一种基于导通角控制的稳压整流器的制作方法

背景技术：

1、目前比较普遍的无线充电系统是基于线圈耦合，其中分为原边与副边。原边系统通过d类功率放大器驱动原边线圈，将直流能量转换为交流能量并耦合到副边线圈。副边系统在接收端，通过整流器将耦合的交流能量转换为直流能量。

2、传统整流器不具备稳压功能，因此需要降压变压器以提供稳定的输出电压为后端的电路电池供电。然而增加一级电源会降低系统传输效率，并且导致额外芯片面积和物料(电感电容)成本。

3、目前一些先进的技术通过对整流器进行模式切换(1x/2x)，使其具备稳压的能力而省去降压变压器。但现有技术的切换频率不在线圈的耦合频率上，从而会引入分谐波量并带来电磁干扰(emi)效应。

4、因此，如何实现高传输效率、低成本整流稳压器为当前无线充电系统技术中急需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于导通角控制的双环路稳压整流器，以解决上述背景技术中提出的无线充电系统传输效率低，增加额外芯片面积和物料成本，且会带来额外的emi辐射的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案实例：一种基于导通角控制的双环路稳压整流器无线充电系统，如图1所示，包括：d类功率放大器，其驱动电压为vbus，用于驱动耦合线圈，并将直流能量转换成交流能量并耦合到副边；耦合线圈，通过电磁感应将原边能量转移到副边并产生副边电流is；稳压整流器，用于将交流能量转换成直流能量，其输入为is并产生负载电压vout；导通角控制器，其通过电压环路反馈vout，通过电流环路反馈is，并调制产生导通角信号tcond以控制稳压整流器；所述d类功放的输出端与耦合线圈的输入端电性连接，耦合线圈的输出端与稳压整流器的输入端电性连接；所述导通角控制器输出端与稳压整流器的控制输入端电性相连，并通过电压环路反馈vout，通过电流环路反馈is。

3、优选的，如图2所示，所述耦合线圈包括原边线圈l1，副边线圈l2，原边线圈驱动电压vs（模型中之vs等效于图1电路中之vbus），驱动内阻rs，稳压整流器输入电压vrec，稳压整流器输入电阻rrec；其中r1是l1的内阻，c1是l1的匹配电容， r2是l2的内阻，c2是l2的匹配电容，设置 vs的开关频率是fsw，ωsw=2πfsw；当l1和c1匹配在ωsw时，副边电流is的推导公式为：

4、(1)；

5、其中，

6、(2)；

7、此为原边系统之质量因子；

8、(3)；

9、此为副边系统之质量因子；

10、(4)；

11、当rrec较小时（此时负载电流较大），我们有：

12、(5)；

13、此时副边电流is被简化为：

14、(6)；

15、其中k为耦合系数；

16、由公式(6)可以看出，在线圈匹配情况下的耦合线圈，原边系统在副边可以被模型化为一个交流电流源。

17、优选的，如图3所示，所述原边等效交流电流源ac-i正极接在副边线圈l2输入端，副边线圈l2输出端接在匹配电容c2的输入端。有源二极管tp正极、匹配电容c2输出端与功率开关bp正极在acp点相连；有源二极管tn正极、原边等效交流电流源ac-i负极与功率开关bn正极在acn点相连。有源二极管tp、tn正极、负载去藕电容正极和负载电流il输入端在vout点相连，整流稳压器输出电流被记为irec。功率开关bp、bn负极，负载去藕电容负极和负载电流il输出端在副边地相连。所述稳压整流器包括有源二极管tp、tn和功率开关bp、bn。其中有源二极管tp、tn，用于提供正向导通电流；功率开关管bp、bn交替导通接地且由导通角信号tcond控制其开关占空比。

