CN102694421A - 无线功率发射器和无线功率收发器 - Google Patents

无线功率发射器和无线功率收发器 Download PDF

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Abstract

公开了一种能够根据输出侧的阻抗无线地传送功率的无线功率发射器和一种无线功率收发器。提供了一种无线功率发射器和一种无线功率收发器，包括：无线功率发射单元，用于将输入功率转换成预设的传输功率，并无线地传送转换后的输入功率；以及控制单元，用于根据从无线功率发射单元输出的传输功率的输出阻抗的等级来控制传输功率的传输。

Description

无线功率发射器和无线功率收发器
相关申请的交叉引用
本申请要求在2011年3月23日提交到韩国知识产权局的、申请号为10-2011-0025806的韩国专利的优先权，该申请的公开通过引用被合并到本文。
技术领域
本发明涉及一种能够根据输出侧的阻抗无线地传输功率的无线功率发射器和一种无线功率收发器。
背景技术
近年来，随着无线通信技术的发展，已经创建了一种无所不在的信息环境，在该环境中，人们可以在任何时间任何地点传送和接收期望的信息。
然而，大多数的信息电信设备都通过电源线或电线来供电，这样就限制了无线终端用户的活动。同时，一些信息电信设备由电池供电，但即使是在这种情况中也存在着问题，即信息电信设备在充电结束后的使用时间是有限的，而且在给信息电信设备的电池充电时，信息电信设备由电源线或电线供电。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够根据输出侧的阻抗无线地传输功率的无线功率发射器和一种无线功率收发器。
根据本发明的示例性实施方式，提供一种无线功率发射器，包括：无线功率发射单元，用于将输入功率转换成预设传输功率，并无线地传送转换后的输入功率；以及控制单元，用于根据从无线功率发射单元输出的传输功率的输出阻抗的等级(level)来控制传输功率的传输。
无线功率发射单元可以包括：振荡器，用于以预设的谐振频率来振荡输入功率；切换部件，用于切换由振荡器振荡后的功率的路径；功率放大器，用于放大通过切换部件形成的路径供应的功率；以及谐振器，用于以谐振频率谐振由振荡器振荡后的功率或者由功率放大器放大的功率，并通过执行阻抗匹配来无线地发射功率。
无线功率发射单元还可以包括路径供应部件，用于单独地提供被传递到谐振器的功率的路径和由阻抗失配反射的功率的路径。
无线功率发射单元还可以包括功率转换器，用于将商用的AC功率转换成DC功率，并将转换后的DC功率提供为输入功率。
控制单元可以包括：第一检测器，用于检测输入到振荡器的输入功率的当前等级(current level)；第二检测器，用于检测反射功率的功率等级；以及切换控制器，用于根据第一检测器和第二检测器的检测信号，控制由切换部件执行的路径的切换。
控制单元还可以包括：检测器，用于检测输入到振荡器的输入功率的当前等级；以及切换控制器，用于根据检测器的检测信号来控制由切换部件执行的路径切换。
检测器或者第一检测器可以包括至少一个检测电阻器，其串联连接在提供预设驱动功率的驱动电源端与振荡器之间。
第二检测器可以包括：pin二极管，用于接收反射功率；电感器，其串联连接到pin二极管，并用于输出检测信号；电容器，其串联连接在pin二极管和电感器的连接点与地之间；以及电阻器，其串联连接在电感器的输出端与地之间。
切换控制器可以是“同”门，用于对来自第一检测器和第二检测器的检测信号执行“同”运算。
无线功率发射单元可以通过磁共振方法或磁感应方法来传送传输功率。
无线功率发射器还可以包括通信单元，用于通过之前建立的通信方法与无线功率接收器进行通信。
根据本发明的示例性实施方式，提供一种无线功率收发器，其包括无线功率发射器和无线功率接收器。无线功率发射器包括：无线功率发射单元，用于将输入功率转换成预设的传输功率，并无线地传送转换后的输入功率；以及控制单元，用于根据从无线功率发射单元输出的传输功率的输出阻抗的等级来控制传输功率的传输。无线功率接收器由无线功率发射器提供的传输功率来充电。
无线功率接收器可以包括：无线功率接收单元，用于接收传输功率并将接收到的传输功率转换成预设的驱动功率；以及充电单元，用于允许来自无线功率接收单元的驱动功率被充电。
