自動阻抗調(diào)節(jié)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及阻抗調(diào)節(jié)，更具體地，涉及用于自動將網(wǎng)絡(luò)阻抗調(diào)節(jié)為目標(biāo)阻抗的裝 置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 阻抗匹配是公知的，并且涉及最大化從電源到阻抗不同的電負(fù)載的電能傳輸。例 如，可以在電源（例如包括RF放大器）和負(fù)載（諸如天線）之間提供阻抗匹配。
[0003] 高功率傳輸效率旨在使負(fù)載消耗幾乎100 %的RF功率，而使電源由于例如RF放大 器的內(nèi)阻造成的耗散幾乎為0%。因此，電源應(yīng)該具有低輸出阻抗，而負(fù)載應(yīng)該具有固定輸 入阻抗，該固定輸入阻抗的值對于消耗由電源提供的所有電能而言是最佳的。這可以通過 電抗匹配來實現(xiàn)，其中，負(fù)載輸入阻抗和電源輸出阻抗的虛部相互補(bǔ)償，并且負(fù)載輸入阻抗 的實部具有比電源輸出電阻的實部更高的最佳值。
[0004] 這種類型的阻抗調(diào)節(jié)對于AC電系統(tǒng)來講尤其具有挑戰(zhàn)性，這是因為負(fù)載的電分 量的阻抗和/或行為會隨著電信號的頻率而改變或者在不同的操作條件下改變。
[0005] 使用阻抗調(diào)節(jié)的一個領(lǐng)域是在諸如由鄰近、附近和近場通信（NFC)標(biāo)準(zhǔn)定義的系 統(tǒng)的無接觸通信系統(tǒng)中使用的鄰近讀取器。例如，NFC讀取器可使用在天線和集成驅(qū)動器 放大器之間的窄帶阻抗調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。
[0006] US 2013/0109305或W0 2012/103222描述了用于自動匹配NFC天線的阻抗的多種 方法。
[0007] 然而，天線阻抗不是固定的。對于無接觸通信技術(shù)而言，天線阻抗可以根據(jù)多種因 素而改變，所述多種因素包括制造公差（尤其是經(jīng)常被用于操作金屬上的NFC天線的鐵氧 體箱）、天線的環(huán)境溫度、NFC標(biāo)簽在操作時距金屬部件或無接觸卡的距離。
[0008] 由天線網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)的阻抗與包括集成放大器的NFC芯片輸出的不匹配（例如，從 500hm到100hm的改變）意味著：在天線處需要多五倍的功率來實現(xiàn)相同的交流磁場。
[0009] 此外，明顯電抗的負(fù)載阻抗對于放大器而言可能會帶來更大的問題，這是因為它 會導(dǎo)致更多的諧波發(fā)射，這可能受到技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的頻率約束的限制?？傮w而言，讀取器 天線網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率的移位意味著對于到天線網(wǎng)絡(luò)中的相同輸入功率而言，由天線發(fā)射的 磁場更弱。此外，這可能導(dǎo)致違反規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制失真并因此還可能導(dǎo)致通信問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明涉及通過將要提供電能的網(wǎng)絡(luò)的阻抗自動調(diào)節(jié)為目標(biāo)阻抗來提高電能傳 輸?shù)男?，并由其適用于無接觸電能傳輸和通信應(yīng)用。
[0011] 本發(fā)明的第一方面提供一種用于自動調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的阻抗以匹配目標(biāo)阻抗的裝置，所 述裝置包括：電源，被配置為將AC電能傳送到目標(biāo)阻抗；網(wǎng)絡(luò)，具有用于從電源接收驅(qū)動 信號的輸入端和能夠連接到天線的輸出端，所述網(wǎng)絡(luò)包括在所述輸入端和是輸出端之間的 分流電抗以及至少一個可變阻抗元件；相位測量電路，被布置為使用所述分流電抗兩端的 電壓降來在所述網(wǎng)絡(luò)中測量所述驅(qū)動信號的電壓和所述驅(qū)動信號的電流之間的相位差；電 壓測量電路，被布置為測量所述驅(qū)動信號的電壓的幅值和所述分流電抗兩端的電壓降的幅 值；自動阻抗調(diào)節(jié)電路，與所述可變阻抗元件、所述相位測量電路和所述電壓測量電路通 信，并被布置為接收測量相位差、所述驅(qū)動信號的電壓的測量幅值以及所述分流電抗兩端 的電壓降的測量幅值，以根據(jù)它們確定所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗，并自動地通過輸出用于調(diào)節(jié)所述 可變阻抗元件的阻抗的控制信號來減小所述網(wǎng)絡(luò)的所確定的阻抗和目標(biāo)阻抗之差。
