具有寬輸入電壓范圍的無線電力發(fā)射器及其操作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述的實施例提供了具有寬輸入電壓范圍的無線電力發(fā)射器及其操作方法。電力發(fā)射器使用逆變器，其被配置為從潛在寬范圍的DC輸入電壓生成方波。逆變器被配置為生成具有占空因數(shù)的方波，得到所需的等效電壓輸出，有效地獨立于被提供的DC輸入電壓。因此，通過產(chǎn)生具有可選占空因數(shù)的方波，逆變器提供能力以促進具有寬范圍DC輸入電壓的無線電力傳輸。此外，在一些實施例中電力發(fā)射器可使用具有可調(diào)節(jié)的死區(qū)時間的準諧振相移控制策略來提高電力傳輸效率，并且匹配網(wǎng)絡是動態(tài)可選的，以與被用于傳輸電力到電子設備的發(fā)射器線圈組合更有效地耦合。
【專利說明】具有寬輸入電壓范圍的無線電力發(fā)射器及其操作方法

【技術領域】
[0001]本文描述的主題的實施例通常涉及電子設備，尤其涉及用于電子設備的無線電源充電。

【背景技術】
[0002]許多現(xiàn)代電子設備是使用電池和/或電容作為電源的移動設備。在許多這樣的設備中需要頻繁地再充電電源。為了有利于方便再充電這樣的設備，無線再充電越來越多地被采用。然而，在許多無線充電系統(tǒng)中仍有很大的局限。例如，許多無線充電系統(tǒng)缺乏與多種類型電源一起工作的靈活性。例如，這樣的無線電源系統(tǒng)可能無法與具有顯著不同的輸入電壓的電源一起工作。
[0003]此外，許多這樣的無線充電系統(tǒng)繼續(xù)忍受極其低效的功率傳輸。在這樣的系統(tǒng)中為了有利于移動設備的充電而消耗的功率的量將會過多，并且可能無法滿足目前及未來的監(jiān)管要求。
[0004]這些和其它的局限繼續(xù)阻礙移動設備的無線電源充電的廣泛采用。因此，改進無線電力傳輸設備和技術是一個持續(xù)的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]當結合下面附圖考慮時，本發(fā)明主旨的更完整的理解通過參考詳細的說明書和權利要求可被導出，其中附圖中的相同附圖標記指代相似元件。
[0006]圖1是根據(jù)一個示例實施例的電力發(fā)射器的簡化的系統(tǒng)方框圖；
[0007]圖2是根據(jù)一個示例實施例的電力發(fā)射器的詳細的原理框圖；
[0008]圖3是根據(jù)一個示例實施例的H橋逆變器的示意圖；
[0009]圖4是根據(jù)一個示例實施例的具有不同占空因數(shù)和幅值的方波信號的波形圖；
[0010]圖5是根據(jù)一個示例實施例的晶體管開關技術的圖形表示；
[0011]圖6是據(jù)據(jù)一個示例實施例的初級線圈陣列的概略圖；
[0012]圖7是根據(jù)一個示例實施例的匹配網(wǎng)絡的概略圖；
[0013]圖8-9是示出了根據(jù)一個示例實施例的無線電力傳輸方法的方法圖。

【具體實施方式】
[0014]下面的詳細說明僅僅是說明性的，而并非旨在限制本發(fā)明主旨的實施例或這些實施例的應用和使用。本文使用的詞語“示例的”意為“作為一個例子，實例或說明”。在此作為示例描述的任何實施方式不一定被解釋為勝過其它實施方式的優(yōu)選的或有利的。此外，無意通過在前述【技術領域】，【背景技術】，或下面的詳細說明中出現(xiàn)的任何明示或暗示的意見約束本發(fā)明。
[0015]在此描述的實施例能夠提供靈活性提高的無線電源充電。例如，此處描述的實施例能夠提供在相對寬范圍輸入電壓操作的無線電源充電。如同其它例子，此處描述的實施例能夠提供提聞的無線電力傳輸效率。
[0016]在一個實施例中提供用于電子設備的無線充電的電力發(fā)射器。通常，電力發(fā)射器使用逆變器，其配置為從一個潛在的寬范圍直流(DC)輸入電壓生成交流(AC)方波。在一個實施例中逆變器被配置為產(chǎn)生具有占空因數(shù)的AC方波，結果得到所需的等效電壓輸出，有效地獨立于被提供的DC輸入電壓。例如，通過利用控制在H橋逆變器的第一互補對半橋和第二互補對半橋之間的信號的相移技術生成AC方波。因此，通過生成具有可選占空因數(shù)的AC方波,逆變器提供有利于在DC輸入電壓的一個寬范圍內(nèi)的無線電力傳輸?shù)哪芰?，并且因此可以提高到電子設備的無線電力傳輸?shù)撵`活性。
[0017]此外，在一些實施例中電力發(fā)射器可以使用匹配網(wǎng)絡提供改進的電力傳輸效率，匹配網(wǎng)絡動態(tài)選擇到更有效的與被用來傳輸電力到電子設備的發(fā)射線圈組合的耦合。此外，在一些實施例中電力傳輸信號的基波頻率是可控的，以潛在地提高電力傳輸效率。
