一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统 |
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| 申请号 | CN202410353724.8 | 申请日 | 2024-03-27 | 公开(公告)号 | CN117955261A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 广东工业大学; | 发明人 | 黄李昌; 易锋; 胡明涛; 钟锐城; 朱俊铭; 许校彬; 陈金星; 曹云飞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于LCC 谐振 电路 的高功率无线充电系统，包括发射端单元和接收端单元，其中：所述发射端单元包括H桥驱动结构和第一LCC补偿结构；所述接收端单元包括第二LCC补偿结构和整流滤波结构；所述基于LCC 谐振电路 的高功率无线充电系统的工作方式如下：根据第一方波 信号 控制所述H桥驱动结构中MOS管的关断，并输出第二方波信号至所述第一LCC补偿结构，所述第一LCC补偿结构产生 正弦波 ，进而生成 磁场 并发射 能量 ；通过所述第二LCC补偿结构接收所述能量后，经过整流结构和滤波结构后得到直流电，利用所述直流电进行充电。通过使用本发明，能够提高能量传输效率。本发明可广泛应用于无线能量传输领域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统，其特征在于，包括发射端单元和接收端单元，其中： |
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| 说明书全文 | 一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统技术领域背景技术[0002] 在现代科技社会中，电子设备的普及和无线通信的不断发展导致了对更便捷、高效的电能传输方式的需求。传统的有线充电方式由于线缆限制和连接不便，无法满足用户对电子设备充电的灵活性和移动性需求。因此，无线充电技术应运而生，为用户提供了更加方便的充电解决方案。随着移动设备的普及，无线充电已成为人们生活中的一项重要需求。传统的无线充电方式通常采用电磁感应原理，但其效率低、距离近等缺点限制了其应用范围。 发明内容[0003] 有鉴于此，为了解决现有无线充电系统中存在传输效率低和充电距离近的缺点，进而限制了其应用范围的技术问题，本发明提出一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统，包括发射端单元和接收端单元，其中：所述发射端单元包括H桥驱动结构和第一LCC补偿结构； 所述接收端单元包括第二LCC补偿结构和整流滤波结构； 所述基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统的工作方式如下： 由MCU提供第一方波信号； 根据所述第一方波信号控制所述H桥驱动结构中MOS管的关断，并输出第二方波信 号至所述第一LCC补偿结构，所述第一LCC补偿结构产生正弦波，进而生成磁场并发射能量； 通过所述第二LCC补偿结构接收所述能量后，经过整流滤波结构后得到直流电，利用所述直流电进行充电。 [0004] 在一些实施例中，所述第一LCC补偿结构包括两个电容器和一个线圈。 [0005] 在一些实施例中，所述发射端单元和所述接收端单元均制作于柔性电路板上，制作过程包括如下步骤：选择LCP基材并进行切割，得到切割后的基材； 在所述切割后的基材覆盖导电材料，得到初始导电层； 根据所述发射端单元和所述接收端单元设计电路图案； 基于光刻技术将所述电路图案迁移至所述初始导电层上，并蚀刻多余的导电材 料，得到最终导电层； 对所述最终导电层进行抗氧化处理，并进行电子元件的组装，得到最终电路板。 [0006] 在本实施例中，将无线充电系统制作于柔性电路板上，使其能够适应于可穿戴设备。 [0007] 在一些实施例中，还包括：将不同层的LCP基材进行压合。 [0009] 在本实施例中，将无线充电系统的接收/发射线圈采用透明天线的方式形成，因此可制作于眼镜片或手表屏幕玻璃上，以此提高该系统的使用场景。 [0010] 基于上述方案，本发明提供了一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统，引入LCC补偿结构，通过匹配谐振频率，提高了能量传输效率，且该结构有助于抑制电流谐振效应，进一步提高充电性能。