CN104604083B - 具有减少的功率耗散的无线电力过电压保护电路 - Google Patents

具有减少的功率耗散的无线电力过电压保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明揭示用于无线电力接收器中的过电压保护的系统、方法及设备。本发明的一个方面是无线电力接收器设备。所述设备包含天线电路，其经配置以用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述天线电路电连接到过电压保护电路，所述过电压保护电路电连接在所述天线电路与所述负载之间。所述设备还包含电连接到所述天线电路的匹配电路和电连接到所述匹配电路的切换元件。所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以控制流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量。

Description

具有减少的功率耗散的无线电力过电压保护电路
技术领域
所描述技术大体上涉及无线电力。更具体来说，本发明是针对用于无线电力接收器的具有减少的功率耗散的过电压保护电路。
背景技术
越来越多的数目和种类的电子装置经由可再充电电池供电。此些装置包含移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器，和其类似者。虽然电池技术已得到改进，但电池供电的电子装置越来越需要及消耗更大量的电力，借此常常需要再充电。可再充电的装置常常经由有线连接通过物理地连接到电力供应器的电缆或其它类似连接器充电。电缆和类似连接器有时可能不方便或繁琐，且具有其它缺点。无线充电系统能够在自由空间中传送电力以用以对可再充电电子装置进行充电或提供电力到电子装置，且因此它们可克服有线充电解决方案的一些不足。
发明内容
在所附权利要求书的范围内的系统、方法和装置的各种实施方案各自具有若干方面，其中的单个方面并不单独负责本文所述的合乎需要的属性。在不限制所附权利要求书的范围的情况下，本文描述一些显要特征。
在附图及下文描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面及优点将从所述描述、图式及权利要求书而变得显而易见。
一个方面是一种无线电力接收器设备，其包括：天线电路，其经配置以用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述天线电路电连接到过电压保护电路，所述过电压保护电路电连接在所述天线电路与所述负载之间；匹配电路，其电连接到所述天线电路；以及切换元件，其电连接到所述匹配电路，其中所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以控制流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量。
另一方面是一种操作无线电力接收器设备的方法，其包括：用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述负载电连接到过电压保护电路；以及控制流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量。
另一方面是一或多个处理器可读存储装置，具有体现于所述处理器可读存储装置上的处理器可读代码，所述处理器可读代码用于对一或多个处理器进行编程以执行操作无线电力接收器设备的方法，所述方法包括：用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述负载电连接到过电压保护电路；以及控制流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量。
另一方面是一种无线电力接收器设备，其包括：用于用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力的装置，其中所述负载电连接到过电压保护电路；以及用于控制流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量的装置。
另一方面是一种处理设备，其包括：存储器；以及处理器，其耦合到所述存储器，所述处理器经配置以用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述负载电连接到过电压保护电路；以及控制流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量。
附图说明
图1为根据一个示范性实施方案的无线电力传送系统的功能框图。
图2为根据另一示范性实施方案的无线电力传送系统的功能框图。
图3为根据示范性实施方案的包含发射或接收天线的图2的发射电路或接收电路的一部分的示意图。
图4是根据示范性实施方案可在图1的无线电力传送系统中使用的发射器的功能框图。
图5是根据示范性实施方案可在图1的无线电力传送系统中使用的接收器的功能框图。
图6是根据一个示范性实施方案的用于保护其中包含的过电压保护(OVP)电路的无线电力接收器的框图。
图7是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的框图。
图8是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的框图。
图9是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的框图。
图10是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的示意图。
图11是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的示意图。
图12是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的示意图。
图13是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的示意图。
图14是展示根据一个示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器的示范性操作的流程图。
图15是根据另一示范性实施方案的用于保护过电压保护(OVP)电路的无线电力接收器的框图。