[0018]現(xiàn)在看圖1，用于電子設備的無線充電的電力發(fā)射器100被示意性地示出。電力發(fā)射器100包括輸入101，逆變器102，匹配網(wǎng)絡104和初級線圈陣列106。輸入101被配置為接收可變DC輸入電壓，并且利用該可變DC輸入電壓電力發(fā)射器100被配置為無線地傳輸電力到附近電子設備的接收線圈108。通常，逆變器102被配置為接收一個潛在寬范圍的可變DC輸入電壓,并生成具有被選擇為提供一個適于電力傳輸?shù)念A定等效電壓的占空因數(shù)的AC方波信號。該AC方波信號被提供給匹配網(wǎng)絡104。匹配網(wǎng)絡104被配置為從AC方波信號生成充電信號，并將充電信號提供到初級線圈陣列106。初級線圈陣列106包括多個可選擇的初級線圈。這些初級線圈是可單獨選擇的，使得選擇的一個或多個初級線圈的線圈組合可被用來傳送電力傳輸信號到電子設備的接收線圈108。
[0019]在操作逆變器102期間產(chǎn)生具有占空因數(shù)的AC方波信號，具有的占空因數(shù)導致得到不依賴于DC輸入電壓的所需等效電壓輸出。因此，通過生成具有可選擇的占空因數(shù)的AC方波信號，逆變器102可在一個相對寬范圍的可能的DC輸入電壓中便于操作。例如，逆變器102可被配置為提供所需的等效電壓輸出，同時DC輸入電壓可在大約5和大約20伏之間變化。在其它實施例中DC輸入電壓可在大約5和大約15伏之間變化。這樣的實施例將提高使用各種不同電源的無線電力傳輸?shù)撵`活性。例如，這樣的實施例可提供靈活性以使用大約5伏的基于通用串行總線(USB)的電源和通常在9和14伏之間的汽車電源二者。在又一實施例中，DC輸入電壓可在具有更高下限和/或更高上限的電壓范圍中變化。
[0020]在一個實施例中由逆變器102產(chǎn)生的所需的等效電壓基于來自電子設備的信息。例如，電子設備可以指定傳輸?shù)诫娮釉O備的接收線圈108的電力信號的電壓。如同將在下面一些實施例中被更加詳細描述的那樣，電子設備可以通過從設備的接收線圈108傳輸信號到電力發(fā)射器100的初級線圈陣列106來指定這樣的信息。
[0021]在一個實施例中逆變器102包括單級逆變器。單級逆變器可以通過最小化電力損耗提供有效電力傳輸。在一個特定實施例中，逆變器102利用功率金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(M0SFETS)，但其它類型的晶體管也可被使用。在這樣的實施例中逆變器102可被配置為基于DC輸入電壓幅值和負載來調(diào)節(jié)功率M0SFETS的死區(qū)時間，以利于低開關損耗。
[0022]在一個特定實施例中，逆變器102使用相移拓撲結構以產(chǎn)生具有選擇的占空因數(shù)的AC方波信號。這樣的實施例將在下面參考圖5被討論。例如，逆變器102可以利用相移H橋拓撲結構。
[0023]在一個實施例中逆變器102被配置為產(chǎn)生多個不同頻率的AC方波信號。在這樣的一個實施例中電力發(fā)射器100被進一步配置為基于從電子設備接收的反饋來確定多個不同頻率中的哪個頻率導致對電子設備的有效電力傳輸。
[0024]如上所描述，匹配網(wǎng)絡104被配置為從AC方波信號生成充電信號，并將充電信號提供到初級線圈陣列106。在一個典型實施例中匹配網(wǎng)絡104被實現(xiàn)為使得產(chǎn)生的充電信號是具有AC方波信號的基波頻率的正弦型信號。此外在一些實施例中匹配網(wǎng)絡104通過使用選擇性的切換來更有效地與在初級線圈陣列106中使用的初級線圈組合耦合，以提高電力傳輸效率。在一個實施例中這通過在匹配網(wǎng)絡104中包括多個切換電容和一個電感而實現(xiàn)。多個切換電容的每個可基于多個可選擇的初級線圈的哪個被選擇而被選擇性地切換。在一個實施例中這些切換電容的每個被配置為當相應初級線圈組合激活時，使得電力發(fā)射器的諧振頻率接近充電信號的基波頻率。
[0025]如上面所描述的，在一個實施例中，初級線圈陣列106包括多個可選擇的初級線圈。這些初級線圈可以以繞線線圈、印刷電路板(PCB)線圈，或混合/繞線線圈的任意組合來實施。這些初級線圈是單獨可選的，使得在陣列106中的一個或多個初級線圈的線圈組合可被選擇，并用于傳輸電力傳輸信號到接收線圈108。在一個特定實施例中，多個可選擇的初級線圈的每個可被選擇性地激活，以利用最有效的與電子設備的接收線圈108耦合的線圈組合。如同將在下面更加詳細地描述的那樣，最有效的線圈組合可基于從電子設備接收的反饋信號而被選擇，其中反饋信號提供電力傳輸效率的指示。在一個替代實施例中，初級線圈陣列106可僅包括一個單獨線圈，而非多個線圈。
[0026]電力發(fā)射器100可被實現(xiàn)以各種其它元件。例如，電力發(fā)射器100可被進一步實現(xiàn)為具有輸入電壓檢測器，其被配置為確定DC輸入電壓的幅值。在這一實施例中，通過使用相移技術來基于由輸入電壓檢測器確定的幅值提供預定等效電壓，逆變器102可被配置為選擇輸出占空因數(shù)。
