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CN103715781A - 一种新型无线充电传输装置 - Google Patents

一种新型无线充电传输装置 Download PDF

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Abstract

一种新型无线充电传输装置，提供无线充电发射功能，能够大幅度降低无线充电区域与附近区域的发热量，以及使无线充电器尺寸小型化、极其薄。该装置包括无线充电发射电路模块(1.0)、高频交流输电线(1.1)和发射线圈模块(1.2)三部分，其特点为无线充电发射电路模块(1.0)安装在能量转换部分外壳(1.4)内，发射线圈模块(1.2)安装在能量发射部分外壳(1.5)内，以及无线充电发射电路模块(1.0)与发射线圈模块(1.2)通过高频交流输电线(1.1)进行电连接，实现无线充电发射电路模块(1.0)的能量极高效率地传输给发射线圈模块(1.2)。

Description

一种新型无线充电传输装置
技术领域
本发明涉及一种无线充电发射装置，尤其涉及无线充电传输设备中用于较远距离传导高频交流电能量的高频交流输电线，以及无线充电装置中各个模块的空间位置的分配关系。
背景技术
无线充电器的技术实现，一般采用直流转换为高频交流，让高频交流电驱动发射线圈传递交变电磁能给接收线圈，然后再将感应到的交流电转换为直流给接收设备供电，如申请号为CN200510030239和CN201110020352的专利文献所展示。
在无线充电发射器产品的具体实现上，一般分为直流电源模块、直流电源输电线、无线充电发射电路模块、发射线圈模块四个部分，其中所述直流电源模块一般为适配器、大容量电池，所述直流电源输电线为只适合传导功率直流电与低频信号交流电的常规电线，比如USB线。而所述无线充电发射电路模块与所述发射线圈模块两个部分一般会安装在同一个外壳内，或者极少情况下是安装在分成两个或多个部分的但是紧密机械连接在一起的一组外壳内，这样便于生产与安装，符合现有无线充电发射器的架构设计需求，具有实际操作性。如CN201220552440所揭示的就是现有绝大多数无线充电发射器产品的实现方式。还有某些无线充电发射器产品将直流电源模块与无线充电发射电路模块、发射线圈模块组装在一个外壳内，没有采用直流电源输电线，如CN201220725129所揭示。
由于所述无线充电发射电路模块在直流转交流过程中，效率往往低于90％，因此会造成一定的功率损失以及不少的热量，一般不小于1W，相当于2个小灯泡的热量。这在实际使用无线充电的过程中，外壳会向无线充电接收设备传递大量的热量，造成接收设备温度比用导线直接充电时候的温度高很多，影响产品的寿命以及降低产品的可靠性，同时导致许多潜在的用户不敢使用无线充电器，担心会造成危险比如接收设备过热爆炸。
为了解决上述问题，现阶段的无线充电发射器产品在设计时，必须考虑所述热量的传递、散发，以尽量传递到接收设备的热量，首先增加了外壳设计的费用以及制作过程中的物料成本。因此根据热力学的原理，现有无线充电发射器产品无法同时实现小尺寸、超薄厚度和极低的发热温度。因此现有的无线充电发射器的厚度不能低于5mm，外壳内部容积不小于32000mm3(比烟盒大)，而同时在进行无线充电时候接收设备的温升高于25℃(最高可以有40摄氏度以上)，也导致许多无线充电发射器产品采用“增加散热孔、大面积使用散热硅胶、在外壳表面设计凹凸增加空气散热”等技术，不仅效果不理想、增加成本，而且影响了产品美观，以及最为关键的是非常占用空间，影响用户的日常使用。
比如无线充电器放在饭桌上、茶几上、书桌上进行使用，是此类产品推出者最希望用户做的，这样能够让用户随时随地进行充电，同时增加自己的收益，促进社会生活进步。但是实际中，由于现有无线充电器产品厚度、尺寸的原因，而且无线充电发射器产品必须放置在用户手臂活动范围内，因此用户在日常生活中很容易不小心“推动、压到、打翻”无线充电器，不仅阻碍用户而且容易损坏；同时无线充电器还会影响其他日常生活，比如“占据太多位置，导致没有进行无线充电时候没有地方放茶杯，或者挡着橡皮擦”这类事情。因此解决无线充电器的尺寸和厚度，才能让无线充电器融入生活的方方面面。但是要做到这一点，采用当前的技术是根本做不到的。
比如让家具厂在各种桌子上加入无线充电发射器产品，如果采用现有的无线充电发射器技术实现，必须在桌面上挖很大的洞，将无线充电器埋进去，如CN201320440252所揭示，同时采用比较贵的技术进行安装和装饰，使得一个加入无线充电发射器功能的桌子成本是普通桌子的好几倍，根本不具有市场推广价值，更何况还有好多领域根本无法挖洞。而且暂时还没有看到更合适的方案能够让无线充电器的厚度或尺寸能够被忽略。因此，采用现有技术的无线充电器不具有大范围的推广性，因此也就不具有社会进步的意义。
