感应式耦合充电器的制造方法
【专利摘要】一种装置(100)，包括基于从充电电路(110)接收到的输入电压和输入电流调节电池输出电压的充电控制器(140)。环路控制器(150)监测输入电压和输入电流以产生反馈信号(194)，从而调节充电控制器的输入电压。
【专利说明】感应式耦合充电器
【背景技术】
[0001 ] 感应式充电器利用电磁场来传递能量。充电站通过感应式耦合发送能量到电气设备，其将能量存储在如电池中。感应式充电器通常使用第一感应线圈提供来自充电基站内的交流电磁场，而便携式设备中的第二感应线圈从电磁场接收电力并将其转换回电流以给电池充电。两个感应线圈靠近结合形成电力变压器。
【发明内容】
[0002]提供一种感应式稱合充电器。在一个实例中，提供的一种装置包括基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流调节电池输出电压的充电控制器。能够提供一种环路控制器，其监测输入电压和输入电流以产生反馈信号，从而调节到充电控制器的输入电压。
[0003]在另一个实例中，一种装置包括基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流调节电池的充电控制器。第一环路控制器监测输入电压以产生第一反馈信号，从而调节到充电控制器的输入电压。第二环路控制器监测输入电流以产生第二反馈信号，从而调节到充电控制器的输入电压。
[0004]在又一个实例中，提供一种方法。该方法包括经由内部控制环路基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流来控制电池电压和电流。这包括采用发射器控制器控制充电电路中的输入电压和输入电流。该方法包括采用第一外部控制环路监测输入电压并产生第一反馈信号，从而调节到充电控制器的输入电压。该方法也包括采用第二外部控制环路监测输入电流并产生第二反馈信号，从而调节到内部控制环路的输入电压。
【专利附图】
【附图说明】
[0005]图1示出感应式耦合充电器装置的一个实例。
[0006]图2示出采用单个外部环路控制器控制电池负载电压和电流的感应式耦合充电器装置的一个实例。
[0007]图3示出采用两个外部环路控制器控制电池负载电压和电流的感应式耦合充电器装置的一个实例。
[0008]图4示出能够用作感应式耦合充电器装置的部分的示例性发射器和接收器电路。
[0009]图5示出用于经由感应式耦合充电给电池充电的一种示例性方法。
【具体实施方式】
[0010]图1示出感应式耦合充电器装置100的一个实例。感应式耦合充电器装置100 (也被称为充电器装置)提供多等级的闭环电压、电流和/或温度控制以有效地控制充电器(例如，无线电话电池充电器)的操作。充电器装置100能够包括供应如VREG所示的稳压DC电力的感应式耦合充电电路110 (也被称为充电电路)。充电电路110能够包括无线发射电力的变压器(未示出)，并且能够包括控制供应给变压器的电压的发射器控制器(未示出)。充电电路的一个实例将在下面关于图4进行描述。稳压电压VREG能够经由电流感测电路130感测，所述电流感测电路130供应电流1-SENSE到充电控制器140和环路控制器150，所述充电控制器140和环路控制器150联合动作以控制供应给电池170的负载电压和电流V1-LOAD。充电控制器140接收来自环路控制器150的参考电压VO-REF并监测1-SENSE和V1-L0AD。充电控制器140经由调节开关190控制负载电压和电流V1-L0AD，所述调节开关供应电压和电流以给电池170充电。
[0011 ] 作为一个实例，充电控制器140充当用于输出电压和电流V1-LOAD的内环控制器，而环路控制器150充当外环控制器，其经由反馈194控制充电电路110处产生的输入电压。因此，充电控制器140和环路控制器150与充电电路110中的发射器控制器协作，从而以闭环方式控制输出电压和电流V1-L0AD。如图所示，环路控制器150监测来自1-SENSE的电流和电压VREG以产生到充电电路110的反馈194。
[0012]正如下面关于图3所描述的，第二环路控制器(未示出)能够被加到充电器装置100以提供额外的控制，从而在电池170处更有效的产生和控制V1-L0AD。例如，一个控制器能够专用于监测VREG并产生反馈194，而第二个控制器能够监测1-SENSE并产生到充电电路的第二反馈(未示出)，如将相对于图3示出和描述的。
[0013]充电控制器140能够包括分立器件，所述分立器件经配置以响应来自1-SENSE和环路控制器150的电流和电压反馈，从而经由调节开关190控制V1-L0AD。环路控制器150能够包括执行控制算法的处理器，并能够包括其它元件，诸如模数转换器(ADC)(例如，能够是在环路控制器中的其它电路部件间的集成处理器和ADC)。控制算法能够被用作全局控制环路，其耦合发射器和接收器(下面相对于图4示出)，其中发射器是指感应式耦合充电电路110的初级侧，而接收器是指充电电路的次级侧。在一个实例中，接收器基本上能够监测和控制任何变量(例如，整流电压、输出电流等)。接收器能够计算所测量的控制变量与控制变量的目标值之间的百分比差，并将该值发送到发射器(例如，％误差=100x(期望值-实际值)/期望值)。当经由反馈194接收％误差消息时，发射器能够执行局部PID (比例-积分-微分)循环，其能够移动控制变量，并试图将测量的峰值初级电流偏移由接收器计算的％误差值。这能够改变传递到接收器的电力，因此能够驱动接收器控制变量，使其更接近它的目标值。
