本發(fā)明涉及電子設(shè)備，更具體地涉及一種用于無線電力傳輸系統(tǒng)的電力接收器。

背景技術(shù)：

無線電力傳輸系統(tǒng)(例如蜂窩電話或其他電池供電的電子設(shè)備的無線充電系統(tǒng))包括電力發(fā)射器和電力接收器，電力接收器(i)拾取由電力發(fā)射器無線地發(fā)射的電力并(ii)將所拾取的電力應(yīng)用至負(fù)載，例如蜂窩電話電池，以例如完成無線充電。在通常的無線電力傳輸系統(tǒng)中，由電力接收器拾取的電量可以是非常動態(tài)的。由此，用于無線電力傳輸系統(tǒng)的常規(guī)電力接收器設(shè)計為具有調(diào)節(jié)器電路以滿足系統(tǒng)負(fù)載需求。令人遺憾的是這樣的調(diào)節(jié)器電路可能是不可忽略的功率損耗的源頭，其對從電力發(fā)射器到負(fù)載的電力傳輸?shù)恼w效率有不利地影響。因此，更有效的電力接收器將是有益的。

附圖說明

從以下具體實施方式、所附的權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的實施例將變得更充分地明顯，在附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識類似或相同的要素。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的無線電力傳輸系統(tǒng)的簡化示意性框圖；

圖2是連接到負(fù)載的圖1的電力接收器的調(diào)節(jié)器的簡化示意性框圖；以及

圖3是示出由圖2的控制器實現(xiàn)的用于控制電流參考電平和期望的整流電壓電平的算法的流程圖。

具體實施例

在此公開了本發(fā)明的詳細(xì)的說明性實施例。然而在此描述的特定的結(jié)構(gòu)的和功能的細(xì)節(jié)僅代表描述本發(fā)明的示例性實施例的目的。本發(fā)明可以以許多替換形式實現(xiàn)，并不應(yīng)當(dāng)解釋為僅限制到在此闡述的實施例。另外，在此使用的 術(shù)語僅是用于描述特定實施例的目的，而不打算對本發(fā)明的示例性實施例進行限制。

如在此使用的，除非上下文清楚地指出，否則單數(shù)形式“一”意指還包括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)當(dāng)理解術(shù)語“包括”和/或“包含”指定存在列出的特征、步驟或部件，但不排除存在或附加一個或多個其他特征、步驟或部件。還應(yīng)當(dāng)注意在一些替換實現(xiàn)方式中，提出的功能/動作可以不按圖中提出的順序來發(fā)生。例如，相繼示出的兩個圖實際上可以基本上同時地被執(zhí)行，或者有時可以以相反的順序被執(zhí)行，這依賴于所涉及的功能/動作。

在一個實施例中，本發(fā)明是一種用于無線電力傳輸系統(tǒng)的電力接收器。該電力接收器包括(i)輸入電路，將從電力發(fā)射器無線地發(fā)射的無線電力轉(zhuǎn)換為輸入信號以及(ii)調(diào)節(jié)器，基于電流參考信號和電壓參考信號，調(diào)節(jié)輸入信號以生成經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出信號。輸出信號被施加到負(fù)載，以例如對便攜設(shè)備(例如蜂窩電話)的電池進行充電。調(diào)節(jié)器控制電流參考信號和電壓參考信號中的至少一個以控制調(diào)節(jié)器內(nèi)的功率損耗。

在另一個實施例中，本發(fā)明提供一種用于電力接收器的方法，所述電力接收器接收從電力發(fā)射器無線地發(fā)射的電力。電力接收器全局地控制電力接收器內(nèi)的輸入信號的電壓電平，以調(diào)節(jié)由電力接收器施加到負(fù)載的輸出信號的電壓電平。電力接收器還本地控制電流參考信號和電壓參考信號中的至少一個，以控制電力接收器內(nèi)的功率損耗。

