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CN107852197A - 用于使用同步整流器控制来调节输出功率的设备、系统和方法 - Google Patents

用于使用同步整流器控制来调节输出功率的设备、系统和方法 Download PDF

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CN107852197A
CN107852197A CN201680043315.1A CN201680043315A CN107852197A CN 107852197 A CN107852197 A CN 107852197A CN 201680043315 A CN201680043315 A CN 201680043315A CN 107852197 A CN107852197 A CN 107852197A
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Abstract

在一个方面，一种用于无线地接收功率的装置包括接收电路，其被配置为经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率。该装置还包括调谐电路，其包括可变电抗元件，耦合到接收电路，并且被配置为解调谐接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平。该装置包括整流器，其包括开关，耦合到接收电路，并且被配置为将交流电整流为用于向负载供电的直流电。该装置包括驱动电路，其被配置为当通过开关的电流满足第一非零电流值时驱动开关并且将第一非零电流值调节到第二非零值以将第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。

Description

用于使用同步整流器控制来调节输出功率的设备、系统和 方法
技术领域
本申请总体上涉及可充电设备的无线功率充电，并且更具体地涉及使用同步整流器控制来调节输出功率。
背景技术
越来越多的电子设备经由可再充电电池被供电。这样的设备包括移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围设备、通信设备(例如，蓝牙设备)、数字相机、助听器等。虽然电池技术已经得到改善，但是电池供电的电子设备越来越需要并且消耗更多量的功率，从而通常需要再充电。可再充电设备通常通过物理地连接到电源的电缆或其他类似的连接器经由有线连接来被充电。电缆和类似的连接器有时可能是不方便或麻烦的，并且具有其他缺点。能够在自由空间中传送功率以用于对可再充电电子设备充电或向电子设备提供功率的无线充电系统可以克服有线充电解决方案的一些缺陷。因此，向电子设备有效和安全地传送功率的无线功率传送系统和方法是期望的。
发明内容
在所附权利要求的范围内的系统、方法和设备的各种实现每个具有若干方面，其中没有单独的一个方面单独负责本文中描述的期望属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，本文中描述了一些突出的特征。
在附图和下面的描述中阐述了在本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节。其他特征、方面和优点将从描述、附图和权利要求中变得显而易见。注意，以下附图的相对大小可能没有按比例绘制。
本公开中描述的主题的一个方面提供了一种用于无线地接收功率的装置。该装置包括被配置为经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率的接收电路。该装置还包括包含可变电抗元件的调谐电路，调谐电路耦合到接收电路并且被配置为解调谐接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平。该装置还包括电耦合到接收电路并且被配置为将在接收电路中生成的交流(AC)信号整流为用于向负载供电的直流(DC)信号的整流器，整流器包括开关。该装置还包括被配置为当通过开关的电流满足第一非零电流值时驱动开关的驱动电路。驱动电路还被配置为将第一非零电流值调节到第二非零值以将第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种从发射器无线地接收功率的方法的实现。该方法包括经由接收电路经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率。该方法还包括经由耦合到接收电路的可变电抗元件来解调谐接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平。该方法还包括经由整流器将由磁场生成的交流(AC)信号整流为用于向负载供电的直流(DC)信号，整流器包括开关。该方法还包括当通过开关的电流满足第一非零电流值时驱动开关。该方法还包括将第一非零电流值调节到第二非零值以将第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于无线地接收功率的装置。该装置包括用于经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率的装置。该装置还包括用于解调谐接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平的装置。该装置还包括用于经由整流器将由磁场生成的交流(AC)信号整流为用于向负载供电的直流(DC)信号的装置，整流器包括开关。该装置还包括用于当通过开关装置的电流满足第一非零电流值时驱动开关装置的装置。该装置还包括用于将第一非零电流值调节到第二非零值以将第一输出功率水平调节到第二输出功率水平的装置。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种包括代码的非暂态计算机可读介质，该代码在被执行时引起装置经由接收电路经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率。该代码在被执行时还引起该装置接调谐接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平。该代码在被执行时还引起该装置经由整流器将由磁场生成的交流(AC)信号整流为用于向负载供电的直流(DC)信号，整流器包括开关。该代码在被执行时还引起该装置在通过开关的电流满足第一非零电流值时驱动开关。该代码在被执行时还引起该装置将第一非零电流值调节到第二非零值以将第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。
