CN103580300A

CN103580300A - 接收器及执行接收器操作的方法

Info

Publication number: CN103580300A
Application number: CN201310334199.7A
Authority: CN
Inventors: 派翠克史丹利里尔
Original assignee: MediaTek Singapore Pte Ltd
Current assignee: MediaTek Singapore Pte Ltd
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: US20160261148A1; CN103580300B; US9912197B2; US9893567B2; DE102013012937A1; US20140035383A1

Abstract

本发明提供一种接收器以及提供一种执行接收器操作的方法。其中，该接收器包含有电磁谐振器。该电磁谐振器包含：一或多个电感式元件，以设置形成一接收线圈；以及一被动元件网络，以设置形成匹配网络。该电磁谐振器具有定义在一低频范围的一第一选择频率和定义在一高频范围的一第二选择频率，使得一整流电路可以操作在该高频范围和该低频范围，以最大限度地使用主动电路。使用本发明的技术方案，可以使得该接收器可以操作在低频的电感式充电系统或者操作在高频的谐振式无线充电系统。

Description

接收器及执行接收器操作的方法

技术领域

本发明是关于无线电力传输领域，且特别关于一双模无线充电接收器。

背景技术

无线电力传输系统(Wireless power transfer system)使用两电磁线圈间的互感(mutual inductance)透过磁性感应传输功率(power)。这些系统通常被分类为“电感式(inductive)”或“谐振式(resonant)”。在一纯粹的电感式无线电力传输系统中，藉由一电压或电流源驱动一源线圈，该源线圈的功能如同一变压器(transformer)的初级绕组(primary winding)。一接收线圈，功能如同变压器的次级绕组(secondary winding)，是直接或透过一耦合电容连接至一桥式整流器。该两绕组中的电压以及电流可被通常用以描述变压器的关系决定。

在一谐振式无线电力传输系统中，该源线圈和该接收线圈被连接至多个电容器以形成电子谐振器。从电路设计的观点来看，该多个电容的功能是用以抵消多个电感器的一些无功阻抗(reactive impedance)或者虚部阻抗，使得在一给定的电压下能传输更多功率。对应于操作频率，该多个电感器和该多个电容器的阻抗大小会往相反方向变化，因此上述的抵消仅在小范围的频率有效。换句话说，谐振式无线电力传输系统利用调整至一特定频率的电路，并在特定频率传输功率。该系统通常不允许在其他频率传输功率。

近年来，两种无线电力标准已经开始整并。无线电力联盟已经发布Qi标准（无线电力标准），该Qi标准通常被分类为一电感式充电标准。尽管使用了一谐振式电容器，Qi标准中的质量因子Q在低个位数(single-digits)，这意味着谐振没有显著地被杠杆。符合Qi标准的装置在频带110-205kHz下传输功率。Qi装置通常需要该多个源线圈和该多个接收线圈有相对紧密的对齐方式。

在较近期，几个组织已经开始引入使用高质量因子的谐振电路的无线电力系统，以增加能进行充电的可用范围。该无线电力系统所使用的频率通常远高于那些使用于电感式充电器的频率，很大的原因是一电感器的质量因子与频率成正比。一个用于整并谐振无线电力标准的提案，建议了在ISM(Industrial,Scientific,Medical，工业，科学，医疗)频段一个大小为6.78MHz的工作频率。

发明内容

本发明提供一接收器以及提供一种执行接收器操作的方法。

本发明实施例提供一接收器，包含有电磁谐振器。该电磁谐振器包含：一或多个电感式元件，以设置形成一接收线圈；以及一被动元件网络，以设置形成匹配网络。该电磁谐振器具有定义在一低频范围的一第一选择频率和定义在一高频范围的一第二选择频率，使得一整流电路可以操作在该高频范围和该低频范围，以最大限度地使用主动电路。其中，该一或多个电感式元件是设置用以在该低频范围产生一低质量因子的电感式充电接收器，比如质量因子低于一第一阈值的电感式充电接收器；或者该一或多个电感式元件是设置用以在该高频范围产生一高质量因子的谐振式充电接收器，比如质量因子高于一第二阈值的谐振式充电接收器。其中第一阈值可以与第二阈值相等，或者第一阈值小于第二阈值。

