无线能量传输系统中的动态调谐的制作方法
本申请要求2015年10月22日提交的美国临时专利申请62/244,799的优先权，其全部内容通过引用包含于此。
背景技术
电子装置可能需要使用可调谐电路组件。在一些应用中，电子装置可能需要调整一个或多个电路组件的值以使电路的不同部分之间的阻抗(诸如在动态阻抗匹配网络等中)匹配。现有的可调谐电路组件可能具有有限的动态范围值、不精确的调谐能力或高功率损耗。在一些情况下，现有的可调谐电路组件在诸如具有大电压摆幅的无线功率传输系统等的高功率电路中可能不可用。
技术实现要素：
通常，本发明的特征在于动态可调谐的电路元件和相关的调谐电路。在第一方面中，本发明的特征在于一种可变电容装置，其包括第一电容器、第一开关、第二电容器、第二开关和控制电路。所述第一电容器包括第一电容器用第一端子和第一电容器用第二端子，其中所述第一电容器用第一端子电气连接至接地端。所述第一开关包括第一开关用第一端子、第一开关用第二端子和第一开关用控制端子。所述第一开关用第一端子电气连接至所述第一电容器用第一端子，并且所述第一开关用第二端子电气连接至所述第一电容器用第二端子。所述第二电容器包括第二电容器用第一端子和第二电容器用第二端子，其中所述第二电容器用第一端子电气连接至接地端。所述第二开关包括第二开关用第一端子、第二开关用第二端子和第二开关用控制端子。所述第二开关用第一端子电气连接至所述第二电容器用第一端子，并且所述第二开关用第二端子电气连接至所述第二电容器用第二端子。所述控制电路与所述第一开关用控制端子和所述第二开关用控制端子耦接。所述控制电路被配置为通过响应于检测到所述第一开关两端的零电压状况而使第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子并持续一定持续时间、并且通过响应于检测到所述第二开关两端的零电压状况而使第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子并持续所述持续时间，来调整所述第一电容器和所述第二电容器各自的电容。所述第一控制信号和所述第二控制信号使相应的所述第一开关和所述第二开关闭合。
这种以及其它实现可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
所述可变电容装置的电容可以取决于所述第一控制信号和所述第二控制信号施加到相应的所述第一开关用控制端子和所述第二开关用控制端子的所述持续时间。所述第一开关可以是第一晶体管，并且所述第二开关可以是第二晶体管。所述控制电路可被配置为接收输入信号，并且响应于接收到所述输入信号来改变所述第一控制信号和所述第二控制信号施加到相应的所述第一开关用控制端子和所述第二开关用控制端子的所述持续时间。
在一些实现中，所述可变电容装置可以包括第一比较器和第二比较器。所述第一比较器可以包括电气连接至所述第一电容器用第二端子的第一比较器用第一输入端子。所述第二比较器可以包括电气连接至所述第二电容器用第二端子的第二比较器用第一输入端子。所述控制电路可以与所述第一比较器的第一比较器用输出端子和所述第二比较器的第二比较器用输出端子耦接，其中所述控制电路被配置为：基于所述第一比较器的输出信号来检测所述第一开关两端的零电压状况，并且作为响应使所述第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子并持续所述持续时间；以及基于所述第二比较器的输出信号来检测所述第二开关两端的零电压状况，并且作为响应使所述第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子并持续所述持续时间。
在一些实现中，所述可变电容装置可以包括第三比较器和第四比较器。所述第三比较器可以包括电气连接至第一参考电压的第三比较器用第一输入端子和电气连接至所述第一开关用控制端子的第三比较器用第二输入端子。所述第四比较器可以包括电气连接至第二参考电压的第四比较器用第一输入端子和电气连接至所述第二开关用控制端子的第四比较器用第二输入端子。所述控制电路与所述第三比较器的第三比较器用输出端子和所述第四比较器的第四比较器用输出端子耦接。所述控制电路可被配置为：基于所述第三比较器的输出信号来检测所述第一开关用控制端子的第一接通状况。确定第一时间差，其中所述第一时间差是在检测到所述第一开关两端的零电压状况和检测到所述第一开关用控制端子的第一on(接通)状况之间的时间差。调整所述第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子的第一定时，以减小所述第一时间差。基于所述第四比较器的输出信号来检测所述第二开关用控制端子的第二on状况。确定第二时间差，其中所述第二时间差是在检测到所述第二开关两端的零电压状况和检测到所述第二开关用控制端子的第二on状况之间的时间差。此外，调整所述第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子的第二定时，以减小所述第二时间差。
在一些实现中，所述控制电路可以包括脉冲宽度调制(pwm)发生器。所述pwm发生器可以包括电气连接至所述第一开关用控制端子的第一输出端子和电气连接至所述第二开关用控制端子的第二输出端子，其中所述第一控制信号是第一脉冲宽度调制信号，所述第二控制信号是第二脉冲宽度调制信号，以及所述控制电路被配置为控制所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号的特性。
调整所述第一控制信号和所述第二控制信号施加到相应的所述第一开关用控制端子和所述第二开关用控制端子的定时可以包括：调整所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号的相位。所述控制电路可被配置为接收输入信号，并且响应于接收到所述输入信号，通过调整所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号的相应占空比来改变所述第一控制信号和所述第二控制信号施加到相应的所述第一开关用控制端子和所述第二开关用控制端子的所述持续时间。
在一些实现中，所述可变电容装置可以包括第三比较器和第四比较器。所述第三比较器可以包括电气连接至第一参考电压的第三比较器用第一输入端子和电气连接至所述第一开关用控制端子的第三比较器用第二输入端子。所述第四比较器可以包括电气连接至第二参考电压的第四比较器用第一输入端子和电气连接至所述第二开关用控制端子的第四比较器用第二输入端子。并且，所述控制电路可以包括控制器、第一计数器和第二计数器。所述第一计数器可以与所述第一比较器用输出端子、所述第三比较器用输出端子和所述控制器耦接。另外，所述第一计数器可被配置为：响应于从所述第一比较器接收到零电压信号而启动第一计时器，响应于从所述第三比较器接收到第一on状况信号而停止所述第一计时器，以及将表示所述第一计时器的经过时间的信号发送至所述控制器。所述第二计数器可以与所述第二比较器用输出端子、所述第四比较器用输出端子和所述控制器耦接。另外，所述第二计数器可被配置为：响应于从所述第二比较器接收到零电压信号而启动第二计时器，响应于从所述第四比较器接收到第二on状况信号而停止所述第二计时器，以及将表示所述第二计时器的经过时间的信号发送至所述控制器。并且，所述控制器可被配置为：基于第一时间差信号来调整所述第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子的第一定时，以减小第一时间差，以及基于第二时间差信号来调整所述第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子的第二定时，以减小第二时间差。