附图说明
图1是根据示例性实施例的示例性无线功率传送系统的功能框图。
图2是根据各种示例性实施例的可以在图1的无线功率传送系统中使用的示例性部件的功能框图。
图3是根据示例性实施例的包括发射天线或接收天线的图2的发射电路或接收电路的一部分的示意图。
图4是根据实施例的示例性功率接收元件电路的图。
图5是可以在图4的功率接收元件中使用的示例性开关电路的一部分的图。
图6是包括调谐电路和整流器电路的示例性功率接收元件的图。
图7是输出功率和感应电压的示例性值、以及功率接收元件可以基于输出功率和感应电压值而使用的不同调谐方法的图。
图8是示出针对不同输出功率控制水平的不同输出功率控制方法的图。
图9是示出针对不同的功率和电压值的电压和输出功率控制的不同状态的图。
图10是针对不同滞后值的开关电流、整流器输入电压和感应电压的示例性输出的图。
图11是示出针对不同滞后值的整流器滞后、电池电流、系统效率和输出功率的示例性输出的图。
图12是示出针对不同滞后值的耗散功率、电池电流和输出功率的示例性输出的图。
图13是根据本文中的公开的接收无线功率的示例性方法的流程图。
附图中示出的各种特征可能不是按比例绘制的。因此，为了清楚起见，各种特征的尺寸可以被任意地扩大或缩小。另外，一些附图可能没有描述给定系统、方法或设备的所有部件。最后，在整个说明书和附图中，相同的附图标记可以用来表示相同的特征。
具体实施方式
在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了很多示例和具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，如在权利要求书中表达的本公开可以单独地或与下面描述的其他特征组合地包括这些示例中的一些或全部特征，并且还可以包括本文中描述的特征和概念的修改和等同物。
无线功率传送可以是指将与电场、磁场、电磁场等相关联的任何形式的能量从发射器传送到接收器而不使用物理电导体(例如，功率可以通过自由空间传送)。输出到无线场(例如，磁场或电磁场)中的功率可以由“功率接收元件”接收、捕获或耦合以实现功率传送。
图1是根据说明性实施例的无线功率传送系统100的功能框图。输入功率102可以从电源(该图中未示出)被提供至发射器104，以生成用于执行能量传递的无线(例如，磁或电磁)场105。接收器108可以耦合到无线场105并且生成用于由耦合到输出功率110的设备(该图中未示出)来存储或消耗的输出功率110。发射器104和接收器108可以分开距离112。发射器104可以包括用于向接收器108发射/耦合能量的功率发射元件114。接收器108可以包括用于接收或捕获/耦合从发射器104发射的能量的功率接收元件118。
在一个说明性实施例中，发射器104和接收器108可以根据相互谐振关系来被配置。当接收器108的谐振频率和发射器104的谐振频率实质上相同或非常接近时，发射器104与接收器108之间的传输损耗减小。因此，可以在更大的距离上提供无线功率传送。因此，谐振电感耦合技术可以在各种距离上以及利用各种感应功率发射和接收元件配置来允许提高的效率和功率传送。
在某些实施例中，无线场105可以对应于发射器104的“近场”，如下面进一步描述。近场可以对应于如下区域：在该区域中，存在导致功率发射元件114中最小程度地将功率辐射远离功率发射元件114的电流和电荷的强的反应场。近场可以对应于在功率发射元件114的约一个波长(或其部分)内的区域。
在某些实施例中，通过将无线场105中的大部分能量耦合到功率接收元件118而不是将电磁波中的大部分能量传播到远场来进行有效的能量传递。
在某些实施例中，发射器104可以输出具有与功率发射元件114的谐振频率相对应的频率的时变磁(或电磁)场。当接收器108在无线场105内时，时变磁(或电磁)场可以在功率接收元件118中感应出电流。如上所述，如果功率接收元件118被配置为以功率发射元件114的频率谐振的谐振电路，则可以有效地传递能量。在功率接收元件118中感应的交流(AC)信号可以被整流以产生可以被提供以对负载充电或供电的直流(DC)信号。
图2是根据另一说明性实施例的无线功率传送系统200的功能框图。系统200可以包括发射器204和接收器208。发射器204(本文中也称为功率发射单元PTU)可以包括发射电路206，发射电路206可以包括振荡器222、驱动器电路224、前端电路226和阻抗控制模块227。振荡器222可以被配置为生成可以响应于频率控制信号223而调节的期望频率的信号。振荡器222可以向驱动器电路224提供振荡器信号。驱动器电路224可以被配置基于输入电压信号(VD)225以例如功率发射元件214的谐振频率来驱动功率发射元件214。驱动器电路224可以是被配置为从振荡器222接收方波并且输出正弦波的开关放大器。
前端电路226可以包括用于滤除谐波或其他不想要的频率的滤波器电路。前端电路226可以包括用于将发射器204的阻抗与功率发射元件214的阻抗相匹配的匹配电路。如下面将更详细地解释，前端电路226可以包括用于与功率发射元件214一起产生谐振电路的调谐电路。作为驱动功率发射元件214的结果，功率发射元件214可以生成无线场205以便以足以对电池236充电或另外地对负载供电的水平来无线地输出功率。阻抗控制模块227可以控制前端电路226。
发射器204还可以包括可操作地耦合到发射电路206的控制器240，控制器240被配置为控制发射电路206的一个或多个方面或者完成与管理功率传送相关的其他操作。控制器240可以是微控制器或处理器。控制器240可以被实现为专用集成电路(ASIC)。控制器240可以直接或间接地可操作地连接到发射电路206的每个部件。控制器240还可以被配置为从发射电路206的每个部件接收信息，并且基于所接收的信息来执行计算。控制器240可以被配置为针对每个部件生成可以调节该部件的操作的控制信号(例如，信号223)。因此，控制器240可以被配置为基于由其执行的操作的结果来调节或管理功率传送。例如，发射器204还可以包括被配置为存储数据的存储器(未示出)，数据诸如用于引起控制器240执行特定功能(诸如与无线功率传送的管理相关的功能)的指令。