无线功率发射器还可以包括第一通信单元，用于通过之前建立的通信方法来与无线功率接收器进行通信；并且无线功率接收器还可以包括第二通信单元，其由无线功率接收单元唤醒，并用于与第一通信单元进行通信。
附图说明
根据下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其他方面、特征和其他优点将变得更易理解，其中：
图1是根据本发明示例性实施方式的无线功率发射器的示意结构图；
图2A和2B是在本发明示例性实施方式的无线功率发射器中使用的第一检测器或第二检测器的示意结构图和电压变化图；以及图2C是在本发明示例性实施方式的无线功率发射器中使用的切换控制器的示意结构图和模式转换时序图；
图3是根据本发明另一示例性实施方式的无线功率发射器的示意结构图；
图4是根据本发明示例性实施方式的无线功率收发器的示意结构图；
图5A和5B是本发明示例性实施方式的无线功率收发器中的发射单元和接收单元的等效电路图；
图6是用于测量磁耦合系数随着本发明示例性实施方式的无线功率收发器的发射和接收距离而变化的图示；
图7A和7B是示出了根据本发明示例性实施方式的由于阻抗根据无线功率收发器的发射侧和接收侧之间的磁耦合系数而变化引起的传输能量的插损的史密斯圆图；以及
图8是发射能量根据本发明示例性实施方式的无线功率收发器的发射侧和接收侧之间的磁耦合系数而变化的dB图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。
图1是根据本发明示例性实施方式的无线功率发射器的示意结构图。
参照图1，根据本发明示例性实施方式的无线功率发射器100可以包括无线功率发射单元110和控制单元120。
无线功率发射单元110可以将输入功率转换成预设的传输功率，并无线地传送转换后的传输功率，而控制单元120则可以根据从无线功率发射单元110输出的传输功率的输出阻抗的等级来控制传输功率的传输。
为此目的，无线功率发射单元110可以包括振荡器112、切换部件113、功率放大器114、路径供应部件115和谐振器116，并且还可以包括功率转换器111。
振荡器112可以以预设的谐振频率来振荡输入功率，并将振荡后的输入功率转换成可传送的功率。在这种情况中，谐振频率可以等于无线地接收功率的接收侧的谐振频率。
切换部件113可以提供用于将经过振荡器112振荡后的功率传递到谐振器116的路径或者用于将经过振荡器112振荡后的功率传递到功率放大器114的路径。在初始操作时，切换部件113可以提供主要将从振荡器112振荡后的功率传递到谐振器116的路径。
功率放大器114可以将经过振荡器112振荡后的、沿着由切换部件113形成的传递路径传递的功率的等级放大到足以无线传输的等级。
路径供应部件115可以提供用于将经过振荡器112振荡后的、沿着由切换部件113形成的传递路径传递的功率或者经过功率放大器114放大后的功率传递到谐振器116的路径，以及提供用于将因从谐振器116传送的功率之间的阻抗失配而被反射的功率传递到控制单元120的路径。
谐振器116可以以谐振频率对经过振荡器112振荡后的、沿着由切换部件113形成的传递路径传递的功率或者对由功率放大器114放大后的功率进行谐振，并且可以在无线地传送谐振后的功率之前对输出端的阻抗进行匹配。在这种情况中，当接收无线传送的功率的接收侧不存在或者接收功率的接收侧被充满电从而不再接收功率时，谐振器116的输出端的阻抗失配，因此从谐振器116传递的功率被反射。路径供应部件115可以将从谐振器116反射的功率传递到控制单元120。
同时，功率转换器111可以将从外部提供的商用AC功率转换成DC功率，以向振荡器112提供输入功率。
控制单元120可以根据传递给振荡器112的输入功率的当前等级和从谐振器116反射的功率等级来控制切换部件113的路径切换。为此目的，控制单元120可以包括第一检测器121、第二检测器122和切换控制器123。
第一检测器121可以检测传递给振荡器112的输入功率的当前等级，而第二检测器122可以检测从谐振器116反射的功率的功率等级。第一检测器121和第二检测器122的检测信号各自被传递到切换控制器123。切换控制器123可以基于第一检测器121和第二检测器122的检测信号来控制切换部件113的路径切换，以便切换部件113提供用于将经过振荡器112振荡后的功率传递到谐振器116的路径或者用于将经过振荡器112振荡后的功率传递到功率放大器114的路径。
