本發(fā)明涉及電磁感應式無線充電器(QI標準)，特別涉及一種無線充電裝置及其金屬異物檢測方法。

背景技術：

無線充電裝置采用磁感應技術，執(zhí)行標準兼容國際無線充電聯(lián)盟(WPC)的Qi標準。無線充電裝置發(fā)射端的初級線圈和接收端的次級線圈，通過電磁感應來傳遞功率和信息。當兩個線圈間存在金屬異物時，由于渦流效應的作用會在金屬異物上產(chǎn)生大量熱量，存在嚴重的安全隱患，因此金屬異物檢測是無線充電裝置的必備功能。

目前市場上對無線充電裝置的金屬異物檢測主要是通過檢測發(fā)射端的功率損耗方式來實現(xiàn)的，外圍電路簡單、易計算，但存在異物檢測靈敏度難調節(jié)，誤報、漏報等問題。造成上述問題的原因比較復雜，一方面是功率損耗法在逆變橋和發(fā)射線圈上的損耗功率不能通過直接測量方式獲得，因此在計算功率損耗時形成的計算誤差導致了金屬異物的檢測不夠準確；另一方面，金屬異物報警功率損耗的閾值設定會影響異物檢測的靈敏度，而最優(yōu)功率損耗閾值的確定在實現(xiàn)上難度大，需要通過大量的試驗來積累豐富的經(jīng)驗值。

對無線充電裝置的異物檢測而言，市場上的功率損耗法不能通過直接測量方式獲得逆變橋和發(fā)射線圈上的損耗功率，因此在功率損耗計算過程中存在計算誤差，進而導致異物檢測存在靈敏度難調節(jié)，誤報、漏報等問題。通過對市場上同類無線充電裝置進行試驗發(fā)現(xiàn)，采用同一個一元硬幣作為金屬異物，功率損耗法的裝置在2組100次異物檢測測試中，產(chǎn)生誤報或者漏報次數(shù)分別為7次和9次，異物檢測的準確性維持在91％～93％之間。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供一種基于檢測發(fā)射端初級線圈品質因數(shù)變化來確定是否存在金屬異物的方法，當金屬異物存在時，線圈品質因數(shù)會減小，當品質因數(shù)小于設定的比較閾值時，判定存在金屬異物，發(fā)射端提示報警并自動終止功率傳輸；品質因數(shù)法能夠直接獲得逆變橋上輸入電壓值和線圈電壓值，較功率損耗法而言，未引入計算誤差，因此異物檢測的靈敏度和準確性均高于功率損耗法的一種無線充電裝置及其金屬異物檢測方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是：一種無線充電裝置，由發(fā)射端和接收端組成；所述發(fā)射端由發(fā)射驅動電路和發(fā)射端初級線圈組成；所述接收端由接收驅動電路和接收端次級線圈組成；所述發(fā)射驅動電路包括逆變橋電路、通信解調電路、線圈功率U/I檢測電路和品質因數(shù)Q檢測電路；所述逆變橋電路的一個輸入端通過電壓轉換電路與直流電壓相連，另一個輸入端接發(fā)射端主控IC的輸出端，逆變橋電路的輸出端通過發(fā)射端初級線圈LC諧振電路后分別與線圈功率U/I檢測電路的輸入端和品質因數(shù)Q檢測電路的輸入端相連；所述線圈功率U/I檢測電路的輸出端和品質因數(shù)Q檢測電路的輸出端均與發(fā)射端主控IC的輸入端相連；所述通信解調電路的輸入端接發(fā)射端初級線圈LC諧振電路的輸出端，其輸出端接發(fā)射端主控IC的輸入端；所述接收驅動電路包括整流橋電路、通信調制電路和降壓電路；所述整流橋電路的輸入端接接收端次級線圈LCC諧振電路，其輸出端通過降壓電路與負載設備相連；所述通信調制電路的兩個輸入端分別與接收端主控IC的輸出端和整流橋電路的輸出端相連。

上述技術方案所述品質因數(shù)Q檢測電路的采樣線圈電壓C_V2取逆變橋電路的電容C與電感L的公共連接端電壓，品質因數(shù)Q檢測電路的采樣輸入電壓C_V1取逆變橋電路的電容C的另一端電壓；所述采樣輸入電壓C_V1和采樣線圈電壓C_V2均經(jīng)過一級差分放大、二級低通濾波與信號跟隨處理，提高了信號的輸入阻抗，放大后的信號Q_V1_AD1和Q_V2_AD2分別進入發(fā)射端主控IC的模數(shù)AD轉換通道1和模數(shù)AD轉換通道2。

