CN103733531B - 用于无线电力接收器的动态谐振匹配电路 - Google Patents

Abstract

一种用于将无线电力传送系统的谐振频率匹配到电力信号的频率的谐振匹配电路（310），包括与该无线电力传送系统的谐振元件（302）并联连接的开关（311）；以及被连接到该开关（311）的控制器（312），其被配置成检测流过该谐振元件（302）的信号的零电压电平交叉，并且被配置成在检测到零电压电平交叉时将该开关（311）闭合预定量的时间，其中将该开关（311）闭合预定量的时间向无线电力传送系统的谐振频率添加电感值或电容值中的任何一个。

Description

用于无线电力接收器的动态谐振匹配电路

本申请要求2011年8月16日提交的美国临时专利申请No.61/523,947和2012年6月29日提交的美国临时专利申请No.61/666,040的权益。

技术领域

本发明总体上涉及无线电力传送系统，并且更具体地涉及用于动态调整这样的系统的谐振频率的技术。

背景技术

无线电力传送指的是在没有任何导线或接触的情况下供应电力。因此，通过无线媒介执行电子设备的供电。一种用于无线电力传送的流行应用是为便携式电子设备（例如移动电话、膝上型计算机等等）充电。

一种用于无线电力传送的技术是通过电感性供电系统实现的。在这样的系统中，电源（发送器）和设备（接收器）之间的电磁感应使得能够实现非接触式电力传送。发送器和接收器二者都装配有电线圈，并且当这些线圈达到物理接近时，电信号从发送器流到接收器。

在电感性供电系统中，所产生的磁场集中在线圈内。结果，到接收器拾取场（pick-up field）的电力传送在空间中非常集中。这种现象在系统中引起热点，其限制了该系统的效率。为了改善电力传送的效率，对于每个线圈，需要高品质因数。为此目的，线圈应当以最佳的电感电阻比的为特征，由具有低电阻的材料组成，并且使用李兹线（Litz-wire）工艺制造以便降低集肤效应。线圈还应当被设计成满足复杂的几何结构以避免涡电流。因此，需要昂贵的线圈用于高效电感性供电系统。针对用于大区域上的电感性无线电力传送系统的设计将需要许多昂贵的线圈。

电容性耦合是另一种用于无线传送电力的技术。这种技术主要被用在数据传送和感测应用中。胶合在窗户上具有拾音元件在汽车内的汽车收音机天线是电容性耦合的一个示例。电容性耦合技术也被用于电子设备的非接触式充电。对于这样的应用，（实现电容性耦合的）充电单元在该设备的固有谐振频率之外的频率处操作。

电容性电力传送系统还可以被用于在例如窗户、墙壁等等的具有平坦结构的大区域上传送电力。这样的电容性电力传送系统的一个示例是图1中描绘的系统100。如图1所示，这样的系统的典型布置包含连接到负载120和电感器130的一对接收器电极111、112。该系统100还包含连接到电力驱动器150和绝缘层160的一对发送器电极141、142。

该发送器电极对141、142位于绝缘层160的一侧上，而接收器电极111、112位于绝缘层160的另一侧上。这种布置在发送器电极对141、142和接收器电极111、112之间形成电容性阻抗。

电力驱动器150生成可以从发送器电极141、142被无线传送到接收器电极111、112以对负载120供电的电力信号。当该电力信号的频率与系统100的串联谐振频率匹配时，无线电力传送的效率得以改善。系统100的串联谐振频率是电感器130和/或电感器131的电感值的函数，也是发送器电极对141、142和接收器电极111、112之间的电容性阻抗（参见图1中的C1和C2）的函数。该电容性阻抗和（多个）电感器在谐振频率处相互抵消，从而导致低欧姆电路。负载120例如可以是LED、LED串、灯、计算机、扬声器等等。

在图2中提供了系统100的电气图200。当电力信号U_gen的频率接近该电路的串联谐振时获得最大的电力传送。该电路由负载R_L、电阻器R_S（代表电感器电阻）、电容器C₁和C₂、以及电感器L_S组成。串联谐振由电容器C₁和C₂以及电感器L_S的值确定。电容器C₁和C₂以及电感器L_S的值被选择成使得它们在信号U_gen的工作频率处相互抵消。因此，只有电感器R_S的串联谐振和电极的连接性限制电力传送。应当理解的是这允许传送以高振幅和低频率为特征的AC信号。

