具有宽输入电压范围的无线电力发射器及其操作方法

具有宽输入电压范围的无线电力发射器及其操作方法
【专利摘要】本发明描述的实施例提供了具有宽输入电压范围的无线电力发射器及其操作方法。电力发射器使用逆变器，其被配置为从潜在宽范围的DC输入电压生成方波。逆变器被配置为生成具有占空因数的方波，得到所需的等效电压输出，有效地独立于被提供的DC输入电压。因此，通过产生具有可选占空因数的方波，逆变器提供能力以促进具有宽范围DC输入电压的无线电力传输。此外，在一些实施例中电力发射器可使用具有可调节的死区时间的准谐振相移控制策略来提高电力传输效率，并且匹配网络是动态可选的，以与被用于传输电力到电子设备的发射器线圈组合更有效地耦合。
【专利说明】具有宽输入电压范围的无线电力发射器及其操作方法

【技术领域】
[0001]本文描述的主题的实施例通常涉及电子设备，尤其涉及用于电子设备的无线电源充电。

【背景技术】
[0002]许多现代电子设备是使用电池和/或电容作为电源的移动设备。在许多这样的设备中需要频繁地再充电电源。为了有利于方便再充电这样的设备，无线再充电越来越多地被采用。然而，在许多无线充电系统中仍有很大的局限。例如，许多无线充电系统缺乏与多种类型电源一起工作的灵活性。例如，这样的无线电源系统可能无法与具有显著不同的输入电压的电源一起工作。
[0003]此外，许多这样的无线充电系统继续忍受极其低效的功率传输。在这样的系统中为了有利于移动设备的充电而消耗的功率的量将会过多，并且可能无法满足目前及未来的监管要求。
[0004]这些和其它的局限继续阻碍移动设备的无线电源充电的广泛采用。因此，改进无线电力传输设备和技术是一个持续的需求。

【专利附图】

【附图说明】
[0005]当结合下面附图考虑时，本发明主旨的更完整的理解通过参考详细的说明书和权利要求可被导出，其中附图中的相同附图标记指代相似元件。
[0006]图1是根据一个示例实施例的电力发射器的简化的系统方框图；
[0007]图2是根据一个示例实施例的电力发射器的详细的原理框图；
[0008]图3是根据一个示例实施例的H桥逆变器的示意图；
[0009]图4是根据一个示例实施例的具有不同占空因数和幅值的方波信号的波形图；
[0010]图5是根据一个示例实施例的晶体管开关技术的图形表示；
[0011]图6是据据一个示例实施例的初级线圈阵列的概略图；
[0012]图7是根据一个示例实施例的匹配网络的概略图；
[0013]图8-9是示出了根据一个示例实施例的无线电力传输方法的方法图。

【具体实施方式】
[0014]下面的详细说明仅仅是说明性的，而并非旨在限制本发明主旨的实施例或这些实施例的应用和使用。本文使用的词语“示例的”意为“作为一个例子，实例或说明”。在此作为示例描述的任何实施方式不一定被解释为胜过其它实施方式的优选的或有利的。此外，无意通过在前述【技术领域】，【背景技术】，或下面的详细说明中出现的任何明示或暗示的意见约束本发明。
[0015]在此描述的实施例能够提供灵活性提高的无线电源充电。例如，此处描述的实施例能够提供在相对宽范围输入电压操作的无线电源充电。如同其它例子，此处描述的实施例能够提供提闻的无线电力传输效率。
[0016]在一个实施例中提供用于电子设备的无线充电的电力发射器。通常，电力发射器使用逆变器，其配置为从一个潜在的宽范围直流(DC)输入电压生成交流(AC)方波。在一个实施例中逆变器被配置为产生具有占空因数的AC方波，结果得到所需的等效电压输出，有效地独立于被提供的DC输入电压。例如，通过利用控制在H桥逆变器的第一互补对半桥和第二互补对半桥之间的信号的相移技术生成AC方波。因此，通过生成具有可选占空因数的AC方波,逆变器提供有利于在DC输入电压的一个宽范围内的无线电力传输的能力，并且因此可以提高到电子设备的无线电力传输的灵活性。
[0017]此外，在一些实施例中电力发射器可以使用匹配网络提供改进的电力传输效率，匹配网络动态选择到更有效的与被用来传输电力到电子设备的发射线圈组合的耦合。此外，在一些实施例中电力传输信号的基波频率是可控的，以潜在地提高电力传输效率。
[0018]现在看图1，用于电子设备的无线充电的电力发射器100被示意性地示出。电力发射器100包括输入101，逆变器102，匹配网络104和初级线圈阵列106。输入101被配置为接收可变DC输入电压，并且利用该可变DC输入电压电力发射器100被配置为无线地传输电力到附近电子设备的接收线圈108。通常，逆变器102被配置为接收一个潜在宽范围的可变DC输入电压,并生成具有被选择为提供一个适于电力传输的预定等效电压的占空因数的AC方波信号。该AC方波信号被提供给匹配网络104。匹配网络104被配置为从AC方波信号生成充电信号，并将充电信号提供到初级线圈阵列106。初级线圈阵列106包括多个可选择的初级线圈。这些初级线圈是可单独选择的，使得选择的一个或多个初级线圈的线圈组合可被用来传送电力传输信号到电子设备的接收线圈108。