接收器208(本文中也称为功率接收单元PRU)可以包括接收电路210，接收电路210可以包括前端电路232和整流器电路234。前端电路232可以包括用于将接收电路210的阻抗与功率接收元件218的阻抗相匹配的匹配电路。如下所述，前端电路232还可以包括用于与功率接收元件218一起产生谐振电路的调谐电路。整流器电路234可以根据AC功率输入来生成DC功率输出，以对电池236充电，如图2所示。另外，接收器208和发射器204可以在单独的通信信道219(例如，蓝牙、Zigbee、蜂窝等)上通信。可替代地，接收器208和发射器204可以使用无线场205的特性经由带内信令来通信。
接收器208可以被配置为确定由发射器204发射并且由接收器208接收的功率的量是否适合于对电池236充电。发射器204可以被配置为生成具有直接场耦合系数(k)的主要是非辐射的场以用于提供能量传递。接收器208可以直接耦合到无线场205，并且可以生成输出功率以用于由耦合到输出或接收电路210的电池(或负载)236来存储或消耗。
接收器208还可以包括控制器250，控制器250类似于如上所述的发射控制器240被配置用于管理无线功率接收器的一个或多个方面。例如，接收器208还可以包括被配置为存储数据的存储器(未示出)，数据诸如用于引起控制器250执行特定功能(诸如与无线功率传送的管理相关的功能)的指令。
如上所述，发射器204和接收器208可以以一定的距离分离，并且可以根据相互谐振关系来配置，以最小化发射器与接收器之间的传输损耗。
图3是根据说明性实施例的图2的发射电路206或接收电路210的一部分的示意图。如图3所示，发射或接收电路350可以包括功率发射或接收元件352和调谐电路360。功率发射或接收元件352也可以被称为或被配置为天线或“环路”天线。术语“天线”通常是指可以无线地输出或接收能量以耦合到另一“天线”的部件。功率发射或接收元件352在本文中也可以被称为或被配置为“磁性”天线、或感应线圈、谐振器、或谐振器的一部分。功率发射或接收元件352也可以被称为被配置为无线地输出或接收功率的类型的线圈或谐振器。如本文中使用，功率发射或接收元件352是被配置为无线地输出和/或接收功率的类型的“功率传输部件”的示例。功率发射或接收元件352可以包括空气芯或物理磁芯，诸如铁氧体磁芯(图中未示出)。
当功率发射或接收元件352与调谐电路360一起被配置作为谐振电路或谐振器时，功率发射或接收元件352的谐振频率可以基于电感和电容。电感可以简单地是由形成功率发射或接收元件352的线圈或其他电感器产生的电感。电容(例如，电容器)可以由调谐电路360来提供，以产生期望的谐振频率的谐振结构。作为非限制性示例，调谐电路360可以包括电容器354，并且电容器356可以被添加到发射和/或接收电路350以产生谐振电路。
调谐电路360可以包括与功率发射或接收元件352一起形成谐振电路的其他部件。作为另一非限制性示例，调谐电路360可以包括平行放置在电路350的两个端子之间的电容器(未示出)。其他设计也是可能的。在一些实施例中，前端电路226中的调谐电路可以具有与前端电路232中的调谐电路相同的设计(例如360)。在其他实施例中，前端电路226可以使用不同于前端电路232中的调谐电路设计。
对于功率发射元件，具有实质上与功率发射或接收元件352的谐振频率相对应的频率的信号358可以是去往功率发射或接收元件352的输入。对于功率接收元件，具有实质上与功率发射或接收元件352的谐振频率相对应的频率的信号358可以是来自功率发射或接收元件352的输出。本文提供的实施例和描述可以应用于谐振和非谐振实现(例如，用于功率发射或接收元件以及谐振和非谐振系统的谐振和非谐振电路)。
图4是包括同步整流器420的示例性功率接收元件结构400的图。如图所示，功率接收元件结构400包括电压源401、电阻R5 402、电阻R12 416、电感器L2 403、电容器C1 404、电容器C2 405、电容器C4 406和电容器C5 407。在图4所示的示例性配置中，电压源可以具有0至4.243V的正弦电压范围，其频率为6.78MHz，电阻R5 402可以具有667mΩ的电阻，电阻R12 416可以具有1μΩ的电阻，电感器L2 403可以具有766nH的电感，电容器C1 404、C2405、C4 406和C5 407可以分别具有50pF、1nF、1nF和150pF的电容。在一些方面，图4所示的电阻可以表示功率接收元件结构400的部件的固有电阻而不是分离的电阻。在一些实施例中，电压源401仅存在用于在操作期间响应于外部生成的磁场而表示时变感应电压。在一些方面，跨电压源的电压可以在端子“rx”417和“neg”419处被测量。在一些方面，功率接收元件结构400的谐振电路可以包括电感器L2 403以及电容器C1 404和C5 407。功率接收元件结构400还包括整流器420，整流器420包括二极管D1 421、D2 422、D3 423和D4 424(统称为D1-D4)以及开关S2 425、S3 426、S5 427和S6 428(统称为S2-S3和S5-S6)。在一些实施例中，功率接收元件结构400可以包括被配置为经由信号“dr”440和“drb”441来驱动开关的驱动电路455。在一些方面，二极管D1-D4表示整流器420中存在的实际的二极管。在一些方面，二极管D1-D4表示开关S2-S3和S5-S6的体二极管。尽管整流器420包括全桥整流器，但是在其他方面，可以使用半桥整流器。开关S2-S3和S5-S6可以包括晶体管(例如，MOSFET、JFET等)或任何其他类型的开关。在一些实施例中，整流器420可以示出图2的整流器电路234的示例性配置。本文中关于图4的部件描述的具体值仅仅是示例性的而非限制性的。
在一些实施例中，整流器420的同步整流可以通过操作开关S2-S3和S5-S6在ZVS(零电压开关)中导通以及在ZCS(零电流开关)中断开来获得。当使用整流器420时，开关S2-S3和S5-S6的操作可以被定时和控制以匹配来自电压源401的输入信号。
在一些实施例中，调节开关S2-S3和S5-S6的操作使得开关不再以ZVS和/或ZCS操作可能是有益的。特别地，开关S2-S3和S5-S6的断开定时可以被改变或延迟，以允许开关S2-S3和S5-S6中的电流反转。在这样的实施例中，电流可以初始地流入负载，并且在断开之前一段时间，电流可以从负载流回谐振电路(例如，L2 403以及C1 404和C5 407)。开关S2-S3和S5-S6的断开处的这种延迟可能引起如在观察整流器时看到的有效阻抗的改变以及电流相位的平移。在一些方面，例如，如果在闭环实施例中实现，则功率接收元件400可以通过调节开关S2-S3和S5-S6的定时或阈值来控制到负载的输出功率。
