CN106160254B - 用于无线充电系统的电力接收器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于无线充电系统的电力接收器。一种用于包括电力发射器的无线电力传输系统的电力接收器，其具有将从所述电力发射器接收的电力转换为输入信号的输入电路。调节器基于电流参考信号和电压参考信号调节所述输入信号以生成经调节的输出信号，以及负载接收所述经调节的输出信号。所述调节器控制所述电流参考信号和所述电压参考信号中至少一个，以控制所述调节器内的功率损耗。在一个实施例中，所述调节器全局地控制经整流的输入信号的电压，并本地地控制所述电流参考信号以限制所述调节器内的功率损耗并满足系统负载需求。

Description

用于无线充电系统的电力接收器

技术领域

本发明涉及电子设备，更具体地涉及一种用于无线电力传输系统的电力接收器。

背景技术

无线电力传输系统(例如蜂窝电话或其他电池供电的电子设备的无线充电系统)包括电力发射器和电力接收器，电力接收器(i)拾取由电力发射器无线地发射的电力并(ii)将所拾取的电力应用至负载，例如蜂窝电话电池，以例如完成无线充电。在通常的无线电力传输系统中，由电力接收器拾取的电量可以是非常动态的。由此，用于无线电力传输系统的常规电力接收器设计为具有调节器电路以满足系统负载需求。令人遗憾的是这样的调节器电路可能是不可忽略的功率损耗的源头，其对从电力发射器到负载的电力传输的整体效率有不利地影响。因此，更有效的电力接收器将是有益的。

附图说明

从以下具体实施方式、所附的权利要求以及附图，本发明的实施例将变得更充分地明显，在附图中相同的附图标记标识类似或相同的要素。

图1是根据本发明一个实施例的无线电力传输系统的简化示意性框图；

图2是连接到负载的图1的电力接收器的调节器的简化示意性框图；以及

图3是示出由图2的控制器实现的用于控制电流参考电平和期望的整流电压电平的算法的流程图。

具体实施例

在此公开了本发明的详细的说明性实施例。然而在此描述的特定的结构的和功能的细节仅代表描述本发明的示例性实施例的目的。本发明可以以许多替换形式实现，并不应当解释为仅限制到在此阐述的实施例。另外，在此使用的术语仅是用于描述特定实施例的目的，而不打算对本发明的示例性实施例进行限制。

如在此使用的，除非上下文清楚地指出，否则单数形式“一”意指还包括复数形式。还应当理解术语“包括”和/或“包含”指定存在列出的特征、步骤或部件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、步骤或部件。还应当注意在一些替换实现方式中，提出的功能/动作可以不按图中提出的顺序来发生。例如，相继示出的两个图实际上可以基本上同时地被执行，或者有时可以以相反的顺序被执行，这依赖于所涉及的功能/动作。

在一个实施例中，本发明是一种用于无线电力传输系统的电力接收器。该电力接收器包括(i)输入电路，将从电力发射器无线地发射的无线电力转换为输入信号以及(ii)调节器，基于电流参考信号和电压参考信号，调节输入信号以生成经调节的输出信号。输出信号被施加到负载，以例如对便携设备(例如蜂窝电话)的电池进行充电。调节器控制电流参考信号和电压参考信号中的至少一个以控制调节器内的功率损耗。

在另一个实施例中，本发明提供一种用于电力接收器的方法，所述电力接收器接收从电力发射器无线地发射的电力。电力接收器全局地控制电力接收器内的输入信号的电压电平，以调节由电力接收器施加到负载的输出信号的电压电平。电力接收器还本地控制电流参考信号和电压参考信号中的至少一个，以控制电力接收器内的功率损耗。

现在参考图1，示出了根据本发明一个实施例的无线电力传输系统100的简化框图。系统100包括电力发射器110、电力接收器130和负载140。电力发射器110向电力接收器130无线地发射电力，所述电力接收器130接收电力并将电力提供给负载140。

