便携式电子设备的无线充电系统的制作方法

本实用新型涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种便携式电子设备的无线充电系统。

背景技术：

随着电子技术的发展，平板电脑、手机等便携式电子设备的功能变得越来越丰富，这给我们的生活带来了极大的便利，人们使用这些便携式电子设备的频率也会越来越高。由于锂电池的续航能力有限，因此给这些设备充电的频率也会越来越高。目前大多数便携式电子设备使用的是传统的有线充电的方式，需要连接一根数据线才可以给设备充电，这给我们的充电带来了极大的麻烦。此时，无线充电也就应运而生了。

无线电能传输技术的研究，源于迈克尔·法拉第在十九世纪三十年代发现的电磁感应现象，即导体在磁通量变化的磁场中会产生感应电动势，如果导线闭合，导线中会有产生电流。在十九世纪九十年代，美籍物理学家兼发明家尼古拉·特斯拉就已经在实验的基础上证明了无线电能的传输技术的可行性。特斯拉构思的无线电能传输的方案为：使用放大发射机在地球与电离层之间发射径向振荡模式的电磁波，电磁波的频率为8Hz，地球可看成内导体，地球电离层可看成外导体，此时在地球与电离层中会产生低频共振。利用环绕地球表面的电磁波便可实现能量的无线传输。虽然特斯拉的这个方案最终并没有得到实现，但随着技术的发展人们已经从理论上证明了这套方案的可实行型性。

随着电子技术的不断发展，平板电脑、手机等便携式电子设备的功能越来越多，因而这些设备的功耗也会越来越大。便携式电子设备的这些丰富的为功能我们的生活带来的极大的便利，人们使用的频率会越来越高。由于锂电池的容量有限，人们给这些设备充电的次数会越来越多，有时需要一天充一次电，甚至是一天充几次电。目前主要的充电方式为有线充电，需要一端接交流电另一端接需要充电的电子设备。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种便携式电子设备的无线充电系统，解决了传统有线充电的操作复杂、灵活性差、容易产生火花、导线外露以及插线部分容易磨损等缺点，且具有效率高、安全、控制简单以及辐射低等优点。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种便携式电子设备的无线充电系统，包括无线充电发射端和无线充电接收端，所述无线充电发射端包括电源模块、场效应管驱动单元、全桥逆变电路、发射线圈、主控芯片电路以及信号检测电路，所述电源模块、场效应管驱动单元、全桥逆变电路以及发射线圈依次连接，所述主控芯片均连接所述电源模块、信号检测电路以及场效应管驱动单元；

所述无线充电接收端包括依次相连的接收线圈、全桥整流电路、电压调节电路以及控制器单元。

进一步地，所述无线充电发射端还包括温度检测电路、第一蜂鸣器以及LED 灯；所述温度检测电路、第一蜂鸣器以及LED灯均与主控芯片电路连接；

所述温度检测电路用于检测所述无线充电系统的运行温度；

所述第一蜂鸣器用于在温度偏高状态下进行蜂鸣报警以及分别对各充电状态采取相应的蜂鸣；

所述LED灯用于根据充电状态采取相应的闪烁指示。

进一步地，所述主控芯片电路包括主控芯片、电源指示电路、系统状态指示电路以及ISP程序下载电路。

进一步地，所述主控芯片采用ATmega328芯片；

所述电源指示电路包括三组串联的电阻和LED灯，其中，电阻的一端均连接主控芯片的VCC接口；

所述系统状态指示电路包括三极管、第二蜂鸣器以及电阻，其中，三极管的发射极连接主控芯片的VCC接口，三极管的基极连接电阻，三极管的集电极连接第二蜂鸣器。

进一步地，所述全桥逆变电路采用电压型逆变电路，其包括4个开关器件、电容C、电感L以及电容C1，4个开关器件分别为Q1、Q2、Q3和Q4；其中，开关器件Q1、Q2、Q3和Q4进行闭环连接，电容C串联电感L，电容C另一端连接开关器件Q1、Q2，电感L另一端连接开关器件Q3、Q4，电容C1连接开关器件Q1、Q3。

进一步地，所述开关器件Q1、Q2、Q3和Q4均采用IRF7822开关器件，所述电容C1采用高压瓷片电容。

进一步地，所述场效应管驱动单元采用场效应管驱动芯片TPS28225，所述信号检测电路包括电流检测电路和电源电压检测电路。

进一步地，所述电源模块包括5V稳压电路和3.3V稳压电路；其中，5V稳压电路的输入连接直流电源，5V稳压电路的输出连接3.3V稳压电路以及所述场效应管驱动单元。

进一步地，所述5V稳压电路采用LM2596S-ADJ DC-DC电源稳压电路，所述3.3V 稳压电路采用ASM1117正向低压降稳压器。

进一步地，所述控制器单元采用TI的无线电源接收芯片BQ51020。

采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：本发明无线充电系统发射端具有过流、过压、欠压及高温保护功能，操作简单，使用安全，可运用于手机、平板电脑等消费电子的无线充电，其充电电流最大可达1A。