一種無線充電裝置的金屬異物檢測方法，包括以下步驟：

1)按照Qi標準規(guī)定的測量方法，通過試驗方式標定參考品質因數(shù)Q_reference并確定比較閾值Q_threshold，其中Q_threshold<90％Q_reference；

2)通過檢測發(fā)射端初級線圈實際測量的品質因數(shù)Q_measured的變化來確定是否存在金屬異物，當實際測量的品質因數(shù)Q_measured大于設定的比較閾值Q_threshold時，判斷不存在金屬異物；當實際測量的品質因數(shù)Q_measured小于設定的比較閾值Q_threshold時，判斷存在金屬異物，發(fā)射端提示報警并自動終止功率傳輸。

上述技術方案所述品質因數(shù)

采用上述技術方案后，本發(fā)明具有以下積極的效果：

(1)本發(fā)明能夠準確的檢測到無線充電裝置間的異物，并調節(jié)工作參數(shù)，避免因金屬異物的介入產(chǎn)生渦流效應形成功率損耗甚至火災等潛在事故發(fā)生，提高了無線充電裝置的安全性與工作可靠性。

(2)本發(fā)明當發(fā)射端初級線圈和接收端次級線圈間存在金屬異物時，渦流效應會造成金屬異物被加熱，導致嚴重的安全隱患。本發(fā)明所闡述的檢測方法用于檢測該金屬異物并能夠自動終止功率傳輸。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中

圖1為本發(fā)明的無線充電裝置框圖；

圖2為本發(fā)明的LC串聯(lián)諧振等效電路框圖；

圖3為本發(fā)明的品質因數(shù)閾值設定示意圖；

圖4為本發(fā)明的全橋逆變采樣信號示意圖；

圖5為本發(fā)明的品質因數(shù)Q檢測電路中采樣電壓信號處理示意圖；

具體實施方式

(實施例1)

見圖1，本發(fā)明具有一種無線充電裝置，由發(fā)射端1和接收端2組成；所述發(fā)射端1由發(fā)射驅動電路和發(fā)射端初級線圈組成；所述接收端2由接收驅動電路和接收端次級線圈組成；所述發(fā)射驅動電路包括逆變橋電路3、通信解調電路4、線圈功率U/I檢測電路5和品質因數(shù)Q檢測電路6；所述逆變橋電路3的一個輸入端通過電壓轉換電路7與直流電壓8相連，另一個輸入端接發(fā)射端主控IC9的輸出端，逆變橋電路3的輸出端通過發(fā)射端初級線圈LC諧振電路10后分別與線圈功率U/I檢測電路5的輸入端和品質因數(shù)Q檢測電路6的輸入端相連；所述線圈功率U/I檢測電路5的輸出端和品質因數(shù)Q檢測電路6的輸出端均與發(fā)射端主控IC9的輸入端相連；所述通信解調電路4的輸入端接發(fā)射端初級線圈LC諧振電路10的輸出端，其輸出端接發(fā)射端主控IC9的輸入端；所述接收驅動電路包括整流橋電路11、通信調制電路12和降壓電路13；所述整流橋電路11的輸入端接接收端次級線圈LCC諧振電路14，其輸出端通過降壓電路13與負載設備15相連；所述通信調制電路12的兩個輸入端分別與接收端主控IC16的輸出端和整流橋電路11的輸出端相連。

①諧振電路品質因數(shù)

見圖2，無線充電發(fā)射端感應線圈電感L和串聯(lián)電容C組成串聯(lián)諧振電路，由于電路中存在一定的損耗，如電感線圈的歐姆損耗和輻射損耗、電容的介質損耗等。隨著頻率的升高，趨膚效應還會導致電感線圈的歐姆損耗和輻射損耗增加。

當電路工作在諧振頻率點附近時，必須考慮這些損耗的影響。因此，串聯(lián)諧振電路等效為電感L、電容C和等效損耗電阻R的串聯(lián)電路，其等效阻抗Z計算公式如下：

其中表示電抗，當X＝0時，串聯(lián)諧振電路中的電抗為零，電路呈現(xiàn)諧振狀態(tài)。此時對應的頻率為諧振頻率ω₀。

串聯(lián)諧振電路的阻抗在諧振頻率處呈現(xiàn)為實數(shù)電阻，并且阻抗模值達到最小|Z|_MIN＝R，電壓和電流的相位差φ＝0。阻抗降到最小值，電流達到最大值。在諧振頻率下，假設輸入電壓為V_S,則電感和電容電壓的計算公式如下：