[0019]在操作逆变器102期间产生具有占空因数的AC方波信号，具有的占空因数导致得到不依赖于DC输入电压的所需等效电压输出。因此，通过生成具有可选择的占空因数的AC方波信号，逆变器102可在一个相对宽范围的可能的DC输入电压中便于操作。例如，逆变器102可被配置为提供所需的等效电压输出，同时DC输入电压可在大约5和大约20伏之间变化。在其它实施例中DC输入电压可在大约5和大约15伏之间变化。这样的实施例将提高使用各种不同电源的无线电力传输的灵活性。例如，这样的实施例可提供灵活性以使用大约5伏的基于通用串行总线(USB)的电源和通常在9和14伏之间的汽车电源二者。在又一实施例中，DC输入电压可在具有更高下限和/或更高上限的电压范围中变化。
[0020]在一个实施例中由逆变器102产生的所需的等效电压基于来自电子设备的信息。例如，电子设备可以指定传输到电子设备的接收线圈108的电力信号的电压。如同将在下面一些实施例中被更加详细描述的那样，电子设备可以通过从设备的接收线圈108传输信号到电力发射器100的初级线圈阵列106来指定这样的信息。
[0021]在一个实施例中逆变器102包括单级逆变器。单级逆变器可以通过最小化电力损耗提供有效电力传输。在一个特定实施例中，逆变器102利用功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管(M0SFETS)，但其它类型的晶体管也可被使用。在这样的实施例中逆变器102可被配置为基于DC输入电压幅值和负载来调节功率M0SFETS的死区时间，以利于低开关损耗。
[0022]在一个特定实施例中，逆变器102使用相移拓扑结构以产生具有选择的占空因数的AC方波信号。这样的实施例将在下面参考图5被讨论。例如，逆变器102可以利用相移H桥拓扑结构。
[0023]在一个实施例中逆变器102被配置为产生多个不同频率的AC方波信号。在这样的一个实施例中电力发射器100被进一步配置为基于从电子设备接收的反馈来确定多个不同频率中的哪个频率导致对电子设备的有效电力传输。
[0024]如上所描述，匹配网络104被配置为从AC方波信号生成充电信号，并将充电信号提供到初级线圈阵列106。在一个典型实施例中匹配网络104被实现为使得产生的充电信号是具有AC方波信号的基波频率的正弦型信号。此外在一些实施例中匹配网络104通过使用选择性的切换来更有效地与在初级线圈阵列106中使用的初级线圈组合耦合，以提高电力传输效率。在一个实施例中这通过在匹配网络104中包括多个切换电容和一个电感而实现。多个切换电容的每个可基于多个可选择的初级线圈的哪个被选择而被选择性地切换。在一个实施例中这些切换电容的每个被配置为当相应初级线圈组合激活时，使得电力发射器的谐振频率接近充电信号的基波频率。
[0025]如上面所描述的，在一个实施例中，初级线圈阵列106包括多个可选择的初级线圈。这些初级线圈可以以绕线线圈、印刷电路板(PCB)线圈，或混合/绕线线圈的任意组合来实施。这些初级线圈是单独可选的，使得在阵列106中的一个或多个初级线圈的线圈组合可被选择，并用于传输电力传输信号到接收线圈108。在一个特定实施例中，多个可选择的初级线圈的每个可被选择性地激活，以利用最有效的与电子设备的接收线圈108耦合的线圈组合。如同将在下面更加详细地描述的那样，最有效的线圈组合可基于从电子设备接收的反馈信号而被选择，其中反馈信号提供电力传输效率的指示。在一个替代实施例中，初级线圈阵列106可仅包括一个单独线圈，而非多个线圈。
[0026]电力发射器100可被实现以各种其它元件。例如，电力发射器100可被进一步实现为具有输入电压检测器，其被配置为确定DC输入电压的幅值。在这一实施例中，通过使用相移技术来基于由输入电压检测器确定的幅值提供预定等效电压，逆变器102可被配置为选择输出占空因数。
[0027]作为另一种实施例，电力发射器100可被进一步实现为具有耦合到在初级线圈阵列106中的多个可选择的初级线圈的感测电路。在这一实施例中感测电路可被配置为检测在多个可选择的初级线圈中的至少一个上接收的信号，以利于从电子设备传回到初级线圈的通信。通信消息包括但不限于电子设备所要求的电力传输效率和能量的信息。
