本申請要求2014年8月25日提交的名稱為“經(jīng)濟的高性能無線功率傳輸技術(shù)(cost-effectivehighperformancewirelesspowertransfertechniques)”、申請?zhí)枮?2/041,161的美國臨時申請的權(quán)益，上述申請以引入的方式并入本文中。

本發(fā)明涉及高性能電源，以及在具體實施方式中，涉及無線功率傳輸(powertransfer，電能傳輸)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無線功率傳輸(wpt)已成為用于向基于電池的移動設(shè)備(例如移動電話、平板電腦、數(shù)碼相機和/或mp3播放器等)供電或充電的方便有效的機制。無線功率傳輸系統(tǒng)通常包括原邊(primaryside)發(fā)送器和副邊(secondaryside)接收器。通過磁耦合將原邊發(fā)送器磁耦合至副邊接收器。磁耦合可以實施為松耦合的變壓器，松耦合的變壓器具有形成在原邊發(fā)送器中的原邊線圈和形成在副邊接收器中的副邊線圈。

圖1示出了無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖。圖1所示的無線功率傳輸系統(tǒng)是無線充電聯(lián)盟(a4wp)組織規(guī)定的示例性系統(tǒng)。圖1示出的無線功率傳輸系統(tǒng)包括功率發(fā)送器和功率接收器。通過磁耦合，功率從功率發(fā)送器傳輸至功率接收器。

功率發(fā)送器包括在功率輸入和發(fā)送器線圈之間級聯(lián)連接的發(fā)送器dc/dc變換器、功率放大器、阻抗匹配電路和諧振電路。功率發(fā)送器還包括發(fā)送器藍(lán)牙單元，發(fā)送器藍(lán)牙單元具有耦接至接收器藍(lán)牙單元的第一輸入/輸出以及耦接至功率發(fā)送器的dc/dc變換器的第二輸入/輸出。功率接收器包括在接收器線圈和負(fù)載之間級聯(lián)連接的諧振電路、整流器、接收器dc/dc變換器。功率接收器還包括接收器藍(lán)牙單元，接收器藍(lán)牙單元具有耦接至接收器dc/dc變換器的第二輸入/輸出。

根據(jù)a4wp的標(biāo)準(zhǔn)，功率發(fā)送器在從6.765mhz至6.795mhz(標(biāo)稱6.78mhz)的頻帶內(nèi)的固定系統(tǒng)頻率下運行。發(fā)送器將在其輸入處的直流功率變換為頻帶內(nèi)的高頻交流功率。通過諧振電路(通常一個或多個電容器)耦接至功率放大器的發(fā)送器線圈形成具有諧振電路的發(fā)送器諧振回路(transmitterresonanttank)并且在系統(tǒng)頻率產(chǎn)生磁場。通過磁耦合，功率被傳輸至接收器線圈附近。同樣，功率接收器的接收器線圈和諧振電路構(gòu)成接收器諧振回路。

耦接至接收器線圈的諧振電路和耦接至發(fā)送器線圈的諧振電路均可以包括一個或多個電容器。發(fā)送器諧振回路的諧振頻率和接收器諧振回路的諧振頻率被設(shè)計為系統(tǒng)頻率，系統(tǒng)頻率是由功率放大器的開關(guān)頻率決定的。

為了使功率放大器的功率能力和電參數(shù)與功率發(fā)送器中的諧振回路的功率能力和電參數(shù)匹配，阻抗匹配電路耦接在功率放大器和發(fā)送器諧振電路之間，如圖1所示。

在功率接收器中的整流器將來自接收器線圈的高頻交流功率轉(zhuǎn)換為直流功率，并通過接收器dc/dc變換器將直流功率傳送到負(fù)載。在圖1所示的系統(tǒng)中，對于發(fā)送到功率放大器的給定輸入電壓vin，由于各種因素，例如發(fā)送器和接收器之間的耦合效率變化、負(fù)載變化等，整流器的輸出電壓vo可能在寬范圍內(nèi)變化。為了將輸出電壓控制在可接受范圍，可以采用發(fā)送器dc/dc變換器來控制發(fā)送到功率放大器的電壓，并且可以采用接收器dc/dc變換器來進(jìn)一步調(diào)節(jié)供給負(fù)載的電壓。因為輸入功率很可能來自被接插到交流電源的ac/dc適配器，發(fā)送器dc/dc變換器被實施為dc/dc變換器。類似地，接收器dc/dc變換器通常被實施為dc/dc變換器。負(fù)載可以是實際負(fù)載，例如集成電路(ic)、電池等。或者，負(fù)載可以是下游變換器，例如電池充電器、耦接至實際負(fù)載的dc/dc變換器等。

發(fā)送器藍(lán)牙單元和接收器藍(lán)牙單元構(gòu)成在功率接收器和功率發(fā)送器之間提供通信信道的藍(lán)牙通信子系統(tǒng)。例如，電壓控制信號可以通過此藍(lán)牙通信子系統(tǒng)傳送。應(yīng)該注意的是，其它通信技術(shù)，例如wifi、zigbee裝置等，也可以用于功率發(fā)送器和功率接收器之間的通信。此外，功率接收器和功率發(fā)送器之間的帶內(nèi)通信也可以通過調(diào)制在功率接收器和功率發(fā)送器之間傳送的功率信號來執(zhí)行。

圖1所示的系統(tǒng)包括許多級。圖1所示的系統(tǒng)中的許多部件可能有高電壓/電流應(yīng)力。因此，圖1所示的系統(tǒng)是復(fù)雜的系統(tǒng)，這導(dǎo)致高成本低效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

通過提高無線功率傳輸系統(tǒng)的效率的本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，通常解決或規(guī)避了上述的以及其它問題，并且實現(xiàn)了技術(shù)優(yōu)點。

根據(jù)一個實施方式，一種系統(tǒng)，包括：耦接至電源的原邊開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，其中所述原邊開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括多個功率開關(guān)；耦接至所述多個功率開關(guān)的原邊諧振回路，其中所述原邊諧振回路的諧振電容器由第一可變電容網(wǎng)絡(luò)形成，并且其中調(diào)制所述第一可變電容網(wǎng)絡(luò)以通過降低開關(guān)在接通瞬間的電壓電平和電流電平來改善所述多個功率開關(guān)的軟開關(guān)(softswitching，軟切換)；以及耦接至所述原邊諧振回路的原邊線圈。

根據(jù)另一實施方式，一種方法，包括：檢測表示原邊開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的功率開關(guān)在導(dǎo)通過程(turn-ontransition)時的電流電平的信號，其中所述原邊開關(guān)網(wǎng)絡(luò)被耦接至原邊諧振回路，所述原邊諧振回路具有由包括多個開關(guān)-電容器網(wǎng)絡(luò)的第一可變電容網(wǎng)絡(luò)形成的諧振電容器；以及調(diào)制所述第一可變電容網(wǎng)絡(luò)的電容以通過降低所述功率開關(guān)在所述導(dǎo)通過程時的電壓電平和電流電平來改善所述功率開關(guān)的軟開關(guān)。

根據(jù)又一實施方式，一種方法，包括：提供無線功率傳輸系統(tǒng)，所述無線功率傳輸系統(tǒng)包括磁耦合至第一接收器的發(fā)送器，其中所述發(fā)送器包括：耦接至輸入電源的功率放大器、包括第一可變電容網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送器諧振回路以及耦接至所述發(fā)送器諧振回路的發(fā)送器線圈，并且所述第一接收器包括：包括第一接收器可變電容網(wǎng)絡(luò)的第一接收器諧振回路以及耦接至所述第一接收器諧振回路的第一接收器線圈。

該方法進(jìn)一步包括：調(diào)制所述第一可變電容網(wǎng)絡(luò)的電容使得所述功率放大器的開關(guān)實現(xiàn)改善的軟開關(guān)條件。

本發(fā)明優(yōu)選實施方案的優(yōu)點是通過調(diào)節(jié)無線功率傳輸系統(tǒng)的至少一個諧振部件而改善了無線功率傳輸系統(tǒng)的性能。

前面已經(jīng)相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點，以便于可以更好地理解以下對本發(fā)明的詳細(xì)描述。下面對構(gòu)成本發(fā)明的權(quán)利要求的主題的其它的特征和優(yōu)點進(jìn)行描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到可以容易地以本發(fā)明揭露的概念和具體實施方式為基礎(chǔ)，修改或設(shè)計用于實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)或流程。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)意識到這些等效構(gòu)成沒有背離所附權(quán)利要求書中闡述的本發(fā)明的精神和范圍。

附圖說明

為了更全面地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，參考以下結(jié)合附圖的描述，其中：

圖1示出了無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖；

圖2示出了根據(jù)本公開各種實施方式的無線功率傳輸系統(tǒng)的功率發(fā)送器的第一實施例的框圖；

圖3示出了根據(jù)本公開各種實施方式的無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖；

圖4示出了根據(jù)本公開各種實施方式的圖3所示的無線功率傳輸系統(tǒng)的第一emi濾波器的第一示例性實施例的示意圖；

圖5示出了根據(jù)本公開各種實施方式的圖4所示的諧波陷波電路的第一示例性實施例的示意圖；

圖6示出了根據(jù)本公開各種實施方式的具有阻抗匹配電路的無線功率傳輸系統(tǒng)的示意圖；

圖7示出了根據(jù)本公開各種實施方式的與圖6所示的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形；

圖8示出了根據(jù)本公開各種實施方式的基于可變電容技術(shù)啟用的受控諧振的具有更高效率的無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖；

圖9示出了根據(jù)本公開各種實施方式的由諧振調(diào)制技術(shù)控制的無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖；

圖10示出了根據(jù)本公開各種實施方式的圖9所示的無線功率傳輸系統(tǒng)的示意圖；

圖11示出了根據(jù)本公開各種實施方式的無線功率傳輸系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)的實施例的框圖；

圖12示出了根據(jù)本公開各種實施方式的與具有在發(fā)送器和接收器線圈之間的弱耦合的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形；

圖13示出了根據(jù)本公開各種實施方式的與具有圖12的相同耦合的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形；

圖14示出了根據(jù)本公開各種實施方式的與在發(fā)送器線圈和接收器線圈之間具有更強耦合的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形；

圖15示出了根據(jù)本公開各種實施方式的可變?nèi)萘烤W(wǎng)絡(luò)的示意圖；

圖16示出了根據(jù)本公開各種實施方式的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器的示意圖；

圖17示出了根據(jù)本公開各種實施方式的與圖16所示的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器相關(guān)的各種波形；

圖18示出了根據(jù)本公開各種實施方式的與以超輕負(fù)載模式運行的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器相關(guān)的各種波形；

圖19示出了根據(jù)本公開各種實施方式的圖16中采用的集成磁性結(jié)構(gòu)的截面圖。

除非另有說明，否則不同附圖中的相應(yīng)數(shù)字和符號通常是指相應(yīng)的元件。附圖的繪制是為了清楚地圖示不同實施方式的相關(guān)方面，而不一定是按比例繪制。

具體實施方式

以下對目前優(yōu)選的實施方式的制造和使用進(jìn)行詳細(xì)討論。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明提供了許多可應(yīng)用的發(fā)明概念，其可以在各種各樣的特定場景中具體化。所討論的具體實施方式僅用于示例說明制造和使用本發(fā)明的具體方式，而并不限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明將描述關(guān)于特定場景中的優(yōu)選實施方式，即具有多個可變電容網(wǎng)絡(luò)的無線功率傳輸系統(tǒng)。然而，本發(fā)明也可應(yīng)用于各種其它功率系統(tǒng)。下文中，將參考附圖詳細(xì)說明各種實施方式。

圖2示出了根據(jù)本公開各種實施方式的無線功率傳輸系統(tǒng)的功率發(fā)送器的第一實施例的框圖。功率發(fā)送器200包括在功率輸入vin和發(fā)送器線圈之間級聯(lián)連接的功率變換器202、功率放大器204、可選的阻抗匹配電路206以及諧振電路208。功率發(fā)送器200還包括通信裝置212和頻率生成單元214。由通信裝置212產(chǎn)生的參考時鐘被供給頻率生成單元214。頻率生成單元214生成被供給功率放大器204的系統(tǒng)頻率信號，如圖2所示。

為了滿足無線功率傳輸系統(tǒng)的嚴(yán)格的emc要求，可能要求功率發(fā)送器200的功率放大器204提供正弦形狀的電流或電壓。要求被供給發(fā)送器線圈的這樣的正弦形狀的電流或電壓在工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)學(xué)(industrial，scientificandmedical(ism))頻帶內(nèi)。為了將功率放大器204產(chǎn)生的電壓或電流信號維持在ism帶內(nèi)，需要高精度部件來生成系統(tǒng)頻率信號。