現(xiàn)在參考圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的無線電力傳輸系統(tǒng)100的簡化框圖。系統(tǒng)100包括電力發(fā)射器110、電力接收器130和負(fù)載140。電力發(fā)射器110向電力接收器130無線地發(fā)射電力，所述電力接收器130接收電力并將電力提供給負(fù)載140。

在系統(tǒng)100中，使用電力發(fā)射器110中的主線圈(未明確示出)和電力接收器130中的相應(yīng)的次級線圈(也未明確示出)來完成無線電力傳輸，其中主線圈和次級線圈磁性耦合，以有效地作為無核變壓器起作用，在圖1中表示為120，其從主線圈向次級線圈無線地發(fā)射電力115，以及還從次級線圈向主線圈無線地發(fā)射電力控制信號139。

在進行無線充電的系統(tǒng)100的實現(xiàn)方式中，負(fù)載140通常地是電池，該電池用于蜂窩電話或包括電力接收器130和電池的其他電子設(shè)備，其中由電力接 收器130拾取的無線電力用于對電池充電和/或?qū)﹄娐?例如電話顯示器)供電。在執(zhí)行元線供電的系統(tǒng)100的實線方式中，電子設(shè)備是RFID標(biāo)簽、無線智能卡或其他不具有電池的電子設(shè)備，這樣無線電力由電力接收器130拾取并直接用于對設(shè)備供電。

電力接收器130包括整流器132、調(diào)節(jié)器134和控制消息調(diào)制器138。

整流器132對由次級線圈拾取的電力信號115進行整流，并向調(diào)節(jié)器134提供經(jīng)整流的輸入信號133，調(diào)節(jié)器134對經(jīng)整流的輸入信號133進行調(diào)節(jié)以向負(fù)載140提供經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出信號135。次級線圈和整流器132形成電力接收器130的輸入電路，其將從電力發(fā)射器110發(fā)射的無線電力轉(zhuǎn)換為經(jīng)整流的輸入信號133。

如以下進一步詳細(xì)解釋的，調(diào)節(jié)器134監(jiān)控經(jīng)整流的輸入信號133的電壓電平Vrect以及經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出信號135的電壓電平Vout和電流電平Iout，以降低調(diào)節(jié)器134內(nèi)的功率損耗。

電力接收器130能夠與電力發(fā)射器110通過它們共享的、有效的變壓器120進行通信，變壓器120使用無線電力控制信號139請求電力發(fā)射器110按需要升高或降低它的發(fā)射功率水平以滿足系統(tǒng)負(fù)載需求。具體地，如果調(diào)節(jié)器134確定經(jīng)整流的電壓電平Vrect太低(即低于預(yù)定值)，則調(diào)節(jié)器134將提供合適的誤差信號137，以使控制消息調(diào)制器138生成請求電力發(fā)射器110升高其發(fā)射功率水平的相應(yīng)電力控制信號139。類似地，如果調(diào)節(jié)器134確定經(jīng)整流的電壓電平Vrect太高(例如超過另一個預(yù)定值)，則調(diào)節(jié)器134將提供合適的誤差信號137，以使控制消息調(diào)制器138生成請求電力發(fā)射器110降低其發(fā)射功率水平的相應(yīng)電力控制信號139。

電力發(fā)射器110包括(i)控制消息解調(diào)器112，其對從電力接收器130接收的電力控制信號139進行解碼以及(ii)電力控制器114，其至少部分地基于相應(yīng)的解碼的電力控制信號113來適當(dāng)?shù)乜刂瓢l(fā)射器的發(fā)射功率水平。

圖2是圖1的電力接收器130中連接到負(fù)載140的調(diào)節(jié)器134的簡化示意性框圖。如圖2所示，調(diào)節(jié)器134從圖1的整流器132接收具有經(jīng)整流的電壓電平Vrect的經(jīng)整流的輸入信號133，并將具有輸出電壓電平Vout和輸出電流電平Iout的經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出信號135提供給負(fù)載140。此外，調(diào)節(jié)器134向圖1的控制消息調(diào)制器138提供誤差信號137。