在一些实现中，所述控制电路可以包括与所述控制器耦接的pwm发生器。所述pwm发生器可以包括电气连接至所述第一开关用控制端子的第一输出端子和电气连接至所述第二开关用控制端子的第二输出端子，其中所述第一控制信号是第一脉冲宽度调制信号，并且所述第二控制信号是第二脉冲宽度调制信号。所述控制器可被配置为控制所述第一脉冲宽度调制信号和所述第二脉冲宽度调制信号的特性。
所述控制器可以是以下其中之一：微控制器、计算机处理器、现场可编程逻辑阵列(fpga)以及专用集成电路(asic)。
在一些实现中，基于所述第一比较器的输出信号来检测所述第一开关两端的零电压状况、并且作为响应使所述第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子可以包括：确定第一比较器的输出信号和第三比较器的输出信号之间的第一相位差，基于所述第一相位差来生成第三参考电压，以及在检测到所述第一开关用第二端子的电压信号穿过与所述第三参考电压相等的电压值时，使所述第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子。基于所述第二比较器的输出信号来检测所述第二开关两端的零电压状况、并且作为响应使所述第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子可以包括：确定第二比较器的输出信号和第四比较器的输出信号之间的第二相位差，基于所述第二相位差来生成第四参考电压，以及在检测到所述第二开关用第二端子的电压信号穿过与所述第四参考电压相等的电压值时，使所述第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子。
在一些实现中，所述控制电路包括第一相位检测电路、第一积分器电路、第五比较器、第一触发器、第二相位检测电路、第二积分器电路、第六比较器、第二触发器和控制器。所述第一相位检测电路与所述第一比较器用输出端子和所述第三比较器的第三比较器用输出端子耦接。所述第一积分器电路与所述第一相位检测电路耦接。所述第五比较器包括第五比较器用输出端子、电气连接至所述第一电容器用第二端子的第五比较器用第一输入端子以及与所述第一积分器电路耦接的第五比较器用第二输入端子。所述第一触发器包括第一触发器用复位端子、电气连接至所述第五比较器用输出端子的第一触发器用时钟端子以及电气连接至所述第一开关用控制端子的第一触发器用输出端子。所述第二相位检测电路与所述第二比较器用输出端子和所述第四比较器的第四比较器用输出端子耦接。所述第二积分器电路与所述第二相位检测电路耦接。所述第六比较器包括第六比较器用输出端子、电气连接至所述第二电容器用第二端子的第六比较器用第一输入端子以及与所述第二积分器电路耦接的第六比较器用第二输入端子。所述第二触发器包括第二触发器用复位端子、电气连接至所述第六比较器用输出端子的第二触发器用时钟端子以及电气连接至所述第二开关用控制端子的第二触发器用输出端子。所述控制器与所述第一触发器和所述第二触发器耦接，并且被配置为在所述持续时间之后将第一复位信号提供至所述第一触发器，并且在所述持续时间之后将第二复位信号提供至所述第二触发器。所述控制器可以是pwm发生器，其中所述第一复位信号是第一脉冲宽度调制信号，并且所述第二复位信号是第二脉冲宽度调制信号。
在第二方面中，本发明的特征在于一种无线能量传输系统，其包括分裂线圈谐振器和可变电容装置。所述分裂线圈谐振器包括与第二绕组磁耦接的第一绕组。所述可变电容装置包括第一电容器、第一开关、第二电容器、第二开关和控制电路。所述第一电容器包括第一电容器用第一端子和第一电容器用第二端子，其中所述第一电容器用第一端子电气连接至接地端，并且所述第一电容器用第二端子电气连接至所述分裂线圈谐振器的所述第一绕组的第一绕组用端子。所述第一开关包括第一开关用第一端子、第一开关用第二端子和第一开关用控制端子，其中所述第一开关用第一端子电气连接至所述第一电容器用第一端子，并且所述第一开关用第二端子电气连接至所述第一电容器用第二端子。所述第二电容器包括第二电容器用第一端子和第二电容器用第二端子，其中所述第二电容器用第一端子电气连接至接地端，并且所述第二电容器用第二端子电气连接至所述分裂线圈谐振器的所述第二绕组的第二绕组用端子。所述第二开关包括第二开关用第一端子、第二开关用第二端子和第二开关用控制端子，其中所述第二开关用第一端子电气连接至所述第二电容器用第一端子，并且所述第二开关用第二端子电气连接至所述第二电容器用第二端子。所述控制电路与所述第一开关用控制端子和所述第二开关用控制端子耦接。所述控制电路被配置为通过响应于检测到所述第一开关两端的零电压状况而使第一控制信号施加到所述第一开关用控制端子并持续一段持续时间、并且通过响应于检测到所述第二开关两端的零电压状况而使第二控制信号施加到所述第二开关用控制端子并持续所述持续时间，来调整所述第一电容器和所述第二电容器各自的电容。所述第一控制信号和所述第二控制信号使相应的所述第一开关和所述第二开关闭合。
这种以及其它实现可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。另外，所述可变电容装置可以包括以上所述的特征中的任意特征。
在一些实现中，所述无线能量传输系统可以包括第三电容器和第四电容器。所述第三电容器包括第三电容器用第一端子和第三电容器用第二端子，其中所述第三电容器用第一端子电气连接至所述第一绕组用端子，并且所述所述第三电容器用第二端子电气连接至所述第一电容器用第二端子。并且，所述第四电容器包括第四电容器用第一端子和第四电容器用第二端子，其中所述第四电容器用第一端子电气连接至所述第二绕组用端子，并且所述第四电容器用第二端子电气连接至所述第二电容器用第二端子。所述无线能量传输系统可以包括固定阻抗匹配网络，其与所述第一绕组的第一绕组用第二端子和所述第二绕组的第二绕组用第二端子耦接。
在一些实现中，所述无线能量传输系统可以包括第三电容器，所述第三电容器包括第三电容器用第一端子和第三电容器用第二端子，其中所述第三电容器用第一端子电气连接至所述第一绕组用端子，并且所述第三电容器用第二端子电气连接至第二绕组用端子。
在第三方面中，本发明的特征在于一种零电压切换装置，其包括开关、第一比较器、第二比较器和控制器。所述开关包括第一端子、第二端子和控制端子。所述第一比较器包括电气连接至所述开关的第二端子的第一输入端子和电气连接至所述开关的第一端子的第二输入端子。所述第二比较器包括电气连接至参考电压的第一输入端子和电气连接至所述开关的控制端子的第二输入端子。所述控制器耦接到所述第一比较器和所述第二比较器的相应输出端子。并且，所述控制器被配置为：基于所述第一比较器的输出来检测所述开关两端的零电压状况，并且作为响应使控制信号施加到所述开关的控制端子，其中所述控制信号引起所述开关闭合。基于所述第二比较器的输出来检测第一开关的控制端子处的on状况。确定时间差，其中所述时间差是在检测到所述开关两端的零电压状况和检测到所述开关的控制端子的on状况之间的时间差。此外，调整所述控制信号施加到所述开关的控制端子的定时，以减小所述时间差。
这种以及其它实现可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
可以基于所述开关的特性来选择所述参考电压。所述开关可以是场效应晶体管，其中所述控制端子是所述晶体管的栅极，所述第一端子是所述晶体管的源极和漏极其中之一，并且所述第二端子是所述晶体管的源极和漏极中的另一个。可以基于所述晶体管的阈值电压来选择所述参考电压。所述控制器可以是以下其中之一：微控制器、计算机处理器、现场可编程逻辑阵列(fpga)和专用集成电路(asic)。
