CN104769851A - 用于在无线电力传输过程中通信的方法和接收器 - Google Patents

用于在无线电力传输过程中通信的方法和接收器 Download PDF

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Abstract

在无线电力充电器中，接收器(6)感应耦合至发射器(1)以接收用于给设备(11)中的蓄电池充电的电力。接收器(6)通过在接收器中的整流器(9)的直流输出端子两端施加电流脉冲来将充电数据传送至发射器(1)。为了提高接收器的性能而不降低从接收器到发射器的电流脉冲通信的信噪比，感测在滤波电容器(10)中的不需要的瞬变电流的形状，并且将瞬变电流形状添加到理想的矩形阶梯函数脉冲形状以产生通信脉冲形状。因此在接收器的次级电感器(7)处观测的通信脉冲形状极其近似于期望的理想的矩形阶梯函数形状，从而保持高的信噪比。在例如手机、平板电脑和笔记本电脑的移动设备中，该接收器是特别有用的。

Description

用于在无线电力传输过程中通信的方法和接收器
技术领域
本发明涉及在电荷从发射器到接收器的感应无线传输过程中接收器与发射器之间的通信。
背景技术
无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)在(http://www.wirelesspowerconsortium.com)上发布规范：“系统说明无线电力传输卷1：低电力部分1：接口定义(System Description Wireless Power TransferVolume I:Low Power Part 1:Interface Definition)”。第6章“通信接口(Communication Interface)”尤其与本申请相关且该规范的早于本申请的版本的全部内容通过引用并入在本文中。对现有技术的以下论述重申本规范的一些最相关的部分。
图1A示出了现有技术的发射器和接收器。发射器1(Tx)设置有电源2，该电源2驱动交流(Alternating Current，AC)电流通过包括初级电感器3(Lp)和电容器4(Cp)的电路。传输电路由包括控制电力传输的开关的布置的调制器(在WPC规范中示出)来调制。电源2通常为例如配电网的发生器，或者机动车辆的电路，以熟知的方式将发射器插入至电源2内。因此，电源被暂时耦合至发射器并且通常不会形成发射器的集成部分。
接收器6(Rx)可以包括在一个设备内，该设备通常为便携式设备，例如手机、平板电脑或笔记本电脑，以便向蓄电池(通常为化学电池)提供电荷。当足够接近发射器时，次级电感器7与初级电感器3感应耦合，使得在包括电容器8(Cs)的接收电路中感应产生交流电流，AC电流经由电容器8(Cs)传送至全波整流器9。整流器9将直流(Direct Current，DC)电流传递至充电器18，从而传送至手机11中的蓄电池。
为了优化蓄电池的耐久性和容量，期望在充电过程的持续时间内改变传送至电池的电力。为了实现这一点，发射器1具有控制器，该控制器通过调制器控制供给初级电感器的电力。然而，为了实现该控制，必须将关于蓄电池和充电电路的瞬时状态的信息从接收器6通信至发射器的控制器。
标准指出将利用叠加在一个或多个电力携带信号上的电流脉冲来完成通信。这些脉冲为250μs长或500μs长，以根据每个脉冲的持续时间将信息编码成二进制消息。在实践中，前面提及的脉冲持续时间分别对应逻辑‘1’和‘0’，如图1B所示。图1B提供了差分双相编码的示例。在顶部是时钟周期，其中，tCLK为时钟周期的时间段。在底部是所生成的电流脉冲，该电流脉冲具有编码到其中的数据。为了促进可靠的通信，脉冲被指定成具有一定的形状(-s)。特别地，每个生成的脉冲的宽度必须精确到±4％。
通过具有在范围110kHz-205kHz中的频率的载波来完成电力的传送。电力载波的整流对工作频率引起显著的噪声谐波，特别是第二谐波。
执行某些安全性有关的具有高精度的测量是强制性的。因此需要对电力接收器6的输出电压进行滤波。相对大的滤波电容器10(Cfilt)置于整流器的输出端处。使用调制到应用电流IMOD的电流源12来实现电流调制。电流源12连接至整流器的一个直流端子并接地。在使用中，由电流调制器12传送的调制电流(Imod)的一部分流自滤波电容器10，导致如图2所示的脉冲形状的恶化。最终，随着电容器大小增大，这将导致比特读取错误，从而引起在可接受水平以下的通信通道的误码率(Bit Error Rate，BER)的恶化。