[0028]最后,在一些实施例中电力发射器100可进一步包括微控制器。在这一实施例中微控制器可被配置为控制逆变器102，匹配网络104和/或多个可选择的初级线圈106的操作。此外微控制器可被用来控制其它元件，如上所描述的输入电压检测器和感测电路。
[0029]在一个特定实施例中微控制器被耦合到输入电压检测器，感测电路，逆变器102，匹配网络104和线圈阵列106，并可被配置为控制逆变器102来产生具有占空因数的AC方波信号，占空因数基于DC输入电压的确定幅值来选择，从而使得AC方波信号提供预定等效电压。此外，微控制器可被配置为控制线圈阵列106中的多个可选择的线圈，以选择性地激活与电子设备上的接收线圈108有效耦合的线圈组合。此外，微控制器可被配置为基于激活的线圈组合选择性地耦合匹配网络104中的多个切换电容。微控制器还可被配置为基于在多个可选择的初级线圈中的至少一个上接收的信号，从电子设备上的接收线圈108接收通信。最后，微控制器可被配置为基于由微控制器接收的该(些)通信消息，控制从发射器传输到电子设备的接收线圈108的电力。
[0030]现在看图2，用于电子设备的无线充电的电力发射器200的一个示例性实施例被示意性地示出。电力发射器200包括差分输入201，逆变器202，匹配网络204，初级线圈阵列206，电压检测器208，逆变器驱动器210，感测电路212，线圈开关214，以及控制器216。通常，电力发射器200被配置为在差分输入201接收可变DC输入电压，并且无线地传输电力到附近电子设备的接收线圈。通常，逆变器202被配置为接收一个潜在宽范围的可变DC输入电压，并生成具有被选择为提供预定等效电压的占空因数的AC方波信号。匹配网络204被配置为从AC方波信号生成充电信号，并将充电信号提供到初级线圈阵列206。在该图示的实施例中AC方波和充电信号作为差分信号传递。初级线圈阵列206包括多个可选择的初级线圈，这些初级线圈可单独选择，使得选择的一个或多个初级线圈的线圈组合可被用来传送电力传输信号到电子设备的接收线圈。
[0031]电压检测器208被配置为确定可变DC输入电压的幅值，并提供表示该幅值的信号到控制器216。基于提供的幅值，控制器216控制逆变器驱动器210，以控制逆变器202的操作。特别地，通过利用相移技术，控制器216使用幅值和来自感测电路212的感测的初级线圈信号来确定AC方波信号的占空因数。基于确定的占空因数，控制器216控制逆变器202 (通过逆变器驱动器210)以提供由逆变器202产生的AC方波信号中的所需等效电压。控制器216使用逆变器驱动器210来控制逆变器202，以产生该AC方波信号。
[0032]线圈开关214被耦合到控制器216和初级线圈阵列206。控制器216选择性地激活线圈开关214，以控制阵列206中的初级线圈的哪些被激活以便用于传输电力到电子设备。这些线圈开关214可被激活以能够进行阵列206中的一个或多个初级线圈的线圈组合。典型地，使用的线圈组合时应于在阵列206中与电子设备上的相应接收线圈具有最佳耦合的那些线圈，从而便于有效传输电力到电子设备。在一个替代实施例中，初级线圈阵列206可仅包括一个单独线圈，而非多个线圈，并且线圈开关214可被排除在系统之外。
[0033]感测电路212被耦合到初级线圈阵列206中的多个可选择的初级线圈。感测电路212被配置为检测初级线圈阵列206上的电压/电流电平。这可被用来感测当前的电力传输量以及从电子设备传输的和由初级线圈阵列206接收的信号。因此，初级线圈阵列206既可使用于传输电力到电子设备用于再充电，也可被用于从电子设备接收通信。
[0034]在一个实施例中来自电子设备的通信可使用一种被称为负载调制的技术而被实施，其包括根据具体的标准协议在规定的期间改变接收侧负载，例如根据无线电源联盟的无线电力传输规范定义的协议。在该实施方式中负载变化导致流过该(些)初级线圈的电流和/或其上的电压的调制，该调制可由感测电路212感测，并传送到控制器216。控制器216可使用负载变化之间的不同定时时段来提取通信消息。在这种情况下通信消息可使用与电力传输信号的频率相比的低频信号传送。
[0035]这种到电力发射器200的信息的传输可被用于各种目的。例如，电子设备可以传输信息到电力发射器200，电力发射器200指示通过电子设备接收的电力的量。这样的信息可被控制器216使用，以选择用于电力传输的最有效参数。作为一个例子，这样的信息可被用于确定合适的接收线圈以接收电力。作为另一个例子，该信息可被用于确定阵列206中的多个可选择的初级线圈中的哪些应当被用于以最高的效率传输电力到电子设备。作为其它例子，该信息可被用于确定导致最高效电力传输的充电信号的基波频率。作为其它例子，该信息可被用于传送接收器所需的电量。作为其它例子，该信息可被用于确定电力传输将持续多久。