例如，在一些实施例中，接收电路可以被配置为经由足以对负载供电或对充电的磁场来接收无线功率并且可以生成诸如电压源401等交流(AC)信号。整流器420可以电耦合到接收电路并且被配置为将在接收电路中生成的AC信号整流为用于向负载供电的直流(DC)信号。整流器420包括开关(例如，S2-S3和S5-S6)以及被配置为当通过开关的电流满足非零电流值时驱动开关的驱动电路455。在一些方面，非零电流值是发信号通知驱动电路闭合或断开开关的阈值。在一些方面，非零电流值是负电流值，使得方向电流在开关断开之前在一段时间从负载流回接收电路。驱动电路可以调节非零电流值以调节到负载的输出功率。在一些方面，驱动电路基于来自负载的关于期望的输出功率水平的反馈来调节非零电流值的大小。在一些方面，驱动电路通过耦合到开关(例如，S2-S3和S5-S6)的电流传感器或比较器来确定非零电流值被满足。
图5是可以被包括在图4的整流器电路420中的示例性开关电路500的图。如图5所示，开关电路500包括具有并联二极管D1的开关S1。二极管D1可以包括任何MOS晶体管的体二极管。开关电路500还包括跨过开关S1的比较开关的端子“rect”501和端子“out”510的电压的比较器550、以及当跨开关S1的电压或电流达到阈值时向开关S1发送信号以断开或闭合开关S1的驱动电路555。在一些实施例中，驱动电路555将信号发送到端子“dr”440和/或端子“drb”441(参见图4)以驱动或激活相应的开关(例如，S2-S3和S5-S6)。例如，在一些方面，图4的开关S2 425和S3 426(以及相应的二极管D2 422和D3 423)可以替换为开关电路500，开关电路500包括与发信号通知“dr”440和/或“drb”441以驱动开关S2 425和S3 426的驱动电路555耦合的比较器550。在其他方面，开关S5 427和S6 428(以及相应的二极管D1421和D4 424)可以替换为开关电路500。如上所述，在同步整流器电路中，当端子rect 501和端子out 510的电压相等(例如，ZVS)时，比较器550可以发送信号以导通开关S1(即，闭合开关)。另外，当端子rect 501和端子out 510的电流相等(例如，ZCS)时，比较器550可以发送信号以断开开关S1(即，断开开关)。
如上所述，可能期望调节开关S1的操作以调节输送到负载(例如，图2的电池236)的输出功率。例如，可以向比较器550增加滞后，使得当端子rect 501的电压不为零时发生开关S1的导通。在一些方面，滞后包括用于确定何时或在何种条件下驱动开关S1的阈值电压或电流。例如，当rect端子501中的电压比out端子510的电压大30mV(即，Vrect-Vout＝30mV)时，比较器550用来导通开关S1的阈值可以发生。在这个示例中，滞后将是30mV。在一些方面，比较器550确定rect端子501中的电压比out端子510的电压大30mV，并且发信号通知驱动电路555导通开关S1。因此，开关S1在其两端的电压不为零(非ZVS)时导通。类似地，可以添加滞后(例如，-30mV)，使得当端子rect 501的电压小于端子out 510的电压(例如，Vrect-Vout＝-30mV)时，发生开关S1的断开。因此，开关S1可以在流过它的电流不是零或者负值时断开。
在一些方面，向开关S1增加滞后可以等同于延迟开关S1的导通或断开，从而关于电压的相位有效地平移电流的相位。图5的滞后实现提供了一种用于感测电流/调节阈值以用于控制开关的机制。在一些方面，可以使用任何类型的电流感测电路或其他方案来感测通过开关S1的电流，并且基于电流来确定如何调节开关S1的定时。例如，在一个方面，开关S1可以耦合到被配置为感测通过开关的电流的电流传感器。传感器还可以被配置为基于感测到的电流来调节开关S1的定时。
在一些方面，功率接收元件400可以包括用于测量提供给负载的输出功率的水平的输出单元。在一些方面，功率接收元件400或负载的控制器可以向整流器420提供反馈。在一些方面，反馈可以包括功率请求的期望水平或者输出功率与期望的输出功率之间的差。在一些方面，整流器或控制器然后可以基于关于要维持或调节的期望的输出功率的反馈来确定如何调节开关(例如，S2-S3和S5-S6)的定时或比较器550的滞后。如上所述，整流器420或控制器然后可以基于所确定的调节来动态地调节开关(例如，S2-S3和S5-S6)的定时和阈值(滞后)，以维持期望的输出功率水平或调节期望的输出功率水平。
在其他实施例中，当功率接收元件400的谐振电路通过使用调谐电路(例如，调谐电容器、跨接电容器、可变电容器、可变电感器等)以电抗移位进行操作时，与谐振操作的谐振电路相比，滞后效应或者开关的定时的调节可以在感应电压高于或等于输出电压的情况下对输出功率具有增加的影响。如上所述，在低感应电压并且没有任何显著的电抗移位的情况下，通过增加滞后量来增加去往负载的功率。相反，在较高的感应电压和由调谐电路(例如，跨接电容器去调谐)实现的给定电抗移位的情况下，通过增加滞后水平来减小传递到负载(例如，图2的电池236)的功率的量。
图6是包括调谐电路610和整流器电路420的示例性功率接收元件600的图。功率接收元件600还包括谐振电路605、电池或负载690、驱动器电路625、整流器升压控制电路630、整流器降压控制电路640以及误差放大器631、641、651和652。在一些实施例中，调谐电路610可以包括可变电抗元件(例如，调谐电容器、跨接电容器、可变电容器、可变电感器等)。调谐电路610可以被配置为解调谐谐振电路605远离谐振或者调谐谐振电路605更接近谐振。在一些实施例中，调谐电路610被配置为产生谐振电路605的电抗移位。在一些方面，基于电抗移位，整流器的阻抗可以从接近于零(例如，在谐振时)的任何地方改变为接近于非常负(例如，电容性)。在一些方面，通过调节上述整流器电路420开关(例如，S2-S3和S5-S6)的定时或阈值，谐振电路605的解调谐可以有利地增加当与整流器电路420的调谐结合使用时的输出功率控制范围。
在一些实施例中，开关S2-S3和S5-S6的定时或阈值的调节可以由整流器升压控制电路630和/或整流器降压控制电路640来控制。例如，整流器升压控制电路630可以被配置为增加整流器420的输出功率超过调谐电路610的最大值。另外，整流器降压控制电路640可以被配置为降低整流器420的输出功率超过调谐电路610的解调谐能力范围。