对于电容性和电感性电力传送系统二者来说，当输入AC电力的频率与在接收器处的谐振频率匹配时电力被高效地传送。例如，在诸如图1和2中示出的系统之类的包含电感元件的电容性系统中，（多个）电感器和电容性阻抗的谐振频率应当与AC电力信号的频率基本匹配。

一种匹配接收器的谐振频率的方法是使用可变谐振元件，例如可变电感器。但是，这样的方法对于应用而言可能庞大、昂贵或者不可用。另一种方法是改变电力驱动器150的工作频率。但是，这在包含多个负载的系统中可能不是可行的解决方案，因为该频率不能够被动态地调整来保证该系统中的所有负载将具有相同的谐振频率。例如，改变电力信号频率来满足第一负载的谐振频率可能导致将第二设备带离它的谐振状态。因此，期待这样一种解决方案，其匹配接收电路的谐振而不改变电力信号的工作频率并且不改变谐振设备的电容或电感值。

发明内容

因此，将会有利的是，提供一种用于无线电力传送系统的解决方案，其通过动态匹配这样的系统中的谐振来保证优化的电力传送。

本文所公开的特定实施例包含用于将无线电力传送系统的谐振频率匹配到电力信号的频率的谐振匹配电路。该电路包括被并联连接到该无线电力传送系统的谐振元件的开关；以及被连接到该开关的控制器，其被配置成检测流过该谐振元件的信号的零电压电平交叉并且在检测到零电压电平交叉时将该开关闭合预定义量的时间，其中将该开关闭合预定义量的时间向无线电力传送系统的谐振频率添加电感值和电容值中的任何一个。

本文所公开的特定实施例还包含用于将无线电力传送系统的谐振频率匹配到电力信号的频率的谐振匹配电路。该电路包括被串联连接到该无线电力传送系统的谐振元件的开关；被连接到该开关的控制器，其被配置成检测流过该谐振元件的信号的零电流电平的交叉并且在检测到零电流电平交叉时将该开关打开预定义量的时间，其中将该开关打开预定义量的时间向无线电力传送系统的谐振频率添加电感值和电容值中的任何一个。

本文所公开的特定实施例还包含用于将电容性电力传送系统的谐振频率匹配到电力信号的频率的谐振匹配电路。该系统包括被串联连接到该电容性电力传送系统的电感元件的开关；被连接到该开关的控制器，其被配置成检测流过该电感元件的信号的零电流电平的交叉并且在检测到该零电流电平交叉时将该开关打开预定义量的时间，其中将该开关打开预定义量的时间向该电容性电力传送系统的谐振频率添加电感值和电容值中的任何一个，其中该谐振频率是该电感元件、形成在该电容性电力传送系统的接收器电极和发送器电极之间的电容性阻抗、以及所述电感值和电容值中的任何一个的函数。

本文所公开的特定实施例还包含用于将电容性电力传送系统的谐振频率匹配到电力信号的频率的谐振匹配电路。该电路包括被并联连接到该电容性电力传送系统的电感元件的开关；被连接到该开关的控制器，其被配置成检测流过该电感元件的信号的零电压电平的交叉并且在检测到该零电压电平交叉时将该开关闭合预定义量的时间，其中将该开关闭合预定义量的时间向无线电力传送系统的谐振频率添加电感值和电容值中的任何一个，其中该谐振频率是该电感元件、形成在该电容性电力传送系统的接收器电极和发送器电极之间的电容性阻抗、以及所述电感值和电容值中的任何一个的函数。

