用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，特别涉及一种用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统。

背景技术

现阶段，台式机显示器通常采用有线供电方式，此时桌面上不可避免地堆积大量线材，从而导致潜在的漏电和触电等安全隐患。采用无线充电方式有效地解决上述问题，放置于桌面的能量发射端通过空间磁场为内置于台式机显示器的能量接收端供电，此方式并且具备灵活、安全以及可靠等优点。然而，由于台式机显示器的位置存在一定程度的随机性(例如：用户移动显示器导致能量发射端与能量接收端无法完全对准)，为保证其供电的稳定性与高效性，无线充电系统应具备较强的抗偏移性能。此外，随着智能手机的无线充电日益普及，用于为其无线供电的充电器不可或缺。然而，现有手机无线充电器成本较高且对充电位置要求苛刻，从而降低了用户体验度和满意度。为充分地利用台式机显示器的无线充电系统，亟待一种同时用于为台式机显示器和智能手机供电的强抗偏移型无线充电系统。

现有磁耦合机构通常为方形和圆形，并且发射端和接收端通常具有相同或近似的尺寸。虽然此类磁耦合机构保证了中心位置附近较高的耦合系数，但是其耦合系数随着接收端偏移时下降的幅度较大，从而导致系统功率和系统效率的急剧降低。针对上述问题，相关文献提出了DD型线圈、DDQ型线圈以及三极型线圈等，虽然通过构造均匀磁场实现较强的抗偏移性能，但是其结构较为复杂且无法实现全方向抗偏移性能提升。同时，现有磁耦合机构通过用于“一对一”式无线充电(一个发射端对应一个接收端)，虽然相关文献研究了“一对多”式无线充电，但是其发射端的结构通常较为复杂。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统。

为达到上述目的，本发明实施例提出了用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统，包括：发射端、第一接收端和第二接收端，其中，所述发射端包括直流电源、全桥变换器和LCC补偿拓扑；所述第一接收端包括第一电感、第一补偿电容、第一整流桥、第一滤波电容、第一Buck变换器和第一等效负载；所述第二接收端包括第二电感、第二补偿电容、第二整流桥、第二滤波电容、第二Buck变换器和第二等效负载；其中，所述发射端构成四个传统方形线圈顺向串联的磁耦合机构；工作时，所述直流电源输出的电压经由所述全桥逆变器转换为频率为预设数值交流电，经过所述LCC补偿拓扑以交变磁场的方式由所述发射端发出，所述第一接收端以电磁感应的形式获得所述发射端发送能量后，进行串联补偿，而后经第一整流桥、所述第一滤波电容和所述第一Buck变换器降压后向台式机显示器供电；所述第二接收端以电磁感应的形式获得所述第一接收端传送的能量，进行串联补偿，而后经第二整流桥、所述第二滤波电容和所述第二Buck变换器降压后向智能手机供电。

本发明实施例的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统，以“田字格”型磁耦合机构作为发射端并且采用LCC-S补偿拓扑，为台式机显示器(第一接收端)供电的基础上，第一接收端作为能量中继为智能手机供电(第二接收端)，从而实现同时为第一接收端和第二接收端供电的目的，同时，该不对称结构有效提升磁耦合机构的抗偏移性能。

另外，根据本发明上述实施例的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述磁耦合机构具体结构为：所述发射端的电感为四个传统方形单元线圈顺向串联构成，其中，所述发射端的磁芯尺寸与所述发射端的电感相同，所述第一电感为置于所述发射端上层的方形线圈，其中，所述第一电感的尺寸大于所述发射端中任一个单线圈的尺寸；所述第二电感为置于所述第一电感上层任意位置的方形线圈。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射端放置于桌面上或内置于桌面内，所述第一接收端集成于台式机显示器底座内，所述第二接收端集成于手机内。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统的电路拓扑图；

图2是本发明一个实施例的电路拓扑的互感模型示意图；

图3是本发明一个实施例的“田字格”式磁耦合机构的示意图；

图4是本发明一个实施例的第一接收线圈与第二接收线圈的位置关系示意图；

图5是本发明实施例一的不同偏移距离与互感值之间仿真结果对比图；

图6是本发明实施例二的电路仿真当初次级完全对准时两负载电压/电流波形图，其中，(a)为第一接收端的输出电流和输出电压波形(目标值12V/4A)，(b)为第二接收端的输出电流和输出电压波形(目标值5V/2.5A)。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统。

