一种基于差分结构的磁共振耦合无线充电装置

技术领域

本发明属于磁共振耦合无线充电技术领域，具体涉及一种基于差分结构的磁共振耦合无线充电装置。

背景技术

随着科技创新和互联网技术的不断发展，消费类电子产品、智能家居系统以及物联网产品的普及应用，都离不开使用电源，传统的电器和电子设备通常采用有线电源直接供电和内置电池，有线电源供电使用供电线不仅占据空间错综复杂，同时也带来了一定的安全隐患。而内置电池供电的设备又待机时间短，需要多次充电，大大影响了用户使用体验。使用无线充电技术在各类电子应用中不断增长，对于无线充电技术的研究与应用也成为了国内外科技应用和学术界的新方向。

目前业内公认的无线充电技术主要分为三类，一种是WPC联盟主推的QI标准，也称为磁感应耦合技术，另一种是Airfuel联盟主推的磁共振耦合技术，还有一种是电磁辐射式无线输能技术。相比于磁感应技术，磁共振耦合技术在充电距离、空间自由度、一对多充和功率扩展上有明显优势；而相比于电磁辐射式无线输能技术，磁共振耦合技术在能量转化效率、传输功率和电磁安全方面更具备实际应用价值。目前，该技术已逐渐被应用于智能穿戴、扫地机器人、AGV、智能门锁等设备中，赋予设备无线充电的功能，并提高设备的安全性和智能化程度，提升用户的使用体验。另外磁共振耦合技术在智能家居领域的应用也将颠覆传统家电及移动通信设备、消费电子产品的使用模式，以住宅为平台，利用磁谐振无线充电技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居的安全性、便利性和舒适性，构建高效、环保、节能的居住环境。

目前针对磁共振无线供电的设备存在空间自由度低，带载能力弱、发射端供电电压高，系统热耗散严重，电磁兼容问题很难解决，很难满足充电设备需要低电压大电流的应用场景，非差分结构的磁共振无线充电系统存在以下弊端：

(1)磁共振无线充电系统均按照系统工作在最佳耦合状态设计，采用非差分结构的磁共振无线充电系统，当接收模块和发射模块水平位置、角度或耦合距离发生变化时，系统易工作在过耦合或欠耦合状态，此时发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin发生较大变化，发射侧天线谐振回路与发射模块中的功率放大电路的阻抗严重失配，使得系统的传输效率和带载能力急剧下降，系统的工作状态不稳定；

(2)采用非差分结构的磁共振无线充电系统，系统的谐振偏向于电压型谐振；相同带载功率输出下，发射模块需要的输入电压较高；当系统处于过耦合或欠耦合状态时，发射模块只能通过提升工作电压来维持接收模块的输出功率，使得接收模块的整流电压进一步提升，导致接收模块容易过压保护不能带载；同时发射模块的高工作电压也容易使得功率放大电路过压失效；

(3)采用非差分结构的磁共振无线充电系统，功率放大电路的谐波较大，需要增加滤波器阶数才能有效抑制系统的谐波和杂散，发射模块高工作电压、高功率的输出也使得系统的杂散和谐波的幅度被进一步提高，系统的空间辐射加重，容易干扰其他系统的正常工作，系统的电磁兼容很难达到安规要求；

(4)采用非差分结构的磁共振无线充电系统，发射模块和接收模块较高的工作电压，需要芯片具备较宽泛的工作电压，导致芯片可选型号变得稀少且价格昂贵，系统的物料成本居高不下。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有非差分结构无线充电系统的高成本、高工作电压、低带载能力、低空间自由度、低系统传输效率和高电磁干扰的问题，提出了一种基于差分结构的磁共振耦合无线充电装置。

本发明的技术方案是：一种基于差分结构的磁共振耦合无线充电装置包括磁共振发射模块以及与磁共振发射模块通信连接的磁共振接收模块；

磁共振发射模块包括依次通信连接的差分放大电路、若干发射差分滤波电路、发射差分匹配电路和发射线圈；磁共振接收模块包括依次通信连接的接收线圈、接收差分匹配电路、若干接收差分滤波电路和倍流整流电路；发射线圈和接收线圈通信连接。

本发明的有益效果是：

(1)采用差分结构的磁共振无线充电系统，可以大幅度减小当收发线圈之间的耦合距离、耦合角度、以及接收模块的负载阻抗发生变化时，发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化范围，改善发射侧天线谐振回路与功率放大电路的输出的匹配状况；增加磁共振发射模块的自由度(水平、角度)，改善系统带载能力；使得收发模块工作更加稳定，系统传输效率更高。