[0027]作為另一種實施例，電力發(fā)射器100可被進一步實現(xiàn)為具有耦合到在初級線圈陣列106中的多個可選擇的初級線圈的感測電路。在這一實施例中感測電路可被配置為檢測在多個可選擇的初級線圈中的至少一個上接收的信號，以利于從電子設備傳回到初級線圈的通信。通信消息包括但不限于電子設備所要求的電力傳輸效率和能量的信息。
[0028]最后,在一些實施例中電力發(fā)射器100可進一步包括微控制器。在這一實施例中微控制器可被配置為控制逆變器102，匹配網(wǎng)絡104和/或多個可選擇的初級線圈106的操作。此外微控制器可被用來控制其它元件，如上所描述的輸入電壓檢測器和感測電路。
[0029]在一個特定實施例中微控制器被耦合到輸入電壓檢測器，感測電路，逆變器102，匹配網(wǎng)絡104和線圈陣列106，并可被配置為控制逆變器102來產(chǎn)生具有占空因數(shù)的AC方波信號，占空因數(shù)基于DC輸入電壓的確定幅值來選擇，從而使得AC方波信號提供預定等效電壓。此外，微控制器可被配置為控制線圈陣列106中的多個可選擇的線圈，以選擇性地激活與電子設備上的接收線圈108有效耦合的線圈組合。此外，微控制器可被配置為基于激活的線圈組合選擇性地耦合匹配網(wǎng)絡104中的多個切換電容。微控制器還可被配置為基于在多個可選擇的初級線圈中的至少一個上接收的信號，從電子設備上的接收線圈108接收通信。最后，微控制器可被配置為基于由微控制器接收的該(些)通信消息，控制從發(fā)射器傳輸?shù)诫娮釉O備的接收線圈108的電力。
[0030]現(xiàn)在看圖2，用于電子設備的無線充電的電力發(fā)射器200的一個示例性實施例被示意性地示出。電力發(fā)射器200包括差分輸入201，逆變器202，匹配網(wǎng)絡204，初級線圈陣列206，電壓檢測器208，逆變器驅動器210，感測電路212，線圈開關214，以及控制器216。通常，電力發(fā)射器200被配置為在差分輸入201接收可變DC輸入電壓，并且無線地傳輸電力到附近電子設備的接收線圈。通常，逆變器202被配置為接收一個潛在寬范圍的可變DC輸入電壓，并生成具有被選擇為提供預定等效電壓的占空因數(shù)的AC方波信號。匹配網(wǎng)絡204被配置為從AC方波信號生成充電信號，并將充電信號提供到初級線圈陣列206。在該圖示的實施例中AC方波和充電信號作為差分信號傳遞。初級線圈陣列206包括多個可選擇的初級線圈，這些初級線圈可單獨選擇，使得選擇的一個或多個初級線圈的線圈組合可被用來傳送電力傳輸信號到電子設備的接收線圈。
[0031]電壓檢測器208被配置為確定可變DC輸入電壓的幅值，并提供表示該幅值的信號到控制器216?；谔峁┑姆担刂破?16控制逆變器驅動器210，以控制逆變器202的操作。特別地，通過利用相移技術，控制器216使用幅值和來自感測電路212的感測的初級線圈信號來確定AC方波信號的占空因數(shù)?；诖_定的占空因數(shù)，控制器216控制逆變器202 (通過逆變器驅動器210)以提供由逆變器202產(chǎn)生的AC方波信號中的所需等效電壓?？刂破?16使用逆變器驅動器210來控制逆變器202，以產(chǎn)生該AC方波信號。
[0032]線圈開關214被耦合到控制器216和初級線圈陣列206?？刂破?16選擇性地激活線圈開關214，以控制陣列206中的初級線圈的哪些被激活以便用于傳輸電力到電子設備。這些線圈開關214可被激活以能夠進行陣列206中的一個或多個初級線圈的線圈組合。典型地，使用的線圈組合時應于在陣列206中與電子設備上的相應接收線圈具有最佳耦合的那些線圈，從而便于有效傳輸電力到電子設備。在一個替代實施例中，初級線圈陣列206可僅包括一個單獨線圈，而非多個線圈，并且線圈開關214可被排除在系統(tǒng)之外。
[0033]感測電路212被耦合到初級線圈陣列206中的多個可選擇的初級線圈。感測電路212被配置為檢測初級線圈陣列206上的電壓/電流電平。這可被用來感測當前的電力傳輸量以及從電子設備傳輸?shù)暮陀沙跫壘€圈陣列206接收的信號。因此，初級線圈陣列206既可使用于傳輸電力到電子設備用于再充電，也可被用于從電子設備接收通信。
[0034]在一個實施例中來自電子設備的通信可使用一種被稱為負載調(diào)制的技術而被實施，其包括根據(jù)具體的標準協(xié)議在規(guī)定的期間改變接收側負載，例如根據(jù)無線電源聯(lián)盟的無線電力傳輸規(guī)范定義的協(xié)議。在該實施方式中負載變化導致流過該(些)初級線圈的電流和/或其上的電壓的調(diào)制，該調(diào)制可由感測電路212感測，并傳送到控制器216。控制器216可使用負載變化之間的不同定時時段來提取通信消息。在這種情況下通信消息可使用與電力傳輸信號的頻率相比的低頻信號傳送。
