CN109478798B - 无线电力接收器的电压调节 - Google Patents

Abstract

一种无线电力接收器包括与电感器并联的一个或多个可调谐电容器。无线电力接收器适于接收由于无线电力发送器产生的磁场而在电感器处感应的电压输入。整流器具有带有整流电压和整流电流的输出端。控制器具有用于接收表示整流电压的信号的第一输入端和用于向可调谐电容器提供调整信号的第一输出端。控制器包括耦合到第一输入端的处理器，并且控制器被配置为对表示整流电压的信号进行操作以产生电容器的期望电容值，和提供确定的调整信号以便将电容器的电容值调整到期望电容值。

Description

无线电力接收器的电压调节

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2016年5月27日提交的标题为“VOLTAGE REGULATION INWIRELESS POWER RECEIVERS”的美国临时专利申请No.62/342,525的优先权，其公开内容通过引用的方式整体并入本文。

技术领域

本公开内容总体上涉及无线电力系统，并且更具体而言，本公开内容涉及无线电力系统中的无线电力接收器中的电压调节。

背景技术

无线电力接收器可以通过由发送器产生的振荡磁场从无线电力发送器接收电力。无线电力接收器可以耦合到具有不同电力需求的电子设备。电子设备(例如智能电话和笔记本电脑)的电力需求可以随着相关一个或多个电池的充电或放电而变化。

发明内容

根据一个实施例，一种无线电力接收器包括电路，该电路包括与电感器L₁并联的可调谐电容器C₂，该无线电力接收器适于接收由于无线电力发送器产生的磁场而在电感器L₁处感应的电压输入V_induced，无线电力接收器具有有效串联电阻R_receiver。接收器还包括：耦合到电路的整流器，整流器具有带有整流电压V_rect和整流电流I_rect的输出端；以及控制器，其具有用于接收表示整流电压V_rect的信号的第一输入端和用于向可调谐电容器C₂提供调整信号的第一输出端。控制器可以包括耦合到第一输入端的处理器，并且处理器被配置为(i)对表示整流电压V_rect的信号进行操作以产生电容器C₂的期望电容值C_{2_desired}和(ii)提供确定的调整信号以便将电容器C₂的电容值C_{2_value}调整到期望电容值C_{2_desired}。

在相关实施例中，处理器被配置为将表示整流电压V_rect的信号与由上限V_upper和下限V_lower定义的电压范围进行比较，该电压范围存储在控制器的存储器中；并且控制器可以被配置为响应于整流电压V_rect的值与电压范围的比较将调整信号发送到可调谐电容器C₂。

在另一相关实施例中，为了产生期望电容值_{C2_desired}，控制器被配置为(iv)在控制器的第二输入端接收表示整流器输出端的整流电流I_rect的信号，(v)在处理器中对表示整流电压V_rect和整流电流I_rect中的每一个的信号进行操作，以确定到达与整流器输出端耦合的负载的功率P_L和负载处的电阻R_L，(vi)在处理器中对接收器电阻R_receiver和功率P_L进行操作，以确定到达接收器的功率P_receiver，以及(vii)在处理器中对功率P_receiver、电容器C2的值、以及电容器C₃的值进行操作，以确定开路电压值V_open，其中，期望电容值C_{2_desired}是V_open的函数。

可选地，无线电力接收器还包括与电路串联耦合的可调谐电容器C₃，其中，控制器包括用于向可调谐电容器C₃提供调整信号的第二输出端。在一些实施例中，控制器的存储器包括查找表，该查找表包括针对给定电容值C_{2_value}的电容值C_{3_value}和针对至少一个负载电阻值R_{L_value}的负载电压值V_{L_value}。

在相关实施例中，控制器选择可调谐电容器C₃的电容值C_{3_value}，使得电容值C_{2_value}和C_{3_value}与电感器L₁的电感L_{1_value}谐振，谐振频率为f_resonant。可选地，谐振频率f_resonant约为6.78MHz。

在另一相关实施例中，电容器C₃包括并联或串联耦合的两个或更多个电容器。可选地，电容器C₃包括开关电容器、脉冲宽度调制(PWM)控制电容器、变容二极管或钛酸锶钡(BST)电容器。可选地，无线电力接收器包括用于调整电容器C₃的电容值C_{3_value}的装置。在一些实施例中，无线电力接收器包括用于调整电容器C₂的电容值C_{2_value}的装置。

在相关实施例中，无线电力接收器还包括与电路串联耦合的可调谐电容器C₃，其中，在操作期间，控制器(v)响应于整流电压V_rect的值与电压范围的比较，经由耦合到处理器的第二输出端向可调谐电容器C₃发送调整信号，以调整电容器C₃的电容值C_{3_value}。

在另一相关实施例中，电容器C₂包括并联或串联耦合的两个或更多个电容器。可选地，无线电力接收器还包括与电感器L₁串联耦合的可调谐电容器C₁，其中，控制器包括用于向可调谐电容器C₁提供调整信号的第三输出端。

根据另一实施例，本文公开了一种用于在包括耦合到无线电力接收器的控制器的系统中调节整流电压V_rect的方法，该无线电力接收器包括耦合到电路的整流器，该电路包括与电感器L₁并联的可调谐电容器C₂，该无线电力接收器具有有效串联电阻R_receiver，整流器具有带有整流电压V_rect和整流电流I_rect的输出端。该方法包括(i)在控制器的第一输入端接收表示整流电压V_rect的信号，(ii)在耦合到第一输入端的处理器中对表示整流电压V_rect的信号进行操作以产生电容器C₂的期望电容值C_{2_desired}，以及(iii)经由控制器的第一输出端提供调整信号，以便将电容器C₂的电容值C_{2_value}调整到期望电容值C_{2_desired}。

在相关实施例中，该方法还包括(iv)由处理器将表示整流电压V_rect的信号与由上限V_upper和下限V_lower定义的电压范围进行比较，该电压范围存储在控制器的存储器中；以及(v)响应于表示整流电压V_rect的值的信号与电压范围的比较经由控制器的第一输出端将调整信号发送到可调谐电容器C₂。

