一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路以及方法与流程

本发明属于无线充电技术领域，尤其涉及一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路以及方法。

背景技术：

无线充电系统是一个小型的控制系统，通过一定的控制手段使得接收控制器的输出实现恒压或者恒流的功能。常用的控制方式是控制发射控制器的高频逆变电路的mos管的占空比或者频率实现恒流和恒压。由于发射和接收端物理电气隔离，接收端的电压电流信号一般传递到发射端的做法通常是使用无线通信进行传递，这样的一个最大的缺陷是会有很大的传输延迟，一般在50ms左右，同样的无线通信是不稳定的，比较容易出现丢包。可见，现有无线充电系统存在稳定性差的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路，旨在解决现有无线充电系统稳定性差的问题。

本发明实施例提供一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路，所述应用于无线充电系统的原边功率反馈电路包括：发射模块、控制模块、驱动模块以及接收模块；

所述发射模块包括滤波电路、半桥ss逆变电路、输入电流采样电路、差分放大电路、输入电压采样电路以及发射电路；

所述滤波电路分别与交流电源、所述半桥ss逆变电路、所述输入电流采样电路、所述差分放大电路、所述输入电压采样电路、所述发射电路以及接地端电连接；

所述差分放大电路分别与所述交流电源、所述输入电流采样电路、所述半桥ss逆变电路、所述发射电路、所述控制模块以及接地端电连接；

所述输入电压采样电路还分别与所述半桥ss逆变电路、所述发射电路、所述控制模块以及接地端电连接；

所述控制模块还与所述驱动模块电连接；

所述驱动模块还与所述半桥ss逆变电路电连接；

所述发射电路还与所述接收模块原边功率反馈控制连接以及与接地端电连接。

更进一步地，所述滤波电路包括电感l1以及电容c1；

所述电感l1的一端与所述交流电源的正极电连接，所述电感l1的另一端分别与所述电容c1的一端、所述输入电压采样电路、所述半桥ss逆变电路以及所述发射电路电连接；

所述电容c1的一端还分别与所述半桥ss逆变电路以及所述发射电路电连接，所述电容c1的另一端分别与所述输入电流采样电路、所述差分放大电路、发射电路以及接地端电连接。

更进一步地，所述半桥ss逆变电路包括：第一开关管q1以及第二开关管q2;

所述第一开关管q1的第一端与所述电感l1和所述电容c1之间的连接线电连接，所述第一开关管q1的第二端与所述驱动模块的第一驱动端电连接，所述第一开关管q1的第三端分别与所述第二开关管q2的第一端以及所述发射电路电连接；

所述第二开关管q2的第一端还与所述发射电路电连接，所述第二开关管q2的第二端与所述驱动模块的第二驱动端电连接，所述第二开关管q2的第三端分别与所述发射电路、所述输入电流采样电路、所述电容c1、所述差分放大电路以及接地端电连接。

更进一步地，所述差分放大电路包括：电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、运放器以及电容c7；

所述电阻r3的一端分别与所述交流电源的负极以及所述输入电流采样电路电连接，所述电阻r3的另一端分别与所述运放器的负极输入端以及所述电阻r5的一端电连接；

所述电阻r5的另一端分别与所述运放器的输出端以及所述电阻r6的一端电连接；

所述电阻r6的一端还与所述运放器的输出端电连接，所述电阻r6的另一端分别与所述电容c7的一端以及控制模块电连接，所述电容c7的另一端接地；

所述电阻r4的一端分别与所述输入电流采样电路、所述电容c1、所述第二开关管q2的第三端、所述发射电路以及接地端电连接；

所述电阻r4的另一端与所述运放器的正极输入端电连接。

更进一步地，所述输入电压采样电路包括电阻r7以及电阻r8；

所述电阻r7的一端与所述电感l1和电容c1之间的连接线电连接，所述电阻r7的一端还分别与所述第一开关管q1的第一端以及所述发射电路电连接；

所述电阻r7的另一端分别与所述电阻r8的一端以及所述控制模块电连接；

所述电阻r8的另一端与接地端电连接。

更进一步地，所述发射电路包括：电容c2、电容c3以及发射线圈tx；

所述电容c2的一端与所述电感l1和电容c1之间的连接线电连接，所述电容c2的一端还分别与所述第一开关管q1的第一端以及电阻r7远离电阻r8的一端电连接，所述电容c2的另一端分别与所述电容c3的一端以及所述发射线圈tx的一端电连接；

