本實用新型涉及電學領域，特別涉及一種無線電輸電裝置。

背景技術：

無線輸電技術由于其安全、便利等優(yōu)點正廣泛地被應用到各類電子產品中去。現有無線輸電技術主要包括磁感應和磁諧振兩種方式。這兩種無線輸電技術傳遞功率的架構均如圖1所示，主要包括將電網交流功率(電網電壓V_line)轉變?yōu)榘l(fā)送端直流功率(發(fā)送端直流電壓V_inv)的AC-DC模塊，將發(fā)送端直流功率轉變?yōu)榇艌龉β实臒o線輸電發(fā)送端模塊(包含其發(fā)送線圈L_tx)，將磁場功率轉變?yōu)榻邮斩酥绷鞴β?接收端直流電壓V_rec)的無線輸電接收端模塊(包含其接收線圈L_rx)，將接收端直流電壓V_rec調制為滿足電子設備要求的DC-DC模塊以及作為終端功率負載的電子設備。

圖1所展示的AC-DC模塊在實際應用中以外置式電源適配器的形式出現，實現將110Vac或者220Vac的交流電壓轉變?yōu)?Vdc、12Vdc或者24Vdc等固定直流電壓的功能。由于外置式電源適配器的安規(guī)要求，該適配器往往采用如2所示的Flyback電路，在實現將電網交流電轉變?yōu)楣潭ㄖ绷麟姷耐瑫r利用變壓器T提供安全隔離功能。

基于Flyback電路的隔離適配器為了保證一定的功率轉換效率(80％～85％)，通常將其最高開關頻率設定為65kHz左右，其變壓器T體積較大，難以和無線輸電發(fā)送端模塊集成為一個高密度功能模塊，以實現去掉外置式電源適配器，簡化無線輸電系統的目的。

具體來說，如圖3所示，基于磁諧振技術的無線輸電發(fā)送端電路由于其開關管(Q₁₂和Q₁₃)工作頻率固定且較高(依據A4WP標準為6.78MHz)，為保證實現Q₁₂和Q₁₃軟開關以降低其開關損耗，Q₁₂和Q₁₃的占空比往往固定(通常為50％)，難以通過脈寬調制(PWM)技術實現對無線輸電功率大小的控制而采用開關(ON/OFF)控制整個無線輸電發(fā)送端的方式(即讓無線輸電發(fā)送端工作一段時間，再停止一段時間)調制無線輸電功率以滿足電子設備負載的功耗要求。

由于無線輸電發(fā)送端前級Flyback電路在寬輸入電壓(通常面臨的電網交流電壓v_line范圍是85V_ac～265V_ac)條件下若要同時滿足寬輸出電壓(比如V_inv為5V_dc～36V_dc線性可調)要求，則其功率轉換效率難以優(yōu)化，關鍵元器件成本(如圖2中Q₁₁和D₁₁)會明顯增加，所以無線輸電發(fā)送端的輸入電壓V_inv是固定的。若V_inv較低，則發(fā)送端電流較大，導致發(fā)送端功耗明顯，溫升較高，無線輸電功率因此受到限制，同時也影響無線輸電的距離；若V_inv較高，雖然無線輸電功率和距離均得以增加，但是在無線輸電發(fā)送端啟動瞬間Q₁₂和Q₁₃軟開關條件尚未建立，工作在硬開關狀態(tài)的Q₁₂和Q₁₃電壓應力過高，導致正常工作時只需要100V耐壓的Q₁₂和Q₁₃為了解決啟動問題需要選用150V甚至200V耐壓，嚴重影響Q₁₂和Q₁₃的性能和成本。同時，較高的V_inv需要在ON/OFF控制發(fā)送端時將發(fā)送端更多地至于OFF狀態(tài)以降低發(fā)送端的輕載和待機功耗，這會降低發(fā)送端的動態(tài)響應速度。