图式中所说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，为了清晰起见，可能任意扩大或减小各种特征的尺寸。此外，图式中的一些可能并未描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后，可能贯穿说明书和图式使用相同参考标号来表示相同特征。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述既定为本发明的某些实施方案的描述且无意表示其中可实践本发明的仅有实施方案。在整个此描述中使用的术语“示范性”意指“充当实例、例子或说明”且不一定应被解释为比其它示范性实施方案优选或有利。出于提供对所揭示实施方案的透彻理解的目的，所述详细描述包含具体细节。在一些情况下，以框图形式展示一些装置。
无线电力传送可指在不使用物理电导体的情况下将与电场、磁场、电磁场或其它者相关联的任何形式的能量从发射器传送到接收器(例如，可经由自由空间传送电力)。输出到无线场((例如，磁场)中的电力可由“接收天线”接收、俘获或耦合以实现电力传送。
图1为根据一个示范性实施方案的无线电力传送系统100的功能框图。输入电力102可从电源(未图示)提供到发射器104以产生用于执行能量传送的场105。接收器108可耦合到场105且产生输出电力110用于由耦合到输出电力110的装置(未图示)存储或消耗。发射器104和接收器108两者以距离112分隔开。
在一个示范性实施方案中，发射器104及接收器108根据相互谐振关系而配置。当接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率实质上相同或极为接近时，发射器104与接收器108之间的发射损失最小。因而，与可需要非常接近(例如，有时在几毫米内)的大天线线圈的纯电感式解决方案相比，可经由较大距离来提供无线电力传送。谐振感应耦合技术因此可允许在各种距离上且利用多种感应线圈配置的改善的效率和电力传送。
接收器108可在接收器108位于由发射器104产生的能量场105中时接收电力。场105对应于其中由发射器104输出的能量可由接收器108俘获的区。场105可对应于发射器104的“近场”，如下文将进一步描述。发射器104可包含用于将能量发射到接收器108的发射天线114。接收器108可包含用于接收或俘获从发射器104发射的能量的接收天线118。所述近场可对应于其中存在由发射天线114中的电流和电荷产生的强反作用场的区，所述强反作用场最少地辐射电力离开发射天线114。所述近场可对应于在发射天线114的大约一个波长(或其分数)内的区，或在一些实施方案中其可在小于大约5米的距离内。在其它实施方案中，所述近场可在小于大约10米的距离内，且在一些实施方案中在处于或大于10米的距离内。
发射天线114和接收天线118是根据与其相关联的应用和装置来设定大小。如上文所描述，通过将发射天线114的场105中的能量的大部分耦合到接收天线118而不是将所述能量的大部分在电磁波中传播到远场，可发生高效能量传送。当定位在场105内时，在发射天线114与接收天线118之间可形成“耦合模式”。发射天线114和接收天线118周围的其中可发生此耦合的区域在本文中被称作耦合模式区。
图2为根据另一示范性实施方案的无线电力传送系统200的功能框图。系统200包含发射器204和接收器208。发射器204可包含发射电路206，所述发射电路可包含振荡器222、驱动器电路224和滤波器与匹配电路226。振荡器222可经配置以产生处于例如468.75KHz、6.78MHz或13.56MHz的所要频率的信号，可响应于频率控制信号223而调整所述频率。振荡器信号可提供到驱动器电路224，所述驱动器电路经配置以基于输入电压信号(VD)225以(例如)发射天线214的谐振频率驱动发射天线214。驱动器电路224可为经配置以从振荡器222接收方波且输出正弦波的切换放大器。举例来说，驱动器电路224可以是E类放大器。
滤波器与匹配电路226可滤除谐波或其它不希望的频率且将发射器204的阻抗匹配于发射天线214。由于驱动发射天线214，发射器204可以足以对位于接收器208处或附近的电子装置充电或供电的电平无线输出电力。作为一个实例，提供的电力可(例如)为大约300毫瓦到大约5瓦以对具有不同电力要求的不同装置供电或充电。也可以提供较高或较低电力电平。
接收器208可包含接收电路210，所述接收电路可包含匹配电路232和整流器与切换电路234。匹配电路232可将接收电路210的阻抗匹配于接收天线218。整流器与切换电路234可从交流(AC)电力输入产生直流(DC)电力输出以基于输入信号235对如图2中示出的电池236充电或对耦合到接收器208的装置(未图示)供电。接收器208和发射器204可另外在单独的通信信道219(例如，蓝牙、紫蜂、蜂窝式等)上通信。接收器208和发射器204可以或者使用无线场205的特性经由带内信令通信。
如下文较全面描述，最初可具有可选择性地停用的相关联负载(例如，电池236)的接收器208可经配置以确定由发射器204发射且由接收器208接收的电力量是否适合于为电池236充电。此外，接收器208可经配置以在确定电力量适当之后即刻启用负载(例如，电池236)。在一些实施方案中，接收器208可经配置以直接利用从无线电力传送场接收的电力而无需对电池236充电。举例来说，例如近场通信(NFC)或射频识别装置(RFID)等通信装置可经配置以从无线电力传送场接收电力且通过与无线电力传送场相互作用而通信和/或利用所接收的电力与发射器204或其它装置通信。
图3是根据示范性实施方案的图2的发射电路206或接收电路210的一部分的示意图。如图3中所说明，发射或接收电路350可包含天线352。所述天线352还可称为或配置为“环形”天线352。天线352还可在本文称为或配置为“磁性”天线或感应线圈。术语“天线”大体上指可无线地输出或接收用于耦合到另一“天线”的能量的组件。天线也可被称作经配置以无线地输出或接收电力的类型的线圈。如本文所使用，天线352为经配置以无线地输出及/或接收电力的类型的“电力传送组件”的实例。
天线352可包括空气芯或例如铁氧体芯(未图示)等物理芯。空气芯环形天线可以在更大程度上容受放置在芯的附近的外来物理装置。此外，空气芯环形天线352允许将其它组件放置在芯区域内。此外，空气芯环可以更容易允许将接收天线218(图2)放置在发射天线214(图2)的平面内，在所述平面中，发射天线214的耦合模式区可能更加强大。
