电池的电池容量在100mA左右。

所述接收端包括依次连接的接收天线4、电流调整单元5、电源管理芯片6和可充电电池7。

所述接收天线4的等效电路如图10所示：接收发射天线3传输的正弦波信号，电磁感应生成感应电动势，并在导体上产生电流，该电流流进天线负载Z_L，使回路中产生电流，将空间电磁波能量转换为电流能量。

所述电流调整单元5包括整流电路和滤波电路，其中所述整流电路用于将电磁感应产生的交流信号转换成直流信号；所述滤波电路用于滤除经所述整流电路转换后的直流电流中残余的高频干扰。

所述电源管理芯片6包括恒压单元、恒流单元、过流保护单元、过压保护 单元、过充保护单元和温度检测单元。

具体的，所述接收天线4切割发射天线3发出的正弦波信号，感应生成电动势，导线内有交流电通过，经过整流电路，交流电转换为直流电，再经过滤波电路，去除高频杂讯，所述电流进入所述可充电电池7。

更具体的，所述接收天线4可以和进场支付天NFC天线共用。

本申请还提出一种无线充电方法，如图6所示，包括以下步骤，：

步骤S1：信号发生电路产生电压信号；

具体的，所述信号发生电路1包括充电电源101、开关102、稳压电路103，使用开关102控制充电电源101为无线充电设备提供电压，使用稳压电路103将充电电源101所提供的电源信号稳定为所需要的额定电压。

步骤S2：对产生的电压信号进行频率选择和方法；

具体的，如图5所示，步骤S2包括以下几个步骤，

步骤S201：产生特定频率的振荡信号；

具体的，所述振荡电路201用于产生正弦波信号，可以是RC振荡电路、LC振荡电路或晶体振荡电路，如图4所示为一种振荡电路201的方框图，包括放大环节8和反馈网络9。图中开关10置于2的位置，当U_i去掉后仍有稳定的输出，其中反馈信号代替了放大电路的输入信号，由下面公式(1)～(3)：

${\stackrel{\·}{U}}_o=A_u{\stackrel{\·}{U}}_f---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_f=F{\stackrel{\·}{U}}_o---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_o=A_{u}F{\stackrel{\·}{U}}_o---\left(3\right)$

得出自激振荡的条件是：

A_uF＝1即：

即需满足：

(1)幅度条件：A_uF＝1；

(2)相位条件：n是整数；

具体的，相位条件意味着振荡电路必须是正反馈，幅度条件表明反馈放大 器要产生自激振荡，还必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A或反馈系数F达到)。

步骤S202：将晶振电路产生的振荡信号进行放大；

步骤S203：去除放大后的振荡信号中不符合频率要求的脉冲杂讯；

步骤S204：对去除杂讯后特定频率的振荡信号整形，从而输出正弦波信号；

步骤S3：产生正弦波；

步骤S4：将正弦波发送给小型发射天线；

具体的，所述输出正弦波的频率设定为13.56±1MHz，

步骤S5：小型发射天线将接收的正弦波发射到外部空间，

具体的，所述小型发射天线3是工作频率在3～15MHz的小型短波天线。

具体的，所述小型发射天线3可以包括多种形式，可以是带贴片型、线圈型和偶极子型，如图1中所示为3为线圈型天线，采用铜线按照一定的形状绕制若干圈，在铜线的两端加激励源，同时直接印刷在PCB板上。

具体的，所述小型发射天线3的工作原理为：天线线圈中通过变化的电流时，在它的周围将建立起感应磁场，感应磁场会影响接收天线的场量，根据法拉第电磁感应定律，接收天线4磁场的变化又会影响线圈上电流的变化，生成感应电流。

具体的，所述线圈天线的等效电路图如图9所示，其中端口TX1与TX2之间天线线圈的电阻损耗为电阻R，L代表天线线圈电感，C为线圈与TX1和TX2之间的电容损耗，其中电容C与天线线圈串联或者并联起来组成LC谐振电路，通过此谐振电路，小型发射天线与接收天线进行耦合。

具体的，所述小型接收天线9设计和选用时需对电感求值，电感为当天线内通过交流电时，在导线的内部及其周围会产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比，用L表示，以RL串联电路为例，天线电感的理论计算公式如下：

Z＝R+jωL (4)

I_m(Z)＝ωL＝2πfL (5)

$L=\frac{I_m\left(z\right)}{2\mathrm{\π}f}---\left(6\right)$

其中，Z为线圈天线的阻抗，R为阻抗实部，表示电阻，ω是交流信号的角频率，I_m为阻抗虚部，求出阻抗虚部，就可以获得电感值，又：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}---\left(7\right)$

由式(7)可以看出，天线的频率跟电感L和电容C有关，天线尺寸越大，则线圈的电感也就越大，相对电容就更小，当天线的电感大于5μH时，则不容易使匹配到合适的电容C值。

具体的，小型发射天线3包括有源天线和无源天线。

具体的，所述有源天线内置放大器，用于信号强度补偿，。

具体的，所述线圈形状可以是矩形线圈，也可以是圆形型圈，也包括其他根据有限空间绕制的其他形状。

具体的，基于所述无线充电设备的无线充电系统还包括接收端充电过程：

步骤S6：小型接收天线接收正弦波，产生感应电流，存入充电电池。

具体的，所述接收端包括依次连接的接收天线4、电流调整单元5、电源管理芯片6和可充电电池7组成。

具体的，如图8所示，所述步骤S6包括以下几个步骤

步骤S601：收天线接收正弦波，感应生成交流；

步骤S602：交流电经过整流电路，转变成直流电；

步骤S603：直流电经过滤波电路，去除高频杂讯；

步骤S604：流入可充电电池。

更具体的，所述接收天线4可以和进场支付NFC天线共用。

更具体的，所述可充电电池7的电池容量在100mA左右，应用在小型可充电的便携设备中。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了 基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。