附图说明

在本说明书的结尾处的权利要求中具体指出并且清楚地要求保护被看作是本发明的主题。本发明前述和其它的特征及优点将根据下文中结合附图的详细描述而清楚明白。

图1是电容性电力传送系统的图；

图2是该电容性电力传送系统的电气图；

图3是图示了根据一个实施例实现的具有谐振匹配电路的电感性电力传送接收器的示意图；

图4是图示了该谐振匹配电路的工作的曲线图；

图5是图示了根据另一个实施例实现的具有谐振匹配电路的电感性电力传送接收器的电气图；

图6A和6B是图示了在电感性电力传送接收器中的基于零电压交叉的谐振匹配电路的示例性连接的电气图；

图7A和7B是图示了在电感性电力传送接收器中的基于零电压交叉的谐振匹配电路的示例性连接的电气图；以及

图8、9和10是图示了根据各种实施例实现的具有谐振匹配电路的电容性电力传送系统的电气图；

图11是图示了根据一个实施例被设计成执行谐振匹配电路的切换操作的有源整流器的图；以及

图12A和12B图示了该有源整流器的示例性切换模式。

具体实施方式

应当着重指出的是所公开的实施例仅仅是对本文创新性教导的许多有利使用的示例。一般地，在本申请的说明书中做出的陈述不一定限制各种要求保护的任何发明。而且，一些陈述可以适用于一些创造性的特征但是并不适用于其它特征。一般地，除非另外地指明，单数元件可以是复数的，并且反之亦然而不失一般性。在附图中，相似的数字指示若干视图中相似的部分。

本文所公开的各种实施例包含被设计成将无线电力传送系统的谐振频率动态匹配到AC电力信号的频率的匹配谐振电路，而不改变该AC电力信号频率。正如上文所讨论的，当该系统的谐振频率与该AC电力信号的频率基本匹配时，电力传送得以优化。

图3描绘了接收器300的示例性且非限制性的电子电路图，该接收器300是电感性电力传送系统的接收器。根据一个实施例，该接收器300包含谐振频率匹配电路310。该接收器300还包含被并联连接到电感器（L）301的电容器（Cp）302。电感器301和电容器302形成该电感性电力传送系统中的并联谐振频率。接收器300还包含负载（R_L）303。尽管在图3中未示出，但是负载303典型地包含有源整流器、平滑电容器、以及电力被传递到其中的电学元件（例如LED、灯等等）。

来自发送器侧的交变磁场（未示出）在电感器301中感应出电压，其由电压源U_ind304表示。电压源U_ind的频率等于工作频率，即来自发送器侧的所生成的AC信号的频率。但是，电感器301和电容器302的谐振频率与工作频率不匹配。在一个实施例中，该谐振频率稍微高于该工作频率。

根据一个实施例，谐振匹配电路310与电容器302和负载303并联连接。谐振匹配电路310包含开关311和控制开关311的工作的控制器312。特别地，在一个实施例中，控制器312在电容器302处检测零电压交叉，即从正电势到负电势的转变，并且反之亦然。当检测到零电压交叉时，控制器312将开关311闭合预定义时间周期。

控制器312可以使用具有被提供给脉冲发生器的输出的一个或多个模拟比较器来实现。该脉冲发生器在零电压值交叉时产生短脉冲。因此，该短脉冲在检测到零电压交叉时闭合和打开开关311。在该脉冲发生器处调整短脉冲的持续时间。用于检测零电压交叉的控制器312的其它实现方式对本领域技术人员来说将是显而易见的。

当开关311被闭合时提供了横跨负载303的短路。正如上文所指出的，当检测到零电压交叉时将开关311闭合预定义时间周期。在一个实施例中，该预定义时间周期典型地短于工作频率的周期的一半。如果开关311在零电压交叉之后不久被闭合，那么短路电流具有虚拟电容性成分。另一方面，通过刚好在零电压交叉前闭合该开关，该短路电流具有虚拟电感性成分。虚拟假想电感性和电容性成分中的每一个都具有附加虚拟电容器或虚拟电感器的效果。虚拟假想电感性和电容性成分中的每一个的值都是其间开关被闭合的预定义时间周期的函数，其由控制器312控制。因此，通过调整开关311被闭合的持续时间，虚拟假想电感性和电容性成分中的每一个的值都可以被设置成使得在工作频率处该电路处于谐振中。

具体地，当开关311在正零电压交叉（即从负电势到正电势的交叉）之后不久被闭合时，生成短的正电流脉冲。这个短的正电流脉冲的频率成分相对于电压源U_ind304的相位具有接近-90°的相移。这对应于附加电容性电流，其被添加到由电感器301和电容器302组成的谐振电路。因此，开关311被看作是降低该电容性系统的总谐振频率的虚拟电容器（如上文所定义）。该短的正电流脉冲的持续时间（即该开关被闭合的时间量）确定该电流的振幅，并且因此确定该虚拟电容器的值。如果开关311在零电压交叉之前不久被闭合，那么在相反方向上生成电流短脉冲。因此，该电流脉冲的基频相对于电压源U_ind304的相位具有+90°的相移。这对应于增加谐振频率的虚拟电感器。