[0036]现在看图3，逆变器302的一个实施例被示出。逆变器302是可被用于在此描述的各种实施例(包括在图1和2中示出的例子(例如逆变器102,202))中的示例性的逆变器类型。
[0037]通常，逆变器302包括输入304，输出306，以及四个晶体管P1，P2，P3和P4。在图示的实施例中这些晶体管采用功率M0SFETS而实现，并被布置为H桥拓扑结构。特别地，晶体管Pl和P3作为第一互补对被布置，并且晶体管P2和P4作为第二互补对被布置。当晶体管Pl和P4导通时(并且晶体管P2和P3关断)，输出被正驱动，并且当晶体管P2和P3导通时(并且晶体管Pl和P4关断)，输出被负驱动。最后，当晶体管Pl和P2导通时(并且晶体管P3和P4关断)，或者晶体管P3和P4导通(并且晶体管Pl和P2关断)，输出为零。因此，通过在输入304提供合适的DC输入，并且恰当地控制晶体管P1，P2，P3和P4，逆变器302在输出306输出一个AC方波信号。此外，通过控制晶体管激活的定时(例如，通过图2的控制器216和逆变器驱动器210)，AC方波信号的占空因数可被控制。
[0038]现在看图4，AC方波信号的两种图形表示被示出。这些AC方波信号是可由逆变器302产生的AC方波信号类型的示例。提供的AC方波信号具有导致所需的等效电压输出的可控的占空因数，有效地独立于提供的DC输入电压。AC方波信号的占空因数是该信号在激活状态下的持续时间与信号的总周期的比值。在图4的例子中，这些激活状态包括波形的高⑴和低㈠部分。因此，图形402示出了 AC方波信号的占空因数相对高(即高比值)的例子，而通过比较图形404示出了 AC方波信号的占空因数相比相对低(即低比值)的例子。从而图形402示出了当DC输入电压相对低时产生的AC方波信号类型的一个例子，而图形404示出了当DC输入电压相对高时产生的AC方波信号类型的一个例子。在两个例子中，占空因数的差可被用来生成AC方波信号中的相同的所需等效电压输出，即使用于生成那些信号的DC输入电压不同。因此，当在输出节点提供所需要的等效电压用于无线充电时，控制AC方波的占空因数允许不同的DC输入电压被使用。
[0039]再次，如图形402和404中示出的这样的AC方波信号的生成可以通过对于波形的正半部切换晶体管Pl和P4导通(同时切换晶体管P2和P3关断)，对于生成波形的负半部切换晶体管P2和P3导通(同时切换晶体管Pl和P4关断)，以及对于波形的中性部分切换晶体管Pl和P2或者晶体管P3和P4导通(并且相应地切换晶体管P3和P4或者晶体管Pl和P2关断)。
[0040]各种不同的技术可以被用来减少逆变器302中的电力损耗。在一个实施例中逆变器302被配置为调节晶体管的死区时间以利于低开关损耗。特别地，控制器可以操作逆变器302中的晶体管以调节晶体管的死区时间，以确保根据不同的输入电压和负载的对于低开关损耗的准谐振软开关。此外，逆变器302可被操作以使用相移拓扑结构。通常，相移拓扑结构是通过彼此相对相移一个晶体管对(半桥)控制信号的切换来在全桥逆变器的每个晶体管对上执行50%占空因数控制信号。这样的相移拓扑结构能够便于恒定频率脉宽调制与谐振零电压开关相结合，以在高频下提供高效率。
[0041]现在看图5，晶体管开关技术的图形表示500和使用电力发射器(例如图2的电力发射器200)的一个实施例产生的AC方波信号的图形表不504被不出。这种不出的技术切换晶体管(例如图1-3的逆变器102，202，302)以产生所需的AC方波信号，同时通过在每一晶体管对(例如图3的晶体管对Pl / P3和P2 / P4)使用控制的“死区时间”潜在地降低电力消耗。通常，一个晶体管对的该“死区时间”是在一个晶体管关断和其互补晶体管被接通之间的时间间隔。因此，代替同时切换晶体管的互补对，在两个晶体管的切换时间之间使用一个微小的时间差或“死区时间”，以实现可以降低逆变器(例如图3的逆变器302)中的电力消耗的软开关。在图5中用于晶体管对Pl / P3和P2 / P4的死区时间由交叉阴影线区域502示出。特别地，交叉阴影线区域502示出了在一个晶体管对中的一个晶体管被关断，并且在该晶体管对中的互补晶体管被关断之前的死区时间。如同在图5的例子中看到的，由于由交叉阴影线区域502示出的切换时间的平移，晶体管对Pl和P3不同时切换。类似地，由于由交叉阴影线区域502示出的切换时间的平移，晶体管对P2和P4不同时切换。再次，产生合适的切换之间的死区时间的最终结果是电力消耗的降低和整体效率的提高。图形表示504示出了考虑了死区时间影响的最终的实际的输出AC方波电压。
