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一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器

阅读：770发布：2024-02-19

专利汇可以提供一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，包括电能发射电路和电能接收电路，所述电能发射电路由高频逆变电路、驱动电路、采样反馈电路、发射线圈组成；所述高频逆变电路采用全桥逆变电路，该全桥逆变电路由4个MOSFET管组成了一个H桥，每个MOSFET 开关管承受的电压为输入电压的一半；电能接收电路由接收线圈、全桥整流电路、稳压电路、输出保护电路组成；所述全桥整流电路采用不可控整流电路，用4个肖特基二极管搭成桥式电路，整流后的电压经LM2940稳压模块稳压输出给手机充电。本发明基STM32的利用两线圈磁耦合谐振技术实现能量在近距离上的传输的无线充电，自身功耗小，兼容性高、有过压过流保护。，下面是一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，包括电能发射电路和电能接收电路，其特征在于：
所述电能发射电路由高频逆变电路、驱动电路、采样反馈电路、发射线圈组成；所述高频逆变电路采用全桥逆变电路，该全桥逆变电路由4个MOSFET管组成了一个H桥，每个MOSFET 开关管承受的电压为输入电压的一半，且在MOSFET管的栅源极之间加一个下拉电阻，所述电能发射电路设置在充电座(1)中；
所述电能接收电路由接收线圈、全桥整流电路、稳压电路、输出保护电路组成；所述接收线圈的具体参数和所述发射线圈保持一致，所述全桥整流电路采用不可控整流电路，用4个肖特基二极管搭成桥式电路，整流后的电压经LM2940稳压模块稳压输出给手机充电；
在手机的输出电压处串联一个保险丝，当电流大于2A时切断电路，同时利用STM32的ADC采集实现实时的软件监控，一旦出现过电压、过电流的情况立即切断电路；
所述电能接收电路设置有两组，其中一组安装在手机中，另一组安装在与充电座(1)铰接的高仿手机(5)中，高仿手机(5)中设置有备用电池，所述充电座(1)的外侧固定连接有框架(2)，所述框架(2)上安装有制冷设备，所述制冷设备设置为半导体制冷片(3)，所述高仿手机(5)内部的备用电池通过导线(4)与半导体制冷片(3)连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：所述STM32设置为STM32 F103RBT6的主控芯片，其包括有定时器、ADC、DAC、SPI、IIC和UART。
3.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：所述MOSFET开关管的栅源极之间具有设定电压，且栅源极之间相互隔离，避免各驱动信号端的电压相互干扰。
4.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：在发射部分主电路的5个MOSFET管中，上桥臂的S1、S3和充电控制级电路中的S5完全隔离，使其源级互不关联。
5.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：S2和S4的源级是同一电平，只用一路隔离，驱动芯片采用IR2104，IR2104芯片为一路PWM波输入，两路互补PWM波输出，且互补PWM波之间自带死区。
6.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：采样反馈分为电流和电压两部分，电流采样采用低阻值的一段康铜丝，对康铜丝的两端电压与其阻值作商求得电流值；由于压差较小，采用INA282芯片放大采样电压值，以利用STM32的ADC采样取得其两端电压的放大值为准。
7.根据权利要求6所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：对于电压采样，在测量电路并联两个串联的大阻值电阻，利用分压原理使得两电阻之间电压小于
3.3V，利用OPA2333芯片作为电压跟随，直接把采样电压值输送给STM32单片机。
8.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：发射线圈和接收线圈分别为采用多股细铜线组成的李兹线绕制的外直径为5cm的自制线圈，以兼顾线圈的集肤效应和手机的尺寸限制。
9.根据权利要求1所述的基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，其特征在于：接收端与发射端串联谐振所串联的电容为C1＝C2＝0.40μF，磁耦合系数为0.41，线圈电感6.34μH，滤波电容采用220μF耐压值为50V的电容器，使得前级开关管驱动信号的频率为100kHz，充电控制级电路的开关频率也为100kHz，发射线圈电流和接收线圈电流波形均为标准的正弦波波形，且两波形相位相差90°，使电路发生串联谐振。

说明书全文

一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器

技术领域

[0001] 本发明属于手机充电器技术领域，具体涉及一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器。

背景技术

[0002] 手机充电器大致可以分为旅行充电器、座式充电器和维护型充电器，一般用户接触的主要是前面两种。而市场上卖得最多的是旅行充电器。旅行充电器的形式也有多种多样，常见的有价格便宜的鸭蛋型的微型旅充，普通台式卡板型充电器，带液晶显示的高档台式充电器。

[0003] 手机在现如今智能化生活中所起的作用越来越不容忽视，随之而来的手机充电问题也越来越引起人们的重视，怎样充电更加方便，怎样对手机的损害更小等问题亟待解决。为了解决手机传统有线充电方式带来的接线繁杂、插口易损、不兼容的问题，各自无线充电器应运而生。