在替代实施例中，产生期望电容值C_{2_desired}还包括(iv)在控制器的第二输入端接收表示整流电流I_rect的信号，(v)在处理器中对表示整流电压V_rect和整流电流I_rect中的每一个的信号进行操作，以确定到达与整流器输出端耦合的负载的功率P_L和负载处的电阻R_L，(vi)在处理器中对接收器电阻R_receiver和功率P_L进行操作，以确定到达接收器的功率P_receiver，以及(vii)在处理器中对功率P_receiver进行操作，以确定开路电压值V_open，其中，期望电容值C_{2_desired}是V_open的函数。

在又一个相关实施例中，该方法还包括(viii)经由耦合到处理器的第二输出端向与电路串联耦合的可调谐电容器C₃发送调整信号。可选地，该方法还包括(ix)从存储在控制器的存储器中的查找表中选择针对给定电容值C_{2_value}的电容值C_{3_value}和针对至少一个负载电阻R_L的负载电压值V_L。在一些实施例中，该方法还包括(x)由处理器调整可调谐电容器C₃的电容值C_{3_value}，使得电容值C_{2_value}和C_{3_value}与电感器L₁的电感L_{1_value}谐振，谐振频率为f_resonant。

附图说明

本领域技术人员应该通过参考紧接在下面概述的附图所讨论的“具体实施方式”而更全面地理解各种实施例的优点。

图1-2示出了无线电力系统的示例性实施例的图。

图3-4示出了无线电力接收器的示例性实施例的图。

图5-6示出了用于无线电力接收器的电容器网络的示例性实施例的图。

图7示出了耦合到控制和逻辑电路的无线电力接收器的示例性实施例的图。

图8A、8C、8E和8G示出了用于无线电力接收器的阻抗匹配网络的示例性实施例的图。图8B示出了作为图8A中所示的接收器的电容C₁值的函数的整流电压的曲线图。图8D示出了作为图8C中所示的接收器的电容C₂值的函数的整流电压的曲线图。图8F示出了图8E中所示的接收器的等效电路的图。图8H示出了图8G中所示的接收器的等效电路的图。

图9示出了无线电力系统的示例性实施例的图。

图10-11示出了用于调谐无线电力接收器的控制方案的示例性实施例的流程图。

图12A-12B是用于在具有控制器的无线电力接收器中调整电容器C₂的电容值的示例性方法的流程图。图12C是用于产生图12A-12B的期望电容值C_{2_desired}的示例性方法的流程图。

图13是作为C₂和C₃的电容值的函数的30Ω负载电阻R_load处的电压的曲线图。

图14A是用于基于函数进行调谐的示例性方法的流程图。图14B是作为20Ω负载电阻R_load的电容C₂和C₃的函数的电压V_AC的示例性函数。

具体实施方式

接收器谐振器线圈两端感应的电压可以由接收器电路加载。通常，接收器谐振器耦合到阻抗匹配网络(IMN)、整流器(无源或有源)、滤波器和产生期望参数的调节转换器(例如向负载提供固定电压供应的DC-DC电压调节器)。电池充电器是功率典型受调节的特殊示例。可以使用本地控制回路(前馈或反馈)。然而，诸如DC-DC转换器等附加调节级可能增加功率损耗和复杂性。在一些实施例中，优选的替代方案可以是通过IMN(采用可调谐元件)和/或有源整流器进行的调节。

执行各种参数调节的多个调谐元件可以消除对额外的昂贵或庞大的调节电路的需要，该调节电路可能最终降低了向电子设备的负载或电池的电力传输效率。电子设备的示例包括蜂窝电话、笔记本电脑、平板电脑、健身设备、手表等。调谐元件还可以降低对制造公差、环境影响(例如温度)和其他变化参数的敏感度。必须注意：控制调谐元件不会导致抵消调谐的益处的更多损失、更大的EMI问题等。使用多个高Q(品质因数)调谐元件，例如钛酸锶钡(BST)电容器，可以在执行调节的同时也保持高效率。使用如PWM电容器等高速调谐元件可以实现非常快速的瞬态响应。

接收器电路中的电压或功率调节的关键度量标准包括瞬态响应、稳态误差、发送器驱动效率、接收器中的功耗(热量、产品要求、安全性)、非线性失真(电磁干扰(EMI)-辐射的和传导的)。可能由负载变化、耦合变化、温度漂移等引起的瞬态响应需要一定程度的补偿速度，这可能取决于实施方式。例如，控制回路的速度和接收器和/或发送器的部件之间的通信可能限制响应速度。以下讨论了示例性实施例的细节。

系统说明

图1示出了包括无线电力发送器102和无线电力接收器104的无线电力传输系统的示例性实施例的图。无线电力发送器102包括耦合到发送器阻抗匹配网络(IMN)108的全桥差分RF逆变器106、以及发送器谐振器线圈110。无线电力接收器104包括耦合到接收器IMN114的接收器谐振器线圈112、以及RF整流器116。接收器104可以直接耦合到诸如电子设备的电池或电池管理器等负载。注意，发送器IMN 108和/或接收器IMN 114的部件可以是可调谐的。此外，逆变器106和/或整流器116可以是可调谐的。例如，逆变器106的开关(S_T1、S_T2、S_T3、S_T4)和/或整流器116的开关(S_R1、S_R2、S_R3、S_R4)可以分别由控制器118和120控制，以实现可变死区时间、相移等。

图2示出了包括无线电力发送器202和无线电力接收器204的无线电力传输系统的示例性实施例的图。无线电力发送器202包括耦合到发送器阻抗匹配网络(IMN)208的全桥差分RF逆变器206、以及发送器谐振器线圈210。无线电力接收器204包括耦合到接收器IMN214的接收器谐振器线圈212、以及RF整流器216。接收器204可以直接耦合到诸如电子设备的电池或电池管理器等负载。注意，发送器IMN 208和接收器IMN 214的部件可以是可调谐的。在一些实施例中，IMN 208可以包括用于差分E类或F类逆变器的可调谐或固定分流电容器218。此外，逆变器206和/或整流器216可以是可调谐的。例如，逆变器206的开关(S_T1、S_T2)和/或整流器216的开关(S_R1、S_R2、S_R3、S_R4)可以分别由控制器218和220控制，以实现可变死区时间、相移等。

