一种基于数字整流器的单级无线充电电路的制作方法

1.本发明属于电子电路技术领域，涉及一种基于数字整流器的单级无线充电电路。


背景技术：

2.无线充电应用于各种领域。在手机等便携式设备中，采用的是磁感应式无线充电。磁感应式无线充电对于谐振频率没有特殊要求，其传输距离在几毫米到几厘米之间。对于植入式医疗设备，常采用的是磁共振式无线充电。磁共振式无线充电的传输距离可以达到几厘米甚至几米，其在传输能量时需要工作在谐振频率。目前，磁共振式的无线充电一般为两种工作频率，13.56mhz和6.78mhz两个频段。
3.【文献1】j.t.hwang et al.,"an all-in-one(qi,pma and a4wp)2.5w fully integrated wireless battery charger ic for wearable applications,"isscc,2016,pp.378-380.
4.目前针对无线充电结构研究主要如文献1所示。其中涉及的无线充电器采用三级结构。第一级是二极管整流电路，第二级为dc-dc稳压电路，第三级为恒流(constant current cc)恒压(constant voltage cv)充电电路。然而这种三级结构每一级的效率受到其结构的限制，导致整体的传输效率相对较低。


技术实现要素：

5.要解决的技术问题
6.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于数字整流器的单级无线充电电路，解决了三级结构效率较低的问题。本发明采用计数器代替传统的移位寄存器控制方式，很大程度的减小了芯片面积。本发明采用数字控制的恒流恒压充电技术，可以延长电池的寿命。本发明基本采用数字设计，结构简单，稳定性好，便于集成，可以随工艺尺寸的缩减减小芯片面积。
7.技术方案
8.一种基于数字整流器的单级无线充电电路，其特征在于包括数字整流器主电路、恒流恒压充电控制电路和高速电流采样电路；充电信号经由谐振电感l和谐振电容c无线感应产生信号v
ac1
和v
ac2
，连接数字整流器主电路的输入端，其输出端的信号v
bat
为电路的输出电压与被充电电池连接；同时信号v
ac1
与高速电流采样电路的采样输入端相连，转换为采样电压v
sen
输出反馈至恒流恒压充电控制电路；另外信号v
ac1
和v
ac2
，数字整流器主电路的输出信号v
bat
以及v
bat
的分压信号v
fb
均与恒流恒压充电控制电路的输入端连接，通过电池电压与参考比较产生控制信号；恒流恒压充电控制电路的输出信号s
w1
与高速电流采样电路的输入相连，控制电流采样电路的开启时间；输出信号s
g1[0:8]
与数字整流器主电路的输入相连，恒流恒压充电控制电路的输出信号s
g2[0:8]
与数字整流器主电路的输入相连，信号s
g1[0:8]
与信号s
g2[0:8]
控制充电电流的大小。
[0009]
所述数字整流器主电路包括谐振电感l、谐振电容c、9位的pmos功率管m
p1-m
p2
、
nmos功率管m
n1-m
n2
、反馈电阻r
1-r2和电容co；谐振电感l和谐振电容c是并联关系，谐振电感l和谐振电容c的一端v
ac1
连接pmos功率管m
p1
的漏端、nmos功率管m
n1
的漏端和nmos功率管m
n2
的栅端；谐振电感l和谐振电容c的另一端v
ac2
连接pmos功率管m
p2
的漏端、nmos功率管m
n2
的漏端和nmos功率管m
n1
的栅端；pmos功率管m
p1
的栅端与恒流恒压充电控制电路的输出信号s
g1[0:8]
端相连；pmos功率管m
p2
的栅端与恒流恒压充电控制电路的输出信号s
g2[0:8]
端相连；pmos功率管m
p1
的源端与pmos功率管m
p2
的源端共接在输出电压v
bat
端；nmos功率管m
n1
的源端与nmos功率管m
n2
的源端共接在功率地；反馈电阻r1的一端与v
bat
端相连，另一端与v
fb
端相连，反馈电阻r2的一端与v
fb
端相连，另一端与功率地相连；电容co和电池bat的一端与v
bat
端相连，另一端与功率地相连。
[0010]
