多模无线功率发射器的制作方法

本文描述的技术通常涉及无线功率传输(wirelesspowerdelivery)，以及特别涉及一种能够在一个以上的频率上发射(transmit)无线功率的无线功率发射器(wirelesspowertransmitter)。
背景技术：
：由于无线功率传输系统(WirelessPowerTransferSystems,WPTS)传输功率的方式便捷，无需电线(wire)或连接器(connector)，因此越来越普及。在当前的工业发展下，无线功率传输系统(WPTS)可分为两个主类：磁感应(magneticinduction,MI)系统和磁共振(magneticresonance,MR)系统。这两种类型的系统均包括发射单元和接收单元。这样的系统可用来给移动设备(如智能电话)供电或充电，以及其它应用。感应式(inductive)无线功率传输系统(WPTS)利用频率变化作为功率流控制机制，通常操作在所分配的几百KHz的频率范围内。磁共振无线功率传输系统(MRWPTS)利用输入电压调节(regulation)来调节输出功率，通常操作在单个的共振频率上。在典型的应用中，磁共振无线功率传输系统(MRWPTS)操作在6.78MHz的频率上。一些工业委员会(如无线充电联盟(WirelessPowerConsortium,WPC)，功率联盟(PowerMattersAlliance,PMA)和无线电源联盟(AllianceforWirelessPower,A4WP))正致力于研究基于无线功率传输的消费产品的国际标准。目前，由于操作频率的差异，不同类型的无线功率传输系统(WPTS)不能互操作。这给无线系统用户造成了混乱和不便，且限制了技术的发展。技术实现要素：一些实施例涉及一种无线功率发射器，包括：逆变器，用于在所述逆变器的输出上产生具有第一频率的第一信号或具有第二频率的第二信号；第一发射线圈，耦接于所述逆变器的输出，以及，用于在第一频率上以无线方式发射功率；第二发射线圈，耦接于所述逆变器的输出；以及用于在第二频率上以无线方式发射功率；以及至少一个匹配网络，耦接于所述第一发射线圈、所述第二发射线圈和所述逆变器的输出，所述至少一个匹配网络用于响应于所述第一信号而提供功率到第一发射线圈，以及响应于所述第一信号而抑制提供功率到第二发射线圈。一些实施例涉及一种无线功率传输(wirelesspowertransmission)方法，包括：由无线功率发射器为无线功率传输确定适合于将无线功率传送到位于所述无线功率发射器的无线功率传输范围内的第一接收器的第一频率；所述无线功率发射器通过逆变器利用具有所述第一频率的第一信号驱动第一发射线圈；由所述无线功率发射器为无线功率传输确定适合于将无线功率传送到位于所述无线功率发射器的无线功率传输范围内的第二接收器的第二频率；以及所述无线功率发射器通过所述逆变器利用具有所述第二频率的第二信号驱动第二发射线圈。一些实施例涉及一种无线功率发射器，可操作在多个操作模式中，该无线功率发射器包括：逆变器，用于当所述无线功率发射器处于第一操作模式时在所述逆变器的输出上产生具有第一频率的第一无线功率传输信号，或者，当所述无线功率发射器处于第二操作模式时在所述逆变器的输出上产生具有第二频率的第二无线功率传输信号，其中，所述第一无线功率传输频率不同于所述第二无线功率传输频率；以及控制器，耦接于所述逆变器，以及，用于在所述第一操作模式或所述第二操作模式中控制所述逆变器。一些实施例涉及一种无线功率传输方法，包括：在第一操作模式中控制逆变器产生具有第一频率的第一无线功率传输信号；以及在第二操作模式中控制逆变器产生具有第二频率的第二无线功率传输信号。通过举例说明的方式提供前面的概述，并不旨在进行限制。