附图说明 [0011] 图1是本发明一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统的结构框图；图2是本发明发射端单元中第一LCC补偿结构的电路结构图； 图3是本发明发射端单元中H桥驱动结构和电流感应放大器的电路结构图； 图4是本发明发射端单元中电源转换结构的电路结构图； 图5是本发明接收端单元的电路结构图； 图6是本发明柔性电路板的制作步骤示意图； 图7是本发明集成及散热方案的结构示意图； 附图标记：1、第一LCC补偿结构；2、H桥驱动结构；3、电流感应放大器；4、电源转换结构；5、第二LCC补偿结构；6、整流滤波结构；7、分压采样结构；8、线性稳压结构；9、运算放大器；11、基片；12、焊点；13、通孔；14、壳体；15、散热铜柱；16、主芯片；17、次芯片；18、热界面材料。 具体实施方式[0012] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。 [0013] 需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 [0014] 应当理解，本申请中使用的“系统”、“单元”是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。 [0015] 除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。 [0016] 在本申请实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。以下术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。 [0017] 另外，本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。 [0018] 参照图1，为本发明提出的基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统的一可选示例的结构框图，包括发射端单元和接收端单元，其中：所述发射端单元包括H桥驱动结构2和第一LCC补偿结构1； 所述接收端单元包括第二LCC补偿结构5和整流滤波结构6； 其中，H桥驱动结构2是一种电路拓扑结构，通常用于控制电流的方向和大小。在无线充电系统中，H桥驱动结构2用于将电源能量传输到发射天线。H桥驱动结构2由四个开关器件组成，可以实现电流的正反向控制。通过控制H桥驱动结构2中的开关器件，可以调整能量传输的频率、功率和相位，以匹配接收端的谐振条件，有助于提高能量传输的效率和可调性。 [0019] 第一LCC补偿结构1和第二LCC补偿结构5的原理和结构均相同，LCC补偿结构是一种无线充电系统中的谐振电路，用于确保能量传输的最大效率，它包括两个电容器和一个线圈的电路结构。其中，线圈相当于发射天线，电容器用于存储电能和调整电路的谐振频率。 [0020] 在发射端，LCC补偿结构通过调整电容器的值和线圈的参数，确保能量传输电路处于谐振状态。 [0023] 本实施例中，基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统的工作方式如下：由MCU提供第一方波信号； 根据所述第一方波信号控制所述H桥驱动结构2中MOS管的关断，并输出第二方波 信号至所述第一LCC补偿结构1，所述第一LCC补偿结构1产生正弦波，进而生成磁场并发射能量； 本实施例中，发射端单元的工作原理具体为：由MCU提供一对150 kHz方波信号控 制驱动芯片，进而操控H桥驱动结构2中MOS管的关断，然后输出150 kHz、48v峰峰值的方波给第一LCC补偿结构1，在第一LCC补偿结构1中产生150 kHz、峰值超过100 V的正弦波，进而产生磁场，发射能量。 [0024] 通过所述第二LCC补偿结构5接收所述能量后，经过整流滤波结构6后得到直流电，利用所述直流电进行充电。 [0025] 接收端单元的工作原理具体为：接收端由相同的LCC拓扑结构，即第二LCC补偿结构5，接收能量然后经全桥整流(该工作由四组整流肖特基二极管完成，同样采取并联分流的思路)、RC滤波，将正弦半波滤为直流电给超级电容组充电。 [0026] 基于上述一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统，具备以下效果：1、传统谐振电路在高功率条件下存在能量传输效率低的问题，导致充电设备接收到的电能相对较少。LCC补偿结构充电系统通过匹配谐振频率，提高了能量传输效率，充电设备能够更高效地接收电能。在高功率应用中，传统谐振电路容易受到电流谐振的影响，导致输出电流不稳定，影响充电设备的充电性能。LCC补偿结构有助于抑制电流谐振效应，提高接收端的电流质量，使得充电设备能够获得更为稳定的电力输入。 [0028] 在一些可行的实施例中，参照图2、图3和图4，所述发射端单元包括H桥驱动结构2、第一LCC补偿结构1、电流感应放大器3和电源转换结构4。 [0029] 其中，第一LCC补偿结构1主要由磁环电感、电容和接线圈实现。 [0030] 电流感应放大器3用于测量电路中电流流过，并用作电源的反馈控制，实现输出调节，还用于判定电路中是否有“过大”的电流出现，提供保护。该电流感应放大器3主要由3S‑6S供电部分和电流感应实现。 [0031] 电源转换结构4用于将输入的直流电压转换成较低的直流电压，从而为负载提供稳定的电源。 [0032] 在一些可行的实施例中，参照图5，所述接收端单元包括第二LCC补偿结构5、整流滤波结构6、分压采样结构7、线性稳压结构8和运算放大器9。 [0033] 其中，分压采样结构7采样输出电压，并将采样到的电压与带隙基准电压作比较来控制比较器的输出，用于提供稳定的电压输出。 [0034] 线性稳压结构8用于提供稳定的电源。 [0035] 运算放大器9用于提高信号质量和增强系统性能，检测充电并用继电器控制开关。 [0036] 参照图6，基于上述一种基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统，将相关的电路制作于柔性电路板上，工艺流程如下：S1、选择LCP基材并进行切割，得到切割后的基材； 在S1中，选择高质量的LCP材料（即液晶聚合物）作为电路板的基材。采用激光切割技术将LCP基材切割成适当的大小和形状，以适应后续的电路制作。 [0037] 其中，LCP以其优良的电气性能、热稳定性和尺寸稳定性而被广泛应用于柔性电路板制造。激光切割技术能够确保精确的尺寸和光滑的边缘。 [0038] S2、在所述切割后的基材覆盖导电材料，得到初始导电层；其中，导电材料可以是铜。 [0039] S3、根据所述发射端单元和所述接收端单元设计电路图案；S4、基于光刻技术将所述电路图案迁移至所述初始导电层上，并蚀刻多余的导电 材料，得到最终导电层； 在步骤S4中，通过化学蚀刻去除多余的导电材料，留下所需的电路图案。 [0040] S5、对所述最终导电层进行抗氧化处理，并进行电子元件的组装，得到最终电路板。 [0042] 基于上述方案，使得该电路系统（包括发射端单元和接收端单元）制作于柔性电路板（例如LCP材料）上，并进行系统集成，以适应柔性可穿戴装置（智能手表、AR/VR眼镜、智能衣物），解决现有的无线充电方案通常只能在硬质电路板上制作，限制了其在柔性可穿戴设备上的应用。 [0043] 在一些可行的实施例中，还包括：将不同层的LCP基材进行压合。 [0045] 在一些可行的实施例中，所述基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统，还包括天线线圈，其中：采用透明低损耗材料作为所述天线线圈的介质基质，采用透明导电薄膜和铜网格 作为所述天线线圈的导电层。 [0046] 本实施例中，制作工艺如下：制备透明的导电层：在液晶介质层表面上形成一层透明的导电层。 [0048] 基于上述方案，该系统的功率接收/发射线圈采用透明天线的方式形成，因此可制作于眼镜片或手表屏幕玻璃上，解决了现有无线充电方案的线圈需要单独制作于PCB板上再与电路相连。同时，透明天线的采用，能够不影响镜片和屏幕的日常使用。 [0049] 本发明还提供了一种三维集成及散热方案，应用于上述基于LCC谐振电路的高功率无线充电系统中的接收端单元，参照图7，包括基片11、焊点12、通孔13、壳体14、散热铜柱15、主芯片16、次芯片17和热界面材料18，其中： 所述主芯片16和所述次芯片17均通过所述焊点12与所述基片11连接； 所述基片11设有通孔13，所述通孔13与所述焊点12连接； 所述散热铜柱15与所述主芯片16连接，所述散热铜柱15还与所述壳体14连接； 所述壳体14内表面设有热界面材料18。 [0050] 本实施例的主要特点在于取消了散热基岛结构，以节省在垂直方向上的封装高度，为了在三维方向上堆叠更多的芯片。 [0051] 对应的，主芯片16为运算放大器的芯片；次芯片17为线性稳压结构的芯片。 [0052] 其中，壳体14可以由塑料料材料制成，热界面材料18可为导热金属铜与石墨烯或碳纳米管的混合物。同时，在所述主芯片16没有金属互连和焊垫之处，植置散热铜柱15，散热铜柱15连接芯片表面和外塑封管壳，使得芯片产生的热量可以直接传到至壳体14并进一步散发到封装体外部。 [0053] 基于上述方案，采用三维堆叠的系统集成方式，在垂直方向堆叠更多的芯片和电路，无源器件也封装在同一LCP材料中，进一步提升集成度，有效缩减系统所需的面积。进一步，采用适当的散热结构（热界面材料和散热铜柱），辅助无线充电系统散热，降低能量损耗。同时降低温度变化对芯片及电路稳定性的影响。 |
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