在一些实施例中，功率接收元件600接收某些输入以便确定要使用哪种类型的控制来调节感应电压和/或输出功率。如图6所示，误差放大器651接收参考电流(Iref1)、温度输入和谐振器电压输入作为输入。通常情况下，在这些输入中，存在主导输入(例如，如果电流被调节，则存在电流参考)，并且其他输入是次要输入。仅当分配给次要输入的参数高于给定阈值时，次要输入可以成为影响参考(通常降低参考值)的限制因素。在替代方案中，在误差放大器651前面可以存在多路复用器以不时地选择适当的参数。在一些方面，误差放大器651然后确定并且输出由误差放大器631、641和652使用的参考电流(Iref)或参考电压(Vref，未示出)，以确定所需要的调谐或延迟控制的量(如果有的话)。如图6所示的fb信号指代反馈信号，其取决于受控参数而可以是电流、电压、温度、谐振电压或其他参数反馈。在一些方面，误差放大器652控制调谐电路610，并且fb信号指代可变电抗元件(例如，可变电容器)反馈。在一些方面，误差放大器631、641和652中的两个或更多个可以同时工作。在其他方面，它们可以分别起作用。在一些实施例中，误差放大器631、641和652生成误差信号，使得它们的输入(例如，电流或电压)彼此跟踪，从而调节期望的参数。
图7是输出功率和感应电压的示例性值以及功率接收元件600可以基于输出功率和感应电压值来使用的不同调谐方法的图700。图700示出了y轴上的感应电压(例如，电压源401)的值和输出功率(例如，去往电池690的功率)的值。图700还示出了最大感应电压水平705、最小感应电压水平710、第一输出功率水平720和第二输出功率水平725，第二输出功率水平725高于第一输出功率水平720。
如图7所示，在感应电压水平接近或低于最小感应电压水平710时，功率接收元件600可以利用整流器升压控制以经由整流器升压控制电路630来增加感应电压和/或输出功率。例如，整流器升压控制电路630和整流器420可以通过调节开关S2-S3和S5-S6的定时或阈值来升高或增加感应电压和/或输出功率。在一个方面，如果电池690的电压水平接近充电水平的结束，则功率接收元件600可以以恒定电压模式操作并且可能希望增加去往电池690的输出功率。在一个方面，整流器升压控制电路630可以减小开关S2-S3和S5-S6的断开定时的滞后，使得来自电池690的较少电流流回谐振电路605，这可以增加输出功率。
另外，在高的感应电压水平接近或高于最大感应电压水平705时，功率接收元件600可以利用整流器降压控制以经由整流器降压控制电路640来减小感应电压和/或输出功率。例如，如果电池690接近完全充电或充电结束(例如，在高的感应电压水平处)，则功率接收元件600可以以恒定电压模式操作并且可能希望将输出功率降低至接近于零。在一些方面，整流器降压控制电路640延迟开关S2-S3和S5-S6的断开定时，这允许一些电流从电池690流回谐振电路605，这可以降低输出功率。也在图7中示出，在最大感应电压水平705与最小感应电压水平710之间(例如，操作范围)，功率接收元件600可以利用调谐电路610来控制整流器420的感应电压和/或输出功率。
如上所述，调谐电路610可以以量来被限制，其能够调节整流器402的感应电压和/或输出功率。调谐电路610可以调节整流器420的最小值在最大感应电压水平705和第一输出功率水平720相交的点处被示出。调谐电路610可以调节整流器420的最大值在最小感应电压水平710和第二输出功率水平725相交的点处被示出。另外，在典型的充电情况下，在电池690的初始充电期间，功率接收元件600可以以在第一功率水平720和第二功率水平725之间示出的恒定电流充电模式操作。在恒定电流充电模式下，调谐电路610可以调节可变电抗元件的值以维持去往电池690的恒定电流。在电池690中的电压水平满足阈值之后，功率接收元件可以在零与第一功率水平720之间的恒定电压模式(也被称为涓流充电或信标扩展模式)中操作。在恒定电压模式下，整流器420可以调节开关S2-S3和S5-S6的定时或阈值以调节电流和/或输出功率以维持电池690处的恒定电压。在一些方面，整流器降压和升压控制在恒定电压模式期间发生。
图8是示出用于不同输出功率控制水平的不同输出功率控制方法的图800。图800示出了y轴上的输出功率值和x轴上的时间值。图8还示出了由水平虚线表示的第一输出功率水平805，其表示能够经由调谐电路610或整流器降压控制电路640调谐的输出功率值的范围的边界。图8还包括高于第一输出功率水平805的第二输出功率水平810，其表示能够经由调谐电路610或整流器升压控制电路630调谐的输出功率值的范围的边界。在一些方面，第一输出功率水平805对应于调谐电路610可以将输出功率调谐到的最小输出功率水平。在一些方面，第二输出功率水平810对应于调谐电路610可以将输出功率调谐到的最大输出功率水平。
图9是示出功率接收元件(例如，功率接收元件600)可以针对不同的功率和电压值而使用的电压和输出功率控制的不同状态的图900。在一些实施例中，图900可以由功率接收元件400或600来实现。在状态902，误差放大器651可以接收谐振电路605的输入901，例如电压、温度和/或电流。在一些实施例中，误差放大器651确定谐振电路605(例如，功率接收元件600的外环路)的电流水平(Iref)或电压水平(Vref)。然后可以使用Iref和/或Vref的值来确定应当实现哪种类型的控制。如上面关于图6所描述，Iref和/或Vref的值被输出到降压整流器控制状态906、调谐电路控制状态907和升压整流器控制状态908中的每个，如分别由信号903、904和905所示。
参考图6至图7，在一些实施例中，降压整流器控制状态906可以包括被配置为调节开关S2-S3和S5-S6的定时或阈值以降低电压水平和/或输出功率水平的整流器降压控制电路640。这样的降低可以超出调谐电路610所能够实现的降低。在一些实施例中，整流器降压控制电路640可以调节用于开关断开的非零电流值。例如，整流器降压控制电路640可以被配置为当通过开关的电流满足非零电流值时驱动开关S2-S3和S5-S6中的一个或多个。在一些方面，整流器降压控制电路640可以将非零电流值从第一值调节到第二值，第二值小于第一值。例如，非零电流值可以从-5mA调节到-200mA。这样的调节增加了从电池690流回谐振电路605的电流量，并且降低了输出功率。