附图说明在附图中，在各附图中示出的每个相同或几乎相同的元件采用相同的参考字符来表示。为了清楚的目的，不是每个元件都在每个附图中标记。附图不一定按比例绘制，相反，重点在于说明这里描述的技术和装置的各个方面。图1A根据一些实施例示出了一种多模无线功率发射器的框图；图1B根据一些实施例示出了一种在不同频率上的无线功率传输方法的流程图；图2A根据一些实施例示出了一种传输电路的电路图；图2B示出了一种传输电路的电路图，在该传输电路中，发射线圈可以由三端线圈组件来实现；图3A示出了当逆变器在相对较低的频率上切换时，用于图2A的匹配网络和发射线圈的等效电路图；图3B示出了当逆变器在相对较高的频率上切换时，用于图2A的匹配网络和发射线圈的等效电路图；图4根据一些实施例示出了一种具有全桥结构的传输电路的电路图；图5示出了一种具有共享的匹配网络的多模无线功率发射器的框图；图6示出了一种具有被发射线圈至少部分共享的匹配网络的传输电路；图7示出了如图6的传输电路，在高频发射线圈和低频发射线圈之间外加开关；图8示出了如图4的传输电路，外加与高频发射线圈并联的可切换电阻；图9示出了一种低频发射线圈被布置在高频发射线圈的边界内的结构；图10示出了一种低频发射线圈被布置在高频发射线圈的边界外的结构。具体实施方式发明人已经认识并理解到，能够在不同的频率上发射无线功率的多模发射器可以方便提供功率至被设计为操作在不同的频率上的不同类型的无线功率接收器。这样的多模发射器能够允许提供功率至更多种类的电子设备。例如，在一些实施例中，多模发射器可被配置为提供功率给磁感应(MI)接收器和磁共振(MR)接收器。在一些实施例中，多模发射器可以提供功率给根据多种不同的无线充电规范(如，无线充电联盟WPC颁布的Qi标准)以及被设计为用于在其它频率上的无线功率传输的其它规范(如，用于磁共振MR接收器的规范或其它的磁感应MI规范)所设计的设备。这样的多模发射器可以使消费者避免在不同的无线功率规范之间做选择的需要，以及能够减少或消除在不同的频率上接收无线功率的功率设备获得多个无线发射器的需要。为了在不同的频率上提供无线功率传输，可以将多个无线发射器集成到一个电子设备中。然而，由于元件(如逆变器和控制器)的重复(duplication)，这样的实现会导致成本和尺寸增加。本文描述的是能够在不同的频率上发射无线功率的多模发射器，该多模发射器具有被一个以上的发射线圈共享的逆变器。在一些实施例中，为了方便通过共享的逆变器传输至不同发射线圈，多模发射器包括(一个或多个)匹配网络，该(一个或多个)匹配网络根据传输频率(transmissionfrequency)指示功率流向适当的发射线圈。(一个或多个)匹配网络可以被设计为在每个传输频率上具有合适的阻抗，以允许功率流向适当的发射线圈，而阻碍该功率流向被设计为在不同的频率上发射的其它(一个或多个)发射线圈。图1A根据一些实施例示出了一种多模发射器的框图，该多模发射器具有共享的逆变器(inverter)、多个匹配网络(matchingnetwork)和多个发射线圈(transmitcoil)。多模发射器可以包括稳压源(regulatedvoltagesource)2(例如，电压调节器(voltageregulator))，稳压源2提供已调节的直流电压(regulatedDCvoltage)至逆变器4。稳压源2响应于控制器5的控制激励(controlstimulus)而产生被提供至逆变器4的输入的已调节的直流(DC)输出电压。逆变器4为直流-交流(DC-AC)转换器，将逆变器4的输入上的直流(DC)电压转变为交流(AC)输出电压。产生的交流(AC)输出电压使能通过电磁感应的无线功率传输。