[0035]這種到電力發(fā)射器200的信息的傳輸可被用于各種目的。例如，電子設備可以傳輸信息到電力發(fā)射器200，電力發(fā)射器200指示通過電子設備接收的電力的量。這樣的信息可被控制器216使用，以選擇用于電力傳輸?shù)淖钣行?shù)。作為一個例子，這樣的信息可被用于確定合適的接收線圈以接收電力。作為另一個例子，該信息可被用于確定陣列206中的多個可選擇的初級線圈中的哪些應當被用于以最高的效率傳輸電力到電子設備。作為其它例子，該信息可被用于確定導致最高效電力傳輸?shù)某潆娦盘柕幕l率。作為其它例子，該信息可被用于傳送接收器所需的電量。作為其它例子，該信息可被用于確定電力傳輸將持續(xù)多久。
[0036]現(xiàn)在看圖3，逆變器302的一個實施例被示出。逆變器302是可被用于在此描述的各種實施例(包括在圖1和2中示出的例子(例如逆變器102,202))中的示例性的逆變器類型。
[0037]通常，逆變器302包括輸入304，輸出306，以及四個晶體管P1，P2，P3和P4。在圖示的實施例中這些晶體管采用功率M0SFETS而實現(xiàn)，并被布置為H橋拓撲結構。特別地，晶體管Pl和P3作為第一互補對被布置，并且晶體管P2和P4作為第二互補對被布置。當晶體管Pl和P4導通時(并且晶體管P2和P3關斷)，輸出被正驅動，并且當晶體管P2和P3導通時(并且晶體管Pl和P4關斷)，輸出被負驅動。最后，當晶體管Pl和P2導通時(并且晶體管P3和P4關斷)，或者晶體管P3和P4導通(并且晶體管Pl和P2關斷)，輸出為零。因此，通過在輸入304提供合適的DC輸入，并且恰當?shù)乜刂凭w管P1，P2，P3和P4，逆變器302在輸出306輸出一個AC方波信號。此外，通過控制晶體管激活的定時(例如，通過圖2的控制器216和逆變器驅動器210)，AC方波信號的占空因數(shù)可被控制。
[0038]現(xiàn)在看圖4，AC方波信號的兩種圖形表示被示出。這些AC方波信號是可由逆變器302產(chǎn)生的AC方波信號類型的示例。提供的AC方波信號具有導致所需的等效電壓輸出的可控的占空因數(shù)，有效地獨立于提供的DC輸入電壓。AC方波信號的占空因數(shù)是該信號在激活狀態(tài)下的持續(xù)時間與信號的總周期的比值。在圖4的例子中，這些激活狀態(tài)包括波形的高⑴和低㈠部分。因此，圖形402示出了 AC方波信號的占空因數(shù)相對高(即高比值)的例子，而通過比較圖形404示出了 AC方波信號的占空因數(shù)相比相對低(即低比值)的例子。從而圖形402示出了當DC輸入電壓相對低時產(chǎn)生的AC方波信號類型的一個例子，而圖形404示出了當DC輸入電壓相對高時產(chǎn)生的AC方波信號類型的一個例子。在兩個例子中，占空因數(shù)的差可被用來生成AC方波信號中的相同的所需等效電壓輸出，即使用于生成那些信號的DC輸入電壓不同。因此，當在輸出節(jié)點提供所需要的等效電壓用于無線充電時，控制AC方波的占空因數(shù)允許不同的DC輸入電壓被使用。
[0039]再次，如圖形402和404中示出的這樣的AC方波信號的生成可以通過對于波形的正半部切換晶體管Pl和P4導通(同時切換晶體管P2和P3關斷)，對于生成波形的負半部切換晶體管P2和P3導通(同時切換晶體管Pl和P4關斷)，以及對于波形的中性部分切換晶體管Pl和P2或者晶體管P3和P4導通(并且相應地切換晶體管P3和P4或者晶體管Pl和P2關斷)。
[0040]各種不同的技術可以被用來減少逆變器302中的電力損耗。在一個實施例中逆變器302被配置為調(diào)節(jié)晶體管的死區(qū)時間以利于低開關損耗。特別地，控制器可以操作逆變器302中的晶體管以調(diào)節(jié)晶體管的死區(qū)時間，以確保根據(jù)不同的輸入電壓和負載的對于低開關損耗的準諧振軟開關。此外，逆變器302可被操作以使用相移拓撲結構。通常，相移拓撲結構是通過彼此相對相移一個晶體管對(半橋)控制信號的切換來在全橋逆變器的每個晶體管對上執(zhí)行50%占空因數(shù)控制信號。這樣的相移拓撲結構能夠便于恒定頻率脈寬調(diào)制與諧振零電壓開關相結合，以在高頻下提供高效率。
[0041]現(xiàn)在看圖5，晶體管開關技術的圖形表示500和使用電力發(fā)射器(例如圖2的電力發(fā)射器200)的一個實施例產(chǎn)生的AC方波信號的圖形表不504被不出。這種不出的技術切換晶體管(例如圖1-3的逆變器102，202，302)以產(chǎn)生所需的AC方波信號，同時通過在每一晶體管對(例如圖3的晶體管對Pl / P3和P2 / P4)使用控制的“死區(qū)時間”潛在地降低電力消耗。通常，一個晶體管對的該“死區(qū)時間”是在一個晶體管關斷和其互補晶體管被接通之間的時間間隔。因此，代替同時切換晶體管的互補對，在兩個晶體管的切換時間之間使用一個微小的時間差或“死區(qū)時間”，以實現(xiàn)可以降低逆變器(例如圖3的逆變器302)中的電力消耗的軟開關。在圖5中用于晶體管對Pl / P3和P2 / P4的死區(qū)時間由交叉陰影線區(qū)域502示出。特別地，交叉陰影線區(qū)域502示出了在一個晶體管對中的一個晶體管被關斷，并且在該晶體管對中的互補晶體管被關斷之前的死區(qū)時間。如同在圖5的例子中看到的，由于由交叉陰影線區(qū)域502示出的切換時間的平移，晶體管對Pl和P3不同時切換。類似地，由于由交叉陰影線區(qū)域502示出的切換時間的平移，晶體管對P2和P4不同時切換。再次，產(chǎn)生合適的切換之間的死區(qū)時間的最終結果是電力消耗的降低和整體效率的提高。圖形表示504示出了考慮了死區(qū)時間影響的最終的實際的輸出AC方波電壓。
