无线电源发送电路及其控制方法与流程

文档序号:16431104发布日期:2018-12-28 20:09阅读:257来源:国知局
本发明涉及一种无线电源发送电路,特别是指一种可使其中的谐振发送电路大致上操作于阻抗匹配(impedancematched)状况的无线电源发送电路。本发明也涉及用于无线电源发送电路的控制方法。
背景技术
:无线电源发射电路一般而言用于无线充电应用,需具有恒定电流(constantcurrent)控制功能,而在功率输入或输出过高时,又需转换为恒定功率(constantpower)控制模式,以避免损坏无线电源发射电路或是后级电路。图1显示一种现有技术的无线电源发送电路(无线电源发送电路1),无线电源发送电路1包括一降压转换电路、一电力逆变器电路(powerinvertercircuit)、一谐振发送电路11、以及一谐振匹配电路12。其中谐振电流irs根据电力逆变器电路的输入电压vs的位准而决定。电源发送电路1用以产生谐振无线电源pwlrs,以供应充电电源予充电电路13。图1中所示的现有技术,其缺点在于需要相对较高的输入电压位准、相对较大的电压控制范围、以及很高分辨率的数字模拟转换器(未示出,用以控制降压转换电路与电力逆变器电路),才能达到谐振电流irs控制于恒定电流或是谐振无线电源pwlrs控制于恒定功率的需求。谐振发送电路11包含电感lp与电容cp,以及反射阻抗zeq。其中,反射阻抗zeq为谐振发送电路11中的一个等效阻抗,其也受到接收端的充电电路13置放位置的影响而改变,此为本领域技术人员所熟知,在此不予赘述。图1中所示的现有技术,其缺点在于,由于谐振发送电路11将该交流输出电源转换为谐振无线电源pwlrs以实现无线电源发送,以对接收端的充电电路13(例如充电电池或手机)充电。由于在实际的应用上,充电电路13与谐振发送电路11的相对位置不同时,谐振发送电路11的反射阻抗zeq会因而不同,这造成了功率损失。如图2所示,反射阻抗zeq包含实部的反射电阻req与虚部的反射电抗xeq。图2显示,当接收端的充电设备与谐振发送电路11的相对位置不同时,会改变反射阻抗zeq。其中,反射阻抗zeq包含了反射电阻req与反射电抗xeq。反射电抗xeq越大,谐振发送电路11阻抗不匹配的情况越严重,谐振无线电源pwlrs的功率损失越大。如果要维持恒定电流或恒定功率,需要输入更高的电压与更高的功率。如图3所示,当反射阻抗zeq的虚部反射电抗xeq越大,其所需要的电感lp上的压降越高,才能达到相同的电感电流。本有鉴于此,本发明的目的在于,针对上述现有技术的缺点与不足,提出一种无线电源发送电路及其控制方法,可以解决前述现有技术的问题,减少谐振无线电源的功率损失,而实现恒定电流模式或恒定功率模式。技术实现要素:为了实现上述发明目的,就其中一个观点言,本发明提供了一种无线电源发送电路,该无线电源发送电路包含:一电源转换电路(powerconvertercircuit),用以转换一输入电压而产生一转换输出电压;一电力逆变器电路(powerinvertercircuit),用以根据一操作信号而切换其中至少一开关,以将该转换输出电压转换而产生一交流输出电压,并供应一交流输出电流,借此产生一交流输出功率;一电感电容(lc)电路,与该电力逆变器电路耦接,该lc电路包括一电感与一电容,其中该lc电路的电抗(reactance)大致上为零,该lc电路用以将该交流输出电流转换为一线圈电流;一谐振发送电路,包含至少一发送线圈与一可变电容电路,其中该线圈电流流经该至少一发送线圈,而产生一谐振无线电源;以及一控制电路,用以产生该操作信号与一电容调整信号,其中该电容调整信号用以调节该可变电容电路的阻抗,使该谐振发送电路大致上操作于一阻抗匹配(impedancematched)状况。在一较佳实施例中,该控制电路控制该电源转换电路,及/或调整该操作信号而控制该电力逆变器电路,以于该交流输出功率低于一预设功率时,将该线圈电流维持于一预设固定线圈电流,且于该交流输出功率不低于该预设功率时,将该交流输出功率维持于该预设功率。在一较佳实施例中,该控制电路根据该操作信号或/及该线圈电流,而产生该电容调整信号,以调节该可变电容电路的阻抗,使该线圈电流维持于一第一区域最小值(localminimum)。