实际和潜在的销售量决定了生产成本与售价，当前情况根本无法大规模推广无线充电器产品，只能在极小范围内被爱好者接受，这也是现有无线充电器产品比传统有线充电器零售价高出十倍甚至数十倍，无法快速广泛推广的核心原因。
发明内容
由于无线充电发射电路模块必然会产生大量的热量，因为只有让其不接触接收设备，甚至远离接收设备，才能让用户感觉不到发热的问题，才能将无线充电发射部分的尺寸减小、厚度降低。
本发明通过加入一段很长的高频交流输电线，连接上述无线充电发射电路模块与上述发射线圈模块，将无线充电发射电路模块与发射线圈模块在空间上远距离分离，实现无线充电发射电路模块与发射线圈模块可以安装在两个外壳内，而且无线充电发射电路模块可以放置在远离用户日常接触的地方，这样无线充电发射电路模块产生的热量就不会传递给接收设备了，这样接收设备的热量就会与直接用线充电时候一样。这好比笔记本的充电系统将发热量严重的适配器独立在笔记本之外很远的地方，就不会加热笔记本，是一个道理。这样一来就不会让用户感受到无线充电时候必然产生的热量，心理上能够接受无线充电的产品，而且解决了热量问题，可以在产品的结构与外壳设计上大幅度简化，轻松实现非常薄的厚度、非常小的尺寸，这样一来就可以做出不会影响用户日常生活的无线充电器产品，真正为用户提供方便，促进社会发展，因此是真正具有实际推广意义的无线充电器，这样就会产生数亿规模的无线充电器销售量。
虽然所述高频交流输电线的生产成本与上述直流输电线相比，会有所增加，但是由于可以从设计、测试、模具、壳体、散热材料等多方面降低无线充电发射器的各项成本，因此最终能够保持无线充电器产品成本不变，甚至有所降低。而当销售量达到数亿的时候，无线充电器产品甚至能够与现有有线充电器的价格接近甚至一致。
在实际的产品中，新型的无线充电发射器的无线充电区域可以实现小于2mm的厚度，这比硬币还要薄，因此在日常生活中不容易被碰到，也不会让用户担心自己的手机等设备滑落导致划伤；同时还可以实现大约50mm的最小长宽，以及各种需要的表面，这样家具厂等生产厂家很容易将其通过粘贴的方式固定在的现有产品上，从而用极低的成本推出具有无线充电功能的新型产品。
并且所述无线充电发射电路模块还可以直接与上述直流电源模块直接焊接在一起，甚至在同一块电路板上制作出来，取消所述直流供电线，产品做成类似现有适配器的形式，更加适合推广和接受。
为了实现上述目标，首先需要对无线充电器产品进行热学分析，计算出无线充电器中各个模块产生的热量。经过计算机仿真，发现无线充电发射电路模块产生的热量大约占了70％到80％，并且电路板的发热区域集中在直流转交流的大功率区域，而现有无线充电器不能在无线充电器的外壳铺设大面积的金属或导电石墨进行散热，以及就算铺设了效果也不会非常明显，因此导致了现有无线充电器的热量直接传递给了接收设备。
因此，首先必须将发热源远离无线充电的区域，也就是远离无线充电的发射线圈模块。
接下来，需要根据无线充电发射电路模块转换出来的高频交流大功率能量，设计一种能够传递这种能量的导线。由于功率大，因此导线截面积必须大，否则自身电阻也会很大，限制了传递的功率；并且交流的频率非常高，因此必须考虑导体的趋附效应，因此导线的粗细要小于一定的数值。
两者综合后，得出的可实施导线有两类，一种是多股漆包线，且每根漆包线直径小于或等于工作频率的趋肤深度的一倍，另一种就是绝缘金属扁平窄带，且绝缘金属扁平窄带的厚度小于或等于工作频率的趋肤深度的一倍。
如此实现的导线，就能够传递高频交流大功率能量，作为高频交流输电线，将无线充电发射电路模块转换出来的高频交流大功率能量传递给发射线圈模块进行使用了。
附图说明
附图1是本发明模块分部与连接关系的说明附图。
附图2是本发明涉及的高频交流输电线的第一种实施例示意图。
附图3是本发明涉及的高频交流输电线的第二种实施例示意图。
附图4是本发明涉及的高频交流输电线的第三种实施例示意图。
附图5是本发明涉及的高频交流输电线的第四种实施例示意图。
附图6是本发明涉及的高频交流输电线的第五种实施例示意图。
附图7是本发明涉及的高频交流输电线的第六种实施例示意图。
附图8是本发明涉及的高频交流输电线的一种解决EMI/EMC问题的实施例示意图。
附图9是本发明涉及的高频交流输电线的第六种实施例示意图。
附图10是本发明涉及的无线充电发射电路模块的一种具有直接通过市电供电功能的内部模块组成与连接关系的说明附图。
具体实施方式