[0042]現(xiàn)在看圖6，一個示例的初級線圈陣列600 (例如圖1，2中的初級線圈陣列106，206)被示意性地示出。如上所描述的，初級線圈陣列600包括多個可選擇的初級線圈604。這些初級線圈604可以以繞線線圈、PCB線圈，或混合/繞線線圈的任意組合來實現(xiàn)。開關602允許初級線圈604的任意組合被選擇到電路中。這允許初級線圈604中的一個或多個被使能，并用來發(fā)送電力傳輸信號到接收線圈(例如圖1的接收線圈108)。在一個特定實施例中多個可選擇的初級線圈604中的每個可使用開關602被選擇性地激活，以使與接收線圈最有效耦合的線圈組合能作用。如同將在下面被更加詳細描述的那樣，最有效線圈組合的使能可基于從電子設備接收的反饋信號，其中反饋信號提供電力傳輸效率的指示。
[0043]現(xiàn)在看圖7，一個示例的匹配網(wǎng)絡700(例如圖1，2中的匹配網(wǎng)絡104，204)被示意性地示出。匹配網(wǎng)絡700包括電感702，多個開關704，多個切換電容706和一個非切換電容708。通常，匹配網(wǎng)絡700的動作是從AC方波中濾除高頻諧波，并將基波頻率保持為正弦波的形式。特別地，匹配網(wǎng)絡700被配置為從AC方波信號生成一個正弦波充電信號，并提供基本正弦的充電信號到初級線圈陣列(例如圖1，2中的初級線圈陣列106，206)。此外，在這個實施例中通過便于選擇性切換附加電容到電路中，匹配網(wǎng)絡700可以附加地提高電力傳輸效率。
[0044]作為一個例子，如果確定在選擇的線圈組合中僅需要一個初級線圈(例如線圈604)來傳輸電力到接收線圈，則非切換電容708足可提供與電力傳輸信號的基波頻率緊密地匹配的整個電路的諧振頻率，并因此而便于有效的電力傳輸。然而，如果兩個初級線圈(例如兩個線圈604)被用于線圈組合(例如有可能會發(fā)生接收線圈被空間地放置于兩個初級線圈之間)中，則一個附加電容706可被切換到電路中以再次提供合適的諧振頻率，并因此有效地電力傳輸。在第三線圈被用于線圈組合中的情形下，第三電容706可被同樣切換到電路中，以產(chǎn)生校正的諧振頻率。因此，在每種情形下切換電容706可被選擇來補償選擇的線圈組合中的附加初級線圈，以使得電力發(fā)射器的諧振頻率接近基波頻率。
[0045]現(xiàn)在看圖8，一種無線地傳輸電力到電子設備的方法800被示出。通常，方法800適于使用寬范圍DC輸入電壓的無線電力傳輸，并且因此可以提高到電子設備的無線電力傳輸?shù)撵`活性。此外，方法800可以便于有效的無線電力傳輸。
[0046]步驟802可包括確定輸入電壓(例如通過圖2的電壓檢測器208)。這一輸入電壓的確定能夠使用任何合適的技術或設備來執(zhí)行。如上所描述的，在各種實施例中輸入電壓可以包括一個寬范圍的DC輸入電壓,例如在大約5和大約20伏之間，或一些其它的范圍。這可以提供在使用不同電源為無線電力傳輸提供電力的靈活性。例如，該方法可以與大約5伏的基于通用串行總線(USB)的電源一起使用，或者與通常在9和14伏之間的汽車電源一起使用。如同將在下面更加詳細描述的那樣，確定的輸入電壓將被用于生成具有預定等效電壓的AC方波信號，并且也用在用于準諧振軟開關操作的死區(qū)時間調(diào)節(jié)中。
[0047]在一些實施例中輸入電壓的確定可在每次電源被提供到充電器時執(zhí)行-例如，每次無線充電器被插入到一個新的電源。在其它情況下輸入電壓可被連續(xù)地，周期性地，或偶爾確定，以允許響應于輸入電壓的動態(tài)變化調(diào)節(jié)。例如，該實施例可以響應于汽車電源系統(tǒng)從由發(fā)電機(通常在14伏)供電變?yōu)橛呻姵?通常在12伏)供電而便于調(diào)節(jié)。
[0048]步驟804包括確定到電子設備上的接收線圈(圖1的接收線圈108)最近的初級線圈(例如圖1，2，6的初級線圈陣列106，206，600的線圈)。通常這一步驟確定何時電子設備被放置得接近用于充電的初級線圈，并且也確定哪些初級線圈具有到接收線圈的最佳耦合并因此被用于充電。在一個實施例中這一步驟可以通過從一個或多個初級線圈傳輸一個“砰(ping)”信號而啟動，并且使電子設備以合適的確認信號響應接收的“砰(ping)”信號。該確認信號可由接收線圈發(fā)送，并由初級線圈接回，然后使用設備例如上面討論的感測電路212 (圖2)傳遞到控制器(例如圖2的控制器216)。