經(jīng)整流的電壓電平Vrect和輸出電壓電平Vout之間的差值導(dǎo)致流過n型功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)N1和電流感測電阻器202的輸出電流電平Iout。

節(jié)點204和206處的電壓被應(yīng)用到差分放大器208的輸入端，差分放大器208的輸出信號210指示輸出電流電平Iout。輸出信號210的電壓電平作為電流反饋信號Ifb起作用，指示輸出電流電平Iout。電流反饋信號Ifb被應(yīng)用到運算放大器(opamp)212的負(fù)極輸入端，運算放大器212在其正極輸入端接收電流參考信號Iref。來自opamp 212的輸出信號214被應(yīng)用到p型控制MOSFET P1的柵極(aka控制節(jié)點)，p型控制MOSFET P1的漏極(aka輸出節(jié)點)連接到功率MOSFET N1的柵極。

類似地，分壓器216生成信號218，信號218的電壓電平作為電壓反饋信號Vfb起作用，指示輸出電壓電平Vout。電壓反饋信號Vfb被應(yīng)用到opamp 220的負(fù)極輸入端，opamp 220在其正極輸入端接收電壓參考信號Vref。來自opamp 220的輸出信號222被應(yīng)用到p型控制MOSFET P2的柵極，p型控制MOSFETP2的漏極還連接到功率MOSFET N1的柵極。注意在某些實現(xiàn)方式中，由分壓器216引出的電流非常低，使得施加到負(fù)載140的電流將基本上等于跨電阻器202測量的電流。

在操作中，當(dāng)電壓反饋信號Vfb大于電壓參考信號Vref時，則來自opamp 220的輸出信號222將降低，這將進一步打開控制MOSFET P2，這將降低控制MOSFET P2的漏極電壓并因此降低功率MOSFET N1的柵極電壓，這將進一步關(guān)閉功率MOSFET N1，從而降低輸出電壓Vout，這導(dǎo)致電壓反饋信號Vfb也降低。

類似地，當(dāng)電壓反饋信號Vfb小于電壓參考信號Vref時，則來自opamp 220的輸出信號222將升高，這將進一步關(guān)閉控制MOSFET P2，這將升高控制MOSFET P2的漏極電壓并因此升高功率MOSFET N1的柵極電壓，這將進一步打開功率MOSFET N1，從而升高輸出電壓Vout，這導(dǎo)致電壓反饋信號Vfb也升高。

以這樣的方式，電壓反饋信號Vfb將被驅(qū)動為(基本上)等于電壓參考信號Vref，在這一點上，輸出電壓電平Vout被稱為在調(diào)節(jié)中。

當(dāng)輸出電壓電平Vout在調(diào)節(jié)中時，如果電流反饋信號Ifb大于電流參考信 號Iref，則來自opamp 212的輸出信號214將降低，這將進一步打開控制MOSFET P1，這將降低控制MOSFET P1的漏極電壓并因此降低功率MOSFET N1的柵極電壓，這將進一步關(guān)閉功率MOSFET N1，從而降低輸出電流Iout和輸出電壓Vout，這導(dǎo)致電流反饋信號Ifb也降低。

當(dāng)輸出電壓電平Vout在調(diào)節(jié)中時，如果電流反饋信號Ifb小于電流參考信號Iref，則來自opamp 212的輸出信號214將關(guān)閉控制MOSFET P1。在該情況下，將由opamp 220和控制MOSFET P2的電壓反饋環(huán)路單獨地提供調(diào)節(jié)。