所述恒流恒压充电控制电路包括计数器、比较器1-6、9位与非门nand-nand2、9位驱动器buf1-buf2、d触发器、或非门nor和多路选择器mux；计数器的第一位输入的up[0]端和dn[0]端与d触发器的输出相连；第一比较器1的正输入端与数字整流器主电路的输出v
ac1
端相连，负输入端与数字整流器主电路的输出v
bat
端相连；第二比较器2的正输入端与数字整流器主电路的输出v
ac2
端相连，负输入端与数字整流器主电路1的输出v
bat
端相连；第三比较器3的正输入端与参考电压相连，负输入端与数字整流器主电路的输出v
fb
端相连；第四比较器4的正输入端与高速电流采样电路的输出v
sen
端相连，负输入端与多路选择器mux的输出端相连；第五比较器5的正输入端与数字整流器主电路的输出v
ac2
端相连，负输入端与数字整流器主电路的输出v
ac1
端相连；第六比较器6的正输入端与参考电压相连，负输入端与数字整流器主电路的输出v
fb
端相连；与非门nand1的一个输入与第一比较器1的输出s
w1
相连，另一个输入与计数器的输出q相连，输出与驱动器buf1的输入相连；与非门nand2的一个输入与第二比较器2的输出s
w2
相连，另一个输入与计数器的输出q相连，输出与驱动器buf2的输入相连；驱动器buf1的输出s
g1
与数字整流器主电路的输入相连；驱动器buf2的输出s
g2
与数字整流器主电路的输入相连；d触发器的d输入端与或非门的输出nor相连；d触发器的时钟输入端与第五比较器5的输出端相连；或非门的一个输入端与第三比较器3的输出端相连，另一个输入端与第四比较器4的输入端相连；多路选择器mux的选择端与第六比较器6的输出端相连；多路选择器mux的输入端与参考电压相连。
[0011]
有益效果
[0012]
本发明提出的一种基于数字整流器的单级无线充电电路，包括数字整流器主电路、恒流恒压充电控制电路和高速电流采样电路。数字整流器主电路产生交流电压vac1和vac2，并且将电池电压vbat和反馈电压vfb传输给恒流恒压控制电路。高速电流采样电路也将采样到的电感电流转换为采样电压传输给恒流恒压控制电路。恒流恒压控制电路输出开关信号sw1控制高速电流采样在功率管导通时候采样；输出开关信号sg1和sg2控制功率管的开关，从而达到恒流恒压充电的目的。
[0013]
本发明涉及一种基于数字整流器的单级无线充电器，相比于背景技术中提出的三级无线充电器，该电路采用单级的数字整流器结构，解决了三级结构效率较低的问题。使用数字控制的恒流恒压充电技术，可以延长电池的寿命。由于基本采用数字设计，故本发明的无线充电器结构简单，稳定性好，便于集成，可以随工艺尺寸的缩减减小芯片面积。
[0014]
1、发明了一种单级结构的无线充电器：解决了传统三级结构传输效率受各级限制的问题。利用单级结构的优势，提高了整个系统的传输效率。
[0015]
2、发明了一种数字控制的恒流恒压充电方式：使用恒流恒压充电技术可以延长电池寿命，使用数字控制便于集成，并且可以随工艺尺寸的缩减减小芯片面积。
附图说明
[0016]
图1为本发明提出的基于数字整流器的单级无线充电器结构框图
[0017]
图2为本发明提出的基于数字整流器的单级无线充电器电路的原理图
[0018]
图3为本发明提出的基于数字整流器的单级无线充电器工作时序图
[0019]
图4为本发明提出的基于数字整流器的单级无线充电器的计数器电路的具体实现
[0020]
图5为本发明提出的基于数字整流器的单级无线充电器的高速电流采样电路的具体实现
具体实施方式
[0021]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0022]
参照图1-5。本发明的一种基于数字整流器的单级无线充电器电路由数字整流器主电路1、恒流恒压充电控制电路2和高速电流采样电路3组成。
[0023]
基于数字整流器的单级无线充电器电路，其特征在于：所述无线充电器电路包括数字整流器主电路1、恒流恒压充电控制电路2和高速电流采样电路3。数字整流器主电路1的输出信号v
bat
与恒流恒压充电控制电路2的输入相连，数字整流器主电路1的输出信号v
fb
与恒流恒压充电控制电路2的输入相连，数字整流器主电路1的输出信号v
ac2