在一较佳实施例中,该控制电路根据该交流输出电流,而产生该电容调整信号,以调节该可变电容电路的阻抗,使该交流输出电流维持于一第二区域最小值(localminimum)。在一较佳实施例中,该控制电路根据该lc电路中该电容的一电容跨压,而产生该电容调整信号,以调节该可变电容电路的阻抗,使该电容跨压维持于一第三区域最小值(localminimum)。在一较佳实施例中,该控制电路,调整该操作信号的一操作频率及/或一工作比,以控制该电力逆变器电路,以于该交流输出功率不高于该预设功率时,将该线圈电流维持于该预设固定线圈电流,且于该交流输出功率高于该预设功率时,将该交流输出功率维持于该预设固定输出功率。在一较佳实施例中,该电力逆变器电路为一半桥或全桥d类逆变器电路(classdinvertercircuit)、一e类逆变器电路(classeinvertercircuit)、或一差模(differentialmode)e类逆变器电路(classeinvertercircuit)。在一较佳实施例中,该电源转换电路为一切换式降压转换电路(buckconvertercircuit),或一切换式升压转换电路(boostconvertercircuit),或一切换式升降压转换电路(buck-boostconvertercircuit),或一交流-直流转换电路(ac-dcconvertercircuit)。在一较佳实施例中,其中该lc电路中的该电感与该电容,与该发送线圈组成一电感电容电感谐振逆变器(lcl-resonantinverter)电路。就另一个观点言,本发明也提供了一种无线电源发送电路的控制方法,该无线电源发送电路用以发送一谐振无线电源,该无线电源发送电路的控制方法包含:转换一输入电压而产生一转换输出电压;根据一操作信号而切换至少一开关,以将该转换输出电压转换而产生一交流输出电压,并供应一交流输出电流,借此产生一交流输出功率;提供一电感电容(lc)电路,包括一电感与一电容,其中该lc电路的电抗(reactance)大致上为零,该lc电路用以将该交流输出电流转换为一线圈电流;通过将该线圈电流流经该至少一发送线圈,以将该lc电源转换为该谐振无线电源;以及产生一电容调整信号,用以调节一可变电容电路的阻抗,使该谐振发送电路大致上操作于一阻抗匹配(impedancematched)情况。在一较佳实施例中,当该交流输出功率低于一预设功率时,调整该转换输出电压或该交流输出电压,以将该线圈电流维持于一预设固定线圈电流,且于该交流输出功率不低于该预设功率时,调整该转换输出电压或该交流输出电压,以将该交流输出功率维持于该预设功率。在一较佳实施例中,该产生一电容调整信号,用以调节该可变电容电路的阻抗,使该谐振发送电路大致上操作于一阻抗匹配(impedancematched)情况的步骤包括:根据该操作信号或/及该线圈电流,而产生该电容调整信号,以调节该可变电容电路的阻抗,使该线圈电流维持于一第一区域最小值(localminimum)。在一较佳实施例中,该产生一电容调整信号,用以调节该可变电容电路的阻抗,使该谐振发送电路大致上操作于一阻抗匹配(impedancematched)情况的步骤包括:根据该交流输出电流,而产生该电容调整信号,以调节该可变电容电路的阻抗,使该交流输出电流维持于一第二区域最小值(localminimum)。在一较佳实施例中,该产生一电容调整信号,用以调节该可变电容电路的阻抗,使该谐振发送电路大致上操作于一阻抗匹配(impedancematched)情况的步骤包括:根据该lc电路中该电容的一电容跨压,而产生该电容调整信号,以调节该可变电容电路的阻抗,使该电容跨压维持于一第三区域最小值(localminimum)。在一较佳实施例中,无线电源发送电路的控制方法,还包含:调整该操作信号的一操作频率及/或一工作比,以于该交流输出功率不高于该预设功率时,将该线圈电流维持于该预设固定线圈电流,且于该交流输出功率高于该预设功率时,将该交流输出功率维持于该预设固定输出功率。以下通过具体实施例详加说明,当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。