保护无线通信设备的装置及包括该装置的无线通信设备的制作方法

本发明涉及无线发送/接收技术。

背景技术：

使用在几MHz至几十MHz的频段中形成的磁场来执行通信的短程通信模块被用于射频识别(在下文中称为RFID)模块、近场通信(在下文中称为NFC)模块等。特别地，使用NFC方法的各种应用被用在诸如移动电话的便携式终端中并且作为辅助支付设备越来越受欢迎。

作为感应式无线充电方法，无线充电联盟(WPC)的Qi方法和电力事务联盟(PMA)方法使用100kHz范围内的低频段来执行无线充电。同时，NFC使用与用于无线充电方法的频段大不相同的13.56MHz频段即工业科学医疗频段(在下文中称为ISM频段)执行通信，由于该感应式无线充电方法与NFC之间几乎没有干扰，因此不存在问题。

相比之下，使用磁谐振的无线电力联盟(在下文中称为A4WP)使用6.78MHz的ISM频段，其非常接近NFC的13.56MHz的ISM频段，因此从A4WP电力发送单元(在下文中称为PTU)供应的电力可能会通过NFC天线被无意地供应至NFC模块。通常，NFC模块发送和接收低电力，并且当大量的电力从A4WP PTU被供应至NFC模块时，NFC模块可能会接收过多的电力，并且因此NFC模块可能被损坏。

技术问题

本发明旨在提供一种用于保护无线通信设备免受无线充电的影响的装置以及具有该装置的无线通信设备。

技术解决方案

本发明的一个方面提供了一种用于保护无线通信设备的装置，该装置包括：确定单元，其被配置成对通过生成磁场或对磁场作出反应来以无线方式发送和接收信号的无线通信设备的电源电压进行感测，并且被配置成响应于感测到电源电压上升至预设阈值电压或更高来从外部确认无线充电状态；以及保护单元，其被配置成当：确定单元确认了无线充电状态时，保护无线通信设备免受无线充电的电力信号的影响。

确定单元可以包括过电压表，其被配置成：测量无线通信设备的主体的电源电压；在该电源电压上升时确定无线充电状态；以及向保护单元发送用于控制该保护单元的高电平控制信号。

确定单元可以包括频率传感器，其被配置成：感测无线通信设备的主体内部的整流器的输入信号的频率；当感测到的频率是用于无线充电的谐振频率时确认无线充电状态；以及向保护单元施加用于控制该保护单元的高电平控制信号。

确定单元可以包括：过电压表，其被配置成测量无线通信设备的主体的电源电压，当电源电压上升时确定无线充电状态，以及输出高电平控制信号；频率传感器，其被配置成感测无线通信设备的主体内部的整流器的输入信号的频率，当感测到的频率是用于无线充电的谐振频率时确认无线充电状态，以及输出高电平控制信号；以及与(AND)电路，其被配置成接收过电压表的高电平控制信号和频率传感器的高电平控制信号，对接收到的高电平控制信号执行逻辑乘法以及向保护单元发送用于控制该保护单元的控制信号。

保护单元可以包括开关元件，其被配置成：从确定单元接收控制信号，以及在该开关元件通过确定单元响应于电源电压上升的控制信号而接通的情况下，可以允许天线电流流过该开关元件，从而保护无线通信设备免受无线电力的影响。

保护单元可以包括开关元件，其被配置成从确定单元接收控制信号，其中，通过重复进行下述操作来保护无线通信设备：开关元件接通过控制信号而接通以防止天线电流被施加至电源电压从而降低电源电压，可以将该开关元件关断，并且当该开关元件被关断时电源电压可以再次上升。

保护单元可以包括：第一开关元件，其具有被施加接地电压的第一输出、连接至第一天线节点的第二输出、以及输入，从过电压表生成的控制信号被发送至该输入，以使得第一开关元件由该控制信号被接通或关断；以及第二开关元件，其具有被施加接地电压的第三输出、连接至第二天线节点的第四输出、以及输入，从过电压表生成的控制信号被发送至该输入，以使得第二开关元件由该控制信号被接通/关断。