如所陈述，在发射器104/204与接收器108/208之间匹配或几乎匹配的谐振期间，可以发生发射器104/204与接收器108/208之间的高效能量传送。但是，即使当发射器104/204与接收器108/208之间的谐振不匹配时，也可以传送能量，只不过效率可能会受到影响。举例来说，效率可在谐振不匹配时较低。通过将来自发射天线114/214的场105/205的能量耦合到驻留于其中建立此场105/205的邻域中的接收天线118/218而不是将来自发射天线114/214的能量传播到自由空间中，发生能量传送。
环形或磁性天线的谐振频率是基于电感和电容。电感可以简单地为天线352产生的电感，而电容可以添加到天线的电感以形成所要谐振频率下的谐振结构。作为非限制性实例，电容器354和电容器356可以添加到发射或接收电路350以产生在谐振频率下选择信号358的谐振电路。因此，对于较大直径的天线，维持谐振所需的电容的大小可以随着环的直径或电感的增加而减小。
另外，随着天线的直径增加，近场的高效能量传送区域可以增加。也可能有使用其它组件形成的其它谐振电路。作为另一非限制性实例，可将电容器并联放置于电路350的两个端子之间。对于发射天线，频率实质上对应于天线352的谐振频率的信号358可为对天线352的输入。
参考图1和2，发射器104/204可输出具有对应于发射天线114/214的谐振频率的频率的时变磁场。当接收器108/208在场105/205内时，所述时变磁场可在接收天线118/218中感应电流。如上文所描述，如果接收天线118/218经配置成以发射天线114/214的频率谐振，那么可有效传送能量。可以如上文所描述将在接收天线118/218中感应的AC信号整流以产生可经提供以为负载充电或供电的DC信号。
图4是根据示范性实施方案可在图1的无线电力传送系统100中使用的发射器404的功能框图。发射器404可包含发射电路406和发射天线414。发射天线414可与如图3中示出的天线352相同。发射电路406可通过提供导致发射天线414周围的能量(例如，磁通量)产生的振荡信号而将RF电力提供到发射天线414。发射器404可在任何合适的频率下操作。以实例说明，发射器404可在6.78兆赫ISM频带处操作。
发射电路406可包含用于将发射电路406的阻抗(例如，大约50欧)匹配于发射天线414的固定阻抗匹配电路409，以及经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器108/208的装置的自干扰的水平的低通滤波器(LPF)408。其它示范性实施方案可包含不同滤波器拓扑，包含但不限于使特定频率衰减同时传递其它频率且可包含自适应阻抗匹配的陷波过滤器，所述自适应阻抗匹配可基于可测量的发射度量(例如到天线414的输出电力或由驱动器电路424汲取的DC电流)而变化。
发射电路406可进一步包含经配置以驱动如由振荡器423确定的RF信号的驱动器电路424。发射电路406可包含离散装置或电路，或替代地可包含集成组合件。从发射天线414输出的示范性RF功率可为大约2.5瓦。
发射电路406还可包含控制器415，其用于在特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间选择性启用振荡器423，用于调整振荡器423的频率或相位，及用于调整输出电力电平以用于实施通信协议以便通过其附接的接收器与相邻装置交互。应注意控制器415在本文中也可以被称作处理器415。振荡器相位和发射路径中的相关电路的调整可允许带外发射的减少，尤其当从一个频率转变到另一频率时。
发射电路406可进一步包含用于检测由发射天线414产生的近场附近的有源接收器的存在或不存在的负载感测电路416。借助于实例，负载感测电路416监视流动到驱动器电路424的电流，所述电流可受由发射天线414产生的场附近的有源接收器的存在或不存在影响，如下文将进一步描述。控制器415监视驱动器电路424上的加载变化的检测，用于确定是否启用振荡器423以便发射能量和与有源接收器通信。如下文较全面描述，在驱动器电路424处所测得的电流可用于确定是否有无效装置定位在发射器404的无线电力传送区内。
发射天线414可以用利兹线实施，或者实施为具有经选择以使电阻损耗保持低的厚度、宽度和金属类型的天线条带。在一个实施方案中，发射天线414大体上可经配置以用于与较大结构(例如，桌子、垫子、灯或其它不太便携的配置)相关联。因此，发射天线414大体上可不需要“匝”以便具有实际尺寸。发射天线414的示范性实施方案可为“电学小的”(例如，波长的分数)，且经调谐以通过使用电容器界定谐振频率而在较低可用频率下谐振。
发射器404可搜集且跟踪关于可与发射器404相关联的接收器装置的行踪和状态的信息。因此，发射电路406可包含连接到控制器415的存在检测器480、封闭检测器460、存储器470或其组合。
控制器415可响应于来自存在检测器480和封闭检测器460的存在信号而调整由驱动器电路424递送的电力的量。发射器404可通过许多电源接收电力，例如(例如)用以转换建筑物中存在的AC电力的AC/DC转换器(未图示)、用以将DC电源转换到适合于发射器404的电压的DC/DC转换器(未图示)，或直接从DC电源(未图示)接收电力。
作为非限制性实例，存在检测器480可为用以感测插入到发射器404的覆盖区域中的待充电装置的初始存在的运动检测器。在检测之后，发射器404可接通，且可使用由所述装置接收的RF电力来以预定方式双态触发Rx装置上的开关，此又导致发射器404的驱动点阻抗的改变。
作为另一非限制性实例，存在检测器480可为能够例如通过红外线检测、运动检测或其它合适方式检测人的检测器。在一些示范性实施方案中，可能存在限制发射天线414可在特定频率下发射的电力量的法规。在一些情况下，这些法规有意保护人免受电磁辐射。然而，可能存在发射天线414放置于不被人类占据或不频繁地被人类占据的区域中的环境，例如车库、工厂车间、商店和其类似者。如果这些环境中没有人，则可容许将发射天线414的电力输出增大到高于正常电力限制法规。换句话说，控制器415可响应于人的存在而将发射天线414的电力输出调整到法规水平或更低，且当人在距发射天线414的电磁场的法规距离外时将发射天线414的电力输出调整到高于法规水平的水平。
作为非限制性实例，封闭检测器460(在本文中还可称为封闭隔室检测器或封闭空间检测器)可以是例如用于确定何时壳体处于关闭或打开状态的感测开关的装置。当发射器404处于呈封闭状态的壳体中时，可增大发射器的电力电平。
