磁共振无线MISO充电电路的制作方法

本实用新型涉及磁共振无线充电技术领域，尤其涉及一种磁共振无线MISO充电电路。

背景技术：

磁共振无线充电技术是无线充电的主流技术之一，具有传输距离长和效率高等优点。伴随着WPC1.2规范发布后，当前的市场开始由磁感应技术向磁共振无线充电技术转变，其主要针对移动智能设备、穿戴式设备、低功率小型设备等进行充电。磁共振无线充电技术产品可以制作成一个充电板(含有单个或多个线圈发射端)，可同时对多个接收设备充电，成为无线充电市场未来的发展方向。充电接收设备端的充电效率与离充电板位置息息相关，充电板是由多个线圈构成的发射端，每个线圈与在有效充电区内的接收设备都有不同的磁感应程度。为了能更好的管理多设备无线充电，需要提出一种无线充电电路设计方案，使无线充电系统更智能、高效和安全。

目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、电场耦合式、无线电波式四种基本方式。当前最成熟、最普遍的是电磁感应式，其技术是应用电磁感应原理，交变电流流过发射端线圈产生变化的磁场，发射端线圈在变化的磁场下产生电流，从而为接收端设备充电。磁共振式技术也是应用电磁感应原理，发射端与接收端频率相同达到共振效果，以加强传输效率。电场耦合技术原理是通过电场将发射端的电能转移到接收端，利用通过垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能。无线电波技术原理是将电磁波转换为电流，通过电路传输电流，但具有传输距离小、转换效率低、辐射大等缺点。

星立式无线充电板、Apple watch无线充电器等各式各样充电板的原理基本上是电磁感应式充电，充电设备与充电板需要贴合，随着无线充电技术的不断发展与演进，各大公司的研究方向已转为充电板可以为任意方向、适当距离内为多台移动设备充电，现有的贴合式无线充电产品并不能满足人们的需求。

由于多设备无线充电技术这几年国内外才开始研究，今后应用领域主要是移动智能设备、穿戴式设备、小型低功率设备等。从无线充电系统的电路设计出发，目前有以下论文和专利：

论文(Wireless Power Hotspot that Charges All of Your Devices)里阐述了磁共振情况下多线圈充电板对多设备进行充电的示例，接收充电的设备与充电板(发射端)的线圈频率都是一样的，以达到共振提高充电效率。此论文中发射端与接收端是采用帯内通信传递信息，对各信道进行估计，然后采取最大化功率传输算法对发射端线圈的电压进行控制。这个示例给了我们研究参考的方向与证实了多设备无线充电的可行性，但是在充电系统管理上由于负载不匹配造成的资源浪费，以及电路结构复杂，因此有很多优化的空间需要我们的进一步研究和探索。

专利(CN104701955A)是公开了一种无线充电装置，与充电座和电池连接。通过将振荡模块、整流降压模块和电源管理模块依次连接，蓝牙通讯模块连接整流降压模块，电源管理模块则连接到电池。蓝牙通讯模块与充电座通信获取充电的通讯协议，振荡模块接收充电座发出的信号并进行振荡产生交流电，整流降压模块对所述交流电进行整流、降压后输出直流的基准电压，电源管理模块对基准电压降压后输出充电电压对电池充电。此专利的电路设计较为复杂，在对多线圈无线充电的设计过程中仍需要进一步的研究和探索。

可见，由于单一的无线充电技术已经发展较为成熟，多设备无线充电技术国内外已有很多公司在研究，现有的论文和专利也只是在充电方案上提出了一些简单的解决方案，部分的已经提出了基于多个线圈的充电方法。然而目前的多线圈充电的设计电路过于复杂，尤其是在电路接收端需要设计额外的电路检测和信息反馈功能，增加了电路的复杂度和成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于结合多设备无线充电的可行性，设计了基于磁耦合共振的无线充电系统电路。

本实用新型所采用的技术方案包括一种磁共振无线MISO充电电路，由电源模块S1、DDS信号发生模块S2、阻抗测量模块S3、阻抗匹配模块S4、收发线圈模块S5以及接收电路给负载供电模块S6组成，