附图说明图1显示一种现有技术的无线电源发送电路的示意图;图2显示现有技术中,当接收端的充电设备与谐振发送电路11的相对位置不同时,会改变谐振发送电路11的反射阻抗zeq;图3显示当反射阻抗zeq的虚部反射电抗xeq越大,其所需要的电感lp上的压降越高;图4显示本发明的无线电源发送电路的一实施例的示意图;图5a-5d显示对应于图4实施例的信号波形图;图6显示本发明的无线电源发送电路中,谐振发送电路的一实施例的示意图;图7显示本发明的无线电源发送电路的一实施例的示意图;图8显示本发明的无线电源发送电路中,控制电路的一实施例的示意图;图9显示本发明的无线电源发送电路的一实施例的示意图;图10显示本发明的无线电源发送电路的一实施例的示意图。具体实施方式请参阅图4,图中所示为本发明的无线电源发送电路的一实施例(无线电源发送电路2)示意图,无线电源发送电路2包含一电源转换电路20(powerconvertercircuit)、一电力逆变器电路30(powerinvertercircuit)、一电感电容(lc)电路40、一谐振发送电路50、以及一控制电路60。其中电源转换电路20用以转换一输入电压vin而产生一转换输出电压vdco。输入电压vin可为一交流电压或一直流电压,而电源转换电路20则分别可对应为一交流-直流转换电路或一直流-直流转换电路。电力逆变器电路30用以根据一操作信号op而切换其中至少一开关s1,以将转换输出电压vdco转换而产生一交流输出电压vaco,并供应一交流输出电流iaco,借此产生一交流输出功率paco。电感电容(lc)电路40与电力逆变器电路30耦接。lc电路40包括至少一电感与一电容(未示出,于后详述),其中,lc电路40的电抗(reactance)大致上为零。lc电路40用以将交流输出电流iaco转换为一线圈电流icoil。谐振发送电路50包含至少一发送线圈l与一可变电容电路51,其中线圈电流icoil流经该至少一发送线圈l,而产生一谐振无线电源pwlrs。本实施例中,谐振发送电路50包含互相串联的发送线圈l以及谐振电容电路51,以及反射阻抗zeq。需说明的是,谐振发送电路50并不限于本实施例的电路结构,其也可以其他形式的谐振电路实施,例如但不限于并联式、或串联与并联组合的谐振电路。控制电路60用以产生操作信号op与一电容调整信号adj,其中电容调整信号adj用以调节可变电容电路51的阻抗,使谐振发送电路50大致上操作于一阻抗匹配(impedancematched)状况。所谓的阻抗匹配状况,指阻抗(电阻加电抗)在交流电源的传输过程中,达到交流电源能完整传至发送线圈l,而不会有交流电源反射回lc电路40,从而提升电源转换效率;阻抗匹配状况为本领域技术人员所熟知,在此不予赘述。请继续参阅图4,本实施例中,可变电容电路51包含一可变电容器(varactor)cvd,其中电容调整信号adj为一模拟信号且耦接于该可变电容器cvd的控制端,用以模拟且连续地控制该可变电容器cvd的阻抗,以实现前述使谐振发送电路50大致上操作于阻抗匹配状况;其中所述的可变电容器(varactor)可为一种电压控制可变电容(例如一电压控制可变电容二极管,varactordiode),通过对其施加不同的反向偏压(reversebiasvoltage),可改变其电容值。需说明的是,本实施例中电容调整信号adj通过一偏压电阻rb而耦接于该可变电容器cvd的控制端,而在一实施例中,偏压电阻rb可以省略。请继续参阅图4,并同时参阅图5a-5d,在一实施例中,控制电路50控制电源转换电路20,及/或调整操作信号op而控制电力逆变器电路30,以于交流输出功率paco低于一预设功率pprd时,将线圈电流icoil维持于一预设固定线圈电流icnst,且于交流输出功率不低于该预设功率pprd时,将交流输出功率paco维持于该预设功率pprd。其中控制电路50可以根据与交流输出电流iaco相关的信号与交流输出电压vaco而得到交流输出功率paco。控制信号ctrl用以控制电源转换电路20,以调节交流输出功率paco大致上维持于预设功率pprd,以实现恒定功率模式。其中所述“预设”功率pprd,可为一固定值,或为一可调整的可变动值,下同。此外需说明的是:因电路零件的本身或是零件间相互的匹配不一定为理想,因此,虽然欲使交流输出功率paco维持于预设功率pprd,但实际产生的交流输出功率paco的位准可能并不是准确的预设功率pprd,而仅是接近预设功率pprd,此即前述的“大致上维持于”预设功率pprd之意,下同。