將公式(2)代入公式(3)、公式(4)，電感和電容上的電壓可表示如下：

如果滿足電感和電容上電壓的模值也會遠大于輸入電壓|V_S|。LC串聯(lián)諧振電路的品質因數(shù)Q計算公式如下：

采用品質因數(shù)表示時，在諧振頻率下電感和電容上電壓的模值計算公式如下：

|V_L|＝|V_C|＝Q|V_S| (8)

因此，LC串聯(lián)諧振電路具有振蕩放大作用，能夠將輸入信號的幅值提高Q倍。

②品質因數(shù)法檢測原理

當發(fā)射端初級線圈上存在金屬異物時，初級線圈的電感量L會減小，等效電阻R會增大，按照諧振電路推導公式(7)可知，發(fā)射端初級線圈的品質因數(shù)Q會減小。因此，通過檢測初級線圈的品質因數(shù)的變化，可以識別線圈感應區(qū)間內是否存在金屬異物。

見圖3，為提高金屬異物識別的準確性和可靠性，發(fā)射端初級線圈需要標定參考品質因數(shù)Q_reference和確定比較閾值Q_threshold。Q_reference按照Qi標準規(guī)定的測量方法，通過試驗方式獲得，Q_threshold設定值至少要小于Q_reference的90％，且需要考慮生產(chǎn)制作誤差和測量誤差。Q_measured為實際測量的品質因數(shù)值，當感應線圈間不存在金屬異物時，Q_measured值大于Q_threshold值；當感應線圈間存在金屬異物時，Q_measured值小于Q_threshold值。

③品質因數(shù)檢測方法

由公式(9)可知，通過檢測電感電壓V_L和輸入電壓V_S的幅值來監(jiān)測品質因數(shù)的變化。見圖4，無線充電發(fā)射端采用全橋逆變方式，逆變橋由4個NMOS管組成，上橋輸入電壓VCC，下橋通過采樣電阻R后接地。逆變橋可工作在半橋和全橋模式，為保護逆變橋的4個NMOS管，應避免上下2個NMOS管同時導通，NMOS管的控制需要增加死區(qū)補償。逆變橋下橋的采樣電阻R將逆變橋回路的電流轉換為電壓信號再經(jīng)過運放和RC低通濾波處理后，送入發(fā)射端主控IC進行模數(shù)AD轉換。該信號用于動態(tài)調整無線充電裝置發(fā)射端的傳輸功率。

電壓C_V2采樣線圈電壓，電壓C_V1采樣輸入電壓，線圈電壓C_V2與輸入電壓C_V1模值的比值為線圈品質因數(shù)Q_measured。

如圖5所示，采樣電壓C_V1經(jīng)過一級差分放大，二級低通濾波與信號跟隨處理，提高了信號的輸入阻抗，放大后的信號Q_V1_AD1進入發(fā)射端主控IC的模數(shù)AD轉換通道1。

采樣電壓C_V2經(jīng)過一級差分放大，二級低通濾波與信號跟隨處理，提高了信號的輸入阻抗，放大后的信號Q_V2_AD2進入發(fā)射端主控IC的模數(shù)AD轉換通道2。

由于L C串聯(lián)諧振電路的振蕩放大作用，輸入電壓C_V1與采樣線圈電壓C_V2具有相同的頻率和相位，僅幅值不同。因此，在經(jīng)過信號放大、低通濾波等處理后，進入發(fā)射端主控IC模數(shù)AD轉換后的值，可以作為輸入電壓和線圈電壓的替代值，直接進行比較即可獲得品質因數(shù)值Q。

假設輸入電壓C_V1和線圈電壓C_V2進入發(fā)射端主控IC模數(shù)AD轉換后的值分別為C_V1_AD1_IC和C_V2_AD2_IC，則品質因數(shù)Q_measured可按下面公式簡化計算：

當Q_measured>Q_threshold時，感應線圈間不存在金屬異物；當Q_measured<Q_threshold時，感應線圈間存在金屬異物。

當Q_measured＝Q_threshold時，從安全因素考慮可將此狀態(tài)判定為存在金屬異物；從檢測靈敏度需求角度而言，若需要異物檢測靈敏度適中，則可判定為不存在金屬異物；上述所有的判定都是通過軟件程序完成的，靈活性高、可根據(jù)實際需求動態(tài)調整。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。