(2)采用差分结构的磁共振无线充电系统，使得系统的谐振偏向于电流型谐振，有效降低了发射模块的工作电压的同时也降低了接收模块的整流电压；接收模块采用的倍流整流电路使得接收模块的电流输出能力加倍，增加了接收端电流输出能力的同时进一步降低了接收模块的整流电压；同时采用差分结构的发射模块的两路功率放大电路分担了系统的输出功率；使得系统的热耗散降低。

(3)采用差分结构的磁共振无线充电系统，使得收发线圈附近的磁场更加紧密，减少了空间的电磁辐射、杂散和漏磁；差分结构设计可以使得系统产生的干扰磁场相互抵消，抑制了系统的偶次谐波，差分滤波器可以有效滤除系统的奇次谐波，有利于解决系统的电磁干扰问题。

(4)采用差分结构的磁共振无线充电系统，能有效的降低系统整体的电磁干扰，工作电压较低，器件耐压和功率的要求低，适用于低电压、大电流以及对空间自由度和电磁干扰特性要求较高的磁共振无线充电系统。

进一步地，差分放大电路包括电感L12-L14、电感L16-L18、接地电容C124-C125、接地电容C127、接地电容C129-C132、接地电容C142-C143、电容C145、接地电容C147-C150和MOS管Q20-Q21；

MOS管Q20的栅极接入差分驱动输入信号CLK_P，其源极接地；MOS管Q20的漏极分别与电感L12的一端、接地电容C129、接地电容C130和电感L13的一端连接；电感L12的另一端分别与接地电容C124和接地电容C125连接，其连接点还与RFVCC电源连接；电感L13的另一端和电容C127的一端；电容C127的另一端和电感L14的一端连接；电感L14的另一端分别与接地电容C131和接地电容C132连接，其连接点还与发射差分滤波电路连接；

MOS管Q21的栅极接入差分驱动输入信号CLK_N，其源极接地；MOS管Q21的漏极分别与电感L16的一端、接地电容C147、接地电容C148、电感L17的一端连接；电感L16的另一端分别与接地电容C142和接地电容C143连接，其连接点还与RFVCC电源连接；电感L17的另一端和电容C145的一端；电容C145的另一端和电感L18的一端连接；电感L18的另一端分别与接地电容C149和接地电容C150连接，其连接点还与发射差分滤波电路连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，发射模块采用的差分功放设计能有效的抑制系统的偶次谐波。

进一步地，若干发射差分滤波电路的结构相同，均包括电感L15、电感L19、电容C126、电容C135、电容C136和电容C151；

电容C135的一端分别与电感L15的一端、电容C126的一端、电感L14的另一端、接地电容C131和接地电容C132连接；电容C135的另一端分别与电感L19的一端、电容C151的一端、电感L18的另一端、接地电容C149和接地电容C150连接；

电容C136的一端分别与电感L15的另一端和电容C126的另一端连接，其连接点和发射差分匹配电路连接；电容C136的另一端分别与电感L19的另一端和电容C151的另一端连接，其连接点和发射差分匹配电路连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，同时并联多个电容来实现更佳的滤波效果。

进一步地，发射差分匹配电路包括电容C128、电容C139-C140和电容C146；

电容C128的一端分别与电容C139的一端、电容C136的一端、电感L15的另一端和电容C126的另一端连接；电容C139的一端分别与电容C146的一端、电容C136的另一端、电感L19的另一端和电容C151的另一端连接；电容C128的另一端和电容C140的一端连接，其连接点和发射线圈的TX_COIL+端连接；电容C146的另一端和电容C140的另一端连接，其连接点和发射线圈的TX_COIL-端连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，电容C140和发射线圈组成并联谐振；电容C128和电容C146和发射线圈组成串联谐振；电容C135和电容C136可以通过并联多个电容达到更佳的匹配效果。发射差分匹配电路采用差分结构，可大幅度减小当收发线圈之间的耦合距离、耦合角度及接收端负载阻抗发生变化时，发射线圈和发射差分匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化范围，改善发射侧天线谐振回路与功率放大电路的输出的匹配状况，使得无线充电系统的整体能量转化效率更加稳定；另外，采用差分结构后，系统更偏向于电流型谐振系统，收发线圈附近的磁场分布变得更紧密，漏磁及残余空间辐射更小。