[0049]特別地，當確定將要充電的電子設備在附近時，步驟804確定哪些初級線圈最接近接收線圈，并因此而具有與接收線圈的良好耦合。這一確定允許那些具有最佳耦合的初級線圈被激活，并因此促進高電力傳輸效率。在一些情況下超過一個初級線圈足夠近并應被激活。這種情況當接收線圈在兩個或多個初級線圈之間時可能發(fā)生。在其它情況下僅一個初級線圈應被激活。在上述任何一種情況下一個或多個初級線圈的初級線圈組合應被選擇，以提供到接收線圈的有效傳輸。
[0050]在一個實施例中步驟804包括從每個初級線圈逐個順序傳輸，從兩個初級線圈的組合傳輸，以及從三個初級線圈的組合傳輸。對每次傳輸接收電子設備能夠確定多少電力正被傳輸，并將信息傳回無線電力發(fā)射器。當初級線圈的所有組合被嘗試，無線電力發(fā)射器可以確定哪種初級線圈組合導致最有效的電力傳輸。因此，多個可選擇的初級線圈中的每個可被選擇性地激活，以確定哪種線圈組合與電子設備上的接收線圈最有效地耦合，并且該確定基于從電子設備接收的反饋信號。
[0051]步驟806包括配置匹配網(wǎng)絡(例如圖1，2，7的匹配網(wǎng)絡104，204，700)。通常匹配網(wǎng)絡被利用來從AC方波信號產(chǎn)生正弦型充電信號。然后該充電信號被提供到初級線圈陣列(例如圖1，2的初級線圈陣列106，206)，用于傳輸?shù)诫娮釉O備。在步驟806中匹配網(wǎng)絡被配置為提高電力傳輸效率。特別地，匹配網(wǎng)絡被配置為提供密切匹配電力傳輸信號的基波頻率的整個電路的諧振頻率，并因此促進有效的電力傳輸。這可以通過配置匹配網(wǎng)絡以補償在使用的線圈組合中的附加初級線圈的使用來實現(xiàn)。例如，如果代替一個初級線圈而使用兩個初級線圈(例如圖6的兩個線圈604)，則一個附加電容(例如圖7的切換電容706之一)可被切換到電路中，以提供合適的諧振頻率和有效的電力傳輸。類似地，在第三線圈被使用的情形下，另一附加電容可同樣被用來生成具有校正諧振頻率的信號。在每種情形中附加的電容被切換到電路中，以配置匹配網(wǎng)絡來使得電力發(fā)射器的諧振頻率接近充電信號的基波頻率。
[0052]步驟808包括生成電力傳輸信號。通常生成電力傳輸信號包括逆變(例如通過圖1-3的逆變器102，202，302) DC輸入電壓以產(chǎn)生AC方波信號，從AC方波信號產(chǎn)生(例如通過圖1，2，7的匹配網(wǎng)絡104，204，700)正弦型充電信號，以及應用充電信號到一個或多個初級線圈(例如圖1，2，6的初級線圈陣列106，206，600中的)以無線地傳輸電力到接收線圈(例如圖1的接收線圈108)。該步驟的詳細討論將在下面參考圖9進行。
[0053]步驟810包括調(diào)節(jié)信號的基波頻率以提高電力傳輸效率。通常這可以通過產(chǎn)生多個不同頻率的AC方波信號來完成，測量傳輸?shù)诫娮釉O備的最終電力，并且確定那些頻率中的哪個頻率導致有效的電力傳輸。例如，在一個實施例中逆變器(例如圖1-3的逆變器102，202，302)可被控制來產(chǎn)生在一個預定的頻率范圍內(nèi)以IMHz遞增的AC方波信號。這些導致充電信號和最終的電力傳輸信號在這些不同頻率被生成。電子設備可以使用其接收線圈接收這些不同的電力傳輸信號。通過測量在每個頻率點的最終電力傳輸，電子設備可以使用負載調(diào)制方法，以從接收線圈發(fā)送一個反饋信號(指示電力傳輸效率)到電力發(fā)射器初級線圈。如上所描述的，這樣的傳輸導致在初級線圈上的信號可以被測量和用來提取數(shù)據(jù)。從該提取的數(shù)據(jù)電力發(fā)射器可以選擇用于電力傳輸?shù)淖钣行ьl率。
[0054]這樣的一種技術可被使用以補償影響各種諧振頻率的電路中的變動。換句話說，通遍頻率的步進允許導致有效電力傳輸?shù)木_的諧振頻率被以能夠補償初級線圈組合選取和匹配網(wǎng)絡構造的影響的方式確定。再次，這樣的技術的實施可以帶來提高的電力傳輸效率。
[0055]現(xiàn)在看圖9，一種用于生成電力傳輸信號的方法900被示出。該方法900的詳細步驟涉及生成電力傳輸信號，例如圖8中的步驟808。當電力被傳輸?shù)诫娮釉O備的接收線圈(例如圖1的接收線圈108)，這樣的步驟可被連續(xù)地，周期性地，或偶爾執(zhí)行。
[0056]步驟902包括逆變輸入電壓以產(chǎn)生方波信號。如上所描述的，可控地逆變輸入電壓以產(chǎn)生方波信號允許方波信號的占空因數(shù)被選擇以具有預定的等效電壓。這允許輸入電壓的寬范圍被使用，同時仍然提供方波信號的預定等效電壓。
[0057]作為一個例子H橋拓撲結構單級逆變器被使用(例如圖3的逆變器302)。這樣的逆變器允許AC方波信號的占空因數(shù)通過控制晶體管激活的定時而被調(diào)制。特別地，當輸入電壓的幅值相對為低時方波信號的占空因數(shù)可被變得相對高，以產(chǎn)生所需等效電壓。反之，當輸入電壓的幅值相對為高時方波信號的占空因數(shù)可被變得相對低，以產(chǎn)生相同的所需等效電壓。因此，一個寬范圍的輸入電壓可被用來生成用于無線充電的所需的等效電壓輸出。
