一种无线充电器自适应功率输出功率控制算法

摘要

本发明涉及一种无线充电器的自适应功率控制算法。QI标准的无线充电器输出是一个电压源，输出的功率取决于输出的负载，当输出电流比较大的时候，由于电源内阻的原因，输入电压会变低，当电压低到微处理器的最低电压会引起微处理器的复位，从而引起中断功率传输。本发明的核心内容是一种可以通过在动态和静态两种情况下，限制瞬时功率防止微处理器复位，并且控制输出功率达到最大的控制算法。

说明书

技术领域

本发明用于QI标准的无线充电器，在输入直流电源提供的功率小于输出所需要的功率时，自动调整输出功率以适应输入功率的需求，防止芯片复位。 

背景技术

现有常用无线充电技术中， QI标准逐渐成为了主流的无线充电标准。QI标准的无线充电器的原理如图一，图二所示，输入直流5V，经过全桥或半桥逆变电路，谐振LC电路把功率传送给接受端，接受端通过负载调制通信电路传输接收端的数据，比如接收的功率，输出电压的误差量等物理量。发射端通过负载解调通信电路接收数据，发射端微处理器接收到输出电压的误差量后通过控制算法调节频率或者占空比把输出电压的误差量调节到0附近。 

如图三，无线充电器的接收端主电路是由双谐振系统，整流桥，线性稳压源构成，接收端芯片检测整流后的直流电压，把这个电压和给定的电压的误差，通过负载调制通信电路发送给无线充电器的发射端，发射端通过控制算法改变频率或者占空比来稳定接收端的整流后的直流电压，以维持输出电压的稳定。 

QI标准具体的控制算法如图四，无线充电器通过图四的控制算法来控制下一拍的发射端电流，发射端电流的指令通过一个PID算法来产生所需要的频率或者占空比，其中j=1,2,3…标记为发射端接收到的控制误差数据帧的顺序。接收到了第j个控制误差数据帧后，发射端通过以下公式计算下一个数据帧新的电流指令： 

其中：代表上一数据帧最后稳定的实际电流，代表接收端发过来的控制误差数据。如果是非零的数，发射端应该在内调节发射端电流。为了实现这个目标，发射端控制器会执行一个数字环控制，该环路控制的迭代阶数用i=1，2，3…来表示。发射端用下面的式子来计算数字控制环的误差：

其中为当前数据帧的上一拍迭代实际电流

控制算法采用离散PI控制算法：

比例控制：

积分控制：

微分控制：

其中是每个阶次迭代的间隔时间

为比例控制系数

为积分控制系数

为微分控制系数

得到PID控制器输出后，通过下式得到所要的频率输出或者占空比输出：

    根据这个算法，如果负载达到5欧姆，由于输出是一个电压源5V，那么输出电流会达到1A，如果输入适配器电源的功率只有5W，显然无线充电器为了维持输出5V的电压将会不断的降低工作频率，随着输出电流的增大，输入电压逐渐被拉低到4V甚至以下，无线充电器将会中断充电。也就是说，如果无线充电器从计算机的USB口供电，将会出现中断无线传输。为了解决这个问题，本发明提出了一种改进的控制算法，该算法的作用主要是在动态的时候，快速降低输出电流，提升输入电压，维持主控芯片的正常工作，在稳态的时候输出最大的功率。

发明内容

无线充电器通过图四的控制算法来控制下一拍的发射端电流，发射端电流的指令通过一个PID算法来产生所需要的频率或者占空比，其中j=1,2,3…标记为发射端接收到的控制误差数据帧的顺序。接收到了第j个控制误差数据帧后，发射端通过以下公式计算下一个数据帧新的电流指令： 

其中：代表上一数据帧最后稳定的实际电流，代表接收端发过来的控制误差数据。如果是非零的数，发射端应该在内调节发射端电流。为了实现这个目标，发射端控制器会执行一个数字环控制，该环路控制的迭代阶数用i=1，2，3…来表示。发射端用下面的式子来计算数字控制环的误差：

其中为当前数据帧的上一拍迭代实际电流

控制算法采用离散PI控制算法：

比例控制：

积分控制：

微分控制：

其中是每个阶次迭代的间隔时间

为比例控制系数

为积分控制系数

为微分控制系数

得到PID控制器输出后，通过下式得到所要的频率输出或者占空比输出：

由于控制误差数据帧的发送间隔是250ms，所以该控制器的响应速度低于250ms,当负载动态加入时，输入电压会瞬间拉低，当该电压低于主控芯片的最低复位电压时，会引起功率传输的中断。另外在稳态时如果输出所需要的功率大于输入所能提供的功率，也会造成输入电压低于主控芯片的最低复位电压，引起功率传输的中断。

本发明在原有的控制器上加入了一个变结构控制的电压环，如图四所示。在动态的时候，切入比例控制环，如果输入电压发生跌落，比例控制反应迅速，快速降低输出电流维持输入电压不再跌落。为了在稳态的时候维持输出功率的稳定，并保持最大输出功率，切入PI控制环，该环带宽比较缓慢，以维持稳定的功率输出。 

附图说明

图一  无线充电系统框图。 

图二  无线充电器接收端电路示意图。 

图三  QI标准控制算法。 

图四  加入变结构电压环的控制算法 

具体实施方式

现结合附图和实例对本发明作进一步的详细描述。 

无线充电器通过图四的控制算法来控制下一拍的发射端电流，发射端电流的指令通过一个PID算法来产生所需要的频率或者占空比，其中j=1,2,3…标记为发射端接收到的控制误差数据帧的顺序。接收到了第j个控制误差数据帧后，发射端通过以下公式计算下一个数据帧新的电流指令： 

其中：代表上一数据帧最后稳定的实际电流，代表接收端发过来的控制误差数据。如果是非零的数，发射端应该在内调节发射端电流。为了实现这个目标，发射端控制器会执行一个数字环控制，该环路控制的迭代阶数用i=1，2，3…来表示。发射端用下面的式子来计算数字控制环的误差：

其中为当前数据帧的上一拍迭代实际电流

控制算法采用离散PI控制算法：

比例控制：

积分控制：

微分控制：

其中是每个阶次迭代的间隔时间

为比例控制系数

为积分控制系数

为微分控制系数

得到PID控制器输出后，通过下式得到所要的频率输出或者占空比输出：

由于控制误差数据帧的发送间隔是250ms，所以该控制器的响应速度低于250ms,当负载动态加入时，输入电压会瞬间拉低，当该电压低于主控芯片的最低复位电压时，会引起功率传输的中断。另外在稳态时如果输出所需要的功率大于输入所能提供的功率，也会造成输入电压低于主控芯片的最低复位电压，引起功率传输的中断。

本发明在原有的控制器上加入了一个变结构控制的电压环，如图四所示。在动态的时候，切入比例控制环，如果输入电压发生跌落，比例控制反应迅速，快速降低输出电流维持输入电压不再跌落。为了在稳态的时候维持输出功率的稳定，并保持最大输出功率，切入PI控制环，该环带宽比较缓慢，以维持稳定的功率输出。 

当接收端刚放上去的瞬间，负载并未加上去，输入电压未掉，因此该电压环不起作用。当负载瞬间加载，输入电压迅速下降并超过某预订的值，比例控制电压环开始起作用，降低频率，降低输出电流，输入电压开始上升，同时电压环改为低带宽的PI控制器，维持输出稳定，提高系统稳定性。