CN102270937A - 无线功率传输系统的整流器电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线功率传输系统的整流器电路，该整流器电路包括：整流单元，该整流单元将通过RF输入级输入的RF信号整流为半波整流类型；阻抗匹配单元，该阻抗匹配单元被安置在RF输入级与整流单元之间，以对RF输入级与整流单元之间的阻抗进行匹配；以及滤波单元，该滤波单元对整流单元整流后的信号进行滤波，从而去除射频噪声分量并减小射频振铃现象，从而提高整流器电路的效率。

Description

无线功率传输系统的整流器电路
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年6月7日提交的、题为“Rectifier Circuit of WirelessPower Transmission System”的韩国专利申请No.10-2010-0053499的权益，其全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及无线功率传输系统的整流器电路。
背景技术
在21世纪，随着IT技术的发展，在相对于无线的无边界扩展域的基础上，通信系统继续快速地发展。
因此，近来，通信系统已经改变成不受时间和地点限制并且便于携带的面向用户的系统。
然而，不论通信系统如何发展，功率和能量的传输依然依赖于有线系统，因此，实际使用通信系统时是非常受时间和地点的限制的。所以，系统的全面无线实际上难以实现。
如今，代表性地应用在无线功率传输技术中的技术有：使用无线电波的无线电波接收类型技术，使用磁场的磁感应类型技术，以及通过磁场和电场的能量转换实现的磁谐振技术，等等。
无线电波接收类型技术通过天线向空中辐射无线电波，这样可长距离地传输功率，但是在向空中辐射时具有非常大的辐射损耗，因此在功率传输效率方面具有局限性。
同时，磁感应类型技术使用传输侧的初级线圈和接收侧的次级线圈的磁能量的结合，因此具有高的功率传输效率。
然而，在磁感应类型技术中，为了功率传输，传输侧的初级线圈和接收侧的次级线圈需要相距约几毫米的短距离。
此外，存在的问题在于，功率传输的效率会根据传输侧的初级线圈和接收侧的次级线圈的线圈对准而快速变化，并且热值大。
因此，近年来，正在开发磁谐振技术，磁谐振技术与磁感应类型技术相类似，但是磁谐振技术通过由线圈型电感器L和电容器C将能量集中到特定谐振频率上，来以磁能的形式传输功率。
该磁谐振技术能够传输相对大的功率到几米的距离，但需要高的品质因子。
另一方面，在上述磁谐振类型无线功率传输系统中，系统的效率和尺寸非常重要。
换句话说，无线功率传输系统需要具有更小的尺寸和更高的效率，但是为了达到此目的，射频比低频率相对有利。
然而，功率系统使用射频来增加功率密度，但具有局限性，因为为了在整流器终端达到高的效率，需要最小化寄生分量来减小寄生RF振铃现象(ringing phenomenon)。因此，在实现射频的使用时存在着许多问题。
由于封装技术的开发，寄生电感确实非常小，但是仍然存在的寄生电感分量形成生成噪声的射频谐波，从而降低了转换器的整体效率。
发明内容
本发明致力于提供一种无线功率传输系统的整流器电路，其能够通过去除射频噪声分量来改善整流器电路的效率并减小RF振铃现象。
根据本发明的优选实施方式，提供了一种无线功率传输系统的整流器电路，该整流器电路包括：整流单元，该整流单元将通过RF输入级输入的RF信号整流为半波整流类型；阻抗匹配单元，该阻抗匹配单元被安置在RF输入级与整流单元之间，来对RF输入级与整流单元之间的阻抗进行匹配；以及滤波单元，该滤波单元对整流单元整流后的信号进行滤波。
整流单元可包括：第一二极管，该第一二极管串联在阻抗匹配单元与滤波单元之间；电容器，该电容器与第一二极管并联并位于阻抗匹配单元与滤波单元之间；以及第二二极管，该第二二极管与第一二极管并联并位于第一二极管的阴极端子与地之间。
阻抗匹配单元可以包括电容器，该电容器串联在RF输入级与整流单元之间。
滤波单元可以包括：电感器，该电感器串联在整流单元与输出级之间；第一电容器，该第一电容器与所述电感器并联并位于所述电感器的一端与地之间；以及第二电容器，该第二电容器与第一电容器并联并位于所述电感器的另一端与地之间。