图3A示出了无线电力接收器的示例性实施例，无线电力接收器包括耦合到一个或多个电容器和阻抗匹配部件304的接收器谐振器线圈302、一个或多个二极管306、有源钳位器308、电感器309A和309B、平滑电容器310、负载312、一个或多个传感器314、控制器316和无线通信模块318。在一些实施例中，无线通信模块318可以是接收器322耦合到的电子设备320上可用的无线通信设备(例如，低能耗蓝牙(BLE))。有源钳位器308可以用作电路保护措施，以确保电压不会增大超过预定限度。电感器309A和309B用于滤除共模信号。平滑电容器310可以对输出整流器电压中的纹波或变化进行平滑。在一些实施例中，控制器和BLE之间的连接可以通过接收器322和电子设备上的串行外围接口端口324、326来进行中介。在一些实施例中，阻抗匹配部件304可以是可变电容器，例如BST电容器、PWM控制电容器、电容器组等。在一些实施例中，用于整流在接收器谐振器线圈处捕获的振荡能量的一个或多个二极管可以是肖特基二极管。由于肖特基二极管的低正向压降和快速切换，使用肖特基二极管可以是有利的。请注意，肖特基二极管可用于电路的一条支路(顶部)上，而另一条支路短路。这种不平衡加载方法可以降低电路的复杂性和成本。在一些实施例中，传感器可以用于感测沿接收器内的电流路径的电流、电压和/或功率。该系统的一个优点是在接收器的IMN处实现电压调节，从而避免使用DC-DC转换器。在一些实施例中，耦合到接收器谐振器线圈的一个或多个部件可以共同封装到专用集成电路(ASIC)328中。例如，ASIC可以包括一个或多个阻抗匹配部件304、一个或多个二极管306、有源钳位器308、传感器308、控制器316和/或无线通信模块。

图3B示出了包括上面针对图3A列出的许多部件的无线电力接收器的示例性实施例。下面描述了一些差异。例如，接收器330包括“拆分线圈”(split coil)接收器谐振器线圈332。拆分线圈耦合到连接到地的电容器结构334。此结构可以缓解共模(CM)信号问题。注意，顶部电容器的调谐可以独立于底部电容器。

图4示出了无线电力接收器的示例性实施例，无线电力接收器包括耦合到一个或多个电容器和阻抗匹配部件404的接收器谐振器线圈402、整流二极管桥406、控制器/无线通信模块408、电感器409A和409B以及平滑电容器410。接收器412耦合到电子设备的负载414。在一些实施例中，二极管桥406可以是具有肖特基二极管的全桥整流器。在一些实施例中，耦合到接收器谐振器线圈402的一个或多个部件可以共同封装到ASIC416中。

接收器说明

图5示出了无线电力接收器的示例性实施例，该无线电力接收器包括耦合到一个或多个电容器506、508的一个或多个接收器谐振器线圈502、504、以及具有到负载的输出的整流器510。接收器谐振器线圈502、504可以被接通和断开以进行并联或串联，并且实现不同的总电感。例如，当开关A闭合(并且开关B、C断开)时，线圈502、504串联耦合。当开关B和C闭合(并且A断开)时，线圈502、504并联耦合。此外，线圈502、504中的每一个可以通过闭合开关B或C而被独立地启用。电容器506、508可以是可调谐电容器。在一些实施例中，开关、电容器和整流器可以封装到集成电路(例如ASIC)中。在一些实施例中，整流器可以是使用开关的有源整流器。

在示例性实施例中，无线电力接收器可以包括耦合到电容器网络的接收器谐振器线圈。在一些实施例中，电容器网络可以包括一个或多个开关控制电容器或PWM控制电容器。当无线电力传输系统以较低频率(例如100-300kHz)操作时，可以启用这些开关控制电容器。在一些实施例中，电容器可以包括一个或多个BST电容器。可以设计或选择BST电容器以使品质因数Q_cap等于或大于谐振器线圈的品质因数Q_coil。当无线电力传输系统以较高频率(例如1MHz至2.4GHz(例如，6.78MHz或13.56MHz))操作时，可以启用这些可调谐电容器。在一些实施例中，开关电容器或可调谐电容器可以被配置为在任何ISM(工业、科学或医疗)频带上操作。这可以允许系统从一种模式(例如，120kHz)切换到另一种模式(6.78MHz)并且在这些模式中的每一种模式下具有调谐能力。

图6A示出了无线电力接收器600的示例性实施例，该无线电力接收器包括耦合到电容器网络604的接收器谐振器线圈602、以及具有到负载的输出的整流器606。电容器网络604可以包括任何上述离散或连续可调谐电容器。在该示例中，第一子电路包括与电容器C_1A、C_1B、C_1C、C_1D串联耦合的线圈602。第二子电路包括与电容器C_2A、C_2B并联耦合的第一子电路。第三子电路包括与电容器C_3A、C_3B、C_3C、C_3D串联耦合的第二子电路。该第三子电路耦合到整流器606中。

注意，电容器C_1A和C_1B在相对于线圈602的相同位置彼此并联连接。在一些实施例中，电容器C_1A可以是离散可调谐电容器，而电容器C_1B可以是连续可调谐电容器。这可以为位置C₁处的电容提供“粗略”和“精细”调谐。在一些实施例中，电容器C_1A可以是适合于在频率或频率组f₁下调谐的一类电容器，并且电容器C_1B可以是适合于在频率或频率组f₂下调谐的一类电容器。例如，如果无线电力接收器600经由无线通信或阻抗测量检测到能够以频率f₁发送电力的发送器，则接收器600可以接通电容器C_1A(并且可以保持电容器C_1B断开)。如果接收器600检测到能够以频率f₂发送电力的发送器，则接收器600可以接通电容器C_1B(并且可以保持电容器C_1A断开)。类似的实施例与并联连接的电容器(C_1C和C_1D、C_2A和C_2B、C_3A和C_3B、C_3C和C_3D)中的每个相关。注意，电容器C_1A和C_1B与C_1C和C_1D平衡。这可以减轻共模信号问题。在一些实施例中，这些部件中的一个或多个与整流器608一起可以封装到集成电路610中。

在一些实施例中，网络604中的电容器可以分别包括一个或多个开关控制电容器或PWM控制电容器。当无线电力传输系统以较低频率(例如100-300kHz)操作时，可以启用这些开关控制电容器。在一些实施例中，网络604中的电容器可以分别包括一个或多个BST电容器。可以设计或选择BST电容器以使品质因数Q_cap等于或大于谐振器线圈的品质因数Q_coil。当无线电力传输系统以较高频率(例如1MHz至2.4GHz(例如，6.78MHz或13.56MHz))操作时，可以启用这些可调谐电容器。在一些实施例中，开关电容器或可调谐电容器可以被配置为在任何ISM(工业、科学或医疗)频带上操作。这可以允许系统从一种模式(例如，120kHz)切换到另一种模式(6.78MHz)并且在这些模式中的每一种模式下具有调谐能力。例如，电容器C_1A可以是PWM控制电容器，其中，f₁＝100-300kHz，并且电容器C_1B可以是BST电容器，其中，f₂＝1MHz-2.4GHz。