需要对电力接收器的输出电压进行滤波的根本原因是源于规范的以优于1％的精度测量电力接收器的输出电流的要求。由于这个原因，需要在整流器的输出端处放置5μF的电容器。由于在整流器的输出端处所观测的有限阻抗，因此调制电流也调制该滤波电容器上的电压。因此，调制电流的一部分流自电容器而不流经有源整流器，并最后经由发射器的解调器结构流动。在图2A示出了理想的目标矩形阶梯函数波形。在图2B中示出了由于波形恶化所导致的流经整流器和Tx侧解调电路的实际的锯齿电流波形的有些夸大的示例。由于信息束缚于脉冲持续时间，因此如果允许偏差增长得足够大，则电流脉冲的形状的畸形将导致解调错误。因此，滤波电容器的大小受限于生成的电流脉冲的容许畸变。反过来，由于模拟电路目前必须容许更高的噪声水平，因此这使得更难以执行具有期望精度的电流测量。
期望能够增大滤波电容器10的大小，同时最小化通信信号的降级并在接收器6处保持高效的电力接收。
发明内容
因此，本发明提供一种无线电力接收器，该接收器具有电感器，该电感器用于通过与独立电源的感应耦合来接收电力，该接收器具有整流器，该整流器在具有电流调制器的电路中响应于控制器而叠加用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；
该接收器的特征在于，该电流调制器布置成响应于控制器而塑形信号电流脉冲，使得通过次级电感器观测的通信脉冲形状更接近地类似于矩形阶梯函数。
根据本发明的第二方面，提供了一种在无线电力接收器与无线电力发射器之间信号传输的方法，该无线电力接收器具有次级电感器，该次级电感器与无线电力发射器感应耦合，该方法包括：在接收器电路中生成信号电流脉冲的序列，该方法的特征在于如下步骤：塑形信号电流脉冲，使得电路失真的效应致使在接收器的次级电感器处观测的信号脉冲的形状趋向于矩形阶梯函数。
为了清楚起见，次级电感器是相对于电力的传输而如此命名的。
因此根据本发明，信号电流调制器生成具有预失真形状的电流脉冲(相比于理想的矩形阶梯函数脉冲而言)。使电流脉冲的形状“预失真”，使得在脉冲开端的电流脉冲的瞬时过量补偿电路中的脉冲失真效应，尤其是由滤波电容器引起的脉冲失真效应。
电流脉冲的形状可以包括超出(超过)额定电流脉冲值的初始短暂的尖峰值，以及朝向该额定电流脉冲值的渐进衰减。该形状可以通过实时感测失真并相应地生成脉冲电流形状来确定。可替选地，脉冲电流形状可以被预先记录在存储器中并通过WPC控制器应用到脉冲电流发生器。该脉冲可以以小于(不足)额定脉冲值的电流尖峰结束，或者下一个脉冲以小于(不足)额定脉冲值的电流尖峰开始，然后渐进地朝向该额定值上升。在数字地控制电流调制器的情况下，可利用一系列步骤来仿真电流调制脉冲的形状。
根据本发明的第三方面，提供了一种无线电力接收器，该接收器具有电感器，该电感器用于通过与独立电源的感应耦合来接收电力，该接收器具有整流器，该整流器在具有电流调制器的电路中响应于控制器而叠加用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；该接收器的特征在于，该电流调制器跨接整流器的直流端子。
根据本发明的第四方面，提供了一种无线电力接收器，该接收器具有电感器和电流调制器，该电感器用于通过与独立电源的感应耦合来接收电力，该电流调制器响应于控制器而生成用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；该接收器的特征在于，该电流调制器由电容器提供，该电容器与闭合断开开关串联且与该电感器并联连接，该开关响应于控制器而调制每一个通信电流脉冲。
本发明的第四方面旨在减少可由通信过程引起的电力传输中的效率损失。
本发明的第三方面和/或第四方面无论是否与本发明的任何其它方面组合，都可以是有用的。
附图说明
现在将参照附图，仅以示例的方式描述用于在无线电力传输过程中的数据通信的方法和装置的至少一个实施方式，其中：
图3为现有技术的发射器和体现本发明的接收器的电路图；
图4A示意性地示出理想的电流波形；
图4B示意性地示出实际的电流波形；
图5示意性地示出瞬变电流；
图6示意性地示出具有瞬变电流的离散副本的理想的脉冲；
图7示意性地示出差分双相编码的示例；
图8为示出控制和通信单元以及电力转换单元的实施方式的示意框图；以及
图9示意性地示出控制错误消息的传输。
具体实施方式
图4A示意性地示出理想化的预失真电流脉冲和形成的流向发射器1(TX)的电流脉冲。图4B示出了在次级电感器7处观测的信号脉冲的实际形状。因此，可使用比现有技术的布置大的滤波电容器，从而形成更好的测量精度。此外，在系统内应具有其它的错误来源，例如负载电流的瞬变，生成更好形状的脉冲的能力使系统对其它类型的失真或噪声更不敏感。