目前，現有技術中的無線電輸電技術存在無線電轉換效率和成本的問題。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本實用新型的目的在于提供一種無線電輸電裝置。該系統實現提高無線輸電系統效率，增加無線輸電距離和降低無線輸電系統待機功耗。

本實用新型提供一種無線輸電裝置，包括：依次級聯的整流橋、浮地降壓式變換電路和發(fā)送端諧振電路，其中，第一整流橋輸入端和交流電網相連，所述第一整流橋輸出端和浮地降壓式變換電路的輸入端相連，將電網交流電壓轉變?yōu)橹绷麟妷禾峁┙o所述浮地降壓式變換電路；降壓式變換電路包括第一電容、第二電容、第一開關管、二極管和第一電感，第一電容為第一整流橋輸出端直流電壓濾波，其正端和二極管陰極以及第二電容正端相連，其負端和所述第一開關管源極相連，二極管陽極和第一開關管漏極以及第一電感的一端相連，第二電容和第一電感的另一端相連；第二電容為后級發(fā)送端諧振電路提供受控的直流電壓，通過控制第一開關管，浮地降壓式變換電路將直流電壓轉換為受控的直流電壓；所述發(fā)送端諧振電路用于將直流電壓轉變?yōu)榇艌瞿芰俊?/p>

進一步地，還包括：無線輸電接收端，所述無線輸電接收端由第二諧振電容、第二諧振電感、第二整流橋和第四電容構成，所述無線輸電接收端，用于接收到的磁場能量轉變?yōu)橹绷麟妷?/p>

進一步地，還包括：無線通訊發(fā)送端，所述無線通訊發(fā)送端具體為帶有數模轉換器的藍牙模塊，用于將控制信號轉變?yōu)闊o線通訊信息。

進一步地，所述發(fā)送端諧振電路由第三電容、第四電容、第五電容、第二電感、第三電感、第二開關管、第三開關管、第一諧振電容和第一諧振電感構成，其中第三開關管和第二開關管工作在相同的開關頻率、占空比50％且互補；第四電容和第五電容用于為第三開關管和第二開關管實現軟開關。

進一步地，還包括：無線通訊接收端，所述無線通訊發(fā)送端具體為帶有數模轉換器的藍牙模塊，用于將包含控制信號的無線通訊信息還原為所述控制信號。

進一步地，還包括：運算放大器和直流-直流轉換器。

本實用新型至少具有以下優(yōu)點：

本實用新型縮小無線輸電系統體積，提高無線輸電系統效率，增加無線輸電距離，降低無線輸電系統待機功耗，降低無線輸電發(fā)送端開關管電壓應力。

上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳細說明如下。

附圖說明

圖1為現有技術中無線輸電技術傳遞功率的結構示意圖。

圖2為現有技術中Flyback電路結構示意圖。

圖3為現有技術中一種基于磁諧振原理的無線輸電發(fā)送端電路結構示意圖。

圖4為本實用新型提供的一種無線輸電發(fā)送端電路結構示意圖。

圖5為本實用新型提供的一種無線輸電功率架構結構示意圖。

圖6為本實用新型提供的無線輸電裝置結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

首先描述一下本實用新型的主要思想：目前，無線輸電發(fā)送端模塊和接收端模塊已經天然地將電網和終端電子設備隔離開來。為防止電磁能量被屏蔽，無線輸電發(fā)送端模塊和接收端模塊的外殼均為非導體材質?；谶@兩點技術基礎，本實用新型提出通過級聯發(fā)送端諧振電路和如圖4所示浮地降壓式變換(BUCK)電路構成無線輸電發(fā)送端模塊，該模塊完全內置于無線輸電發(fā)送端裝置，通過線纜直接和電網相連，無需連接外置式電源適配器，如圖5所示。由于浮地BUCK電路可工作在較高開關頻率(如130kHz)，并且無變壓器限制，易于小型化，從而可以將圖5所示無線輸電發(fā)送端制作為一個高密度小體積的功能模塊，優(yōu)化無線輸電系統，達到改善用戶體驗的目的。由于浮地BUCK電路優(yōu)異的調壓特性，即使面對寬輸入電壓條件，也能滿足寬輸出電壓調制要求。基于此，本實用新型進一步提出通過動態(tài)調整圖4所示V_inv電壓以同時滿足1)提高無線輸電系統效率；2)增加無線輸電距離；3)降低無線輸電系統待機功耗以及4)降低無線輸電發(fā)送端開關管電壓應力的目的。