如附图1所示，本发明的实现方式为将高频交流输电线(1.1)焊接在无线充电发射电路模块(1.0)的无线能量输出端上，然后再将高频交流输电线(1.1)的另一端焊接在发射线圈模块(1.2)的引线端，实现无线充电发射电路模块(1.0)与发射线圈模块(1.2)的电连接，以及实现无线充电发射电路模块(1.0)输出的高频能量能够传递给发射线圈模块(1.2)实现无线能量的发射。并且将无线充电发射电路模块(1.0)安装在能量转换部分外壳(1.4)内，以及将发射线圈模块(1.2)安装在能量发射部分外壳(1.5)内，而能量转换部分外壳(1.4)与能量发射部分外壳(1.5)并非同一个外壳，从而实现无线充电发射电路模块(1.0)工作时候参数的热量原理用户日常接触的能量发射部分外壳(1.5)。
如附图2所示，揭示了本发明一种高频交流输电线(2.0)的实现方式，包括正向与反向两路多股漆包线(2.1和2.2)，所述两路多股漆包线(2.1和2.2)之间采用平行或者接近平行的并排结构。这种实现方式在实际生产中最为简单，但是存在电磁泄漏与抗干扰较差的问题。
如附图3所示，揭示了本发明一种高频交流输电线(3.0)的实现方式，包括正向与反向两路多股漆包线(3.1和3.2)，所述两路多股漆包线(3.1和3.2)之间为同轴关系，其中一路多股漆包线(3.1)将另一路多股漆包线(3.2)包围起来，两者间可以填充绝缘层，防止使用中两路多股漆包线的接触区域磨损造成掉漆短路。这种实现方式在实际生产中十分复杂，对生产加工工艺要求很高，虽然理论上不会有电磁泄漏问题，抗干扰能力也很强，但是如果加工不合格依然容易造成电磁泄漏与抗干扰较差的问题，而且这种实现方式散热性比较差，对铜材、绝缘散热设计都有很高要求。
如附图4所示，揭示了本发明一种高频交流输电线(4.0)的实现方式，包括正向与反向两路绝缘金属扁平窄带(4.1和4.2)，所述两路绝缘金属扁平窄带(4.1和4.2)之间可以采用宽面正对平行或接近平行的并行结构(如附图4所示)，也可以采用宽面在同一水平面或者接近水平面的并行结构。这种实现方式在实际生产中，可以采用软薄膜电路板(FPC或FFC)、具有绝缘设计的双层金属箔切割而制作，加工难度最小，可以根据功率需要采用不同宽度的规格，而且几乎不需要做二次加工就可以使用，以及几乎不需要覆盖普通电线常用的外层绝缘皮，因此厚度也可以做得非常薄。不过依然存在电磁泄漏与抗干扰较差的问题。
如附图5所示，揭示了本发明一种高频交流输电线(5.0)实现方式，包括正向与反向两路多股漆包线(5.1和5.2)，所述两路多股漆包线(5.1和5.2)之间采用双绞结构。这种实现方式能够如同轴设计解决电磁泄漏与抗干扰较差的问题，而且加工复杂度较低，并且散热问题也有所改善。但是最终实现的厚度是平行方式的一倍，导线材料也比其他方式多出不少。
如附图6所示，揭示了本发明另一种高频交流输电线(6.0)的实现方式，包括正向多路多股漆包线(6.1和6.2)，所述两路多股漆包线(6.1和6.2)之间混杂在一起。这种实现方式能够很好解决电磁泄漏与抗干扰较差的问题，不过加工复杂度非常高，以及也存在散热问题，并且在实际生产中很难高效分离出每一路的线头进行焊接。
如附图7所示，揭示了本发明另一种高频交流输电线(7.0)的实现方式，包括正向多路多股漆包线(7.1和7.2)，和相同路数的反向多股漆包线(7.3和7.4)，每一路正向多股漆包线都单独与一路反向多股漆包线相对应形成一组关系(7.1与7.3、7.2与7.4)，每组之间具有平行、同轴或双绞关系，这样能够有效解决高频交流输电线的厚度、热量、功率的问题，比如如果确定了传输的功率，那么可以将原本的两路多股漆包线分为四路或更多，让每一路多股漆包线直径减小，散热面积增大。或者如果采用绝缘金属扁平窄带作为传输材料，那么可以采用多层宽面正对平行并且正向与反向间隔关系的软薄膜电路板(FPC或者FFC)或具有绝缘设计的多层金属箔切割制作，在保证厚度允许的情况下，有效减小电磁泄漏和抗干扰性差的问题。
如附图8所示，揭示了本发明一种高频交流输电线(8.0)的屏蔽方式，采用在高频交流输电线外层加上金属导电层(8.1)，再将金属导电层与所述无线充电发射电路模块或无线充电线圈模块的屏蔽网络实现电连接。所述金属导电层也可以在每一组或每一路多路漆包线或绝缘金属扁平窄带外包覆，进一步减少组之间或路之间的相互干扰。比如采用绝缘金属扁平窄带，可以采用多层软薄膜电路板(FPC或者FFC)最外层以及中间某些层作为屏蔽层，这样生产加工复杂度较低。
如附图9所示，揭示了本发明一种高频交流输电线(9.0)实现其他电信号传递的方式，采用在多股漆包线(9.1)旁边加入用于传递电信号的导线(9.2和9.3)，实现其他电信号的传递。这种实现方式可以让无线充电传输装置具有更多的应用功能，比如在发射线圈模块内加入指示灯、温度传感器等功能。