所述电容c3的另一端分别与所述第二开关管的第三端、输入电流采样电路、电阻r4、电容c1以及接地端电连接；

所述发射线圈tx的另一端分别与所述第一开关管q1的第三端以及所述第二开关管q2的第一端电连接；

所述发射线圈tx与所述接收模块原边功率反馈控制连接。

更进一步地，所述接收模块包括：接收线圈rx、电容c4、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c5以及电阻rload；

所述接收线圈rx与所述发射线圈tx原边功率反馈控制连接，所述接收线圈rx的一端与所述电容c4的一端电连接，所述接收线圈rx的另一端分别与所述二极管d2的正极以及二极管d3的负极电连接；

所述电容c4的另一端分别与所述二极管d1的正极以及所述二极管d4的负极电连接；

所述二极管d1的另一端分别与所述二极管d2的负极、所述电容c5的一端以及所述电阻rload的一端电连接；

所述二极管d3的正极分别与所述电容c5的另一端、所述电阻rload的另一端以及所述二极管d4的正极电连接。

本发明实施例还提供了一种应用于无线充电系统的原边功率反馈方法，所述方法用于上述实施例提供的应用于无线充电系统的原边功率反馈电路中，所述方法包括步骤：

获取所述发射模块的实际输入功率；

将所述实际输入功率与预设的第一输入功率以及预设的第二输入功率进行比较，得到比较结果，所述预设的第一输入功率小于所述预设的第二输入功率；

根据所述比较结果调节所述半桥ss逆变电路的开关频率；

对调节后的开关频率进行限幅处理，得到对应的驱动信号以驱动所述发射电路向所述接收模块进行原边功率反馈控制输出能量。

更进一步地，所述根据所述比较结果调节所述半桥ss逆变电路的开关频率的步骤包括：

若所述实际输入功率小于所述预设的第一输入功率，则降低所述开关频率；

若所述实际输入功率大于所述预设的第二输入功率，则升高所述开关频率；

若所述实际输入功率大于所述预设的第一输入功率，且小于所述预设的第二输入功率，则保持所述开关频率不变。

更进一步地，所述获取所述发射模块的实际输入功率的步骤包括：

采集所述发射模块的输入电流以及输入电压；

将所述输入电流与所述输入电压进行相乘处理后除以采样比得到所述实际输入功率。

本发明所达到的有益效果：通过发射模块、控制模块、驱动模块和接收模块之间的配合，以及接收模块中的滤波电路、半桥ss逆变电路、输入电流采样电路、差分放大电路、输入电压采样电路以及发射电路的协助，对发射模块进行原边功率反馈控制与接收模块进行连接，向接收模块输出能量，进而实现发射模块与接收模块的无线充电功能。便于提高无线充电系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路的电路示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发射模块的仿真原理图；

图4是本发明实施例提供的一种控制模块以及驱动模块的仿真原理图；

图5是本发明实施例提供的一种差分放大电路的仿真原理图；

图6是本发明实施例提供的一种接收模块的仿真原理图；

图7是本发明实施例提供的一种输入功率变化图；

图8是本发明实施例提供的一种输出功率变化图；

图9是本发明实施例提供的一种开关频率变化图；

图10是本发明实施例提供的一种应用于无线充电系统的原边功率反馈方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，图1是本发明实施例提供的一种应用于无线充电系统的原边功率反馈电路的结构示意图。

该应用于无线充电系统的原边功率反馈电路包括发射模块1、控制模块2、驱动模块3以及接收模块4；发射模块1包括滤波电路11、半桥ss逆变电路12、输入电流采样电路13、差分放大电路14、输入电压采样电路15以及发射电路16；滤波电路11分别与交流电源5、半桥ss逆变电路12、输入电流采样电路13、差分放大电路14、输入电压采样电路15、发射电路16以及接地端电连接；差分放大电路14分别与交流电源5、输入电流采样电路13、半桥ss逆变电路12、发射电路16、控制模块2以及接地端电连接；输入电压采样电路15还分别与半桥ss逆变电路12、发射电路16、控制模块2以及接地端电连接；控制模块2还与驱动模块3电连接；驱动模块3还与半桥ss逆变电路12电连接；发射电路16还与接收模块4原边功率反馈控制连接以及与接地端电连接。