在系统100中，使用电力发射器110中的主线圈(未明确示出)和电力接收器130中的相应的次级线圈(也未明确示出)来完成无线电力传输，其中主线圈和次级线圈磁性耦合，以有效地作为无核变压器起作用，在图1中表示为120，其从主线圈向次级线圈无线地发射电力115，以及还从次级线圈向主线圈无线地发射电力控制信号139。

在进行无线充电的系统100的实现方式中，负载140通常地是电池，该电池用于蜂窝电话或包括电力接收器130和电池的其他电子设备，其中由电力接收器130拾取的无线电力用于对电池充电和/或对电路(例如电话显示器)供电。在执行元线供电的系统100的实线方式中，电子设备是RFID标签、无线智能卡或其他不具有电池的电子设备，这样无线电力由电力接收器130拾取并直接用于对设备供电。

电力接收器130包括整流器132、调节器134和控制消息调制器138。

整流器132对由次级线圈拾取的电力信号115进行整流，并向调节器134提供经整流的输入信号133，调节器134对经整流的输入信号133进行调节以向负载140提供经调节的输出信号135。次级线圈和整流器132形成电力接收器130的输入电路，其将从电力发射器110发射的无线电力转换为经整流的输入信号133。

如以下进一步详细解释的，调节器134监控经整流的输入信号133的电压电平Vrect以及经调节的输出信号135的电压电平Vout和电流电平Iout，以降低调节器134内的功率损耗。

电力接收器130能够与电力发射器110通过它们共享的、有效的变压器120进行通信，变压器120使用无线电力控制信号139请求电力发射器110按需要升高或降低它的发射功率水平以满足系统负载需求。具体地，如果调节器134确定经整流的电压电平Vrect太低(即低于预定值)，则调节器134将提供合适的误差信号137，以使控制消息调制器138生成请求电力发射器110升高其发射功率水平的相应电力控制信号139。类似地，如果调节器134确定经整流的电压电平Vrect太高(例如超过另一个预定值)，则调节器134将提供合适的误差信号137，以使控制消息调制器138生成请求电力发射器110降低其发射功率水平的相应电力控制信号139。

电力发射器110包括(i)控制消息解调器112，其对从电力接收器130接收的电力控制信号139进行解码以及(ii)电力控制器114，其至少部分地基于相应的解码的电力控制信号113来适当地控制发射器的发射功率水平。

图2是图1的电力接收器130中连接到负载140的调节器134的简化示意性框图。如图2所示，调节器134从图1的整流器132接收具有经整流的电压电平Vrect的经整流的输入信号133，并将具有输出电压电平Vout和输出电流电平Iout的经调节的输出信号135提供给负载140。此外，调节器134向图1的控制消息调制器138提供误差信号137。

经整流的电压电平Vrect和输出电压电平Vout之间的差值导致流过n型功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)N1和电流感测电阻器202的输出电流电平Iout。

节点204和206处的电压被应用到差分放大器208的输入端，差分放大器208的输出信号210指示输出电流电平Iout。输出信号210的电压电平作为电流反馈信号Ifb起作用，指示输出电流电平Iout。电流反馈信号Ifb被应用到运算放大器(opamp)212的负极输入端，运算放大器212在其正极输入端接收电流参考信号Iref。来自opamp 212的输出信号214被应用到p型控制MOSFET P1的栅极(aka控制节点)，p型控制MOSFET P1的漏极(aka输出节点)连接到功率MOSFET N1的栅极。

类似地，分压器216生成信号218，信号218的电压电平作为电压反馈信号Vfb起作用，指示输出电压电平Vout。电压反馈信号Vfb被应用到opamp 220的负极输入端，opamp220在其正极输入端接收电压参考信号Vref。来自opamp 220的输出信号222被应用到p型控制MOSFET P2的栅极，p型控制MOSFETP2的漏极还连接到功率MOSFET N1的栅极。注意在某些实现方式中，由分压器216引出的电流非常低，使得施加到负载140的电流将基本上等于跨电阻器202测量的电流。