进一步地，接收差分匹配电路包括电容C152、电容C156和电容C161；

电容C152的一端和电容C156的一端连接，其连接点和接收线圈的RX_COIL+端连接；电容C161的一端和电容C156的另一端连接，其连接点和接收线圈的RX_COIL-端连接；电容C152的另一端和接收差分滤波电路连接；电容C161的另一端和接收差分滤波电路连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，电容C156和接收线圈组成并联谐振电路；电容C152、电容C161和接收线圈组成串联谐振电路；电容C151、电容C156和电容C161均可以通过并联多个电容的方式达到更佳的匹配效果。

进一步地，若干接收差分滤波电路的结构相同，均电感L22-L23和电容C162-C165；

电容C164的一端分别与电感L22的一端、电容C162的一端和电容C152的另一端连接；电容C164的另一端分别与电感L23的一端、电容C165的一端连接和电容C161的另一端连接；电容C163的一端分别与电感L22的另一端和电容C162的另一端连接，其连接点和倍流整流电路(7)连接；电容C163的另一端分别与电感L23的另一端和电容C165的另一端连接，其连接点和倍流整流电路连接。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，电容C163和电容C164均可以同时并联多个电容来实现更佳的滤波效果；接收模块采用的差分滤波器可以有效的滤除系统的奇次谐波和杂散，从而降低系统整体的电磁干扰。

进一步地，倍流整流电路包括电感L20-L21、接地电容C153-C155、接地电容C160和二极管D21-D22；

二极管D21的负极分别与接地电容C155、电感L20的一端连接、电容C163的一端、电感L22的另一端和电容C162的另一端连接；二极管D22的负极分别与接地电容C160、电感L21的一端、电容C163的另一端、电感L23的另一端和电容C165的另一端连接；电感L20的另一端分别与电感L21的另一端、接地电容C153和接地电容C154连接，其连接点和后端电源管理的输入端VIN连接；二极管D21的正极和二极管D22的正极均接地。

上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，可以根据具体的负载电压需求调节电感L21和电感L20的感量，调整整流电压的幅度；接收模块采用的倍流整流电路可以有效的降低相同负载功率时的整流电压，增强磁共振接收模块的电流输出能力。

附图说明

图1为磁共振耦合无线充电装置的结构图；

图2为磁共振发射模块的结构图；

图3为磁共振接收模块的结构图；

图4为差分系统和非差分系统在收发线圈正对时不同耦合距离的Zin及天线效率对比图；

图5为差分系统收发线圈在同一耦合距离下，接收线圈不同水平自由度上Zin的测量值图；

图6为差分系统和非差分系统收发线圈在同一耦合距离下整流电压对比图；

图7为差分系统收发线圈在同一耦合距离下不同水平自由度上的空载及带载整流电压测量值图；

图8为未采用差分结构的发射模块谐波测量值图；

图9为采用差分结构的发射模块谐波测量值图；

图中，1、磁共振发射模块；2、磁共振接收模块；3、差分放大电路；4、发射差分滤波电路；5、发射差分匹配电路；6、接收差分匹配电路；7、倍流整流电路；8、发射线圈；9、接收线圈；10、接收差分滤波电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：

Zin：发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗。

如图1所示，本发明提供了一种基于差分结构的磁共振耦合无线充电装置，包括磁共振发射模块1以及与磁共振发射模块1通信连接的磁共振接收模块2；

磁共振发射模块1包括依次通信连接的差分放大电路3、若干发射差分滤波电路4、发射差分匹配电路5和发射线圈8；磁共振接收模块2包括依次通信连接的接收线圈9、接收差分匹配电路6、若干接收差分滤波电路10和倍流整流电路7；发射线圈8和接收线圈9通信连接。

在本发明实施例中，如图2所示，差分放大电路3包括电感L12-L14、电感L16-L18、接地电容C124-C125、接地电容C127、接地电容C129-C132、接地电容C142-C143、电容C145、接地电容C147-C150和MOS管Q20-Q21；

MOS管Q20的栅极接入差分驱动输入信号CLK_P，其源极接地；MOS管Q20的漏极分别与电感L12的一端、接地电容C129、接地电容C130和电感L13的一端连接；电感L12的另一端分别与接地电容C124和接地电容C125连接，其连接点还与RFVCC电源连接；电感L13的另一端和电容C127的一端；电容C127的另一端和电感L14的一端连接；电感L14的另一端分别与接地电容C131和接地电容C132连接，其连接点还与发射差分滤波电路4连接；