如附图10所示，揭示了本发明一种无线充电发射电路模块(10.0)的实现方式，所述无线充电发射电路模块(10.0)内包括市电转换子模块(10.1)和无线充电高频交流能量产生子模块(10.2)两部分，市电转换子模块(10.1)向无线充电高频交流能量产生子模块(10.2)进行供电，其中市电转换子模块(10.1)具有将市电转换为无线充电高频交流能量产生子模块(10.2)所需的特定的电能的功能。这种实现方式能够解决市面上多数民用适配器功率不足，会导致无线充电工作不稳定的问题，以及降低现在无线充电器产品必须配备一个适配器供电的不方便问题，还可以降低整体的成本。

Claims (10)

1.一种新型无线充电传输装置，包括无线充电发射电路模块、高频交流输电线和发射线圈模块三部分，其特征在于
所述无线充电发射电路模块安装在能量转换部分外壳内，所述发射线圈模块安装在能量发射部分外壳内，所述能量转换部分外壳与能量发射部分外壳为两个独立的不相连接的外壳；
所述无线充电发射电路模块与发射线圈模块通过所述高频交流输电线进行电连接，从而实现无线充电发射电路模块将高频交流能量传递给发射线圈模块进行发射，实现无线能量的传输；
所述无线充电发射电路模块能够将外界输入的能量转换为用于无线充电的高频交流能量，并且具有两个或以上的无线能量输出端，用于输出高频交流能量；
所述高频交流输电线能够传递用于无线充电的高频交流电能量，其长度是所述无线充电发射电路模块的长度的2倍或以上，并且采用适合高频交流能量的材料以及组成结构；
所述发射线圈模块具有一个或多个发射线圈子模块，因此有两个或以上的线圈接线端，用于输入高频交流电能量，并且向外发射以实现无线能量输出。
2.如权利要求1所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线内部具有一路或多路正向与相同路数反向的多股漆包线；
所述一路或多路正向多股漆包线的每一路旁边，紧挨着一路反向的多股漆包线，这两路紧挨在一起的多股漆包线为一组，每组内的两路多股漆包线为平行或者类似平行的并行结构关系：
所述漆包线中的某一路正向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的某一端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线为同组关系的反向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的对应的另一端焊接在一起；
所述这一路正向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的某个线圈的其中一个引线端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线为同组关系的反向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的这一个线圈的另一个引线端焊接在一起。
3.如权利要求1所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线具有一路或多路正向与相同路数反向的多股漆包线；
所述一路或多路正向多股漆包线的每一路的外围，被一路反向多股漆包线包围，这两路多股漆包线具有同轴或者类似同轴的结构关系，属于同一组；
所述漆包线中的某一路正向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的某一端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线为同组关系的反向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的对应的另一端焊接在一起；
所述这一路正向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的某个线圈的其中一个引线端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线为同组关系的反向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的这一个线圈的另一个引线端焊接在一起。
4.如权利要求1所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线内部具有一路或多路正向与相同路数反向的多股漆包线：
所述一路或多路正向多股漆包线的每一路旁边，紧挨着一路反向的多股漆包线，这两路紧挨在一起的多股漆包线为一组，每组内的两路多股漆包线为双绞结构关系；
所述漆包线中的某一路正向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的某一端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线双绞的反向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的对应的另一端焊接在一起；