保护单元可以包括：第一开关元件，其具有被施加接地电压的第一输出、连接至第一阻抗元件的第二输出以及输入，从过电压表生成的控制信号被发送至该输入，以使得第一开关元件由该控制信号被接通或关断；第二开关元件，其具有被施加接地电压的第三输出、连接至第二阻抗元件的第四输出以及输入，从过电压表生成的控制信号被发送至该输入，以使得第二开关元件由该控制信号接通或关断；第一阻抗元件形成在第一天线节点与第一开关元件之间，并且通过具有由于第一开关元件被接通而形成的电流路径，而允许谐振电路的谐振频率偏移；第二阻抗元件形成在第二天线节点与第二开关元件之间，并且通过具有由于第二开关元件被接通而形成的电流路径，而允许谐振电路的谐振频率偏移。第一阻抗元件和第二阻抗元件中的每一个可以是电阻器、电感器和电容器中的一个或其组合。

无线通信设备可以是近场通信(NFC)设备。无线通信设备可以是磁安全传输(MST)设备。

本发明的另一方面提供了一种无线通信设备，包括：谐振器，其包括生成磁场或对磁场作出反应的天线或感应元件；主体，包括整流器，被配置成接收谐振器的输出并对接收到的输出进行整流；以及保护装置，其被配置成：对主体的电源电压进行感测，当电源电压上升至预设的阈值电压或更高时从外部确认无线充电状态，以及保护无线通信设备免受用于无线充电的电力信号的影响。

本发明的另一方面提供了一种无线通信设备，包括：谐振器，包括生成磁场或对磁场作出反应的天线或感应元件；主体，包括整流器和保护装置，整流器被配置成接收谐振器的输出并对接收到的输出进行整流，保护装置被配置成：感测主体的电源电压，当电源电压上升至预设阈值电压或更高时外部地确认无线充电状态，以及保护无线通信设备免受用于无线充电的电力信号的影响。

本发明的另一方面提供了一种便携式终端，包括：电力接收器天线；无线通信天线；电力接收单元，其被配置成通过电力接收器天线的磁谐振接收来自电力发送单元的无线电力信号；无线通信主体，其被配置成使用无线通信天线的磁场执行无线通信；以及保护装置，其被配置成：感测无线通信主体的电源电压，响应于感测到电源电压上升至预设阈值电压或更高而确定电力接收单元处于无线充电状态，以及保护无线通信主体免受用于无线充电的电力信号的影响。

有益效果

根据本公开内容明显的是，可以保护无线通信设备免受无线充电的影响。具体来说，可以保护与NFC设备或磁安全传输(MST)设备一起使用天线或感应元件的无线通信设备免受外部磁场的影响。

通过在无线充电期间阻止电力信号被供应至无线通信设备来保护该无线通信设备，使得当从电力发送单元供应电力信号时，防止感应方案无线通信设备被无意地供应过量电力从而被损坏。

附图说明

图1和图2是示出根据本发明的实施方式的电力发送单元(PTU)与电力接收单元(PRU)之间的关系的框图。

图3是示出近场通信(NFC)设备位于以6.78MHz频率供应电力的无线电力联盟(A4WP)电力发送单元(PTU)上的状态的电路图。

图4是用于测量由NFC天线接收到的电力的电路图。

图5是示出当如图4所示那样测量电力时NFC天线的电压和电流测量的结果的波形图。

图6是示出由热成像摄像装置捕获的被放置在A4WP PTU上的配备有NFC芯片的信用卡和配备有A4WP PRU的移动电话的图像的参考图。

图7是示出根据本发明的实施方式的包括保护装置的NFC设备的框图。

图8是示出用于描述当使用电容器执行保护操作时调节流过开关元件(M1、M2)的电流的方法的NFC设备的框图。

图9是示出用于描述当使用阻抗元件执行保护操作时调节流过开关元件(M1、M2)的电流的方法的NFC设备的框图。

图10是示出用于描述当感测到特定频率并且NFC芯片的电源电压(VDD)较高时的保护方法的NFC设备的框图。

具体实施方式

在下文中，参照对以下当结合附图进行考虑时的具体实施方式的描述，各种优点、特征以及实现它们的方式将变得明显。然而，本发明的范围不限于这样的实施方式，而是可以以各种形式来实现本发明。以下描述的实施方式仅是为了完成本发明的公开内容并帮助本领域技术人员完全理解本发明的范围而提供的实施方式。本发明仅由所附权利要求的范围限定。在描述中，相同的附图标记用于表示相同的元素。

