无线传输功能中的动态死区时间控制的制作方法

交叉引用

本申请在35u.s.c.§119(e)之下要求2018年12月20日提交的共同未决且共同拥有的美国临时申请号62/783,064的权益，该美国临时申请由此通过引用明确地并入本文。

本发明的实施例涉及电力的无线传输，并且特别地涉及控制无线电力发射器中的死区时间。

背景技术：

移动设备(例如，智能电话、平板、可穿戴设备和其他设备)越来越多地使用无线电力充电系统。一般而言，无线电力传送涉及发射器和接收器，发射器驱动发射器线圈，接收器具有放置在发射器线圈附近的接收器线圈。接收器线圈接收由发射器线圈生成的无线电力，并且使用该所接收的电力来驱动负载，例如为电池充电器提供电力。

存在多种不同的当前在用的标准用于电力的无线传送。用于电力的无线传输的更常见的标准包括无线电力联盟(a4wp)标准和无线充电联盟标准，qi标准。在无线充电联盟(qi)规范下，感应性耦合系统用于向具有接收器线圈电路的单个设备充电。在qi标准中，接收设备线圈与传输线圈紧密邻近地放置，而在a4wp标准中，接收设备线圈放置在发射线圈附近(可能与属于其他充电设备的其他接收线圈一起)。

通常，无线电力系统包括发射器线圈和接收器线圈，发射器线圈由交变电流驱动以产生时变磁场，接收器线圈可以是设备(诸如蜂窝电话、pda、计算机、或其他设备)的一部分，该设备相对于发射器线圈定位以接收在时变磁场中传输的电力。传输电力损耗可能经常发生在从发射器线圈到接收器线圈的电力传送期间，这削弱无线电力充电系统的效率。

因此，存在提高无线电力传送的效率的需求。

技术实现要素：

鉴于归因于死区时间配置的电力传送效率问题，本文中描述的实施例提供了一种动态地调节死区时间以减少电力损耗的无线电力发射器。具体地，无线电力发射器包括用于切换第一节点处的第一电压和第二节点处的第二电压的晶体管电路、以及耦合在第一节点与第二节点之间的lc电路。无线电力发射器还包括耦合到晶体管电路的控制器。控制器被配置为确定在切换的死区时间期间第一电压和第二电压中的任何一个电压是否为负(归因于mosfet的体二极管传导)。当在切换的死区时间期间第一电压和第二电压均不为负时，控制器被配置为将死区时间递增调节量。当在切换的死区时间期间第一电压和第二电压之一为负时，控制器被配置为将死区时间递减调节量。

下文关于随后的附图来讨论这些和其他实施例。

附图说明

图1图示了根据一些实施例的具有用于死区时间控制的控制器的无线电力系统。

图2图示了根据一些实施例的图1中示出的无线电力发射器的示例电路结构。

图3图示了根据一些实施例的电压的示例波形，这些电压被生成以驱动图2中示出的无线电力发射器内的lc电路。

图4图示了根据一些实施例的示例数据绘图，其表示图2中示出的无线电力发射器中的作为死区时间的函数的电力损耗。

图5-图7图示了根据一些实施例的电压的示例波形，这些电压分别利用死区时间的不同设置被生成，以驱动图2中示出的无线电力发射器内的lc电路。

图8图示了根据一些实施例的示例逻辑流程图，其示出了动态地控制死区时间以减小图2中示出的无线发射器处的电力损耗的过程。

下文进一步讨论本发明的实施例的这些和其他方面。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，对本领域的技术人员将明显的是，一些实施例可以不具有这些具体细节中的一些或全部而被实践。本文中公开的具体实施例意在是说明性的而非限制性的。本领域的技术人员可以实现尽管在这里没有具体描述但是在本公开的范围和精神内的其他元素。

该描述说明了发明性的各方面，并且实施例不应当被认为是限制性的—权利要求限定了受保护的发明。不偏离该描述和权利要求的精神和范围，可以进行各种改变。在一些实例中，未详细示出或描述公知的结构和技术，以免使本发明模糊不清。