[0058]此外，這樣的逆變器可提供降低的電力消耗。例如，逆變器能夠根據(jù)輸入電壓和負載通過調(diào)節(jié)晶體管的死區(qū)時間以促成低開關損耗而提供降低的電力消耗。
[0059]步驟904包括從AC方波信號生成正弦型充電信號。通常，通過一個合適的匹配網(wǎng)絡傳遞AC方波信號，一個正弦型充電信號可被生成。此外，通過提供一個機構來調(diào)節(jié)整個電路的諧振頻率，使其密切匹配充電信號的基波頻率，匹配網(wǎng)絡可被配置為提高電力傳輸效率。再次，這可以通過配置匹配網(wǎng)絡以補償在利用的線圈組合中的附加初級線圈的使用來做到。
[0060]步驟906包括施加充電信號到一個或多個初級線圈的選擇的線圈組合，以無線地傳輸電力到將充電設備的接收線圈。如上所描述的，包括多個可選擇的初級線圈的初級線圈陣列可被使用。這些初級線圈可以以繞線線圈、PCB線圈，或混合/繞線線圈的任意組合來實施。這些初級線圈是單獨可選擇的，從而使得陣列中的一個或多個初級線圈的線圈組合可被選擇。當充電信號被施加到選擇的線圈組合時，電力傳輸信號被傳輸?shù)礁浇慕邮站€圈。由于線圈組合可被選擇為提供與接收線圈(參見圖8步驟804)的良好耦合，這樣的傳輸可以以相對高的效率被完成。
[0061]因此，此處描述的實施例提供了一種電子設備的用于無線充電的電力發(fā)射器。通常，電力發(fā)射器使用逆變器，其被配置為從一個潛在寬范圍的DC輸入電壓生成方波。逆變器被配置為生成具有占空因數(shù)的方波，得到所需的等效電壓輸出，有效地獨立于被提供的DC輸入電壓。因此，通過生成具有可選占空因數(shù)的方波，逆變器提供促進具有寬范圍DC輸入電壓的無線電力傳輸?shù)哪芰?，并因此而提高到電子設備的無線電力傳輸?shù)撵`活性。此外，在一些實施例中電力發(fā)射器使用匹配網(wǎng)絡提供提高的電力傳輸效率，匹配網(wǎng)絡是動態(tài)地可選的，以與發(fā)射器線圈組合更有效地耦合，發(fā)射器線圈組合被用來傳輸電力到電子設備。此夕卜，在一些實施例中，電力傳輸信號的基波頻率是可控的，以提供提高的電力傳輸效率。此夕卜，在一些實施例中，逆變器晶體管的死區(qū)時間是可調(diào)節(jié)的，從而降低電力消耗，并可帶來提高的電力傳輸效率。
[0062]在此包含的各附圖中示出的連接線旨在表示在各元件間的示例功能關系和/或物理耦合關系。應當指出的是許多替代的或附加的功能關系或物理連接可出現(xiàn)在本發(fā)明主旨的實施例中。此外，某些術語也可在此被使用，僅僅為了參考的目的，而并非旨在限制，并且術語“第一”，“第二”和其它這樣的數(shù)值術語指代結構，并不意味著序列或順序，除非文中明確指出。
[0063]如本文使用的“節(jié)點”意指任何內(nèi)部或外部的參考點，連接點，結點，信號線，導通元件或類似物，在其上存在給定的信號，邏輯電平，電壓，數(shù)據(jù)模式，電流，或參量。此外，兩個或多個節(jié)點可由一個物理元件來實現(xiàn)(并且兩個或多個信號可被復用，調(diào)制，或者其它方式地被區(qū)分，即使信號在一個公共節(jié)點上被接收或輸出)。
[0064]前述說明涉及元件或節(jié)點或功能部件被“連接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非明文規(guī)定，否則“連接”意為一個元件直接地連接到另一個元件(或直接地與之通信)，并且不必是機械的連接。同樣，除非明文規(guī)定，否則“耦合”意為一個元件直接地或間接地連接到另一個元件(或直接地或間接地與之電氣地或其它方式地通信)，并且不必是機械的連接。因此，盡管附圖中示出的原理圖描繪了元件的一個示例性布置，附加的插入元件，設備，功能部件，或組件可存在于本文主題所描述的實施例中。
[0065]在前述詳細描述中存在至少一個示例性實施例，應當理解的是存在大量的變型。還應當理解的是示例性實施例或本文描述的實施例并不旨在以任意方式限制請求保護的主題的范圍，適用性，或結構。相反，前述詳細描述將給本領域技術人員提供一條便捷的途徑，用于實施該描述的實施例或實施方式。應當理解的是不脫離權利要求書所限定的范圍在元素的功能和布置方面可以做出各種改變，其中包括在提出該專利申請時的已知等同物和可預見的等同物。
【權利要求】
1.一種電力發(fā)射器，用于對電子設備無線充電，所述電力發(fā)射器包括: 輸入端，被配置為接收DC輸入電壓； 逆變器，被耦合到所述輸入端以接收所述DC輸入電壓，所述逆變器被配置為生成具有占空因數(shù)的AC方波信號，占空因數(shù)被選擇以提供預定的等效電壓； 匹配網(wǎng)絡，被耦合到所述逆變器以接收所述AC方波信號，所述匹配網(wǎng)絡被配置為從所述AC方波信號生成充電信號；以及 至少一個初級線圈，被耦合到所述匹配網(wǎng)絡以接收所述充電信號，所述至少一個初級線圈被配置為選擇性地發(fā)送電力傳輸信號到所述電子設備上的接收線圈。