图6B示出了无线电力接收器608的示例性实施例，该无线电力接收器包括耦合到电容器网络612的“拆分”接收器谐振器线圈602A、602B、以及具有到负载的输出电压V_rect的整流器614。在该示例中，第一子电路包括与电容器C_1E、C_1F串联耦合的线圈602A、602B。第二子电路包括与电容器C_2A、C_2B并联耦合的第一子电路。第三子电路包括与电容器C_3A、C_3B、C_3C、C_3D串联耦合的第二子电路。该第三子电路耦合到整流器606中。注意，电容器C_1E和C_1F彼此并联连接。如上文针对电容器C_1A和C_1B所述，C_1E和C_1F可以是不同类型的电容器，或者可以被配置为在不同的频率下启用或接通。在一些实施例中，可以基于对发送器采用的无线电力传输的协议或标准的检测来接通或断开特定的电容器集合。

调谐配置

图7示出了具有可调谐阻抗匹配网络的接收器700的示例性实施例。接收器700包括与电容器C₁串联耦合的谐振器线圈702。接下来，与谐振器线圈和C₁并联连接的是电压传感器704，其测量电压V₁。差分电压测量结果V_c1、V_c2被馈入积分器INT。在一些实施例中，峰值检测器PD用于检测测量的电压信号V₁的幅度P(作为时间的函数)。电压信号也被馈入混频器(SIN和COS)和一个或多个滤波器(LPF)以检测电压信号V₁的相位。有关相位检测功能和输出的说明，请参阅下面的“混频器操作”部分。幅度和相位测量结果可以由控制器使用来调谐系统部件，例如可调谐电容器C₁、C₂和C₃，或控制接收器的其他部分，例如整流或安全机构。

接下来，与电压传感器704并联耦合的是电容器C₂。电流传感器706可以位于电压传感器704和电容器C₂之间，以测量线圈电流I_coil。与C₂串联耦合的是电容器C₃。电流传感器708可以位于C₂和C₃之间以测量电流I₃。这些电流传感器706和708中的每一个可以连接到幅度和相位测量电路，如上面针对电压传感器704所述的那样。串联耦合到电容器C₃的是电感器L′₃(平衡的)和整流器710。在一些实施例中，整流器710可以是有源整流器，例如同步整流器。经整流的电压输出V_rect可以直接馈送到负载或通过其他电路，例如电压钳位器或滤波器(参见图3A、图3B和图4)馈送到负载。

在一些示例性实施例中，可调谐电容器C₁、C₂和C₃可以由控制器712控制。注意，各种传感器704、706和708的输出可以被馈入部件712中。部件INT、PD、SIN和COS及LPF中的一些或者全部以及控制器712可以集成到集成电路714(例如ASIC)中。

混频器操作

输入信号可以是表示在电力传输系统内的位置处测量的电流或电压的信号。输入信号可以是例如表示在电力传输系统内的位置处测量的电流或电压的电压信号，并且可以由

表示，其中，

是输入信号相对于参考信号的相位。例如，输入信号可以是位于电力传输系统的电路内的测量电流信号的Rogowski线圈的输出。

信号混频器与信号供应(例如电压信号V₁)耦合，以便接收参考信号之一作为一个输入以及接收输入信号作为另一个输入。混频器(SIN和COS)将相应的参考信号与输入信号混频(例如，执行时域乘法)并输出混频信号1和2。因此，混频信号1可以表示为：

并且混频信号2可以表示为：

滤波器(LPF)可以是低通滤波器，其被设计为例如从混频器产生的第一和第二混频信号中滤除二次谐波。因此，滤波器可以去除从信号混频过程产生的二次谐波以及存在于参考信号或输入信号中的任何更高次谐波。在滤波后，混频信号1可以表示为：

并且混频信号2可以表示为：

控制器接收混频信号Q和I，确定输入信号的相位，并将输入信号的相位输出到例如IMN控制电路。可以使用Q与I的比值来确定工作频率下的阻抗。在一些实施例中，可以将阻抗输入到检测算法，例如流氓对象检测、异物检测、RFID检测、接近检测、线圈对准等。

示例性关系

图8A示出了与可调谐电容器C₁串联耦合的接收器谐振器线圈L₁。前述电路耦合到整流器802，整流器802具有输出的整流电压V_rect,1。图8B示出了对于耦合到整流器的输出端804处的负载的图8A的电路，作为调谐C₁的函数的整流电压。注意，整流电压V_rect,1的峰值最大可以是由发送器在接收器谐振器线圈L₁上感应的电压V_peak,1。当电感器L₁与电容器C₁谐振时，这时阻抗最低，可以满足该条件。例如，如果V_rect,1太高，则可以对C₁调谐以不与L₁谐振或使C₁与L₁的谐振失谐，以减小V_rect,1。

图8C示出了与电容器C₂并联耦合的接收器谐振器线圈L₁。前述电路耦合到整流器802，整流器802具有输出的整流电压V_rect,2。图8D示出了对于耦合到整流器的输出端804处的负载的图8C的电路，当电容器C₁与电感器L₁谐振时，整流电压V_rect,2处于其最大值V_peak,2。注意：

V_peak,2＞＞V_peak,1

因此，该电路可以被认为是对发送器提供的电压的“提升”。

在一些实施例中，整流电压V_rect,2可能太大，并且可以采用附加的串联元件，例如如图8E所示的电容器C₁，或如图8G所示的电容器C₃。图8E示出了与电容器C₁串联并与电容器C₂并联耦合的接收器谐振器线圈L₁。前述电路耦合到整流器802，整流器802具有输出的整流电压V_rect,3。注意，电容器C₁和C₂可以用于以不同的比值与L₁谐振。类似地，这些电容器可用于以不同的比值使谐振器失谐。