附图说明
图1是示出了根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路的电路图；
图2是示出了图1所示的整流器电路的操作的图示；
图3是示出了在现有技术的桥式整流器电路中生成的射频谐波的图示；
图4是示出了由图1所示的整流器电路去除的射频噪声的图示；以及
图5是示出了图1所示的整流器电路的效率以及现有技术的桥式整流器电路的效率的图示。
具体实施方式
通过下面结合附图的详细说明，本发明的上述以及其他目的、优点和特征将会变得更加显而易见。
在本说明书和权利要求书中使用的术语和词语不应被解释为局限于典型含义或词典定义，而应基于发明者能够适当地定义术语的概念来最合适地描述他/她知晓的实施本发明的最好方法的规则被解释为具有与本发明技术领域相关的含义和概念。
在说明书中，在向整个附图中的组件添加参考标记时，需要注意的是，相同的参考标记指代相同的组件，即使各组件显示于不同的附图中。
此外，当确定对与本发明相关的公知技术的详细说明会模糊本发明的主旨时，这样的详细说明将被省略。
下文中，将参考附图对根据本发明的优选实施方式进行详细说明。
图1是示出了根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路的电路图。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路包括阻抗匹配单元2、整流单元4以及滤波单元6。
阻抗匹配单元2被安置在RF输入级Vin与整流单元4之间，以对RF输入级Vin与整流单元4之间的阻抗进行匹配。
阻抗匹配单元2由串联在RF输入级Vin与整流单元4之间的第一电容器C1构成。
整流单元4将通过RF输入级输入的RF信号整流为半波整流类型。
为实现此目的，整流单元4包括：第一二极管D1，其串联在阻抗匹配单元2与滤波单元6之间；第二电容器C2，其与第一二极管D1并联并位于阻抗匹配单元2与滤波单元6之间；以及第二二极管D2，其串联在第一二极管D1的输出端子与地(GND)之间，以与第一二极管D1并联。
滤波单元6对整流单元4整流后的信号进行滤波，并且优选使用高阶滤波器来改善滤波特性。
滤波单元6包括：第三电容器C3，其与第二二极管D2并联并位于第一二极管D1的阴极端子与第二二极管D2的阴极端子的公共端子与地GND之间；第四电容器C4，其与第三电容器C3并联；以及电感器L1，其与第三电容器C3以及第四电容器C4并联并位于第三电容器C3与第四电容器C4之间，从而用作低通滤波器。
这里，电感器L1与第四电容器C4的公共端子用作输出DC电压的输出级。
对于具有这种配置的根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路而言，由于第一电容器C1的电容值远大于第一二极管D1的寄生电容器(即第一二极管D1的内部电容器)的电容值，所以输入阻抗被固定为几乎是第一电容器C1的电容值。
另一方面，在具有上述配置的根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路中，输入覆盖了10MHz或高于10MHz(优选为13.56MHz)的射频源(寄生谐振对这样的射频源具有重要影响)，并且输出具有纹波为100mV或更少的稳定的DC电压特性。
为实现此目的，具有上述配置的根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路优选满足下述条件。
i)输入源(即，RF输入)是具有最小谐波的正弦波，并且具有50％的占空比。
ii)整流单元4的二极管(即，第一二极管D1和第二二极管D2)没有传导损耗，并且具有关态电阻(off resistance)。
iii)开关操作没有延迟，立刻发生。
以下将参考图2来描述具有上述配置的根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路在这样条件下的操作。
首先，当通过RF输入级Vin输入前向(+)RF信号时，第一二极管D1被导通。