图2A和2B是在本发明的示例性实施方式的无线功率发射器中使用的第一检测器或第二检测器的示意结构图和电压变化图，以及图2C是在本发明的示例性实施方式的无线功率发射器中使用的切换控制器的示意结构图和模式转换时序图。
参照图2A，在根据本发明示例性实施方式的无线功率发射器100中使用的第一检测器121可以包括至少一个检测电阻器R1，其中，检测电阻器R1可以电连接在供应预设驱动功率的驱动电源端Vdd和振荡器112之间。当从振荡器112看过去的负载阻抗为低时，第一检测器121的第一检测信号的电压等级为高，而当从振荡器112看过去的负载阻抗为高时，第一检测器121的检测信号的电压等级为低。也就是说，当无线地接收功率的接收侧存在或者接收侧接收到最大功率时，振荡器112的输出电压增大，这样，施加到振荡器112的输入功率的当前等级增大，从而电压降由于检测电阻器R1以及第一检测信号的电压等级为低而增加。另一方面，当接收侧不存在或者接收侧由于被充满电而不必接收功率时，振荡器112的输出电压减小，这样，施加到振荡器112的输入功率的当前等级减小，从而电压降由于检测电阻器R1以及第一检测信号的电压等级增大而减小。
参照图2B，在根据本发明示例性实施方式的无线功率发射器100中使用的第二检测器122可以包括pin二极管D(其是肖特基二极管类型)、电感器L、电阻器R和电容器C，其中，pin二极管D可以接收被反射到阳极的功率Pin，而它的阴极可以连接到电感器L的一端和电容器C的一端。电容器C的另一端可以接地，而电感器L的另一端可以传递第二检测信号。电阻器R可以电连接在电感器L的另一端与地之间。当谐振器116的输出端的阻抗(负载阻抗)匹配时，第二检测器122的第二检测信号的电压等级增加，而当谐振器116的输出端的阻抗(负载阻抗)失配时，第二检测信号的电压等级可以减小。结果，可以检测被无线地供应功率的接收侧的状态。
切换控制器123可以被实现为具有软件的微处理器。参照图2C，切换控制器123可以被实现为“同”门，该“同”门接收第一检测器121的第一检测信号和第二检测器122的第二检测信号以对第一检测信号和第二检测信号执行“同”运算。因此，切换控制器123可以在初始操作期间或者在不需要向接收侧传送相当大量的功率的空闲模式中控制切换部件113提供用于将经过振荡器112振荡后的功率传递到谐振器116的路径，以及在传输模式中控制切换部件113提供用于将经过振荡器112振荡后的功率传递到功率放大器114的路径。
结果，当无线功率发射器被操作时，振荡器112以谐振频率对来自功率转换器111的输入功率进行振荡，并将振荡后的输入功率传递给切换部件113。切换部件113可以在初始操作时对振荡后的功率进行旁路以便振荡器112能够检测负载阻抗(也就是说，使得第一检测器121能够检测输入功率的当前等级)，并且可以通过路径供应部件115将旁路后的功率传递到谐振器116。这样，当由于可以提供功率的接收环境的创建而使负载阻抗增加时，切换部件113根据切换控制器123的切换控制信号来将振荡后的功率传递给功率放大器114，从而通过谐振器116无线地传送功率。当功率传输完成或接收侧移除时，磁耦合力为低并且阻抗为低，相应地增加了第二检测信号的电压等级，从而切换控制器123控制切换部件113再次旁路了功率的传递路径。
图3是根据本发明另一示例性实施方式的无线功率发射器的示意结构图。
参照图3，在根据本发明另一示例性实施方式的无线功率发射器200中，控制单元220的检测器221可以只检测被传递给振荡器212的输入功率的当前等级，并且切换控制器222可以根据来自检测器221的检测信号来控制切换部件213的路径切换。
另外，无线功率发射单元210的功率转换器211、振荡器212、切换部件213、功率放大器214和谐振器215与图1中的描述相同，因此，省略对它们的详细描述。然而，由于图3中所示的实施方式没有将第二检测器包括作为一个组件，所以路径供应部件115没有被包括作为图3的实施方式中的组件。
图4是根据本发明示例性实施方式的无线功率收发器的示意结构图。