其中该电磁谐振器包含一电感式无线元件和一谐振无线功率元件。该多个电感式元件包括：一第二电感(例如后续实施例的图3中的L2)以及一第三电感(例如图3中的L3)；该被动元件网络包括：一第一电容(例如图3中的C2q)、一第二电容(例如图3中的C2a)以及一第三电容(例如图3中的C2b)；该第三电感(例如图3中的L3)的一第一端与该第二电感(例如图3中的L2)的一第一端耦接，该第三电感(例如图3中的L3)的一第二端与该第一电容(例如图3中的C2q)的一第一端耦接，该第一电容(例如3图中的C2q)的一第二端与该第三电容(例如图3中的C2b)的一第一端耦接，该第三电容(例如图3中的C2b)的一第二端与该第二电感(例如图3中的L2)的一第二端耦接；该第二电容(例如图3中的C2a)的一第一端耦接在该第三电感(例如图3中的L3)与该第一电容(例如图3中的C2q)之间；该第二电容(例如图3中的C2a)的一第二端耦接该第三电感(例如图3中的L3)与该第二电感(例如图3中的L2)之间；该电感式无线元件包括：该第三电感以及该第一电容；该谐振无线功率元件包括：该第二电感、该第二电容以及该第三电容。

本发明实施例提供一种执行接收器操作的方法。该方法包含设置一电磁谐振器，该电磁谐振器包含：一或多个电感式元件，用以形成一接收线圈，以及一被动元件网络，用以形成一匹配网络。而且该方法提供该电磁谐振器具有定义在一低频范围的一第一选择频率和定义在一高频范围的一第二选择频率，使得一整流电路可以操作在该高频范围和该低频范围以最大限度地使用主动电路。

上述接收器以及执行接收器操作的方法通过采用电磁谐振器，使得该接收器可以操作在低频的电感式充电系统或者操作在高频的谐振式无线充电系统。

附图说明

图1是一实现低质量因子、电感式充电接收器的一应用电路；

图2是一本发明所揭露的实现一高质量因子的无线充电接收器的第二应用电路；

图3是一本发明提供的双模接收器的电路拓朴。

图4是一本发明提供的透过使用开关电容Cc来实现的负载调变的示意图。

图5是本发明提供的一线圈排列的一电路图。

图6是一表示本发明所包含的一同步整流器的一实施例的电路图。

具体实施方式

具体实施方式所使用的特定术语指特定的元件。本领域技术人员应当理解的是，生产商可以对一元件使用不同的名字。本申请不以元件采用不同名字来区分元件，而是以元件间功能的不同来区分元件。在如下具体实施方式以及权利要求中，术语“包含”以及“包括”是一开放式限定，应该被理解成“包括但不限于”。术语“耦接”应该被理解为直接或者间接的电连接。相应的，如果一个装置被电连接到另一个装置，该连接可以是一直接的电连接，也可以是通过采用其他装置或者连接的一间接的电连接。

本发明涉及一双模无线充电接收器的设计。该双模无线充电接收器能从一操作在数百kHz范围的电感式充电器或从一操作在MHz范围的谐振式充电器接收功率。该双模无线充电接收器具有一低频操作区间（110-205kHz）和一高频操作频率6.78MHz，但本发明一般能使用于分隔至少5倍频率的任两频带内。

图1是一电路图，该电路图标出一个实现低质量因子、电感式充电接收器的无线充电接收器2。一电感器L3代表接收线圈（Rx coil），且该接收线圈电磁地耦合至一源线圈。藉由一桥式整流器4整流L3中感应的交流电以产生一直流电压VRECT。该桥式整流器4由四个(或更多)二极管排列成一桥式电路的组态，该组态对任一极性的输入，可提供相同极性的输出。桥式整流器从双线的交流输入提供全波整流，相较具有中心抽头次级绕组的变压器的三线输入整流器，降低了成本和重量。电容器C2q和电感器L3形成的电磁谐振器，具有一谐振频率大约落在无线充电操作频率附近。该操作频率普遍在数百kHz的范围。包含有L3和C2q的串联谐振电路更包含该桥式整流器4的阻抗。由于这包含了导引无线充电的电路，因此阻抗可以是相对较高的。该电磁谐振器的品质因子