[0014]为了简化说明，在本实例中，装置100的不同部件被示出和描述为执行不同功能。然而，本领域普通技术人员将理解和认识到所描述的每个部件的功能能够由一个或更多个不同部件执行，或若干部件的功能能够被组合并在单个部件上执行。
[0015]图2示出采用单个外部环路控制器204控制电池负载电压和电流的感应式耦合充电器装置200的一个实例。充电器装置200包括产生稳压DC输出电压VREG的感应式耦合充电电路210。电流感测电路210供应电压和电流到调节开关224，其接着控制传递到电池230的电压和电流。充电控制器234控制调节开关224。充电控制器234包括监测来自电流感测电路220的传感器信号1-SENSE的放大器240和监测电池输出电压的放大器244。充电控制器234包括偏置调节开关224的电流源250 (例如，电荷泵)。来自放大器240和244的输出分别经由二极管260和264进行逻辑或运算，从而控制电流源250的输出端处的调节开关224。能够采用电阻器270建立与由电流感测电路220产生的1-SENSE成比例的参考电压。参考电压能够用作放大器240的参考，并用作外部环路控制器和ADC274的输入参考。[0016]放大器240能够监测280处的各种开关输入并能够包括充电参考信号输入1_1、预充电参考信号输入1-2或热充电参考信号输入1-3，例如，以帮助控制调节开关224。280处的输入感测电流，例如，能够被转换为电压，以在放大器240处与1-SENSE参考电压270比较。环路控制器能够包括模数转换器(ADC)并能够监测除外部参考电压VREF之外的1-SENSE和VREG，从而偏置环路控制器和ADC的内部操作。反馈信号290能够由环路控制器204产生，其中，这样的反馈能够被提供为数字信号，所述数字信号能够经由感应式耦合充电电路210的电感初级元件和次级元件传递。如图所示，连接到电池输出电压的电压输入信号294能够由环路控制器204处理。环路控制器294测量输入电压VREG和电池输出电压，并驱动输入电压高于输出电压合适量，从而操作调节开关224达到饱和。
[0017]在一个实例中，充电控制器234能够是利用输入电流感测220的线性充电控制器。如图所示，两个模拟环路能够在电流源250的输出端进行逻辑或，其中一个模拟环路能够经由放大器240调节电流而另一个模拟环路能够经由放大器244调节电压。装置200能够提供无线控制环路以连接接收器和发射器(在感应式耦合充电电路210内部)，其中，接收器经由反馈290发送命令到发射器以控制接收器输入电压。
[0018]作为一个实例，无线控制环路能够进行如下操作:环路控制器204和ADC能够监测输入电压、输出(电池)电压和输出电流。环路控制器能够发送反馈290到充电电路210中的发射器以控制整流器电压(参见下面的图4)到期望值。如果充电控制器234进行电流调节，则接着环路控制器204能够经由反馈290发送数字包以控制整流器电压，以使其高于电池电压给定裕量，当VDS(漏源电压)大于VDSAT(漏极饱和电压)时，所述给定裕量能够将调节开关224(例如，FET)保持饱和。在这种情况下，充电控制器234的内部模拟环路设置至电池230的输出电流值。类似地，在预充电或热折返条件下，充电控制器234的内部模拟环路能够设置输出电流，因此无线环路应控制输入电压从而将调节开关224保持饱和。当激活电压调节时，接着无线环路能够设置整流器电压VREG到恒定电平(例如，5V)。
[0019]图3示出采用两个外部环路控制器304和306控制电池负载电压和电流的感应式率禹合充电器装置的一个实例。类似于图2中的充电器,充电器装置300包括产生稳压DC输出电压VREG的感应式耦合充电电路310。感测电路320供应电压和电流到调节开关324，其接着控制传递到电池330的电压和电流。充电控制器324控制调节开关324。充电控制器334包括监测电流1-SENSE的放大器340和监测电池输出电压的放大器344。充电控制器334包括偏置调节开关324的电流源350 (例如，充电泵)。来自放大器340和344的输出分别经由二极管360和364进行逻辑或运算，以控制电流源350的输出端处的调节开关324。能够采用电阻器370建立与电流1-SENSE成比例的参考电压。参考电压能够用作放大器340的参考以及用作第一外部环路控制器1304的输入参考。
[0020]放大器340能够监测380处的各种开关电流输入，并能够包括充电参考信号输入1-1、预充电参考信号输入1-2或热充电参考信号输入1-3，例如，以帮助在不同操作模式期间控制调节开关324。380处的输入感测电流，例如，能够被转换成电压以在放大器340处与1-SENSE参考电压370比较。除外部参考电压VREF之外，第一外部环路控制器1304能够监测VREG，从而偏置ADC的内部操作。第一反馈信号390能够由环路控制器产生，其中，这样的反馈能够被提供为数字信号，所述数字信号经由感应式耦合充电电路310的电感初级元件和次级元件传递。电压输出信号392能够由环路控制器1304产生，并被放大器344用作参考信号(例如，传送期望电池电压电平的信号)。