圖2示出了基于通信系統(tǒng)中的頻率信號生成系統(tǒng)頻率信號的機制。在無線功率傳輸系統(tǒng)中，可以有多個時鐘可用。例如，藍(lán)牙裝置可以具有多個系統(tǒng)時鐘，例如3.2khz本地時鐘、參考時鐘、其它高精度導(dǎo)出的時鐘、以及與其物理rf信道的rf載波頻率對應(yīng)的rf時鐘。系統(tǒng)時鐘和rf時鐘可以用于生成參考信號fr，如圖2所示。在一些實施方式中，系統(tǒng)時鐘具有低頻率。這樣的低頻率信號能夠傳送較長的距離，而不會引起噪聲問題。因此，可以采用系統(tǒng)時鐘作為功率放大器204的參考頻率?？梢酝ㄟ^使用簡單電路，例如基于計數(shù)器的倍頻器、頻分器等，生成圖2所示的系統(tǒng)頻率fs。頻率生成單元214可以包括上述簡單電路，生成具有在指定頻帶內(nèi)的頻率的系統(tǒng)頻率信號fs。

在一些實施方式中，系統(tǒng)頻率fs具有參考頻率fr的k倍的頻率，其中k為整數(shù)。在替代實施方式中，系統(tǒng)頻率fs具有等于參考頻率fr除以k的頻率。在一些實施方式中，系統(tǒng)頻率fs被發(fā)送給功率放大器204，并用于控制功率放大器204的開關(guān)。

在一些實施方式中，頻率生成單元214是通信裝置的一部分。功率放大器的其它控制和保護(hù)功能可以通過微控制器、狀態(tài)機或其它電路實施，并且可以與藍(lán)牙功能集成到一個ic。在替代實施方式中，頻率生成單元214是功率放大器204的一部分。此外，頻率生成單元214可以實施為在通信裝置212和功率放大器204之間的獨立部分。

輻射rf發(fā)射對于在無線功率傳輸系統(tǒng)中的emc合規(guī)性是非常重要的關(guān)注點。一個重要的考慮因素是降低由發(fā)送器線圈和接收器線圈中的電流引起的干擾。為此，采用emi濾波器以減少轉(zhuǎn)發(fā)器線圈中的電流的高頻分量以及接收器線圈中的電流的高頻分量。

圖3示出了根據(jù)本公開各種實施方式的無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖。圖3所示的無線功率傳輸系統(tǒng)300的框圖類似于圖1所示的框圖，但是第一emi濾波器302耦接在功率發(fā)送器的功率放大器和諧振電路之間，并且第二emi濾波器312耦接在功率接收器的諧振電路和整流器之間。為了簡單起見，這里僅僅詳細(xì)描述了第一emi濾波器302和第二emi濾波器312。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖1所示的阻抗匹配電路可以放在第一emi濾波器302之前或之后。此外，阻抗匹配電路可以是第一emi濾波器302的一部分。

在一些應(yīng)用中，僅在功率發(fā)送器或者僅在功率接收器中有emi濾波器也是可行的。在一些實施方式中，圖3所示的emi濾波器可以具有不同的配置，例如低通濾波器、帶通濾波器以及其它合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在一些實施方式中，圖3所示的emi濾波器可包括形成具有一個或多個諧振頻率的諧振電路的電感器和電容器。將參照圖4和5描述emi濾波器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖4示出了根據(jù)本公開各種實施方式的圖3所示的無線功率傳輸系統(tǒng)的第一emi濾波器的第一示例性實施例的示意圖。圖4示出了功率發(fā)送器耦合至功率接收器。為了簡潔起見，并沒有示出功率接收器的詳細(xì)示意圖。功率發(fā)送器包括功率放大器402、emi濾波器404以及包括串聯(lián)連接在vin和發(fā)送器線圈lt之間的crt的諧振電路。

在一些實施方式中，功率放大器402被實施為如圖4所示的d類功率放大器。功率放大器402包括在vin的兩端子之間串聯(lián)連接的開關(guān)s1和s2。開關(guān)s1和s2的共同節(jié)點連接到emi濾波器404的輸入。應(yīng)當(dāng)注意的是未示出阻抗匹配電路。根據(jù)不同的應(yīng)用和設(shè)計需要，阻抗匹配電路可以放置在emi濾波器404之前或之后。

emi濾波器404包括電感器l1、l2、l3和l4以及電容器c1、c2、c3和c4。如圖4所示，l1和c1并聯(lián)連接。l2和c2并聯(lián)連接。l3和c3串聯(lián)連接。l4和c4串聯(lián)連接。在一些實施方式中，l1和c1構(gòu)成第一諧波勢阱電路(harmonictrapcircuit)；l2和c2構(gòu)成第二諧波勢阱電路；l3和c3構(gòu)成第一諧波陷波電路(harmonicnotchcircuit)；l4和c4構(gòu)成第二諧波陷波電路。

應(yīng)當(dāng)注意的是，圖4示出了在每個諧波抑制電路中僅僅包括一個電容器。這僅僅是示例。圖4所示的各個諧波抑制電路可以包括數(shù)百個這樣的電容器。這里示出的電容器數(shù)量僅限于為了清楚地說明各個實施方式的創(chuàng)造性方面。本發(fā)明不限于任何特定數(shù)量的電容器。

諧波勢阱電路和諧波陷波電路的諧振頻率可以被設(shè)置為將抑制諧波的頻率。在一些實施方式中，諧波勢阱電路和相應(yīng)的諧波陷波電路可以具有相同的諧振頻率。例如，在圖4中，包括l1和c1的第一諧波勢阱電路以及包括l3和c3的第一諧波陷波電路可以被設(shè)計用于抑制三次諧波。由于三次諧波是主導(dǎo)諧波，與其它高次諧波相比需要更多的濾波。使用第一濾波勢阱電路和第一濾波陷波電路兩者抑制三次濾波幫助emi濾波器實現(xiàn)更好的諧波抑制。

在一些實施方式中，包括l2和c2的第二諧波勢阱電路可以被設(shè)置用于抑制五次諧波。包括l4和c4的第二諧波陷波電路可以被設(shè)置用于抑制七次諧波。這樣，將顯著減少三次、五次及七次諧波電流，而且還可以抑制其它高次諧波。結(jié)果，轉(zhuǎn)發(fā)器線圈lt中的電流將會基本是正弦的。應(yīng)當(dāng)注意的是，為了實現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能，期望在圖4中示出的任何諧波勢阱電路具有低電感路徑并且在圖4中示出的任何諧波陷波電路具有低電容路徑。這樣的配置幫助減少對在基本頻率運行的無線傳輸系統(tǒng)的影響。應(yīng)當(dāng)注意的是，基本頻率等于或約等于無線功率傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率。

在實際的濾波器實施中，確保emi濾波器的關(guān)鍵諧振頻率與它們的規(guī)定頻率匹配是非常重要的。例如，諧波勢阱電路和諧波陷波電路的諧振頻率接近期望值是合適的。為了以最小成本和努力實現(xiàn)這一點，圖4中示出的一些電感器和電容器可以用合適的半導(dǎo)體制造過程集成到一個封裝中。可以在半導(dǎo)體制造過程中微調(diào)(trim，修整)電感器和/或電容器的值，從而實現(xiàn)所需的諧振頻率。將參照圖5在下文中描述詳細(xì)的微調(diào)過程。

圖5示出了根據(jù)本公開各種實施方式的圖4所示的諧波陷波電路的第一示例性實施例的示意圖。圖4所示的諧波陷波電路包括l3和c3。在圖5所示的諧波陷波電路的第一實施例中，c3可以由多個電容器替代。如圖5中所示，c3是包括c10、c11、c12、c13和c14的可微調(diào)(trimmable)電容器。

在一些實施方式中，l3和c3可以在相同的襯底上制造。使用第一半導(dǎo)體制造過程在半導(dǎo)體襯底上制造電容器c3。在包含電容器c3的半導(dǎo)體襯底上制造電感器l3。在替代實施方式中，在單獨的半導(dǎo)體襯底上制造l3，然后將其堆疊在包括電容器c3的半導(dǎo)體襯底上。此外，在被耦接至包含電容器c3的半導(dǎo)體襯底的單獨襯底上制造l3。此外，l3可以為耦接至包含電容器c3的封裝的分離元件。以上制造過程是本領(lǐng)域公知的，因此不在本文進(jìn)行更詳細(xì)的討論。

在一些實施方式中，圖5所示的所有電容器是被制造在半導(dǎo)體襯底上的電容器。在替代實施方式中，至少一個電容器(例如電容器c10)是耦接至半導(dǎo)體襯底(其它電容器制造于該半導(dǎo)體襯底上)上的分離電容器。分離電容器的電容大于制造于半導(dǎo)體襯底上的電容器的總電容。

如圖5所示，電容器c10和電感器l3串聯(lián)連接。電容器c11和第一微調(diào)器件f11串聯(lián)連接并且進(jìn)一步與電容器c10并聯(lián)連接。同樣，電容器c12和第二微調(diào)器件f12串聯(lián)連接并且進(jìn)一步與電容器c10并聯(lián)連接；電容器c13和第三微調(diào)器件f13串聯(lián)連接并且進(jìn)一步與電容器c10并聯(lián)連接；電容器c14和第四微調(diào)器件f14串聯(lián)連接并且進(jìn)一步與電容器c10并聯(lián)連接。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，盡管圖5示出了包括四個微調(diào)器件以及它們的相應(yīng)電容器的可微調(diào)電容器c3，但是可微調(diào)電容器c3可以容納任何數(shù)量的微調(diào)器件及它們的相應(yīng)電容器。

在可微調(diào)電容器c3的制造過程中，各個微調(diào)器件最初處于短路狀態(tài)。取決于設(shè)計需要，圖5所示的微調(diào)器件可以變?yōu)殚_路，從而改變可微調(diào)電容器c3的總電容。在一些實施方式中，圖5所示的微調(diào)器件可以實施為任何合適的半導(dǎo)體元件，例如金屬連線(“metaltrace”)、熔斷器、低值電阻器或通過向其施加電能或者通過機械力(例如激光切割)而具有從短路(低電阻)狀態(tài)到開路(高電阻)狀態(tài)的值變化的任何類似的部件。

在制造過程中，各種因素可能影響l3和c10的最終值。此外，耦接在l3和c10之間的互連部件可能導(dǎo)致lc諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率的進(jìn)一步不準(zhǔn)確。通過改變微調(diào)器件的狀態(tài)，可以通過選擇與c10并聯(lián)連接的電容器的數(shù)量來提高諧振頻率的精度。

在一些實施方式中，圖5所示的電容器遵循倍數(shù)關(guān)系，以便簡化微調(diào)過程。具體地，c11的電容等于c10的電容的一半；c12的電容等于c11的電容的一半；c13的電容等于c12的電容的一半；c14的電容等于c13的電容的一半。

這些微調(diào)器件的值可以在制造過程中通過評估電容器c3和電感器l3的實際值或通過評估lc網(wǎng)絡(luò)的阻抗來決定。例如，在l3和c3已經(jīng)被制造到封裝上之后，可以使用并聯(lián)連接的所有電容器c10到c14來測試圖5所示的點a和點b之間的阻抗，以找到lc串聯(lián)諧振電路的諧振頻率。通過將測量出的諧振頻率與期望的諧振頻率進(jìn)行比較，可以計算出待微調(diào)掉的電容的百分比。然后，相應(yīng)的微調(diào)器件可以變成開路狀態(tài)以獲得c3的適當(dāng)電容。

應(yīng)當(dāng)注意，上面參照圖5描述的微調(diào)處理僅僅是示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，微調(diào)過程可以適用于圖4所示的其它emi元件。

諸如多個諧波勢阱電路和諧波陷波電路的復(fù)雜lc網(wǎng)絡(luò)，或者甚至圖4所示的emi濾波器可以以類似的方式借助于半導(dǎo)體制造過程被集成到封裝中。為了獲得期望的諧振頻率，可以以類似于圖5所示的方式微調(diào)多個電容器。

應(yīng)當(dāng)注意，當(dāng)微調(diào)處理可應(yīng)用于并聯(lián)的多個分支時，重要的是并聯(lián)連接不應(yīng)在封裝內(nèi)部連接。例如，如果圖4所示的emi濾波器的c3和/或c4需要微調(diào)，則圖4中所示的點a和點b應(yīng)分別連接到封裝的兩個單獨的互連引腳，而不是在封裝內(nèi)部短路。通過在封裝外部連接這些點，可以正確地測量每個分量的值以及每個分支(例如，由l3和c3組成的一個分支以及由l4和c4組成的另一分支)的阻抗。在一些實施方式中，這兩個互連引腳可以通過稍后在系統(tǒng)板上的金屬連線連接在一起。以這種方式，濾波器功能將在系統(tǒng)級執(zhí)行，而濾波器元件的并聯(lián)分支可以被分別微調(diào)，因為這兩個分支在微調(diào)處理期間彼此分離。

應(yīng)當(dāng)注意，圖4和圖5中所示的emi濾波器拓?fù)鋬H是示例，其不應(yīng)不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識到許多變化、替代和修改。還應(yīng)當(dāng)注意，圖4和圖5中所示的emi濾波器的全部或部分可以通過使用合適的制造過程與功率放大器和/或線圈集成。