具体的，该应用于无线充电系统的原边功率反馈电路是以半桥ss拓扑为例进行说明，但不限于半桥ss拓扑，也可以是lcc-slcc-lcc等无线充电拓扑。

如图2所示，上述控制模块2包括mcu控制器。该mcu控制器包括输入电流采样接口adc1以及输入电压采样接口adc0。该输入电流采样接口adc1，用于采样发射模块1的输入电流。该输入电压采样接口adc0，用于采样发射模块1的输入电压。该mcu控制器还包括驱动接口，用于输出驱动信号以驱动该驱动电路。

如图2所示，上述输入电流采样电路13包括采样电阻r1。采样电阻r1为高精度采样电阻(通常选择1%精度的合金电阻作为采样电阻)，用于采样发射模块1的输入电流。其中，发射模块1的输入电流基本上就是发射模块1的直流输入电流。该采样电阻r1将采样得到的输入电流传输给差分放大电路14进行放大，然后提供给控制模块2的输入电流采样接口adc1进行采样。

如图2所示，上述驱动模块3包括第一驱动端dra以及第二驱动端drb，第一驱动端dra以及第二驱动端drb均与半桥ss逆变电路12电连接。这样可以通过该驱动模块3驱动该半桥ss逆变电路12工作。

在本发明实施例中，滤波电路11包括电感l1以及电容c1；电感l1的一端与交流电源5的正极电连接，电感l1的另一端分别与电容c1的一端、输入电压采样电路15、半桥ss逆变电路12以及发射电路16电连接；电容c1的一端还分别与半桥ss逆变电路12以及发射电路16电连接，电容c1的另一端分别与输入电流采样电路13、差分放大电路14、发射电路16以及接地端电连接。

具体的，在该滤波电路11中，电感l1、电容c1构成lc滤波器，用于滤除半桥ss逆变电路12产生的开关纹波电流。其中，lc滤波器的截止频率由以下式子(1)计算得到，截止频率的选择由半桥ss逆变电路12的开关频率确定，一般选择为略小于开关频率的1/10，例如，如果开关频率为70khz，那么lc滤波器的截止频率选择略小于7khz。

式子（1）如下所示。

（1）

其中，为lc滤波器的截止频率，l1为电感l1的感值，c1为电容c1的容值。

在本发明实施例中，半桥ss逆变电路12包括：第一开关管q1以及第二开关管q2;第一开关管q1的第一端（d极，漏极）与电感l1和电容c1之间的连接线电连接，第一开关管q1的第二端（g极，栅极）与驱动模块3的第一驱动端dra电连接，第一开关管q1的第三端（s极，源极）分别与第二开关管q2的第一端以及发射电路16电连接；第二开关管q2的第一端（d极，漏极）还与发射电路16电连接，第二开关管q2的第二端（g极，栅极）与驱动模块3的第二驱动端drb电连接，第二开关管q2的第三端（s极，源极）分别与发射电路16、输入电流采样电路13、电容c1、差分放大电路14以及接地端电连接。

具体的，当半桥ss逆变电路12中的第一开关管q1以及第二开关管q2分别接收到驱动模块3中的第一驱动端dra以及第二驱动端drb的驱动信号时，第一开关管q1以及第二开关管q2导通，使得半桥ss逆变电路12正常工作。进一步使得发射电路16正常工作，并与接收模块4原边功率反馈控制连接，以实现发射模块1与接收模块4之间的能量传输，实现无线充电。

在本发明实施例中，如图2所示，差分放大电路14包括：电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、运放器以及电容c7；电阻r3的一端分别与交流电源5的负极以及输入电流采样电路13电连接，电阻r3的另一端分别与运放器的负极输入端以及电阻r5的一端电连接；电阻r5的另一端分别与运放器的输出端以及电阻r6的一端电连接；电阻r6的一端还与运放器的输出端电连接，电阻r6的另一端分别与电容c7的一端以及控制模块2电连接，电容c7的另一端接地；电阻r4的一端分别与输入电流采样电路13、电容c1、第二开关管q2的第三端、发射电路16以及接地端电连接；电阻r4的另一端与运放器的正极输入端电连接。

具体的，该差分放大电路14用于对采样电路采样得到的输入电流进行放大，然后提供给mcu控制器的输入电流采样接口adc1进行采样，得到发射模块1的输入电流。

在本发明实施例中，如图2所示，输入电压采样电路15包括电阻r7以及电阻r8；电阻r7的一端与电感l1和电容c1之间的连接线电连接，电阻r7的一端还分别与第一开关管q1的第一端以及发射电路16电连接；电阻r7的另一端分别与电阻r8的一端以及控制模块2电连接；电阻r8的另一端与接地端电连接。