[0021]如图所示，装置300能够包括306处的第二外部环路控制器2以监测电流1-SENSE并经由电压点396和输入397监测开关输入电流380。第二反馈398被提供给充电电路310，表示电流的控制反馈。应该注意，第一反馈390和第二反馈398可以交替复用到相同的通信通道，以回传到感应式耦合充电电路310。
[0022]如图所示，图1和图2中的环路控制器能够被分割成1-通道控制器表(其被表示为第二控制器306)和V-通道控制器(其被表不为第一控制器304)。充电器300和图2的实例中描述的充电器200的一个不同点在于如何计算和发送390和398处的反馈消息。在图2的充电器中，能够发送反馈以控制整流器电压到某一电平，以及确保调节开关停留在饱和状态。在充电器300中，在电压环路经由放大器340激活时，整流器电压VREG仍然能够受控。此外，当电流环路经由放大器340激活时，输出电流能够被直接控制。
[0023]作为一个进一步实例，在充电器300中，至电池330的输出电流能够被控制如下:通常情况下，306处的环路控制器2在399处能够具有某一参考电压(例如，1.1V，其低于模拟环路调节电压)。当306处的环路控制器2检测到电流已经达到所定义的调节阈值时，接着其能够发送消息到发射器，从而经由反馈398控制电流到该水平，而不考虑实际的整流器电压。
[0024]在实践中，由环路控制器306控制的环路可以试图降低输出电流，因此为了执行此功能，环路可能不得不降低整流器电压。由于环路控制器306电流阈值通常低于模拟电流调节阈值，所以调节开关324应以三极管模式操作从而达到该操作点。这有助于确保，例如，对于给定的调节开关RDS-ON参数，接收器在任何电流调节点上都应该是最高效的。
[0025]在一些常规电池充电器中，通过与提高调节开关的芯片温度成比例地降低充电电流调节阈值，能够实现热调节，当芯片温度超过某一阈值(例如，125°C)时，其可以是一种低效且不稳定的操作手段。在实践中，这种类型的控制能够驱动输出电流到低值，并同时驱动VREG为高值，这能够导致温度脱离热调节区域。这会导致充电电流返回到它的原始值，其会导致接收器在随后的周期中进入热调节区域。在这种方式中，接收器可以振荡进出热调节。在装置300中，利用由第二环路控制器306提供的热调节环路，这种稳定性和效率问题得到缓解，因此，对于给定系统，能够在热限制(例如，最大电流)适合操作，如下所述。
[0026]对于热调节，当接收器温度操作超过热限制，电流调节阈值能够下降以经由调节开关324降低充电电流。由于这个电压也是1-通道控制器306的参考电压397，然而，无线环路能够经由反馈398自动发送消息到发射器以降低充电电流，从而降低温度。通常，为降低充电电流，用于系统的唯一方式是降低发射器处的输入电压，这意味着降低接收器功耗。因为热环路以功耗单调降低的方式操作，因此这种热控制环路基本上是稳定的。
[0027]图4示出一种示例性发射器和接收器电路400，其能够用作感应式耦合充电器装置，诸如在本文中披露的(例如，图1-3)部分。先前图1-3中所描述的感应式耦合充电电路由虚线402表示。变压器404耦合发射器408和接收器410之间的能量，所述发射器和接收器被用于给电池414充电。发射器408包括控制器416 (例如，PID控制器)，其驱动功率晶体管418和420，所述功率晶体管418和420接着驱动变压器404的初级侧。能够提供阻抗匹配电容器424。反馈428从接收器410接收，并能够在电阻器430两端建立。接收器410能够包括匹配电容器434，所述匹配电容器434供应来自变压器404的次级电压到整流器440以产生整流的DC电压VREG。电压VREG被供应给充电控制器450，其经由先前所述的模拟控制调节到电池414的电压和电流。能够在454处提供稳压器滤波电容器。如图所示，能够提供经由晶体管464和470供应反馈的环路控制器460 (例如，图1的环路控制器150)。电容器474和480能够被采用以耦合反馈到变压器404的次级。经由晶体管464和470的反馈能够对应图2所示的反馈290。
[0028]根据上述描述的结构和功能特征，参考图5将更好地理解示例性方法。然而，为了简化说明，该方法被显示和描述为连续执行，但应当理解和认识到该方法并不限于所述的顺序，如，该方法的部分可以以和所示和所描述的顺序不同的顺序发生和/或同时发生。这种方法能够由配置在IC或控制器中的各种部件执行，例如。
[0029]图5示出用于经由感应式耦合充电给电池充电的一种示例性方法。进行到510，在510处，方法500包括经由内部控制环路(例如，图1的充电控制器140)基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流控制电池电压和电流。在520，方法500包括采用发射器控制器(例如，图4的控制器416)控制充电电路中的输入电压和输入电流。在530，方法500包括采用第一外部控制环路(例如，图3的控制器304)监测输入电压并产生第一反馈信号，从而调节到充电控制器的输入电压。在540，方法500包括采用第二外部控制环路(例如，图3的控制器306)监测输入电流并产生第二反馈信号，从而调节到内部控制环路的输入电压。例如，发射器控制器能够利用PID环路控制充电电路中的输入电压和输入电流。方法500也能够包括利用调节开关控制电池电压。