在操作中，当电压反馈信号Vfb大于电压参考信号Vref时，则来自opamp 220的输出信号222将降低，这将进一步打开控制MOSFET P2，这将降低控制MOSFET P2的漏极电压并因此降低功率MOSFET N1的栅极电压，这将进一步关闭功率MOSFET N1，从而降低输出电压Vout，这导致电压反馈信号Vfb也降低。

类似地，当电压反馈信号Vfb小于电压参考信号Vref时，则来自opamp 220的输出信号222将升高，这将进一步关闭控制MOSFET P2，这将升高控制MOSFET P2的漏极电压并因此升高功率MOSFET N1的栅极电压，这将进一步打开功率MOSFET N1，从而升高输出电压Vout，这导致电压反馈信号Vfb也升高。

以这样的方式，电压反馈信号Vfb将被驱动为(基本上)等于电压参考信号Vref，在这一点上，输出电压电平Vout被称为在调节中。

当输出电压电平Vout在调节中时，如果电流反馈信号Ifb大于电流参考信号Iref，则来自opamp 212的输出信号214将降低，这将进一步打开控制MOSFET P1，这将降低控制MOSFET P1的漏极电压并因此降低功率MOSFET N1的栅极电压，这将进一步关闭功率MOSFETN1，从而降低输出电流Iout和输出电压Vout，这导致电流反馈信号Ifb也降低。

当输出电压电平Vout在调节中时，如果电流反馈信号Ifb小于电流参考信号Iref，则来自opamp 212的输出信号214将关闭控制MOSFET P1。在该情况下，将由opamp 220和控制MOSFET P2的电压反馈环路单独地提供调节。

然而，当电流反馈信号Ifb在电压调节期间大于电流参考信号Iref时，例如当Vout突然短路，则来自opamp 212的输出信号214将打开控制MOSFET P1，这将进一步关闭功率MOSFET N1以降低Iout电平到Iref电平。在该情况下，电流调节将支配控制，因为opamp 20关闭了MOSFET P2。这被称作限流。

注意，在任何时候，或者电压反馈环路或者电流反馈环路运行以调节输出电压或输出电流。两个环路从不一起运行。

电压参考信号Vref和电流参考信号Iref的电平由控制器224控制。控制器224可使用任何适合的基于硬件或软件的处理器实现。控制器224接收电压反馈信号Vfb和电流反馈信号Ifb以及经整流的电压电平Vrect。在以下描述的一个可能实现方式中，控制器224基于从Vfb、Ifb和Vrect计算的MOSFET N1上的功率损耗来动态地控制电流参考信号Iref，而电压参考信号Vref被维持在一个固定电平处，该固定电平对应于指定用于特定负载140的期望的输出电压电平Vout。

除调节输出电压Vout和输出电流Iout以外，调节器134还控制调节器134内的功率损耗，特别是跨功率MOSFET N1和电流感测电阻器202的功率损耗(Ploss)，其由以下的式子(1)给出：

Ploss＝(Vret-Vout)＊Iout. (1)

如以下所描述的，调节器134使用调整两个参数的算法来动态地控制功率损耗(Ploss)：电流参考电平Iref和期望的经整流的电压电平Vrect_desired。

图3是示出由图2的控制器224实现的用于控制电流参考电平Iref和期望的经整流的电压电平Vrect_desired的过程的流程图。通过控制期望的经整流的电压电平Vrect_desired，控制器224全局地(即在电力发射器110的帮助下)控制功率损耗(Ploss)。虽然，该控制可能相对较慢，但通过控制电流参考电平Iref，控制器224本地地(即在调节器134中)控制功率损耗(Ploss)，这比涉及电力发射器110的全局控制快得多。

注意当图3的过程开始时，电流参考电平ref和电压参考电平Vref都被初始化为特定的(例如编程的)、各自的、先验的、初始值。图3的过程动态地调整电流参考电平Iref的值，但使电压参考电平Vref固定在电压参考电平Vref的初始值。