圖6示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的具有阻抗匹配電路的無線功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。無線功率傳輸系統(tǒng)600包括發(fā)送器602和接收器612。發(fā)送器602包括由串聯(lián)連接的s1和s2形成的功率放大器604、阻抗匹配電路606、由耦接在vin和發(fā)送器線圈lt之間的crt形成的發(fā)送器諧振電路。接收器612包括由crr形成的接收器諧振電路、由d1和d2形成的整流器以及耦接在接收器線圈lr和負(fù)載之間的輸出電容器co。

阻抗匹配電路606包括第一電感器l1、第二電感器l2和第一電容器c1。如圖6所示，第一電感器l1和第二電感器l2串聯(lián)連接。第一電容器c1連接到第一電感器l1和第二電感器l2的共同節(jié)點。

在一些實施方式中，基于無線功率傳輸系統(tǒng)600的阻抗匹配要求來計算l1、l2和c1的值。然而，如果僅基于計算出的值選擇這些分量，則s1和s2可能不能實現(xiàn)軟開關(guān)。結(jié)果，功率放大器中的功率損耗可能過高。在一些實施方式中，c1的值可以被調(diào)整為稍微遠(yuǎn)離c1的計算值的值。通過調(diào)整c1的值，功率放大器604可實現(xiàn)軟開關(guān)，并且對阻抗匹配電路606的阻抗匹配功能具有最小的影響。

圖7示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的與圖6所示的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形。圖7的水平軸表示時間間隔。水平軸的單位是納秒?？梢杂兴膫€垂直軸。第一垂直軸y1表示開關(guān)s2的漏極到源極兩端的電壓(vsw)，開關(guān)s2的柵極驅(qū)動電壓(vs2g)和輸出電壓vo。第二垂直軸y2表示流經(jīng)第一電感器l1的電流(isw)和第一電容器c1兩端的電壓(vc1)。第三垂直軸y3表示流經(jīng)發(fā)送器線圈lt的電流(it)和電容器crt兩端的電壓(vcrt)。第四垂直軸y4表示流經(jīng)接收器線圈lr的電流(ir)和電容器crr兩端的電壓(vcrr)。

從vsw的波形可以清楚地看出，功率開關(guān)(例如，功率開關(guān)s2)在大約等于零的電壓下導(dǎo)通。結(jié)果，實現(xiàn)軟開關(guān)。vs2g是s2的柵極驅(qū)動電壓。如圖7所示，vs2g在vsw減小到大約等于零的電壓之后開始上升。應(yīng)當(dāng)注意，上述軟開關(guān)是通過響應(yīng)于不同的運行條件(例如不同的輸出功率和/或不同的輸入電壓)來調(diào)整c1的電容來實現(xiàn)的。此外，c1的電容的調(diào)節(jié)也與發(fā)送器線圈的電感、接收器線圈的電感和/或發(fā)送器線圈和接收器線圈之間的耦合的變化相關(guān)。

為了在寬范圍的運行條件下維持軟開關(guān)而不在發(fā)送器中的功率部件上引起過大的電流和電壓應(yīng)力，最好自適應(yīng)地改變c1的電容。本申請的同一發(fā)明人的名為“高效率高頻諧振功率轉(zhuǎn)換(highefficiencyhighfrequencyresonantpowerconversion)”的美國專利申請14/177,049公開了自適應(yīng)地改變電容的技術(shù)。這樣的技術(shù)可以應(yīng)用于本申請，以便實時改變c1的電容。換句話說，c1的電容可以根據(jù)不同的系統(tǒng)需要動態(tài)地調(diào)整或調(diào)制。

圖8示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的基于由可變電容技術(shù)的受控諧振的具有更高效率的無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖。除了使用發(fā)送器控制器802和接收器控制器812分別調(diào)整發(fā)送器諧振電路和接收器諧振電路的電容之外，圖8所示的無線功率傳輸系統(tǒng)800的結(jié)構(gòu)與圖3所示的結(jié)構(gòu)類似。

發(fā)送器控制器802從發(fā)送器中的輸入功率變換器、功率放大器、發(fā)送器諧振回路和藍(lán)牙通信單元取得信息?；谠撔畔?，發(fā)送器控制器802能夠通過調(diào)制被耦接至發(fā)送器線圈的發(fā)送器諧振電路中的電容和/或電感來調(diào)整功率發(fā)送器的運行。此外，發(fā)送器控制器802能夠動態(tài)地改變功率放大器中的開關(guān)的時序，并改變供給功率放大器的輸入電壓vin。

接收器控制器812從接收器中的輸出功率變換器、整流器vo的輸出電壓、接收器諧振電路和藍(lán)牙通信單元取得信息。基于該信息，接收器控制器能夠通過調(diào)制被耦接到接收器線圈的接收器諧振回路中的電容和/或電感來調(diào)節(jié)接收器的運行。

以這種方式，本地控制器(例如，發(fā)送器控制器802和接收器控制器812)提供快速控制動作，而藍(lán)牙通信單元可以提供緩慢的控制和調(diào)節(jié)功能。應(yīng)當(dāng)注意，阻抗匹配電路對于圖8中所示的系統(tǒng)是可選的，并且在大多數(shù)時間可能不需要，因此，為了簡潔起見在圖8中未示出。

具有上述電容調(diào)制技術(shù)的一個有利特征是發(fā)送器諧振電路和接收器諧振電路的諧振頻率可以動態(tài)地微調(diào)，使得諧振頻率等于或大致等于無線功率傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率(例如，在基于a4wp的系統(tǒng)中為6.78mhz)。結(jié)果，提高了無線功率傳輸系統(tǒng)800的效率。

具有上述電容調(diào)制技術(shù)的另一個有利特征是可以改進(jìn)包括在功率發(fā)送器和功率接收器之間的功率傳輸?shù)墓β侍幚?。例如，可以通過調(diào)制電容來調(diào)節(jié)輸出電壓vo。這種調(diào)整后的輸出電壓有助于節(jié)省圖8所示的輸出功率變換器和/或輸入功率變換器。結(jié)果，可以降低系統(tǒng)成本。下面將參照圖9至圖15描述該有利特征的詳細(xì)實施例。

圖9示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的由諧振調(diào)制技術(shù)控制的無線功率傳輸系統(tǒng)的框圖。無線功率傳輸系統(tǒng)900類似于圖8所示的系統(tǒng)，除了由于將諧振調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于無線功率傳輸系統(tǒng)而將圖8所示的輸入功率變換器和輸出功率變換器兩者去除之外。

在無線功率傳輸系統(tǒng)900中，通過調(diào)制發(fā)送器諧振電路和接收器諧振電路中的諧振頻率值來實現(xiàn)功率開關(guān)的功率控制、輸出電壓調(diào)節(jié)和軟開關(guān)運行。使用諧振調(diào)制技術(shù)來動態(tài)地調(diào)整諧振回路的阻抗，從而控制無線功率傳輸系統(tǒng)900的無功功率和有功功率。

調(diào)整有功功率和無功功率以維持系統(tǒng)的最佳運行是很重要的。特別地，提供給功率發(fā)送器的功率接收器的阻抗可以通過調(diào)制功率接收器的阻抗來調(diào)節(jié)。因此，功率接收器的阻抗的調(diào)制起到類似于阻抗匹配電路的功能的作用。換句話說，可以通過調(diào)制功率接收器的阻抗來替換接收器中的阻抗匹配電路(未示出)。結(jié)果，不需要在功率接收器和/或功率發(fā)送器中具有單獨的阻抗匹配電路。

圖10示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的圖9所示的無線功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。無線功率傳輸系統(tǒng)1000包括通過磁耦合耦合在一起的功率發(fā)送器1002和功率接收器1012。功率發(fā)送器1002和功率接收器1012之間的耦合的強度由耦合系數(shù)k量化。在一些實施方案中，k在約0.05至約0.9的范圍內(nèi)。雖然在圖10中僅示出了一個接收器，但是多個接收器可以耦合至功率發(fā)送器1002。

功率發(fā)送器1002包括在vin和發(fā)送器線圈lt之間串聯(lián)連接的功率放大器1004、發(fā)送器emi濾波器1006、發(fā)送器諧振電路1008。功率放大器1004被實施為包括開關(guān)s1和s2的d類功率放大器。圖10所示的功率放大器1004是電壓饋送半橋拓?fù)洹?yīng)當(dāng)注意，圖10所示的功率放大器1004的功率拓?fù)鋬H僅是示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，可以有許多替代、變化和修改。例如，可以采用其它合適的電壓饋送拓?fù)?，例如全橋變換器、推挽變換器。此外，還可以使用諸如e類和電流饋送推挽拓?fù)涞碾娏黟佀屯負(fù)洹?/p>

發(fā)送器emi濾波器1006包括電感器l1、l2、l3和l4以及電容器c1、c2、c3和c4。如圖10所示，l1和c1并聯(lián)連接。l2和c2并聯(lián)連接。l3和c3串聯(lián)連接。l4和c4串聯(lián)連接。在一些實施方式中，l1和c1形成第一諧波勢阱電路；l2和c2形成第二諧波勢阱電路；l3和c3形成第一諧波陷波電路；l4和c4形成第二諧波陷波電路。

發(fā)送器諧振電路1008包括諧振電容器crt。crt可以實施為具有可變電容的電容器。例如，crt可以實施為如美國專利申請14/177,049中所述的電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^根據(jù)不同的系統(tǒng)運行條件控制被施加到電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)的柵極信號來調(diào)制crt的電容。電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的電容器和開關(guān)的布置被設(shè)計為使得電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生大量的電容變化步長，其在寬范圍內(nèi)提供crt的電容的幾乎連續(xù)的變化。

功率接收器1012包括在負(fù)載和接收器線圈lr之間串聯(lián)連接的整流器1014、接收器emi濾波器1016、接收器諧振電路1018。接收器emi濾波器1016包括電感器l5、l6和l7以及電容器c5、c6和c7。如圖10所示，l5和c5并聯(lián)連接。l6和c6串聯(lián)連接。l7和c7串聯(lián)連接。在一些實施方式中，l5和c5在接收器emi濾波器1016中形成諧波勢阱電路；l6和c6在接收器emi濾波器1016中形成第一諧波陷波電路；l7和c7在接收器emi濾波器1016中形成第二諧波陷波電路。

整流器1014包括二極管d1和d2。在替代實施方式中，d1和d2也可以實施為同步整流器。例如，控制mosfet來模擬二極管功能。此外，整流器1014可以由諸如雙極結(jié)型晶體管(bjt)器件、超級結(jié)晶體管(sjt)器件、絕緣柵雙極晶體管(igbt)器件和/或基于氮化鎵(gan)的功率器件等其它類型的可控器件形成。整流器1014的詳細(xì)運行和結(jié)構(gòu)在本領(lǐng)域中是公知的，因此這里不再討論。

接收器諧振電路1018包括諧振電容器crr。crt可以實施為具有可變電容的電容器。例如，crr可以實施為如美國專利申請14/177,049中所述的電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。可以通過根據(jù)不同的系統(tǒng)運行條件控制被施加到電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)的柵極信號來調(diào)制crr的電容。電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的電容器和開關(guān)的布置被設(shè)計為使得電容器和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能夠產(chǎn)生大量的電容變化步長，其在寬范圍內(nèi)提供crr的電容的幾乎連續(xù)的變化。

lt和lr分別是發(fā)送器1002的發(fā)送器線圈和接收器1012的接收器線圈。在運行中，lt和lr物理上接近地放置，使得它們的磁場耦合在一起。lt和lr之間的耦合取決于這兩個線圈的相對位置和取向，因此在實際的無線功率傳輸系統(tǒng)中可以在寬范圍內(nèi)變化。

負(fù)載可以是諸如集成電路(ic)、電池等的實際負(fù)載。或者，負(fù)載可以是下游變換器，例如電池充電器，耦合到實際負(fù)載的dc/dc變換器等。

在一些實施方式中，輸出電壓vo是穩(wěn)定的電壓。在替代實施方式中，輸出電壓vo維持在一個被指定的范圍內(nèi)。無線功率系統(tǒng)1000的輸出功率等于輸出電壓vo乘以輸出電流io。在一些實施方式中，輸出電流io以及輸出功率po可以根據(jù)不同的運行條件在寬范圍內(nèi)變化，而輸出電壓vo是穩(wěn)定的電壓或在窄范圍內(nèi)變化(例如，+/-10％的調(diào)整后電壓)。

如以上參照圖10所述，crt和crr都可以根據(jù)不同的系統(tǒng)運行條件而被調(diào)制。因此，可以存在從調(diào)制crt和crr導(dǎo)出的兩個控制變量。一個控制變量可以用于控制輸出電壓以及輸出功率。另一控制變量可以用于改善無線功率傳輸系統(tǒng)的性能，例如提高效率、降低電壓和電流應(yīng)力和/或最大化功率傳輸?shù)取?/p>

可以通過提高無線功率傳輸系統(tǒng)的效率來實現(xiàn)性能改進(jìn)。由于無線功率傳輸系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，因此提高這種復(fù)雜系統(tǒng)的效率是一個緩慢而困難的過程。在一些實施方式中，可以通過基于以下兩個原理運行功率放大器來實現(xiàn)更好的效率。