图1图示了根据本发明的一些实施例的无线电力系统100。如图1中图示的，发射设备102将无线电力传送到接收设备104。

发射设备102由直流(dc)输入105(例如，从5v到19v等)供电，dc输入105可以从通用串行总线(usb)总线或ac/dc电力适配器来得到。发射设备102包括耦合到dc输入源105和发射器线圈106的切换式晶体管阵列110。晶体管阵列110产生交变电流，该交变电流被馈送到发射器线圈106，发射器线圈106进而生成时变电磁场。以这种方式，发射器线圈106经由电磁感应向耦合到接收设备104的接收器线圈108传送电力。

接收器线圈108耦合到接收设备104内的整流器电路，其接收并且对接收器线圈108处接收的无线电力整流，并且然后进而提供用于电池充电的输出电压。

具体地，晶体管阵列110由发射设备102处的控制器115控制。例如，控制器115被配置为控制晶体管阵列110，来调节从晶体管阵列110输出的交变电压中的死区时间，以减少电力损耗。下文关于图2-图8来讨论用于动态死区时间控制的晶体管阵列110和控制器115的结构和操作的更多细节。

图2图示了根据一些实施例的图1中示出的无线电力发射器102的示例电路结构。无线发射器102包括lc电路，该lc电路包括串联耦合的发射器线圈电感器205和电容器208。电感器205和电容器208的lc电路耦合在ac1节点201与ac2节点202之间。

lc电路由反相器电路驱动，该反相器电路由晶体管开关211(q1)、212(q2)、213(q3)和214(q4)形成。具体地，晶体管开关211(q1)和213(q3)串联耦合，以在输出电压vdc的dc电压输入105与地之间形成晶体管桥。节点ac1201耦合晶体管开关211(q1)和213(q3)。类似地，晶体管开关212(q2)和214(q4)串联耦合，以在电压输入vdc105与地之间形成另一晶体管桥，与晶体管开关211(q1)和213(q3)的桥并联。节点ac2202耦合晶体管开关212(q2)和214(q4)。

在一些实施例中，晶体管开关211(q1)、212(q2)、213(q3)和214(q4)中的每个包括晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，其包括并联的体二极管、或与晶体管并联连接的二极管。

控制器115被配置为：通过向q1-q4中的晶体管施加栅极电压，来控制晶体管开关211(q1)、212(q2)、213(q3)和214(q4)。具体地，为了提供通过电感器205的传输线圈的ac电流，211(q1)、212(q2)、213(q3)和214(q4)的晶体管的栅极被控制，以使得在一个时段的一部分(例如，占空比的第一半)期间，晶体管开关211(q1)和214(q4)接通，而晶体管开关212(q2)和213(q3)关断，并且在该时段的第二部分(例如，占空比的第二半)期间，晶体管开关212(q2)和213(q3)接通，而晶体管开关211(q1)和214(q4)关断。例如，控制器115被配置为：将栅极电压施加到晶体管开关211(q1)和214(q4)，并且将栅极电压的反转施加到晶体管开关212(q2)和213(q3)，以使得晶体管开关211(q1)和晶体管开关214(q4)以及晶体管开关212(q2)和晶体管开关213(q3)交替地被接通或关断。因此，ac1节点201处的电压在vdc(当晶体管开关211(q1)和214(q4)接通并且晶体管开关212(q2)和213(q3)关断时)与0(当晶体管开关211(q1)和214(q4)关断并且晶体管开关212(q2)和213(q3)接通时)之间转换。并且，ac2节点202处的电压与ac1处的电压交替地在0(当晶体管开关211(q1)和214(q4)接通并且212(q2)和213(q3)关断时)与vdc(当晶体管开关211(q1)和214(q4)关断并且晶体管开关211(q2)和213(q3)接通时)之间转换。

在一些实施例中，控制器被配置为：监测来自ac1节点201和ac2节点202的交变电压，并且然后分别调节用于晶体管开关211(q1)和214(q4)或晶体管开关212(q2)和213(q3)的栅极电压的定时。

图3图示了根据一些实施例的电压的示例波形，这些电压被生成以驱动图2中示出的无线电力发射器102内的电容器208和电感器205的lc电路。如图3中的示图301和示图302所图示的，在周期的第一部分期间，当q1和q4接通而q2和q3关断时，ac1节点201被保持在vdc(在节段303处示出)，而ac2节点202被保持在接地(在节段304处示出)。在周期的第二部分期间，当q2和q3接通而q1和q4关断时，ac1节点201被保持在接地(在节段305处示出)，而ac2节点202被保持在vdc(在节段306处示出)。