在一些实现中，所述零电压切换装置包括与所述控制器耦接的pwm发生器，其中所述pwm发生器包括电气连接至所述开关的控制端子的输出端子。所述控制信号可以是脉冲宽度调制信号，并且所述控制器可被配置为控制所述脉冲宽度调制信号的特性。调整所述控制信号施加到所述开关的控制端子的定时可以包括：调整所述脉冲宽度调制信号的相位。
在第四方面中，本发明的特征在于一种零电压切换装置，其包括开关、第一比较器、第二比较器和控制电路。所述开关包括第一端子、第二端子和控制端子。所述第一比较器包括第一比较器用输出端子和电气连接至所述开关的第一端子的第一比较器用第一输入端子。所述第二比较器包括第二比较器用输出端子、电气连接至第一参考电压的第二比较器用第一输入端子以及电气连接至所述开关的控制端子的第二比较器用第二输入端子。所述控制电路与第一比较器用输出端子和第二比较器用输出端子耦接。另外，所述控制电路被配置为：确定第一比较器的输出信号和第二比较器的输出信号之间的相位差；基于所述相位差生成第二参考电压；以及在检测到所述开关的第一端子和第二端子其中之一的电压信号穿过与所述第二参考电压相等的电压值时，使控制信号施加到所述开关的控制端子。
在一些实现中，所述控制电路包括相位检测电路、积分器电路、第三比较器、触发器和控制器。所述相位检测电路可以与第一比较器用输出端子和第二比较器用输出端子耦接。所述积分器电路可以与所述相位检测电路耦接。所述第三比较器可以包括第三比较器用输出端子、电气连接至所述开关的第一端子的第三比较器用第一输入端子、以及与所述积分器电路耦接的第三比较器用第二输入端子。所述触发器可以包括复位端子、电气连接至所述第三比较器用输出端子的时钟端子、以及电气连接至所述开关的控制端子的输出端子。并且，所述控制器可以与所述触发器的复位端子耦接，并且被配置为将复位信号提供至所述触发器。
所述控制器可配置为在开关on持续时间之后，提供所述复位信号以在使所述开关变为off(断开)。所述开关可以是场效应晶体管，其中所述控制端子是所述晶体管的栅极，所述第一端子是所述晶体管的源极和漏极其中之一，并且所述第二端子是所述晶体管的源极和漏极中的另一个。
可以基于所述晶体管的阈值电压来选择所述第一参考电压。所述相位检测电路可用于确定来自所述第一比较器的输出信号和来自所述第二比较器的输出信号之间的相位差。所述控制器可以是pwm发生器，并且所述复位信号是pwm信号。
可以实现在本说明书中描述的主题的特定实现以实现以下优点中的一个或多个。这些实现可以许可使用较低的工作电压来调谐电路组件。一些实现可以降低针对可调谐电路组件的电压和电流应力。一些实现可以许可谐振器线圈的动态平衡。一些实现可以提高零电压切换(zvs)控制的准确性。
所公开的装置、电路和系统的实施例还可以包括本文所公开的任何其它特征，包括与不同实施例相组合或者以任何适当的组合所公开的特征。
在以下附图和说明书中阐述了本说明书中所描述的主题的一个或多个实现的详情。通过说明书、附图和权利要求书，该主题的其它特征、方面和优点将显而易见。
附图说明
图1示出无线功率传输系统的示例的框图。
图2示出包括阻抗匹配网络的示例无线功率传输系统的框图。
图3描绘根据本发明的实现的动态可调谐电容器电路的示例。
图4a～4c描绘施加到可调谐电容器电路的电压信号的示例。
图5描绘包括动态可调谐电容器电路的无线能量传输系统的示例。
图6描绘具有控制电路的第一实现的示例的动态可调谐电容器电路。
图7描绘具有控制电路的第二实现的示例的动态可调谐电容器电路。
图8描绘具有控制电路的第三实现的示例的动态可调谐电容器电路。
图9a～9d描绘第三实现的控制电路中的示例性控制信号的曲线图。
在各个附图中相同的附图标记和指定表示相同的元件。
具体实施方式
本文所述的无线能量传输系统可以使用各种各样的谐振器和谐振对象来实现。如本领域技术人员将认识到，对于基于谐振器的功率传输的重要考虑包括谐振器品质因数和谐振器耦接。例如在2012年7月19日公布为us2012/0184338的美国专利申请13/428,142、2013年2月7日公布为us2013/0033118的美国专利申请13/567,893、以及2014年4月24日公布为us2014/0111019的美国专利申请14/059,094中提供了这些问题的广泛讨论(例如，耦接模理论(cmt)、耦接系数和因数、品质因数(也称为q因数)、以及阻抗匹配等)。这些申请各自的全部内容通过引用而包含于此。
功率传输系统可以依赖于诸如整流器、ac(交流)-dc(直流)转换器、阻抗匹配电路、以及其它功率电子器件等的电子电路，来调节、监测、维持和/或修改用于向电子装置供电的电压和/或电流的特性。功率电子器件可以向具有动态输入阻抗特性的负载供电。在一些情况下，为了实现高效的功率传输，提供动态阻抗匹配网络以使变化的负载阻抗与功率源的阻抗相匹配。
在诸如无线功率传输等的一些应用中，无线供电装置的负载阻抗可能动态地改变。在这样的应用中，可能需要诸如谐振器线圈等的负载和装置的电源之间的阻抗匹配来防止不必要的能量损耗和过热。例如，与谐振器线圈相关联的阻抗可能是动态的，在这种情况下，可以提供动态阻抗匹配网络以使变化的电源阻抗(例如，装置谐振器)与装置的阻抗相匹配。在无线被供电装置的情况下，电源阻抗(例如，装置谐振器线圈)可能是高度可变的。因此，可以在装置谐振器线圈和装置的功率源(例如，电池或电池充电电路)之间提供阻抗匹配网络，以促进功率的高效传输。因此，可能需要例如用于经由高谐振无线能量传输来传输和/或接收功率的功率传输系统来配置或修改阻抗匹配网络，以保持高效的功率传输。现有装置中所使用的功率电子器件可能不能够准确地检测或测量阻抗失配、或者不能够快速地考虑阻抗变化。
尽管在无线功率传输系统的上下文中论述了这里公开的阻抗匹配电路、方法和系统，但是应当理解，这些阻抗匹配电路、方法和系统也可以用于其它电子装置。在一些情况下，所公开的控制电路和zvs技术可以用在例如高功率放大器和电源等的其它应用中。
图1示出无线功率传输系统100的示例的框图。系统100包括无线功率源102以及无线被供电或无线被充电装置104。无线被供电或无线被充电装置104可以例如包括通常放置在桌面、台面、吧台以及其它类型的表面上的电子装置，诸如膝上型电脑、智能手机、平板电脑以及其它移动电子装置等。装置104包括装置谐振器108d、装置供电和控制电路110以及无线被供电或无线被充电电子装置112，其中向该电子装置112传输dc或ac电力或者ac和dc电力这两者。无线功率源102包括源供电和控制电路106以及源谐振器108s。电子装置112或者从装置谐振器108d以及装置供电和控制电路110接收功率的装置可以例如是诸如膝上型电脑、智能手机和其它移动电子装置等的电子装置。装置谐振器108d和装置电路110向装置112传输功率，其中在装置112处于源谐振器108s附近的情况下，该功率可用于对装置的电池进行再充电、直接向装置供电、或两者兼有。
可以从例如包括计算机的usb(通用串行总线)端口的多个dc或ac电压、电流或功率源来向功率源102供电。另外，可以从电网、壁式插座、电池、电源、引擎、太阳能电池、发电机或另一源谐振器来向源102供电。源供电和控制电路106可以包括用以将源电子器件与电源隔离开的电路和组件，使得任何反射功率或信号都不会通过源输入端子耦接出。
源供电和控制电路106可以利用交流(诸如具有大于10khz且小于100mhz的频率(例如，6.78mhz))来驱动源谐振器108s。源供电和控制电路106可以例如包括阻抗匹配电路、dc-dc转换器、ac-dc转换器或者ac-dc转换器和dc-dc转换器这两者、振荡器、以及功率放大器。