图8F示出了图8E的等效电路，其中L′₁是电感L₁和电容C₁的串联等效电路：

电感L′₁小于电感L₁，导致较低的整流电压。总的来说，可以通过下式大致说明整流电压V_rect,3的峰值V_peak,3：

V_peak,2≥V_peak,3≥V_peak,1

当电感器L₁、电容器C₁和电容器C₂处于谐振时，V_rect,3随着C₁的增大而增大。注意，电容C₂具有随着C₁的增大的相关减小。例如，可以通过分压来确定这种关系：

其中，V_L1是电感器L₁和电容器C₁之间节点处的电压。使用等式

和

简化上述等式，结果表明V_rect,3与C₁成比例：

图8G示出了与C₂并联耦合的接收器谐振器线圈L₁。线圈L₁和C₂串联耦合到C₃。前述电路耦合到整流器802，整流器802具有输出的整流电压V_rect,4。如针对上述电路所述，并联电容器C₂可以提升整流电压。在一些实施例中，串联电容器C₃可以补偿变化的负载。

图8H示出了图8G的等效电路，其中L″₁是电感L₁和电容C₂的并联等效电路：

电感L″₁大于电感L₁，导致更高的整流电压。注意，接收器匹配网络中的电容器C₃可以最大化到负载的电流。在一些实施例中，接收器匹配网络中的电容器C₃的调谐可以增大或减小接收器的总体戴维南输出阻抗。可调谐电容器C₃也可用于补偿电感器L₁的失谐。总的来说，可以通过下式大致说明整流电压V_rect,4的峰值V_peak,4：

V_peak,2≥V_peak,4≥V_peak,1。

当电感器L₁、电容器C₂和电容器C₃处于谐振时，无负载的V_rect,4随着C₂的增大而增大，直到C₂的值等于谐振电容C_{2_resonant}。在C₂达到谐振值C_{2_resonant}之前，有负载的V_rect,4增大和减小(参见图13)。注意，电容C₃具有随着C₂的增大的相关的减小。例如，在调整C₂和C₃的同时，和电容C₂+C₃可以保持近似恒定。对于小于C_2,critical的C₂值，可以利用较高的C₂和较低的C₃值实现较高的整流电压。可以将C_2,critical定义为与功率效率无关地使电压最大化的电容。

在一些实施例中，接收器侧电容器被保持调谐以进行谐振，从而最大化效率。在一些实施例中，如果接收器失谐，则作为第一步骤，可以对接收器侧电容器重新调谐。如果在接收器处不能实现谐振，则接收器可以与发送器通信以调谐发送器侧电容器。

控制方案

图9示出了从电力发送器902接收无线电力的无线电力接收器900的示例性实施例。接收器包括接收器谐振器线圈L₁、阻抗匹配网络(IMN)904、整流器906和控制器908。在一些实施例中，控制器908包括处理器909。在一些实施例中，控制器908可以耦合到处理器909。接收器可以耦合到电子设备中的负载910，例如蜂窝电话、笔记本电脑、平板电脑的电池等。在一些实施例中，控制器908可以耦合到向控制回路提供测量结果的传感器(例如电流传感器和电压传感器)。在一些实施例中，控制器908可以调谐IMN 904的元件以对到负载910的功率进行调节和/或实现向负载910的高效电力传输。控制器908可以集成在无线通信模块(例如蓝牙模块)内或耦合到无线通信模块(例如蓝牙模块)。在一些实施例中，可以包括电压钳位器以应对启动状况(例如，具有大的初始电压尖峰)和潜在的错误状况。

示例性系统采用反馈回路来控制无线电力接收器900的IMN 904的部件，以优化接收器的电力效率。IMN 904的部件可以是电感器和/或电容器，并且这些部件的值可以以离散或连续的方式改变。这种方法的一种实施方式是IMN由可变电容器(例如BST电容器、PWM控制电容器)形成，或者另一实施方式是IMN由具有分立电容器的阵列或组形成，其中使用开关来改变电容值。

调谐回路#1：最大化系统效率

图10A示出了用于调谐接收器IMN 904的控制回路的示例性实施例。在一些示例性实施例中，可调谐IMN可以由控制回路来控制，以优化系统效率，该控制回路包括来自无线电力发送器902的反馈信息和接收器负载910处的信息。系统效率可以被定义为接收器处负载功率与发送器处输入功率的比值P_load/P_in。控制回路可以改变接收器IMN 904的部件，使得效率P_load/P_in最大。例如，发送器的输入端处的电压传感器、电流传感器或功率传感器可以测量或计算输入功率。负载910的输入端处的电压传感器、电流传感器或功率传感器可以测量或计算输出功率。控制器内的处理器或耦合到控制器的处理器可以使用上述比值来计算系统效率。作为响应，控制器可以调整接收器IMN 904的部件C₂和/或C₃。

在另一示例中，在第一步骤1002中，如果已知其他测量结果(例如发送器线圈的电阻)，则可以测量发送器谐振器线圈中的电流I₁并且可以计算输入功率P_{in,Tx_coil}。可以在接收器负载910处测量输出电压V_out，并且可以使用额外的电流或电阻测量结果来计算输出功率P_load。在第二步骤1004中，处理器可以通过取得比值P_load/P_{in,Tx_coil}来计算系统效率。在第三步骤1006中，作为响应，控制器可以调整接收器IMN 904的部件C₂和/或C₃。在一些实施例中，控制器可以调整C2并测量对输出电压的影响。如果结果不是所期望的，则控制器可以将C₂返回到其先前值和/或调整C₃并测量对输出电压的影响，直到实现期望的结果。

调谐回路#2：最大化传递给负载的功率

图10B示出了用于调谐接收器IMN 904的控制回路的示例性实施例。在一些示例性实施例中，接收器控制回路可以最大化传递到负载910的功率。这可以作为最大化系统效率的控制回路的一部分或者接收器处的本地控制回路的一部分。如果从无线电力发送器发送的功率近似恒定，则接收器可以具有用以最大化P_load的本地控制回路。这可以降低复杂性和计算量。注意，可以在具有或不具有控制器的模拟、数字或混合信号(模拟和数字)电路中实现反馈回路。在第一步骤1008中，可以在负载910的输入端处测量或计算电压、电流或功率。在第二步骤1010中，可以假设发送器处的恒定电流来计算接收器的效率。在另一个实施例中，可以通过在接收器谐振器线圈处取得电压、电流和/或功率测量结果及计算输入功率P_{in,Rx_coil}并与P_load进行比较来计算接收器的效率。在第三步骤1012中，作为响应，控制器可以调整接收器IMN 904的部件C₂和/或C₃。