具体的，电阻r7以及电阻r8均为分压的电阻。电阻r7以及电阻r8形成分压电路，使得发射模块1的输入电压通过分压电阻的电阻r7以及电阻r8直接分压，然后提供给控制模块2中的mcu控制器的输入电压采样接口adc0进行采样，进而得到发射模块1的输入电压。

在本发明实施例中，如图2所示，发射电路16包括：电容c2、电容c3以及发射线圈tx；电容c2的一端与电感l1和电容c1之间的连接线电连接，电容c2的一端还分别与第一开关管q1的第一端以及电阻r7远离电阻r8的一端电连接，电容c2的另一端分别与电容c3的一端以及发射线圈tx的一端电连接；电容c3的另一端分别与第二开关管的第三端、输入电流采样电路13、电阻r4、电容c1以及接地端电连接；发射线圈tx的另一端分别与第一开关管q1的第三端以及第二开关管q2的第一端电连接；发射线圈tx与接收模块4原边功率反馈控制连接。

具体的，当发射电路16工作后，通过发射线圈tx与接收模块4原边功率反馈控制连接，发射线圈tx通过原边功率反馈控制向接收模块4输出恒功率，进而实现发射模块1与接收模块4之间的能量传输，以完成无线充电。

在本发明实施例中，如图2所示，接收模块4包括：接收线圈rx、电容c4、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、电容c5以及电阻rload；接收线圈rx与发射线圈tx原边功率反馈控制连接，接收线圈rx的一端与电容c4的一端电连接，接收线圈rx的另一端分别与二极管d2的正极以及二极管d3的负极电连接；电容c4的另一端分别与二极管d1的正极以及二极管d4的负极电连接；二极管d1的另一端分别与二极管d2的负极、电容c5的一端以及电阻rload的一端电连接；二极管d3的正极分别与电容c5的另一端、电阻rload的另一端以及二极管d4的正极电连接。

具体的，当接收模块4的接收线圈rx与发射电路16的发射线圈tx进行原边功率反馈控制连接后，能够接收发射线圈tx传输的能量（恒功率）为电池充电，进而实现无线充电功能。

在本发明实施例中，本发明提供了一种半桥ss拓扑原边恒功率控制仿真原理图，如图3-图6所示。

在图3-图6的仿真原理图基础上，本发明实施例使用的仿真参数如下：

输入电压vin=72v；

输入滤波电感l1（电感l1）=3.3uh；

输入滤波电容c1（电容c1）=220uf；

发射线圈tx的感量tx=45uh；

发射谐振电容（电容c2、电容c3）的容量c2=c3=66nf；

接收线圈rx的感量rx=30uh；

接收谐振电容（电容c4）的容量c4=181nf；

耦合系数设定为0.2；

输入电流采样电阻r1=15mω；

输入电流采样差分放大电路14中电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6以及电容c7的值分别为r3=r4=560ω、r5=20kω、r6=1kω、c7=10nf；

输入电压采样电路15中电阻r7和电阻r8的值分别为r7=69kω、r8=2.5kω；

接收模块4中的充电电池接24v电池，电池内阻设定为50mω。

本发实施例使用的mcu控制器的控制代码如下：

#########################################################

#version:1.01r

##########################################################

---------------------------------------------------------------------

#epwmgeneratecode

#--------------------------------------------------------------------

elementtemplateswiss_dsp_ivs_compareadcina0adcina1adcina2adcina3adcina4groundvdcsettestporttestport1testport2fcalupdataenabledcepwm1adcepwm1bdcepwm2adcepwm2bdcepwm3adcepwm3bdcepwm4adcepwm4bdcepwm5adcepwm5bdcepwm6adcepwm6b=prd,dtime,f_dsp,cf,vdc_loopk3,vdc_loopk4,idc_loopk3,idc_loopk4,powerset

inputnuvdcset

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electricaltestport1

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statenuvadcina0_use,vadcina1_use,

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variitg,itg1,itg2

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values{

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}

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具体的，根据上述使用的仿真参数以及控制代码得到的具体仿真结果如图7、图8、图9所示。图7是本发明实施例提供的一种输入功率变化图。图8是本发明实施例提供的一种输出功率变化图。图9是本发明实施例提供的一种开关频率变化图。通过仿真结果可以看出基本可以实现发射模块1的输入功率恒功率控制功能。输入功率在原边功率反馈算法的控制下能够达到功率设定值240w，输出功率最终也能够得到稳定状态，开关频率最终稳定在69.5khz。