第一部分与第二部分之间的切换时间被称为死区时间，其中ac1节点201的电压从vdc转变到接地，并且ac2节点202的电压从接地转变到vdc。例如，死区时间是在同一半桥上的高侧晶体管开关211(q1)和212(q2)传导与低侧晶体管开关213(q3)和214(q4)传导之间的时间间隔。死区时间防止了同一半桥上的高侧晶体管和低侧晶体管两者同时传导的事件。长的死区时间将导致ac1/ac2节点处的切换瞬变在死区时间结束之前完成。在这种情况下，当切换转变在死区时间结束之前完成时，mosfet体二极管接通。如在节段307或节段308处图示的，当死区时间太长时，转变中的过冲(例如，当从高到低转变时，电压下降到低于零)可能发生。短死线导致当mosfet被接通时，ac1/ac2节点处的切换转变未完成。在这种情况下，将发生硬切换。

切换瞬变时间由线圈电流、负载条件、供应电压和ac1/ac2电容来确定，它们可能变化。死区时间是可以由固件或由硬件设置以适应任何切换瞬变时间的参数。在一些实施例中，控制器115被配置为设置用于晶体管阵列110的死区时间。

图4图示了诸如图2中图示的示例无线发射器电路102的电力损耗与死区时间的曲线图。如上文讨论的，如果死区时间短，则发生硬切换。因此，ac1/ac2电容器上存储的能量然后通过晶体管并且通过寄生电阻被耗散，导致该能量的损耗。相反，长的死区时间导致在二极管模式下的操作，其中晶体管开关211-214(q1-q4)的晶体管体二极管接通。长的死区时间中的电力损耗那么归因于流过体二极管正向电压的电流。在数据点402处示出的产生最少电力损耗的优化的死区时间可以导致对硬切换或二极管模式的避免。

图5-图7图示了根据一些实施例的电压的示例波形，这些电压分别利用死区时间的不同设置被生成，以驱动图2中示出的无线电力发射器内的lc电路。图5图示了50ns的死区时间501，其引起在死区时间之后的硬切换。图6图示了260ns的死区时间602，如图4中所图示的，其基本上接近优化的死区时间，在此期间，随着死区时间的结束，从高到低的转变恰好完成。图7图示了利用377ns的死区时间702的操作，其在死区时间结束之前在从高到低的转变完成时在二极管模式范围内。图7还图示了在切换期间在ac1或ac2节点上具有显著负电压的过冲。例如，当ac1节点电压从高电压变为低电压时，电压可能过冲至节段704处示出的负电压。同时，当ac2节点电压从低变为高时，电压可能在切换期间过冲至节段706处示出的更大的正电压。

因此，根据一些实施例，控制器115被配置为执行动态死区时间优化功能。在一些实施例中，控制器115可以包括过零检测电路块，该过零检测电路块可以检测，如图7中所图示的，ac1或ac2何时转变为负电压，这指示二极管模式下的操作。因此，如果负电压被检测到，表明电压在死区时间结束之前已经完成从高到低的转变，则死区时间可以被递减。如果没有负电压被检测到，表明电压在死区时间结束之前可能尚未完成从高到低的转变，则死区时间可以被递增。因此，无论死区时间的初始值如何，最终死区时间将收敛于最佳死区时间。

图8图示了根据一些实施例的示例逻辑流程图，其示出了动态地控制死区时间以减小图2中示出的无线发射器处的电力损耗的过程800。在步骤802处，晶体管阵列110中的ac1节点和ac2节点处的切换电压利用切换的死区时间被生成。在步骤804处，lc电路(205和208)由切换电压驱动。在步骤806处，过零被监测以在死区时间期间检测节点ac1和/或ac2上的负电压。在步骤808处，控制器确定ac1和ac2节点中的任一个节点处的电压在切换的死区时间期间是否为负。在步骤812处，当负电压被检测到时，死区时间被递减调节值。在步骤810处，当没有负电压被检测到时，死区时间被递增调节值。调节值可以是预定的，例如，5ns、10ns、15ns等。

上述详细描述被提供以说明本发明的特定实施例并且不旨在限制。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。本发明在随后的权利要求中阐述。