MOS管Q21的栅极接入差分驱动输入信号CLK_N，其源极接地；MOS管Q21的漏极分别与电感L16的一端、接地电容C147、接地电容C148、电感L17的一端连接；电感L16的另一端分别与接地电容C142和接地电容C143连接，其连接点还与RFVCC电源连接；电感L17的另一端和电容C145的一端；电容C145的另一端和电感L18的一端连接；电感L18的另一端分别与接地电容C149和接地电容C150连接，其连接点还与发射差分滤波电路4连接。

在本发明中，发射模块采用的差分功放设计能有效的抑制系统的偶次谐波。

在本发明实施例中，如图2所示，若干发射差分滤波电路4的结构相同，均包括电感L15、电感L19、电容C126、电容C135、电容C136和电容C151；

电容C135的一端分别与电感L15的一端、电容C126的一端、电感L14的另一端、接地电容C131和接地电容C132连接；电容C135的另一端分别与电感L19的一端、电容C151的一端、电感L18的另一端、接地电容C149和接地电容C150连接；

电容C136的一端分别与电感L15的另一端和电容C126的另一端连接，其连接点和发射差分匹配电路5连接；电容C136的另一端分别与电感L19的另一端和电容C151的另一端连接，其连接点和发射差分匹配电路5连接。

在本发明中，同时并联多个电容来实现更佳的滤波效果；发射差分滤波电路的个数根据实际需求决定。

在本发明实施例中，如图2所示，发射差分匹配电路5包括电容C128、电容C139-C140和电容C146；

电容C128的一端分别与电容C139的一端、电容C136的一端、电感L15的另一端和电容C126的另一端连接；电容C139的一端分别与电容C146的一端、电容C136的另一端、电感L19的另一端和电容C151的另一端连接；电容C128的另一端和电容C140的一端连接，其连接点和发射线圈8的TX_COIL+端连接；电容C146的另一端和电容C140的另一端连接，其连接点和发射线圈8的TX_COIL-端连接。

在本发明中，电容C140和发射线圈组成并联谐振；电容C128和电容C146和发射线圈组成串联谐振；电容C135和电容C136可以通过并联多个电容达到更佳的匹配效果。发射差分匹配电路采用差分结构，可大幅度减小当收发线圈之间的耦合距离、耦合角度及接收端负载阻抗发生变化时，发射线圈和发射差分匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化范围，改善发射侧天线谐振回路与功率放大电路的输出的匹配状况，使得无线充电系统的整体能量转化效率更加稳定；另外，采用差分结构后，系统更偏向于电流型谐振系统，收发线圈附近的磁场分布变得更紧密，漏磁及残余空间辐射更小。

在本发明实施例中，如图3所示，接收差分匹配电路6包括电容C152、电容C156和电容C161；

电容C152的一端和电容C156的一端连接，其连接点和接收线圈9的RX_COIL+端连接；电容C161的一端和电容C156的另一端连接，其连接点和接收线圈9的RX_COIL-端连接；电容C152的另一端和接收差分滤波电路10连接；电容C161的另一端和接收差分滤波电路10连接。

在本发明中，电容C156和接收线圈组成并联谐振电路；电容C152、电容C161和接收线圈组成串联谐振电路；电容C151、电容C156和电容C161均可以通过并联多个电容的方式达到更佳的匹配效果。

在本发明实施例中，如图3所示，若干接收差分滤波电路10的结构相同，均包括电感L22-L23和电容C162-C165；

电容C164的一端分别与电感L22的一端、电容C162的一端和电容C152的另一端连接；电容C164的另一端分别与电感L23的一端、电容C165的一端连接和电容C161的另一端连接；电容C163的一端分别与电感L22的另一端和电容C162的另一端连接，其连接点和倍流整流电路7连接；电容C163的另一端分别与电感L23的另一端和电容C165的另一端连接，其连接点和倍流整流电路7连接。

在本发明中，电容C163和电容C164均可以同时并联多个电容来实现更佳的滤波效果；接收模块采用的差分滤波器可以有效的滤除系统的奇次谐波和杂散，从而降低系统整体的电磁干扰，接收差分滤波电路的个数根据实际需求决定。

在本发明实施例中，如图3所示，倍流整流电路7包括电感L20-L21、接地电容C153-C155、接地电容C160和二极管D21-D22；

二极管D21的负极分别与接地电容C155、电感L20的一端连接、电容C163的一端、电感L22的另一端和电容C162的另一端连接；二极管D22的负极分别与接地电容C160、电感L21的一端、电容C163的另一端、电感L23的另一端和电容C165的另一端连接；电感L20的另一端分别与电感L21的另一端、接地电容C153和接地电容C154连接，其连接点和后端电源管理的输入端VIN连接；二极管D21的正极和二极管D22的正极均接地。