装置供电和控制电路110可以被设计为将来自装置谐振器108d的交流电力变换为适合对一个或多个装置112进行供电或充电的稳定直流电力。装置供电和控制电路110可以被设计为将来自装置谐振器的一个频率(例如，6.78mhz)的交流电力变换为适合对一个或多个装置112进行供电或充电的不同频率的交流电力。供电和控制电路可以例如包括阻抗匹配电路、整流电路、限压电路、限流电路、ac-dc转换器电路、dc-dc转换器电路、dc-ac转换器电路、ac-ac转换器电路、以及电池充电控制电路。
功率源102和装置104可以具有调谐能力(例如，动态阻抗匹配电路)，其中该调谐能力允许调整工作点以对可能影响源谐振器和装置谐振器的操作以及能量传输的效率的不断变化的环境条件、扰动和负载条件进行补偿。调谐能力还可以用于将针对多个装置的功率传输从多个源复用至多个系统以及多个中继器或继电器等。可以自动控制调谐能力，并且可以连续地、定期地、间歇地、或者以安排的时间或间隔进行调谐能力。在一些实现中，可以使用手动输入来配置用于调谐阻抗匹配电路的控制算法。
功率源102和装置104的谐振器可以相隔数米，或者这些谐振器可以彼此非常靠近，或者这些谐振器之间可以相隔任何距离。源谐振器108s和装置谐振器108d可以横向地或轴向地彼此偏移。源谐振器108s和装置谐振器108d可以直接对准(无横向偏移)。源谐振器108s和装置谐振器108d可以被定向成使得由这两者的感应元件包围的表面区域大致彼此平行。源谐振器108s和装置谐振器108d可以被定向成使得由这两者的感应元件包围的表面区域大致彼此垂直，或者源谐振器108s和装置谐振器108d可以被定向成彼此之间成任意相对角度(0～360度)。源谐振器108s和装置谐振器108d之间的物理配置的这种变化可能会影响谐振器108s和108d之间的功率耦接，并由此改变谐振器108s、108d分别相对于源供电和控制电路106或者装置供电和控制电路110所展现的阻抗。
图2示出包括阻抗匹配网络(imn)204和imn控制电路208的示例无线功率传输系统200的框图。系统200例如可以被实现为图1的无线功率源102或者无线被供电或被充电装置104的一部分。系统200包括电源202、imn204、负载206和imn控制电路208。负载206例如可以是无线功率源102的源谐振器108s。在另一示例中，电源202可以是无线功率源102的源供电和控制电路106。电源202可以是装置104的装置谐振器108d。负载206可以是由装置谐振器108d供电的电子装置112、或者由装置谐振器108d充电的电子装置112的电池。负载206或电源202所展现出的阻抗可以是动态的，并且基于例如装置104(例如，装置谐振器108d)相对于无线功率源102(例如，源谐振器108s)的物理位置而改变。
阻抗匹配网络204可以被设计为使在电源202和负载206之间以期望的频率(例如，6.78mhz)输送的功率最大化。imn204中的阻抗匹配组件可以被选择和连接，以保持谐振器的高q值。根据工作条件，imn204中的组件可以被自动地调谐以控制从电源202向负载206传输的功率，例如以使从电源202向源谐振器(例如，无线功率源102的负载206)的功率的高效功率传输最大化。
imn204的组件可以包括例如电容器或电容器的网络、电感器或电感器的网络、或者电容器、电感器、二极管、开关和电阻器的各种组合。阻抗匹配网络的组件可以是可调整且可变的，并且可被控制以影响系统的效率和工作点。阻抗匹配可以通过以下方式来进行：控制谐振器的连接点、调整磁性材料的磁导率、控制偏置场、以及调整激励的频率等。阻抗匹配可以使用或包括任何数量或组合的变容器、变容器阵列、开关元件、电容器组、开关可调谐元件、反向偏置二极管、气隙电容器、压缩电容器、锆钛酸钡(bzt)电调谐电容器、微机电系统(mems)可调谐电容器、电压可变电介质、以及变换器耦接调谐电路等。可以对可变组件进行机械调谐、热调谐、电调谐和压电调谐等。阻抗匹配的元件可以是硅器件、氮化镓器件和碳化硅器件等。这些元件可被选择成耐受高电流、高电压、高功率或者电流、电压和功率的任何组合。这些元件可被选择为高q元件。
imn控制电路208监测源202和负载206之间的阻抗差异，并向imn204提供控制信号以调谐imn204或其组件。在一些情况下，imn控制电路208可以包括zvs电路以减少功率损耗并增加电路的整体效率。例如，在电压(例如，一个或多个组件两端的电压)接近或等于零时，zvs电路可以控制imn204内的切换操作的发生。如此，imn控制电路208可以使瞬变和功率损耗最小化。
在一些实现中，imn204可以包括固定imn和动态imn。例如，固定imn可以提供具有静态阻抗的系统的各部分之间的阻抗匹配，或者将电路大体调谐到已知的动态阻抗范围。在一些实现中，动态imn可以进一步包括可粗调的imn和可细调的imn。例如，可粗调的imn可以许可动态阻抗范围内的粗略阻抗调整，并且可以使用可细调的imn来对imn204的整体阻抗进行细微调谐。在另一示例中，可粗调的imn可以在期望的阻抗范围内实现阻抗匹配，并且可细调的imn可以在期望的阻抗范围内实现目标附近的更精确的阻抗。
图3描绘动态可调谐电容器电路300的示例。可调谐电容器电路300包括夹持有接地连接310的电气串联连接的具有相等电容(c)的两个电容器302a、302b。各电容器302a、302b具有与相应的电容器302a、302b电气并联连接的关联短接开关304a、304b。短接开关304a、304b可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、结栅场效应晶体管(jfet)或双极结(bjt)晶体管等的晶体管。例如，电容器302a、302b和开关304a、304b都可以接地参考，以用在诸如包括无线功率传输线圈的电路等的高电压电路中。例如，使电容器302a、302b各自的一个端子和各开关304a、304b接地可以许可使用较低的开关控制电压(例如，小于5v)，并且不需要电平移位或者其它特殊控制或隔离电路。
可以通过改变在施加到电容器302a、302b的ac输入信号(iac)的周期的一部分内电容器302a、302b短接的时间段，来控制组合电容器302a、302b的有效电容。换句话说，可以通过改变开关304a、304b闭合(或者在晶体管开关的情况下为“on”(ton)))的时间段，来控制有效电容。电容器302a、302b和开关304a、304b一起被控制，以用作有效电容(ceff)等于
图4a～4c描绘施加到可调谐电容器电路300的ac电压信号的示例。参考图3、4a和4b，图4a和4b描绘可调谐电容器电路300中的va和vb处的电压信号的曲线图400和420。va处的电压信号表示电容器302a两端的电压，并且vb处的电压信号表示电容器302b两端的电压。这些电压信号是以6.78mhz的频率示出的。
在图4a中，例如，在电压信号va和vb的各周期内，开关304a、304b闭合并持续15ns(即，电容器302a、302b短接)。换句话说，在图4a中ton等于15ns，这样产生约50v的峰值幅度。在图4b中，例如，在电压信号va和vb的各周期内，开关304a、304b闭合并持续60ns(即，电容器302a、302b短接)。换句话说，在图4b中ton等于60ns，这样产生约33v的峰值幅度。如通过图4a的信号va和vb与图4b的信号va和vb之间的幅度差看出，如图4b所示，较长的ton时间得到如利用相应电容器302a、302b两端的较低电压下降所表示的可调谐电容器电路300的较低有效电容(或有效阻抗)。在图4c中示出可调谐电容器电路300两端的整体电压的曲线图440。图4c的电压信号表示具有60ns的ton值的两个电容器302a、302b两端的电压va-vb。