调谐回路#3：实现负载的目标电压

图10C示出了用于调谐接收器IMN 904的控制回路的示例性实施例。在一些示例性实施例中，接收器控制回路可以调谐IMN 904以达到负载910的目标电压V_target。例如，目标电压V_target可以是处于或接近负载910的最大输入电压V_max的电压。通过将无线电力接收器输出驱动到负载的最大输入电压V_max(例如电池充电器输入)，可以优化无线电力接收器效率。而且，利用这种控制技术，可以避免使用DC-DC转换器，并因此可以进一步优化无线电力接收器的效率。即，可以避免可归因于DC-DC转换器的损耗。基于负载电压调谐接收器IMN904的优点是可以确保整流器输出处于安全操作区域中。可以确保安全操作区域，这是因为反馈回路调整IMN 904部件，使得整流器输出达到目标负载电压V_target。

例如，假设无线电力接收器的负载是电池充电集成电路，其最大输入电压为20V。目标负载电压V_target理想地可以是20V，但由于来自整流器的纹波和其他非理想的影响，目标负载电压V_target可能会被设置为较低的电压，例如19V。无线电力接收器上的控制器908可以是负反馈回路，其将整流器输出电压调节到目标负载电压。该环路将比较整流器输出电压并将其与目标电压(在该示例中为19V)进行比较，以产生误差信号。然后，该误差信号将改变IMN 904的部件(例如，电容器C₂和C₃)，使得整流器输出电压等于目标电压，从而不产生误差信号。可以在模拟域中使用运算放大器和借助可变电容器的PWM信号和/或在混合信号模拟和数字域中使用模数转换器、比较器、微控制器、数字逻辑单元、固件、开关和电容器组来实现反馈环路的实现方式。在一些实施例中，连续可变电容器的组合用于精细调谐，而开关和电容器组可用于粗略调谐。例如，如果无线电力接收器可以嵌入到预定义的系统(例如笔记本电脑、蜂窝电话等)中，则目标电压可以被先验地获知并且可以容易地输入或编程到控制器或存储器单元中。在一些实施例中，目标电压不需要是静态的并且可以例如由系统的用户或不同的安全状况来改变。

图11示出了用于调节无线电力接收器的整流电压的控制方案的示例性实施例。该控制方案的输入可以来自整流电压V_rect、电流I₁、I₂、I₃(参见图7)和/或匹配网络中的电压的测量结果(即来自传感器)。在步骤1102，测量整流电压，并且在步骤1104，将整流电压与处于一些误差、滞后或近似区间±ε内的目标电压V_target进行比较。在一些实施例中，在诸如移动电子设备和笔记本电脑等消费电子设备中，整流电压的目标值可以是1V、5V、10V和20V。在一些实施例中，该区间ε可以是目标电压V_target的1％、5％、10％或更多。例如，对于模拟电压测量结果，在10V系统中，该区间可以是10-100mV。如果电压测量结果是数字信号，则V_rect与V_target的比较可以取决于噪声基底处或以上的位数或量化。

如果V_rect小于V_target-ε，则在步骤1106，将电容器C₂的电抗X₂与最小电抗值X_2,min进行比较。如果X₂小于或等于X_2,min，则在步骤1108，可以增大发送器电流I_TX。在一些实施例中，接收器可以向发送器发信号以增大I_TX。在一些实施例中，发送器可以检测接收器处的测量结果并相应地调整电流I_TX。这可以通过从接收器向发送器发送控制信号来实现。在一些实施例中，发送器可以监测接收器并且可以感测该状况。一旦电流I_TX增大，就可以在步骤1102测量V_rect。如果X₂大于X_2,min，则在步骤1110，可以减小X₂，例如，通过调谐电容器C₂来减小X₂。在步骤1112，监测V_rect，并且在步骤1114，增大电容器C₃的电抗X₃。例如，如果C₃的调谐是离散的(即，通过电容器组)并且增大X₃使得V_rect超出滞后带ε，则可以循环步骤1110到1114以稳定V_rect。控制返回到步骤1102。

在步骤1104，如果V_rect等于处于±ε内的V_target并且电抗X₂不等于最大电抗X_2,max，则控制返回到步骤1102。

在步骤1104，如果V_rect大于V_target+ε，则在步骤1116将X₂与最大电抗X_2,max进行比较。如果X₂小于X_2,max，则在步骤1118，增大X₂。控制返回到步骤1116。如果X₂大于或等于X_2,max，则在步骤1120，将电抗X₃与X_3,min进行比较。如果X₃大于X_3,min，则在步骤1122，减小X₃并且控制返回到V_rect。如果X₃小于或等于X_3,min，则在步骤1124，可以减小发送器电流I_TX。在一些实施例中，接收器可以向发送器发信号以增大I_TX。在一些实施例中，发送器可以检测接收器处的测量结果并相应地调整电流I_TX。

调谐回路#4：调节整流电压V_rect

在无线电力接收器的一些实施例中，可以通过调整位置C₂处的一个或多个电容器的电容值来调节整流电压(至少参见图8C、8E或8G)。调整值可以取决于接收器谐振器(电容器C₂是该接收器谐振器的一部分)中允许的最大耗散功率。

图12A是用于具有控制器的无线电力接收器的示例性方法的流程图。注意，以下每个步骤可以由耦合到接收器的部件的控制器执行。至少在图1-4、图7和图9中示出了这种控制器的示例。步骤1202在控制器的第一输入端接收表示整流电压V_rect的信号的值。步骤1204在耦合到第一输入端的处理器中对表示整流电压V_rect的信号进行操作，以产生电容器C₂的期望电容值C_{2_desired}。步骤1206经由控制器的第一输出端提供调整信号，以便将电容器C₂的电容值C_{2_value}调整到期望电容值C_{2_desired}。

图12B是用于具有控制器的无线电力接收器的示例性方法(包括步骤1202-1206)的流程图。该示例性方法还包括步骤1208，其通过处理器将表示整流电压V_rect的信号与由上限V_upper和下限V_lower定义的电压范围进行比较，该电压范围存储在控制器的存储器中。步骤1210响应于表示整流电压V_rect的值的信号与电压范围的比较经由控制器的第一输出端将调整信号发送到可调谐电容器C₂。

图12C是用于产生图12A-12B中的步骤1204的期望电容值C_{2_desired}的示例性方法的流程图。步骤1212在控制器的第二输入端接收表示整流电流I_rect的信号。可以在接收器的整流器的输出端处感测、测量或计算I_rect。步骤1214在处理器中对表示整流电压V_rect和整流电流I_rect中的每一个的信号进行操作，以确定到达与整流器输出端耦合的负载的功率P_L和负载处的电阻R_L。例如，可以根据这些测量结果计算功率P_L和电阻R_L：

R_L＝V_rect/I_rect

P_L＝I_rect·V_rect.