需说明的是,如图5a-5d所示,当反射电阻req为电阻req1时,交流输出功率paco为预设功率pprd。交流输出电压vaco振幅,与线圈电流icoil大致上为正比关系。交流输出电流iaco与反射电阻req有正向的关系。本发明的无线电源发送电路,根据实际需求的不同,例如但不限于输入电压vin的电压范围以及交流输出功率paco的范围,在多个不同实施例中,电源转换电路20可为一切换式降压转换电路(buckconvertercircuit),或一切换式升压转换电路(boostconvertercircuit),或一切换式升降压转换电路(buck-boostconvertercircuit),而分别将输入电压vin做降压转换,或升压转换,或升降压转换而产生转换输出电压vdco。在一实施例中,电源转换电路20可为一交流-直流转换电路(ac-dcconvertercircuit),将交流形式的输入电压vin做ac-dc转换。本发明的无线电源发送电路,根据实际需求的不同,在多个不同实施例中,电力逆变器电路30可为一d类逆变器电路(classdinvertercircuit)、一e类逆变器电路(classeinvertercircuit)、或一差模(differentialmode)e类逆变器电路(classeinvertercircuit)。请参阅图6,在一实施例中,谐振发送电路50’(例如对应于图4的谐振发送电路50)的可变电容电路51’可包括互相耦接的一电容器以及一电容切换开关(例如但不限于图6中并联耦接的电容器cvs以及电容切换开关sv),在此情况下,电容调整信号adj控制该电容切换开关sv的切换,以控制该可变电容电路51’以及谐振发送电路50’的反射阻抗zeq,使谐振发送电路50’大致上操作于阻抗匹配状况。请参阅图7,图中显示本发明的无线电源发送电路的一实施例(无线电源发送电路3)的示意图,无线电源发送电路3的电力逆变器电路为一全桥式d类逆变器电路(逆变器电路30’),其包括四切换元件(例如图中的切换开关s1、s2、s3以及s4),以具有一操作频率(例如6.78mhz)的操作信号op切换,以将转换输出电压vdco转换而产生交流输出电压vaco。lc电路40包含一电感l1与一电容c1。电容c1具有电容跨压vc1。在一种较佳的实施例中,lc电路40中的电感l1与电容c1,与发送线圈l组成一电感电容电感谐振(lcl-resonant)电路,以使无线电源发送电路3于谐振频率操作时,提供一稳定的电流,而作为一个稳定的电流源。类似地,控制电路60根据操作信号op或/及线圈电流icoil而产生电容调整信号adj,用以控制该可变电容电路51的阻抗,以控制该可变电容电路51以及谐振发送电路50的反射阻抗zeq,使该线圈电流icoil维持于一第一区域最小值(localminimum),使谐振发送电路50大致上操作于阻抗匹配状况。其操作精神与图4的实施例类似,在此不予赘述。其中,控制电路60根据例如但不限于操作信号op的频率、相位、及/或工作比(dutyratio)来产生电容调整信号adj。此外,在一实施例中,本发明的无线电源发送电路中,电力逆变器电路可为一可选式(selectable)电力逆变器电路,举例而言,请继续参阅图7,在一实施例中,例如在相对较低功率的应用时,可控制逆变器电路30’的切换开关s4为恒导通,而控制切换开关s3为恒不导通,使逆变器电路30’具有于半桥式d类逆变器电路的操作模式(也就是,仅s1与s2持续以操作频率切换),如此可节省功率损耗。请参阅图8,在一实施例中,控制电路60’(例如对应于图4的控制电路60)包含一电流信号处理电路61以及一信号转换电路62;其中电流信号处理电路61根据电流参考信号iref以及线圈电流icoil而产生一差值信号vdf;信号转换电路62则根据差值信号vdf而产生电容调整信号adj,用以控制可变电容电路51的阻抗,以使谐振发送电路50大致上操作于阻抗匹配状况。其中电流信号处理电路61及信号转换电路62的细节将详述如后。