在本发明实施例中，通过发射模块1、控制模块2、驱动模块3和接收模块4之间的配合，以及接收模块4中的滤波电路11、半桥ss逆变电路12、输入电流采样电路13、差分放大电路14、输入电压采样电路15以及发射电路16的协助，对发射模块1进行原边功率反馈控制与接收模块4进行连接，向接收模块4输出能量，进而实现发射模块1与接收模块4的无线充电功能。便于提高无线充电系统的稳定性。

实施例二

参见图10，图10是本发明实施例提供的一种应用于无线充电系统的原边功率反馈方法的流程图。该应用于无线充电系统的原边功率反馈方法包括步骤：

步骤101、获取发射模块的实际输入功率。

具体的，步骤101包括：

采集发射模块的输入电流以及输入电压。

将输入电流与输入电压进行相乘处理后除以采样比得到实际输入功率。

更具体的，上述输入电流基本上为直流输入电流。该输入电流是由输入电流采样电路采样并输入给差分放大电路进行放大后输出给控制模中mcu控制器的输入电流采样接口adc1进行采样得到的。

上述输入电压通过分压电阻的电阻r7以及电阻r8直接分压，然后提供给控制模块中的mcu控制器的输入电压采样接口adc0进行采样，进而得到发射模块的输入电压。

采集到的输入电流和输入电压在mcu控制器中进行相乘操作，然后再除以采样比，进而得到发射模块的实际输入功率，该实际输入功率可以记为powerfb，实际输入功率即可表示为实际输入功率powerfb。该采样比是根据输入电流采样电路以及输入电压采样电路计算得到的。

步骤102、将实际输入功率与预设的第一输入功率以及预设的第二输入功率进行比较，得到比较结果，预设的第一输入功率小于预设的第二输入功率。

其中，上述预设的第一输入功率以及预设的第二输入功率均是预先设置好的阈值，用于判断是否调节开关频率的条件。其中，预设的第一输入功率可以表示为第一输入功率powerset。预设的第二输入功率可以表示为第二输入功率1.1*powerset。

具体的，在得到实际将实际输入功率与预设的第一输入功率以及预设的第二输入功率进行比较，得到比较结果，预设的第一输入功率小于预设的第二输入功率输入功率后，将实际功率分别与预设的第一输入功率以及预设的第二输入功率进行比较大小，进而得到比较结果。该比较结果可以包括以下几种：实际输入功率powerfb<第一输入功率powerset、或者实际输入功率powerfb>第二输入功率1.1*powerset、或者第一输入功率powerset<实际输入功率powerfb<第二输入功率1.1*powerset。

步骤103、根据比较结果调节半桥ss逆变电路的开关频率。

具体的，步骤103包括：

若实际输入功率小于预设的第一输入功率，则降低开关频率。

若实际输入功率大于预设的第二输入功率，则升高开关频率。

若实际输入功率大于预设的第一输入功率，且小于预设的第二输入功率，则保持开关频率不变。

具体的，可以预先设置一个开关频率阈值，当实际输入功率与预设的第一输入功率和预设的第二输入功率进行比较后，需要对开关频率进行调节时，只需要将开关频率调节至满足预设的开关频率阈值范围内即可，这样可以避免开关频率过大或过小对电路的影响，提高无线充电系统的稳定性。

步骤104、对调节后的开关频率进行限幅处理，得到对应的驱动信号以驱动发射电路向接收模块进行原边功率反馈控制输出能量。

具体的，不管是对开关频率进行降低操作、升高操作还是保持不变操作，最后都需要对开关频率做一个上下限幅处理操作，这样可以保证mcu控制器的驱动接口能够输出合适的驱动信号，以驱动驱动模块进行工作，进而避免破坏驱动模块，进而提高电路的稳定性。当然，限制幅度也是可以预先设置一个幅度阈值的。将进行降低、升高、保持不变操作后的开关频率的幅度限制在幅度阈值范围内即可。

在本发明实施例中，通过获取发射模块的实际输入功率；将实际输入功率与预设的第一输入功率以及预设的第二输入功率进行比较，得到比较结果，预设的第一输入功率小于预设的第二输入功率；根据比较结果调节半桥ss逆变电路的开关频率；对调节后的开关频率进行限幅处理，得到对应的驱动信号以驱动发射电路向接收模块进行原边功率反馈控制输出能量。这样可以通过原边功率反馈方法实现发射模块与接收模块之间的无线充电功能，提高无线充电系统的稳定性。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。