在示范性实施方案中，可使用发射器404并不无限地保持接通的方法。在此情况下，发射器404可经编程以在用户确定的时间量之后切断。此特征防止发射器404(特别是驱动器电路424)在其周边中的无线装置充满电之后运行长时间。此事件可能是由于用以检测从转发器或接收天线118/218发送的指示装置充满电的信号的电路的故障。为了防止发射器404在另一装置放置在其周边的情况下自动切断，可以仅在于其周边检测不到运动的设定周期之后才激活发射器404自动切断特征。用户可能能够确定不活动时间间隔，且按需要改变所述时间间隔。作为非限制性实例，所述时间间隔可大于在装置最初完全放电的假设下将特定类型的无线装置充满电所需的时间。
图5是根据示范性实施方案可在图1的无线电力传送系统100中使用的接收器508的功能框图。接收器508包含可包含接收天线518的接收电路510。接收器508可耦合到用于对其提供接收电力的充电装置550。应注意，将接收器508图解说明为在装置550的外部，但可集成到装置550中。能量可无线传播到接收天线518且随后通过接收电路510的其余部分耦合到装置550。借助于实例，充电装置550可包含例如移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器(其它医疗装置)及类似者的装置。
接收天线518可经调谐以与发射天线414(图4)在相同频率下谐振或于在指定频率范围内的频率下谐振。接收天线518可与发射天线414类似地设定尺寸或可基于相关联装置550的尺寸而不同地设定大小。借助于实例，装置550可为具有小于发射天线414的直径或长度的直径或长度尺寸的便携式电子装置。在此实例中，接收天线518可实施为多匝线圈以便减少调谐电容器(未图示)的电容值且增加接收线圈的阻抗。以实例说明，接收天线518可围绕装置550的实质圆周而放置，以便使天线直径最大化且减小接收天线518的环匝(即，绕组)的数目和绕组间电容。
接收电路510可提供对接收天线518的阻抗匹配。接收电路510包含用于将接收的RF能量源转换为供装置550使用的充电电力的电力转换电路506。电力转换电路506可包含RF/DC转换器520和DC/DC转换器522。RF/DC转换器520将在接收天线518接收的RF能量信号整流为具有由Vrect表示的输出电压的非交流电力。DC/DC转换器522(或其它电力调节器)将经整流的RF能量信号转换成能量电势(例如，电压)，其与具有由Vout和Iout表示的输出电压和输出电流的装置550兼容。预期各种RF/DC转换器，包含部分整流器和全整流器、调节器、桥接器、倍压器以及线性和切换转换器。
接收电路510可进一步包含切换电路512，所述切换电路512用于将接收天线518连接到电力转换电路506或替代地用于断开电力转换电路506。从电力转换电路506断开接收天线518不仅暂停对装置550的充电，而且改变发射器404所“见到”的“负载”。
如上文所揭示，发射器404包含负载感测电路416，其可检测提供到发射器驱动器电路424的偏置电流中的波动。因此，发射器404具有用于确定接收器是否存在于发射器的近场中的机制。
当多个接收器508存在于发射器的近场中时，可能需要将一或多个接收器的加载和卸载进行时间多路复用以使得其它接收器能够更有效地耦合到发射器。接收器508还可被隐匿以便消除到其它附近接收器的耦合或减小附近发射器上的加载。接收器的这个“卸载”在本文中也称为“隐匿”。此外，由接收器508控制且由发射器404检测的卸载与加载之间的此切换可提供从接收器508到发射器404的通信机制，如下文将更完全阐释的。另外，协议可与实现消息从接收器508到发射器404的发送的切换相关联。借助于实例，切换速度可为大约100微秒。
在示范性实施方案中，发射器404与接收器508之间的通信指代装置感测和充电控制机制而不是典型的双向通信(即，使用耦合场的带内信令)。换句话说，发射器404可使用对所发射信号的通/断键控来调整在近场中可用的能量。接收器可将能量的这些改变解译为来自发射器404的消息。接收器508可使用接收天线518的调谐和解调来调整正从所述场接受的电力量。在一些情况下，所述调谐和解调可经由切换电路512实现。发射器404可检测所使用的来自所述场的电力的此差，且将这些改变解译为来自接收器508的消息。注意，可利用对发射电力和负载行为的其它形式的调制。
接收电路510可进一步包含用以识别接收能量波动的信令检测器和信标电路514，所述波动可对应于从发射器404到接收器508的信息信令。此外，信令和信标电路514也可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射且将减少的RF信号能量整流为标称电力以用于唤醒接收电路510内的未供电或电力耗尽的电路以便配置接收电路510用于无线充电。
接收电路510可进一步包含用于协调本文所描述的接收器508的过程(包含本文所描述的切换电路512的控制)的处理器516。接收器508的隐匿还可在包含检测到外部有线充电源(例如，墙面/USB电力)将充电电力提供到装置550的其它事件的发生之后即刻发生。处理器516除控制接收器508的隐匿之外还可监视信标电路514以确定信标状态且提取从发射器404发送的消息。处理器516还可调整DC/DC转换器522用于改善的性能。
可在无线电力接收器上包含过电压保护电路以保护接收器免于有害电压。(例如)当发射器-接收器对的耦合阻抗和发射器天线电流的乘积超过接收器的设计阈值时可引发过电压条件。这可由于接收器放置在无效位置中而发生。在一些实施方案中，接收器在检测到过电压条件之后请求发射器关断。然而，通过不协调的无线电的高度利用贡献的RF能量或其它不可控制的环境因数可能阻挡接收器与发射器之间的通信。如果所述通信被阻挡长周期，且发射器并不关断，那么过电压电路可能损坏。
本文所描述的实施方案允许过电压保护(OVP)电路耐受扩展的或甚至不确定的过电压事件。在一个实施方案中，OVP电路具备减少的功率耗散。至少一个实施方案控制从发射器接收的流入OVP电路的电力的量以保护OVP电路免于过电压条件。
图6是根据一个示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器600的框图。接收器600包含天线电路610、OVP控制器620、匹配电路630、切换元件640、OVP电路650和负载660。取决于实施方案，某些元件/块可从图6中说明的接收器600移除或额外元件/块可添加到所述接收器600。此外，两个或两个以上元件/块可组合为单个元件/块，或单个元件/块可实现为多个元件/块。这适用于图式7到9中所示的实施方案。
天线电路610以足以从例如发射器404等发射器对负载660供电或充电的电平无线接收电力。天线电路610电连接到OVP电路650。在一些实施方案中，负载660包含整流器、DC/DC转换器或电池中的至少一者。