[0004] 但是，现有的手机充电器，仍然存在如下问题：一是采用的控制电路复杂、成本高且容易损坏；二是自身功耗高，充电效率低且缺乏保护。

发明内容

[0005] 本发明的目的本发明提供一款基于STM32的无线传能手机充电器，以解决采用的控制电路复杂、成本高且容易损坏；而是自身功耗高，充电效率低且缺乏保护等问题。具体通过采用全桥逆变电路完成直流电变交流电，全桥整流电路完成交流电变直流电，利用两线圈磁耦合谐振技术实现能量在电能-磁能-电能之间转换，再将直流电经稳压滤波给手机供电，并在手机充电过程中设有过压过流保护，同时，在手机充电前通过高仿手机试充电，并达到相对的温度平衡，有效保护手机在不稳定的温度环境中充电，提高手机电池以及手机的使用寿命。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0007] 一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，包括电能发射电路和电能接收电路，所述电能发射电路由高频逆变电路、驱动电路、采样反馈电路、发射线圈组成；所述高频逆变电路采用全桥逆变电路，该全桥逆变电路由4个MOSFET管组成了一个H桥，每个MOSFET 开关管承受的电压为输入电压的一半，且在MOSFET管的栅源极之间加一个下拉电阻，所述电能发射电路设置在充电座中；所述电能接收电路由接收线圈、全桥整流电路、稳压电路、输出保护电路组成；所述接收线圈的具体参数和所述发射线圈保持一致，所述全桥整流电路采用不可控整流电路，用4个肖特基二极管搭成桥式电路，整流后的电压经LM2940稳压模块稳压输出给手机充电；在手机的输出电压处串联一个保险丝，当电流大于2A时切断电路，同时利用STM32的ADC采集实现实时的软件监控，一旦出现过电压、过电流的情况立即切断电路，所述电能接收电路设置有两组，其中一组安装在手机中，另一组安装在与充电座铰接的高仿手机中，高仿手机中设置有备用电池，所述充电座的外侧固定连接有框架，所述框架上安装有制冷设备，所述制冷设备设置为半导体制冷片，所述高仿手机内部的备用电池通过导线与半导体制冷片连接。

[0008] 优选的，所述STM32设置为STM32F103RBT6的主控芯片，其包括有定时器、ADC、DAC、SPI、IIC和UART。

[0009] 优选的，所述MOSFET开关管的栅源极之间具有设定电压，且栅源极之间相互隔离，以保证各驱动信号端的电压不会相互干扰。

[0010] 优选的，在发射部分主电路的5个MOSFET管中，由于源级不互相关联，上桥臂的S1、S3和充电控制级电路中的S5完全隔离。

[0011] 优选的，S2和S4的源级是同一电平，只用一路隔离，驱动芯片采用IR2104，IR2104芯片为一路PWM波输入，两路互补PWM波输出，且互补PWM波之间自带死区。

[0012] 优选的，采样反馈分为电流和电压两部分，电流采样采用低阻值的一段康铜丝，对康铜丝的两端电压与其阻值作商求得电流值；由于压差较小，采用INA282芯片放大采样电压值，以利用STM32的ADC采样取得其两端电压的放大值为准。

[0013] 优选的，对于电压采样，在测量电路并联两个串联的大阻值电阻，利用分压原理使得两电阻之间电压小于3.3V，利用OPA2333芯片作为电压跟随，直接把采样电压值输送给STM32单片机。

[0014] 优选的，由于线圈的集肤效应和手机的尺寸问题，发射线圈和接收线圈分别为采用多股细铜线组成的李兹线绕制的外直径为5cm的自制线圈。

[0015] 优选的，接收端与发射端串联谐振所串联的电容为C1＝C2＝0.40μF，磁耦合系数为0.41，线圈电感6.34μH，滤波电容采用220μF耐压值为50V的电容器，使得前级开关管驱动信号的频率为100kHz，充电控制级电路的开关频率也为100kHz，发射线圈电流和接收线圈电流波形均为标准的正弦波波形，且两波形相位相差90°，确定电路发生了串联谐振。

[0016] 本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，与现有技术相比，具有以下有点：

[0017] 1、与传统有线手机充电器相比，本发明基STM32的利用两线圈磁耦合谐振技术实现能量在设定距离上的传输的无线充电方式，采用的控制电路合理、成本低且不容易损坏；自身功耗小，充电效率高，且具有兼容性高、过压过流保护的优势；

[0018] 2、通过对PCB板的绘制、线圈的绕制以及元器件型号的优选，本发明使自身功耗大幅降低、充电效率较大提升，使接收功率可大于输出功率的85％。同时本发明还可以应用到车站、街头等公共场所的手机无线充电、新能源汽车充电站，以及各种电子产品无线充电；