另外，在关联电容器302a、302b两端的电压(va或vb)过零时，开关304a、304b可被定时成闭合(变为on)。该定时由图4a和4b的过零402和404分别例示，并且被称为零电压切换(zvs)。开关304a、304b的精确时间切换可以确保可调谐电容器电路300两端的电压是连续的，并且还防止大的电流瞬变和不必要的功率损耗这两者。
再次参考图3，开关304a、304b由与开关304a、304b的相应控制端子(例如，晶体管栅极端子)耦接的控制电路306控制。控制电路306通过根据调谐输入控制开关304a、304b的ton来控制电容器的有效电容。另外，控制电路306通过监测施加到电容器302a、302b的信号的电压或电流来控制开关304a、304b的zvs定时。控制电路306可以包括例如微控制器、计算机处理器、现场可编程逻辑阵列(fpga)或专用集成电路(asic)。控制电路306可以包括或耦接至例如随机存取存储器、闪速存储器或其它适当的存储器装置等的计算机可读存储装置。
比较器308a、308b可用于检测相应电容器302a、302b两端的电压何时过零。例如，比较器308a的输入端子电气连接在电容器302a的两端，并且比较器308b的输入端子电气连接在电容器302b的两端。比较器308a、308b的相应输出端子与控制电路306耦接。
控制电路306可以基于比较器308a、308b的输出信号来检测过零，并且在检测到过零时，使开关304a、304b闭合并持续了持续时间ton。例如，控制电路306可以基于比较器308a的输出信号的上升沿或下降沿来检测电容器302a两端的电压的过零。作为响应，控制电路306可以将控制信号施加到控制端子开关304a以使该开关闭合(例如，使晶体管变为on)并开始使电容器302a短接。在持续时间ton到期之后，控制电路306使开关304a再次断开(例如，使晶体管变为off(断开))。
持续时间ton可以由例如作为控制电路306的一部分的计数器来控制。可以基于向控制电路306的调谐输入信号来设置该计数器的持续时间(ton)。例如，(图2所示的)imn控制电路208可以将一个或多个调谐控制信号发送至控制电路306。控制电路306可以基于所接收到的调谐控制信号来改变计数器的持续时间(ton)。
比较器308a、308b可以产生相应电容器302a、302b两端的电压过零时交替的两级输出信号。此外，比较器输出信号的值可以表示电压信号的极性。例如，如图3所示，各比较器308a、308b的非反相(“+”)输入端子电气连接至相应电容器302a、302b的接地端子。各比较器308a、308b的反相(“-”)输入端子电气连接至相应电容器302a、302b的其它(非接地)端子。在该结构中，各比较器308a、308b在相应电容器302a、302b两端的电压为负时将输出高信号值，并且在相应电容器302a、302b两端的电压为正时将输出低信号。
在一些实现中，比较器308a、308b可以以输入端子互换的状态连接。也就是说，各比较器308a、308b的反相(“-”)输入端子可以电气连接至相应电容器302a、302b的接地端子。各比较器308a、308b的非反相(“+”)输入端子可以电气连接至相应电容器302a、302b的其它(非接地)端子。在这种结构中，各比较器308a、308b在相应电容器302a、302b两端的电压为正时将输出高信号值，并且在相应电容器302a、302b两端的电压为负时，将输出低信号。
在一些实现中，电容器302a和电容器302b的有效电容可以通过例如使各电容器302a、302b在不同的持续时间内短接来独立地调谐。例如，与各电容器302a、302b相关联的ton可能不同，由此针对各电容器产生不同的有效电容。因而，可以通过ceff_a＝ca/(1-ton_a*f)来表示电容器302a的有效电容，可以通过ceff_b＝cb/(1-ton_b*f)来表示电容器302b的有效电容，并且可以通过ceff_a和ceff_b的串联组合来表示全体有效电容。
在一些实现中，比较器308a、308b可以由相位检测装置替代。例如，可以使用电压或电流传感器(例如，罗氏线圈)来监测电路组件(例如，电容器302a、302b)两端的电压或通过该电路组件的电流。相位检测装置或电路可以检测和跟踪电压或电流的相位，并且控制电路306(例如，微控制器或处理器)可以基于所监测的电压或电流的相位来对开关304a、304b的zvs进行计时。例如，控制电路306可以基于所检测到的相位来确定所监测的电压或电流的过零，并且相应地控制开关304a、304b。
在一些示例中，可以在电容器302a、302b之间没有接地参考的情况下实现可调谐电容器电路300。例如，可调谐电容器电路300可以使用例如光耦合器和隔离变压器等的隔离电路与高电压隔离。
图5描绘包括动态可调谐电容器电路300的无线能量传输系统500的示例。无线能量传输系统500包括图3的可调谐电容器电路300、分裂线圈502、可选的固定imn508、以及功率源或装置510，其中该功率源或装置510用于向分裂线圈502(例如，功率源102)提供功率、或者从分裂线圈502(例如，无线被供电/被充电电子装置112)接收功率。
可调谐电容器电路300与分裂线圈502耦接并且可以被调谐成使无线能量传输系统500的阻抗适应分裂线圈502的变化阻抗。如以上参考图1所述，分裂线圈502可以用于向另一谐振器线圈(例如，分别为对应的装置或源谐振器线圈)无线地传输能量或者从该另一谐振器线圈接收能量。分裂线圈502的有效阻抗可以基于例如环境因素(例如，干扰物体)、谐振器线圈之间的取向、谐振器线圈之间的距离等动态地改变。可以调整可调谐电容器电路300以补偿分裂线圈502的有效阻抗的这种变化。
分裂线圈502包括耦接以作为一个谐振器线圈起作用的两个绕组504和506。在实施例中，两个绕组504和506磁耦接。在一些实现中，分裂线圈502可以是利用电容器耦接的两个单独线圈。各绕组504、506具有两个输入端子507。可调谐电容器电路300在绕组504、506之间串联连接至各绕组504、506的一个输入端子507。分裂线圈设计允许在分裂线圈502的绕组504、506之间建立接地参考点。结果，诸如可调谐电容器电路300以及电容器c1、c2和c3等的阻抗匹配电路可以连接到谐振器502，并且在无需诸如电流隔离电路等的隔离电路的情况下以较低电压进行工作。
无线能量传输系统500还可以包括电容器c1、c2和/或c3。这些电容器可以是固定电容器或可变电容器。电容器c1、c2和c3各自例如可以表示多个变容器、变容器阵列、电容器组、气隙电容器、压缩电容器、钛酸钡锆(bzt)电调谐电容器或微机电系统(mems)可谐电容器、或者它们的组合。例如，电容器c1、c2和/或c3可以表示与可调谐电容器电路300组合使用的可粗调的阻抗匹配网络。例如，可以使用电容器c1、c2和/或c3将电路大体调谐到已知的动态阻抗范围，或者可以提供粗略阻抗调整，而可调谐电容器电路300提供细微阻抗调整。例如，电容器c1、c2和/或c3可以许可动态阻抗范围内的粗略阻抗调整，并且可以使用可调谐电容器电路300来进行细微阻抗调整。
尽管电路元件c1、c2和/或c3被表示和描述为电容器，但在一些实现中，这些电路元件可以被其它阻抗匹配组件替代，或者与其它阻抗匹配组件组合使用。例如，电容器c1、c2和/或c3可以由电感器、二极管和电阻器替代，或者与电感器、二极管和电阻器组合使用。