根據(jù)實現(xiàn)軟開關(guān)的第一原理，如果在s1和s2兩端的電壓等于或近似等于零時s1和s2導(dǎo)通，則s1和s2都可以實現(xiàn)軟開關(guān)。根據(jù)第二原理，當(dāng)在s1和s2的導(dǎo)通過程期間功率放大器1004的電流isw保持為低時，可以進(jìn)一步改善無線功率傳輸系統(tǒng)的效率，因為較低的isw有助于減少開關(guān)損耗以及s1和s2的導(dǎo)通損耗。換句話說，為了實現(xiàn)更好的軟開關(guān)條件，isw應(yīng)當(dāng)在一定程度上滯后電壓vsw。例如，無線功率傳輸系統(tǒng)應(yīng)該在功率放大器1004的輸出端口處具有僅僅足夠的感性無功功率，使得s1和s2兩端的電壓可以在s1和s2的導(dǎo)通過程之前降低到等于或近似等于零的電平。

根據(jù)第一原理，可以通過監(jiān)控功率開關(guān)s1兩端的電壓和/或功率開關(guān)s2兩端的電壓來實現(xiàn)效率提高。更具體地，監(jiān)控功率開關(guān)(例如，s2)兩端的電壓包括：在導(dǎo)通柵極驅(qū)動信號施加到功率開關(guān)的柵極之前，確定功率開關(guān)兩端的電壓是否降低到等于或近似等于零的電壓。

根據(jù)d類功率放大器的工作原理，上開關(guān)s1和下開關(guān)s2的控制時序應(yīng)當(dāng)是對稱的。然而，可能期望只監(jiān)控d類功率放大器的一個開關(guān)兩端的電壓(例如，下開關(guān)s2兩端的電壓)。為了確?？煽亢汪敯舻倪\行，s1和s2的控制時序可以被調(diào)整為稍微不對稱，使得s1容易實現(xiàn)軟開關(guān)。因此，就不需要監(jiān)控s1的電壓。例如，可以使開關(guān)周期中的s1的導(dǎo)通時段略長于s2的導(dǎo)通時段。結(jié)果，當(dāng)s2在相同的運行模式期間仍然經(jīng)歷還在硬開關(guān)時，s1就可以實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。換句話說，當(dāng)s2實現(xiàn)零電壓開關(guān)時，s1也實現(xiàn)零電壓開關(guān)，因為上述系統(tǒng)配置確保s1與s2相比更容易實現(xiàn)零電壓開關(guān)。

應(yīng)當(dāng)注意，監(jiān)控s2兩端的電壓以實現(xiàn)s1和s2的零電壓開關(guān)僅僅是示例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，在替代實施方式中，實現(xiàn)s1和s2的零電壓開關(guān)可以通過監(jiān)控s1兩端的電壓來實現(xiàn)。

根據(jù)實現(xiàn)軟開關(guān)的第二原理，可以通過監(jiān)視圖10所示的isw來實現(xiàn)效率提高。在一些實施方式中，isw的峰值或均方根值可以用作實現(xiàn)軟開關(guān)的指示符?；蛘?，在接通/斷開s1和/或s2的瞬間的isw的值也可以用作電流測量信號，以實現(xiàn)更好的軟開關(guān)。

在一些實施方式中，可以通過在isw等于或近似等于零時接通s1和s2來提高效率。為了最小化開關(guān)噪聲對監(jiān)控s2的軟開關(guān)條件的影響，可能最好測量在即將斷開s1之前的瞬間或緊接著接通s2之后的瞬間的isw的瞬時值。此外，可以將合適的偏移添加到測量出的電流信號中，使得可以獲得對在開關(guān)接通瞬間和/或開關(guān)斷開瞬間的電流的更好的掌握。

根據(jù)不同的設(shè)計和應(yīng)用，由于功率放大器中或周圍的噪聲環(huán)境，可能難以在高頻下獲得準(zhǔn)確、干凈的電流測量。作為替代，通過監(jiān)控isw的軟開關(guān)可以用監(jiān)測開關(guān)過程中s1或s2兩端的電壓來代替。假設(shè)s2兩端的電壓(vsw)用于此目的，并且s2的導(dǎo)通過程用作示例，則可能有三種情況要考慮。下面將詳細(xì)描述這三種情況。

在第一種情況下，參考回圖7，在s2導(dǎo)通之前，vsw減小到近似等于零的電壓。如圖7所示，恰好在s2導(dǎo)通之前或在s2的體二極管開始導(dǎo)通的時間段內(nèi)，vsw的導(dǎo)數(shù)是高的。應(yīng)注意，vsw的實際值應(yīng)為負(fù)。vsw的絕對值近似等于零。這樣的vsw的高導(dǎo)數(shù)值表明在s2的導(dǎo)通或s1的斷開時isw太高。換句話說，感性無功功率在系統(tǒng)中相對較高。應(yīng)當(dāng)注意，在該過程期間isw應(yīng)該是正的，以實現(xiàn)s2的軟開關(guān)。圖12示出isw相對高并且體二極管導(dǎo)通的時段(s2的體二極管)相對長。crt或crr可以被調(diào)節(jié)以減小功率放大器的輸出端口處的感性無功功率。例如，可以減小crt的電容，以便減小功率放大器的輸出端口處的感性無功功率。

在第二種情況下，在s1導(dǎo)通之前，vsw被減小到近似等于零的電壓，并且在s2被導(dǎo)通或s2的體二極管開始導(dǎo)通之前，vsw的導(dǎo)數(shù)為低或近似等于零。這樣的vsw的低導(dǎo)數(shù)表明電流isw處于用于實現(xiàn)軟開關(guān)的正確值。不需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)crt和/或crr。與第二種情況相關(guān)的波形在圖13和圖14中示出。

在第三種情況下，當(dāng)s1導(dǎo)通時，vsw的值比較大(significantvalue)，沒有實現(xiàn)軟開關(guān)。這表明在開關(guān)瞬間電流isw太小(甚至可能為負(fù))，并且功率放大器的輸出端口處的無功功率太小或者是電容性的。應(yīng)調(diào)整crt或crr以增加功率放大器輸出端口處的感性無功功率。例如，應(yīng)當(dāng)增加crt的電容，以便增加功率放大器的輸出端口處的感性無功功率。

應(yīng)當(dāng)注意，s1的導(dǎo)通和s2的導(dǎo)通之間的死區(qū)時間也可以被調(diào)整以實現(xiàn)更好的軟開關(guān)結(jié)果。如果需要，這可以與上述電容調(diào)制技術(shù)同步地執(zhí)行。

如上所述，電壓信號vsw的導(dǎo)數(shù)可以用于指示是已經(jīng)實現(xiàn)軟開關(guān)還是需要基于電容調(diào)制技術(shù)的調(diào)整。電壓信號vsw的導(dǎo)數(shù)可以通過軟件方式和/或硬件方式獲得。軟件方式可以被實施為數(shù)字微分器等。硬件方式可以被實施為rc網(wǎng)絡(luò)、rc網(wǎng)絡(luò)和運算放大器的組合等。上述軟件方式和硬件方式在行業(yè)中是眾所周知的，因此這里不再詳細(xì)討論以避免重復(fù)。

在一些實施方式中，如果開關(guān)兩端的電壓(例如，vsw)的值及其導(dǎo)數(shù)在開關(guān)接通的瞬間都處于等于或近似等于零的值，則已實現(xiàn)更好的軟開關(guān)條件。因此，可以通過添加軟開關(guān)觀察器(未示出，但在圖11中示出)來確定更好的軟開關(guān)條件，以監(jiān)控開關(guān)兩端的電壓(例如，vsw)和/或流經(jīng)開關(guān)的電流(例如isw)。基于上述電容調(diào)制方案(三種情況)，可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)crt和/或crr的值。

軟開關(guān)觀察器的輸出可以確定系統(tǒng)是否應(yīng)當(dāng)增加或減小crt和/或crr的電容。此外，調(diào)整步驟取決于軟開關(guān)觀察器的輸出。例如，調(diào)整步驟可以取決于在s2的前一接通瞬間的isw的值或vsw的導(dǎo)數(shù)?？梢园V波器，以根據(jù)在s2的最后幾個接通瞬間的isw的值和/或vsw的導(dǎo)數(shù)濾除可能的噪聲。

軟開關(guān)觀察器的輸出可以以下面的方式構(gòu)造。首先，當(dāng)功率放大器已經(jīng)實現(xiàn)軟開關(guān)并且不需要進(jìn)一步調(diào)整時，軟開關(guān)觀察器的輸出生成零。第二，當(dāng)功率放大器已經(jīng)實現(xiàn)軟開關(guān)，但是無線功率傳輸系統(tǒng)的感性無功功率太高(當(dāng)開關(guān)接通時開關(guān)電流過高)時，軟開關(guān)觀察器的輸出生成正值。由軟開關(guān)觀察器生成的正值的值指示調(diào)節(jié)速度和/或調(diào)節(jié)步長。第三，當(dāng)功率放大器尚未實現(xiàn)軟開關(guān)，無線功率傳輸系統(tǒng)的感性無功功率太低并且需要增加時，軟開關(guān)觀察器的輸出生成負(fù)值。負(fù)值的絕對值指示調(diào)整速度和/或調(diào)整步長。

在一些實施方式中，對isw進(jìn)行采樣可以與功率放大器的功率開關(guān)的切換同步。也可以基于進(jìn)行采樣時的運行條件進(jìn)一步分析采樣信號。例如，可以考慮當(dāng)進(jìn)行采樣時開關(guān)是否是軟開關(guān)接通的。此外，可以在采樣處理或分析處理中采用濾波功能，以進(jìn)一步減少噪聲并獲得適當(dāng)?shù)妮敵觥?/p>

應(yīng)當(dāng)注意，軟開關(guān)觀察器的輸出可以以各種方式構(gòu)建。例如，可以將偏移添加到軟開關(guān)觀察器的輸出，使得系統(tǒng)避免處理軟開關(guān)觀察器的輸出處的負(fù)值。還應(yīng)當(dāng)注意，上述crt和/或crr的調(diào)節(jié)可以以數(shù)字方式或以模擬方式實現(xiàn)。

上述電容調(diào)制技術(shù)可以應(yīng)用于其它功率放大器拓?fù)?，例如推挽功率放大器、e類功率放大器等。通過在開關(guān)的接通瞬間或斷開瞬間的電流信息直接評估和調(diào)節(jié)功率放大器中的功率開關(guān)的軟開關(guān)條件，可以針對運行條件變化(例如輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化、溫度變化、開關(guān)寄生電容變化和開關(guān)參數(shù)變化，以及電路參數(shù)變化，包括電感和電容變化以及耦合變化)實現(xiàn)更好的軟開關(guān)條件。

當(dāng)軟開關(guān)觀察器生成其表示電容調(diào)制步長和速度的輸出時，還可以考慮emi濾波器(例如，發(fā)送器emi濾波器和接收器emi濾波器)和其它輔助電路(例如，阻抗匹配電路)對開關(guān)的軟開關(guān)的影響?？傊ㄟ^上述電容調(diào)制技術(shù)，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了功率開關(guān)的軟開關(guān)(從而實現(xiàn)了更低的功率損耗、更高的器件可靠性和更低的噪聲)，而且還確保了無功功率和電流應(yīng)力處于最小值，同時提供所需的輸出功率。具有上述電容調(diào)制技術(shù)的一個有利特征是可以在設(shè)計中同時實現(xiàn)高性能和低成本。

在圖10所示的系統(tǒng)中，可以存在具有兩個控制變量(即crt的電容和crr的電容)的反饋控制系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^調(diào)整這兩個控制變量來控制控制系統(tǒng)的兩個輸出。在一些實施方式中，控制系統(tǒng)的一個輸出是接收器的輸出電壓或輸出功率?？刂葡到y(tǒng)的另一個輸出是功率開關(guān)的軟開關(guān)條件。

在一些實施方式中，反饋控制機制可以用于確定控制變量的值。根據(jù)反饋控制機制，控制系統(tǒng)輸出可以用作反饋控制器的輸入。crr的調(diào)制改變被反映在發(fā)送器中的接收器功率電路的阻抗的實部和虛部，因此影響無線功率傳輸系統(tǒng)中的有功功率和無功功率。crt的調(diào)制僅改變發(fā)送器電源電路中的阻抗的虛部。此外，crt的調(diào)制改變流經(jīng)發(fā)送器線圈的電流的大小，從而影響無線功率傳輸系統(tǒng)中的無功功率和有功功率。crt的電容和/或crr的電容的變化將引起導(dǎo)致vo或po的變化的有功功率變化和導(dǎo)致軟開關(guān)條件的變化的無功功率變化。因此，該反饋控制系統(tǒng)中存在兩個輸出。在一些實施方式中，可以采用雙輸入和雙輸出控制器來實現(xiàn)上述反饋控制功能。這種雙輸入和雙輸出控制器可以利用通過藍(lán)牙通信信道傳送的信息來構(gòu)建。在替代實施方式中，可以通過使用發(fā)送器和/或接收器(多個接收器)中的多個本地控制器來實施快速控制機制。