匹配电路630电连接到天线电路610。在一些实施方案中，匹配电路630电连接在切换元件640与负载660之间。匹配电路630可包含至少两个组件，且切换元件640可电连接在所述至少两个组件中的两者之间。匹配电路630可包含至少一个电容式组件，例如电容器。匹配电路630可限制流入切换元件640的最大电流。匹配电路630还可限制由切换元件640的分流电容引起的阻抗变换。
切换元件640可电连接到匹配电路630。切换元件640可包含场效应晶体管(FET)，包含(但不限于)结型FET(JFET)、金属半导体FET(MESFET)、调制掺杂FET(MODFET)、金属氧化物半导体FET(MOSFET)、n沟道MOSFET(NMOSFET)、p沟道MOSFET(PMOSFET)和有机FET(OFET)。切换元件640还可包含双极晶体管。切换元件640可进一步包含其它切换装置，例如数字或模拟开关或中继器。
在一些实施方案中，匹配电路630或切换元件640中的至少一者经配置以控制流入OVP电路650的所接收电力的量。所述电力可包含以下各项中的至少一者：电压、电流或热。此外，所述两个元件630和640中的至少一者可经配置以保护OVP电路650免于过电压条件。举例来说，所述至少一个元件可控制或减少将在OVP电路650处产生的功率耗散(例如，热)。OVP电路650可在其中包含匹配电路630或切换元件640中的至少一者，如图7到9中示出。
OVP电路650电连接在天线电路610与负载660之间。OVP电路650可保护接收器600免于由发射器在天线电路610上感应的高电压。OVP电路650还可向发射器通知过电压条件以使得发射器404可通过(例如)关断自身而移除过电压条件。作为一实例，当检测到过电压条件时，OVP电路650可激活开关以箝位接收器600且改变电路的阻抗以减少电流。然而，如上文所描述，在其中接收器与发射器之间的通信被阻挡的某些情形中，过电压电路和/或整个接收器仍可能损坏。
OVP控制器620可检测接收器600中的过电压条件。在一些实施方案中，OVP控制器620在天线电路610中检测的电压大于阈值电压时确定过电压条件已发生。OVP控制器620可在所检测电压保持大于阈值电压达预定时间周期时确定过电压条件已发生。OVP控制器620还可测量由接收器600接收的电压以确定过电压条件是否已发生。OVP控制器620可确定何时过电压条件已经过。在一些实施方案中，OVP控制器620控制OVP电路650以产生适当消息以发送到发射器。
在一个实施方案中，OVP电路650和OVP控制器620分别实现为切换和信令电路以及OVP/信令控制器，其在2012年9月18日申请的第13/622,204号美国专利申请案中揭示，所述美国专利申请案的整个内容通过引用结合在此。在另一实施方案中，OVP电路650可包含切换和信令电路的至少一些组件，或可执行切换和信令电路的至少一些功能性。此外，OVP控制器620可包含OVP/信令控制器的至少一些组件，或可执行OVP/信令控制器的至少一些功能性。这适用于图7到9的实施方案。
图7是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器700的框图。接收器700包含天线电路710、OVP控制器720、OVP电路730和负载740。OVP电路包含匹配电路732和切换元件734。图7实施方案类似于图6实施方案，差异在于匹配电路732和切换元件734并入到OVP电路730中，且因此其操作的描述将省略。
图8是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器800的框图。接收器800包含天线电路810、OVP控制器820、匹配电路830、OVP电路840和负载850。OVP电路840包含切换元件842。图8实施方案类似于图6实施方案，差异在于切换元件842并入到OVP电路840中，且因此其操作的描述将省略。
图9是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的过电压保护(OVP)电路的无线电力接收器900的框图。接收器900包含天线电路910、OVP控制器920、OVP电路930、切换元件940和负载950。OVP电路930包含匹配电路932。图9实施方案类似于图6实施方案，差异在于匹配电路932并入到OVP电路930中，且因此其操作的描述将省略。
图10是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器1000的示意图。出于便利性的目的，例如OVP控制器和OVP电路等某些接收器元件未在图10以及图11到13中图示。在一些实施方案中，接收器1000包含天线电路1010、匹配电路1020、切换元件1030、整流器1040和负载1050。整流器1040可充当负载。取决于实施方案，某些电组件(例如晶体管、电阻器、电感器、电容器和/或其等效电路)可从图10中说明的接收器1000移除或额外电组件可添加到所述接收器1000。这适用于图11到13中所示的实施方案。
在一些实施方案中，匹配电路1020包含第一和第二电容器(C1，C2)。切换元件1030可包含用于OVP电路的FET(下文中可互换地与OVP FET一起使用)，例如NMOS FET。然而，如上文所论述，也可使用其它类型的FET。OVP FET 1030可连接在所述两个电容器(C1，C2)之间。电容器(C1，C2)可限制OVP FET 1030中流动的最大电流。高电流可使切换元件1030过热且损坏。如果OVP FET损坏，那么OVP电路(图10中未图示)、整个接收器1000和对应负载1040和1050也可能损坏。由于电容器(C1，C2)可限制切换元件1030中流动的最大电流，因此OVP电路以及接收器1000和负载1040和1050可受保护免于过电压条件，例如高功率(高电流、高电压和/或高热)。
电容器(C1，C2)还可限制由OVP FET 1030的分流电容引起的阻抗变换。大体上，OVP FET 1030连接到天线电路1010的谐振器端子越靠近，由分流电容引起的变换越大。如果切换元件1030具有大约零(0)pF分流电容，那么这可以不考虑。然而，可能难以设计具有接近零(0)pF的分流电容的开关。