[0042]现在看图6，一个示例的初级线圈阵列600 (例如图1，2中的初级线圈阵列106，206)被示意性地示出。如上所描述的，初级线圈阵列600包括多个可选择的初级线圈604。这些初级线圈604可以以绕线线圈、PCB线圈，或混合/绕线线圈的任意组合来实现。开关602允许初级线圈604的任意组合被选择到电路中。这允许初级线圈604中的一个或多个被使能，并用来发送电力传输信号到接收线圈(例如图1的接收线圈108)。在一个特定实施例中多个可选择的初级线圈604中的每个可使用开关602被选择性地激活，以使与接收线圈最有效耦合的线圈组合能作用。如同将在下面被更加详细描述的那样，最有效线圈组合的使能可基于从电子设备接收的反馈信号，其中反馈信号提供电力传输效率的指示。
[0043]现在看图7，一个示例的匹配网络700(例如图1，2中的匹配网络104，204)被示意性地示出。匹配网络700包括电感702，多个开关704，多个切换电容706和一个非切换电容708。通常，匹配网络700的动作是从AC方波中滤除高频谐波，并将基波频率保持为正弦波的形式。特别地，匹配网络700被配置为从AC方波信号生成一个正弦波充电信号，并提供基本正弦的充电信号到初级线圈阵列(例如图1，2中的初级线圈阵列106，206)。此外，在这个实施例中通过便于选择性切换附加电容到电路中，匹配网络700可以附加地提高电力传输效率。
[0044]作为一个例子，如果确定在选择的线圈组合中仅需要一个初级线圈(例如线圈604)来传输电力到接收线圈，则非切换电容708足可提供与电力传输信号的基波频率紧密地匹配的整个电路的谐振频率，并因此而便于有效的电力传输。然而，如果两个初级线圈(例如两个线圈604)被用于线圈组合(例如有可能会发生接收线圈被空间地放置于两个初级线圈之间)中，则一个附加电容706可被切换到电路中以再次提供合适的谐振频率，并因此有效地电力传输。在第三线圈被用于线圈组合中的情形下，第三电容706可被同样切换到电路中，以产生校正的谐振频率。因此，在每种情形下切换电容706可被选择来补偿选择的线圈组合中的附加初级线圈，以使得电力发射器的谐振频率接近基波频率。
[0045]现在看图8，一种无线地传输电力到电子设备的方法800被示出。通常，方法800适于使用宽范围DC输入电压的无线电力传输，并且因此可以提高到电子设备的无线电力传输的灵活性。此外，方法800可以便于有效的无线电力传输。
[0046]步骤802可包括确定输入电压(例如通过图2的电压检测器208)。这一输入电压的确定能够使用任何合适的技术或设备来执行。如上所描述的，在各种实施例中输入电压可以包括一个宽范围的DC输入电压,例如在大约5和大约20伏之间，或一些其它的范围。这可以提供在使用不同电源为无线电力传输提供电力的灵活性。例如，该方法可以与大约5伏的基于通用串行总线(USB)的电源一起使用，或者与通常在9和14伏之间的汽车电源一起使用。如同将在下面更加详细描述的那样，确定的输入电压将被用于生成具有预定等效电压的AC方波信号，并且也用在用于准谐振软开关操作的死区时间调节中。
[0047]在一些实施例中输入电压的确定可在每次电源被提供到充电器时执行-例如，每次无线充电器被插入到一个新的电源。在其它情况下输入电压可被连续地，周期性地，或偶尔确定，以允许响应于输入电压的动态变化调节。例如，该实施例可以响应于汽车电源系统从由发电机(通常在14伏)供电变为由电池(通常在12伏)供电而便于调节。
[0048]步骤804包括确定到电子设备上的接收线圈(图1的接收线圈108)最近的初级线圈(例如图1，2，6的初级线圈阵列106，206，600的线圈)。通常这一步骤确定何时电子设备被放置得接近用于充电的初级线圈，并且也确定哪些初级线圈具有到接收线圈的最佳耦合并因此被用于充电。在一个实施例中这一步骤可以通过从一个或多个初级线圈传输一个“砰(ping)”信号而启动，并且使电子设备以合适的确认信号响应接收的“砰(ping)”信号。该确认信号可由接收线圈发送，并由初级线圈接回，然后使用设备例如上面讨论的感测电路212 (图2)传递到控制器(例如图2的控制器216)。