圖11示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的無線功率傳輸系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)的實施例的框圖。無線功率傳輸系統(tǒng)1100包括通過磁耦合耦合在一起的功率發(fā)送器1102和功率接收器1112。應(yīng)當(dāng)注意，盡管圖11示出了一個功率接收器耦合到功率發(fā)送器1102，但是多個功率接收器可以可替換地包括在無線功率傳輸系統(tǒng)1100中。

功率發(fā)送器1102包括軟開關(guān)觀察器1104、控制和保護(hù)單元1106和發(fā)送器藍(lán)牙通信單元1108。如圖11所示，軟開關(guān)觀察器1104可以接收兩個輸入信號，即isw和vsw，并且生成被耦合到控制和保護(hù)單元1106的第二輸入的輸出。軟開關(guān)觀察器1104還可以使用在發(fā)送器控制系統(tǒng)中內(nèi)部生成的s1和s2的柵極時序信息。控制和保護(hù)單元1106具有接收vin的第一輸入、接收流經(jīng)發(fā)送器線圈的電流it的第三輸入和接收crt兩端的電壓vcrt的第四輸入?？刂坪捅Ｗo(hù)單元1106具有連接到發(fā)送器藍(lán)牙通信單元1108的輸入/輸出?？刂坪捅Ｗo(hù)單元1106具有用于控制s1和s2的柵極時序的第一輸出和用于調(diào)制crt的電容的第二輸出。

功率接收器1112包括電壓/功率調(diào)節(jié)器1114、保護(hù)單元1116和接收器藍(lán)牙通信單元1118。如圖11所示，電壓/功率調(diào)節(jié)器1114可以接收兩個輸入信號，即vo和io。電壓/功率調(diào)節(jié)器1114還可以從接收器藍(lán)牙通信單元1118和/或保護(hù)單元1116接收信號。電壓/功率調(diào)節(jié)器1114產(chǎn)生饋送到保護(hù)單元1116的第一輸入的輸出信號。保護(hù)單元1116具有接收流經(jīng)接收器線圈的電流ir的第二輸入和接收crr兩端的電壓vcrr的第三輸入。保護(hù)單元1116具有連接到接收器藍(lán)牙通信單元1118的輸入/輸出。保護(hù)單元1116可以具有用于當(dāng)整流器被實施為同步整流器時控制d1和d2的柵極時序的第一輸出，以及用于調(diào)制crr的電容的第二輸出。應(yīng)當(dāng)注意，只有當(dāng)由d1和d2形成的整流器被同步整流器代替時，d1和d2的柵極時序才適用于d1和d1。如圖11所示，接收器藍(lán)牙通信單元1118可以與發(fā)送器藍(lán)牙通信單元1108通信。

如圖11所示，軟開關(guān)觀察器1104接收檢測到的信號isw和/或vsw。軟開關(guān)觀察器1104基于在輸入處接收的信息(例如，vsw和/或isw)來決定是否需要進(jìn)行調(diào)整以實現(xiàn)軟開關(guān)條件?？刂坪捅Ｗo(hù)單元1106可以包括控制器?？刂破鹘邮諄碜攒涢_關(guān)觀察器1104的輸出信號，以及輸入電壓vin、流經(jīng)發(fā)送器線圈lt的電流和crt兩端的電壓?；诮邮盏降男盘?，控制和保護(hù)單元1106中的控制器可以在必要時同時調(diào)節(jié)crt的電容和/或s1和s2的時序。crt的電容和/或s1和s2的時序的調(diào)整有助于實現(xiàn)s1和s2的更好的軟開關(guān)。

控制和保護(hù)單元1106中的控制器可以包括反饋補償器，例如比例積分微分(pid)補償器。pid補償器被配置為使得軟開關(guān)觀察器1104的輸出生成等于零的值或表示軟開關(guān)條件的固定值。

控制和保護(hù)單元1106中的控制器可以實施為數(shù)字控制器。數(shù)字控制器可以以硬件、軟件、其任何組合等實現(xiàn)。例如，控制器可以被實施為具有一些濾波功能的加法器，具有一些濾波器功能的查找表，以將軟開關(guān)觀察器1104的輸出轉(zhuǎn)換為電容值(或可變電容網(wǎng)絡(luò)中的可控開關(guān)的狀態(tài))?？刂破鬟€可以考慮vin并且以前饋方式相應(yīng)地調(diào)整crt的電容值。

在一些實施方式中，crt還可以用于在各異常運行條件(例如過電壓、過電流、超溫和任何其它故障情況)保護(hù)功率發(fā)送器1102。例如，系統(tǒng)可以保持監(jiān)控流經(jīng)發(fā)送器線圈的電流和/或諧振電容器crt兩端的電壓。當(dāng)發(fā)生過電流或過電壓時，可以通過改變crt的電容值來保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計需要和不同的應(yīng)用，crt的值可以調(diào)整為小或大的值，使得功率和電流快速降低。

發(fā)送器藍(lán)牙通信單元1108可以在功率發(fā)送器1102和功率接收器1112之間傳遞信息。此外，功率發(fā)送器1102和功率接收器1112之間的通信有助于在功率發(fā)送器1102和功率接收器1112中緩慢地調(diào)整控制參數(shù)和功能。

在功率接收器1112中，電壓/功率調(diào)節(jié)器1114基于檢測到的信號vo和/或io將輸出電壓或功率調(diào)節(jié)到期望值。該調(diào)節(jié)可以由電壓/功率調(diào)節(jié)器1114內(nèi)部的反饋補償器(例如pid補償器)來執(zhí)行。此外，也可以同時使用用于控制io和/或vo的前饋控制機制。

應(yīng)當(dāng)注意，上述控制機制僅僅是示例?？纱嬖谟糜趯嵤╇妷?功率調(diào)節(jié)器1114的控制方案的許多替代、修改和變化。例如，可通過搜索機制以搜索crr的電容的適當(dāng)值來完成此調(diào)節(jié)。這種適當(dāng)?shù)闹涤兄诠β式邮掌?112實現(xiàn)更好的結(jié)果。

還應(yīng)當(dāng)注意，在搜索機制期間獲得的crr電容可以不止一個。換句話說，crr的多個值可以在復(fù)雜系統(tǒng)中給出類似的結(jié)果(例如，輸出功率或輸出電壓)。在crr的這些值中，適當(dāng)?shù)囊粋€是具有接近系統(tǒng)頻率的諧振頻率的電容。在整個說明書中，這種諧振頻率可稱為接收器諧振點。

在一些實施方式中，針對crr的任何搜索動作的搜索機制可以通過接收器諧振點處的或接近接收器諧振點處的值開始并且定期執(zhí)行新的搜索以避免深入地進(jìn)入錯誤的搜索方向。類似地，電壓/功率調(diào)節(jié)器1114中的反饋補償器的初始輸出可以被設(shè)置為與合適的crr值相對應(yīng)的值。合適的crr值可導(dǎo)致接近接收器諧振點的諧振頻率。此外，調(diào)節(jié)器可以定期復(fù)位至初始值。

在一些實施方式中，io可以從整流器、在功率接收器的輸出端口、和/或從負(fù)載檢測。在一些實施方式中，在負(fù)載和功率接收器之間可以存在通信信道。功率接收器的控制機制可以通過負(fù)載和功率接收器之間的通信信道與負(fù)載中任何變化相協(xié)調(diào)。

電壓/功率調(diào)節(jié)器1114的輸出用于調(diào)制crr的電容值。在一些實施方式中，crr的電容的調(diào)制也可以用于保護(hù)接收器免于遭受各種異常運行條件，例如過電壓、過電流、超溫和其它異常。例如，流經(jīng)接收器線圈的電流、諧振電容器crr兩端的電壓、輸出電壓vo和/或輸出電流io可以由功率接收器1112監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)故障(例如，過電流或過電壓)時，可以通過改變crr的電容值來保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計需要和不同的應(yīng)用，crr的電容值可以調(diào)整為小或大的值，使得功率和電流快速降低。

接收器藍(lán)牙通信單元1118可以在功率發(fā)送器1102和功率接收器1112之間傳遞信息。此外，功率發(fā)送器1102和功率接收器1112之間的通信有助于在功率發(fā)送器1102和功率接收器1112中緩慢地調(diào)整控制參數(shù)和功能。

為了避免發(fā)送器控制和接收器控制之間的嚴(yán)重相互作用，發(fā)送器和接收器中的局部反饋控制環(huán)路應(yīng)當(dāng)具有不同的控制速度。例如，發(fā)送器可以利用第一控制帶寬來調(diào)制crt。接收器可以利用第二控制帶寬來調(diào)制crr。為了避免這兩個控制環(huán)路之間的干擾，控制系統(tǒng)應(yīng)該被設(shè)計為使得第一控制帶寬高于第二控制帶寬。

可以實現(xiàn)crt電容調(diào)制和crr電容調(diào)制的協(xié)調(diào)，而不使大量信息通過慢速藍(lán)牙通信信道。然而，如果需要，調(diào)整和校準(zhǔn)信息可以通過藍(lán)牙通信信道以進(jìn)一步改善本地控制環(huán)路的性能。

圖12示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的與具有發(fā)送器線圈和接收器線圈之間的弱耦合的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形。在一些實施方式中，耦合系數(shù)為約10％。

圖12的水平軸表示時間間隔。水平軸的單位是微秒。可以有四個垂直軸。第一垂直軸y1表示開關(guān)s2的漏極到源極兩端的電壓(vsw)、開關(guān)s2的柵極驅(qū)動電壓(vs2g)、以及輸出電壓vo。第二垂直軸y2表示流經(jīng)第一電感器l1的電流(isw)。第三垂直軸y3表示流經(jīng)發(fā)送器線圈lt的電流(it)和電容器crt兩端的電壓(vcrt)。第四垂直軸y4表示流經(jīng)接收器線圈lr的電流(ir)和電容器crr兩端的電壓(vcrr)。

如圖12所示，輸出電壓vo保持在5v左右，以便與usb規(guī)范兼容。從t1到t2，vsw大致等于-1v。vsw的負(fù)電壓表示s2的體二極管的導(dǎo)通。從t3到t4，vsw為在電壓軌上方的約一個二極管電壓降(例如，穩(wěn)態(tài)下的vsw)。一個二極管壓降表示s1的體二極管的導(dǎo)通。由于兩個體二極管在接通它們各自的開關(guān)之前導(dǎo)通，所以s1和s2都實現(xiàn)軟開關(guān)。然而，體二極管的導(dǎo)通時間太長。結(jié)果，無線功率傳輸系統(tǒng)的效率可能不如在軟開關(guān)運行條件下所期望的那么好。

圖13示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的與具有與圖12的耦合相同的耦合的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形。在一些實施方式中，無線功率傳輸系統(tǒng)的輸出功率為約33w。耦合系數(shù)為約10％。與圖12所示的系統(tǒng)相比，crt和crr的電容值被調(diào)節(jié)以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)(vo稍微大于5v)和s1和s2的更好的軟開關(guān)。

如圖13所示，vsw的波形表示s1和s2都通過軟開關(guān)接通。s1的接通時間不等于s2的接通時間。在s1和s2的這種不對稱運行下，與s2相比，s1更容易進(jìn)入軟開關(guān)。t1到t2的vsw的波形表示在s1接通之前，s1的體二極管導(dǎo)通一小段時間。與圖11中的s1的體二極管導(dǎo)通相比，圖13所示的導(dǎo)通時間較短。結(jié)果，實現(xiàn)了更好的軟開關(guān)條件。應(yīng)當(dāng)注意，在s1和s2的導(dǎo)通過程期間，電流isw遠(yuǎn)低于其峰值，如圖13所示。這樣的低電流有助于減小s1和s2的開關(guān)損耗。

圖14示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的與在發(fā)送器線圈和接收器線圈之間具有更強耦合的無線功率傳輸系統(tǒng)相關(guān)的各種波形。在一些實施方式中，無線功率傳輸系統(tǒng)的輸出功率為約33w。耦合系數(shù)為約25％。

與圖12所示的系統(tǒng)相比，crt和crr的電容值被調(diào)節(jié)以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)(vo稍微大于5v)和s1和s2的更好的軟開關(guān)。如圖14所示，vsw的波形表示s1和s2都通過軟開關(guān)接通。s1的接通時間近似等于s2的接通時間。換句話說，功率放大器處于對稱運行。vsw的波形表示s1的體二極管和s2的體二極管幾乎不導(dǎo)通。結(jié)果，實現(xiàn)了更好的軟開關(guān)條件。應(yīng)當(dāng)注意，在s1和s2的導(dǎo)通過程期間，電流isw近似等于零，如圖14所示。這樣的低開關(guān)電流有助于減小s1和s2的開關(guān)損耗。

具有電容調(diào)制技術(shù)的一個有利特征是通過調(diào)節(jié)crt和crr的電容可以實現(xiàn)更好的軟開關(guān)和精準(zhǔn)的(tight)輸出調(diào)節(jié)。更具體地，crr的調(diào)節(jié)用于調(diào)整輸出電壓或功率。crt的調(diào)節(jié)用于維持更好的軟開關(guān)條件，如圖13和圖14所示?？傊?，電容調(diào)制技術(shù)有助于提高系統(tǒng)效率并降低系統(tǒng)成本。