电容器(C1，C2)可减少从负载1040和1050见到的电抗以优化电力传送。对于给定的发射器线圈电流和发射器-接收器耦合，当接收器1000经完美串联调谐(电容器(C1和C2)的负电抗加整流器1040的负电抗等于天线电路1010的正电抗)时最大电力传送可发生。然而，出于此配置实现到负载1040和1050的最大电力传送的同一原因，还可需要OVP FET1030中增加的耗散。此增加的功率耗散转换为耗散极高电力的昂贵且大型的装置。在一些实施方案中，可有利的是负载1040和1050见到完美串联调谐(零电抗)电路，同时OVP FET1030见到“未调谐”(大电抗)电路。
图11是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器1100的示意图。在一些实施方案中，接收器1100包含天线电路1110、匹配电路1120、切换元件1130和整流器1140。天线电路1110可包含AC电压产生器1112和电感式组件1114。在一些实施方案中，天线电路1110表示接收器线圈和所述接收器线圈上从由发射器产生的磁场感应的电压。AC电压产生器1112表示开路感应电压。电感式组件1114表示接收器线圈的自感。匹配电路1120可包含电容式组件，例如电容器或其等效电容式电路。在一个实施方案中，电容式组件1120具有在量值上等于或大体上等于接收器线圈电感的电抗的电容式电抗值。因此，由OVP电路1130见到的总源电抗可为j0，如图11中示出。在另一实施方案中，电容式组件1120可具有其它电抗值。电容式和电感式电抗值可在图11实施方案以及图12和13的实施方案中彼此对应。
切换元件1130可包含OVP FET。如上文所论述，OVP FET 1130可为OVP电路的部分或独立于且电连接到OVP电路。当OVP FET 1130接通(即，闭合)时OVP FET1130可具有漏极-源极电容(CDS)及其漏极电极与源极电极之间的电阻(RDSON)。整流器1140可充当负载。
在图11实施方案中，OVP FET 1130连接在匹配电路1120之后。此配置当其闭合时可导致通过OVP FET 1130的极高电流，如下文所论述。流动穿过OVP FET 1130的电流(IOVP)可被计算为：IOVP＝VAC/(Z源+RDSON)。由于当OVP FET 1130用作开关时Z源是零(或极小)且RDSON大体上经设计为极小，因此流动穿过OVP FET的电流(IOVP)变成极大，如从以上IOVP等式见到。此外，OVP FET 1130中的功率耗散(POVP)(即，OVP FET1130中产生的热)可被计算为：POVP＝IOVP 2*RDSON(在前述等式和下文中，*意味着乘法)。即使RDSON是极小的，由于IOVP是极大的，OVP FET 1130的功率耗散(POVP)也可变为大的，如从以上POVP等式见到。极高电流(IOVP)和高耗散(POVP)可损坏OVP电路以及OVP FET 1130和接收器1100。
当OVP FET 1130断开时，CDS与Z源并联，其可造成阻抗变换。经变换阻抗(Z变换)可被计算为：Z变换＝(Z源*ZCDS)/(Z源+ZCDS)。在图11实施方案中，由于Z源的值是零或极低，因此可忽略由CDS的典型值引起的阻抗变换(Z变换)。在图11实施方案中，CDS当FET 1130“断开”时是FET 1130的等效电路。当FET 1130“接通”时RDSON是等效电路。CDS和RDS不可并联连接。此外，CDS或RDS可在任何给定时间在FET电路1130中接通。
图12是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器1200的示意图。在一些实施方案中，接收器1200包含天线电路1210、匹配电路1220、切换元件1230和整流器1240。切换电路1230和整流器1240的配置大体上与图11实施方案的那些配置相同。
天线电路1210可包含AC电压产生器1212和电感式组件1214。在一个实施方案中，电感式组件1214具有+j100的电抗值(Z源)，如图12中示出。在另一实施方案中，电感式组件1214可具有其它电抗值(例如，大约+j50与大约+j100之间的值)。在又另一实施方案中，电感式组件1214可具有大于大约+j100或小于大约+j50的电抗值。
匹配电路1220可包含电容式组件。电容式组件1220可包含至少一个电容器。在一个实施方案中，电容式组件1220具有-j100的电抗值，如图12中示出。在另一实施方案中，电容式组件1220具有其它电抗值(例如，大约-j50与大约-j100之间的值)。在又另一实施方案中，电容式组件1220具有小于大约-j100或大于大约-j50的电抗值。
OVP FET 1230可紧邻地连接在天线电路1210的电感式组件1214之后和匹配电路1220之前。OVP FET 1230也可以连接在(例如)匹配电路1220的至少两个匹配元件(例如电容器)之间，如图10中示出。相比于图11实施方案，图12实施方案可在OVP FET 1230闭合时导致通过OVP FET 1230的极低电流。如上文所描述，流动穿过OVP FET 1230的电流(IOVP)可被计算为：IOVP＝VAC/(Z源+RDSON)。由于Z源极大(例如，大约+j100)且RDSON大体上极小，因此流动穿过OVP FET 1230的电流(IOVP)变成极小或显著小于图11实施方案的OVP FET电流，如从以上IOVP等式见到。此外，由于IOVP是极小的，因此OVP FET 1230的功率耗散(POVP＝IOVP 2*RDSON)也变成较小。这是有利的，因为OVP FET 1230、OVP电路和接收器1200可通过Z源的高值而受保护免于过电压条件，即使在接收器1200处感应的电压源的值(VAC)相对较大也是如此。
如上文相对于图11实施方案所论述，经变换阻抗(Z变换)可被计算为：Z变换＝(Z源*ZCDS)/(Z源+ZCDS)。在图12实施方案中，由于Z源的值相对较大，因此不可忽略由CDS的典型值引起的阻抗变换(Z变换)。然而，由于在图12实施方案中Z源的值极大，因此由CDS的典型值引起的阻抗变换的量值可相对较小或可管理。
图13是根据另一示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器1300的示意图。在一些实施方案中，接收器1300包含天线电路1310、匹配电路1320、切换元件1330和整流器1340。切换电路1330和整流器1340的配置大体上与图11实施方案的那些配置相同。
天线电路1310可包含AC电压产生器1312和电感式组件1314。在一个实施方案中，电感式组件1314具有+j50的电抗值(Z源)，如图13中示出。在另一实施方案中，电感式组件1314可具有其它电抗值(例如，大约+j0与大约+j50之间的值)。在又另一实施方案中，电感式组件1314可具有大于大约+j50的电抗值。