步骤1216在处理器中对接收器电阻R_receiver和功率P_L进行操作，以确定到达接收器的功率P_receiver。可以通过下式确定接收器电阻R_receiver和到达接收器的功率P_receiver：

R_receiver＝ω·L₁/Q

P_receiver＝P_L(U_d+1),

其中，U_d是接收器的品质因数。

步骤1218在处理器中对功率P_receiver、电容器C2的值、以及电容器C₃的值进行操作，以确定开路电压值V_open，其中，期望电容值C_{2_desired}是V_open的函数。电容器C₂和C₃的值可以是最近的测量结果或估计结果。

为了计算V_open，确定接收器电路的戴维南阻抗Z_th：

其中

Z₁＝R₁+jωL₁

根据戴维南阻抗，确定交流侧电压：

因此，可以通过下式确定开路电压值V_open：

因此，为了产生图12A-12B中的步骤1204的期望电容值C_{2_desired}：

注意，在一些实施例中，可以通过下式确定C₂的最大电容值：

其中，V_ocmax是取决于电路的最大开路电压值。确定最大电容值C_{2_max}使得电容器C₂的值具有上限可能是有帮助的。这可以减轻接收器中高压引起的任何潜在伤害或损坏。在一些实施例中，C_{2_desired}的值可以等于值C_{2_max}。

在一些实施例中，一旦已经确定了电容器C₂的期望值，就可以以获得在V_upper和V_lower的范围内的整流电压V_rect为目标确定电容器C₃的期望值。在示例性实施例中，可以由存储C₂、C₃对的值的查找表确定C₃的电容值。图13是作为C₂和C₃的电容值的函数的、在负载电阻R_load为30Ω时的AC负载电压V_{AC_load}的曲线图。注意，AC负载电压V_{AC_loaded}之间的关系如下：

可以由处理器访问从该函数导出并存储在控制器的存储器中的查找表，以为可调谐电容器C₃提供调整值。注意，在该实施例中，C₂和C₃之间的近似关系是，对于较高的期望电压，来自处理器的对电容器C₂的调整信号将被配置为增大C₂的电容值(在限度1304内)。电容器C₃的调整信号将被配置为减小C₃的电容值(在限度1304内)。

在一些实施例中，可以通过使用感应电压、开路状况、到达接收器的已知功率、以及接收器负载处的负载状况来进一步改进或观测电容器C₂和C₃的已知值。知道整流器输出端的开路电压可以通过以下关系得到电容器C₂的值：

|V_{Open_Circuit}|＝|A_{Open_Circuit|}*|V_Induced|

其中：

|V_Induced|＝I_{Tx_Coil}ωM

其中，电感器L₁的电阻为R_L1＝X_L1/Q_L1，电容器C₂的电抗为|X₂|＝1/(ωC₂)，并且电感器L₁的电抗为X_L1＝ωL₁。注意，开路电压仅取决于C₂(而不取决于C₃)，可以重新排列上面的等式以准确地确定C₂。在替代实施例中，当假设Q_L1相对较高(即，低R_L1)时，可以进行以下近似：

或者

一旦开路特性(以及因此X₂的电抗特性)，负载条件和功率传输可用于计算戴维南阻抗的大小并因此计算X₃的剩余电抗变量。与Z_TH相关的等式如上所示。另外，在相对于功率求解戴维南等效电路时，可以使用以下关系：

其中，当R_LOAD>|Z_TH|(典型的)时，使用加法，当R_LOAD<|Z_TH|时，使用减法，并且戴维南电压由下式给出：

在一些实施例中，调整信号可以输入到可调谐电容器本身或者用于调整可调谐电容器的值的装置。例如，调整信号可以输入到PWM发生器，PWM发生器将调整本文所述的任何可调谐电容器的值，例如可调谐电容器C₁、C₂或C₃(参见图8A、图8C、图8E和图8G)。在另一个示例中，调整信号可以输入到开关控制器以切换到电容器组的适当值。在又一个示例中，可以通过用于机械或压电装置的调整信号来调谐电容器。在进一步的示例中，BST电容器的调整信号可以作为DC电压被提供，这是因为BST电容器的电容值是DC电压偏置的单调函数。

调谐回路#5：根据函数调谐匹配

在示例性实施例中，可以基于由控制器的处理器、接收器或两者确定的函数来调整接收器匹配的调谐。图14A是用于基于函数进行调谐的示例性方法的流程图。在步骤1402中，针对电容器位置C₂和C₃的第一组电容值C_{2_value1}、C_{3_value1}，可以分别测量整流电压V_rect和整流电流I_rect并将其输入到处理器。在步骤1404中，可以针对第二组电容值C_{2_value2}、C_{3_value2}重复这些测量并将这些测量结果输入到处理器。在步骤1406中，已经针对至少两组或更多组电容值进行了测量，处理器然后可以拟合在电感器L₁上感应的电压V_AC、负载电阻R_load和/或电感的变化ΔL的函数。在一些实施例中，代替使用“拟合”来确定函数，函数参数(ΔL、V_AC和R_load)的估计结果能够足以确定期望值C_{2_desired}、C_{3_desired}。在一些实施例中，可以使用高斯过程来快速收敛于ΔL、V_AC和R_load的值。在步骤1410中，处理器可以确定用于期望电压V_AC的下一组电容值C_{2_desired}、C_{3_desired}。在一些实施例中，下一组电容值C_{2_desired}、C_{3_desired}可以用于目标或期望电压V_AC。在可选步骤中，根据该函数，处理器可以计算C₂和C₃的理想匹配值。在其他实施例中，下一组电容值C_{2_desired}、C_{3_desired}可以在采样点(C_{2_value_1}、C_{3_value_1}、C_{2_value_2}、C_{3_value_2})与C₂和C₃的理想匹配值之间的某个点处。在步骤1412中，可以根据C_{2_desired}、C_{3_desired}、经由来自控制器的调整信号来调整位置C₂和C₃处的可调谐电容器。注意，针对每组新的测量结果，可以重复该函数的拟合。图14B是作为电容C₂和C₃的函数的、在负载电阻R_load为20Ω时的电压V_AC的示例性函数。箭头1414示出了电压V_AC的刻度的增大方向，箭头1416示出了函数可以如何针对负载电阻R_load的变化而改变，并且箭头1418示出了函数可以针对电感的变化ΔL而改变。