Q_{s} = \frac{ω_{i} L_{3}}{R_{l}}

公式1

其中ω_i是电感式无线充电系统的角操作频率(angular operatingfrequency)，L₃是电感器L₃的电感值，R_l是该二极管的桥式整流器4的等效电阻。电阻R_l可以是相对较高的，因此本电路的质量因子通常是在低个位数。选择电容器C2q的数值CS使得该电磁谐振器的谐振频率等于该电感式无线充电系统的操作频率，该选择来自下列等式：

ω_{i} = \frac{1}{\sqrt{L_{3} C_{S}}}

公式2

图2是一电路图，该电路图标出了本发明提供的谐振充电接收器8，其实现一高质量因子的谐振式无线充电接收器。一电感器L2代表该接收线圈（Rx coil）。电容器C2a和电容器C2b在L2和该桥式整流器4之间形成一谐振的匹配网络。因为电容器C2a与负载串联且电容器C2b与负载并联，所以该匹配网络为串并。该电感器L2、电容器C2a和电容器C2b形成一电磁谐振器。由于一些电感电流能在包括电感器L2、电容器C2a和电容器C2b（加上寄生电阻）的回路里流通，该电磁谐振器的质量因子相对较高，甚或高于100。于选择电容器C2a和C2b的数值时，需要确保在要求的操作频率ω_r下该多个电容的串联组合与L2是谐振的。

ω_{r} = \frac{1}{\sqrt{L_{2} \frac{1}{1 / C_{2 a} + 1 / C_{2 b}}}}

公式3

在一些情况下，会操作该谐振式接收器在一较高的频率以最大化该电磁谐振器的质量因子。在其它的实施例中，使用了6.78MHz的工作频率。

一个具有显著效用的双模无线充电接收器可以接收来自工作在数百kHz的电感式充电器的功率或工作在MHz范围内的谐振式充电器的功率。在这里讨论的例子具有一低频操作区间（110-205kHz）和一高操作频率6.78MHz，但本方法通常可使用在间隔至少5倍频率的任两频带。

虽然电感式接收器与谐振式接收器的电路拓朴是相似的，在不同的操作频率下两者所需的电感值和电容值通常是完全不同的。对于一个给定的应用，可使用的整流电压范围会有一些限制。例如，对于使用锂离子(Lithium-ion)电池的移动电子产品，所希望的是产生稳定的5V电源，以在3.0-4.2V对电池充电。因此，整流电压范围应选择在5V-15V使得一降压稳压器(step-down regulator)（例如，降压稳压器(buckregulator)或线性低压降稳压器(linear dropout regulator)）可以有效地产生稳压的5V电源。对于一双模接收器，在两模式中应遵守该电压范围。然而，对于接收器线圈相同的电感量，在6.78MHz下会产生相较在100kHz下更高的电压，起因于感应电压表达如下：

V_ind＝ωMI₁ 公式4

其中，V_ind是感应电压(induced voltage)，M是互感，I_l是源线圈的电流，ω是操作的角频率。该源线圈和该接收线圈的电感乘积的平方根与该互感M成正比。因此，如果该电磁谐振器的有效电感在低频率比在高频率高，将会有利于该双模接收器。

图3表示该双模接收器的电路拓朴14。该电路拓朴具有在低频下电磁谐振器的有效电感高于在高频下的特性。这现象起因于在高频下电容器C2a的阻抗远低于电感器L3的阻抗并因而分流L3。在低频下，该两电感以串联型式出现而得到所需的高电感值。

接着，为了更好地了解该双模接收器的操作，会做一些粗略的近似。假设L3的电感值约10倍于L2的电感值。此外，假设C2q的电容值约100倍于C2a或C2b的电容值。最后，假设选择该多个电容的数值使得在6.78MHz下C2q的阻抗小到可以忽略不计以及在100kHz下C2a或C2b的阻抗大到可以忽略不计。藉由比较该多个电容器与该多个电感器的阻抗可以判断该多个电容的阻抗是否为可忽略的。

