一种用于无线充电系统的过压保护装置及其控制方法与流程

1.本发明属于无线充电技术领域，具体的说是涉及一种用于无线充电系统的过压保护装置及其控制方法。


背景技术：

2.目前市面上量产的无线充电设备大都采用电磁感应原理，整个无线充电系统包括发射端逆变电路，发射线圈，发射端解调调制电路，发射端控制器，接收端线圈，接收端整流电路，接收端调制解调电路，接收端控制器等构成，系统框图如图1。功率路径，发射端通过逆变电路将直流转换为交流能量，通过发射线圈产生时变的磁场，时变的磁场在接收线圈上感应出交变电动势，通过整流后将能量传递给后级；通信路径，接收端通过负载调制的方式以2khz的频率与发射端进行信息传递，反馈接收端端工作状态，功率路径与通信路径之间存在毫秒级别以上的时延。系统工作时，接收端处于被动接收能量的角色，当接收端与发射端的耦合程度突变或负载突变时，接收端消耗的量会小于收到的能量，导致接收端过压。由于通信路径较大的时延，过压状态无法快速反馈给发射端，接收端也无法主动断开能量传输，只能靠过压保护电路泄放多余的能量，如泄放能力不够或泄放不及时，可能导致接收端损坏。
3.目前无线充电过压保护基本是通过在接收端增加泄放通路的方法实现。如图2所示，方法1通过泄放电阻的方式实现，当vrect电压超过ovp阈值时，过压比较器输出高，驱动nmos q9打开，电阻r1介入为vrect提供放电路径；方法2通过电流源负载的方式实现，当vrect电压超过ovp阈值时，过压比较器输出高，驱动nmos q10打开，电流源负载介入，为vrect提供放电路径。方法2的泄放电流大小可控，可根据过压情况设置不同的泄放能量，比方法1更加灵活。目前接收端的过压保护基本通过以上两种方式或组合实现。
4.但是通用的过压保护方法存在比较明显的缺陷：接收端过压后，过压信息需要通过调制信号传递给发射端，此过程需要几十到几百好毫秒，响应速度慢；发射端主动调节发射能量前，接收端会长时间处于过压状态，过压泄放保护电路需要长时间介入发热严重，甚至会过热损坏。如图3，当vrect出现过压时，泄放电阻和假负载介入泄放能量，同时接收端会通过ask调制的方式将过压信息传递给发射端，发射端收到信息后断开能量传输；由于ask信息传输的时间在20ms～200ms之间，因此出现严重过压时，系统无法快速的从源头断开能量的传递；泄放电阻或假负载在泄放ovp电压时的功耗会到达2w～4w，受接收端体积限制，泄放通路的面积会比较小，因此长时间的介入也可能会导致泄放通道的损坏。