逆变器4可以是用于驱动发射线圈10和12以传送无线功率的任何合适的逆变器。在一些实施例中，逆变器4可以为半桥(half-bridge)逆变器，该半桥逆变器产生输出电压，该输出电压在该输入上的直流(DC)电压和地电压之间作为方波交替。在一些实施例中，逆变器4可以是全桥(full-bridge)逆变器，该全桥逆变器产生输出电压，该输出电压在该输入上的直流(DC)电压和该输入的直流(DC)电压的负极性版本之间作为方波交替。半桥逆变器和全桥逆变器的例子示于图2A、图2B、图4、图6、图7和图8中，以及在下面讨论。在一些实施例中，逆变器4可以是D类开关逆变器(classDswitchinginverter)。然而，这里描述的技术在这方面不受限制，因为，可以使用任何合适类型的逆变器。多模发射器的控制器5可以控制信号产生器(signalgenerator)9，以驱动具有选定频率(selectedfrequency)的(一个或多个)信号的逆变器，如以下所讨论。控制器5可以是模拟控制器或数字控制器。控制器5可以是可编程的，以及，可以基于所存储的程序指令控制信号产生器9在期望的传输频率上产生信号，从而使得逆变器4在期望的传输频率上切换(switch)。信号产生器9可以是被设计为产生信号以在选定频率上驱动逆变器4的模拟电路或数字电路。发射线圈10、12可以由任何合适类型的导体(conductor)来实现。该导体可以是电线(包括实芯线或绞合线)或者图案化导体(如印刷电路板或集成电路的图案化导体)。可以给发射线圈提供一个或多个匹配网络，如匹配网络6和8。(一个或多个)匹配网络可以通过呈现合适的阻抗给逆变器4的输出来便于无线功率传输。(一个或多个)匹配网络可以具有一个或多个电容性(capacitive)组件或电感性(inductive)组件，或者电容性组件和电感性组件的任何合适组合。由于发射线圈可以具有电感性阻抗，因此，在一些实施例中，(一个或多个)匹配网络可以包括一个或多个电容性组件，当该电容性组件与发射线圈的(一个或多个)阻抗相结合时，呈现出适合于驱动该发射线圈的阻抗给逆变器4的输出。如上所讨论，各种无线功率接收器被设计为能够在不同的频率上接收无线功率。在一些实施例中，多模无线功率发射器可以通过与接收器通信或另一技术来侦测接收器的类型，该接收器位于多模无线功率发射器的附近。举例来说，多模无线功率发射器可以侦测或以其他方式确定接收器所使用的无线功率规范。在一些实施例中，可以由多模发射器的控制器5作出这样的决定。图1B根据一些实施例示出了一种在不同频率上的无线功率传输方法的流程图。在步骤S1中，可以选择合适的传输频率来无线地发射功率至所侦测到的接收器。在步骤S2中，逆变器4可以驱动发射线圈(例如，10或12)，该发射线圈被设计为在所选择的传输频率上发射无线功率，从而无线地发射功率至所侦测到的接收器。随后，在步骤S3中，若在多模无线功率发射器的附近侦测到不同类型的接收器，该不同类型的接收器在不同的频率上接收功率，则多模无线功率发射器可以选择适合于发射功率至新侦测到的接收器的另一传输频率。在步骤S4中，逆变器4可以驱动发射线圈(例如，10或12)，该发射线圈被设计为在新的传输频率上发射无线功率，从而无线地发射功率至新侦测到的接收器。然而，本文描述的技术并不限于基于被侦测到的接收器的顺序来选择无线功率传输频率，因为，可以不管被侦测到的接收器的顺序来选择用于无线功率传输的频率。控制器5可以通过控制信号产生器9在所选择的频率上产生(一个或多个)信号，来控制逆变器4在所选择的传输频率上切换，以发射功率。举例来说，逆变器4可以在用于低功率Qi接收器的110kHz和205kHz之间，以及，在用于中等功率的Qi接收器的80-300kHz的频率上切换，以发射功率至被设计为根据Qi规范来接收无线功率的接收器。