附图说明

图1为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中无线充电发射端的结构示意图；

图2为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中无线充电接收端的结构示意图；

图3为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中主控芯片电路的电路示意图；

图4为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中全桥逆变电路的电路示意图；

图5为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中全桥逆变电路的 IRF7822开关器件引脚图；

图6为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中场效应管驱动芯片 TPS28225的引脚图；

图7为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中电流检测电路的电路示意图；

图8为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中电源电压检测电路的电路示意图；

图9为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中温度检测电路的电路示意图；

图10为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中5V稳压电路的电路示意图；

图11为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中3.3V稳压电路的电路示意图；

图12为本实用新型便携式电子设备的无线充电系统中BA51020芯片效率与输出电流的关系图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

本实用新型提供了一种便携式电子设备的无线充电系统，其主要包括包括无线充电发射端和无线充电接收端，无线充电发射端和无线充电接收端之间通过各自的线圈进行磁共振无线能量传输，从而为便携式电子设备充电。

如图1所示，无线充电发射端主要包括电源模块、场效应管驱动单元、全桥逆变电路、发射线圈、主控芯片电路以及信号检测电路。其中，电源模块、场效应管驱动单元、全桥逆变电路以及发射线圈依次连接，主控芯片均连接电源模块、信号检测电路以及场效应管驱动单元；另外，无线充电发射端还包括温度检测电路、第一蜂鸣器以及LED灯；电源模块分为5V稳压电路和3.3V稳压电路，5V稳压电路的输入连接直流电源，5V稳压电路的输出连接3.3V稳压电路以及所述场效应管驱动单元；信号检测电路包括电流检测电路和电源电压检测电路。

如图2所示，无线充电接收端包括依次相连的接收线圈、全桥整流电路、电压调节电路以及控制器单元。

对于无线充电发射端和无线充电接收端的各个模块电路，下面进行详细的描述。

如图3所示，对于本实用新型无线充电发射端的主控芯片电路包括主控芯片、电源指示电路、系统状态指示电路以及ISP程序下载电路。其中，主控芯片选用 Atmel公司TQPF封装的ATmega328芯片，该芯片是先进的RISC结构的高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有32K字节的系统内可编程Flash，2K字节的片内SRAM。电源指示电路包括三组串联的电阻和LED灯，其中，电阻的一端均连接主控芯片的VCC接口；系统状态指示电路包括三极管、第二蜂鸣器以及电阻，其中，三极管的发射极连接主控芯片的VCC接口，三极管的基极连接电阻，三极管的集电极连接第二蜂鸣器。

上述电源指示电路中的LED灯包括一个3mm红色LED灯、一个5mm红色和一个绿色LED灯；其中，3mm红色LED灯指示3.3V稳压电源的接通状况，5mm红色LED和绿色LED灯指示充电状态；系统状态指示电路的第二蜂鸣器也用于指示充电状态。由于单片机I/O口驱动电流比较小，因此使用一个 PNP三极管设计的驱动电路驱动第二蜂鸣器。

本实用新型的无线充电发射端中全桥逆变电路的输出电压波形应与不随负载阻抗角的变化而变化。对比电压型逆变电路与电流型逆变电路的特点，选择全桥逆变电路采用电压型逆变电路，如图4所示。图中的C1为高压瓷片电容，起减小输入电压的脉动和缓冲无功能量的作用。

全桥逆变电路最大可流过2A电流。根据国际整流公司官网中场效应管的参数，选择IRF7822作为全桥逆变电路的开关器件。IRF7822是N沟道增强型场效应管，源极与漏极之间并联有一个肖特基二极管，因此使用IRF7822构成的电压型全桥逆变电路每个桥臂并不需要额外并联二极管，电路比较简单。

IRF7822引脚图如图5所示。

本实用新型的无线充电发射端中场效应管驱动单元采用场效应管驱动芯片TPS28225，场效应管驱动芯片TPS28225的引脚图如图6所示。

本实用新型的无线充电发射端中信号检测电路包括电流检测电路和电源电压检测电路。

其中，电流检测电路要求在不影响原来的电流通路且对回路影响比较小。电流检测电路一般采用间接测量的方法，即测量电流通路中采样电阻的压降，然后根据电路参数将电压值转化为电流值。为减少电流检测电路对电流回路的影响及降低采样电路功耗，采样电阻应选用阻值较小的高精度电阻，一般为几mΩ到几百mΩ。由于采样电阻比较小，采样电流不大，采样电阻的电压需要经过使用运放搭建的放大电路才能被单片机模数转换器检测。