如图4所示，根据本发明示例性实施方式的无线功率收发器1000可以包括无线功率发射器1100和无线功率接收器1200。
无线功率发射器1100可以包括无线功率发射单元1110和控制单元1120，并且还可以包括与无线功率接收器1200通信的第一通信单元1130。第一通信单元1130可以通过之前建立的通信方法来与无线功率接收器1200进行通信。
无线功率接收器1200可以包括：无线功率接收单元1210，其无线地接收来自无线功率发射器1100的功率，并将接收到的功率转换成驱动功率；充电单元1220，其被提供来自无线功率接收单元1210的驱动功率以进行充电；以及第二通信单元1230，其通过被提供来自无线功率接收单元1210的驱动功率而唤醒以与第一通信单元1130进行通信。
为了节约无线功率发射器1100中的功率以及确保无线功率发射器1100的稳定性，无线功率发射单元1110需要根据无线功率接收器1200的状态来适当地生成功率。为了执行上述操作，无线功率发射单元1110需要随时检查无线功率接收器1200存在和不存在的信息或充电量。
首先，在无线功率发射单元的空闲模式中，第一通信单元1130在无线功率发射单元处于关闭的状态中随时处于接收状态。在这种情况中，无线功率接收器1200的第二通信单元1230以预定的短时间间隔来传递预示(promised)的接收器状态信息。当无线功率接收单元1210需要充电时，发射单元侧的通过通信来识别无线功率接收单元1210的状态的控制单元1120控制无线功率发射单元1110将功率传递到无线功率接收单元1210。当第一通信单元1130没有接收到该信号时，无线功率接收器可以没有处于充电环境中或充电单元没有足够的DC功率来操作第二通信单元1230，从而无线功率发射单元需要在预设的第一时间内以短的功率脉冲来周期性地传送操作第二通信单元1230所需的最小功率。这样，当无线功率接收器1200处于充电环境中时，响应信号需要在具有预设时段的第二时间内被传送。当第一通信单元1130在预设的第一时间内没有接收到响应信号时，无线功率接收器1200被假设为不存在，结果，无线功率发射器1100通过在具有比第一时间更长的间隔的第三时间内传送短脉冲来使功率浪费最小化。
下文中，将详细描述根据本发明示例性实施方式的无线功率接收器或无线功率收发器的操作原理。
图5A和5B是根据本发明示例性实施方式的无线功率收发器的发射单元和接收单元的等效电路图。
参照图5A，本发明示例性实施方式的无线功率收发器的各个发射单元和接收单元可以等效地表示为电感器Lp和Ls和电容器Cp和Cs，并且可以由电源V1和V2供电。可以用磁共振的方法在无线功率发射器和接收器之间传送功率。为此目的，当能量没有被施加给介质时，空间中的功率损耗小，并且可以使用可以将全部功率反射给发射侧的磁力来无线地传送功率。能量传输可以通过无线功率发射器和接收器之间的磁耦合来完成。这样，无线功率发射器的LC谐振频率等于无线功率接收器的LC谐振频率以产生调谐，因此使能量耦合最大化。
参照图5B，从发射侧看向接收侧的输入阻抗Zin依赖于下面的方程：
Z in = Z p + ( ω · M ) 2 Z s + Z L
Z p = sL p + 1 sC p , Z s = s L s + 1 sC s
M = k L p · L s
(方程)
其中，M表示互感，k表示等于或小于1的磁耦合系数，以及Zs表示接收侧处的阻抗。
根据上述方程，当无线功率接收器的位置改变或者磁耦合力改变时，电感和电容值由谐振频率来确定，所以输入阻抗Zin受到互感的影响，并且互感是磁耦合系数的方程，所以输入电阻Zin受到磁耦合系数的影响。
图6是用于测量磁耦合系数随着本发明示例性实施方式的无线功率收发器的发射和接收距离而变化的图示。
参照图6，随着功率的发射和接收距离的增大，磁耦合系数K01和K02的值减小，并且阻抗根据上述方程而减小。
图7A和7B是示出了根据本发明示例性实施方式的由于阻抗根据无线功率收发器的发射侧和接收侧之间的磁耦合系数而变化引起的传输能量的插损的史密斯圆图，以及图8是发射能量根据本发明示例性实施方式的无线功率收发器的发射侧和接收侧之间的磁耦合系数而变化的dB图。