[0049]特别地，当确定将要充电的电子设备在附近时，步骤804确定哪些初级线圈最接近接收线圈，并因此而具有与接收线圈的良好耦合。这一确定允许那些具有最佳耦合的初级线圈被激活，并因此促进高电力传输效率。在一些情况下超过一个初级线圈足够近并应被激活。这种情况当接收线圈在两个或多个初级线圈之间时可能发生。在其它情况下仅一个初级线圈应被激活。在上述任何一种情况下一个或多个初级线圈的初级线圈组合应被选择，以提供到接收线圈的有效传输。
[0050]在一个实施例中步骤804包括从每个初级线圈逐个顺序传输，从两个初级线圈的组合传输，以及从三个初级线圈的组合传输。对每次传输接收电子设备能够确定多少电力正被传输，并将信息传回无线电力发射器。当初级线圈的所有组合被尝试，无线电力发射器可以确定哪种初级线圈组合导致最有效的电力传输。因此，多个可选择的初级线圈中的每个可被选择性地激活，以确定哪种线圈组合与电子设备上的接收线圈最有效地耦合，并且该确定基于从电子设备接收的反馈信号。
[0051]步骤806包括配置匹配网络(例如图1，2，7的匹配网络104，204，700)。通常匹配网络被利用来从AC方波信号产生正弦型充电信号。然后该充电信号被提供到初级线圈阵列(例如图1，2的初级线圈阵列106，206)，用于传输到电子设备。在步骤806中匹配网络被配置为提高电力传输效率。特别地，匹配网络被配置为提供密切匹配电力传输信号的基波频率的整个电路的谐振频率，并因此促进有效的电力传输。这可以通过配置匹配网络以补偿在使用的线圈组合中的附加初级线圈的使用来实现。例如，如果代替一个初级线圈而使用两个初级线圈(例如图6的两个线圈604)，则一个附加电容(例如图7的切换电容706之一)可被切换到电路中，以提供合适的谐振频率和有效的电力传输。类似地，在第三线圈被使用的情形下，另一附加电容可同样被用来生成具有校正谐振频率的信号。在每种情形中附加的电容被切换到电路中，以配置匹配网络来使得电力发射器的谐振频率接近充电信号的基波频率。
[0052]步骤808包括生成电力传输信号。通常生成电力传输信号包括逆变(例如通过图1-3的逆变器102，202，302) DC输入电压以产生AC方波信号，从AC方波信号产生(例如通过图1，2，7的匹配网络104，204，700)正弦型充电信号，以及应用充电信号到一个或多个初级线圈(例如图1，2，6的初级线圈阵列106，206，600中的)以无线地传输电力到接收线圈(例如图1的接收线圈108)。该步骤的详细讨论将在下面参考图9进行。
[0053]步骤810包括调节信号的基波频率以提高电力传输效率。通常这可以通过产生多个不同频率的AC方波信号来完成，测量传输到电子设备的最终电力，并且确定那些频率中的哪个频率导致有效的电力传输。例如，在一个实施例中逆变器(例如图1-3的逆变器102，202，302)可被控制来产生在一个预定的频率范围内以IMHz递增的AC方波信号。这些导致充电信号和最终的电力传输信号在这些不同频率被生成。电子设备可以使用其接收线圈接收这些不同的电力传输信号。通过测量在每个频率点的最终电力传输，电子设备可以使用负载调制方法，以从接收线圈发送一个反馈信号(指示电力传输效率)到电力发射器初级线圈。如上所描述的，这样的传输导致在初级线圈上的信号可以被测量和用来提取数据。从该提取的数据电力发射器可以选择用于电力传输的最有效频率。
[0054]这样的一种技术可被使用以补偿影响各种谐振频率的电路中的变动。换句话说，通遍频率的步进允许导致有效电力传输的精确的谐振频率被以能够补偿初级线圈组合选取和匹配网络构造的影响的方式确定。再次，这样的技术的实施可以带来提高的电力传输效率。
[0055]现在看图9，一种用于生成电力传输信号的方法900被示出。该方法900的详细步骤涉及生成电力传输信号，例如图8中的步骤808。当电力被传输到电子设备的接收线圈(例如图1的接收线圈108)，这样的步骤可被连续地，周期性地，或偶尔执行。
[0056]步骤902包括逆变输入电压以产生方波信号。如上所描述的，可控地逆变输入电压以产生方波信号允许方波信号的占空因数被选择以具有预定的等效电压。这允许输入电压的宽范围被使用，同时仍然提供方波信号的预定等效电压。
[0057]作为一个例子H桥拓扑结构单级逆变器被使用(例如图3的逆变器302)。这样的逆变器允许AC方波信号的占空因数通过控制晶体管激活的定时而被调制。特别地，当输入电压的幅值相对为低时方波信号的占空因数可被变得相对高，以产生所需等效电压。反之，当输入电压的幅值相对为高时方波信号的占空因数可被变得相对低，以产生相同的所需等效电压。因此，一个宽范围的输入电压可被用来生成用于无线充电的所需的等效电压输出。