电源模块S1连接信号发生模块S2，信号发生模块S2连接阻抗测量模块S3，阻抗测量模块S3连接阻抗匹配模块S4，阻抗匹配模块S4连接收发线圈模块S5，收发线圈模块S5连接接收电路给负载供电模块S6；

收发线圈模块S5包括两个或以上发射线圈S51和一个接收线圈S52，接收线圈S52连接负载供电模块S6；

DDS信号发生模块S2设置与各发射线圈S51分别相应的DDS信号发生器；

阻抗测量模块S3包括与各发射线圈S51分别相应的阻抗测量电路；

阻抗匹配模块S4包括与各发射线圈S51分别相应的阻抗匹配电路，每个发射线圈S51相应的阻抗匹配电路包括两个不同类型的阻抗匹配网络，两个不同类型的阻抗匹配网络分别连接相应的发射线圈S51。

而且，每个发射线圈S51分别相应的阻抗测量电路由定向耦合器S31、衰减器S32、检测芯片S33和选择芯片S34组成，

定向耦合器S31的输入端接信号发生模块S2，定向耦合器S31的直通端接阻抗匹配模块S4，定向耦合器S31输入端的入射波信号耦合到耦合端，定向耦合器S31直通端的信号经接收线圈S52后形成反射信号，反射信号耦合到隔离端；

两块衰减器S32分别连接于定向耦合器S31的耦合端和隔离端，用于调节检测芯片S33输入信号的大小；

检测芯片S33的两个功率衰减端口分别连接经衰减器S32调节后的信号，检测芯片S33通过增益端口输出电压增益，通过相位端口输出电压相位；

选择芯片S34接收电压增益和电压相位，输出选择信号到该发射线圈S51的相应阻抗匹配电路，连通两个不同类型的阻抗匹配网络之一。

而且，接收电路给负载供电模块S6由依次连接的全桥整流电路S61、滤波电路S62和稳压电路S63组成。

而且，每个发射线圈S51相应的阻抗匹配电路包括L型阻抗匹配网络和反L型阻抗匹配网络。

或者，每个发射线圈S51相应的阻抗匹配电路包括T型阻抗匹配网络和π型阻抗匹配网络。

本实用新型根据无线电能传输特性，设计一套无线充电系统的电路，通过阻抗匹配和功率控制，提高无线充电的效率；为多设备无线充电提供可行的参考方案，便于系统化集成制造，为今后产品商业化的实现提供了可行的依据，具有重要的市场价值。

本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型的无线充电电路设计不限于两个发射线圈，同样适用于多发射线圈无线充电电路的设计；

(2)本实用新型的输入阻抗通过检测芯片得到，减少了电路设计的复杂度；

(3)本实用新型所提出的阻抗匹配网络不限于L型和反L型阻抗匹配，同样可以使用T型和π型阻抗匹配网络替代。

附图说明

图1为本发明实施例的无线充电电路结构图。

图2为本发明实施例的阻抗测量电路结构图。

图3为本发明实施例的无线充电等效电路图。

图4为本发明实施例的L型和反L型阻抗匹配网络结构图。

图5为本发明实施例的收发线圈模块结构图。

图6为本发明实施例的接收电路给负载供电模块结构图。

图7为本发明实施例的2对1无线充电系统模型结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1，本发明提供的磁共振无线MISO充电电路有6个部分：电源模块S1、DDS信号发生模块S2、阻抗测量模块S3、阻抗匹配模块S4、收发线圈模块S5以及接收电路给负载供电模块S6。其中，MISO表示多发射单接收。

收发线圈模块S5包括两个或以上发射线圈S51和一个接收线圈S52，接收线圈S52连接负载供电模块S6；

DDS信号发生模块S2设置与各发射线圈S51分别相应的DDS信号发生器；

阻抗测量模块S3包括与各发射线圈S51分别相应的阻抗测量电路，每个发射线圈S51相应的阻抗测量电路包括定向耦合器S31、衰减器S32、检测芯片S33和比较器S34，