下面進行詳細介紹，如圖6所示，本實用新型的一種無線輸電裝置，包括依次級聯的整流橋BR₁、浮地BUCK電路和發(fā)送端諧振電路，無線通訊發(fā)送端，無線通訊接收端，運算放大器和直流-直流(DC-DC)轉換器。其中，整流橋輸入端和交流電網相連，輸出端和浮地BUCK電路的輸入端相連，將電網交流電壓轉變?yōu)橹绷麟妷禾峁┙o所述浮地BUCK電路。浮地BUCK電路包括第一電容C₁、第二電容C₂、第一開關管Q₁、二極管D₁和第一電感L₁，第一電容C₁為整流橋輸出端直流電壓濾波，其正端和二極管D₁陰極以及第二電容C₂正端相連，其負端和所述第一開關管Q₁源極相連，二極管D₁陽極和第一開關管漏極以及第一電感L₁的一端相連，第二電容C₂和第一電感L₁的另一端相連。第二電容C₂為后級發(fā)送端諧振電路提供受控的直流電壓V_inv。通過控制第一開關管Q₁，浮地BUCK電路將直流電壓V_main轉換為受控的直流電壓V_inv。需要說明的是：第二電容C₂和第一電容C₁的負端并未直接相連，存在電位差，而后級發(fā)送端諧振電路的參考地即為所述第二電容的負端，所以后級發(fā)送端諧振電路的參考地相對于前級所述浮地BUCK電路的參考地(即所述第一電容的負端)也存在電位差。發(fā)送端諧振電路由第三電容C₃、第二電感L₂、第三電感L₃、第二開關管Q₂、第三開關管Q₃、第四電容C₄、第五電容C₅、第一諧振電容C_tx和第一諧振電感L_tx構成，其中第三開關管Q3和第二開關管Q2工作在相同的開關頻率、占空比50％且互補的狀態(tài)；第四電容C₄和第五電容C₅幫助第三開關管Q₃和第二開關管Q₂實現軟開關以消除高頻(如6.78MHz)開關損耗。該諧振電路將直流電壓V_inv轉變?yōu)榇艌瞿芰?。無線輸電接收端由第二諧振電容C_rx，第二諧振電感L_rx，整流橋BR₂和第四(濾波)電容C₄構成，其中第二諧振電容Crx和第二諧振電感Lrx的諧振頻率等于第三開關管Q3或第二開關管Q2的開關頻率。無線通訊發(fā)送端具體可以為帶有數模轉換器的藍牙模塊，它可以將所述控制信號V_{rec_con}轉變?yōu)闊o線通訊信息。無線通訊接收端可以為帶有數模轉換器的藍牙模塊，它可以將包含所述控制信號V_{rec_con}的無線通訊信息還原為所述控制信號V_{rec_con}。

基于圖6的無線輸電裝置，本實用新型實施例還提出了一種無線輸電裝置的控制方法，包括：級聯浮地BUCK電路和發(fā)送端諧振電路，通過檢測接收端輸出電壓V_rec來反饋控制浮地BUCK電路輸出電壓V_inv，從而實現接收端輸出電壓V_rec在接收端全負載范圍內，以及接收端和發(fā)送端距離在設計范圍內保持穩(wěn)定的目的。其次，在發(fā)送端啟動和待機模式下，通過降低浮地BUCK電路輸出電壓V_inv至其最小值V_{inv_min}以實現降低發(fā)送端開關管電壓應力和待機功耗的目的。發(fā)送端諧振電路用于將直流電轉變?yōu)楦哳l(如6.78MHz)磁場能量。