该过程开始于步骤302，其中控制器224确定从整流器132接收的实际的经整流输入信号133的经整流的电压电平Vrect是否等于期望的整流电压电平Vrect_desired的最新特定值。若否，则控制器224生成一合适的误差信号137以使控制消息调制器138生成请求电力发射器110适当地升高或降低其发射功率水平的相应电力控制信号139，这将进而并最终导致经整流的电压电平Vrect相应地升高或降低。

注意，为了防止该过程不期望地振荡，如果这两个值之差的幅度小于特定阈值，则控制器224可确定Vrect“等于”Vrect_desired。可选地，控制器224可应用一些滞后度以避免不期望的控制振荡。

步骤302表示由控制器224实现的对功率损耗(Ploss)的幅度的动态地全局地控制。大部分但不是全部剩余的步骤表示由控制器224实现的对功率损耗(Ploss)的幅度的动态地本地地控制。

在步骤304，控制器224测量经整流的电压电平Vrect、输出电压Vout(如电压反馈信号Vfb所示)以及输出电流Iout(如电流反馈信号Ifb所示)，并使用式子(1)计算功率损耗(Ploss)的当前水平。注意，依赖于分压器216如何实现，电压反馈信号Vfb将是输出电压Vout的分数，控制器224将已知该分数(例如被编程到控制器224中)。类似地，在电流反馈信号Ifb和输出电流Iout之间将存在关联，该关联对控制器224是已知的。

在步骤306，控制器224确定计算出的当前功率损耗(Ploss)是否大于调节器134的特定的、先验的、最大期望的功率损耗Pmax。如果Ploss不大于Pmax，则处理回到步骤302。如果Ploss大于Pmax，则处理进行到步骤308，其中控制器224降低Iref的值，这可以导致Iref小于电流反馈信号Ifb。如果Iref小于Ifb，则如以上参照图2所解释的那样，调节器134的操作将导致输出电流电平Iout的降低和随后的功率损耗(Ploss)的降低。

在步骤310，控制器224再次测量Vrect、Vout和Iout，并计算当前功率损耗(Ploss)，以及，在步骤312，控制器224确定Ploss是否小于Pmax。若否，则处理回到步骤308，此处控制器224进一步降低Iref的值。该降低Iref的过程被重复直到控制器224在步骤312确定当前的功率损耗(Ploss)小于Pmax，在该情况下，处理进行到步骤314。

在处理中的该点处，控制器224已经通过降低电流参考信号Iref来对确定当前功率损耗(Ploss)大于最大期望功率损耗Pmax做出本地反应，导致Iout的显著降低，以将当前的功率损耗(Ploss)降低到低于Pmax的水平。注意根据式子(1)，降低Iout将易于导致Ploss降低，但在某些情况下，由于负载状况改变而降低Vout(例如电阻性负载的改变，而保持Vrect固定)将易于进一步降低Iout，这会进而导致负载电路(例如传感器)停止工作。

为了解决这两个问题，在步骤314，控制器224降低期望的经整流的电压电平Vrect_desired以降低Vrect。在步骤316，控制器224生成合适的误差信号137，其将导致控制消息调制器138生成将导致电力发射器110降低其发射功率水平的相应电力控制信号139，这应当导致Vrect降低。

在步骤318，控制器224再次测量Vrect、Vout和Iout，并计算当前功率损耗(Ploss)，并且在步骤320，控制器224再次确定Ploss是否小于Pmax。如果Ploss不小于Pmax，则处理回到步骤308以进一步降低Iref并因此降低Iout以再次试图使Ploss小于Pmax。

如果，在步骤320，控制器224确定Ploss小于Pmax，则处理进行到步骤322，此处控制器224确定Vrect是否等于(或至少充分接近)Vrect_desired。若否，则处理返回到步骤316，此处控制器224生成另一个合适的误差消息137以使电力发射器110再次调整其发射功率水平。注意根据Vrect是否大于或小于Vrect_desired，误差消息137将使电力发射器110降低或升高其发射功率水平。