为了发射功率至被设计为利用磁共振(MR)技术来接收无线功率的接收器，逆变器4可以在更高的频率上进行切换，诸如ISM(IndustrialScientificMedical，工业科学医疗)频段内的频率，如6.765MHz至6.795MHz。然而，这些频率仅通过示例的方式描述，因为，无线功率可以根据任何合适的规范以各种合适的频率进行传输。当逆变器4在相对较低的频率上(例如，kHz范围内)切换时，逆变器4产生驱动低频(lowfrequency，LF)发射线圈10来发射无线功率的信号。当逆变器4在相对较高的频率上(例如，在MHz范围内)切换时，逆变器4产生驱动高频(highfrequency，HF)发射线圈12来发射无线功率的信号。根据一些实施例，通过适当地选择匹配网络6、8和/或发射线圈10、12的阻抗和配置，可以将来自于逆变器4的功率提供给适当的发射线圈，如下所描述。由于匹配网络6、8和发射线圈10、12可以包括电感性和/或电容性组件，它们的阻抗作为频率的函数而变化。发明人已经认识并理解到，可以挑选匹配网络6、8和/或发射线圈10、12的阻抗和/或配置，以允许来自于逆变器4的功率传送到适当的发射线圈，而抑制功率传送到被设计为在不同的频率上发射的发射线圈。可以设计匹配网络6、8和/或发射线圈10、12，使得：若逆变器4被控制为在低频上发射，则允许功率通过匹配网络6传送到低频发射线圈10，而匹配网络8呈现出防止大量的功率传送到高频发射线圈12的高阻抗；若逆变器4被控制为在高频上发射，则允许功率通过匹配网络8传送到高频发射线圈12，而匹配网络6和/或低频发射线圈10呈现出防止大量的功率传送到低频功率发射线圈10的高阻抗。多模发射器一次可以发射无线功率至一个接收器或一个以上的接收器。举例来说，位于多模发射器附近的多个接收器可以在选定的传输频率上无线地接收功率。图2A根据一些实施例示出了一种传输电路(transmissioncircuit)的电路图。传输电路包括逆变器4a中、低频匹配网络6a、低频发射线圈10、高频匹配网络8a和高频发射线圈12。在图2A的例子中，逆变器4a包括两个晶体管：高端(high-side)晶体管Q1和低端(lowside)晶体管Q2。信号产生器9可以响应于控制器5的控制激励而利用具有方波形状的互补信号来驱动晶体管Q1和Q2，如图2A所示，以交替地接通(turnon)晶体管Q1和晶体管Q2。控制器5可以提供激励给稳压源2，以调整施加到逆变器4的直流(DC)电压，从而促进图1A所示的无线功率发射器所发射的功率的闭环调节。可以以模拟或数字形式提供控制器激励给稳压源5。模拟形式可以是与施加到逆变器4的期望输出电压或功率成比例的参考电压，或者是与电流调节器电压和期望的调节器电压之间的差异成比例的误差电压。由于它在本领域的数字控制系统和功率转换器中是常见的，因此，来自于控制器的模拟激励可以由其数字等效物替代。可以利用具有合适的传输频率的信号来驱动逆变器4a，该合适的传输频率包括适合于根据不同的无线功率传输标准发射无线功率的频率。举例来说，在一些实施例中，传输电路可以是能够在范围80kHz和300kHz之间的相对较低频率，以及在6.78MHz的相对较高频率上发射无线功率的多模传输电路。发明人已经认识并理解到，这些频率被间隔开足够远，可以通过设计匹配网络6和8提供合适的传输选择性，以允许在所选择的频率上传输，而抑制在非选择的频率上传输。在一些实施例中，从逆变器4的输出到各发射线圈的阻抗可以是彼此不同的，如相差五倍或更多倍、二十五倍或更多倍、或者，50倍或更多倍。在图2A的例子中，匹配网络6a可以由电容性组件(例如，电容)来实现。