在低频（例如100kHz）下，电容器C2a和C2b近似开路。因此该接收电路可简化成一单纯的串联LC电路，其中串联元件为L2、L3和C2q。该串行电路的有效电感为11xL2。在100kHz下，人们可以选择C2q结合该有效电感来创建一串联谐振以符合Qi说明书的要求。

在高频（即6.78MHz）下，电容C2q可近似成短路。C2a和L3的并联组合由C2a占有主导地位。因此该接收电路可简化成一串并谐振电路，其中主动元件为L2、C2a和C2b，与图2相似。该电路在6.78MHz可被调谐到谐振。在高频下，虽然能观察到有来自L3的很小的贡献，但该电路的有效电感约等于L2。

使用该线圈排列和匹配网络的无线充电接收器无论在低频（即100k-200kHz）或在高频（即6.78MHz）皆能从一电感式充电器接收功率。该无线充电接收器可以使用自该桥式整流器4产生的相同的整流和稳压，从而最大程度地使用该主动电路。该无线充电接收器可以检测交流电源的频率，且该交流电源的频率可用于确定要使用的通信协议（如果有需要的话）。

在一些电感式无线充电标准，负载调变(loadmodulation)被使用于带内（in-band）通信。如图4所示，图4示出一电路拓朴16，该负载调变可通过使用开关电容器Cc来实现。该电容器Cc适用在失谐时打开开关以改变从源放大器看到的阻抗，并被译码以恢复一些信息。该电容器Cc的电容值通常是电容器C2q同等数量级的电容值。在高频谐振模式下，该电容器Cc可被用于电压箝制。藉由该电容器Cc的开关使得该整流器的输入端与接地端耦接并具有一低的交流阻抗。该连接关系可被用来作为一种保护机制，用以限制施加到IC端口的交流电压，其中该IC有一最大的电压容限。

图5表示一线圈结构18，该线圈结构18可以在印刷电路板的同一平面上形成两个独立的电感，因而有可能节省电路面积。在图5的例子中，两个电感以同心的方式布置在一平面上，其中电感L3在内部而电感L2在外部。也可以逆转该布置方向使得电感L3在外部而电感L2在内部。以平面排列实现该多个电感线圈元件是有利的，因为可以最小化线圈组件的厚度。以同心的方式实现该多个电感线圈元件是有利的，因为该方式在有限的空间内做了最大限度地利用。在一便携式电子设备中，需要高度的限制面积和厚度。该两线圈对彼此皆存在互感，但这种影响能被该调谐网络解决。在其他实施例中，可以使用不同的安排以满足电感器L2和L3的要求。连接点1-3说明该整体同心布置的线圈结构18的互连点。除了印刷电路板，任何平面的大规模工艺皆可被使用以实现该电感式线圈的配置。

在任何接收电路该二极管桥式整流器4可以被同步整流器22替换，以降低欧姆（ohmic）损耗，如图6所示。图6示出一电路拓扑20，其中，该同步整流器22藉由将二极管更换为主动控制开关（例如，功率金属氧化物半导体场效应管MOSFET或功率双极面结型晶体管BJT）而提高了整流的效率。从历史上看，振动器驱动的开关或马达驱动的换向器(commutator)也被用于机械式整流器和同步整流，亦可以用在本发明的同步整流。

在本质上来说，本发明描述了一种接收机侧的电路，该电路可以是操作在低频的电感式充电系统（例如，Qi标准）或在更高频率的谐振式无线充电系统。相较一单模接收器，本发明允许使用复杂的线圈布置和一个以上的被动元件。此外，双模无线充电接收器具有在110-205kHz的低频操作范围以及在6.78MHz的高操作频率，但本发明一般可使用在间隔至少5倍频率的任两频带中。

尽管本发明已经显示和描述了几个较佳实施例，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下，仍可对本发明在形式上和细节上做出各种改变、省略和补充。