18、优选的，如图4所示，所述导通角控制器包括误差放大器、比较器、电流过零点检测器、电流采样器、斜坡信号发生器以及输出逻辑电路。误差放大器对输出电压vout与参考电位vref进行比较，从而产生误差电压vea；比较器对误差电压vea与斜波信号vramp进行比较，从而产生set信号，其上升沿开启导通角信号tcond；电流过零点检测器对副边电流is进行过零点检测，从而产生rst信号，rst信号复位斜坡信号vramp并关断导通角信号tcond；输出逻辑电路基于导通角信号tcond产生bp和bn的驱动信号，其中tcond=1时，bp和bn交替为1，tcond=0时，bp和bn均为1；电流采样器对下半桥臂功率开关管bn的峰值电流进行采样并存为vh；斜坡信号发生器产生幅值为vh的斜坡信号vramp。

19、与现有技术相比，本发明的优点与好处为，该稳压整流器的切换频率为系统的谐振频率，没有多种模式，因此没有显著的emi问题。另外，电压环路可以提供稳压功能以适应不同的负载环境，电流环路可以实时的辅助修正电压环路的增益和带宽，以适用于比较宽的耦合环境；整体线路简单，复杂度低，大大降低了成本。

20、优选的，所述稳压整流器可以通过调制导通角占空比来改变等效的稳压整流器输入阻抗，从而实现ask调制和rx-tx的数据传输。如图6所示，通过向误差信号vea注入脉冲电流，从而调制稳压整流器的输入阻抗并向原边传递数据。

技术特征：

1.一种基于导通角控制的稳压整流器，其特征在于，包括以下结构：

2.如权利要求1所述的稳压整流器，其特征在于，包括以下工作方式：

3.如权利要求1所述的稳压整流器，还包括导通角控制器，其特征在于，使用电压环路和电流环路的双环路控制模式。

4.如权利要求3所述的电压环路之电路结构主要包括：误差放大器、比较器、电流过零点检测器以及输出逻辑电路；所述电压环路之工作方式包括以下步骤：

5.如权利要求3所述的电流环路之电路结构主要包括：电流采样器和斜坡信号发生器；所述电流环路之工作方式包括以下步骤：

6.如权利要求1所述的稳压整流器，其特征在于，由于电压环路之作用，输出电压vout对负载电流il之变化不敏感；由于电流环路之作用，vout对于耦合环境之变化不敏感。

7.如权利要求1所述的稳压整流器，其特征在于，整流切换频率与谐振频率相同，因此没有显著的电磁干扰（emi）效应。

8.如权利要求1所述的稳压整流器，其特征在于，可以通过向误差电压vea注入电流脉冲来产生占空比调制，以改变整流器输入阻抗；发射端就可以感应电流变化并解调数据，以此支持基于ask调制的双向数据链。

技术总结
本发明涉及整流器技术领域，公开了一种基于导通角控制的新型稳压整流无线充电系统，此导通角控制器属于双环路控制系统，包含电压环路和电流环路。此电压环路反馈负载电压Vout，通过导通角控制器调制开关管占空比，以实现不同负载电流下的Vout稳压。此电流环路采样副边电流I<subgt;s</subgt;，通过调整导通角控制器中三角波发生器之峰值，以修正无线充电系统在不同耦合系数k，以及原边驱动电压Vbus下的环路增益和带宽，从而实现了比较宽松的耦合环境。电压环路本发明亦公开了一种兼容导通角控制器的新型ASK调制方法，以实现双向数据传输功能。不同于传统的稳压整流无线充电技术（其往往会引入分谐波量），本发明的稳压切换信号只在谐振频率内，因此没有显著的电磁干扰（EMI）效应。由于本发明使用双环路控制器，使得Vout可以在比较大的负载变化范围中保持稳定，并且可以适用于比较宽的耦合环境。环路精简，芯片面积小，不需要额外电感电容，大大降低了成本。

技术研发人员：李兴,孟潇东,李鹏飞
受保护的技术使用者：江苏鑫康微电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15