如图2A所示，图2A的匹配网络8可以由多个串联的电容性组件来实现，高频发射线圈12与底部的电容性组件并联连接。然而，匹配网络6a和8a可以具有任何合适的电容性和/或电感性组件。在一些实施例中，由于并联电容(parallelcapacitor)是可选的(由图2A中的虚线所示)，因此，匹配网络8a可以仅通过串联电容(seriescapacitor)来实现。表1示出了用于2A中所示的元件的元件值，以及这些元件分别在相对较低的传输频率(LF)和高传输频率(HF)上的阻抗的例子。对于电容和电感，元件值分别以法拉(farad)和亨(henry)为单位。阻抗以欧姆为单位。由于可以使用任何合适的元件值，因此，仅通过举例说明的方式提供这些元件和阻抗值。元件值X(LF)X(HF)LRLF2.40E-0517.31022.4LRHF2.00E-061.485.2CSLF1.00E-0713.813.8CSHF2.20E-106290.76290.7CPHF3.30E-1141938.141938.1表1图3A示出了逆变器4在110kHz和205kHz之间的频率上切换时，用于图2A的匹配网络和发射线圈的等效电路图。在这样的低频率上，电容CSHF表现为开路，从而防止高频发射线圈12从逆变器4接收功率。由逆变器4产生的信号被提供给低频率发射线圈10，低频率发射线圈10发射无线功率。图3B示出了逆变器4在6.78MHz的频率上切换时，用于图2A的匹配网络和发射线圈的的等效电路图。在这样的频率上，低频发射线圈的电感具有高阻抗(例如，1kΩ)，从而防止大量的功率流过它。由逆变器4产生的信号被提供给高频发射线圈12，高频发射线圈12发射无线功率。因此，可以挑选(一个或多个)匹配网络的阻抗、(一个或多个)发射线圈的阻抗，或这两者的阻抗，以在不同的频率上提供发射线圈之间的选择性。在一些实施例中，如图2B所示，发射线圈可以由三端线圈组件(threeterminalcoilassembly)11来实现。高频发射线圈和低频发射线圈之间的公共端T可以连接到传输电路的接地端。图4根据一些实施例示出了一种具有全桥逆变器4b的传输电路的电路图。全桥逆变器4b包括连接在全桥配置中的晶体管Q1-Q4，以使能提供穿过(一个或多个)匹配网络和/或(一个或多个)发射线圈的正电压和负电压。在操作的第一阶段中，可以接通晶体管Q1和Q4，以及，可以断开(turnoff)晶体管Q2和Q3，从而提供穿过(一个或多个)匹配网络和/或(一个或多个)发射线圈的正电压。在操作的第二阶段中，可以断开晶体管Q1和Q4，以及，可以接通晶体管Q2和Q3，从而提供穿过(一个或多个)匹配网络和/或(一个或多个)发射线圈的负电压。在图4的例子中，所示的匹配网络和发射线圈具有图2A所示的相同元件，连接在全桥配置而不是半桥配置中。然而，由于在此描述的技术不限于特定的元件配置或类型，因此，可以使用其它合适的配置和其它类型的元件。图5根据一些实施例示出了一种具有共享的匹配网络7(用于发射线圈10和12)的多模发射器的框图。图5示出了用于发射线圈10和12的(一个或多个)匹配网络不需要实现为单独的匹配网络。(一个或多个)匹配网络可以被发射线圈完全共享、被发射线圈部分共享，或者，可以为不同的发射线圈提供单独的匹配网络。图6示出了一种具有被发射线圈10和12至少部分共享的匹配网络的传输电路。匹配网络7允许功率从高频信号传送到高频发射线圈12，以及防止来自于低频信号的大量功率传送到高频发射线圈12。电容性组件13可以具有被挑选为呈现高阻抗给低传输频率的电容值，从而防止来自于低频信号的功率传送到高频发射线圈12。低频发射线圈10的电感性阻抗防止来自于高频信号的大量功率传送到低频发射线圈10。