这里，由于全部电流流经第二电容器C2和第一二极管D1，所以流经第二二极管D2的电流变为0。
也就是说，当通过RF输入级Vin输入前向RF信号时，第二二极管D2没有导通。
同时，电流主要流经具有相对大导纳的第二电容器C2。
这里，第二二极管D2的结电容器(也就是内部电容器)被充电，以增加第二二极管D2两端的电压。
RF输入信号具有最大值，并且第二二极管D2的结电容器向负载(也就是输出级)放电，以减小第二二极管D2两端的电压并使第二二极管D2两端的电压为0，这样，第二二极管D2在正向(forward direction)上被导通。
如此，当第二二极管D2被正向导通时，也就是说，当通过RF输入级Vin输入反向(-)RF信号时，第二二极管D2被导通，而由于反向(-)RF信号对第一二极管D1而言是反向偏置，所以第一二极管D1被电截止。
如此，在该半周期期间，第二二极管D2两端的电压变为0，从而功率没有被传输到负载。
此外，流经第一二级管D1的电容器的电流变为0。
然而，由于电流路径仍然通过与第一二极管D1并联的第二电容器C2连接，所以第二二极管D2的传导导致对负电荷的吸引(但对于经由第二电容器C2的电流路径而言，第二二极管D2将电流吸引到负载)。
第二二极管D2的电流具有最大值，并且流经第二电容器C2的电流的斜率被变为正号，这样，第一二极管D1在正向上被导通。
如此，根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路能够由与第一二极管D1并联的第二电容器C2来移除射频噪声分量。
换句话说，如图3所示，就现有技术中使用的桥式整流器电路而言，存在着射频噪声分量，而如图4所示，就根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路而言，当从第一二极管D1的输出节点看时，噪声分量被与第一二极管D1并联的第二电容器C2移除。
由于这个原因，根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路能够减小RF振铃现象，从而具有改善整流器电路的效率的效果。
此外，如图5所示，具有上述配置的根据本发明优选实施方式的无线功率传输系统的整流器电路与使用现有技术的桥式整流器的整流器电路相比，其改善的效率为大约50％或更多。
如上所述，根据本发明，通过使用与传递正向信号的二极管并联的电容器，能够移除射频噪声分量并减小射频振铃现象，从而提高整流器电路的效率。
尽管出于说明目的公开了本发明的优选实施方式，但是本领域技术人员应当理解，在不背离如所附权利要求书公开的本发明的精神和范围的情况下，能够进行各种修改、增加以及替代。因此，这样的修改、增加以及替代也应被理解为落入本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种无线功率传输系统的整流器电路，该整流器电路包括：
整流单元，该整流单元将通过RF输入级输入的RF信号整流为半波整流类型；
阻抗匹配单元，该阻抗匹配单元被安置在所述RF输入级与所述整流单元之间，以对所述RF输入级与所述整流单元之间的阻抗进行匹配；以及
滤波单元，该滤波单元对所述整流单元整流后的信号进行滤波。
2.根据权利要求1所述的整流器电路，其中所述整流单元包括：
第一二极管，该第一二极管串联在所述阻抗匹配单元与所述滤波单元之间；
与所述第一二极管并联的电容器，该电容器位于所述阻抗匹配单元与所述滤波单元之间；以及
与所述第一二极管并联的第二二极管，该第二二极管位于所述第一二极管的阴极端子与地之间。
3.根据权利要求1所述的整流器电路，其中所述阻抗匹配单元包括串联在所述RF输入级与所述整流单元之间的电容器。
4.根据权利要求1所述的整流器电路，其中所述滤波单元包括：
电感器，该电感器串联在所述整流单元与输出级之间；
与所述电感器并联的第一电容器，该第一电容器位于所述电感器的一端与地之间；以及
与所述第一电容器并联的第二电容器，该第二电容器位于所述电感器的另一端与地之间。
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