如上所述，在一些实现中，电容器302a和电容器302b的有效电容可以通过例如使各电容器302a、302b在不同的持续时间内短接来独立地调谐。例如，在与分裂线圈502组合时，可以使用电容器302a、302b的独立调谐来校正分裂线圈502的相应绕组504、506中的不平衡。例如，可以将第二谐振器线圈(例如，功率正被传输至的谐振器线圈)放置在分裂线圈502旁边，但是这两者略微未对准，以在绕组504、506之间产生阻抗不平衡。例如，绕组504的阻抗与绕组506的阻抗相比可以变得更具电感性。无线能量传输系统500可以通过例如调整ton_a以增大电容器302a的有效电容、调整ton_b以减小电容器302b的有效电容、或者组合地调整ton_a和ton_b以重新平衡绕组504、506，来校正这种不平衡。
固定imn508可以包括例如电容器或电容器网络、电感器或电感器网络、或者电容器、电感器、二极管和电阻器的各种组合。例如，固定imn508可以提供系统500的具有静态阻抗的部分之间的阻抗匹配，或者将系统500大体调谐为已知的动态阻抗范围(例如，分裂线圈502的动态阻抗范围)。
图6描绘具有控制电路606的第一实现的示例的动态可调谐电容器电路600。控制电路606包括与各电容器302a、302b相关联的触发器602a、602b和ton计数器604a、604b。将触发器602a，602b例示为d触发器，然而，这些触发器可以使用其它类型的触发器或门控锁存电路来实现。如图6所示，控制电路606是对称的，因而为了简单，将在一个电容器(电容器302a)的上下文中说明控制电路。
比较器308a和触发器602a组合控制开关304a的zvs。如以上参考图3所述，在电容器302a两端的电压(va)过零时，比较器308a改变其输出信号的状态。比较器308a的输出信号被施加到触发器602a的边沿触发门控(时钟)输入。触发器602a的输入(d)绑定到高(例如，5v)输入信号vdd(例如，5v)。触发器602a的输出端子(q)电气连接至开关304a的控制端子(例如，晶体管栅极)和ton计数器504a的计数器启动端子。在触发器602a在比较器308a的输出信号中检测到适当边沿(上升或下降)时，该触发器使开关304a变为on以使电容器302a短接，并且触发ton计数器604a开始对持续时间ton进行计时。
ton计数器604a的输出端子电气连接至触发器602a的clr输入端子。在持续时间ton到期时，ton计数器604a生成clr信号以清除触发器602a的输出(例如，重置为低或“0”)，由此使开关304a变为off。另外，ton计数器604a可以接收调谐输入信号以设置持续时间ton并控制电容器302a的有效电容。此外，电容器302a的有效电容的分辨率由ton计数器604a的计数增量来确定。例如，计数增量较小的ton计数器604a将允许电容器302a的有效电容的更精确控制。
图7描绘具有控制电路706的第二实现的示例的动态可调谐电容器电路700。控制电路706包括控制器702、计数器704a、704b、脉冲宽度调制(pwm)发生器707和栅极驱动器708a、708b。可调谐电容器电路700与参考图3所述的可调谐电容器电路相同，并且包括附加的一组比较器710a、710b。
控制器702可以是例如微控制器、计算机处理器、fpga或asic。控制器702可以包括或者耦接到例如随机存取存储器、闪速存储器或其它适当的存储器装置等的计算机可读存储装置。在一些示例中，计数器704a、704b可以是控制器702的内部计数器。控制器702接收一个或多个输入调谐信号，并且控制pwm发生器707以基于这些输入调谐信号来调整电容器302a、302b的有效电容。
pwm发生器707生成用于控制开关304a、304b的pwm信号。利用pwm信号的相位来控制开关304a、304b的on定时或zvs定时，并且利用pwm信号的占空比来控制off定时或ton。例如，占空比增加以延长ton持续时间，并且减少以缩短ton持续时间。pwm信号的周期被配置为匹配施加到电容器302a、302b的信号(va、vb)的周期。因此，例如，对于施加到电容器302a、302b的6.78mhz信号，pwm信号的周期约为147.5ns。栅极驱动器708a、708b在适用时放大pwm信号以使开关304a、304b工作。
如参考图3的控制电路306所述，控制电路706通过控制短接持续时间ton来控制开关304a、304b的zvs和电容器302a、302b的有效电容。另外，控制电路706调整用于使开关304a、304b变为on的zvs定时以考虑切换控制延迟。例如，电子电路具有一些固有的信号处理和传播延迟，其中由于延迟时间表示工作信号周期的较大部分，因此在电路以较高频率工作时，这些信号处理和传播延迟变得更加明显。控制电路706可以监测这样的延迟并相应地调整开关304a、304b的zvs定时。
使用比较器710a、710b来监测施加到开关304a、304b的控制信号。更具体地，在将晶体管(例如，mosfet)用于开关304a、304b时，比较器710a、710b可以被配置为监测略低于阈值电压的电压、例如阈值电压减去电压偏移(δ)即(vth-δ)。电压偏移的大小(δ)小于关联晶体管的阈值电压(vth)的大小。
例如，如图7所示，各比较器710a、710b的非反相(“+”)输入端子电气连接至相应开关304a、304b的控制端子(例如，栅极)。各比较器710a、710b的反相(“-”)输入端子电气连接至相应开关304a、304b的参考电压v1或v2。参考电压v1和v2可以被设置为关联开关304a、304b的阈值电压(vth)或者阈值电压减去电压偏移(vth-δ)。在该结构中，各比较器710a、710b在相应开关304a、304b的栅极驱动信号的电压超过可应用的参考电压v1或v2时将输出高信号值，由此表示相应开关304a、304b为on。
如图7所示，控制电路706是对称的，因此为了简单，将在控制开关/电容器对(开关304/电容器302a)中的仅一个的上下文中说明该控制电路。计数器704a和控制器702控制开关304a的zvs定时。计数器704a从比较器308a和比较器710a这两者接收定时输入信号。如上所述，比较器308a的输出信号表示电容器302a两端的电压(va)何时过零，并且比较器710a的输出信号表示开关304a何时变为on。计数器704a通过测量比较器308a和比较器704a的输出信号之间的定时差来测量使开关304a变为on时的延迟(“切换延迟”)。例如，计数器704a在接收到来自比较器308a的输出信号的适当边沿(上升或下降)时，可以启动计时器，并且在比较器710a的输出信号表示正在向开关304a施加足够的驱动电压以使开关304a变为on时，停止计时器。
将所测量到的切换延迟提供至控制器702。控制器702向pwm发生器707提供控制信号，以使发送到栅极驱动器708a的pwm信号的相位偏移，从而减少开关304a的切换延迟。例如，可以使发送到栅极驱动器708a的pwm信号的相位提前了与所测量到的切换延迟等同的量。在一些示例中，控制器702可以在每当开关304a变为on时监测切换延迟，并且适当地对pwm信号进行调整。在一些示例中，控制器702可以调整pwm信号，直到切换延迟最小化为止。也就是说，控制器702可以调整pwm信号，直到在电路组件的限制内(例如，在计数器704a、704b的精度内)切换延迟为零或约为零为止。
图8描绘具有控制电路806的第三实现的示例的动态可调谐电容器电路800。控制电路806包括控制器802、相位检测电路804a、804b、积分器电路805a、805b、比较器807a、807b、触发器809a、809b和栅极驱动器808a、808b。可调谐电容器电路800与参考图3所述的可调谐电容器电路相似，并且包括分压器电路812a、812b和附加的一组比较器810a、810b。