所述这一路正向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的某个线圈的其中一个引线端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线双绞的反向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的这一个线圈的另一个引线端焊接在一起。
5.如权利要求1所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线内部具有一路或多路正向与相同路数反向的多股漆包线；
所述一路或多路正向多股漆包线的每一路中，混杂着一路反向的多股漆包线，这两路混杂在一起的多股漆包线为一组，每组内的两路多股漆包线内的漆包线在空间中混杂在一起，为并行结构关系；
所述漆包线中的某一路正向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的某一端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线双绞的反向多股漆包线的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的对应的另一端焊接在一起；
所述这一路正向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的某个线圈的其中一个引线端焊接在一起，与这一路正向多股漆包线双绞的反向多股漆包线的另一端都与上述发射线圈模块的这一个线圈的另一个引线端焊接在一起。
6.如权利要求1所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线具有一路或多路正向与相同路数反向的绝缘金属扁平窄带；
所述一路或多路正向绝缘金属扁平窄带旁边，紧挨着一路反向的绝缘金属扁平窄带，这两路紧挨在一起的绝缘金属扁平窄带为一组，每组内的绝缘金属扁平窄带为平行结构关系，可以是宽面正对的平行结构关系，也可以是宽面水平的平行结构关系；
所述绝缘金属扁平窄带中的某一路正向绝缘金属扁平窄带的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的某一端焊接在一起，与这一路正向绝缘金属扁平窄带为同组关系的反向绝缘金属扁平窄带的一端与上述无线充电发射电路模块的无线能量输出端的对应的另一端焊接在一起；
所述这一路正向绝缘金属扁平窄带的另一端都与上述发射线圈模块的某个线圈的其中一个引线端焊接在一起，与这一路正向绝缘金属扁平窄带为同组关系的反向绝缘金属扁平窄带的另一端都与上述发射线圈模块的这一个线圈的另一个引线端焊接在一起。
7.如权利要求1到6所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线外层具有金属屏蔽层：
所述无线充电发射电路模块还具有屏蔽网络与屏蔽焊接点；
所述金属屏蔽层与屏蔽焊接点通过焊接，实现电连接，以降低高频交流输电线对外发射电磁干扰，和降低外界对高频交流输电线的电磁干扰。
8.如权利要求1到6所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线外层具有金属屏蔽层；
所述发射线圈模块还具有屏蔽网络与屏蔽焊接点；
所述金属屏蔽层与屏蔽焊接点通过焊接，实现电连接，以降低高频交流输电线对外发射电磁干扰，和降低外界对高频交流输电线的电磁干扰。
9.如权利要求1到6所述的无线充电发射装置，所述高频交流输电线内部具有一路或以上信号传递导线，用于传递非无线充电能量的其他电信号；
所述无线充电发射电路模块还具有其他信号输入输出的焊接点，用于输入输出非无线充电能量的其他电信号；
所述发射线圈模块还具有其他信号输入输出的焊接点，用于输入输出非无线充电能量的其他电信号；
将所述信号传递导线中某一路的一端焊接在所述无线充电发射电路模块的其他信号输入输出的对应焊接点上，同时将这一路信号传递导线的另一端焊接在发射线圈模块对应的其他信号输入输出焊接点上，实现无线充电发射电路模块与发射线圈模块的其他电信号的电连接。
10.如权利要求1～9所述的无线充电发射装置，所述无线充电发射电路模块内部包括市电转换子模块和无线充电高频交流能量产生子模块，市电转换子模块向无线充电高频交流能量产生子模块进行供电，其中市电转换子模块具有将市电转换为无线充电高频交流能量产生子模块所需的特定的电能的功能。
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