从图7A和7B可以意识到，即使在磁耦合系数被不同地设置为0.002、0.003、0.004、0.005和0.006的情况下，阻抗仍然如同识别标记M1、M2、M3、M4和M5所示出的那样随距离而变化，因此，当距离大时，阻抗低，从而发射能量就相应地为低。类似地，从图8可以意识到，当磁耦合系数高时，发射能量的dB也高。
如上所述，根据本发明的示例性实施方式，通过根据输出侧的阻抗来传送传输功率或者等待传输功率的传输，能够节省功率，因此没有必要形成检测电路来检测接收侧处的充电状态或者功率的接收是否已完成，从而减少了制造成本和电路面积。
如上所述，根据本发明的示例性实施方式，没有必要形成检测电路，该检测电路通过根据输出侧的阻抗来传送传输功率或者等待传输功率的传输来检测接收侧处的充电状态或者功率的接收是否已完成，从而能够实现制造成本和电路面积的减少。
虽然已经结合示例性的实施方式示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将意识到，在不背离所附权利要求书定义的本发明的精神和范围的情况下，能够做出各种修改和变形。

Claims (28)

1.一种无线功率发射器，该无线功率发射器包括：
无线功率发射单元，用于将输入功率转换成预设的传输功率，并无线地传送转换后的输入功率；以及
控制单元，用于根据从所述无线功率发射单元输出的传输功率的输出阻抗的等级来控制所述传输功率的传输。
2.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中，所述无线功率发射单元包括：
振荡器，用于以预设的谐振频率振荡所述输入功率；
切换部件，用于切换由所述振荡器振荡后的功率的路径；
功率放大器，用于放大通过由所述切换部件形成的路径供应的功率；以及
谐振器，用于以所述谐振频率谐振经过所述振荡器振荡后的功率或者被所述功率放大器放大后的功率，并通过执行阻抗匹配来无线地传送所述功率。
3.根据权利要求2所述的无线功率发射器，其中，所述无线功率发射单元还包括路径供应部件，该路径供应部件用于单独地提供被传递到所述谐振器的功率的路径以及由阻抗失配反射的功率的路径。
4.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中，所述无线功率发射单元还包括功率转换器，该功率转换器用于将商用AC功率转换成DC功率并将转换后的DC功率提供作为所述输入功率。
5.根据权利要求3所述的无线功率发射器，其中，所述控制单元包括：
第一检测器，用于检测输入给所述振荡器的所述输入功率的当前等级；
第二检测器，用于检测反射功率的功率等级；以及
切换控制器，用于根据所述第一检测器和所述第二检测器的检测信号来控制由所述切换部件执行的路径的切换。
6.根据权利要求2所述的无线功率发射器，其中，所述控制单元包括：
检测器，用于检测输入给所述振荡器的所述输入功率的当前等级；以及
切换控制器，用于根据所述检测器的检测信号来控制由所述切换部件执行的路径的切换。
7.根据权利要求5所述的无线功率发射器，其中，所述第一检测器包括串联连接在提供预设驱动功率的驱动电源端与所述振荡器之间的至少一个检测电阻器。
8.根据权利要求6所述的无线功率发射器，其中，所述检测器包括串联连接在提供预设驱动功率的驱动电源端与所述振荡器之间的至少一个检测电阻器。
9.根据权利要求5所述的无线功率发射器，其中，所述第二检测器包括：
pin二极管，用于接收反射功率；
电感器，串联连接到所述pin二极管并用于输出所述检测信号；
电容器，串联连接在所述pin二极管和所述电感器的连接点与地之间；以及
电阻器，串联连接在所述电感器的输出端与地之间。
10.根据权利要求5所述的无线功率发射器，其中，所述切换控制器是用于对来自所述第一检测器和所述第二检测器的检测信号执行“同”运算的“同”门。
11.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中，所述无线功率发射单元通过磁共振方法来传送所述传输功率。
12.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中，所述无线功率发射单元通过磁感应方法来传送所述传输功率。
13.根据权利要求1所述的无线功率发射器，该无线功率发射器还包括通信单元，该通信单元通过之前建立的通信方法与接收所述传输功率的无线功率接收器通信。