与恒流恒压充电控制电路2的输入相连，数字整流器主电路1的输出信号v
ac1
与恒流恒压充电控制电路2的输入相连，数字整流器主电路1的输出信号v
ac1
与高速电流采样电路3的输入相连，恒流恒压充电控制电路2的输出信号s
w1
与高速电流采样电路3的输入相连，恒流恒压充电控制电路2的输出信号s
g1[0:8]
与数字整流器主电路1的输入相连，恒流恒压充电控制电路2的输出信号s
g2[0:8]
与数字整流器主电路1的输入相连，高速电流采样电路3的输出信号v
sen
与恒流恒压充电控制电路2的输入相连。
[0024]
无线充电器分由恒流环路和恒压环路两个环路组成。在恒流环路控制中，由高速电流采样电路3在数字整流器主电路1中的下功率管m
n1
的漏端v
ac1
处采样充电电流，并转换为采样电压v
sen
输出。恒流恒压充电控制电路2中的比较器4通过比较v
sen
和参考电压输出信号v
cc
，再通过与非门输出到d触发器，当时钟上升沿到输出up[0]和dn[0]信号。计数器接收到up[0]和dn[0]信号后控制q[0:8]增加或者减少，从而控制开关m
p1
[k]与m
p2
[k]增加或者减少，从而增加或者减小充电电流。在恒压环路中，数字整流器主电路1的输出信号v
fb
是电池电压通过电阻r1与电阻r2分压产生的。恒流恒压充电控制电路2中的比较器3通过比较v
fb
和参考电压输出信号v
cv
，与恒流环路类似，当v
fb
高于参考电压时，计数器输出信号q[0:8]减小，开关个数减少，从而充电电流减小，达到恒压的目的。
[0025]
所述数字整流器主电路1由谐振电感l、谐振电容c、9位的pmos功率管m
p1-m
p2
、nmos功率管m
n1-m
n2
、反馈电阻r
1-r2、电容co和电池bat组成。谐振电感l和谐振电容c是并联关系，谐振电感l和谐振电容c的一端v
ac1
连接pmos功率管m
p1
的漏端、nmos功率管m
n1
的漏端和nmos功率管m
n2
的栅端；谐振电感l和谐振电容c的另一端v
ac2
连接pmos功率管m
p2
的漏端、nmos功率管m
n2
的漏端和nmos功率管m
n1
的栅端；pmos功率管m
p1
的栅端与恒流恒压充电控制电路2的
输出s
g1
端相连；pmos功率管m
p2
的栅端与恒流恒压充电控制电路2的输出s
g2
端相连；pmos功率管m
p1
的源端与pmos功率管m
p2
的源端共接在v
bat
端；nmos功率管m
n1
的源端与nmos功率管m
n2
的源端共接在功率地；反馈电阻r1的一端与v
bat
端相连，另一端与v
fb
端相连，反馈电阻r2的一端与v
fb
端相连，另一端与功率地相连；电容co和电池bat的一端与v
bat
端相连，另一端与功率地相连。
[0026]
所述恒流恒压充电控制电路2由计数器、比较器1-6、9位与非门nand-nand2、9位驱动器buf1-buf2、d触发器、或非门nor和多路选择器mux组成。计数器的第一位输入的up[0]端和dn[0]端与d触发器的输出相连；第一比较器1的正输入端与数字整流器主电路1的输出v
ac1
端相连，负输入端与数字整流器主电路1的输出v
bat
端相连；第二比较器2的正输入端与数字整流器主电路1的输出v
ac2
端相连，负输入端与数字整流器主电路1的输出v
bat
端相连；第三比较器3的正输入端与参考电压相连，负输入端与数字整流器主电路1的输出v
fb
端相连；第四比较器4的正输入端与高速电流采样电路3的输出v
sen
端相连，负输入端与多路选择器mux的输出端相连；第五比较器5的正输入端与数字整流器主电路1的输出v
ac2
端相连，负输入端与数字整流器主电路1的输出v
ac1
端相连；第六比较器6的正输入端与参考电压相连，负输入端与数字整流器主电路1的输出v
fb
端相连；与非门nand1的一个输入与第一比较器1的输出s
w1
相连，另一个输入与计数器的输出q相连，输出与驱动器buf1的输入相连；与非门nand2的一个输入与第二比较器2的输出s
w2
相连，另一个输入与计数器的输出q相连，输出与驱动器buf2的输入相连；驱动器buf1的输出s
g1
与数字整流器主电路1的输入相连；驱动器buf2的输出s
g2