在另一示例中，如果电池690接近完全充电或充电结束(例如，在高的感应电压水平处)，则功率接收元件600可以以恒定电压模式操作并且可能希望将输出功率降低到接近于零。参考图7，经由调谐电路610，调谐电路控制状态907可以仅能够将输出功率减小到第一功率水平720(例如，1W)，并且降压整流器控制状态906可以与调谐电路控制状态907结合使用以进一步将输出功率减小到接近于零。调谐控制的这种组合允许功率接收元件600扩展输出功率控制的范围而没有显著的效率损失。如图9所示，功率接收元件600可以从使用调谐电路控制907转换到降压整流器控制状态906。例如，如转换909所示，如果功率接收元件600希望降低电压或功率水平超过调谐电路控制状态907的能力范围(例如，接近于0V)，则其可以转换到降压整流器控制状态906以进一步降低电压或功率水平。类似地，功率接收元件600可以从使用降压整流器控制状态906转换到调谐电路控制状态907。例如，如转换910所示，当降压整流器控制状态906接近0V(例如，不再需要降低电压和/或功率水平)时，功率接收元件600从降压整流器控制状态906转换到调谐电路控制状态907，因为期望的控制在调谐电路控制状态907的能力范围内。
在一些方面，在恒定电流模式期间，功率接收元件600可以经由调谐电路610仅仅以调谐电路控制状态907操作。参考图6至图7，在调谐电路控制状态907下，调谐电路610可以调节可变电抗部件(例如，调谐电容器、跨接电容器、可变电容器、可变电感器等)的值以在特定范围(例如，在1W到1.7W之间)内调节输出功率。功率接收元件600可以如信号911所示确定输出功率水平或电压水平是否停留在期望范围内，并且如果是，则将继续使用调谐电路控制状态907来控制功率接收元件600的调谐。
参考图6至7，在一些实施例中，升压整流器控制状态908可以包括被配置为调节开关S2-S3和S5-S6的定时或阈值以增加电压水平和/或输出功率水平的整流器升压控制电路630。这样的增加可以超出调谐电路610所能够实现的电压和/或输出功率水平的增加。例如，如果电池690的电压水平接近于充电水平的结束，则功率接收元件600可以以恒定电压模式操作并且可能希望增加去往电池690的输出功率。参考图7，经由调谐电路610，调谐电路控制状态907可以仅能够将输出功率从第一功率水平720增加到第二功率水平725(例如，1-1.7W)，并且升压整流器控制状态908可以与调谐电路控制状态907结合使用以进一步增加功率接收元件600的能力以将输出功率从低于第一功率水平720的值增加到在调谐电路控制状态907的能力范围内的值。调谐控制的这种组合允许功率接收元件扩展输出功率控制的范围而没有显著的效率损失。如图9所示，当功率接收元件600希望将电压或功率水平增加到超出调谐电路控制状态907的能力范围的水平时，功率接收元件600可以从调谐电路控制状态907转换到升压整流器控制状态908。例如，如转换912所示，如果调谐电路控制状态907接近其最大电压水平(例如，12V)并且功率接收元件600或电池690请求更多功率或电压，则功率接收元件600将进一步利用升压整流器控制状态908以增加传递到负载(例如，电池690)的电压/功率水平。类似地，当升压整流器控制状态908不再需要(例如，升压电压接近零，如转换913所示)时，功率接收元件600可以从升压整流器控制状态908转换到调谐电路控制状态907，因为期望的控制在调谐电路控制状态907的能力范围内。
图10是不同滞后值的开关电流、整流器输入电压和感应电压的示例性输出的图1000。图1000包括针对在1mV至50mV范围内的不同滞后值的三个不同波形1001至1003。上部波形1001表示开关(例如，图4的S2)中的电流。中间波形1002表示整流器输入电压(例如，图4的端子“rect”430和端子“rectb”431两端的电压)。下部波形1003表示感应电压(例如，图4的端子“rx”417和端子“neg”419两端的电压)。如图所示，随着滞后增加，断开时的电流提前反转(例如，变得更负)，并且电流峰值关于下部波形1003(感应电压波形)的偏移减小并且更多地向左移动。因此，在断开开关S2的时间处，电流(和功率)从负载或电池(例如，图2的电池236)流回谐振电路。
例如，上部波形1001的曲线1010表示针对具有1mV的滞后的开关的电流，而上部波形的曲线1015表示针对具有50mV的滞后的开关的电流。在曲线1010中，在开关S2断开的时间t1，通过开关S2的电流大约为-50mA。在曲线1015中，在开关S2断开的时间t2，通过开关S2的电流大约为-450mA。另外，曲线1010示出了大约700mA的峰值电流值，而曲线1015示出了大约550mA的峰值电流值。如图所示出，t2>t1，这表明随着滞后增加，断开开关S2的有效延迟增加。
在一些实施例中，取决于功率接收元件400的条件和谐振电路的其余部分，如上所述的增加滞后效应或平移整流器的电流的相位可以具有各种效果。在低的感应电压水平，并且特别是当输出(例如，图2的电池236)电压关于感应电压相对较高(电池电压高于感应电压的均方根(rms)值)时，如果通过调节上述开关的定时来调节输出功率与可变电容器技术结合使用，则电容值可以被配置为使得功率接收元件400的谐振电路以谐振或非常接近于谐振来操作。在这种情况下，向整流器内观察到的阻抗可以是电容性的，并且感应电压越低，电容性阻抗越大。
在低的感应电压(关于输出电压)，增加开关的滞后可以增加去往负载的输出功率的量。图11是示出针对不同滞后值的整流器滞后、电池电流、系统效率和输出功率的示例性输出的图1100。当比较器550的滞后值从20mV改变为70mV时，图1100包括针对这些输出的四个不同波形1101至1104。上部波形1101表示比较器(例如，图5的比较器550)的滞后值。下一个下部波形1102表示负载或电池(例如，图2的电池236)中的电流。下一个下部波形1103表示无线功率传送系统(例如，图2的无线功率传送系统200)的效率。底部波形1104表示输送到负载或电池(例如，图2的电池236)的输出功率。如图1100所示，当滞后从20mV改变为70mV时，电池电流和输出功率增加，而系统效率降低。虽然系统效率可能由于增加的滞后而降低(例如，反比关系)，但是在一些方面，效率的降低被增加的输出功率的益处所克服(例如，用于在来自发射器的低功率信标输出的周期期间操作以建立充电连接)。
在一些方面，调节整流器420的滞后可以借助于模拟回路、单独的控制器或通过用于调节滞后的变化斜率的脉冲来实现。在其他方面，根据本文中描述的实施例，调节整流器420的滞后或调节开关S2-S3和S5-S6中的一个或多个的定时可以通过任何其他手段来实现。
在一些实施例中，当功率接收元件400的谐振电路处于谐振并且具有高于或等于输出电压的感应电压时，来自滞后的相移或者开关S2-S3和S5-S6中的一个或多个的定时的调节可以忽略不计，并且对输出功率的影响也可以几乎为零。
