CN103746461A - 无线电力接收机电路及其测量可用电力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线电力接收机电路，包括：一电磁谐振器，包括用于接收电力源的一接收机线圈以及一匹配网络，所述匹配网络输出一交流电力；一整流器电路，用于将源自所述电磁谐振器的交流电力转换为直流电力；以及一可用电力指示器，用于测量经由所述整流器电路已整流过的电力，以根据所述测量结果估计所述无线电力接收机电路的瞬间可用电力，并判断所述瞬间可用电力是否足够驱动一负载电路。本发明还提供一种测量可用电力的方法，以用于所述无线电力接收机电路。

Description

无线电力接收机电路及其测量可用电力的方法
技术领域
本发明关于一种无线供电系统，特别关于一种可独立测量瞬间可用电力的共振式无线电力接收机电路及其测量可用电力的方法。
背景技术
在共振式无线供电(resonant wireless power，缩写为RWP)系统中，多个电力接收机装置可同时通过近场磁耦合自单一来源接收电力。各接收机线圈与来源端线圈之间的耦合因子(coupling factor)或互感(mutual inductance)可根据线圈的相对位置与方向而发生变化。即使接收机线圈并非直接互相耦合，各接收机线圈仍可通过与来源端线圈的互动（interactions），而影响其它接收机线圈的功率转换。来源端可传递给接收机的电量必须有所限制。因此，于一既定时间内传送到任一接收机的可用（或可得）电力（available power）会是相对于来源端线圈的方向以及系统内接收机线圈的状态的函数。
为了使无线供电系统可提供用户良好的感受，估计可用电力为必要的。以下假设无线供电系统的可用电力为未知的，用于说明为何估计可用电力为必要的。假设一装置进入无线供电系统中，以对其电池装置进行充电。无线功率转换器的输出端可出现一电压，用于指示接收机装置电力已备妥，于是接收机装置可对该电池装置进行充电。然而，假设接收机装置仅能自无线供电来源端汲取出0.5瓦特的电力，而待充电的装置需使用1瓦特电力对其电池装置进行充电，就代表了此充电行为将导致供电系统崩溃。此时，无线功率转换器的输出端的电压将下降，造成充电终止。接着，可能恢复充电，导致限制性循环行为（limit-cycling behavior）。此外，无线供电来源端的过载也会影响系统内对于其他装置的电力转换。
发明内容
有鉴于此，需要一种无线电力接收机电路及其测量可用电力的方法，以解决上述技术问题。
根据本发明之一实施例，一种无线电力接收机电路，包括：一电磁谐振器，包括用于接收电力源的一接收机线圈以及一匹配网络，所述匹配网络输出一交流电力；一整流器电路，用于将源自所述电磁谐振器的交流电力转换为直流电力；以及一可用电力指示器，用于测量经由所述整流器电路已整流过的电力，以根据所述测量结果估计所述无线电力接收机电路的瞬间可用电力，并判断所述瞬间可用电力是否足够驱动一负载电路。
根据本发明之另一实施例，一种测量可用电力的方法，用于一共振式无线电力接收机电路，所述方法包括：提供一电磁谐振器，所述电磁谐振器包括一接收机线圈以及一匹配网络，所述匹配网络产生一交流电力；使用一整流器电路将源自所述电磁谐振器的交流电力转换为直流电力；以及使用一可用电力指示器测量经由所述整流器电路已整流过的电力，以根据所述测量结果估计所述共振式无线电力接收机电路的瞬间可用电力，并根据所述瞬间可用电力判断所述可用电力是否足够驱动一负载电路。
本发明提出的无线电力接收机可独立测量瞬间可用电力，因此，可利用此信息智能地控制其电力汲取量，以确保使用者获得良好的感受。
附图说明
图1显示一无线电力接收机电路的简化示意图。
图2显示一无线电力接收机电路的交流模型。
图3为显示出使用图2的无线电力接收机电路的两个情境的电力(P)-电压(V)曲线图。
图4为显示出本发明所使用的两个情境的测试-负载点的电力(P)-电压(V)曲线图。
图5显示本发明中用于实施测试-负载测量方法的电路示意图。
具体实施方式
在本说明书以及权利要求书当中使用了某些词汇来指代特定的元件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同样的元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”是一个开放式之用语，因此应解释成“包含但不限定于”。另外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可以直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接至第二装置。
实施例：