[0058]此外，这样的逆变器可提供降低的电力消耗。例如，逆变器能够根据输入电压和负载通过调节晶体管的死区时间以促成低开关损耗而提供降低的电力消耗。
[0059]步骤904包括从AC方波信号生成正弦型充电信号。通常，通过一个合适的匹配网络传递AC方波信号，一个正弦型充电信号可被生成。此外，通过提供一个机构来调节整个电路的谐振频率，使其密切匹配充电信号的基波频率，匹配网络可被配置为提高电力传输效率。再次，这可以通过配置匹配网络以补偿在利用的线圈组合中的附加初级线圈的使用来做到。
[0060]步骤906包括施加充电信号到一个或多个初级线圈的选择的线圈组合，以无线地传输电力到将充电设备的接收线圈。如上所描述的，包括多个可选择的初级线圈的初级线圈阵列可被使用。这些初级线圈可以以绕线线圈、PCB线圈，或混合/绕线线圈的任意组合来实施。这些初级线圈是单独可选择的，从而使得阵列中的一个或多个初级线圈的线圈组合可被选择。当充电信号被施加到选择的线圈组合时，电力传输信号被传输到附近的接收线圈。由于线圈组合可被选择为提供与接收线圈(参见图8步骤804)的良好耦合，这样的传输可以以相对高的效率被完成。
[0061]因此，此处描述的实施例提供了一种电子设备的用于无线充电的电力发射器。通常，电力发射器使用逆变器，其被配置为从一个潜在宽范围的DC输入电压生成方波。逆变器被配置为生成具有占空因数的方波，得到所需的等效电压输出，有效地独立于被提供的DC输入电压。因此，通过生成具有可选占空因数的方波，逆变器提供促进具有宽范围DC输入电压的无线电力传输的能力，并因此而提高到电子设备的无线电力传输的灵活性。此外，在一些实施例中电力发射器使用匹配网络提供提高的电力传输效率，匹配网络是动态地可选的，以与发射器线圈组合更有效地耦合，发射器线圈组合被用来传输电力到电子设备。此夕卜，在一些实施例中，电力传输信号的基波频率是可控的，以提供提高的电力传输效率。此夕卜，在一些实施例中，逆变器晶体管的死区时间是可调节的，从而降低电力消耗，并可带来提高的电力传输效率。
[0062]在此包含的各附图中示出的连接线旨在表示在各元件间的示例功能关系和/或物理耦合关系。应当指出的是许多替代的或附加的功能关系或物理连接可出现在本发明主旨的实施例中。此外，某些术语也可在此被使用，仅仅为了参考的目的，而并非旨在限制，并且术语“第一”，“第二”和其它这样的数值术语指代结构，并不意味着序列或顺序，除非文中明确指出。
[0063]如本文使用的“节点”意指任何内部或外部的参考点，连接点，结点，信号线，导通元件或类似物，在其上存在给定的信号，逻辑电平，电压，数据模式，电流，或参量。此外，两个或多个节点可由一个物理元件来实现(并且两个或多个信号可被复用，调制，或者其它方式地被区分，即使信号在一个公共节点上被接收或输出)。
[0064]前述说明涉及元件或节点或功能部件被“连接”或“耦合”在一起。如本文所使用的，除非明文规定，否则“连接”意为一个元件直接地连接到另一个元件(或直接地与之通信)，并且不必是机械的连接。同样，除非明文规定，否则“耦合”意为一个元件直接地或间接地连接到另一个元件(或直接地或间接地与之电气地或其它方式地通信)，并且不必是机械的连接。因此，尽管附图中示出的原理图描绘了元件的一个示例性布置，附加的插入元件，设备，功能部件，或组件可存在于本文主题所描述的实施例中。
[0065]在前述详细描述中存在至少一个示例性实施例，应当理解的是存在大量的变型。还应当理解的是示例性实施例或本文描述的实施例并不旨在以任意方式限制请求保护的主题的范围，适用性，或结构。相反，前述详细描述将给本领域技术人员提供一条便捷的途径，用于实施该描述的实施例或实施方式。应当理解的是不脱离权利要求书所限定的范围在元素的功能和布置方面可以做出各种改变，其中包括在提出该专利申请时的已知等同物和可预见的等同物。
【权利要求】
1.一种电力发射器，用于对电子设备无线充电，所述电力发射器包括: 输入端，被配置为接收DC输入电压； 逆变器，被耦合到所述输入端以接收所述DC输入电压，所述逆变器被配置为生成具有占空因数的AC方波信号，占空因数被选择以提供预定的等效电压； 匹配网络，被耦合到所述逆变器以接收所述AC方波信号，所述匹配网络被配置为从所述AC方波信号生成充电信号；以及 至少一个初级线圈，被耦合到所述匹配网络以接收所述充电信号，所述至少一个初级线圈被配置为选择性地发送电力传输信号到所述电子设备上的接收线圈。
2.权利要求1的电力发射器，其中所述逆变器包括单级H桥拓扑结构。