因此，通过调整短脉冲的持续时间（即开关311保持闭合的时间）和用于闭合开关311的定时（即在零电压交叉之前或之后），无线电力传送系统的串联谐振频率可以被匹配到电力信号的工作频率。

将参考图4进一步描述串联谐振频率匹配电路310的工作，图4图示了在时域中谐振电路310的工作。

如果由电感器301和电容器302组成的谐振电路310可以自由地振荡，那么谐振周期在特定时间处完成。最优地，激励循环的结束将会与每个谐振循环的开始对齐。但是，在图4中示出的情况中，激励循环410稍微长于谐振循环420。根据本文所公开的实施例，谐振循环420被延迟以使得新的谐振循环与新的激励循环同时开始。在该延迟时间期间，必须保存该谐振电路的电流和电压的状态，使得在该延迟时间之后，该电路表现得正如该延迟开始之前。如上文所讨论的，通过控制开关311的工作来在该延迟时间“冻结”该谐振电路的状态。

如图4所描绘的，曲线401代表感应源电压U_ind304（图3）的激励周期。在图4中一半循环被指示为激励循环410。曲线402对应于横跨电容器302（图3）的谐振电压。该电容器谐振电压的半循环在激励循环410之前结束。其特征在于在电容器302处的电压电势达到零电压值。在这种状态下，如曲线403所示，通过电感器301的谐振电流达到它的最大值。

为了将这个状态“冻结”直到下一个激励循环开始，开关311闭合，如开关信号405所指示那样。只要开关311被闭合，横跨电容器302的电压就保持为零，并且通过电感器301的电流保持在它的最大值。在激励循环达到的那一刻，通过表明开关信号405来再次打开开关311。然后，由电感器301和电容器302组成的电路的谐振状态被再次匹配到激励循环。

图5示出了接收器500的示例性非限制性的电子电路图，其可以在电感性电力传送系统中实现。根据这个实施例，接收器500包含谐振匹配电路510、电感器501、电容器502和负载503。尽管在图5中未示出，负载503典型地包含整流器、平滑电容器和电力被传递到其中的电学元件（例如LED、灯等等）。

谐振匹配电路510执行动态的并联谐振频率匹配并且包含开关511以及控制开关511的工作的控制器512。来自发送器侧的交变磁场（未示出）在电感器501中感应出电压，该电压由电压源504表示。U_ind504信号的频率等于工作频率。电感器501和电容器502的谐振频率与U_ind504信号的工作频率不匹配。

根据这个实施例，谐振匹配电路510与电容器502和负载503串联连接。控制器512检测流过电容器502的电流何时交叉零电平电流（即无电流）。当该电流为零时，控制器512将开关511打开预定义量的时间。当开关511被打开时，在最大电压处为电容器502充电。此后，控制器512闭合开关511，并且作为结果，电容器502可以被放电，并且下一个谐振循环开始。用于保持开关511打开的时间量可以被调整。在一个示例性实施例中，这个时间周期是短于工作频率的周期的一半的时间。

在谐振循环结束前闭合开关511迫使接收器500的谐振频率进入不同的状态，该状态等于该谐振循环的最终状态。因此，通过闭合开关511，长于激励循环的谐振循环可以被缩短以与激励循环匹配。

在谐振匹配电路510中，在零电流交叉时，打开和闭合开关511的操作生成电压脉冲。该电压脉冲被添加到谐振电压，其可以具有电感性或电容性电压成分，这取决于电压脉冲在零电流交叉的检测之前还是之后被生成。附加电感性或电容性电压的生成对应于附加可变虚拟电感器或电容器。该附加可变虚拟电感器或电容器可以被用于将接收器500的谐振频率匹配到电力信号的工作频率。控制器512可以使用一个或多个模拟比较器以使得它们的输出被提供给脉冲发生器来实现。