与数字整流器主电路1的输入相连；d触发器的d输入端与或非门的输出nor相连；d触发器的时钟输入端与第五比较器5的输出端相连；或非门的一个输入端与第三比较器3的输出端相连，另一个输入端与第四比较器4的输入端相连；多路选择器mux的选择端与第六比较器6的输出端相连；多路选择器mux的输入端与参考电压相连。
[0027]
所述计数器由9位寄存结构组成。第0位由一个jk触发器组成。jk触发器的j端和k端与电源电压相连；时钟端与恒流恒压充电控制电路2的第五比较器5的输出端相连。第1位至第7位结构相同，由jk触发器、与非门nand1-nand3和反相器inv1-inv2组成。jk触发器的j端和k端与与非门nand3的输出相连，时钟端与恒流恒压充电控制电路2的第五比较器5的输出端相连；与非门nand1的输入端一端与上一位的up端相连，另一端与上一位的q端相连；与非门nand2的输入端一端与上一位的dn端相连，另一端与上一位的q反端相连；反相器inv1的输入与与非门nand1的输出相连；反相器inv2的输入与与非门nand2的输出相连；与非门nand3的输入端一端与与非门nand1的输出相连，另一端与与非门nand2的输出相连。第8位由jk触发器和与非门nand1-nand3组成。jk触发器的j端和k端与与非门nand3的输出端相连；与非门nand1的输入端的一端与第7位的up端相连，另一端与第7位的q端相连；与非门nand2的输入端的一端与第7位的q反端相连，另一端与第7位的dn端相连；与非门nand3的输入端的一端与与非门nand1的输出相连，另一端与与非门nadn2的输入端相连。
[0028]
所述高速电流采样电路三由开关、nmos采样管m
s1-m
s2
、放大器和电流转电压电路组成。放大器由pmos管m
1-m6和nmos管m
7-m8组成，v
x
端和vy端是放大器的源端输入。电流转电压电路由pmos管m
11-m
14
、nmos管m9、电阻rs和电容cs组成。开关的控制端与恒流恒压充电控制电路2的第一比较器1的输出s
w1
端相连，开关的输入端一端与地相连，另一端与数字整流器主电路1的输出v
ac1
端相连；nmos采样管m
s1
的源端与地相连，漏端与放大器的漏输入v
x
相
连；nmos采样管m
s2
的源端与开关的输出端相连，漏端与放大器的漏输入vy相连。
[0029]
参照图2-5。本发明的无线充电器具体实施如下，电感l与电容c谐振产生正弦波v
ac1
和v
ac2
，比较器1比较vac1与vbat的电压，当vac1大于vbat，比较器的输出才控制pmos功率管mp1打开，比较器2比较vac2与vbat的电压，当vac2大于vbat，比较器的输出才控制pmos功率管mp2打开。本发明的无线充电器有两种模式，恒流模式和恒压模式。比较器6通过比较反馈电压v
fb
与参考电压，选择比较器4的参考电压，当电池电压v
bat
小于2.8v时，选择参考电压v
ref_tc
，此时恒流环路使用小电流充电；当电池电压v
bat
大于2.8v时，选择参考电压v
ref_cc
，此时恒流环路使用大电流充电。
[0030]
在恒流环路中，由高速电流采样电路3在数字整流器主电路1中的下功率管mn1的漏端v
ac1
处采样充电电流，并转换为采样电压v
sen
输出。第四比较器4通过比较v
sen
和参考电压输出信号v
cc
，再通过与非门输出到d触发器，当时钟上升沿到输出up[0]和dn[0]信号。计数器接收到up[0]和dn[0]信号后控制q[0:8]增加或者减少，从而控制开关mp1[k]与mp2[k]增加或者减少，从而增加或者减小充电电流。当采样电压v
sen
高于参考电压时，表示此时充电电流大于设定值，d触发器dn[0]置为1，计数器输出q[0:8]减少，此时会减少pmos功率管的打开的个数，使充电电流减少。当采样电压v
sen
低于参考电压时同理。
[0031]
在恒压环路中，数字整流器主电路1的输出信号v
fb
是电池电压通过电阻r1与电阻r2分压产生的。比较器3通过比较v
fb
和参考电压输出信号v
cv
，与恒流环路类似，当v
fb
高于参考电压时，计数器输出信号q[0:8]减小，开关个数减少，从而充电电流减小，达到恒压的目的。