虽然已经结合特定优选实施例描述了所公开的技术，但是本领域普通技术人员将理解其他实施例，并且这些其他实施例旨在落入本公开内容的范围内。例如，上面已经描述了与发送无线电力相关的设计、方法、部件配置等以及其各种具体应用和示例。本领域的技术人员将理解，本文描述的设计、部件、部件配置可以组合使用或互换使用，并且上述描述并不将部件的这种可互换性或组合仅限于本文所述的内容。

本文引用的所有文献均通过引用的方式并入本文。

Claims (14)

1.一种无线电力接收器，包括：

电路，所述电路包括与电感器L₁并联的可调谐电容器C₂，所述无线电力接收器适于接收由于无线电力发送器产生的磁场而在所述电感器L₁处感应的电压输入V_induced，所述无线电力接收器具有有效串联电阻R_receiver；

与所述电路串联耦合的可调谐电容器C₃；

整流器，耦合到所述电路，所述整流器具有带有整流电压V_rect和整流电流I_rect的输出端；以及

控制器，具有用于接收表示所述整流电压V_rect的信号的第一输入端、用于向所述可调谐电容器C₂提供调整信号的第一输出端、以及用于向所述可调谐电容器C₃提供调整信号的第二输出端，所述控制器包括耦合到所述第一输入端的处理器，并且所述处理器被配置为：

(i)对表示整流电压V_rect的信号进行操作以产生电容器C₂的期望电容值C_{2_desired}；以及

(ii)提供确定的所述调整信号，以便将电容器C₂的电容值C_{2_value}调整到所述期望电容值C_{2_desired}，

其中，为了产生所述期望电容值C_{2_desired}，所述控制器被配置为：

(iv)在所述控制器的第二输入端接收表示整流器输出端的整流电流I_rect的信号；

(v)在所述处理器中对表示所述整流电压V_rect和所述整流电流I_rect中的每一个的信号进行操作，以确定到达与所述整流器输出端耦合的负载的功率P_L和所述负载处的电阻R_L；

(vi)在所述处理器中对接收器电阻R_receiver和功率P_L进行操作，以确定到达所述接收器的功率P_receiver；以及

(vii)在所述处理器中对功率P_receiver、电容器C2的值、以及电容器C₃的值进行操作，以确定开路电压值V_open，其中，所述期望电容值C_{2_desired}是所述开路电压值V_open的函数。

2.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述控制器的存储器包括查找表，所述查找表包括针对给定电容值C_{2_value}的电容值C_{3_value}和针对至少一个负载电阻值R_{L_value}的负载电压值V_{L_value}。

3.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述控制器选择所述可调谐电容器C₃的电容值C_{3_value}，使得电容值C_{2_value}和C_{3_value}与电感器L₁的电感L_{1_value}谐振，谐振频率为f_resonant。

4.根据权利要求3所述的接收器，其中，所述谐振频率f_resonant为6.78MHz。

5.根据权利要求1所述的接收器，其中，电容器C₃包括并联或串联耦合的两个或更多个电容器。

6.根据权利要求1所述的接收器，其中，电容器C₃包括开关电容器、脉冲宽度调制(PWM)控制电容器、变容二极管或钛酸锶钡(BST)电容器。

7.根据权利要求1所述的接收器，还包括用于调整电容器C₃的电容值C_{3_value}的装置。

8.根据权利要求1所述的接收器，还包括用于调整电容器C₂的电容值C_{2_value}的装置。

9.根据权利要求1所述的接收器，其中，电容器C₂包括并联或串联耦合的两个或更多个电容器。

10.根据权利要求1所述的接收器，还包括与所述电感器L₁串联耦合的可调谐电容器C₁，其中，所述控制器包括用于向所述可调谐电容器C₁提供调整信号的第三输出端。

11.一种用于在包括耦合到无线电力接收器的控制器的系统中调节整流电压V_rect的方法，所述无线电力接收器包括耦合到电路的整流器，所述电路包括与电感器L₁并联的可调谐电容器C₂，所述无线电力接收器具有有效串联电阻R_receiver，所述整流器具有带有整流电压V_rect和整流电流I_rect的输出端，所述方法包括：

(i)在所述控制器的第一输入端接收表示整流电压V_rect的信号；

(ii)在耦合到所述第一输入端的处理器中对表示所述整流电压V_rect的信号进行操作以产生电容器C₂的期望电容值C_{2_desired}；以及

(iii)经由所述控制器的第一输出端提供调整信号，以便将电容器C₂的电容值C_{2_value}调整到所述期望电容值C_{2_desired}，

其中，产生所述期望电容值C_{2_desired}还包括：

(iv)在所述控制器的第二输入端接收表示整流电流I_rect的信号；

(v)在所述处理器中对表示所述整流电压V_rect和所述整流电流I_rect中的每一个的信号进行操作，以确定到达与整流器输出端耦合的负载的功率P_L和所述负载处的电阻R_L；

(vi)在所述处理器中对接收器电阻R_receiver和功率P_L进行操作，以确定到达所述接收器的功率P_receiver；以及

(vii)在所述处理器中对功率P_receiver进行操作，以确定开路电压值V_open，其中，所述期望电容值C_{2_desired}是所述开路电压值V_open的函数。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括(viii)经由耦合到所述处理器的第二输出端向与所述电路串联耦合的可调谐电容器C₃发送调整信号。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括(ix)从存储在所述控制器的存储器中的查找表中选择针对给定电容值C_{2_value}的电容值C_{3_value}和针对至少一个负载电阻R_L的负载电压值V_L。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括(x)由所述处理器调整可调谐电容器C₃的电容值C_{3_value}，使得电容值C_{2_value}和C_{3_value}与电感器L₁的电感L_{1_value}谐振，谐振频率为f_resonant。

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