控制器802可以是例如微控制器、计算机处理器、fpga或asic。控制器802可以包括或耦接到诸如随机存取存储器、闪速存储器或其它适当的存储器装置等的计算机可读存储装置。在一些示例中，控制器802可以是pwm发生器。
如参考图3的控制电路306所述，控制电路806通过控制短接持续时间ton来控制开关304a、304b的zvs和电容器302a、302b的有效电容。另外，控制电路806调整用于使开关304a、304b变为on的zvs定时以考虑切换控制延迟。例如，电子电路通常至少具有一些固有的信号处理和传播延迟，其中由于延迟时间表示工作信号周期的较大部分，因此在电路以较高频率工作时，这些信号处理和传播延迟变得更加明显。控制电路806可以监测这样的延迟并相应地调整开关304a、304b的zvs定时。
比较器810a、810b监测施加到开关304a、304b的控制信号。更具体地，在晶体管(例如，mosfet)用于开关304a、304b时，比较器810a、810b检测栅极驱动信号何时满足关联晶体管的阈值电压(vth)。在一些示例中，比较器810a、810b监测略低于阈值电压的电压、例如阈值电压减去电压偏移(δth)即(vth-δth)。电压偏移(δth)在期望软切换的情况下可以为正，或者在期望硬切换的情况下可以为负。电压偏移(δth)的大小小于关联晶体管的阈值电压(vth)的大小。
例如，如图8所示，各比较器810a、810b的非反相(“+”)输入端子电气连接至相应开关304a、304b的控制端子(例如，栅极)。各比较器810a、810b的反相(“-”)输入端子电气连接至相应开关304a、304b的参考电压v1或v2。参考电压v1和v2可以被设置关联开关304a、304b的阈值电压(vth)或者阈值电压减去电压偏移(vth-δth)。在该结构中，各比较器810a、810b在相应开关304a、304b的栅极驱动信号的电压(vg)超过可应用的参考电压v1或v2时将输出高信号值，由此表示相应开关304a、304b为on。在一些实现中，参考电压v1或v2相等。此外，在一些实现中，比较器810a和810b这两者的反相输入端子可以电气连接至公共参考电压(例如，v1或v2)。可选地，参考电压v1和v2可以不同并且可以作为独立的参考电压提供。
分压器电路812a、812b可选地用在可调谐电容器电路800中，其中可调谐电容器电路800以会损坏比较器308a、308b、807a和807b以及控制电路806的可能其它部分的高电压进行工作。分压器电路812a、812b使可调谐电容器电路800的工作电压(例如，va和vb)下降到控制电路806可以在不会引起损坏的情况下管理的电压电平。各分压器电路812a、812b包括具有适当值的电阻元件816和阻抗元件814(例如电容器和/或电感器)的网络，以使来自用于控制电路806的可调谐电容器电路的电压下降。尽管在图8中明确地例示出分压器电路812a、812b，但这些分压器电路也可以包括在任何前述实现中。
如图8所示，控制电路806是对称的，因此为了简单，将在控制开关/电容器对(开关304a/电容器302a)中的仅一个的上下文中说明该控制电路。然而，应该理解，以下论述等同地适用于其它开关电容器对(例如，开关304b/电容器302b)的控制。相位检测电路804a与比较器308a和810a的输出端耦接，并且接收比较器308a和810a的输出信号作为相位检测电路804a的输入信号。相位检测电路804a的输出与积分器电路805a的输入耦接。相位检测电路804a和积分器电路805a一起生成输入到比较器807a的参考电压(vint)。
比较器807a相对于由相位检测电路804a和积分器电路805a生成的参考电压(vint)来监测开关304a和电容器302a两端的电压(va)。比较器807a的非反相(“+”)输入端子与积分器电路805a耦接。比较器807a的反相(“-”)输入端子电气连接至开关304a和电容器302a的非接地端子。结果，在反相输入端子的信号(例如，电压va或者由可选的分压器电路812a分压后的va)降至低于参考电压(vint)时，比较器807a反转其输出信号。
触发器809a在边沿触发时钟端子处接收到比较器807a的输出信号。比较器807a的输出信号的上升沿使触发器809a输出施加到触发器809a的输入端子(d)的电压信号(vdd)，由此接通开关304a。触发器809a的输出端子(q)经由可选的栅极驱动器808a电气连接至开关304a的控制端子(例如，晶体管栅极)。控制器802与触发器809a的复位端子(clr)耦接，并且在电容器短接持续时间ton之后向触发器809a发送复位信号以断开开关304a(或使开关304a变为off)。
在操作中，相位检测电路804a、积分器电路805a和比较器807a控制开关304a何时闭合(例如，晶体管何时变为on)。换句话说，相位检测电路804a、积分器电路805a和比较器807a控制开关304a的zvs定时。相位检测电路804a和积分器电路805a自适应地生成考虑控制电路806的切换延迟的用于比较器807a的参考电压(vint)。建立参考电压(vint)，以使比较器807a在开关304a和电容器302a两端的电压(va)过零之前的适当时间量开始切换处理(使开关304a变为on的处理)，使得开关304a将在过零处而不是在几纳秒之后开始导通(变为on)。比较器807a监测开关304a和电容器302a两端的电压(va)，并且在va(或者由可选的分压器电路812a分压后的va)降至低于积分器电路805a的输出电压(vint)时反转其输出信号，由此使触发器809a接通开关304a。
更具体地，如上所述，比较器308a监测电容器302a两端的电压。在电容器302a(和开关304a)两端的电压(va)处于(或接近)零时，比较器308a的输出信号切换状态。因而，比较器308a的输出信号被定时到电容器302a和开关304a两端的电压的过零。此外，如上所述，比较器810a监测施加到开关304a的控制信号。在开关的控制端子的电压(vg)处于或超过阈值电压(v1)时，比较器810a的输出信号切换状态。阈值电压(v1)被设置为或稍低于使开关304a变为on所需的电压，因而比较器810a的输出信号被定时成表示开关304a何时变为on。
相位检测电路804a确定来自比较器308a和比较器810a的输出信号之间的相位差，其中该相位差表示在比较器308a检测到电压va过零时和在开关304a实际变为on以使电容器302a短路时之间的时间延迟。每当开关304a变为on时，相位检测电路804a输出与该相位差成比例的电压信号。积分器电路805a对相位检测电路804a的输出信号进行求和，其结果被提供作为比较器807a的非反相输入端子的参考电压(vint)。由于施加到比较器807a的参考电压(vint)略高于零，因此比较器807a将在电压va实际过零之前开始开关304a的切换处理。这样提供了开关304a的控制端子的电压达到足以使电压va过零时使开关304a变为on的值的足够时间。
图9a～9d描绘控制电路806中的示例性控制信号的曲线图。图9a描绘在将电压信号施加到可调谐电容器电路800之后的1μs处开关304a和电容器302a两端的电压(va)和施加到开关304a的控制端子的电压(vg)的曲线图900。电压信号va是6.78mhz的正弦信号。曲线图900示出在控制电路806有时间对切换延迟902进行调整之前的信号va和vg。在点904处，va通过零伏，并且控制电路806开始将栅极电压(vg)施加到开关304a的控制端子。然而，栅极电压(vg)没有达到开关304a的阈值电压(例如，1.5v)，直到点906为止。因此，由于切换延迟902，因此允许开关304a和电容器302a两端的电压(va)在开关304a在点906处接通之前明显降至低于零伏。总切换延迟902约为3.63ns并且表示电压信号va的周期的约2.5％。