具體來說：85V_ac～265V_ac的交流電網電壓經過整流橋BR₁整流和BUCK電路第一電容C₁濾波后變?yōu)橹绷麟妷篤_main。通過控制第一開關管Q₁，浮地BUCK電路將直流電壓V_main轉換為受控的直流電壓V_inv。發(fā)送端諧振電路將直流電壓V_inv轉變?yōu)榇艌瞿芰?。無線輸電接收端將接收到的磁場能量轉變?yōu)橹绷麟妷篤_rec，再經由DC-DC裝置便可轉換為滿足電子設備負載要求的直流電壓V_load。

本實用新型通過控制直流電壓V_rec而非直流電壓V_inv，可以消除由于第一諧振電感L_tx和第二諧振電感L_rx相對位置不同造成的直流電壓V_rec大幅波動，從而導致的DC-DC裝置輸出電壓V_load難以滿足電子設備負載的情況。通過反饋無線輸電接收端輸出電壓V_rec，并且和電壓基準V_ref比較，繼而經過運算放大器放大為一誤差控制信號V_{rec_con}，再通過帶有模數轉換器的藍牙模塊2轉變?yōu)闊o線信號，該無線信號通過帶有數模轉換器的藍牙模塊1還原為誤差控制信號V_{rec_con}后輸入第一控制器Q₁形成第一開關管Q₁的頻率和占空比控制信號以實現。

第一控制器Q₁為一個將所述控制信號V_{rec_con}轉變?yōu)镼₁控制信號的裝置。具體來說，第一控制器Q₁采樣浮地BUCK電路輸出直流電壓V_inv，當發(fā)送端諧振電路啟動時將V_inv控制為設定最低電壓V_{inv_min}，或者當檢測不到無線通訊發(fā)送端信號時也將V_inv控制為設定最低電壓V_{inv_min}；而進入待機狀態(tài)時將直流電壓V_inv控制到其最小值V_{inv_min}，以防止發(fā)送端諧振電路在啟動時第二開關管Q₂和第四開關管Q₄承受過高電壓應力而損壞，同時將無線輸電發(fā)送端電路待機功耗控制到最小。另外，第一控制器Q₁設定某一V_inv最大值V_{inv_max}，當控制信號V_{rec_con}導致V_inv超過V_{inv_max}時，第一控制器Q₁將輸出電壓V_inv最大值鉗位在V_{inv_max}，以防止正常工作時第二開關管Q₂和第四開關管Q₄承受過高電壓應力而損壞。

本實用新型實施例中的浮地降壓式變換(BUCK)電路和發(fā)送端諧振電路構成的模塊化無線輸電發(fā)送端電路，發(fā)送端諧振電路的前級電路不需要隔離，不需要采用外置式電源適配器，可以一體化集成，縮小無線輸電系統體積。正因為上述集成，浮地BUCK電路的輸出電壓在系統正常工作時不需要單獨控制，關鍵在于控制無線輸電接收端輸出電壓以實現雖然無線輸電的接收端和發(fā)送端相對位置(包含距離遠近)發(fā)生了變化，但是電子設備負載的供電得以保證，無線輸電系統效率得以提高。在啟動和待機模式下，浮地BUCK電路的輸出不再由無線輸電接收端輸出電壓反饋控制，而是直接控制到某一最小值，從而降低無線輸電系統待機功耗，降低無線輸電發(fā)送端開關管電壓應力。在正常工作模式下，浮地BUCK電路的輸出設定一個最大鉗位電壓，以防止正常工作時諧振電路元器件承受過高電壓應力而損壞。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本實用新型，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本實用新型的保護范圍。