该处理将继续按需要调整Iref和Vrect_desired两者直到(1)Ploss小于Pmax并且(2)Vrect(大约)等于Vrect_desired。在该点处，处理进行到步骤324，此处Iref的值被恢复到其初始特定电平。处理然后回到步骤304和306以计算并确定恢复的Iref电平是否导致Ploss再次大于Pmax。

图3的过程使控制器224动态地且直接地控制Vrect_desired和Iref两者的值，以控制Vrect和Iout两者的电平，以保持当前功率损耗Ploss小于或等于Pmax。虽然该过程没有主动控制电压参考信号Vref的电平，但在其他实现方式中，控制器224除了Iref和/或Vrect_desired之外或代替Iref和/或Vrect_desired，主动地控制Vref。

为了本说明书的目的，术语“耦合”、“耦合到”、“被耦合”、“连接”、“连接到”或“被连接”是指本领域中已知的或以后将发展出的任何形式，其中能量被允许在两个或更多个元件之间传送，以及构想出插入一个或多个附加元件(虽然不是必需的)。相反地，术语“直接耦合”、“直接连接”等暗指不存在这样的附加元件。

同样，为了本公开的目的，除非另外示出，否则应当理解所有栅极从一个固定的电压电力域(或多个域)和接地供电。从而，所有数字信号通常具有范围从大约接地电位到电力域中一个的电位的电压以及快速的过渡(回转)。然而，除非另有说明，否则接地可以被认为电源具有近似为零伏特的电压，以及可以用具有任何期望电压的电源代替接地。因此，所有栅极可以由至少两个电源供电，其中伴随的数字信号具有范围在电源的近似电压之间的电压。

为了此处的目的，信号和相应的节点、端口或路径可以由相同的名称进行指代的并是可交换的。

除非另外明示，否则每个数字值和范围应当被解释为是近似的，如同在该值或范围之前有词语“大约”或“近似”。

还应当理解本领域技术人员可以进行对一些部分的细节、材料和布置的不同改变，而不脱离以下权利要求所包含的本发明的实施例，其中为了解释本发明的实施例已经描述和示出了这些部分的细节、材料和布置。

在包括任何权利要求的该说明书中，术语“每”可用于指多个先前所列举的元件或步骤中的一个或多个特定的特征。当与开放式的术语“包括”一起使用时，术语“每”的列举不排除附加、未列出的元件或步骤。因此，应当理解装置可包括附加、未列举的元件，并且方法可具有附加、未列举的步骤，其中附加、未列举的元件或步骤不具有所述一个或多个特定的特征。

应当理解在此解释的示例的方法的步骤不必需要以所描述的顺序执行，并且该方法的步骤的顺序应被理解为仅是示例性的。同样地，附加步骤可包括在该方法中，并且在与本发明的多个实施例一致的方法中，某些步骤可以被删除或合并。

虽然即便使用相应的标记在特定的序列中列举了以下方法权利要求中的要素，但是，除非权利要求的陈述另外地暗示了执行这些要素的某些和全部的特定的序列，否则这些要素不必意指被限制为以那样特定的序列被实现。

此处提及“一个实施例”或“一个实施”意味着有关该实施例描述的特定特征、结构或特性可以包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书的许多地方出现短语“在一个实施例中”不必全部指相同的实施例，也不是需与其他实施例相互排除的独立或替换的实施例。这同样应用于术语“实现方式”。

Claims (5)

1.一种用于无线电力传输系统的电力接收器，所述电力接收器包括：

输入电路，所述输入电路将从电力发射器无线地发射的电力转换成输入信号；以及

调节器，连接到所述输入电路，所述调节器基于电流参考信号和电压参考信号调节所述输入信号，以生成经调节的输出信号，其中：

所述输出信号被施加到负载；以及

所述调节器控制所述电流参考信号和所述电压参考信号中的至少一个，以控制所述电力接收器内的功率损耗；

其中所述调节器(i)感测所述输出信号的输出电压电平和输出电流电平，(ii)基于所感测的输出电压电平和所感测的输出电流电平来生成所述经调节的输出信号，以及(iii)调整所述电流参考信号以控制所述电力接收器内的功率损耗；