基于电压和电流的零交叉的检测的谐振匹配电路可以被连接在不同于图3和5中图示的那些布置的布置中。例如，如图6A所描绘的，接收器600包含基于零电压交叉的谐振匹配电路610，其与电容器601并联连接，并且与负载602串联连接。在图6A的布置中，正如上文详细讨论的，控制器612在电容器601处检测零电压交叉并且在检测到这样的交叉时切换开关611。

在另一种可能的布置中，如图6B所示，接收器620包含基于零电压交叉的谐振匹配电流610，其与电感器621和接收器620的感应电压源622并联连接。在图6B的布置中，正如上文所讨论的，控制器612检测横跨电感器621的电压的零电压交叉并且一旦零电压交叉就切换开关611。在图6A和6B中图示的布置中，接收器610和620是串联谐振电路。

图7A和7B图示了被包含在谐振接收器电路700（图7A）和720（图7B）中的基于零电流交叉的谐振匹配电路710的非限制性布置。

在图7A中，接收器700包含与电容器701串联连接的谐振匹配电路710。正如上文所讨论的，控制器712检测流过电容器701的电流的改变并且在零电平电流流动周围切换开关711。

在图7B中示出的布置中，接收器720包含与电感器721串联连接的谐振匹配电路710。正如上文所讨论的，控制器712检测流过电感器721的电流的改变并且在零电平电流流动周围切换开关711。

本文所讨论的谐振匹配电路还可以工作在诸如上文参考图1和2讨论的系统之类的电容性电力传送系统中。在下文中参考图8、9和10来描述用于在电容性电力传送系统中连接谐振匹配电路的各种实施例。

正如上文所指出的，电容性电力传送系统的谐振频率是形成在发送器和接收器电极之间的电容性阻抗和这样的系统的电感性元件的函数。在图8、9和10中将发送器和接收器电极之间的电容性阻抗图示为C1和C2。

在图8中示出的示例性且非限制性电气图中，在电容性电力传送系统800的接收器810中，谐振匹配电路820串联连接在电感器811和负载812之间。该谐振匹配电路820包含控制器821和开关822。类似于匹配电路500的工作，控制器821检测流过电感器811的电流的零电平交叉。当该电流为零时，控制器821打开开关822。

在谐振匹配电路820中，当检测到零电平交叉电流时打开和闭合开关822的操作在开关822处生成电压脉冲。该电压脉冲被添加到谐振电压并且可以具有相对于该电流的相位的相移，这取决于该脉冲出现在该电流的零电平交叉之前还是之后。这样，生成了实际上是附加可变虚拟电感器或电容器的附加电感性或电容性电压。该附加虚拟电感或电容值可以被实现成将接收器810的谐振频率匹配到由电力驱动器831生成的电力信号的工作频率。

在图9中示出的另一个实施例中，在电容性电力传送系统900的接收器910中，谐振匹配电路920与电感器911和负载912并联连接。谐振匹配电路920包含控制器921和开关922。控制器921检测电感器911上的电压电平以便检测零电压交叉。一旦检测到零电压交叉，控制器921将开关922闭合预定量的时间。该时间量典型地短于由电力驱动器931生成的AC电力信号的工作频率的周期的一半。当开关922被闭合时，造成横跨负载912的短路。如果该开关的闭合周期紧接着在零转变之后，那么短路电流具有虚拟电容性成分。如果开关922在零转变之前被闭合，那么短路电流具有虚拟电感性成分。这种虚拟假想成分具有附加虚拟电容器或电感器的效果，因此将接收器910的谐振频率匹配到AC电力信号的工作频率。正如上文所指出的，通过改变导致短路的脉冲的长度，虚拟电感/电容值可以被设置成使得该接收器电路在由电力驱动器931生成的AC电力信号的工作频率处处于谐振中。

图10示出包含接收器1010和谐振匹配电路1020的电容性电力传送系统1000。在图10中图示的实施例中，谐振匹配电路1020与电感器1011并联连接。该并联组合与负载1012串联连接。谐振匹配电路1020包含控制器1021和开关1022。

在图10中图示的配置中，当谐振匹配电路1020的控制器1021检测到电力信号的零电压电平交叉时通过闭合开关1022生成附加虚拟电感值。该电力信号是由电力驱动器1031生成的AC信号。开关1022被闭合预定量的时间，该时间典型地短于该AC电力信号的工作频率的周期的一半。