在本发明的描述中，将省略相关的已知功能或结构的详细描述以避免使本发明的主题变得含糊。此外，以下使用的术语是考虑到本发明中的功能来定义的，并且可以随着用户和操作者的意图或习惯而改变。因此，应当基于说明书的总体内容来确定这些术语的定义。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。然而，可以以各种形式实现本发明，并且本发明的范围不限于这些实施方式。本发明的这些实施方式是为了帮助本领域技术人员说明和理解本发明而提供的。

图1和图2是示出根据本发明的实施方式的电力发送单元(PTU)与电力接收单元(PRU)之间的关系的框图。

参照图1和图2，PTU 1以无线方式向PRU 3供应电力信号，以执行无线充电。在这种情况下，保护装置24保护无线通信设备2免受用于无线充电的电力信号的影响。PTU 1和PRU 3可以以磁谐振方法发送和接收电力。当PTU 1供应用于无线充电的电力时，被配置成发送低电力的无线通信设备2可能被无意地供应过多的电力，从而导致无线通信设备2损坏。保护装置24通过在无线充电期间阻止电力信号被供应至无线通信设备2来保护无线通信设备2。

PRU 3和无线通信设备2可以彼此分离或者可以位于单个电子设备中。当PRU 3和无线通信设备2彼此分离时，PRU 3可以是便携式终端并且无线通信设备2可以是信用卡。当PRU 3和无线通信设备2位于单个设备中时，PRU 3和无线通信设备2可以位于便携式终端中。

根据本实施方式的无线通信设备2可以是使用磁场发送和接收无线信号的通信设备，例如近场通信(在下文中称为NFC)设备或射频识别(在下文中称为RFID)设备。NFC设备在几MHz到几十MHz的频段中执行近场通信，并且例如可以在13.56MHz的频段中发送和接收无线信号。作为另一示例，无线通信设备2可以是磁安全传输(在下文中称为MST)设备。MST设备设置有生成磁场或对磁场作出反应的感应元件或者天线。

根据该实施方式的PTU 1和PRU 3根据磁谐振方案进行操作。例如，PTU 1和PRU 3使用无线电力联盟(A4WP)方案发送和接收电力。根据A4WP方案，A4WP PTU通过6.78MHz的频段的磁谐振向A4WP PRU供应电力信号。然而，根据本发明的无线充电方案不限于A4WP方案。在不根据A4WP方案进行操作的情况下，当在与无线通信设备2的频段不同的频段下执行无线充电时，例如，即使当以4MHz执行无线充电时，保护装置24也可以保护使用13.56MHz的频段的NFC设备或者使用与NFC设备的频段接近的频段的其他无线通信设备。

当无线充电设备的频段相对接近无线通信设备2的频段时，本发明可以被应用于保护无线通信设备2免受用于发送和接收无线电力信号的无线充电设备的影响。例如，本发明被应用于保护使用13.56MHz的频段的NFC设备免受使用6.78MHz的频段的A4WP无线充电设备的影响。

参照图1，根据本实施方式的无线通信设备2包括谐振器20、主体22和保护装置24。根据另一实施方式的无线通信设备2包括谐振器20、主体22和主体22内部的保护装置24，如图2所示。也就是说，保护装置24可以如图1所示与主体22分离，或者可以如图2所示集成到主体22中。

无线通信设备2的谐振器20可以包括生成磁场或对磁场作出反应的感应元件或者天线。主体22可以是整流器，其接收谐振器20的输出并对该输出进行整流。当无线通信设备2是NFC设备时，主体可以是NFC芯片。保护装置24对主体22的电源端子的电源电压VDD进行感测。当电源电压VDD上升至预设阈值或更高时，保护装置24从外部确认无线充电状态并保护主体22免受用于无线充电的电力信号的影响。

为了帮助理解本发明，在将无线通信设备2限制为NFC设备、将PTU限制为A4WP PTU并将PRU限制为A4WP PRU的情况下，参照以下附图来描述用于保护NFC设备免受A4WP PTU影响的实施方式。然而，本发明不限于此。