在本发明中，可以根据具体的负载电压需求调节电感L21和电感L20的感量，调整整流电压的幅度；接收模块采用的倍流整流电路可以有效的降低相同负载功率时的整流电压，增强磁共振接收模块的电流输出能力。

在本发明实施例中，图4-图7测量时采用同样的收发线圈，其中发射线圈20x20cm，接收线圈5.5x5.5cm；图5和图7测量时垂直耦合距离3CM。

如图4所示，当接收线圈和发射线圈中心正对，耦合距离不同时，发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化范围较非差分结构大幅度减小；同时差分结构无线充电系统的线圈传输效率也比非差分结构的高。

如图5所示，当接收线圈和发射线圈耦合距离不变，接收线圈处于不同的水平位置时，发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化幅度不大。

如图6所示，在收发线圈中心正对且耦合距离相同，采用差分结构的磁共振接收模块的空载、带载整流电压同比非差分结构的大幅度降低。

如图7所示，在收发线圈耦合距离不变，接收线圈水平位置变化时，采用差分结构的磁共振接收模块的空载、带载整流电压同比变化幅度不大。

如图8和图9所示，采用差分结构的磁共振无线充电系统可以使得系统的谐波得到大幅度抑制。

本发明的工作原理及过程为：本发明提供了一种基于差分结构的磁共振耦合无线充电装置，包括磁共振发射模块1以及磁共振接收模块2；磁共振发射模块1包括依次通信连接的差分放大电路3、发射差分滤波电路4、发射差分匹配电路5和发射线圈8；磁共振接收模块2包括依次通信连接的接收线圈9、接收差分匹配电路6、接收差分滤波电路10和倍流整流电路7。

其中磁共振发射模块1的差分放大电路3和差分匹配电路5与磁共振接收模块2的接收差分匹配电路6均采用差分结构，可大幅度减小当收发线圈之间的耦合距离、耦合角度及接收端负载阻抗发生变化时，发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化范围，改善发射侧天线谐振回路与功率放大电路的输出的匹配状况，使得无线充电系统的整体能量转化效率更加稳定；另外，采用差分结构后，系统更偏向于电流型谐振系统，收发线圈附近的磁场分布变得更紧密，漏磁及残余空间辐射更小。

磁共振发射模块1采用的差分功放设计还能有效的抑制系统的偶次谐波，而磁共振接收模块2采用的接收差分滤波电路10可以有效的滤除系统的奇次谐波和杂散，从而降低系统整体的电磁干扰；磁共振接收模块2采用的倍流整流电路7，可以有效的降低相同负载功率时的整流电压，增强磁共振接收模块2的电流输出能力；该发明适用于低电压、大电流和对空间自由度、电磁干扰特性要求较高的磁共振无线充电系统。

本发明的有益效果为：

(1)采用差分结构的磁共振无线充电系统，可以大幅度减小当收发线圈之间的耦合距离、耦合角度、以及接收模块的负载阻抗发生变化时，发射线圈和匹配电路组成的发射侧天线谐振回路的输入阻抗Zin的变化范围，改善发射侧天线谐振回路与功率放大电路的输出的匹配状况；增加磁共振发射模块的自由度(水平、角度)，改善系统带载能力；使得收发模块工作更加稳定，系统传输效率更高。

(2)采用差分结构的磁共振无线充电系统，使得系统的谐振偏向于电流型谐振，有效降低了发射模块的工作电压的同时也降低了接收模块的整流电压；接收模块采用的倍流整流电路使得接收模块的电流输出能力加倍，增加了接收端电流输出能力的同时进一步降低了接收模块的整流电压；同时采用差分结构的发射模块的两路功率放大电路分担了系统的输出功率；使得系统的热耗散降低。

(3)采用差分结构的磁共振无线充电系统，使得收发线圈附近的磁场更加紧密，减少了空间的电磁辐射、杂散和漏磁；差分结构设计可以使得系统产生的干扰磁场相互抵消，抑制了系统的偶次谐波，差分滤波器可以有效滤除系统的奇次谐波，有利于解决系统的电磁干扰问题。

(4)采用差分结构的磁共振无线充电系统，能有效的降低系统整体的电磁干扰，工作电压较低，器件耐压和功率的要求低，适用于低电压、大电流以及对空间自由度和电磁干扰特性要求较高的磁共振无线充电系统。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。