[0012] 分流電抗的使用允許在網(wǎng)絡(luò)的諸如頻率和功率的操作條件下測量阻抗，這對于在 網(wǎng)絡(luò)中存在取決于頻率和功率的組件的情況是有益的。
[0013] 電源可被配置為以最優(yōu)效率將AC電能傳送到目標(biāo)阻抗。目標(biāo)阻抗可以是完全的 實阻抗。目標(biāo)阻抗可以在10 Ω至50 Ω的范圍內(nèi)，尤其在20 Ω至40 Ω的范圍內(nèi)，最好在 25 Ω至35 Ω的范圍內(nèi)，例如30 Ω。
[0014] 所述網(wǎng)絡(luò)可包括多個可變阻抗元件。所述網(wǎng)絡(luò)可包括第一可變阻抗元件和第二可 變阻抗元件。所述自動阻抗調(diào)節(jié)電路可以被布置為輸出用于調(diào)節(jié)第一可變阻抗元件的阻抗 的第一控制信號和用于獨(dú)立于第一可變阻抗元件調(diào)節(jié)第二可變阻抗元件的阻抗的第二控 制信號。調(diào)節(jié)第一可變阻抗元件可以通過補(bǔ)償所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗的任何虛部而使得所述網(wǎng)絡(luò) 的阻抗完全是實阻抗。調(diào)節(jié)第二可變阻抗元件可以將所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗的幅值改變?yōu)楦咏?于目標(biāo)阻抗的幅值。此外，獨(dú)立地調(diào)節(jié)可變阻抗元件使得所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗的改變更小，從而 可以改善與目標(biāo)阻抗的匹配。
[0015] 第一可變阻抗元件可以與所述輸入端和所述輸出端串聯(lián)，和/或第二可變阻抗元 件可以與所述輸入端和所述輸出端并聯(lián)。
[0016] 所述或每個可變阻抗元件可以是電容器或電容器網(wǎng)絡(luò)。所述電容器網(wǎng)絡(luò)可包括電 控開關(guān)，所述開關(guān)可操作為改變電容器網(wǎng)絡(luò)的阻抗。所述電容器網(wǎng)絡(luò)可被設(shè)置為集成電路。
[0017] 所述分流電抗可以是分流電容器。分流電容器可以不在網(wǎng)絡(luò)中提供額外損耗。
[0018] 所述分流電抗可以是分流電感器。所述網(wǎng)絡(luò)可包括EMC濾波器。當(dāng)所述分流電抗 是分流電感器時，所述電感器還可以形成EMC濾波器的一部分。可以在電源產(chǎn)生具有方波 波形的驅(qū)動信號時設(shè)置EMC濾波器。
[0019] 所述網(wǎng)絡(luò)可以不包括EMC濾波器。當(dāng)電源產(chǎn)生正弦驅(qū)動信號時可以不在所述網(wǎng)絡(luò) 中設(shè)置EMC濾波器。分流電抗可以是不提供額外損耗的分流電容器、或者是雖然提供更大 的損耗但是提供一些濾波的分流電感器。
[0020] 所述自動阻抗調(diào)節(jié)電路可以實現(xiàn)用于減小所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗和目標(biāo)阻抗之差的算 法。所述算法可以是迭代算法。所述算法可以最小化所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗和目標(biāo)阻抗之差。所 述算法可以基于或使用牛頓方法。這提供用于確定近似解的計算上可實現(xiàn)的算法，并因此 可以在不使用精確解的情況下實現(xiàn)阻抗調(diào)節(jié)。