Claims

1.一种接收器，其特征在于，包含有电磁谐振器，该电磁谐振器包含：一或多个电感式元件，以设置形成一接收线圈；以及一被动元件网络，以设置形成匹配网络；该电磁谐振器具有定义在一低频范围的一第一选择频率和定义在一高频范围的一第二选择频率，使得一整流电路可以操作在该高频范围和该低频范围，以最大限度地使用主动电路。

2.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，该一或多个电感式元件是设置用以在该低频范围产生一质量因子低于一第一阈值的电感式充电接收器。

3.如权利要求1所述的双模接收器，其特征在于，该一或多个电感式元件是设置用以在该高频范围产生一质量因子高于一第二阈值的谐振式充电接收器。

4.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，该整流电路包含一桥式整流器。

5.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，该整流电路包含一同步整流器。

6.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，该电磁谐振器包含一电感式无线元件和一谐振无线功率元件。

7.如权利要求6所述的接收器，其特征在于，该多个电感式元件包括：一第二电感以及一第三电感；该被动元件网络包括：一第一电容、一第二电容以及一第三电容；

该第三电感的一第一端与该第二电感的一第一端耦接，该第三电感的一第二端与该第一电容的一第一端耦接，该第一电容的一第二端与该第三电容的一第一端耦接，该第三电容的一第二端与该第二电感的一第二端耦接；该第二电容的一第一端耦接在该第三电感与该第一电容之间；该第二电容的一第二端耦接在该第三电感与该第二电感之间；该电感式无线元件包括：该第三电感以及该第一电容；该谐振无线功率元件包括：该第二电感、该第二电容以及该第三电容。

8.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，在该高频范围，该电磁谐振器的有效电感会减低。

9.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，在该低频范围，该电磁谐振器的有效电感会增加。

10.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，该一个或多个电感式元件包含设计用以接收低频功率和高频功率的两个电感式元件，且该两个电感式元件被布置在一印刷电路板的同一平面上。

11.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，以同心的方式排列该一个或多个电感式元件，且高频的元件排列在外部，其中，该高频的元件是在高频上谐振的电感式元件。

12.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，以同心的方式排列该一个或多个电感式元件，且高频的元件排列在内部,其中，该高频的元件是在高频上谐振的电感式元件。

13.如权利要求1所述的接收器，其特征在于，该接收器是一双模接收器或者一无线接收器。

14.一种执行无线接收器操作的方法，其特征在于，该方法包含：

设置一电磁谐振器，使该电磁谐振器包含：一或多个电感式元件，用以形成一接收线圈，以及一被动元件网络，用以形成一匹配网络；

提供该电磁谐振器具有定义在一低频范围的一第一选择频率和定义在一高频范围的一第二选择频率，使得一整流电路可以操作在该高频范围和该低频范围以最大限度地使用主动电路。

15.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，该一或多个电感式元件是设置用以在该低频范围产生一质量因子低于一第一阈值的电感式充电接收器。

16.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，该一或多个电感式元件是设置用以在该高频范围产生一质量因子高于一第二阈值的谐振式充电接收器。

17.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其中该整流电路包含一桥式整流器；或者，该整流电路包含一同步整流器。

18.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，该电磁谐振器包含一电感式无线元件和一谐振无线功率元件。

19.如权利要求18所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，该多个电感式元件包括：一第二电感以及一第三电感；该被动元件网络包括：一第一电容、一第二电容以及一第三电容；

20.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，在该高频范围，该电磁谐振器的有效电感会减低。

21.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，在该低频范围，该电磁谐振器的有效电感会增加。

22.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，该一个或多个电感式元件包含设计用以接收低频功率和高频功率的两个电感式元件，且该两个电感式元件被制造在一印刷电路板的同一平面上。

23.如权利要求14所述的执行无线接收器操作的方法，其特征在于，以同心的方式排列该一个或多个电感式元件，且高频的元件排列在外部，其中该高频的元件是在高频上谐振的电感式元件；或者，以同心的方式排列该一个或多个电感式元件，且高频的元件排列在内部，其中该高频的元件是在高频上谐振的电感式元件。