本發(fā)明涉及電磁感應(yīng)式無線充電器(QI標(biāo)準(zhǔn))，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(shù)：

無線充電裝置采用磁感應(yīng)技術(shù)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)兼容國際無線充電聯(lián)盟(WPC)的Qi標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)來傳遞功率和信息。當(dāng)兩個線圈間存在金屬異物時，由于渦流效應(yīng)的作用會在金屬異物上產(chǎn)生大量熱量，存在嚴(yán)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(shí)現(xiàn)的，外圍電路簡單、易計(jì)算，但存在異物檢測靈敏度難調(diào)節(jié)，誤報(bào)、漏報(bào)等問題。造成上述問題的原因比較復(fù)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(jì)算功率損耗時形成的計(jì)算誤差導(dǎo)致了金屬異物的檢測不夠準(zhǔn)確；另一方面，金屬異物報(bào)警功率損耗的閾值設(shè)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(shí)現(xiàn)上難度大，需要通過大量的試驗(yàn)來積累豐富的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算過程中存在計(jì)算誤差，進(jìn)而導(dǎo)致異物檢測存在靈敏度難調(diào)節(jié)，誤報(bào)、漏報(bào)等問題。通過對市場上同類無線充電裝置進(jìn)行試驗(yàn)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(bào)或者漏報(bào)次數(shù)分別為7次和9次，異物檢測的準(zhǔn)確性維持在91％～93％之間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于檢測發(fā)射端初級線圈品質(zhì)因數(shù)變化來確定是否存在金屬異物的方法，當(dāng)金屬異物存在時，線圈品質(zhì)因數(shù)會減小，當(dāng)品質(zhì)因數(shù)小于設(shè)定的比較閾值時，判定存在金屬異物，發(fā)射端提示報(bào)警并自動終止功率傳輸；品質(zhì)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(jì)算誤差，因此異物檢測的靈敏度和準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)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(qū)動電路和發(fā)射端初級線圈組成；所述接收端由接收驅(qū)動電路和接收端次級線圈組成；所述發(fā)射驅(qū)動電路包括逆變橋電路、通信解調(diào)電路、線圈功率U/I檢測電路和品質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(qū)動電路包括整流橋電路、通信調(diào)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(fù)載設(shè)備相連；所述通信調(diào)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(shù)方案所述品質(zhì)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(zhì)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(jìn)入發(fā)射端主控IC的模數(shù)AD轉(zhuǎn)換通道1和模數(shù)AD轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量方法，通過試驗(yàn)方式標(biāo)定參考品質(zhì)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(shí)際測量的品質(zhì)因數(shù)Q_measured的變化來確定是否存在金屬異物，當(dāng)實(shí)際測量的品質(zhì)因數(shù)Q_measured大于設(shè)定的比較閾值Q_threshold時，判斷不存在金屬異物；當(dāng)實(shí)際測量的品質(zhì)因數(shù)Q_measured小于設(shè)定的比較閾值Q_threshold時，判斷存在金屬異物，發(fā)射端提示報(bào)警并自動終止功率傳輸。

上述技術(shù)方案所述品質(zhì)因數(shù)

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有以下積極的效果：

(1)本發(fā)明能夠準(zhǔn)確的檢測到無線充電裝置間的異物，并調(diào)節(jié)工作參數(shù)，避免因金屬異物的介入產(chǎn)生渦流效應(yīng)形成功率損耗甚至火災(zāi)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(dāng)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(yīng)會造成金屬異物被加熱，導(dǎo)致嚴(yán)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(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)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(zhì)因數(shù)閾值設(shè)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(zhì)因數(shù)Q檢測電路中采樣電壓信號處理示意圖；

具體實(shí)施方式

(實(shí)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(qū)動電路和發(fā)射端初級線圈組成；所述接收端2由接收驅(qū)動電路和接收端次級線圈組成；所述發(fā)射驅(qū)動電路包括逆變橋電路3、通信解調(diào)電路4、線圈功率U/I檢測電路5和品質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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(diào)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(qū)動電路包括整流橋電路11、通信調(diào)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(fù)載設(shè)備15相連；所述通信調(diào)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(zhì)因數(shù)

見圖2，無線充電發(fā)射端感應(yīng)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(zhì)損耗等。隨著頻率的升高，趨膚效應(yīng)還會導(dǎo)致電感線圈的歐姆損耗和輻射損耗增加。

當(dāng)電路工作在諧振頻率點(diǎn)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(jì)算公式如下：

其中表示電抗，當(dāng)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(yīng)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(shí)數(shù)電阻，并且阻抗模值達(dá)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(dá)到最大值。在諧振頻率下，假設(shè)輸入電壓為V_S,則電感和電容電壓的計(jì)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(yuǎn)大于輸入電壓|V_S|。LC串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q計(jì)算公式如下：

采用品質(zhì)因數(shù)表示時，在諧振頻率下電感和電容上電壓的模值計(jì)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?qū)⑤斎胄盘柕姆堤岣逹倍。

②品質(zhì)因數(shù)法檢測原理

當(dāng)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(dǎo)公式(7)可知，發(fā)射端初級線圈的品質(zhì)因數(shù)Q會減小。因此，通過檢測初級線圈的品質(zhì)因數(shù)的變化，可以識別線圈感應(yīng)區(qū)間內(nèi)是否存在金屬異物。

見圖3，為提高金屬異物識別的準(zhǔn)確性和可靠性，發(fā)射端初級線圈需要標(biāo)定參考品質(zhì)因數(shù)Q_reference和確定比較閾值Q_threshold。Q_reference按照Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測量方法，通過試驗(yàn)方式獲得，Q_threshold設(shè)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(shí)際測量的品質(zhì)因數(shù)值，當(dāng)感應(yīng)線圈間不存在金屬異物時，Q_measured值大于Q_threshold值；當(dāng)感應(yīng)線圈間存在金屬異物時，Q_measured值小于Q_threshold值。

③品質(zhì)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(zhì)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(hù)逆變橋的4個NMOS管，應(yīng)避免上下2個NMOS管同時導(dǎo)通，NMOS管的控制需要增加死區(qū)補(bǔ)償。逆變橋下橋的采樣電阻R將逆變橋回路的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號再經(jīng)過運(yùn)放和RC低通濾波處理后，送入發(fā)射端主控IC進(jìn)行模數(shù)AD轉(zhuǎn)換。該信號用于動態(tài)調(diào)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(zhì)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(jìn)入發(fā)射端主控IC的模數(shù)AD轉(zhuǎn)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(jìn)入發(fā)射端主控IC的模數(shù)AD轉(zhuǎn)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(jìn)入發(fā)射端主控IC模數(shù)AD轉(zhuǎn)換后的值，可以作為輸入電壓和線圈電壓的替代值，直接進(jìn)行比較即可獲得品質(zhì)因數(shù)值Q。

假設(shè)輸入電壓C_V1和線圈電壓C_V2進(jìn)入發(fā)射端主控IC模數(shù)AD轉(zhuǎn)換后的值分別為C_V1_AD1_IC和C_V2_AD2_IC，則品質(zhì)因數(shù)Q_measured可按下面公式簡化計(jì)算：

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

當(dāng)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(shí)際需求動態(tài)調(diào)整。

以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。