[0021] 所述算法可以按照交替迭代輪流調(diào)節(jié)第一可變阻抗元件和第二可變阻抗元件的 阻抗。這實現(xiàn)阻抗的更小的改變，并因此可提供更好的阻抗匹配。此外，這可通過補(bǔ)償所述 網(wǎng)絡(luò)的阻抗的任何虛部而使得所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗變?yōu)閷嵶杩?，并允許對所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗的幅 值的調(diào)節(jié)。
[0022] 所述迭代算法可以使用雅克比矩陣的近似。這允許在不存在可微分函數(shù)的情況下 找到近似解。雅克比矩陣的近似的元素可以包括所述網(wǎng)絡(luò)的電抗的當(dāng)前值和先前值之差與 所述可變阻抗元件的電容的當(dāng)前值和先前值之差的商、和/或所述網(wǎng)絡(luò)的電阻的當(dāng)前值和 先前值之差與所述可變阻抗元件的電容的當(dāng)前值和先前值之差的商。
[0023] 本發(fā)明的第二方面提供一種半導(dǎo)體封裝，包括引線框和集成電路，其中，所述集成 電路包括如前述任意一項權(quán)利要求所述的裝置。
[0024] 本發(fā)明的第三方面提供一種包括根據(jù)本發(fā)明的第二方面的封裝和連接到所述網(wǎng) 絡(luò)的輸出端的天線的設(shè)備。所述設(shè)備可被配置為以讀取器模式、卡模擬模式或點(diǎn)對點(diǎn)模式 操作。所述設(shè)備可以是NFC設(shè)備、鄰近設(shè)備或FeliCa設(shè)備。
[0025] 本發(fā)明的第四方面提供一種用于自動調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的阻抗以匹配目標(biāo)阻抗的方法，所 述方法包括：使用在網(wǎng)絡(luò)的輸入端和天線之間串聯(lián)的分流電抗兩端的電壓降，來確定施加 到所述網(wǎng)絡(luò)的輸入端的AC驅(qū)動信號的電壓與所述AC驅(qū)動信號的電流之間的相位差；確定 所述驅(qū)動信號的電壓的第一峰值幅值和所述分流電抗兩端的電壓降的第二峰值幅值；通過 調(diào)節(jié)所述網(wǎng)絡(luò)中的可變阻抗元件的阻抗，迭代地減小使用所述相位差以及第一峰值幅值和 第二峰值幅值確定的所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗與目標(biāo)阻抗之差。
[0026] 基于牛頓方法的算法可用于迭代地減小所述網(wǎng)絡(luò)的阻抗和目標(biāo)阻抗之差。
[0027] 迭代地減小所述差還可包括按照交替迭代輪流改變串聯(lián)在所述網(wǎng)絡(luò)中的第一可 變阻抗元件的阻抗和改變并聯(lián)在所述網(wǎng)絡(luò)中的第二可變阻抗元件的阻抗。
[0028] 本方法的其它優(yōu)選特征可對應(yīng)于本發(fā)明的第一方面的優(yōu)選特征的相應(yīng)特征。
【附圖說明】
[0029] 現(xiàn)在將僅通過示例的方式并參照附圖描述本發(fā)明的實施例，其中：
[0030] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的電系統(tǒng)和阻抗調(diào)節(jié)裝置的示意框圖；
[0031] 圖2A至圖2D分別示出圖1的阻抗調(diào)節(jié)裝置的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的電壓測量部的第一至第 四實施例；
[0032] 圖3示出顯示了阻抗調(diào)節(jié)裝置的相位測量電路部和電壓測量電路部的示意框圖；
[0033] 圖4示出在圖1的阻抗調(diào)節(jié)裝置中使用的可變電容網(wǎng)絡(luò)的示意框圖；
[0034] 圖5示出顯示了根據(jù)本發(fā)明且由圖1的阻抗調(diào)節(jié)裝置實施的自動阻抗匹配方法的 流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 現(xiàn)在將在近場通信（NFC)的上下文中描述本發(fā)明的實施例。然而，將理解本發(fā)明 不必受限于該特定應(yīng)用。相反，本發(fā)明的原理可以應(yīng)用于利用天線的并且改善電源和天線 之間的電能傳輸會是有益的其它無線或無接觸電系統(tǒng)。
[0036] 參照圖1，示出了包括根據(jù)本發(fā)明的阻抗匹配裝置且根據(jù)本發(fā)明的方法操作的無 線或無接觸電