阻抗匹配模块S4包括与各发射线圈S51分别相应的阻抗匹配电路，每个发射线圈S51相应的阻抗匹配电路包括两个不同类型的阻抗匹配网络，两个不同类型的阻抗匹配网络分别连接相应的发射线圈S51。

电源模块S1连接信号发生模块S2，信号发生模块S2连接阻抗测量模块S3，阻抗测量模块S3连接阻抗匹配模块S4，收发线圈模块S5连接阻抗匹配模块S4，收发线圈模块S5连接接收电路给负载供电模块S6；

电源模块S1将电源提供的电能传递给信号发生模块S2；

信号发生模块S2将携带电能的信号传递给阻抗测量模块S3，该模块接下来会详细叙述；

阻抗匹配模块S4提供多种供阻抗测量模块S3选择的不同的输入阻抗匹配网络，该模块接下来也会详细叙述；

收发线圈模块S5连接阻抗匹配模块S4，将信号能量耦合到接收端电路；

接收电路给负载供电模块S6将收发线圈模块S5耦合过来的能量，经过整流、滤波和稳压处理给负载供电，该模块接下来会详细叙述。

参见图2，每个阻抗测量电路包括定向耦合器S31、衰减器S32、检测芯片S33和比较器S34，

阻抗测量装置用到了定向耦合器S31，它包括有输入端、直通端、耦合端和隔离端。

定向耦合器S31的输入端接信号发生模块S2，定向耦合器S31的直通端接阻抗匹配模块S4，定向耦合器S31输入端的入射波信号Vinc耦合到耦合端Vcoup，定向耦合器S31直通端Vtran的信号经LC谐振线圈(收发线圈模块S5中的接收线圈)后形成反射信号Vref，形成的反射信号Vref耦合到隔离端Viso。

两块衰减器S32分别连接于定向耦合器S31的耦合端和隔离端，用于调节检测芯片S33输入信号的大小，两块衰减器在图中分别记为衰减器A和衰减器B，分别接入检测芯片S33的两个功率衰减端口；

检测芯片S33为AD8302，有4个端口，其中A和B通道为功率衰减端口，分别连接经衰减器S32调节后的信号，检测芯片S33将接收到的电信号转换为电压信号，并通过增益端口输出电压增益，通过相位端口输出电压相位；

选择芯片S34接收电压增益和电压相位，输出选择信号到阻抗匹配模块S4。选择芯片S34可采用MCU控制器，例如为arduino uno3，支持用户设定使用，能够根据检测芯片S33增益端的电压、信号，计算出两路信号的幅值比，根据检测芯片S33相位端的电压相位信号，计算得出两路信号的相位差。由两路信号的幅值比和相位差，就可计算得出发射系数Γ。然后由公式即可计算出输入阻抗，其中Z₀＝50Ω为信号源阻抗，Z_L为输入。阻抗。为节省成本，各发射线圈S51的阻抗测量电路可以集成使用一个芯片，实施例中两路阻抗测量电路共用一个arduino uno3芯片。

参见图3中无线充电等效电路图。图中Z₀为信号源V_S的等效阻抗，即为信号源的输出阻抗；Z_L为输出端电路的等效阻抗，即为输入阻抗，R_L为负载功率电阻。当输出阻抗与输入阻抗不匹配时，在发射线圈前端引入阻抗匹配网络，例如，当R大于50欧时，选择L型阻抗匹配网络，否则选择反L型阻抗匹配网络。阻抗测量模块S3经AD8302幅相检测芯片检测信号的幅度和相位值并通过arduino uno3计算输入阻抗值的数据之后，开始进行阻抗匹配网络的选择。具体检测、计算可以采用现有技术，本领域技术人员可自行根据需要设置。