在本发明的一个实施例中，包含在上文所讨论的任何谐振匹配电路中的开关的工作可以由有源整流器执行。正如上文所指出的，无线电力传送系统的负载典型地包含有源整流器、平滑电容器、和电力被传递到其中的电学元件（例如LED、灯等等）。典型地，整流器被用于将AC信号转换为DC信号并且使用二极管电桥来实现。在图11所示的示例性实施例中，使用有源开关（S1、S2、S3和S4）而不是二极管电桥的二极管来实现有源整流器1100。通过实现如图11所示的有源开关，上文所描述的任何谐振匹配电路的开关操作都可以通过同时闭合两个开关（S1、S2、S3和S4）完成，从而它们导致横跨电容器C的短路。

在图12A中图示了有源整流器1100的开关（S1、S2、S3和S4）的用于基于零电压交叉的操作的切换模式。

在图12B中图示了有源整流器1100的开关（S1、S2、S3和S4）的用于基于零电流交叉的操作的切换模式。

在另一个实施例中，谐振匹配电路的开关（例如在上文详细公开的任何实施例中所说明的）可以被用于在电力信号上调制数据信号。这通过在零电压交叉的周围不对称地切换开关完成，使得电流的附加真实成分流动。这种电流成分可以被用来生成负载调制信号以将数据传送到无线电力传送系统的发送器侧。

应当指出的是，在上文中详细公开的任何实施例中的谐振匹配电路可以被连接在包含多个接收器的电容性电力传送系统或电感性电力传送系统中。因此，每个接收器的谐振频率由它的谐振匹配电路控制。结果，所述多个接收器的谐振频率可以被独立地匹配到电力信号的工作频率。

尽管已经以一定长度和一定特殊性描述了各种实施例，但是不应当将本发明限制为任何这样的细节或实施例或任何具体的实施例，而是应当参考随附的权利要求来解释它以便在考虑现有技术的情况下提供对这样的权利要求最宽泛的可能解释，并且因此以便本发明有效地包含本发明的预期范围。此外，前文根据发明人预见的能够使描述可用的实施例描述了本发明，但是目前未预见的对本发明的非实质性的修改也仍然可以代表其等同物。

Claims (11)

1.一种用于将电容性电力传送系统的谐振频率匹配到电力信号的频率的谐振匹配电路，其包括：

开关，其与该电容性电力传送系统的谐振电感器元件串联连接，或者与该电容性电力传送系统的谐振电感器元件并联连接；以及

控制器，其被连接到该开关并且被配置成检测当开关与谐振电感器元件串联时流过该谐振电感器元件的信号的零电流电平的交叉，并且被配置成在检测到零电流电平交叉时将该开关打开预定量的时间，或者被配置成检测当开关与谐振电感器元件并联时该谐振电感器元件上的零电压电平的交叉，并且被配置成在检测到零电压电平交叉时将该开关闭合预定量的时间，

其中将该开关打开/闭合预定量的时间向电容性电力传送系统的谐振频率添加电感值和电容值中的任何一个。

2.权利要求1的电路，其中该开关在该零电流电平交叉之前没有延误地或在该零电流电平交叉之后没有延误地被打开。

3.权利要求1的电路，其中该预定量的时间小于该电力信号的频率的周期的一半。

4.权利要求1的电路，进一步包括：

形成在电容性电力传送系统的接收器电极和发送器电极之间的电容性阻抗。

5.权利要求4的电路，其中：

谐振电感器元件与电容性阻抗串联，并且谐振电感器元件与负载串联或并联。

6.权利要求4的电路，其中该预定量的时间小于该电力信号的频率的周期的一半。

7.权利要求1的电路，其中该谐振频率是电感性元件、形成在电容性电力传送系统的接收器电极和发送器电极之间的电容性阻抗、以及电感值和电容值中的任何一个的函数。

8.权利要求7的电路，其中该预定量的时间小于该电力信号的频率的周期的一半。

9.权利要求1、4和7中任一项的电路，其中该开关的切换操作由有源整流器执行。

10.权利要求1、4和7中任一项的电路，其中该电容性电力传送系统包含多个接收器，其中将谐振匹配电路连接到所述多个接收器中的每个接收器以便独立地匹配该接收器的谐振频率。

11.权利要求1、4和7中任一项所述的电路，其中该开关被进一步配置成在该电力信号上调制数据信号。