在一些實施方式中，crt和/或crr的調(diào)制可適用于無線功率傳輸系統(tǒng)的軟啟動過程。例如，crr的初始值可以被設(shè)置為導(dǎo)致非常低或零的輸出功率的值。crr的初始值通常遠(yuǎn)離當(dāng)crr與lr諧振時產(chǎn)生接收器諧振點的值。

crr的電容值朝產(chǎn)生接收器諧振點的電容值逐漸變化。同時，整流器的輸出功率也逐漸增加。輸出功率的逐漸增加滿足無線功率傳輸系統(tǒng)的軟啟動過程。在一些實施方式中，crr可以停止在適當(dāng)值。該適當(dāng)值的選擇與輸出功率和/或電壓調(diào)節(jié)相協(xié)調(diào)。

crr的逐漸變化也可以用于識別接收器的實際諧振點。例如，當(dāng)接收器在接收器諧振點運行時，對于給定的發(fā)送器電流，輸出功率達(dá)到其最高電平(例如，po與it的均方根值的比率被最大化)。該比率還可以用于找出發(fā)送器線圈和接收器線圈之間的實際互感，因為互感和反射電阻之間存在明確的關(guān)系。

在一些實施方式中，互感信息可以用于提高系統(tǒng)性能。接收器諧振點信息可以用于限制電容調(diào)制的范圍。期望在正常運行中僅在接收器諧振點的一側(cè)調(diào)制crr。例如，期望僅允許將crr調(diào)制為小于產(chǎn)生接收器諧振點的電容的值。當(dāng)發(fā)送器線圈和接收器線圈的相對位置改變時，無線功率傳輸系統(tǒng)中的接收器和發(fā)送器之間的互感可能改變。此外，諸如放置在附近的金屬或磁性物體等其它因素可能改變它們在接收器和發(fā)送器之間的相對位置。為了解決由相對位置的變化引起的問題，可以定期地或當(dāng)在接收器周圍發(fā)生任何相關(guān)的相對位置變化時重新測試接收器諧振點和互感。

互感對外部物體很敏感，因此互感的測試可以是識別接近接收器或發(fā)送器的異物存在的好方法。類似地，上述測試互感的方法可以用于測試發(fā)送器諧振點。在耦合到發(fā)送器的每個接收器的諧振電容減小到近似等于零的水平時，接收器線圈不會產(chǎn)生大的電流來與發(fā)送器的磁場相互作用。然而，由放置于接收器周圍的磁性部件和/或金屬部件引起的發(fā)送器線圈的電感的變化仍然存在。通過緩慢地掃描crt的值并測量發(fā)送器電流或與發(fā)送器的諧振回路相關(guān)的阻抗，可以識別crt和lt諧振的發(fā)送器諧振點。

在無線功率傳輸系統(tǒng)的運行的一些階段期間，發(fā)送器需要識別有效接收器的存在，而不將大量功率傳輸?shù)浇邮掌?。在這種系統(tǒng)中，crr可以設(shè)置得非常低或甚至為零，因此傳送到接收器輸出的功率非常低，但是lr兩端的電壓可以足夠高，使得不同的功率路徑(也耦合到lr)可以傳遞足夠的能量來喚醒接收器的控制器并且啟用接收器和發(fā)送器之間的通信。

圖15示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的可變電容網(wǎng)絡(luò)的示意圖。可變電容網(wǎng)絡(luò)1500用于調(diào)節(jié)crr的電容。換句話說，圖10中所示的crr可以由圖15中所示的可變電容網(wǎng)絡(luò)1500代替。應(yīng)當(dāng)注意，為了實現(xiàn)電容調(diào)制，圖10中所示的crt可以由類似于圖15所示的可變電容網(wǎng)絡(luò)代替。

可變電容網(wǎng)絡(luò)1500包括二極管dx、由rx1和rx2形成的分壓器、與rx2并聯(lián)連接的第一電容器cr0和多個電容器開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。如圖15所示，可以有五個電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。第一電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接并且還與rx1并聯(lián)連接的電容器cx0和開關(guān)sx0，如圖15所示。同樣，第二電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接并且還與rx1并聯(lián)連接的電容器cx1和開關(guān)sx1；第三電容-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接并且還與rx1并聯(lián)連接的電容器cx2和開關(guān)sx2；第四電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接并且還與rx1并聯(lián)連接的電容器cx3和開關(guān)sx3；第五電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)連接并且還與rx1并聯(lián)連接的電容器cx4和開關(guān)sx4。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，盡管圖15示出了具有五個電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的可變電容網(wǎng)絡(luò)1500，但是可變電容網(wǎng)絡(luò)1500可以容納任何數(shù)量的電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。還應(yīng)該注意，取決于不同的設(shè)計需要和應(yīng)用，第一電容器-開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以由電容器代替。

二極管dx用作鉗位二極管。在一些實施方式中，二極管dx可以由具有反并聯(lián)體二極管(例如mosfet)的單向開關(guān)替代。開關(guān)sx0、sx1、sx2、sx3和sx4用于控制可變電容網(wǎng)絡(luò)1500的總電容。通過控制開關(guān)sx0、sx1、sx2、sx3和sx4的接通/斷開狀態(tài)，可以相應(yīng)地獲得各種電容。例如，當(dāng)所有開關(guān)sx0至sx4斷開時，可變電容網(wǎng)絡(luò)1500的等效電容近似等于零。另一方面，當(dāng)所有開關(guān)sx0至sx4閉合時，可變電容網(wǎng)絡(luò)1500的等效電容達(dá)到其最大電容值。

在一些實施方式中，二極管dx可以實施為開關(guān)。當(dāng)該開關(guān)閉合時，該可變電容網(wǎng)絡(luò)的等效電容可近似等于cr0的電容。

rx1和rx2用于確保在正常工作期間流經(jīng)dx的電流較小?？梢酝ㄟ^選擇rx1和rx2的值來調(diào)節(jié)流經(jīng)dx的電流的值。在一些實施方式中，rx1和rx2可以是兩個單獨的部件。在替代實施方式中，rx1和rx2可以來自相應(yīng)電容器(例如，cr0和cx0)和開關(guān)(例如sx0)的并聯(lián)寄生電阻。

如上所述，通過保持所有開關(guān)斷開，可變電容網(wǎng)絡(luò)1500的電容可以減小到近似等于零的水平。這樣的特征可以幫助無線功率傳輸系統(tǒng)(例如，圖10所示的無線功率傳輸系統(tǒng))實現(xiàn)靈活的保護(hù)和/或待機控制機制。更具體地，在無線功率傳輸系統(tǒng)(例如，圖10所示的無線功率傳輸系統(tǒng))中，通過減小可變電容網(wǎng)絡(luò)1500的電容，接收器的輸出功率可以相應(yīng)地下降，而不管多少電流流經(jīng)發(fā)送器線圈。

在接收器(例如，圖10中所示的接收器)的待機模式中，通過控制可變電容網(wǎng)絡(luò)1500將crr的電容設(shè)置為最小值(近似等于零)。由于crr的電容非常小，接收器線圈、接收器諧振電路和整流器中的電流顯著減少。結(jié)果，幾乎沒有功率從接收器傳送到被耦接至接收器的負(fù)載。如果只有一個接收器磁耦合到發(fā)送器并且一個接收器設(shè)置為在上述待機模式下運行，則流經(jīng)發(fā)送器的電流非常小，因為一個接收器在待機模式下運行。在這種待機模式下，發(fā)送器中的無功功率能夠為s1和s2維持更好的軟開關(guān)條件。

在一些實施方式中，可以通過以比系統(tǒng)頻率低得多的頻率以交替方式向無線功率傳輸系統(tǒng)應(yīng)用活躍模式和待機模式來進(jìn)一步改善無線功率傳輸系統(tǒng)的效率。這類似于常規(guī)pwm電源中的脈沖模式運行。在活躍模式期間，將接收器諧振電容和發(fā)送器諧振電容兩者設(shè)置為適當(dāng)?shù)闹?例如，具有接近諧振點的諧振頻率的電容值)。這樣，一些功率從發(fā)送器傳送到接收器。在待機模式期間，將接收器諧振電容器或發(fā)送器諧振電容器的電容調(diào)節(jié)到遠(yuǎn)離它們各自的諧振點的值。結(jié)果，在發(fā)送器和接收器之間傳輸?shù)墓β屎苄?。此外，可以通過在活躍模式期間控制占空比來調(diào)整輸出功率和/或電壓。應(yīng)當(dāng)注意，在待機模式運行期間可以執(zhí)行一些其它合適的效率改進(jìn)方法，例如測量、校準(zhǔn)、檢測等。結(jié)果，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能。

上述的待機模式控制機制可以應(yīng)用于具有多個接收器的系統(tǒng)。在一些實施方式中，多個接收器磁耦合到發(fā)送器，并且來自所有接收器的總功率需求的總和超過發(fā)送器的功率能力，上述的待機模式運行可用于調(diào)整和限制傳送到每個接收器或一些接收器的功率。結(jié)果，發(fā)送器可以在其安全運行區(qū)域內(nèi)工作，同時以可接受的方式向接收器傳送功率。

或者，發(fā)送器可以通過圖10所示的藍(lán)牙通信系統(tǒng)指示一些或所有接收器修改它們的功率需求。響應(yīng)于來自發(fā)送器的指令，相關(guān)的接收器可以通過調(diào)制它們的諧振電容crr來減少它們的功率需求。此外，因為接收器中的crr的電容的調(diào)制改變了發(fā)送器中的接收器的反射阻抗，所以可以通過調(diào)制接收器中的crr的電容來調(diào)節(jié)接收器之間的功率分配。

總之，通過在接收器中采用電容調(diào)制技術(shù)，可以以平滑的方式分別控制每個接收器的輸出功率和/或電壓。將任何接收器中的功率降低到近似等于零的水平而不影響其它接收器的運行的能力提供了實現(xiàn)更好的系統(tǒng)運行和保護(hù)控制機制的靈活性。特別地，接收器中的crr的電容的調(diào)制可以用于實現(xiàn)如前所述的接收器的更好的軟啟動過程和/或更好的軟停止過程。因此，通過采用電容調(diào)制技術(shù)，磁耦合到發(fā)送器的接收器的添加或去除可以對被磁耦合到發(fā)送器的其它接收器具有最小的運行影響。

在許多應(yīng)用中，功率放大器(例如，圖10中所示的功率放大器)的輸入電壓vin可以不具有固定電壓。例如，如果vin是來自ac/dc電源或dc/dc電源的輸出，則可以通過協(xié)調(diào)ac/dc電源或dc/dc電源與無線功率傳輸系統(tǒng)(例如，圖10所示的無線功率傳輸系統(tǒng))的運行來有利地改變vin。

在一些實施方式中，ac/dc電源或dc/dc電源可以是無線功率傳輸系統(tǒng)的一部分，以便于上述協(xié)調(diào)過程。具體地，在協(xié)調(diào)過程期間，vin可以用于控制無線功率傳輸系統(tǒng)的接收器的輸出功率和/或輸出電壓。因此，可能有又一個控制變量。該附加控制變量可以用于進(jìn)一步改善無線功率傳輸系統(tǒng)的性能。例如，在具有附加控制變量之后，接收器中的crr的電容的調(diào)制可以用于將接收器諧振回路的諧振頻率微調(diào)到近似等于系統(tǒng)頻率的頻率。結(jié)果，可以減小發(fā)送器線圈中的電流。

在一些實施方式中，可能多個接收器磁耦合到發(fā)送器。上述接收器的諧振頻率的微調(diào)過程可以應(yīng)用于具有最大功率需求的那個或需要最高發(fā)送器電流的那個。

此外，在具有附加控制變量vin之后，在具有單個接收器的無線功率傳輸系統(tǒng)中，crr的電容值可以被固定為適當(dāng)?shù)闹?例如，具有接收器諧振點附近的諧振頻率的值)，以維持良好的性能。這種crr的固定電容有助于簡化接收器設(shè)計，從而降低無線功率傳輸系統(tǒng)的成本。應(yīng)當(dāng)注意，在具有附加控制變量之后，仍然有必要調(diào)制發(fā)送器中的crt的電容以維持用于功率開關(guān)s1和s2的更好的軟開關(guān)條件。附加控制變量vin的存在可以有助于減小crt的電容的變化范圍。