参见图3，实施例阻抗匹配模块S4中的L型和反L型阻抗匹配网络结构，选择芯片S34输出选择信号到阻抗匹配模块S4，联通L型或反L型阻抗匹配网络结构。其中jX为阻抗匹配网络的等效感抗，1/jB为阻抗匹配网络的等效容抗，假设经阻抗测量模块S3计算得出的输入阻抗值为Z_L＝R+jX，其中R为实部，X为虚部。

在射频和微波频段，要使能量最大化传输，设计阻抗匹配电路，可保证信源的输入和输出阻抗相等。实施例中，当信号发生器调到一定的频率，由于其等效阻抗为50Ω，通过阻抗匹配电路调整发射端的输入阻抗也为50Ω。因此，可由用户预先设定：

当输入阻抗实部满足R＞50Ω(S41)，则输出选择信号选择L型阻抗匹配网络S42。由于L型阻抗匹配网络S42可以降低实部R的值，使其阻抗匹配到与信源阻抗50Ω一样的值，达到阻抗匹配的目的，实现能量最大化传输；

当输入阻抗实部不满足R＞50Ω(S41)，则选择反L型阻抗匹配网络S43。由于反L型阻抗匹配网络S43可以降低实部R的值，使其阻抗匹配到与信源阻抗50Ω一样的值，达到阻抗匹配的目的，实现能量最大化传输；

最后L型阻抗匹配网络S42或反L型阻抗匹配网络S43经收发线圈模块S5将能量发射出去。

参见图5，实施例的收发线圈模块S5包括两个发射线圈S51和一个接收线圈S52，两个发射线圈为圆形结构，外直径为12cm，内直径为9cm，阻抗值都为10+0.32j，分别记为TX1和TX2，接收线圈采用nucurrent公司的方形线圈，其外径长为7cm，外径宽为5.6cm，内径长为4.5cm，内径宽为3.2cm，阻抗为4.64+0.15j，记为RX；在发射端电路(S1～S4)发射端信号经过阻抗匹配后传输到发射线圈TX1和TX2，然后经过接收线圈RX接收后传输到负载(S6及用户负载)，接收线圈RX即接收端LC谐振线圈。

附图6为接收电路给负载供电模块结构图，由依次连接的全桥整流电路S61、滤波电路S62和稳压电路S63组成。

收发线圈模块S5耦合过来的能量是交流信号，经全桥整流电路S61将交流信号转换成能给用户负载供电的直流信号；

经全桥整流电路S61高频整流之后的信号除了有直流信号成份外，还有交流成分。滤波电路S62可有效滤除经全桥整流电路S61高频整流之后的交流成分；

滤波电路S62虽然滤去了交流成分，但其伴随有一定的谐波成分，需经稳压电路S63消除谐波成分对电路的影响，为负载提供稳定的电压。

参见图7，实施例采用2对1无线充电系统，即两个发射线圈和一个接收线圈的2对1无线充电系统。

电源模块给其他模块供电并为系统提供能量；

DDS信号发生模块S2包括两个DDS信号发生器，为系统提供信号，经过功率放大器放大携带能量的交流信号后传输到阻抗匹配网络，然后传输到发射线圈TX1和TX2；接收线圈RX用于接收发射线圈TX1和TX2所携带交流能量的信号，传输到负载给负载供电；AD8302检测模块用于检测经功率放大器放大后信号的幅值和相位，然后经arduino uno3读取AD8302检测到的幅值和相位并计算输入阻抗的值。根据输入阻抗的值，选择L型或反L型阻抗匹配网络。

本实用新型产品适于制造售卖，具体实施时，优选建议厂商根据负载需要的功率大小，选择高效率的功率放大器，由功率放大器的转换效率确定需要供电的电源大小。为实现供电电源的能量最大化传输，利用本实用新型的阻抗测量模块即可测量输入阻抗，根据测量得出的输入阻抗值的大小，匹配相应的阻抗匹配网络，使信号源等效阻抗跟负载端阻抗相等，然后经收发线圈耦合到接收端。接收端则经过整流、滤波和稳压后，将接收到的能量给负载供电。

本文中所描述的具体实施例仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。