匹配网络7允许来自于低频信号的功率通过低频发射线圈10。图7示出了一种如图6的传输电路，外加可选开关S1和S2，在图6的传输电路中，可以包括开关S1和S2中的任一者或这两者。在一些实施例中，当正在产生低频率信号时，可以断开开关S1(不导电的，non-conductive)，以引入防止大量功率传送到高频发射线圈12的高阻抗。断开开关S1可以防止或减少高频发射线圈12中的振荡(ringing)，这可以减少电磁干扰。当正在产生高频信号时，可以接通开关S1(导电的，conductive)。当正在产生高频信号时，可以断开开关S2(不导电的)，以引入防止功率传送到低频发射线圈10的高阻抗。当正在产生低频率信号时，可以接通开关S2(导电)。开关S1和/或S2可以由控制器5进行控制。尽管在图6和图7的电路情况下示出了开关S1和S2，但这里描述的技术在这方面不受限制，因为，这样的开关可以与匹配电路的其它类型及配置一起使用。这样的一个或多个开关可以连接在用于一个发射线圈的一个功率路径中，或者用于多个发射线圈的多个功率路径中，以及当电源路径并不打算使用时，能够允许引入高阻抗到这样的(一个或多个)电源路径中。图8示出了如图4的传输电路的示意图，外加电阻15和开关S3。当正在产生低频信号时，通过接通开关S3(例如，导电的)，电阻15可以被切换为与高频发射线圈12并联，以防止或减少高频发射线圈12中的振荡。开关S3可以被控制器5控制。以上已经描述了可以利用两种不同的发射线圈来发射无线功率的传输电路的例子。然而，此处描述的技术不限于利用两种不同的发射线圈来发射无线功率。在一些实施例中，可以提供三个或更多个发射线圈，以在三个或更多个不同的频带中发射无线功率。可以将发射线圈布置在任何合适的配置中。图9示出了将低频发射线圈放置在高频线圈的边界(bound)内的配置。这种配置可以方便发射线圈的制造，但可能会在发射线圈之间导致耦合增大。图10示出了将低频发射线圈放置在高频线圈的边界外且与高频发射线圈相邻的配置。这样的配置可以减少线圈之间的耦合。可以利用控制器5控制多模发射器，控制器5可通过任何合适类型的电路来实现。举例来说，控制器5可以利用硬件或者硬件和软件的组合来实现。当利用软件实现时，可以在任何合适的处理器(例如，微处理器)或处理器集合上执行合适的软件代码。可以以多种方式来实现一个或多个控制器，诸如，被编程为利用微码或软件来执行以上列举的功能的专用硬件，或通用硬件(例如，一个或多个处理器)。可以单独使用、组合使用本文描述的装置和技术的各个方面，或者，在前面的描述中所描述的实施例中未具体讨论的多种安排，因此，其申请并不限于前面的描述中所规定的或附图中所示的元件的细节和安排。举例来说，在一个实施例中描述的方面可以以任何方式与其它实施例中所描述的方面相结合。在权利要求中以修改权利要求组件的序数词的使用(诸如“第一”、“第二”、“第三”等)本身并不意味着任何的优先级、优先，或者一个权利要求组件在另一个权利要求组件之上，或者所执行的方法的动作的时间顺序，但只用作标记，以将具有特定名称的一权利要求组件与具有相同名称的另一组件(但使用序数词)区分开来，从而区分权利要求组件。此外，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被视为限制。本文的“包含”、“包括”，或“具有”、“含有”，“涉及”及其变体的使用旨在包括其后列出的项目及其等效物以及附加项目。举例来说，记载为“包含”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”一特定材料的装置、结构、设备、层或区域意指至少包括所列的该材料以及可以存在的任何其它的组件或材料。当前第1页1 2 3