图1是本发明一个实施例的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统的电路拓扑图。

如图1所示，该无线充电系统10包括：发射端11、第一接收端12和第二接收端13，发射端11放置于桌面上或内置于桌面内，第一接收端12集成于台式机显示器底座内，第二接收端13集成于手机内。

其中，发射端11包括直流电源(U

需要说明的是，本发明电路结构中还包括必要的控制电路，例如微控制器、传感器等，在此不做具体限定，本领域技术人员可根据实际情况进行调整。

具体地，本发明实施例的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统的工作原理为：直流电源输出的电压经过全桥逆变器后，被转换为频率为85kHz的交流电(该频率可根据不同的系统进行适当的调节)，经过LCC补偿拓扑后以交变磁场的方式由发射端线圈发出，第一接收端12以电磁感应的形式获得发射端11发送的能量后，经过串联补偿，而后经全桥整流/滤波以及Buck变换器降压后向台式机显示器供电。第二接收端13以电磁感应的形式获得第一接收端12以中继形式传送来的能量，经过串联补偿，而后经全桥整流/滤波以及Buck变换器降压后向智能手机供电。电路的控制系统组件在此过程中监测输出电压/电流，并对其进行控制，达到恒压供电以及保护电路免遭短路，过流等异常情况的损害。

进一步地，如图2所示，所构成的磁耦合机构中互感电流过程为：U

结合图2展开公式推导与理论分析，由基尔霍夫定律可得：

由谐振关系：

将(2)代入(1)，得

求解上式可得

第一接收端12和第二接收端13的充电电流表达式为：

流过R

基于上述分析，为保证磁耦合机构在偏移发生时具备较为稳定的互感值，本发明提出了一种“田字格”式磁耦合机构，如图3所示，本发明构建的磁耦合机构为“田字格”式，发射端11的电感为四个传统方形单元线圈顺向串联构成，其中，发射端11的磁芯尺寸与发射端11的电感相同，第一电感为置于发射端11上层的方形线圈，其中，第一电感的尺寸大于发射端11中任一个单线圈的尺寸；第二电感为置于第一电感上层任意位置的方形线圈。

具体地，如图3(a)所示。其中，发射端磁芯的尺寸与发射端线圈相同。根据发射端线圈中电流走向，“田字格”式耦合机构由4个传统的方形线圈进行顺向串联形成，不仅一定程度上降低边缘效应，而且产生更加稳定的磁场。如图3(b)所示，第一接收端线圈尺寸大于发射端11的每一个“单元线圈”的尺寸，不对称结构有助于提升磁耦合机构的抗偏移性能。

进一步地，如图4(b)所示，虽然本发明设计的第一接收端12和第二接收端13之间为额定位置，但是经过进一步的系统参数优化后，第二接收端线圈可放置于接收线圈的任意位置，而不影响第二接收端13的功率特性。

下面以两个实施例对本发明提出的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统进一步说明。

实施一，以表1中磁耦合机构展开本部分实施例。

表1“田字格”式磁耦合机构的参数

“田字格”式磁耦合机构存在x轴和y轴方向上偏移距离时，如图5所示，偏移距离与M

实施二，双接收端无线充电系统电气特性实施例

系统工作频率选为85kHz，直流电源电压选为24V，为模拟实际情况，两接收端分别设置了整流桥和buck型dc-dc电路，并设计控制器进行稳压。其中接收端电压12V，电流4A，模拟电脑显示屏，第二接收线圈输出电压5V，电流2.5A，模拟手机充电器。图6为电路仿真当初次级完全对准时两负载电压/电流波形。可见两负载均达到了额定电压，该磁耦合机构可以满足同时为双负载无线充电的要求。

综上，根据本发明实施例提出的用于台式机显示器和智能手机协同供电的强抗偏移型无线充电系统，以“田字格”型磁耦合机构作为发射端并且采用LCC-S补偿拓扑，为台式机显示器(第一接收端)供电的基础上，第一接收端作为能量中继为智能手机供电(第二接收端)，从而实现同时为第一接收端和第二接收端供电的目的，同时，该不对称结构有效提升磁耦合机构的抗偏移性能。

此外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。