图3是示出NFC设备位于以6.78MHz的频率供应电力的A4WP PTU上的状态的电路图。

参照图3，NFC设备5包括谐振器50和NFC芯片52，该谐振器50包括NFC天线、电容器Cs和Cp。在NFC设备5位于A4WP PTU 4上的情况下，即使在NFC未被使用时，NFC设备5的NFC天线500也暴露于由A4WP PTU 4供应的磁场。考虑到NFC和A4WP的操作频率，NFC使用比A4WP的工作频率高两倍的工作频率，从而使这些频段被区分，但是NFC天线500可能接收到相当大量的电力。

当A4WP PRU被安装在诸如移动电话的便携式终端上时，由于显示器位于便携式终端的前表面上，所以A4WP天线通常位于便携式终端的后表面上，并且NFC天线500通常也位于该便携式终端的后表面上。因此，即使当使用NFC天线500的NFC未被使用时，NFC天线500在无线充电期间也暴露于由A4WP PTU 4供应的磁场并且因此生成磁场。因此，NFC天线500可能接收到相当大量的电力信号。

图4是用于测量由NFC天线接收到的电力的电路图。

参照图4，假定，为了对NFC天线500在A4WP PTU 4和A4WP PRU 6在A4WP PTU 4和A4WP PRU 6之间发送和接收电力时接收到的电力进行测量，将具有10Ω电阻器RL 56的NFC天线500连接到A4WP PTU 4。在这种情况下，A4WP PRU 6处于从A4WP PTU 4接收大约5W的电力的状态。

图5是示出当如图4所示那样测量电力时NFC天线的电压和电流测量的结果的波形图。

参照图4和图5，NFC天线500接收具有约2.5Vpeak的电压和具有250mApeak的电流。NFC天线500的电压和电流由受到NFC天线500相对于A4WP PTU 4的距离和位置影响的函数来确定，但是对被放置在A4WP PTU 10的中间而不从A4WP PTU 4向上分离的NFC天线500的电压和电流如图5所示那样进行测量。使用了具有约15W的最大输出功率的A4WP PTU 4，但在试验条件下A4WP PTU 4的发送功率约为10W。

从试验结果可以看出，NFC天线500还接收0.3W的功率。对于A4WP PRU 6来说这样的功率水平并不大，但是这样的功率水平大到足以在NFC设备中引起问题。

图6是示出由热成像摄像装置捕获的被放置在A4WP PTU上的配备有NFC芯片的信用卡和配备有A4WP PRU的移动电话的图像的参考图。

参照图6，当配备有NFC芯片52的信用卡7和配备有A4WP PRU的移动电话8被放置在A4WP PTU上时，可以看出，信用卡7的NFC芯片52由于接收电力而过热。当执行NFC功能的NFC芯片52在该状态下保持预定时间段(例如10分钟)时，NFC芯片52被损坏。

图7是示出根据本发明的实施方式的包括保护装置的NFC设备的框图。

参照图7，NFC设备5包括谐振器50、NFC芯片52和保护装置54，其中，NFC芯片52包括整流器520，并且保护装置54包括确定单元540和保护单元542。

NFC设备5可以是图1和图2所示的无线通信设备2，NFC设备5的谐振器50可以是图1和图2所示的谐振器20，NFC芯片52可以是图1和图2所示的主体，并且保护装置54可以是图1和图2所示的保护装置24。

在下文中将描述NFC设备5的配置。

NFC设备5的谐振器50包括NFC天线500和电容器Cs 504。NFC天线500具有感应部件。NFC芯片52包括整流器520，并且整流器520将从谐振器50接收的交流(AC)信号整流为直流(DC)信号。保护装置54包括确定单元540和保护单元542。确定单元540可以包括过电压表5400。过电压表5400测量NFC芯片52的电源端子的电源电压VDD，当电源电压VDD上升时确定无线充电状态，并且输出高电平控制信号。