技术实现要素：

5.本发明针对上述问题，提出一种用于无线充电系统的过压保护装置及其控制方法，可以在无线充电接收端出现过压时切断整流桥到vrect的能量传输，避免vrect过压进一步升高；同时可以将接收端的过压状态通过电流的形式快速的反馈给发射端，发射端可以在几十微秒感应到电流变化的异常，从源头上切断能量传输，避免造成损失。
6.本发明的技术方案是：
7.一种用于无线充电系统的过压保护装置，如图4所示，所述无线充电系统包括依次连接的发射端逆变电路、发射线圈、接收线圈、接收端整流电路；所述发射端逆变电路包括构成逆变桥的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，其中第一开关管和第三开关管为逆变桥的上管，第二开关管和第四开关管为逆变桥的下管；所述接收端整流电路包括构成整流桥的第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管，其中第五开关管和第七开关管为整流桥的上管，第六开关管和第八开关管为整流桥的下管；还包括发射端保护模块和接收端保护模块；
8.所述接收端保护模块用于对接收端整流电路的输出电压vrect进行过压检测，当检测到过压信号时，通过短路整流桥双下管的方式切断vrect的能量传输，同时将过压信息转换为电流形式反馈到发射端保护模块；
9.所述发射端保护模块用于接收接收端的过压信息，通过检测逆变全桥电流信号，并在峰值电流超过预设极限值后主动关断全桥，断开能量传输。
10.上述方案为本发明总的技术方案，与传统方案的区别在于可通过接收端过压保护模块直接控制整流桥的工作方式切断能量到vrect的传输，同时将过压信号转换为电流信号反射到发射端，发射端感应到电流的突变后，从源头上关断能量输出；上述方案与传统方案相比具有更快的响应速度。
11.进一步的，所述接收端保护模块包括过压检测单元、保护动作指令控制单元；
12.所述过压检测单元通过对vrect和vop进行对比，当vrect超过vop时，过压检测单元输出高电平，其中vop定义为预设的阈值电压；
13.所述保护动作指令控制单元接收过压检测单元输出的信号，在过压检测单元输出高电平时，保护动作指令控制单元产生整流桥控制指令用于对整流桥进行控制，具体为保护动作指令控制单元连接到整流桥的下管即第六开关管和第八开关管，第六开关管和第八开关管根据接收到的整流桥控制指令进行导通；
14.进一步的，所述过压检测单元为过压比较器，其两个输入端分别为vrect和vop。
15.上述方案是指出过压检测单元的一种常用实现方式。
16.进一步的，所述过压保护装置还包括整流控制模块，所述整流控制模块控制接收端整流桥的同步整流逻辑，同时其还接受接收端过压保护模块的指令，当过压发生时，退出同步整流模式，按照预设逻辑开启第六开关管和第八开关管。
17.进一步的，所述发射端保护模块包括电流检测单元、保护逻辑单元；
18.进一步的，所述过压保护装置还包括全桥控制模块，所述全桥控制模块用于控制由第一开关管，第二开关管，第三开关管和第四开关管构成的全桥逆变电路，同时其也受发射端保护逻辑单元的控制。
19.一种用于无线充电系统的过压保护装置的控制方法，定义第五开关管及其下管第六开关管与接收线圈的连接点电流信号为ac2，第七开关管及其下管第八开关管与接收线圈的连接点电流信号为ac1，控制方法具体为：
20.过压比较器输出高电平后，接收端保护模块判断ac1和ac2的电平，如果ac1为低，则先开启第八开关管，并维持开启状态，到下半个周期ac2为低时，开启第六开关管，并维持开启状态；如果ac2为低，则先开启第六开关管，并维持开启状态，到下半个周期ac1为低时，
开启第八开关管，并维持开启状态；
21.发射端保护模块采样逆变桥第一开关管和第三开关管的电流，分别定义为iq1和iq3；定义ilim1为发射端触发上管过流保护的一级门限电流，ilim2为发射端触发上管过流保护的二级门限电流。如果ilim1≤iq1≤ilim2，关断第一开关管并开启第二开关管，并且在连续四个周期均为ilim1≤iq1≤ilim2时，关闭发射端逆变电路；如果ilim1≤iq3≤ilim2，关断第三开关管并开启第四开关管，并且在连续四个周期均为ilim1≤iq3≤ilim2时，关闭发射端逆变电路；如果iq1》ilim2或者iq3》ilim2，关闭发射端逆变电路。
22.本发明的有益效果是：本发明可加快接收端过压的保护响应速度，提高无线充电系统的可靠性；在接收端处于极限耐压场景时，可快速关断能量传输，避免接收端的过压损坏，响应速度由几十ms级提高到几十us级。
附图说明
23.图1为无线充电系统框图。
24.图2为传统的过压保护示意图。
25.图3为传统的过压保护流程示意图。
26.图4为本发明的过压保护示意图。
27.图5为本发明的过压保护流程示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
29.在发明内容部分对本发明的装置结构进行了详细说明，本发明的过压保护流程如图5所示，与图3所示的传统过压保护流程对比，本发明在检测到过压后，通过保护模块对整流桥进行控制从而进行过压保护，具体的是：
30.接收端保护模块包括过压检测及过压保护动作控制子模块，发射端保护模块包括电流检测及保护逻辑控制子模块；当接收端输出整流输出电压vrect发生过压时，过压检测模块检测到过压状态传递给接收端保护动作控制模块，保护动作控制模块控制整流器退出同步整流模式；接着检测ac1与ac2的电平，如果ac1为低，则开启ac1边的下管q8，等到ac2为低时，开启ac2的下管q6，此时整流器的下管q6与q8同时处于开启的状态，ac1与ac2电平均为低，给vrect提供能量的路径被切断，vrect电压开始下降；由ac1与ac2下管均处于开启状态，类似与接收端输出的短路状态，接收端线圈电流急速上升，发射端线圈电流与全桥管子电流同时急速上升；发射端电流检测模块检测上管q1与q3的电流，以q1的电流检测与保护动作为例，q3的检测与保护逻辑同q1；当q1电流ilim1≤iq1≤ilim2时，关断q1并开启q2，并且在连续四个周期均为ilim1≤iq1≤ilim2时，关闭发射端逆变电路；当iq1》ilim2时，迅速关闭发射端逆变电路；能量传输关闭，过压保护状态结束。