然而，當(dāng)電流反饋信號Ifb在電壓調(diào)節(jié)期間大于電流參考信號Iref時，例如當(dāng)Vout突然短路，則來自opamp 212的輸出信號214將打開控制MOSFET P1，這將進一步關(guān)閉功率MOSFET N1以降低Iout電平到Iref電平。在該情況下，電流調(diào)節(jié)將支配控制，因為opamp 20關(guān)閉了MOSFET P2。這被稱作限流。

注意，在任何時候，或者電壓反饋環(huán)路或者電流反饋環(huán)路運行以調(diào)節(jié)輸出電壓或輸出電流。兩個環(huán)路從不一起運行。

電壓參考信號Vref和電流參考信號Iref的電平由控制器224控制?？刂破?24可使用任何適合的基于硬件或軟件的處理器實現(xiàn)?？刂破?24接收電壓反饋信號Vfb和電流反饋信號Ifb以及經(jīng)整流的電壓電平Vrect。在以下描述的一個可能實現(xiàn)方式中，控制器224基于從Vfb、Ifb和Vrect計算的MOSFET N1上的功率損耗來動態(tài)地控制電流參考信號Iref，而電壓參考信號Vref被維持在一個固定電平處，該固定電平對應(yīng)于指定用于特定負(fù)載140的期望的輸出電壓電平Vout。

除調(diào)節(jié)輸出電壓Vout和輸出電流Iout以外，調(diào)節(jié)器134還控制調(diào)節(jié)器134內(nèi)的功率損耗，特別是跨功率MOSFET N1和電流感測電阻器202的功率損耗(Ploss)，其由以下的式子(1)給出：

Ploss＝(Vret-Vout)＊Iout. (1)

如以下所描述的，調(diào)節(jié)器134使用調(diào)整兩個參數(shù)的算法來動態(tài)地控制功率損耗(Ploss)：電流參考電平Iref和期望的經(jīng)整流的電壓電平Vrect_desired。

圖3是示出由圖2的控制器224實現(xiàn)的用于控制電流參考電平Iref和期望的經(jīng)整流的電壓電平Vrect_desired的過程的流程圖。通過控制期望的經(jīng)整流的電壓電平Vrect_desired，控制器224全局地(即在電力發(fā)射器110的幫助下)控制功率損耗(Ploss)。雖然，該控制可能相對較慢，但通過控制電流參考電平 Iref，控制器224本地地(即在調(diào)節(jié)器134中)控制功率損耗(Ploss)，這比涉及電力發(fā)射器110的全局控制快得多。

注意當(dāng)圖3的過程開始時，電流參考電平ref和電壓參考電平Vref都被初始化為特定的(例如編程的)、各自的、先驗的、初始值。圖3的過程動態(tài)地調(diào)整電流參考電平Iref的值，但使電壓參考電平Vref固定在電壓參考電平Vref的初始值。

該過程開始于步驟302，其中控制器224確定從整流器132接收的實際的經(jīng)整流輸入信號133的經(jīng)整流的電壓電平Vrect是否等于期望的整流電壓電平Vrect_desired的最新特定值。若否，則控制器224生成一合適的誤差信號137以使控制消息調(diào)制器138生成請求電力發(fā)射器110適當(dāng)?shù)厣呋蚪档推浒l(fā)射功率水平的相應(yīng)電力控制信號139，這將進而并最終導(dǎo)致經(jīng)整流的電壓電平Vrect相應(yīng)地升高或降低。

注意，為了防止該過程不期望地振蕩，如果這兩個值之差的幅度小于特定閾值，則控制器224可確定Vrect“等于”Vrect_desired?？蛇x地，控制器224可應(yīng)用一些滯后度以避免不期望的控制振蕩。

步驟302表示由控制器224實現(xiàn)的對功率損耗(Ploss)的幅度的動態(tài)地全局地控制。大部分但不是全部剩余的步驟表示由控制器224實現(xiàn)的對功率損耗(Ploss)的幅度的動態(tài)地本地地控制。