匹配电路1320可包含电容式组件，例如电容器或电容器的其它等效电路。在一个实施方案中，电容式组件1320具有-j50的电抗值，如图12中示出。在另一实施方案中，电容式组件1320具有其它电抗值(例如，大约-j50与大约-j0之间的值)。在又另一实施方案中，电容式组件1320具有小于大约-j50的电抗值。
OVP FET 1330可连接在(例如)匹配电路1320的至少两个匹配元件(例如电容器)之间，如图10中示出。OVP FET 1330也可紧邻地连接在天线电路1310的电感式组件1314之后和匹配电路1320之前。
相比于图11实施方案，图13实施方案可在OVP FET 1330闭合时导致通过OVP FET1330的低电流。如上文所描述，流动穿过OVP FET 1330的电流(IOVP)可被计算为：IOVP＝VAC/(Z源+RDSON)。由于Z源相对较大(例如，大约+j50)且RDSON大体上极小，因此流动穿过OVP FET1230的电流(IOVP)变成相对较小或显著小于图11实施方案的OVP FET电流，如从以上IOVP等式见到。此外，由于IOVP相对较小，因此OVP FET1330的功率耗散(POVP＝IOVP 2*RDSON)也变成相对较小。这是有利的，因为OVP FET1330、OVP电路和接收器1300可受保护免于例如在接收器1300处感应的较高源电压(VAC)等过电压条件。
此外，经变换阻抗(Z变换)可被计算为：Z变换＝(Z源*ZCDS)/(Z源+ZCDS)。如图12实施方案中，由于Z源的值相对较大，因此不可忽略由CDS的典型值引起的阻抗变换(Z变换)。然而，由于与图12实施方案相比Z源的值在图13实施方案中较低，因此由CDS的典型值引起的阻抗变换的量值减少。
图14是展示根据一个示范性实施方案的用于保护其中包含的OVP电路的无线电力接收器(例如接收器600到1300中的至少一者)的示范性操作的流程图。取决于实施方案，在图14中可添加额外状态，另外移除额外状态，或状态的次序可改变。在状态1410中，接收器以足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力。在状态1420中，接收器确定无线电力接收器中是否已发生过电压条件。如果在状态1420中确定无线电力接收器中已发生过电压条件，那么接收器控制流入过电压保护电路的所接收电力的量(状态1430)。接收器可基于电连接到彼此和负载的匹配电路或切换元件中的至少一者而执行所述控制。此外，仅当接收器中已发生过电压条件且保持达预定时间周期时，接收器可执行所述控制。接收器可减少流入过电压保护电路或将在过电压保护电路处产生的电压、电流或热中的至少一者。
图15是根据另一示范性实施方案的用于保护过电压保护(OVP)电路的无线电力接收器的框图。取决于实施方案，某些装置可从接收器1500移除或额外装置可添加到接收器1500。此外，两个或两个以上装置可组合为单个装置，或单个装置可实现为多个装置。接收器1500可包含用于无线接收的装置1510和用于控制的装置1520。接收装置1510可以足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力。负载可电连接到过电压保护电路。接收装置1510可包含天线电路。控制装置1520可控制流入过电压保护电路的所接收电力的量。控制装置1520可包含电连接到接收装置1510的匹配电路或电连接到匹配电路的切换元件中的至少一者。
所揭示实施方案中的至少一者减少OVP电路开关的电压、电力和大小要求。此外，至少一个实施方案允许用于OVP电路开关的较低栅极驱动电压准许准许较高的电力输出。此外，至少一个实施方案使得无线电力接收器能够承受过电压条件达大体上不确定的时间周期。
上文所描述的方法的各种操作可由能够执行所述操作的任何合适装置(例如，各种硬件和/或软件组件、电路和/或模块)执行。一般来说，各图所说明的任何操作可由能够执行所述操作的对应功能装置执行。
可使用多种不同技术和技艺中的任一者来表示信息和信号。例如，可通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或或其任何组合来表示贯穿以上描述可能参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。
结合本文揭示的实施方案所描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件，或两者的组合。为了清楚地说明硬件与软件的此可互换性，上文已大体上关于其功能性而描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。此类功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及施加于整个系统的设计约束。可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但此类实施方案决策不应被解释为会导致脱离本发明的范围。
可使用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其经设计以执行本文所描述的功能的任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的实施方案而描述的各种说明性块、模块和电路。通用处理器可为微处理器，但在替代例中，处理器可为任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、一或多个微处理器与DSP核心的联合，或任何其它此类配置。
结合本文中所揭示的实施方案而描述的方法或算法的步骤及功能可直接体现于硬件、由处理器执行的软件模块或其两者的组合中。如果以软件来实施，那么可将功能作为一或多个指令或代码存储在有形的非暂时性计算机可读媒体上或经由有形的非暂时性计算机可读媒体进行传输。软件模块可驻留在随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸式磁盘、CD ROM或所属领域中已知的任何其它形式的存储媒体中。存储媒体耦合到处理器，使得处理器可从存储媒体读取信息及将信息写入到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。如本文所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软性磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据，而光盘用激光以光学方式复制数据。上述各者的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。处理器及存储媒体可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留在用户终端中。