[0030]本发明所涉及的领域的技术人员将认识到在所要求保护的本发明的范围内，可以对所描述的实例进行修改，并且许多其他实施例也是可能的。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流经由内部控制环路控制电池电压和电流； 经由发射器控制所述充电电路中的所述输入电压和所述输入电流； 经由第一外部控制环路，监测所述输入电压以产生第一反馈信号，从而调节到所述充电控制器的所述输入电压；以及 经由第二外部控制环路，监测所述输入电流以产生第二反馈信号，从而调节到所述内部控制环路的所述输入电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中发射控制器利用比例-积分-微分环路，即PID环路，控制所述充电电路中的所述输入电压和所述输入电流。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用调节开关控制所述电池电压。
4.一种装置，包括: 充电控制器，其经配置以基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流调节电池； 第一环路控制器，其经配置以监测所述输入电压以产生第一反馈信号，从而调节到所述充电控制器的所述输入电压；和 第二环路控制器，其经配置以监测所述输入电流以产生第二反馈信号，从而调节到所述充电控制器的所述输入电压。
5.根据权利要求4所述的装置，所述充电电路进一步包括发射器电路和接收器电路，所述接收器电路感应耦合能量到所述充电控制器和所述第一和第二环路控制器。
6.根据权利要求5所述的装置，所述发射器电路执行比例-积分-微分算法，即PID算法，以基于所述第一反馈信号和第二反馈信号控制电压和电流。
7.根据权利要求4所述的装置，进一步包括接收稳压输入电压以调节所述电池处的电压和电流的调节开关。
8.根据权利要求7所述的装置，进一步包括偏置所述调节开关的电流源。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述充电控制器进一步包括监测输入电流的电流感测放大器和监测输出电压的电压感测放大器，从而控制所述调节开关。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述电流感测放大器利用所述输入电流作为参考值并将所述参考值与充电参考信号、预充电参考信号或热充电参考信号比较以控制所述调节开关。
11.一种装置，包括: 充电控制器，其经配置以基于从充电电路接收到的输入电压和输入电流调节电池输出电压；和 环路控制器，其经配置以监测所述输入电压和所述输入电流以产生反馈信号，从而调节到所述充电控制器的所述输入电压。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述环路控制器是第一环路控制器，所述装置进一步包括调节所述输入电流的第二环路控制器。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述反馈信号是第一反馈信号，所述装置还包括第二反馈信号，所述第二反馈信号由所述第二环路控制器产生并被提供给所述充电电路以帮助调节所述电池输出电压。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述充电电路经配置以执行控制算法，从而处理所述反馈信号和所述第二反馈信号以调节到所述充电控制器的所述输入电压。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二环路控制器被采用以控制驱动所述电池输出电压的调节开关的芯片温度。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述调节开关接收稳压输入电压并由所述充电控制器控制以调节所述电池输出电压。
17.根据权利要求16所述的装置，所述充电控制器还包括监测电流的第一放大器和监测电压的第二放大器，其中相应的所述放大器的输出端以连线的或结构连接以控制所述调节开关。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括供应电流到所述连线的或结构以帮助控制所述调节开关的电流源。
19.根据权利要求17所述的装置，其中监测电流的所述第一放大器接收包括下列信号的至少一个输入以帮助控制所述调节开关:充电参考信号、预充电参考信号或热充电参考信号。
20.根据权利要求11所述的装置，其中所述环路控制器还包括为所述充电控制器供应参考电压的模 数转换器。
【文档编号】H02J17/00GK104011963SQ201280064055
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年12月17日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】S·C·泰瑞, P·布罗林 申请人:德克萨斯仪器股份有限公司