根据本实施方式的保护单元542包括第一开关元件M1 5420-1和第二开关元件M2 5420-2。第一开关元件M1 5420-1具有被施加接地电压的第一输出、连接至第一天线节点501的第二输出、以及输入，从过电压表5400输出的控制信号被发送至该输入，以使得第一开关元件M1 5420-1由该控制信号接通或关断。第二开关元件M2 5420-2具有被供应接地电压的第三输出、连接至第二天线节点502的第四输出、以及输入，从过电压表5400输出的控制信号被供应至该输入，以使得第二开关元件M2 5420-2由该控制信号接通或关断。参照图7，包括确定单元540和保护单元542的保护装置54被示为与NFC芯片52分离，但是根据另一实施方式，保护装置54可以被制造成集成到NFC芯片52中。

A4WP PTU和A4WP PRU通过磁谐振以6.78MHz的谐振频率发送和接收无线电力信号，并且NFC设备5使用磁场以13.56MHz的工作频率执行无线通信。由于这些频段彼此非常接近，所以在A4WP PTU供应电力信号时，NFC天线500受到由A4WP PTU生成的磁场的影响并且因此在NFC天线500中生成磁场。在这种情况下，保护装置54阻挡电力信号通过由NFC天线500生成的磁场被供应至NFC芯片52，从而保护NFC芯片52。

详细来说，保护装置54的确定单元540确定A4WP PTU是否处于从A4WP PRU接收电力信号以进行无线充电的状态。为此，确定单元540使用NFC芯片52的电源端子的电源电压VDD。例如，确定单元540感测电源电压VDD是否上升到预设的阈值电压或更高，并且当电源电压VDD上升时向保护单元54施加高电平控制信号以阻止电力信号被供应至NFC芯片52。因此，可以保护NFC芯片52免受无线充电的影响。

在下文中，将参照图7所示的电路来描述使用保护装置54保护NFC芯片52的处理。

当从A4WP PTU供应了过多的能量时，通过从NFC天线500接收能量的整流器520来使NFC芯片52的电源电压VDD增加。尽管NFC芯片52通常配备有并联调节器以防止电源电压VDD过度增加，但是整流器520自身可能会被过多的能量损坏。因此，响应于感测到NFC芯片52的电源端子的电源电压VDD过度增加，确定单元540的过电压表5200可以生成高电平控制信号，以将开关元件M1 5420-1和M2 5420-2接通。当开关元件M1 5420-1和M2 5420-2被接通时，天线电流中的大部分流过开关元件M1 5420-1和M2 5420-2，从而包括整流器520的NFC芯片52受到保护。当天线电流由于开关元件M1 5420-1和M2 5420-2被接通而没有被供应至电源电压VDD时，电源电压VDD减小，并且进而开关元件M1 5420-1和M2 5420-2被关断。随着开关元件M1 5420-1和M2 5420-2被关断，电源电压VDD再次增加，因而上述操作重复进行以保护NFC芯片52。

图8是示出用于描述当使用电容器执行保护操作时调节在开关元件M1和M2中流动的电流的方法的NFC设备的框图。

当使用开关元件M1 5420-1和M2 5420-2保护NFC芯片52时，在开关元件M1 5420-1和M2 5420-2的接通电阻较小的情况下，过电流可能从NFC天线500被供应至开关元件M1 5420-1和M2 5420-2。因此，电容器Cd1 5422-1和电容器Cd2 5422-2分别串联连接到开关元件M1 5420-1和M2 5420-2，使得谐振器的谐振频率改变。当谐振器50的谐振频率降低到输入到NFC天线500的频率以下时，接收到的电流可以减小。

在下文中描述保护单元542的配置。保护单元542包括开关元件M1 5420-1和M2 5420-2以及电容器Cd1 5422-1和Cd2 5422-2。第一开关元件M1 5420-1具有被施加接地电压的第一输出、连接至电容器Cd1 5422-1的第二输出、以及输入，从过电压表5400生成的控制信号被发送至该输入，以使得第一开关元件M1 5420-1由该控制信号接通或关断。第二开关元件M2 5420-2具有被施加接地电压的第三输出、连接至电容器Cd2 5422-2的第四输出、以及输入，从过电压表5400生成的控制信号被发送至该输入，以使得第二开关元件M2 5420-2由该控制信号被接通/关断。