为了概述本发明的目的，本文已描述了本发明的某些方面、优点以及新颖特征。应理解，不一定可根据本发明的任何特定实施方案实现所有此类优点。因此，可以按照如本文所教示来实现或优化一个优点或一组优点而不一定实现如本文可能教示或建议的其它优点的方式来体现或执行本发明。
将容易明白上述实施方案的各种修改，且本文中界定的一般原理可应用于其它实施方案而不脱离本发明的精神或范围。因此，本发明并不希望限于本文中所示的实施方案，而应被赋予与本文中所揭示的原理和新颖特征相一致的最广泛范围。

Claims (17)

1.一种无线电力接收器设备，其包括：
天线电路，其经配置以用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述天线电路电连接至过电压保护电路，所述过电压保护电路电连接在所述天线电路与所述负载之间，所述负载包括整流器；
匹配电路，其电连接到所述天线电路；以及
切换元件，其电连接到所述匹配电路，
其中所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以响应于过电压条件减少流入所述过电压保护电路的所接收的所述电力的量，
其中所述匹配电路包括至少两个组件，其中所述切换元件的一端电连接在所述至少两个组件之间，且其中所述匹配电路经配置以减少所接收的所述电力的量并将所接收的所述电力的经减少的量提供至所述切换元件。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述匹配电路包括至少一个电容器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述负载包括以下各项中的至少一者：DC/DC转换器或电池。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述切换元件包括场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述电力包含以下各项中的至少一者：电压、电流或功率耗散。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以控制将在所述过电压保护电路处产生的功率耗散。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以减少所述过电压保护电路的所述功率耗散。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以保护所述过电压保护电路免于所述过电压条件。
9.根据权利要求8所述的设备，其进一步包括经配置以检测所述过电压条件的过电压保护控制器。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述过电压保护控制器进一步经配置以当所述天线电路中检测到的电压大于阈值电压时确定所述过电压条件已发生。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述过电压保护控制器进一步经配置以当检测到的所述电压保持大于阈值电压达预定时间周期时确定所述过电压条件已发生。
12.一种无线电力接收器设备，其包括：
天线电路，其经配置以用足以对负载供电或充电的电平从发射器无线接收电力，其中所述天线电路电连接至过电压保护电路，所述过电压保护电路电连接在所述天线电路与所述负载之间，所述负载包括整流器；
匹配电路，其电连接到所述天线电路；以及
切换元件，其电连接到所述匹配电路，
其中所述匹配电路或所述切换元件中的至少一者经配置以响应于过电压条件减少流入所述过电压保护电路的所接收的所述电力的量，
其中所述匹配电路包括至少两个组件，其中所述切换元件的一端电连接在所述至少两个组件之间，且
其中所述切换元件与所述匹配电路的所述两个组件并联连接。
13.一种操作无线电力接收器设备的方法，其包括：
经由天线电路用足以对负载供电或充电的电平无线接收电力，所述负载包括整流器，其中所述负载电连接到过电压保护电路；
提供匹配电路，所述匹配电路包括至少两个组件并电连接至所述天线电路和切换元件；
将所述切换元件的一端电连接至所述匹配电路的所述至少两个组件之间；及
响应于过电压条件，经由所述匹配电路减少流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量并将所接收的所述电力的经减少的量提供至所述切换元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中仅当在所述接收器设备中所述过电压条件已发生且保持达预定时间周期时执行所述减少。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述减少包括减少流入所述过电压保护电路的或将在所述过电压保护电路处产生的电压、电流或功率耗散中的至少一者。
16.一或多种处理器可读存储装置，具有体现于所述处理器可读存储装置上的处理器可读代码，所述处理器可读代码用于对一或多个处理器进行编程以执行操作无线电力接收器设备的方法，所述方法包括：
经由天线电路用足以对负载供电或充电的电平无线接收电力，所述负载包括整流器，其中所述负载电连接到过电压保护电路；以及
提供匹配电路，所述匹配电路包括至少两个组件并电连接至所述天线电路和切换元件；
将所述切换元件的一端电连接至所述匹配电路的所述至少两个组件之间；及
响应于过电压条件，经由所述匹配电路减少流入所述过电压保护电路的所述所接收电力的量并将所接收的所述电力的经减少的量提供至所述切换元件。
17.一种处理设备，其包括：
存储器；以及
用足以对负载供电或充电的电平经由天线电路无线接收电力，所述负载包括整流器，其中所述负载电连接到过电压保护电路，其中所述天线电路电连接至匹配电路和切换元件，其中所述匹配电路包括至少两个组件，且其中所述切换元件的一端电连接在所述至少两个组件之间，以及
响应于过电压条件，经由所述匹配电路减少流入电连接到所述负载的过电压保护电路的所述所接收电力的量并将所接收的所述电力的经减少的量提供至所述切换元件。
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