图12是示出针对不同滞后值的耗散功率、电池电流和输出功率的示例性输出的图1200。图1200包括针对范围从5mV到50mV的不同的滞后值的这些输出的三个不同的波形1201至1203。上部波形1201表示系统中的耗散功率。中间波形1202表示负载或电池(例如，图2的电池236)中的电流。下部波形1203表示输送到负载或电池(例如，图2的电池236)的输出功率。如图1200所示，随着滞后增加，电池中的电流减小并且输出功率减小，如波形1202和1203所示。例如，在波形1203中，曲线1210示出了针对5mV的滞后的约1.7W的输出功率，并且曲线1215示出了针对50mV的滞后的约250mW的输出功率。另外，如波形1201所示，输出功率从1.7W降低到250mW可以在不耗散大量功率的情况下完成。因此，在无线功率传送系统中调节开关定时或增加滞后可以具有在期望更多输出功率时(例如，在低的感应电压水平处)和在期望更少功率时(就像操作的恒定电压模式的情况(例如，在高的感应电压水平处)一样)二者扩大调谐效果的益处。
另外，这种增加的调谐范围可以是成本有效的，因为平移电流的相位不需要额外的部件并且可以降低调谐谐振电路的成本。此外，在无线功率传送系统中调节开关定时或增加滞后不会增加整流器的元件或任何其他部件的电压额定值。在一些实施例中，本文中描述的用于调节输出功率的对整流器开关的控制可以用于消除或减小由于部件的容差而导致的部件值变化的影响。该整流器控制还可以用于通过启动感应电压水平来控制输出功率，使得长信标扩展实用。该整流器控制也可以用来控制在谐振器端子处出现的最大电压。而且，经由整流器420调节输出功率水平可以允许实现没有DC到DC转换器的功率接收元件。
在一些方面，滞后的使用可以对电磁干扰(EMI)和谐波含量具有效果。本文中讨论的示例和实施例也可以扩展到闭环电路。本文中讨论的示例和实施例可以应用于谐振和非谐振电路和系统二者。
图13是根据本文中的公开的接收无线功率的示例性方法1300的流程图。图13所示的方法可以经由类似于图1至图6的功率接收元件118、功率接收元件218、接收电路350、功率接收元件400、功率接收元件600和开关电路500的无线功率传送系统100中的一个或多个设备来实现。尽管本文中参考特定顺序描述方法1300，但是在各种实现中，本文中的块可以以不同的顺序执行或省略，并且可以添加附加的块。
在块1305，功率接收元件经由接收电路经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率。在块1310，功率接收元件基于负载的电压水平经由包括可变电抗元件并且耦合到接收电路的调谐电路来解调谐接收电路远离谐振频率，以实现第一输出功率水平。在块1315，功率接收元件经由整流器将由磁场生成的交流(AC)信号整流为用于向负载供电的直流(DC)信号，整流器包括开关。在块1320，当通过开关的电流满足第一非零电流值时，功率接收元件驱动开关。在块1325，功率接收元件将第一非零电流值调节到第二非零值以将第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。
上述方法的各种操作可以通过能够执行操作的任何合适的装置来执行，诸如各种硬件和/或软件部件、电路和/或模块。通常，附图中所示的任何操作可以由能够执行操作的相应功能装置来执行。
信息和信号可以使用各种不同技术和方法中的任何一种来表示。例如，可以在上述描述中被引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或任何其组合来表示。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面已经在其功能方面一般性地描述了各种说明性部件、块、模块、电路和步骤。这样的功能被实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整个系统上的设计约束。所描述的功能可以针对每个特定应用以不同的方式来实现，但是这样的实现决定不应当被解释为导致偏离本发明的实施例的范围。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性块、模块和电路可以使用被设计用于执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或者其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是替代地，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器、或任何其他这样的配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤和功能可以直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或者在两者的组合中实施。如果在软件中实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在有形的非暂态计算机可读介质上或通过有形的非暂态计算机可读介质来传输。软件模块可以驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动盘、CDROM、或本领域已知的任何其他形式的存储介质中。存储介质耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息以及将信息写入存储介质。在替代方案中，存储介质可以与处理器成一体。如本文中使用的磁盘和光盘包括光碟(CD)、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。或者，处理器和存储介质可以作为分立部件驻留在用户终端中。
为了总结本公开的目的，本文中已经描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本发明的任何特定实施例，不一定需要实现所有这样的优点。因此，本发明可以用以下方式来实施或执行：该方式实现或优化了本文中教导的一个优点或一组优点，而不一定实现可以在本文中教导或建议的其他优点。
上述实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原则可以应用于其他实施例。因此，本发明不旨在限于本文中所示的实施例，而是符合与本文中公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (30)