在一些實施方式中，附加控制變量vin也可以用于限制發(fā)送器線圈lt中的電流。因為流經(jīng)發(fā)送器線圈lt的電流在確定線圈溫度、功率損耗、系統(tǒng)emi性能、發(fā)送器線圈周圍的磁場強度等方面具有重要作用，所以期望將發(fā)送器線圈電流限制到較低的值。在一些實施方式中，當(dāng)無線功率傳輸系統(tǒng)需要更多功率時，附加控制變量vin可以用于增加對于給定的一組電路參數(shù)可用的總功率。另一方面，當(dāng)無線功率傳輸系統(tǒng)的功率需求下降時，可以相應(yīng)地減小vin，以實現(xiàn)更好的系統(tǒng)效率。以這種方式，附加控制變量vin有助于在寬范圍的輸出功率和各種耦合條件下維持更好的運行條件。此外，當(dāng)為了保護(hù)目的而需要關(guān)閉無線功率傳輸系統(tǒng)時，可以將vin降低到非常低的值或零，以平穩(wěn)地關(guān)閉無線功率傳輸系統(tǒng)。

在一些實施方式中，輸出電壓vo可以用作一個附加控制變量，用于進(jìn)一步改善無線功率傳輸系統(tǒng)的性能。例如，如果輸出電壓vo不直接用于為敏感負(fù)載供電(例如，通過電池充電器將電力傳送到電池，或者通過一個或多個功率變換器將電力傳送到負(fù)載)，則可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)vo以實現(xiàn)更好的系統(tǒng)運行條件。更具體地，控制變量v0可以用于更好地補償耦合系數(shù)變化。當(dāng)接收器和發(fā)送器之間的耦合較強時，當(dāng)發(fā)送器和接收器之間的耦合強時，將輸出電壓vo設(shè)置為更高的值。另一方面，當(dāng)接收器和發(fā)送器之間的耦合較弱時，響應(yīng)于發(fā)送器和接收器之間的弱耦合，將輸出電壓vo設(shè)置為更低的值?；趘o調(diào)節(jié)的控制機制有助于減小發(fā)送器線圈中的最大電流以及crt和crr的電容范圍。

在一些實施方式中，在一定范圍內(nèi)的可變輸出電壓vo可以是可接受的。為了限制功率部件上的應(yīng)力，vo可以對應(yīng)于輸出功率變化而變化。此外，當(dāng)接收器所需的功率較高時，可以為接收器設(shè)置較高的vo。這樣，接收器線圈和其它部件中的電流以及負(fù)載中的電流被限制到合理的值，以實現(xiàn)更好的性能，從而降低系統(tǒng)的成本。

在一些實施方式中，當(dāng)來自接收器的功率需求非常低時，可能期望在間歇(burst)模式運行中運行發(fā)送器和/或接收器。間歇模式可以通過將活躍模式與待機模式組合來實現(xiàn)。例如，當(dāng)來自接收器的所需功率低于某一閾值時，系統(tǒng)在正常有功功率傳輸模式下持續(xù)一定時間，然后進(jìn)入待機模式持續(xù)一段時間?？梢酝ㄟ^多種方法創(chuàng)建待機模式，包括將被饋送到功率放大器的輸入電壓減小到非常低的電壓電平，將crt的電容改變?yōu)榈秃芏嗟闹祷蚋吆芏嗟闹?，?或?qū)rt的電容改變?yōu)榈秃芏嗟闹祷蚋吆芏嗟闹?。?yīng)當(dāng)注意，諧振分量的更高值或諧振分量的更低值可以幫助系統(tǒng)實現(xiàn)待機模式，因為當(dāng)諧振頻率遠(yuǎn)離系統(tǒng)頻率時輸出功率較低。

上述間歇模式也適用于具有被磁耦合到發(fā)送器的多個接收器的無線功率傳輸系統(tǒng)。特別地，任何接收器可以通過調(diào)制該接收器的crr的電容來進(jìn)入間歇模式運行而不中斷其它接收器的運行。此外，如果需要被磁耦合到發(fā)送器的所有接收器產(chǎn)生低功率并以間歇模式運行，則可通過調(diào)制crt的電容將發(fā)送器置于間歇模式運行。在這種間歇模式運行下，仍然可以通過選擇接收器中的諧振電容器的正確值或通過調(diào)節(jié)接收器的有功功率傳輸模式的占空比來調(diào)整每個接收器相對于其它接收器的輸出功率。

在無線功率傳輸系統(tǒng)中，發(fā)送器和接收器中的電壓和電流都受到發(fā)送器和接收器中的諧振電容的改變的影響。發(fā)送器和接收器中的電容調(diào)制可以用于提供發(fā)送器和接收器之間的帶內(nèi)通信信道。為了實現(xiàn)這種帶內(nèi)通信信道，需要建立適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議以便于無線功率傳輸系統(tǒng)中的帶內(nèi)通信。無線功率傳輸系統(tǒng)的發(fā)送器和接收器中的電流、電壓和/或功率可以用作傳送用于帶內(nèi)通信的信息的手段。

應(yīng)當(dāng)注意，如果允許無線功率傳輸系統(tǒng)的運行頻率改變，則可以使用無線功率傳輸系統(tǒng)的運行頻率作為控制變量。運行頻率變化可以用于以與上述基于vin變化的控制機制類似的方式來控制和保護(hù)無線功率傳輸系統(tǒng)。

上述控制機制可以應(yīng)用于無線功率傳輸系統(tǒng)中的軟啟動過程。例如，在軟啟動過程期間，無線功率傳輸系統(tǒng)可以在包括活躍模式和待機模式兩者的混合模式下運行。具體地，活躍模式和待機模式以交替方式應(yīng)用于無線功率傳輸系統(tǒng)。此外，在軟啟動過程期間，活躍模式的占空比逐漸增加。以這種方式，平均輸出功率由活躍模式運行的占空比控制。

在軟啟動過程期間，電容調(diào)制技術(shù)可以用于在活躍模式運行期間控制無線功率傳輸系統(tǒng)的輸出功率。例如，通過調(diào)制電容，在軟啟動過程的早期階段將活躍模式中的輸出功率設(shè)置為更低的電平，并且隨著軟啟動過程朝著完成進(jìn)行，輸出功率逐漸增加。以這種方式，可以使啟動過程甚至比僅具有電容調(diào)制或占空比控制的過程更平緩。應(yīng)當(dāng)注意，也可以使用諸如逐漸增加輸入電壓、逐漸改變開關(guān)頻率等的其它控制變量來實現(xiàn)平滑的軟啟動過程。其它控制變量可以單獨地或與電容調(diào)制和/或占空比控制組合地采用。此外，應(yīng)當(dāng)注意，如果需要，用于上述軟啟動過程的所有控制方法可以適用于軟停止過程。

為了降低系統(tǒng)成本，可以將無線功率傳輸系統(tǒng)的不同部分集成到多個ic中。集成度應(yīng)該考慮功率大小和/或系統(tǒng)設(shè)計要求來確定。對于一些應(yīng)用，發(fā)送器的控制系統(tǒng)和/或接收器的控制系統(tǒng)可以集成到一個ic中，其還可以包括圖15中所示的電容調(diào)制電路和一些可變電容網(wǎng)絡(luò)。對于一些應(yīng)用，功率放大器、接收器整流器、emi濾波器和電容調(diào)制電路、以及一些可變電容網(wǎng)絡(luò)可以分別集成到它們各自的ic中。

在一些實施方式中，根據(jù)不同的應(yīng)用和設(shè)計需要，包括功率放大器、接收器整流器、emi濾波器、電容調(diào)制電路和一些可變電容網(wǎng)絡(luò)的多個ic可以通過合適的半導(dǎo)體制造過程(例如將多個ic垂直堆疊在彼此的頂部等)集成到一個ic。

在一些實施方式中，根據(jù)不同的應(yīng)用和設(shè)計需要，除了發(fā)送器線圈之外的整個發(fā)送器可以被集成到一個ic中，并且除接收器線圈之外的整個接收器可以被集成到另一個ic中。

在一些實施方式中，根據(jù)不同的應(yīng)用和設(shè)計需要，包括發(fā)送器線圈的整個發(fā)送器可以集成到一個ic中。包括接收器線圈的整個接收器可以集成到另一ic中。

總之，上面已經(jīng)描述了調(diào)制無線功率傳輸系統(tǒng)的發(fā)送器中的無功分量(例如crt的電容)和接收器中的無功分量(例如crr的電容)。電容調(diào)制技術(shù)通過調(diào)制發(fā)送器和接收器中的諧振過程來幫助改善無線功率傳輸系統(tǒng)的性能。

在一些無線功率傳輸系統(tǒng)中，可以是耦接到諧振電容器的線圈的一個或多個附加的中間諧振器被放置在發(fā)送器線圈和接收器線圈之間。上述諧振調(diào)制技術(shù)也可應(yīng)用于一個或多個中間諧振器，以便以類似于用于調(diào)制發(fā)送器中的諧振分量(例如調(diào)制crt的電容)或接收器中的諧振分量(例如調(diào)制crr的電容)的方式獲得更好的結(jié)果。

調(diào)制電容或電感以調(diào)整功率處理可以用在其它配置中。例如，如果發(fā)送器被實施為電流源，則耦合到發(fā)送器的接收器的諧振電容器的電容可以被調(diào)制以調(diào)整接收器的輸出。

在具有多個輸出的電源中，上述電容調(diào)制技術(shù)也可以用于調(diào)整一些輸出。例如，電源可以具有類似于圖10所示的結(jié)構(gòu)，除了多個接收器被強耦合到發(fā)送器。換句話說，發(fā)送器可以是電源的原邊，并且多個接收器可以形成電源的副邊。在運行中，原邊中的電容和/或開關(guān)頻率可以用于維持用于原邊開關(guān)的更好的軟開關(guān)條件或者用于調(diào)節(jié)多個輸出中的一個。副邊中的電容調(diào)制可以用于調(diào)整其它輸出。

在一些實施方式中，功率變換器的輸入連接到交流電源(例如，110v交流電壓)。功率變換器將來自墻上插座的110v交流電壓轉(zhuǎn)換成適合于無線功率傳輸系統(tǒng)的功率放大器的直流電壓。功率變換器可以實施為包括ac/dc整流器和dc/dc變換器的ac/dc電源適配器?；蛘?，如果輸入電源是直流電源，則功率變換器可以被實施為dc/dc變換器。上面討論的技術(shù)可以用于設(shè)計dc/dc變換器。對于一些低功率應(yīng)用，可以替代使用下面參照圖16描述的拓?fù)洹?/p>

圖16示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器的示意圖。零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600包括包含s1、s2、c1和c2的原邊電路、包括d1、d2和co的副邊電路、耦合在原邊和副邊之間的第一變壓器t1以及耦合在原邊和副邊之間的第二變壓器t2。零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600還包括控制器1602(其具有產(chǎn)生s1的柵極驅(qū)動信號的第一輸入/輸出端子)、第二輸入/輸出端子(其產(chǎn)生s2的柵極驅(qū)動信號的)、第三輸入/端子(其接收流經(jīng)t1的變壓器繞組的原邊的檢出電流信號ip)、第四輸入/輸出端子(其接收s1的漏極到源極的檢出電壓信號vsw)、第五輸入/輸出端子(其耦接到第一變壓器t1的繞組)和第六輸入/輸出端(其耦接到第二變壓器t2的繞組)。

在一些實施方式中，s1和s2由兩個互補柵極驅(qū)動信號控制。例如，s1具有d的導(dǎo)通占空比，并且s2具有1-d的占空比。應(yīng)當(dāng)注意，在每個開關(guān)周期中，在s1的導(dǎo)通時段和s2的導(dǎo)通時段之間可能存在短的死區(qū)時間。

第一變壓器t1包括原邊繞組t1p、副邊繞組t1s和輔助繞組t1a。第二變壓器t2包括原邊繞組t2p、副邊繞組t2s和輔助繞組t2a。如圖16所示，t2p和t1p串聯(lián)連接在s1和s2的共同節(jié)點與c1和c2的共同節(jié)點之間。t1與d1串聯(lián)；t2s與d2串聯(lián)連接。t1a耦接到控制器1602的第五輸入/輸出，并且t2a耦接到控制器1602的第六輸入/輸出。

d1和d2形成被耦接在t1和t2與輸出之間的整流器。d1和d2可以實施為同步整流器。c1、c2、s1和s2形成半橋配置。co是輸出電容器，以進(jìn)一步衰減輸出電壓vo的紋波。

當(dāng)s1導(dǎo)通時，正電壓施加到t2p，d2導(dǎo)通，因為它是正向偏置的。功率通過t2s傳送到輸出端。在此期間，向t1p施加負(fù)電壓。結(jié)果，d1被反向偏置。反向偏置d1防止t1s向輸出端提供功率。第一變壓器t1像電感器一樣工作。特別地，第一變壓器t1的原邊繞組已經(jīng)被充電，并且能量存儲在第一變壓器t1中。在dts(ts是開關(guān)周期的持續(xù)時間，d是s1的占空比)的導(dǎo)通時段之后，s1斷開。負(fù)電流ip在s1兩端充電電容，并且在s2兩端放電電容。結(jié)果，vsw朝向正軌(positiverail)移動。s2兩端的電壓近似等于零，因為vsw近似等于正軌。這樣，在短暫的轉(zhuǎn)換時間之后，可以利用零電壓開關(guān)來接通s2。