然而，在短时间段内，相位检测电路804a和积分器电路805a调整比较器807a的考虑切换延迟902使点904偏移的参考电压(vint)，并且在较早的时间开始将栅极电压(vg)施加到开关304a。例如，图9b描绘示出积分器电路805a的输出信号(vint)(也是比较器807a的参考电压)随时间的经过而改变的示例的曲线图925。在电压信号施加到可调谐电容器电路800之后的1μs(点926)处，电压信号vint相对较小。因而，比较器807a不会触发触发器809a接通开关，直到开关304a和电容器302a两端的电压(va)已太接近零而不能考虑切换延迟为止。电压信号vint在约18μs处开始平稳，并且在施加电压信号之后的约34μs(点928)处完全实现zvs。注意，电压信号vint的斜率的连续减小例示出：随着开关定时接近zvs，比较器308a和810a的输出信号之间的相位差不断减小。
图9c描绘在将电压信号施加到可调谐电容器电路800之后的约34μs处开关304a和电容器302a两端的电压(va)和施加到开关304a的控制端子的电压(vg)的曲线图950。这里，在电压va约为5.5v时的开关304a的点952处，控制电路806开始将栅极电压(vg)施加到的控制端子。因而，在电压信号va过零(点904)的约20ps内的点906处，栅极电压vg达到开关304a的阈值电压(例如，1.5v)。然而，更多是由于振荡而非切换延迟，电压信号va仍降至略低于零。
再次参考图8，控制器802控制电容器短接持续时间(ton)(例如，开关304a维持on的时间)。例如，控制器802可以包括计时器，其中该计时器在开关304变为on时被触发启动。在计时器到期时，控制器802向触发器809a发送复位信号，从而使触发器809a通过例如停止向开关304a的控制端子施加所需电压来使开关304a变为off。控制器802可以基于由控制器802接收到的输入信号来改变ton的值。例如，控制器802可以从阻抗匹配网络控制电路来接收输入信号。
图9d描绘流入电容器302a和开关304a的电流(iac)、开关304a和电容器302a两端的电压(va)以及施加到开关304a的控制端子的电压(vg)的曲线图975。曲线图975示出控制电路806的全部操作。大致在电压信号va在点904处过零前，在点952处，控制电路806开始向开关304a的控制端子施加栅极电压信号(vg)。在点906处，栅极电压信号vg的值足以使开关304a变为on。控制器802在短接持续时间(ton)980到期之后在点976处重置触发器809a。在点978处，栅极电压信号充分衰减以使开关304a变为off并且电容器302a开始充电。控制器802在电流iac的正半部分982内使开关304a变为off，使得电压信号va不断上升。
返回参考图8，在一些实现中，控制器802可以是pwm发生器。在这种实现中，pwm发生器可以将pwm信号输出至触发器809a的复位端子。可以利用pwm信号来控制短接持续时间(ton)。例如，可以使pwm信号的频率与施加到电容器302a和开关304a的电压信号va的频率匹配。可以利用pwm信号脉冲的相位相对于电压信号va的相位来控制短接持续时间(ton)。例如，可以设置pwm脉冲的上升沿与电压信号va的负斜率上的过零之间的相位延迟量以实现期望的短接持续时间(ton)。
在一些实现中，参考电压v1和v2的电压偏移(δth)可以是可调整的。例如，电压偏移(δth)可以是数模转换器(dac)的输出。向dac的输入可以是来自控制器802的数字输出信号。例如，可调整的电压偏移(δth)可以允许zvs点的微调。例如，减小电压偏移(δth)的大小使控制电路806偏向更接近所施加的电压信号的实际过零点的切换。此外，使电压偏移(δth)减小为零或负值可以使控制电路806置于硬切换模式。
在一些实现中，比较器308a、308b以接地端为参考。也就是说，例如，如图3那样，比较器308a、308b的非反相输入连接至接地端。在一些实现中，比较器308a、308b可以以略微正的电压(vgnd+δ)为参考。也就是说，比较器308a、308b的非反相输入可以连接至略微正的电压(vgnd+δ)。在一些示例中，可以设置δ电压，以减小初始切换延迟(例如，图9a所示的切换延迟)，并且缩短控制电路806生成用于比较器805a的最佳参考电压(vint)所需的时间。在一些示例中，可以设置δ电压，使得与软切换相比，使控制电路806更多地偏向硬切换。此外，δ电压可以是预设值或可调整的。
参考对电压波形的正半部分进行zvs说明了以上论述的示例和实现。应当理解，所论述的实现也可以对电压波形的负半部分进行zvs。为此，可以反转参考信号的极性，并且可以切换向适当比较器的输入端子的连接。另外，可以切换在所示电路中示出的向比较器的输入端子的连接以用于下降沿触发装置(例如，触发器)而不是上升沿触发装置。
在一些示例中，上述各可调谐电容器电路的控制电路可以被实现为其它应用中的zvs电路。例如，可以使用任何上述实现的控制电路作为各种放大器或电源(例如，d类或e类切换放大器)的zvs控制电路。例如，本文所述的zvs装置和方法可用于控制放大器或电源的开关定时，以使放大器或电源中的功率损耗最小化。零电压放大器切换也可以减少放大器中的硬切换效应和电磁干扰效应。
为了说明性目的，前面的描述集中于桌面无线功率传输应用(例如，向诸如膝上型电脑、智能手机以及通常放置在桌面、台面和其它用户工作面上的其它移动电子装置等的电子装置的功率传输)中的装置、组件和方法的使用。
然而，更一般地，应当理解，可以使用这里所公开的装置、组件和方法来接收功率的装置可以包括各种各样的电气装置，并且不限于为了说明性目的而在这里进行描述的装置。一般来说，诸如手机、键盘、鼠标、收音机、照相机、移动手持终端、头戴式耳机、手表、耳机、加密狗、多功能卡、食品和饮料辅料等的任何便携式电子装置、以及诸如打印机、时钟、灯、耳机、外部驱动器、投影仪、数字相框和附加显示器等的任何工作区电子装置可以使用这里所公开的装置、组件和方法来无线地接收功率。此外，诸如电动车辆或混合电动车辆、机动轮椅、轻便摩托车和电动工具等的任何电气装置可以使用这里所公开的装置、组件和方法来无线地接收功率。另外，这里所公开的装置、组件和方法可以用于无线功率传输以外的应用，例如，功率因数校正装置和手持式信号分析器等。
在本发明中，诸如电容器、电感器、电阻器、二极管和开关等的某些电路或系统组件被称为电路“组件”或“元件”。本发明还将这些组件或元件的串联或并联组合称为元件、网络、拓扑和电路等。此外，描述了电容器、二极管、晶体管和/或开关的组合。然而，更一般地，在这里描述单个组件或组件的特定网络的情况下，应当理解，替代实施例可以包括元件的网络和/或替代网络等。
如这里所使用的，在参考电路或系统组件时，术语“耦接”用于描述一个或多个组件之间的、信息或信号可从一个组件传递至另一组件所经由的适当的、有线的或无线的、直接的或间接的连接。
如这里所使用的，术语“直接连接”是指两个元件之间的直接连接，其中元件之间未连接有介于中间的有源元件。术语“电气连接”是指两个元件的电气连接，其中元件被连接为使得元件具有公共电位。另外，第一组件和第二组件的端子之间的连接意味着在该第一组件和该端子之间存在不经过第二组件的路径。
这里所述的实施例仅用于例示但并非限制本发明的特征。其它实施例也在本发明的范围内。
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