在步驟304，控制器224測量經(jīng)整流的電壓電平Vrect、輸出電壓Vout(如電壓反饋信號Vfb所示)以及輸出電流Iout(如電流反饋信號Ifb所示)，并使用式子(1)計算功率損耗(Ploss)的當(dāng)前水平。注意，依賴于分壓器216如何實現(xiàn)，電壓反饋信號Vfb將是輸出電壓Vout的分?jǐn)?shù)，控制器224將已知該分?jǐn)?shù)(例如被編程到控制器224中)。類似地，在電流反饋信號Ifb和輸出電流Iout之間將存在關(guān)聯(lián)，該關(guān)聯(lián)對控制器224是已知的。

在步驟306，控制器224確定計算出的當(dāng)前功率損耗(Ploss)是否大于調(diào)節(jié)器134的特定的、先驗的、最大期望的功率損耗Pmax。如果Ploss不大于Pmax，則處理回到步驟302。如果Ploss大于Pmax，則處理進行到步驟308，其中控制器224降低Iref的值，這可以導(dǎo)致Iref小于電流反饋信號Ifb。如果Iref小于Ifb，則如以上參照圖2所解釋的那樣，調(diào)節(jié)器134的操作將導(dǎo)致輸出電流電平Iout的降低和隨后的功率損耗(Ploss)的降低。

在步驟310，控制器224再次測量Vrect、Vout和Iout，并計算當(dāng)前功率損耗(Ploss)，以及，在步驟312，控制器224確定Ploss是否小于Pmax。若否，則處理回到步驟308，此處控制器224進一步降低Iref的值。該降低Iref的過程被重復(fù)直到控制器224在步驟312確定當(dāng)前的功率損耗(Ploss)小于Pmax，在該情況下，處理進行到步驟314。

在處理中的該點處，控制器224已經(jīng)通過降低電流參考信號Iref來對確定當(dāng)前功率損耗(Ploss)大于最大期望功率損耗Pmax做出本地反應(yīng)，導(dǎo)致Iout的顯著降低，以將當(dāng)前的功率損耗(Ploss)降低到低于Pmax的水平。注意根據(jù)式子(1)，降低Iout將易于導(dǎo)致Ploss降低，但在某些情況下，由于負(fù)載狀況改變而降低Vout(例如電阻性負(fù)載的改變，而保持Vrect固定)將易于進一步降低Iout，這會進而導(dǎo)致負(fù)載電路(例如傳感器)停止工作。

為了解決這兩個問題，在步驟314，控制器224降低期望的經(jīng)整流的電壓電平Vrect_desired以降低Vrect。在步驟316，控制器224生成合適的誤差信號137，其將導(dǎo)致控制消息調(diào)制器138生成將導(dǎo)致電力發(fā)射器110降低其發(fā)射功率水平的相應(yīng)電力控制信號139，這應(yīng)當(dāng)導(dǎo)致Vrect降低。

在步驟318，控制器224再次測量Vrect、Vout和Iout，并計算當(dāng)前功率損耗(Ploss)，并且在步驟320，控制器224再次確定Ploss是否小于Pmax。如果Ploss不小于Pmax，則處理回到步驟308以進一步降低Iref并因此降低Iout以再次試圖使Ploss小于Pmax。

如果，在步驟320，控制器224確定Ploss小于Pmax，則處理進行到步驟322，此處控制器224確定Vrect是否等于(或至少充分接近)Vrect_desired。若否，則處理返回到步驟316，此處控制器224生成另一個合適的誤差消息137以使電力發(fā)射器110再次調(diào)整其發(fā)射功率水平。注意根據(jù)Vrect是否大于或小于Vrect_desired，誤差消息137將使電力發(fā)射器110降低或升高其發(fā)射功率水平。

該處理將繼續(xù)按需要調(diào)整Iref和Vrect_desired兩者直到(1)Ploss小于Pmax并且(2)Vrect(大約)等于Vrect_desired。在該點處，處理進行到步驟324，此處Iref的值被恢復(fù)到其初始特定電平。處理然后回到步驟304和306以計算并確定恢復(fù)的Iref電平是否導(dǎo)致Ploss再次大于Pmax。