根据采样电阻、地、电源、和负载之间的位置,电流检测可分为低端电流检测和高端电流检测两类。在低端电流检测电路中，负载接电源的正极，采样电阻接地并与负载串联。高端电流检测是指采样电阻接在电源与负载之间，与低端电流检测电路相比，负载直接与地相连，将提高接地的可靠性。在高端电流检测电路中，由于采样电阻两端共模电压较高，接近运放电源的电压，因此放大电路的运放需要选用轨对轨型的运放对采样电阻的电压放大。

根据高端电流检测电路与低端电流检测电路的特点，为降低检测电路对负载的影响，本实用新型的电流检测电路采用高端电流检测方式检测流过全桥逆变电路的电流，电流检测电路如图7所示。图中，R8与C12组成RC低通滤波网络，抑制因全桥逆变电路产生的高频信号。电路中流过采样电阻的电流大小为即I＝V*5*10²其中V为采样电阻两端的电压，R为R1与R2并联的等效电阻，大小为20mΩ。PC1处电压大小为V_PC1＝V*(R6/R8)，V_PC1＝V*5*10²，I 在数值上与V_PC1相等。

本实用新型的无线充电发射装置中，全桥逆变电路的电源电压为5V。当电压过低时，接收端会因电压过低而导致充电失败；当电压过高时，无线充电发射装置和接收装置的器件都会因高压而损坏。因此需要检测电源输入电压，保证输入电压在合理的范围内。信号检测电路的电源电压检测电路如图8所示，图中R13、R14组成分压电路，C15可滤去电源的高频谐波，PC0处的电压为电源电压的一半。

当有钥匙、硬币等金属放在无线充电发射端端时，在磁场的作用下，金属内部会产生涡流，从而使温度不断上升。当温度上升到一定程度时，将会发生火灾的危险。因此，本实用新型设计了温度检测电路，防止发射端会因温度过高而引起的火灾。

温度检测电路使用负温度系数热敏电阻(NTC)作为检测温度的元件。当温度降低时，负温度系数热敏电阻内金属氧化物的载流子数目会减少，导电能力会减弱，因此阻值会变大；当温度上升时，载流子的数目会增多，导电能力会增强，因此阻值会变小。可根据实际使用情况选用阻值从一百欧到一兆欧范围内的热敏电阻。负温度系数热敏电阻阻值与温度的关系式为：

其中R_T为在温度为T时的电阻值，R_N为在额定温度时的电阻值，B为负温度系数热敏电阻的材料常数，T_N为额定温度。根据NTC阻值随温度变化的特性，设计温度检测电路如图9所示。使用单片机的模数转换模块测出PC2 处的电压即可根据负温度系数热敏电阻阻值与电压的关系估算出温度值。

本实用新型中电源模块包括5V稳压电路和3.3V稳压电路，其中5V稳压电路采用LM2596S-ADJ DC-DC电源稳压电路，使用时，调节电位器使输出电压为5V。如图10所示，为5V稳压电路结构示意图。图中，LM2596是降压开关型集成稳压芯片，可输出最大为3A的电流。该器件内部集成频率补偿和150KHz 固定开关频率发生器可缩小滤波器件的规格。输入电压和输出负载在规定的范围时，输出电压的误差不会超过±4％，振荡频率的误差不会超过±15％。该集成稳压芯片构成降压电路外部只需接四个器件，这使开关电源电路的设计变得极为简单。

3.3V稳压电路采用ASM1117正向低压降稳压器。ASM1117是一个正向低压降稳压器，具有限流及过热切断功能。在1A电流下压降为1.2V；在固定输出电压为3.3V时，具有1％的精度。3.3V稳压电路如图11所示。

本实用新型无线充电接收端的控制器单元采用TI的无线电源接受芯片 BQ51020。BQ51020器件是TI的一款全封闭的针对最薄解决方案的无电感器接收器，具有效率高达96％的完全同步整流器和效率高达97％的高效后置稳压器，其可调节输出电压(4.5至8V)，可实现线圈和热性能优化。

BQ51020能够在WPC v1.1协议下运行，这使得无线电源系统在与Qi感应发射器一同使用时能够向系统传送高达5W的功率。在功率5W时，系统效率为79％。借助市场领先的效率和可调输出电压，bq51020还可实现独一无二的效率和系统优化。器件内的I 2C可使系统设计人员能够执行发射器表面的接收器对齐、检测接收器上的异物等功能。可应用于智能手机、平板电脑和头戴式耳机、Wi-Fi热点、移动电源等设备。

BQ51020芯片的输出效率与输出电流有关，在输出电流小于1A的范围内，输出电流越大效率越高。BA51020芯片效率与输出电流的关系如图12所示。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。