[0019] 3、通过先用高仿手机进行充电，并达到相对温度平衡状态，再利用手机充电，防止手机在不稳定的温度环境中充电，提高手机以及手机电池的使用寿命。附图说明

[0020] 图1为本发明的无线传能充电原理框图；

[0021] 图2为本发明的电能发射电路的主电路图；

[0022] 图3为本发明的电能接收电路的主电路图；

[0023] 图4为本发明发射线圈和接收线圈的电流波形图；

[0024] 图5为本发明通过样机实验得出实验数据图表；

[0025] 图6为本发明手机充电器的外部结构示意图。

[0026] 图中：1充电座、2框架、3半导体制冷片、4导线、5高仿手机。

具体实施方式

[0027] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0028] 本发明提供了如图1-6所示的一种基于磁耦合谐振式无线传能手机充电器，包括电能发射电路和电能接收电路，所述电能发射电路由高频逆变电路、驱动电路、采样反馈电路、发射线圈组成；所述高频逆变电路采用全桥逆变电路，该全桥逆变电路由4个MOSFET管组成了一个H桥，每个MOSFET开关管承受的电压为输入电压的一半，且在MOSFET管的栅源极之间加一个下拉电阻，所述电能发射电路设置在充电座1中；；所述电能接收电路由接收线圈、全桥整流电路、稳压电路、输出保护电路组成；所述接收线圈的具体参数和所述发射线圈保持一致，所述全桥整流电路采用不可控整流电路，用4个肖特基二极管搭成桥式电路，整流后的电压经LM2940稳压模块稳压输出给手机充电；在手机的输出电压处串联一个保险丝，当电流大于2A时切断电路，同时利用STM32的ADC采集实现实时的软件监控，一旦出现过电压、过电流的情况立即切断电路，所述电能接收电路设置有两组，其中一组安装在手机中，另一组安装在与充电座1铰接的高仿手机5中，高仿手机5中设置有备用电池，所述充电座1的外侧固定连接有框架2，所述框架2上安装有制冷设备，所述制冷设备设置为半导体制冷片3，所述高仿手机5内部的备用电池通过导线4与半导体制冷片3电性连接。

[0029] 所述STM32设置为STM32F103RBT6的主控芯片，其包括有定时器、ADC、DAC、SPI、IIC和UART。所述MOSFET开关管的栅源极之间具有设定电压，且栅源极之间相互隔离，以保证各驱动信号端的电压不会相互干扰。在发射部分主电路的5个MOSFET管中，由于源级不互相关联，上桥臂的S1、S3和充电控制级电路中的S5完全隔离。S2和S4的源级是同一电平，只用一路隔离，驱动芯片采用IR2104，IR2104芯片为一路PWM波输入，两路互补PWM波输出，且互补PWM波之间自带死区。采样反馈分为电流和电压两部分，电流采样采用低阻值的一段康铜丝，对康铜丝的两端电压与其阻值作商求得电流值；由于压差较小，采用INA282芯片放大采样电压值，以利用STM32的ADC采样取得其两端电压的放大值为准。对于电压采样，在测量电路并联两个串联的大阻值电阻，利用分压原理使得两电阻之间电压小于3.3V，利用OPA2333芯片作为电压跟随，直接把采样电压值输送给STM32单片机。由于线圈的集肤效应和手机的尺寸问题，发射线圈和接收线圈分别为采用多股细铜线组成的李兹线绕制的外直径为5cm的自制线圈。接收端与发射端串联谐振所串联的电容为C1＝C2＝0.40μF，磁耦合系数为0.41，线圈电感6.34μH，滤波电容采用220μF耐压值为50V的电容器，使得前级开关管驱动信号的频率为100kHz，充电控制级电路的开关频率也为100kHz，发射线圈电流和接收线圈电流波形均为标准的正弦波波形，且两波形相位相差90°，确定电路发生了串联谐振。

[0030] 在实际使用中，高仿手机5的上部还安装有用于控制半导体制冷片3电源通断的按钮；在手机充电前，将高仿手机5放置在充电座1上进行充电，按下按钮，使得半导体制冷片工作，3-5分钟后，充电座1发出的热量和高仿手机5发出的热量与半导体制冷片3带走的热量达到稳定平衡的状态，充电座1上方区域保持一个相对稳定的温度环境，然后再将高仿手机5取出，放置手机进行充电。

[0031] 与传统有线手机充电器相比，与传统有线手机充电器相比，本发明基STM32的利用两线圈磁耦合谐振技术实现能量在设定距离上的传输的无线充电方式，采用的控制电路合理、成本低且不容易损坏；自身功耗小，充电效率高，且具有兼容性高、过压过流保护的优势。

[0032] 通过对PCB板的绘制、线圈的绕制以及元器件型号的优选，本发明使自身功耗大幅降低、充电效率较大提升，使接收功率可大于输出功率的85％。同时本发明还可以应用到车站、街头等公共场所的手机无线充电、新能源汽车充电站，以及各种电子产品无线充电。本发通过先用高仿手机5进行充电，并达到相对温度平衡状态，再利用手机充电，防止手机在不稳定的温度环境中充电，提高手机以及手机电池的使用寿命。

[0033] 最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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