3.权利要求1的电力发射器，其中所述逆变器被配置为以使用相移拓扑结构选择的所述占空因数来生成所述AC方波信号。
4.权利要求1的电力发射器，其中所述逆变器包括功率晶体管对，并且其中所述逆变器被配置为基于所述DC输入电压的幅值来调节晶体管的死区时间。
5.权利要求1的电力发射器，其中所述逆变器被配置为以多个不同频率生成所述AC方波信号，并且其中电力所述发射器被进一步配置为确定所述多个不同频率中的哪个频率导致对所述电子设备的有效电力传输。
6.权利要求5的电力发射器，其中所述电力发射器被配置为基于从所述电子设备接收的反馈来确定所述多个不同频率中的哪个频率导致对所述电子设备的有效电力传输。
7.权利要求1的电力发射器，其中所述至少一个初级线圈包括多个可选择的初级线圈，并且所述匹配网络包括多个切换电容和电感，并且其中所述多个切换电容基于所述多个可选择的初级线圈中有多少个被用于发送电力传输信号而被选择性地切换。
8.权利要求1的电力发射器，其中所述至少一个初级线圈包括多个可选择的初级线圈，并且所述多个可选择的初级线圈中的每个被选择性地激活，以确定与所述电子设备上的所述接收线圈最有效耦合的线圈组合。
9.权利要求8的电力发射器，其中所述线圈组合基于从所述电子设备接收的反馈信号来确定。
10.权利要求1的电力发射器，进一步包括输入电压检测器，被配置为确定所述DC输入电压的幅值。
11.权利要求10的电力发射器，其中所述逆变器被配置为通过利用相移技术来选择所述占空因数，以基于所确定的所述DC输入电压的幅值来提供所述预定的等效电压。
12.权利要求1的电力发射器，进一步包括被耦合到所述多个可选择的初级线圈的感测电路，并且其中所述感测电路被配置为感测在所述多个可选择的初级线圈中的至少一个上接收的信号以促进来自所述电子设备的通信，并控制到所述电子设备的电力传输量。
13.权利要求1的电力发射器，进一步包括微控制器，所述微控制器被配置为控制所述逆变器、所述匹配网络和所述至少一个初级线圈的操作。
14.一种电力发射器，用于对电子设备无线充电，所述电力发射器包括: 输入端，被配置为接收可在大约5伏到大约20伏的范围内变化的DC输入电压； 输入电压检测器，被耦合到所述输入端，并被配置为确定所述DC输入电压的幅值； 单级桥式逆变器，被耦合到所述输入端以接收所述DC输入电压，并生成AC方波信号； 匹配网络，包括多个切换电容和匹配电感，所述匹配网络被耦合到所述逆变器以接收所述AC方波信号，并被配置为从所述AC方波信号生成正弦型充电信号，其中所述正弦型充电信号具有基波频率； 多个可选择的初级线圈，被耦合到所述匹配网络以接收所述正弦型充电信号，并被配置为选择性地发送电力传输信号到所述电子设备上的接收线圈；以及 微控制器，被耦合到所述输入电压检测器、所述逆变器、所述匹配网络、和所述多个可选择的初级线圈，所述微控制器被配置为: 控制所述逆变器以基于所确定的所述DC输入电压的幅值选择地占空因数生成AC方波信号，使得所述AC方波信号提供预定的等效电压； 控制所述多个可选择的初级线圈以选择性地激活与所述电子设备的所述接收线圈最有效耦合的线圈组合；以及 基于所激活的线圈组合选择性地耦合所述匹配网络中的所述多个切换电容。
15.—种对电子设备无线充电的方法,所述方法包括: 接收DC输入电压； 可控地逆变所述DC输入电压以生成具有被选择为供预定的等效电压的占空因数的AC方波信号； 从所述AC方波信号生成充电信号；以及 使用所述充电信号驱动至少一个初级线圈以发送电力传输信号到所述电子设备的接收线圈。
16.权利要求15的方法,其中可控地逆变所述DC输入电压以生成AC方波信号包括:使用相移拓扑结构。
17.权利要求15的方法，其中可控地逆变所述DC输入电压以生成AC方波信号包括:基于所述DC输入电压的幅值调节多个晶体管对的死区时间。
18.权利要求15的方法，进一步包括:以多个不同频率生成所述AC方波信号，并确定所述多个不同频率中的哪个频率导致对所述电子设备的有效电力传输。
19.权利要求18的方法，其中确定所述多个不同频率中的哪个频率导致对所述电子设备的有效电力传输是基于从所述电子设备接收的反馈的。
20.权利要求15的方法，进一步包括:确定所述DC输入电压的幅值，并且其中所述占空因数进一步基于所述DC输入电压的所述幅值来选择。
【文档编号】H02M7/5387GK104426246SQ201310526862
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】叶万富, 高翔, 吴崇理 申请人:飞思卡尔半导体公司