當(dāng)s2接通時，正電壓施加到t1p。響應(yīng)于施加到t1p的正電壓，d1開始導(dǎo)通，并且能量從t1傳送到輸出端。在此期間，d2反向偏置。反向偏置的d2防止t2s向輸出端傳送功率。第二變壓器t2像電感器一樣工作。特別地，第二變壓器t2的原邊繞組已經(jīng)被充電，并且能量存儲在第一變壓器t2中。存儲的能量將在下一個開關(guān)周期中傳送到輸出端。

在略小于(1-d)ts的導(dǎo)通時段之后，s2斷開。現(xiàn)在為正的ip在s1兩端放電電容。在跨s1的電容器已經(jīng)放電之后，vsw朝向負(fù)軌道移動。在短暫的轉(zhuǎn)換時間后，s1可以通過零電壓開關(guān)接通。以這種方式，s1和s2都可以用零電壓開關(guān)接通，這有助于實現(xiàn)零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600的高效率和低emi運行。

t1和t2的匝數(shù)比和勵磁電感可以設(shè)計成使得在寬范圍的運行條件下可以維持s1和s2的零電壓開關(guān)。如前所述的軟開關(guān)觀察器可以用于識別是否已經(jīng)實現(xiàn)了可接受的軟開關(guān)條件。如果不是，則可以調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以改善軟開關(guān)條件。例如，vsw的波形和/或isw的波形能表明功率開關(guān)是否已經(jīng)實現(xiàn)零電壓開關(guān)(零電壓接通)。如果功率開關(guān)確實有軟開關(guān)，則s1和s2的開關(guān)頻率可以降低。如果s1和s2都實現(xiàn)了軟開關(guān)，并且在s1和s2的接通瞬間，isw太高或者vsw的導(dǎo)數(shù)的幅值(magnitude)太高，則應(yīng)當(dāng)改變s1和s2的開關(guān)頻率。通過在合理的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率，可以實現(xiàn)效率的良好折衷。

在一些實施方式中，零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600在連續(xù)導(dǎo)通模式下運行。在連續(xù)導(dǎo)通模式期間，在從s2的接通到s2的斷開的期間，電流流經(jīng)d1。另一方面，在從s1的接通到s1的斷開的期間，電流流經(jīng)d2。零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600的輸出電壓可以由以下等式表示：

其中k1是第一變壓器t1的匝數(shù)比(例如，k1等于t1p的匝數(shù)除以t1s的匝數(shù))；k2是第二變壓器t2的匝數(shù)比(例如，k2等于t2p的匝數(shù)除以t2s的匝數(shù))。d是s1的占空比。

在一些實施方式中，k1等于k2，或者d非常小。上述等式(1)可以簡化為以下等式：

等式(2)表示在這樣的條件下(例如，k1等于k2或小占空比)，零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600表現(xiàn)得像傳統(tǒng)的單變壓器非對稱半橋變換器，其在本領(lǐng)域中是公知的，因此這里不討論。

在一些實施方式中，占空比d小，k1遠(yuǎn)大于k2(k1＞＞k2)。上述等式(1)可以簡化為以下等式：

等式(3)表示在這樣的條件下(例如，d較小并且k1＞＞k2)，零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600表現(xiàn)為類似于本領(lǐng)域中公知的常規(guī)正向變換器，因此這里不討論。

在一些實施方式中，零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600在輕負(fù)載模式下運行。響應(yīng)于輕負(fù)載模式，d減小，并且零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式。

在不連續(xù)導(dǎo)通模式下，圖16所示的變壓器中的一個可以不將很多能量傳送到輸出。結(jié)果，耦接到其副邊繞組的相應(yīng)二極管停止傳導(dǎo)電流，因為盡管相應(yīng)的原邊開關(guān)仍導(dǎo)通，但先前流經(jīng)二極管的電流下降到近似等于零的水平。在這種不連續(xù)導(dǎo)通模式下，變換器的行為像本領(lǐng)域公知的反激變換器，因此這里不再討論。

應(yīng)當(dāng)注意，在不連續(xù)導(dǎo)通模式期間，可以降低零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600的開關(guān)頻率，以進(jìn)一步降低功率損耗。

在一些實施方式中，零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600在超輕負(fù)載模式下運行。應(yīng)當(dāng)注意，在上述輕負(fù)載模式和本文所述的超輕負(fù)載模式之間可存在閾值。該閾值的選擇取決于不同的應(yīng)用和設(shè)計需要。

對應(yīng)于超輕負(fù)載模式，功率開關(guān)s1和s2可不再在互補模式下工作。相反，s2可以僅在短時間內(nèi)接通。此外，可以不必向s2施加高電壓柵極驅(qū)動信號。例如，s2的接通時間可以限于s2的體二極管的導(dǎo)通。更具體地，s2可以不接通，并且s2的體二極管可以不傳導(dǎo)電流。例如，當(dāng)放電電流非常小時，s2兩端的電容可以放電到一定程度，但不完全放電。

參考圖18所示的模擬結(jié)果解釋這種模式中的運行。對于短時間段，s1接通并以正常運行模式運行。在s1的接通時間期間，第一變壓器t1和第二變壓器t2都被充電，并且ip是負(fù)電流，但振幅增加。然而，由于原邊繞組兩端的電壓(其是c1兩端的電壓)遠(yuǎn)低于s1的接通時間期間的輸入電壓vin，所以d1和d2在s1的接通時間期間都不導(dǎo)通。在s1斷開之后，存儲在變壓器t1和t2中的一些能量通過d1被傳送到輸出端。如果ip具有足夠高的幅度以完全跨s2放電電容，則s2的體二極管可以導(dǎo)通短時間。然而，在以下圖18所示的模擬中，因為變壓器t1和t2中的能量低，所以d2不會導(dǎo)通，因為反向電壓被施加到二極管d2。

在運行中，輔助繞組t1a上的電壓可以被采樣為表示或表明輸出電壓vo的信號。當(dāng)d1中的電流下降到零或接近零時，d1停止傳導(dǎo)電流，t1和t2的勵磁電感與跨s1和s2的電容諧振。結(jié)果，vsw在該時間內(nèi)是振蕩波形。下面參見圖18。在該運行模式期間，通過d2的導(dǎo)通和/或vsw的振蕩來維持t1和t2的磁通平衡。s2的導(dǎo)通時間，s1的導(dǎo)通時間和/或開關(guān)頻率可以用于調(diào)整輸出電壓和/或輸出功率。

應(yīng)當(dāng)注意，s2不需要在每個開關(guān)周期中被接通。s2可以在需要更多能量時接通。此外，當(dāng)s2接通時，s2的接通和/或斷開可以與s1的接通和/或斷開同步。通過這種方式，s1和s2中的至少一個在零電壓開關(guān)下導(dǎo)通或者在開關(guān)兩端的電壓顯著降低下導(dǎo)通。

在這種超輕負(fù)載運行模式中，s1或s2可能不能實現(xiàn)軟開關(guān)。然而，因為施加到不具有軟開關(guān)的開關(guān)的電壓低，所以開關(guān)損耗以及導(dǎo)通損耗也可以較低。結(jié)果，總功率損耗保持在非常低的水平。如果需要，當(dāng)輸出功率低于合適的閾值時，圖16所示的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器1600可以以間歇模式運行。間歇模式有助于進(jìn)一步降低在非常輕負(fù)載或無負(fù)載時的功率損耗。

圖16中所示的控制器1602可以根據(jù)上述不同的運行模式來配置。結(jié)果，圖16所示的零電壓開關(guān)式非對稱半橋變換器1600可以實現(xiàn)更好的性能。

為了進(jìn)一步降低圖16所示的零電壓開關(guān)式非對稱半橋變換器1600的成本，可以采用原邊控制器。特別地，輸出電壓和/或電流調(diào)整電路被放置在變壓器t1和t2的原邊。當(dāng)d1傳導(dǎo)電流時，可以在t1的繞組上檢測到輸出電壓。同樣，當(dāng)d2傳導(dǎo)電流時，可以在t2的繞組上檢測到輸出電壓。因此，t1的輔助繞組和/或t2的輔助繞組可以用于將輸出電壓vo的信息提供給用于調(diào)節(jié)輸出電壓的控制系統(tǒng)。

如圖16所示，輔助繞組t1a和t2a都耦合到控制器1602?？梢栽诿總€開關(guān)周期采樣來自t1a和/或t2a的電壓信息，并且采樣值用作輸出電壓vo的反饋值。然而，在一些運行模式中，d1或d2可能不導(dǎo)通，或者d1或d2的導(dǎo)通時間不足以實現(xiàn)vo的信息的可靠采樣。在這種情況下，可能不能直接使用采樣電壓。相反，需要分析來自t1a和t2a的電壓波形。例如，如果二極管中的一個不導(dǎo)通(可以通過分析該二極管的波形來識別)，則相應(yīng)的采樣電壓不應(yīng)用于vo調(diào)整。

在一些實施方式中，這兩個二極管都不能導(dǎo)通足夠長的時間以允許輸出電壓的可靠采樣。偏移可以被添加到先前采樣的反饋值以形成新的反饋值。此外，可以在原邊檢測輸出電流信息?？梢酝ㄟ^檢測電流isw來檢測輸出電流，檢測流經(jīng)直流鏈路電流的電流，例如圖16所示的電流檢測電阻器rs兩端的電壓vir。檢測的電流信息可以被發(fā)送到控制器1602中?？刂破?602可以基于從原邊檢測的電流信息提供各種功能，例如限流和/或過流保護(hù)。在自原邊調(diào)節(jié)輸出電流的能力對于諸如led照明等的一些應(yīng)用可能是重要的。

圖17示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的與圖16所示的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器相關(guān)的各種波形。圖17的水平軸表示時間間隔。水平軸的單位是微秒?？梢杂衅邆€垂直軸。第一垂直軸y1表示跨開關(guān)s1的漏極-源極的電壓(vsw)。第二垂直軸y2表示流經(jīng)第一變壓器t1的電流(ip)。第三垂直軸y3表示第二變壓器t2的原邊繞組兩端的電壓(vt2)。第四垂直軸y4表示流經(jīng)二極管d2的電流(id2)。第五垂直軸y5表示第一變壓器t1的原邊繞組兩端的電壓(vt1)。第六垂直軸y6表示流經(jīng)二極管d1的電流(id1)。第七垂直軸y7表示輸出電壓(vo)。

在一些實施方式中，零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器的輸入電壓約為350v。輸出電壓vo被調(diào)整在約19v。輸出功率約為40w。零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器的運行和相應(yīng)的波形已經(jīng)在上面參照圖16進(jìn)行了描述，因此這里不再進(jìn)一步詳細(xì)討論。

圖18示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的與在超輕負(fù)載模式下運行的零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器相關(guān)的各種波形。輸入電壓約為350v，輸出電壓約為5v。上面參照圖16描述了零電壓開關(guān)非對稱半橋變換器的超輕負(fù)載運行和相應(yīng)波形，因此，這里不再進(jìn)一步詳細(xì)討論。

圖19示出了根據(jù)本公開的各種實施方式的在圖16中采用的集成磁性結(jié)構(gòu)的截面圖。圖16所示的第一變壓器t1和第二變壓器t2可以實施為兩個單獨的變壓器。在替代實施方式中，這兩個變壓器可以實施在具有如圖19所示的單個磁芯的集成磁結(jié)構(gòu)中。

如圖19所示，t1圍繞磁芯的一個柱(leg)實現(xiàn)。t2被實施在磁芯的另一個柱中。在這兩個柱中的每一個中存在氣隙，使得一些能量可以存儲在氣隙中。根據(jù)不同的應(yīng)用和設(shè)計需要，可以相應(yīng)地選擇氣隙的高度。

磁芯的第三柱或中心柱為變壓器t1和t2中的磁通量提供另一條路徑?？梢栽诘谌刑砑涌蛇x的氣隙。該可選的氣隙可以用于調(diào)節(jié)變壓器t1和t2之間的耦合。

根據(jù)圖16所示的拓?fù)?，與其它拓?fù)湎啾龋瑃1和t2的伏秒數(shù)(volts-secondrating)可以降低到更低的水平。這種低伏秒數(shù)有助于減少t1p和t2p的匝數(shù)。t1和t2的繞組于是可以在pcb上實施。此外，每個變壓器中的繞組之間的耦合被嚴(yán)格控制。這種嚴(yán)格受控的耦合有助于改善psr應(yīng)用中的控制性能，并使emc設(shè)計更簡單。

雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的實施方式及其優(yōu)點，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種改變、替換和更改。

此外，本申請的范圍不旨在限于說明書中描述的過程、機器、制造、物質(zhì)組成、裝置、方法和步驟的特定實施方式。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從本發(fā)明的公開內(nèi)容中將容易地理解，可以根據(jù)本發(fā)明利用目前存在或?qū)黹_發(fā)的執(zhí)行與根據(jù)本文描述的相應(yīng)實施方式基本上相同的功能或?qū)崿F(xiàn)基本相同的結(jié)果的過程、機器、制造、物質(zhì)組成、裝置、方法和步驟。因此，所附權(quán)利要求旨在將這些過程、機器、制造、物質(zhì)組成、裝置、方法或步驟包括在其范圍內(nèi)。