第一电容器Cd1 5422-1形成在第一天线节点501与第一开关元件M1 5420-1之间，并且通过具有由于第一开关元件M1 5420-1被接通而形成的电流路径，而允许谐振器50的谐振频率偏移。第二电容器Cd2 5422-2形成在第二天线节点502和第二开关元件M2 5420-2之间，并且通过具有由于第二开关元件M2 5420-2被接通而形成的电流路径，而允许谐振器50的谐振频率偏移。

在下文中描述保护装置54的操作。当电源电压VDD增加时，通过过电压表5400的控制信号将开关元件M1 5420-1和M2 5420-2接通，并且已接通的开关元件M1 5420-1和M2 5420-2的输出分别连接至电容器Cd1 5422-1和Cd2 5422-2，并且电容器Cd1 5422-1和Cd2 5422-2分别连接至天线节点N1 501和N2 502。当开关元件M1 5420-1和M2 5420-2被接通时，形成去往电容器Cd1 5422-1和Cd2 5422-2的电流路径，包括NFC天线500和电容器Cs 504的谐振器50的谐振频率偏移，使得NFC芯片52接收到的电力信号减小并且大部分电流流至电容器Cd1 5422-1和Cd2 5422-2，因此保护了NFC芯片52。

图9是示出用于描述当使用阻抗元件执行保护操作时调节流过开关元件M1和M2的电流的方法的NFC设备的框图。

如图9所示，保护单元542包括阻抗元件Z1和Z2(5424-1和5424-2)。对电流进行限制的阻抗元件Z1和Z2(5424-1和5424-2)可以是电阻器R、电感器L和电容器C中的一个或者它们的组合。连接电阻器R可以允许开关元件M1 5420-1和M2 5420-2的电流减小，但是当接收到的天线电流较高时可能难以确保电源电压VDD的安全。因此，需要适当地调节电阻器R。连接电容器C与以上参照图8描述的相同，因此将省略其描述。连接电感器L也与通过改变谐振器50的谐振频率来减少接收到的能量的方法对应。

图10是示出用于描述当感测到特定频率并且NFC芯片的电源电压VDD较高时的保护方法的NFC设备的框图。

存在仅在电源电压增加特定频率分量时才需要保护的情况。在这种情况下，使用感测来自NFC整流器的输入信号的频率的频率传感器5402来确定是否施加了特定频率，使用过电压表5400来确定电源电压VDD是否较高并且接通开关元件M1和M2(5420-1和5420-2)以确保电源电压VDD的安全。

参照图10，确定单元540包括过电压表5400、频率传感器5402和与电路5404。过电压表5400对NFC芯片52的电源电压VDD进行测量，当电源电压VDD上升时确定无线充电状态，并且输出高电平控制信号。频率传感器5402对整流器的输入信号的频率进行感测，当感测到的频率是用于无线充电的谐振频率时确认无线充电状态，并且输出高电平控制信号。与电路5404接收过电压表5400的控制信号和频率传感器5402的控制信号，对接收到的控制信号执行逻辑乘法，并且向保护单元542发送用于控制保护单元542的控制信号。保护单元542包括第一开关元件M15420-1、第二开关元件M2 5420-2以及阻抗元件Z1和Z2(5424-1和5424-2)。

可以采用各种方法来实现图10所示的电路。开关元件M1和M2(5420-1和5420-2)、过电压表5400、频率传感器5402等可以被集成在NFC芯片52内部，或者可以被实现为NFC芯片52的外部电路。

参照附图以NFC设备5为例进行了以上描述，但是其也可以被应用于能够使用天线或感应元件发送信号的其他无线通信设备(如MST设备)以防止无线通信设备由于外部磁场过度供应的能量而被损坏。

对本发明的以上描述是结合实施方式进行的。本领域普通技术人员应理解，在不脱离本发明的技术精神或基本特征的情况下，可以容易地进行其他特定修改。因此，在所有方面，上述实施方式均应被视为说明性的而非限制性的。本发明的范围不受以上阐述的详细说明书的限制，而是受所附的本发明的权利要求的限制，并且还应理解，源自权利要求的定义和范围及其等同物的所有变化或修改均落入本发明的范围内。