圖3的過程使控制器224動態(tài)地且直接地控制Vrect_desired和Iref兩者的值，以控制Vrect和Iout兩者的電平，以保持當(dāng)前功率損耗Ploss小于或等于 Pmax。雖然該過程沒有主動控制電壓參考信號Vref的電平，但在其他實現(xiàn)方式中，控制器224除了Iref和/或Vrect_desired之外或代替Iref和/或Vrect_desired，主動地控制Vref。

為了本說明書的目的，術(shù)語“耦合”、“耦合到”、“被耦合”、“連接”、“連接到”或“被連接”是指本領(lǐng)域中已知的或以后將發(fā)展出的任何形式，其中能量被允許在兩個或更多個元件之間傳送，以及構(gòu)想出插入一個或多個附加元件(雖然不是必需的)。相反地，術(shù)語“直接耦合”、“直接連接”等暗指不存在這樣的附加元件。

同樣，為了本公開的目的，除非另外示出，否則應(yīng)當(dāng)理解所有柵極從一個固定的電壓電力域(或多個域)和接地供電。從而，所有數(shù)字信號通常具有范圍從大約接地電位到電力域中一個的電位的電壓以及快速的過渡(回轉(zhuǎn))。然而，除非另有說明，否則接地可以被認(rèn)為電源具有近似為零伏特的電壓，以及可以用具有任何期望電壓的電源代替接地。因此，所有柵極可以由至少兩個電源供電，其中伴隨的數(shù)字信號具有范圍在電源的近似電壓之間的電壓。

為了此處的目的，信號和相應(yīng)的節(jié)點、端口或路徑可以由相同的名稱進行指代的并是可交換的。

除非另外明示，否則每個數(shù)字值和范圍應(yīng)當(dāng)被解釋為是近似的，如同在該值或范圍之前有詞語“大約”或“近似”。

還應(yīng)當(dāng)理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以進行對一些部分的細(xì)節(jié)、材料和布置的不同改變，而不脫離以下權(quán)利要求所包含的本發(fā)明的實施例，其中為了解釋本發(fā)明的實施例已經(jīng)描述和示出了這些部分的細(xì)節(jié)、材料和布置。

在包括任何權(quán)利要求的該說明書中，術(shù)語“每”可用于指多個先前所列舉的元件或步驟中的一個或多個特定的特征。當(dāng)與開放式的術(shù)語“包括”一起使用時，術(shù)語“每”的列舉不排除附加、未列出的元件或步驟。因此，應(yīng)當(dāng)理解裝置可包括附加、未列舉的元件，并且方法可具有附加、未列舉的步驟，其中附加、未列舉的元件或步驟不具有所述一個或多個特定的特征。

應(yīng)當(dāng)理解在此解釋的示例的方法的步驟不必需要以所描述的順序執(zhí)行，并且該方法的步驟的順序應(yīng)被理解為僅是示例性的。同樣地，附加步驟可包括在該方法中，并且在與本發(fā)明的多個實施例一致的方法中，某些步驟可以被刪除或合并。

雖然即便使用相應(yīng)的標(biāo)記在特定的序列中列舉了以下方法權(quán)利要求中的要素，但是，除非權(quán)利要求的陳述另外地暗示了執(zhí)行這些要素的某些和全部的特定的序列，否則這些要素不必意指被限制為以那樣特定的序列被實現(xiàn)。

此處提及“一個實施例”或“一個實施”意味著有關(guān)該實施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。在說明書的許多地方出現(xiàn)短語“在一個實施例中”不必全部指相同的實施例，也不是需與其他實施例相互排除的獨立或替換的實施例。這同樣應(yīng)用于術(shù)語“實現(xiàn)方式”。