其中所述调节器包括：

功率晶体管，所述功率晶体管具有控制节点、接收所述输入信号的输入节点、以及提供所述输出信号的输出节点；以及

控制电路，所述控制电路基于所述电压参考信号、所感测的输出电压电平、所述电流参考信号和所感测的输出电流电平，来控制所述功率晶体管的所述控制节点处的电压电平；

其中所述控制电路包括：

基于电压的控制电路，所述基于电压的控制电路基于比较所述电压参考信号和所感测的输出电压电平，来控制所述功率晶体管的所述控制节点处的电压电平；以及

基于电流的控制电路，所述基于电流的控制电路基于比较所述电流参考信号和所感测的输出电流电平，来控制所述功率晶体管的所述控制节点处的电压电平；

所述基于电压的控制电路包括：

差分放大器，所述差分放大器被连接以接收所述电压参考信号和所感测的输出电压电平；以及

第一控制晶体管，所述第一控制晶体管具有连接到所述差分放大器的输出的控制节点，以及连接到所述功率晶体管的所述控制节点的输出节点；以及

所述基于电流的控制电路包括：

第一运算放大器，所述第一运算放大器被连接以接收所述电流参考信号和所感测的输出电流电平；以及

第二控制晶体管，所述第二控制晶体管具有连接到所述第一运算放大器的输出的控制节点，以及连接到所述功率晶体管的所述控制节点的输出节点。

2.如权利要求1所述的电力接收器，其中所述输入电路包括：

次级线圈，所述次级线圈与所述电力发射器的主线圈进行电磁地相互作用；以及

整流器，所述整流器整流所述次级线圈中拾取的信号以生成所述输入信号。

3.如权利要求1所述的电力接收器，其中：

所感测的输出电压电平是由连接到所述经调节的输出信号的分压器所生成的；以及

所感测的输出电流电平是由第二运算放大器生成的，所述第二运算放大器的输入连接到与所述功率晶体管连接的电阻两端。

4.如权利要求1所述的电力接收器，其中：

所述调节器基于所述输入信号的电压电平、所述输出信号的输出电压电平和所述输出信号的输出电流电平来确定所述电力接收器内的当前功率损耗；

如果所述当前功率损耗大于预定值，则所述调节器使所述电流参考信号从初始电流参考电平降低，直到所述当前功率损耗小于或等于所述预定值；

在降低所述电流参考信号之后，所述调节器使得发送请求给所述电力发射器，以降低所述电力发射器的发射功率水平，从而降低所述输入信号的所述电压电平；以及

在使所述输入信号的所述电压电平降低之后，所述调节器将所述电流参考信号恢复到所述初始电流参考电平。

5.一种用于电力接收器控制功率损耗的方法，所述电力接收器接收从电力发射器无线地发射的电力，所述方法包括：

所述电力接收器全局地控制所述电力接收器内的输入信号的电压电平，以调节由所述电力接收器施加到负载的输出信号的电压电平；以及

所述电力接收器本地地控制电流参考信号和电压参考信号中的至少一个，以控制所述电力接收器内的功率损耗，其中

所述电力接收器基于所述输入信号的电压电平、所述输出信号的输出电压电平和所述输出信号的输出电流电平来确定所述电力接收器内的当前功率损耗；

如果所述电力接收器确定所述当前功率损耗大于预定最大值，则所述电力接收器使所述电流参考信号从初始电流参考电平降低，直到所述电力接收器确定所述当前功率损耗不大于所述预定最大值；

在降低所述电流参考信号之后，所述电力接收器向所述电力发射器发送请求，以降低所述电力发射器的发射功率水平，从而降低所述输入信号的所述电压电平；

其中所述电力接收器(i)感测所述输出信号的输出电压电平和输出电流电平，(ii)基于所感测的输出电压电平和所感测的输出电流电平来生成所述输出信号，以及(iii)调整所述电流参考信号以控制所述电力接收器内的功率损耗。

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