14.一种无线功率收发器，该无线功率收发器包括：
无线功率发射器，该无线功率发射器具有：用于将输入功率转换成预设的传输功率并无线地传送转换后的输入功率的无线功率发射单元；和用于根据从所述无线功率发射单元输出的所述传输功率的输出阻抗的等级来控制所述传输功率的传输的控制单元；以及
无线功率接收器，该无线功率接收器由所述无线功率发射器提供的所述传输功率来充电。
15.根据权利要求14所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率发射单元包括：
振荡器，用于以预设的谐振频率振荡所述输入功率；
切换部件，用于切换由所述振荡器振荡后的功率的路径；
功率放大器，用于放大通过由所述切换部件形成的路径供应的功率；以及
谐振器，用于以所述谐振频率谐振经过所述振荡器振荡后的功率或者被所述功率放大器放大后的功率，并通过执行阻抗匹配来无线地传送所述功率。
16.根据权利要求15所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率发射单元还包括路径供应部件，该路径供应部件用于单独地提供被传递到所述谐振器的功率的路径以及由阻抗失配反射的功率的路径。
17.根据权利要求14所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率发射单元还包括功率转换器，该功率转换器用于将商用AC功率转换成DC功率并将转换后的DC功率提供作为所述输入功率。
18.根据权利要求16所述的无线功率收发器，其中，所述控制单元包括：
第一检测器，用于检测输入给所述振荡器的所述输入功率的当前等级；
第二检测器，用于检测反射功率的功率等级；以及
切换控制器，用于根据所述第一检测器和所述第二检测器的检测信号控制由所述切换部件执行的路径的切换。
19.根据权利要求15所述的无线功率收发器，其中，所述控制单元包括：
检测器，用于检测输入给所述振荡器的所述输入功率的当前等级；以及
切换控制器，用于根据所述检测器的检测信号控制由所述切换部件执行的路径的切换。
20.根据权利要求18所述的无线功率收发器，其中，所述第一检测器包括串联连接在提供预设驱动功率的驱动电源端与所述振荡器之间的至少一个检测电阻器。
21.根据权利要求19所述的无线功率收发器，其中，所述检测器包括串联连接在提供预设驱动功率的驱动电源端与所述振荡器之间的至少一个检测电阻器。
22.根据权利要求18所述的无线功率收发器，其中，所述第二检测器包括：
pin二极管，用于接收反射功率；
电感器，串联连接到所述pin二极管，并用于输出所述检测信号；
电容器，串联连接在所述pin二极管和所述电感器的连接点与地之间；以及
电阻器，串联连接在所述电感器的输出端与地之间。
23.根据权利要求18所述的无线功率收发器，其中，所述切换控制器是用于对来自所述第一检测器和所述第二检测器的检测信号执行“同”运算的“同”门。
24.根据权利要求14所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率发射单元通过磁共振方法来传送所述传输功率。
25.根据权利要求14所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率发射单元通过磁感应方法来传送所述传输功率。
26.根据权利要求14所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率接收器包括：
无线功率接收单元，由所述传输功率供电并用于将接收到的传输功率转换成预设的驱动功率；以及
充电单元，用于允许来自所述无线功率接收单元的所述驱动功率被充电。
27.根据权利要求26所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率发射器还包括第一通信单元，该第一通信单元用于通过之前建立的通信方法与所述无线功率接收器通信。
28.根据权利要求27所述的无线功率收发器，其中，所述无线功率接收器还包括第二通信单元，该第二通信单元由所述无线功率接收单元唤醒并用于与所述第一通信单元通信。
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