本发明揭露一种无线电力接收机可独立测量瞬间可用电力的方法。所述接收机可利用此信息智能地控制其电力汲取量，以确保使用者获得良好的感受。
图1显示一无线电力接收机电路2的简化示意图。所述无线电力接收机电路2包括依次连接的电磁谐振器、整流器电路以及负载。所述电磁谐振器包括形成一接收机线圈的一个或多个感应元件以及形成一匹配网络的多个被动元件。本实施方式中，所述电磁谐振器包括一个电感L2(即，接收机线圈)以及相互并联的电容C2a与C2b。所述电容C2a与C2b形成所述匹配网络，所述匹配网络可于其输出端输出交流电力。具体的，由来源电感(图未示)耦合至电感L2的电力会经由桥式整流器4（即所述整流器电路）整流，并且接着会经由直流-直流转换器6（即所述负载的一部分）调节，以产生调节过的输出电压。由电容C2a与C2b所形成的匹配网络与电感L2产生共振，形成无线电力接收机电路2对来源电感于共振频率上呈现一匹配的阻抗。所述桥式整流器4、直流-直流转换器6以及负载电路可以由图2所示的电路10内的电阻RL模拟。电阻RL的跨压V2的最高交流电压值大略等于已整流过的电压Vrect。
经由适当设计电阻RL的数值，可使系统内的阻抗达成匹配，并且使传送至电阻RL的电力最大化。即使实际无线供电系统内没有实体的电阻RL，若计算整流器加上负载电路的等效阻抗，相同的条件仍可适用。为了确保无线供电系统的稳定运作，可将等效阻抗的电阻值设定为大于所述特定电阻RL的值。
图3显示使用如图2所示的无线电力接收机传递至一负载电阻的电力(P)与电压(V)曲线图。图中可清楚看出最大电力发生于阻抗理想匹配时。此最大电力发生于小于图标右侧的未负载电压（unloaded voltage）的一电压处。图3中显示出两个情境，其中一个可用电力相对高(情境0，如曲线301所示)，另一个可用电力相对低(情境1，如曲线302所示)。可用电力由耦合因子、来源端线圈的电流以及系统内出现的其他接收机等因素所影响。来源端的电力已被调整，使得于两个情境的未负载电压大约相等。
在实际的无线供电系统中，负载电阻并非是可被控制的变量。直流-直流转换器6不断地调整其输入阻抗，用于传递必需的电力至负载。对于接收机而言，与来源端的耦合因子是未知的。唯有在无线电力接收机通过断开一开关或将其输出调节器(regulator)禁能的方式限制输出电力的情况下，无线电力接收机才可知道其输出电力。此为未负载条件，表示于图上的电阻RL最大值的点。考虑到一无线电力接收机开启后进入如图3的情境0或情境1所示的未负载条件。由于电压相等，无法决定接收机是操作于哪个状态下，因此无法估计出可撷取出多少的电力而不会达到过载的情况。因此，需要一种接收机可实现的合理的测量方法，用于估计无线供电系统的可用电力。
单点测量已整流过的电压的方法已验证过不足以估计可用电力。然而，两点测量方式可用于估计可用电力。本实施例中，所述两点测量方式指利用所述电阻RL处于负载开路状态以及具有测试-负载状态时的两种数值来测量可用电力。具体的，假设无线电力接收机可在电阻RL的两数值（RLU与RLT）上测量电力，其中RLU为非常大数值，而RLT为测试数值。此外，还假设所述测试数值是高于汲取额定电力所需的电阻RL，但并不至于到非常大。于电子RL的两数值RLU与RLT所做的测量显示于图4所示的情境0(如曲线401所示)与情境1(如曲线402所示)范例中的0U、0T、1U与1T四个点。电力-电压曲线上各点数值显示于下表1所示的范例中。于情境0，当汲取1瓦(W)电力时，所显示的压降仅为16伏特(V)中的0.5伏特。从电力与电压的曲线形状来看，可推断出于情境0中大约可自系统中汲取1瓦以上电力。然而，于情境1，当电力仅0.7瓦时，由点1U至1T的压降为3伏特。这可指示出于情境1的可用电力并非远高于0.7瓦。可以理解的是，若系统被适当的描绘以及/或模拟，可得知电力-电压曲线的形状，并且可使用两点测量的方式精确地预测可用电力。值得注意的是，于情境0与情境1的测试电力并不相同，但在决定可用电力时这并非必要的。
表格1:范例情境之电力-电压点
点 负载电力 已整流过之电压
0U 0W 16V
0T 1W 15.5V
1U 0W 16V
1T 0.7W 13V