2.權利要求1的電力發(fā)射器，其中所述逆變器包括單級H橋拓撲結構。
3.權利要求1的電力發(fā)射器，其中所述逆變器被配置為以使用相移拓撲結構選擇的所述占空因數(shù)來生成所述AC方波信號。
4.權利要求1的電力發(fā)射器，其中所述逆變器包括功率晶體管對，并且其中所述逆變器被配置為基于所述DC輸入電壓的幅值來調(diào)節(jié)晶體管的死區(qū)時間。
5.權利要求1的電力發(fā)射器，其中所述逆變器被配置為以多個不同頻率生成所述AC方波信號，并且其中電力所述發(fā)射器被進一步配置為確定所述多個不同頻率中的哪個頻率導致對所述電子設備的有效電力傳輸。
6.權利要求5的電力發(fā)射器，其中所述電力發(fā)射器被配置為基于從所述電子設備接收的反饋來確定所述多個不同頻率中的哪個頻率導致對所述電子設備的有效電力傳輸。
7.權利要求1的電力發(fā)射器，其中所述至少一個初級線圈包括多個可選擇的初級線圈，并且所述匹配網(wǎng)絡包括多個切換電容和電感，并且其中所述多個切換電容基于所述多個可選擇的初級線圈中有多少個被用于發(fā)送電力傳輸信號而被選擇性地切換。
8.權利要求1的電力發(fā)射器，其中所述至少一個初級線圈包括多個可選擇的初級線圈，并且所述多個可選擇的初級線圈中的每個被選擇性地激活，以確定與所述電子設備上的所述接收線圈最有效耦合的線圈組合。
9.權利要求8的電力發(fā)射器，其中所述線圈組合基于從所述電子設備接收的反饋信號來確定。
10.權利要求1的電力發(fā)射器，進一步包括輸入電壓檢測器，被配置為確定所述DC輸入電壓的幅值。
11.權利要求10的電力發(fā)射器，其中所述逆變器被配置為通過利用相移技術來選擇所述占空因數(shù)，以基于所確定的所述DC輸入電壓的幅值來提供所述預定的等效電壓。
12.權利要求1的電力發(fā)射器，進一步包括被耦合到所述多個可選擇的初級線圈的感測電路，并且其中所述感測電路被配置為感測在所述多個可選擇的初級線圈中的至少一個上接收的信號以促進來自所述電子設備的通信，并控制到所述電子設備的電力傳輸量。
13.權利要求1的電力發(fā)射器，進一步包括微控制器，所述微控制器被配置為控制所述逆變器、所述匹配網(wǎng)絡和所述至少一個初級線圈的操作。
14.一種電力發(fā)射器，用于對電子設備無線充電，所述電力發(fā)射器包括: 輸入端，被配置為接收可在大約5伏到大約20伏的范圍內(nèi)變化的DC輸入電壓； 輸入電壓檢測器，被耦合到所述輸入端，并被配置為確定所述DC輸入電壓的幅值； 單級橋式逆變器，被耦合到所述輸入端以接收所述DC輸入電壓，并生成AC方波信號； 匹配網(wǎng)絡，包括多個切換電容和匹配電感，所述匹配網(wǎng)絡被耦合到所述逆變器以接收所述AC方波信號，并被配置為從所述AC方波信號生成正弦型充電信號，其中所述正弦型充電信號具有基波頻率； 多個可選擇的初級線圈，被耦合到所述匹配網(wǎng)絡以接收所述正弦型充電信號，并被配置為選擇性地發(fā)送電力傳輸信號到所述電子設備上的接收線圈；以及 微控制器，被耦合到所述輸入電壓檢測器、所述逆變器、所述匹配網(wǎng)絡、和所述多個可選擇的初級線圈，所述微控制器被配置為: 控制所述逆變器以基于所確定的所述DC輸入電壓的幅值選擇地占空因數(shù)生成AC方波信號，使得所述AC方波信號提供預定的等效電壓； 控制所述多個可選擇的初級線圈以選擇性地激活與所述電子設備的所述接收線圈最有效耦合的線圈組合；以及 基于所激活的線圈組合選擇性地耦合所述匹配網(wǎng)絡中的所述多個切換電容。
15.—種對電子設備無線充電的方法,所述方法包括: 接收DC輸入電壓； 可控地逆變所述DC輸入電壓以生成具有被選擇為供預定的等效電壓的占空因數(shù)的AC方波信號； 從所述AC方波信號生成充電信號；以及 使用所述充電信號驅動至少一個初級線圈以發(fā)送電力傳輸信號到所述電子設備的接收線圈。
16.權利要求15的方法,其中可控地逆變所述DC輸入電壓以生成AC方波信號包括:使用相移拓撲結構。
17.權利要求15的方法，其中可控地逆變所述DC輸入電壓以生成AC方波信號包括:基于所述DC輸入電壓的幅值調(diào)節(jié)多個晶體管對的死區(qū)時間。
18.權利要求15的方法，進一步包括:以多個不同頻率生成所述AC方波信號，并確定所述多個不同頻率中的哪個頻率導致對所述電子設備的有效電力傳輸。
19.權利要求18的方法，其中確定所述多個不同頻率中的哪個頻率導致對所述電子設備的有效電力傳輸是基于從所述電子設備接收的反饋的。
20.權利要求15的方法，進一步包括:確定所述DC輸入電壓的幅值，并且其中所述占空因數(shù)進一步基于所述DC輸入電壓的所述幅值來選擇。
【文檔編號】H02M7/5387GK104426246SQ201310526862
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權日:2013年9月4日
【發(fā)明者】葉萬富, 高翔, 吳崇理 申請人:飛思卡爾半導體公司