请继续参阅图8,在一实施例中,电流信号处理电路61包括一峰值侦测电路611以及一转导放大电路612(transconductanceamplifiercircuit);峰值侦测电路611侦测线圈电流icoil的峰值而产生一电流峰值信号vp;转导放大电路512根据该电流峰值信号vp以及参考电流信号iref而产生差值信号vdf;信号转换电路62则包括一积分滤波电路621以及一缓冲放大电路622;其中积分滤波电路621将差值信号vdf积分滤波而产生一滤波电流信号vf;缓冲放大电路622则将滤波电流信号vf缓冲放大而产生电容调整信号adj,在本实施例中,电容调整信号adj可为一阻抗控制偏压(impedancecontrolbiasvoltage),用以通过控制例如前述的可变电容器cvd的控制端而模拟且连续地控制可变电容器cvd的阻抗,并进而控制可变电容电路31的阻抗,以实现前述使谐振发送电路50大致上操作于阻抗匹配状况。请参阅图9,图中显示本发明的无线电源发送电路的一实施例(无线电源发送电路4)的示意图,无线电源发送电路4的电力逆变器电路为全桥式d类逆变器电路(逆变器电路30’),其包括四切换元件(例如图中的切换开关s1、s2、s3以及s4),以具有一操作频率(例如6.78mhz)的操作信号op切换,以将转换输出电压vdco转换而产生交流输出电压vaco。类似地,控制电路60根据交流输出电流iaco而产生电容调整信号adj,用以控制该可变电容电路51的阻抗,以控制该可变电容电路51以及谐振发送电路50的反射阻抗zeq,使该交流输出电流iaco维持于一第二区域最小值(localminimum),而使谐振发送电路50大致上操作于阻抗匹配状况。其操作精神与图4的实施例类似,在此不予赘述。请参阅图10,图中显示本发明的无线电源发送电路的一实施例(无线电源发送电路5)的示意图。类似地,控制电路60根据相关于lc电路40中电容的电容跨压vc1而产生电容调整信号adj,用以控制该可变电容电路51的阻抗,以控制该可变电容电路51以及谐振发送电路50的反射阻抗zeq,使相关于lc电路40中该电容的电容跨压vc1维持于一第三区域最小值(localminimum),而使谐振发送电路50大致上操作于阻抗匹配状况。其操作精神与图4的实施例类似,在此不予赘述。需说明的是,所谓使lc电路40中该电容的电容跨压vc1维持于一第三区域最小值,指在通过调整反射阻抗zeq,使电容跨压vc1维持在数学上所定义的区域最小值(或称为局部最小值),此区域最小值(或称为局部最小值)为本领域技术人员所熟知,在此不予赘述。前述的第一区域最小值与第二区域最小值,也依此类推,而不予赘述。以上已针对较佳实施例来说明本发明,但以上所述者,仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容,并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例,并不限于单独应用,也可以组合应用;举其中一例,“恒定电流模式”和“恒定功率模式”可以并用,使无线电源发送电路可操作于此二种不同模式,使无线电源发送电路于不同需求下,可操作于此二种不同模式;在上述并用的情况下,面板驱动电路可包含前述实施例的具体电路,以实现上述模式的组合。此外,在本发明的相同精神下,本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合,举例而言,前述如图8的实施例中,以电流式电路(例如但不限于转导放大电路612等)为例,然根据本发明的精神,也可采用电压式电路而实现相同的功能。又例如,本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”,不限于根据该信号的本身,也包含于必要时,将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等,之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知,在本发明的相同精神下,本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合,其组合方式甚多,在此不一一列举说明。因此,本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。当前第1页12当前第1页12
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