图5显示实施两点测量的电路12。电阻RLT（即电阻RL的数值为RLT时的情况）与一开关S1串联，且所述电阻RLT与所述开关S1并联于直流-直流转换器6两端。一选通开关S2耦接于所述开关S1远离所述电阻RLT的一端与所述直流-直流转换器6之间。一模拟至数字转换器(analog-to-digitalconverter，缩写为ADC)501耦接在所述桥式整流器4的输出端与所述开关S1之间。一微控制器单元(microcontroller unit，缩写为MCU)502与所述模拟至数字转换器501连接，且其输出分别耦接于所述开关S1与选通开关S2。当开关S1断开并且选通开关S2断开时，可使用所述模拟至数字转换器501进行无负载测量。当开关S1导通而选通开关S2断开时，电阻RLT会加载无线供电系统，并且可使用模拟至数字转换器(ADC)501进行测试-电阻测量。各测量结果可通过测量电压Vrect而达成。例如，具体的，所述模拟至数字转换器501接收到所述桥式整流器4的输出端的电压Vrect的信号，然后将所述电压信号转换为数字信号输出。所述数字信号即可作为测量结果。可以理解，在其他方式中，所述模拟至数字转换器501可获得桥式整流器4的输出端的电流信号，并根据该电流信号输出对应的测量结果。执行测量后，测量结果可储存于微控制器单元(microcontroller unit，缩写为MCU)502的内存。微控制器单元502接着可执行一计算，用于根据一方程式或查照表决定可用电力。若可用电力被判定为足够驱动功能性负载电路，开关S1断开，选通开关S2导通，此时电力会被传递至功能性负载电路。
取代断开开关S2，另一实施例是将用于调节输出电力的直流-直流转换器6禁能，从而将功能性负载电路自无线电力接收机断开。若选择此实施方式时，电压Vrect可直接连接至直流-直流转换器6。直流-直流转换器6可由线性调节器(regulator)所取代，或者若不需要调节输出电力时，可整个被省略。除了测试电阻外，测试电流槽(current sink)也可被用于自已整流过的电压汲取已知的电力。测试负载可设置在整流器4之前，应用于交流电路，并且具有相同的效果。
本发明提出了无线电力接收机可独立测量瞬间可用电力的技术，此外，接收机可利用此信息智能地控制其电力汲取量，以确保使用者获得良好的感受。
虽然本发明已以较佳实施方式揭露如上，然其并非用于限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的范围内，可以做一些改动，因此本发明的保护范围应以权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种无线电力接收机电路，包括：
一电磁谐振器，包括用于接收电力源的一接收机线圈以及一匹配网络，所述匹配网络输出一交流电力；
一整流器电路，用于将源自所述电磁谐振器的交流电力转换为直流电力；以及
一可用电力指示器，用于测量经由所述整流器电路已整流过的电力，以根据测量结果估计并指示所述无线电力接收机电路的瞬间可用电力。
2.如权利要求1所述的无线电力接收机电路，更包括一调节器，耦接于所述整流器电路的输出端，用于将经由所述整流器电路已整流过的电力转换为已调节的输出电力。
3.如权利要求1所述的无线电力接收机电路，其特征在于，所述可用电力指示器包括一模拟至数字转换器，所述模拟至数字转换器耦接于所述整流器电路的输出端，用于接收经由所述整流器电路已整流过的电力信号，并将所述电力信号转换为所述测量结果。
4.如权利要求3所述的无线电力接收机电路，其特征在于，所述可用电力指示器还包括一微控制器单元，与所述模拟至数字转换器连接，用于根据所述测量结果执行可用电力的估计，并且根据所述估计结果控制多个开关。
5.如权利要求4所述的无线电力接收机电路，其特征在于，所述可用电力指示器进一步用于判断所述瞬间可用电力是否足够驱动一负载电路，所述多个开关之一者用于在可用电力指示器判断出所述瞬间可用电力足够驱动所述负载电路之前，将所述无线电力接收机电路与所述负载电路断开。
6.如权利要求5所述的无线电力接收机电路，进一步包括一电阻元件，所述电阻元件与所述多个开关之另一者串联后并联于所述整流器电路两端，当所述多个开关之另一者导通时，所述电阻元件会加载所述整流器电路的输出电力，并且使用所述模拟至数字转换器进行测试-电阻测量。
7.如权利要求1所述的无线电力接收机电路，其特征在于，所述可用电力利用一两点测量方式测量。
8.如权利要求1所述的无线电力接收机电路，其特征在于，进一步包括耦接于所述可用电力指示器的直流-直流转换器，所述直流-直流转换器形成所述负载电路，且在所述可用电力指示器判断出所述可用电力足够驱动所述负载电路之前，所述直流-直流转换器被禁能。
9.一种测量可用电力的方法，用于一共振式无线电力接收机电路，所述方法包括：
提供一电磁谐振器，所述电磁谐振器包括一接收机线圈以及一匹配网络，所述匹配网络产生一交流电力；
使用一整流器电路将源自所述电磁谐振器的交流电力转换为直流电力；以及
使用一可用电力指示器测量经由所述整流器电路已整流过的电力，以根据测量结果估计所述共振式无线电力接收机电路的瞬间可用电力，并根据所述瞬间可用电力判断所述可用电力是否足够驱动一负载电路。
10.如权利要求9所述的测量可用电力的方法，其特征在于，所述可用电力利用一两点测量方式测量。
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