1.一种用于无线地接收功率的装置，所述装置包括：
接收电路，被配置为经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率；
调谐电路，包括可变电抗元件，所述调谐电路耦合到所述接收电路，并且被配置为解调谐所述接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平；以及
整流器，电耦合到所述接收电路，并且被配置为将在所述接收电路中生成的交流(AC)信号整流为用于向所述负载供电的直流(DC)信号，所述整流器包括开关；以及
驱动电路，被配置为：
当通过所述开关的电流满足第一非零电流值时驱动所述开关；以及
将所述第一非零电流值调节到第二非零值以将所述第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述可变电抗元件包括可变电容器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路进一步被配置为基于滞后效应来驱动所述开关。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述滞后效应包括在断开所述开关时的延迟。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二非零电流值是负电流值，使得所述电流的方向从所述负载流入所述接收电路。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路进一步包括被配置为测量通过所述开关的电流的比较器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述驱动电路进一步包括被配置为感测通过所述开关的电流的电流传感器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中第一非零电流值低于所述第二非零电流值，并且所述第一输出功率水平低于所述第二输出功率水平。
9.根据权利要求8所述的装置，其中在所述接收电路中生成的电压小于提供给所述负载的电压水平。
10.根据权利要求1所述的装置，其中第一非零电流值低于所述第二非零电流值，并且所述第一输出功率水平高于所述第二输出功率水平。
11.根据权利要求10所述的装置，其中在所述接收电路中生成的电压等于或大于提供给所述负载的电压水平。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述调谐电路进一步被配置为在所述接收电路中生成电抗移位。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二功率水平超出所述调谐电路能够实现的功率水平。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二输出功率水平低于所述第一功率水平。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二输出功率水平高于所述第一功率水平。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述调谐电路进一步被配置为基于所述接收电路的参考电压水平或参考电流水平来解调谐所述接收电路远离谐振频率以实现第一输出功率水平。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述参考电压水平或所述参考电流水平基于所述接收电路的电压、温度和电流中的一项或多项。
18.一种接收无线功率的方法，包括：
经由接收电路经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率；
经由耦合到所述接收电路的可变电抗元件来解调谐所述接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平；
经由整流器将由所述磁场生成的交流(AC)信号整流为用于向所述负载供电的直流(DC)信号，所述整流器包括开关；
当通过所述开关的电流满足第一非零电流值时驱动所述开关；以及
将所述第一非零电流值调节到第二非零值以将所述第一输出功率水平调节到第二输出功率水平。
19.根据权利要求18所述的方法，其中驱动所述开关包括基于滞后效应来驱动所述开关。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二非零电流值是负电流值，使得所述电流的方向从所述负载流入所述接收电路。
21.根据权利要求18所述的方法，其中第一非零电流值低于所述第二非零电流值，并且所述第一输出功率水平低于所述第二输出功率水平。
22.根据权利要求21所述的方法，其中在所述接收电路中生成的电压小于提供给所述负载的电压水平。
23.根据权利要求18所述的方法，其中第一非零电流值低于所述第二非零电流值，并且所述第一输出功率水平高于所述第二输出功率水平。
24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述接收电路中生成的电压等于或大于提供给所述负载的电压水平。
25.一种用于无线地接收功率的装置，所述装置包括：
用于经由足以对负载供电或充电的磁场来接收无线功率的部件；
用于解调谐所述接收电路远离谐振频率以将输出功率水平调节到第一输出功率水平的部件；
用于将由所述磁场生成的交流(AC)信号整流为用于向所述负载供电的直流(DC)信号的部件，用于整流的所述部件包括用于开关的部件；
用于当通过所述开关部件的电流满足第一非零电流值时驱动所述开关部件的部件；以及
用于将所述第一非零电流值调节到第二非零值以将所述第一输出功率水平调节到第二输出功率水平的部件。
26.根据权利要求25所述的装置，还包括用于基于滞后效应来驱动所述开关的部件。
27.根据权利要求25所述的装置，其中第一非零电流值低于所述第二非零电流值，并且所述第一输出功率水平低于所述第二输出功率水平。
28.根据权利要求27所述的装置，其中在所述接收部件中生成的电压小于提供给所述负载的电压水平。
29.根据权利要求25所述的装置，其中第一非零电流值低于所述第二非零电流值，并且所述第一输出功率水平高于所述第二输出功率水平。
30.根据权利要求29所述的装置，其中在所述接收部件中生成的电压等于或大于提供给所述负载的电压水平。
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