在图5中示出了流经电容器的有害瞬变电流的示例。为了补偿其影响，脉冲生成电流调制器12由控制器19控制，使得其有效地将瞬变电流的离散副本增加(叠加)在理想的脉冲矩形阶梯函数脉冲的顶部上。在图6中示出了对于此的示例。这可以利用具有合适采样率的电流数模转换器(Digital to AnalogConverter，DAC)来实现，该电流DAC例如为3-4比特电流DAC。由于MHz范围的时基是可用的且由于关于通信脉冲的持续时间为250μs或500μs，因此很容易构造这种对于电流模式DAC的控制，使多个脉冲相等以具有期望的形状。上述实现可能需要双极电流脉冲的生成。尽管可以借助电流模式DAC一直生成具有正极性的脉冲，但可以通过调制充电器的充电电流来创造具有负极性的脉冲。其缺点可能是充电时间的可忽略的增加。
生成脉冲的常规方式是在整流器9(电力链路)的DC输出端与地之间应用电阻器或电流源12(Imod)。由于所接收到的电力的一部分用于通信目的，因此这导致效率的直接下降。在图1B中，利用电流源12(Icm)来实现电流的生成。电流源12连接至整流器9的每个直流端子。
当在发射器1的解调器电路13处测量时，通信脉冲已经被指定为具有15mA的最小幅度。在实践中，通常通过放置与初级电感线圈3(Lp)串联的电流测量电阻器来实现调制信号的感测。
由于解调器电路13被指定为具有大约20V的供给，因此用于通信的最小瞬时功率大约为300mW。然而，相比于指定的最小值，瞬时调制功率必须为其2-6倍，以确保足够的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)用于解调。这导致600mW-1800mW的瞬时调制功率。
在充电控制过程中，接收器6需要将一个或多个所谓的控制错误消息发送给发射器1，以便控制传输的电力的水平。控制错误消息的持续时间大约为22ms。在一时间段(间隔)之后必须重新发送这些控制消息，该时间段(间隔)至多为350ms。为了避免由瞬时噪声尖峰引起的链路故障，通常必须在每100ms之后重新发送这些控制消息。由于前面提及的比率要求，因此在约6％(例如22ms/372ms≈6％)的电荷转移时间中，通信是活跃的。在一些情况下，活跃通信时间为18％(22ms/122ms≈18％)。考虑到源于特性调制的50％的缩放系数，在充电时间内的有效通信功率可以从大约10mW(50％×6％×300mW≈10mW)的理论最小值变化到高达160mW(例如50％×18％×1800mW≈160mW)。最大的充电功率为5000mW，通信可以导致效率上估计3％的下降。
典型的充电功率在3000mW的范围内，对效率的影响可高达5％。对于该效率下降的一些补救办法可以通过使用调制链路的效率而非这些电流脉冲的有源生成的无功调制方案来获得。在图1B中，使用与电容器15串联的开关14来实现这点。开关14和电容器15均与次级电感器7并联布置。该方法的缺点可能是其执行依赖于当前活跃的负载。例如，在当负载很低时启动的过程中，通信功率也低，从而导致不可靠的启动行为，除非使用有损耗的通信方案。在实践中，无功方案必须由有损耗的方案辅助。
接收器6可以将多个电流脉冲结合成充电电流的一部分。该特征通过以下事实而成为可能：它是有重大影响的电流脉冲的持续时间，而不是极性。因此，脉冲本身可以被选择成相对于瞬时额定充电电流的正偏差或负偏差。接收器6可以施加负向极化的信号脉冲，即将充电电流暂时设置成低于额定瞬时充电电流的值以完成通信。然而，在一些实施方式中，可以使用正极性。信号极性的选择可取决于接收器或规范的其它要求。
使用直流/直流充电器17(DC/DC-充电器)来执行充电。该充电器可以以恒定电流模式操作，例如电流设置为500mA。在通信过程中，该500mA的充电电流瞬间被重新配置为400mA的值，使得该新设置的持续时间为250μs或500μs，这取决于系统需要发送的数据位。在此之后，发送第一比特位，并且在对应于待发送的下一比特位的时间段内将充电电流设置成500mA的原始值。这样，电流被设置成利用对应于所传输的比特位序列的持续时间模式而在400mA与500mA之间周期性地变化，直到消息序列的最后一个比特位被发送为止。
图6给出了由使用的信号的双相编码所引起的电流波形的示例。图7的顶部线条是图示的时钟周期，其中，tCLK为时钟周期的时间段。图7的底部线条示出了所生成的电流脉冲，该电流脉冲具有编码到其中的数据。
下面参照图1C给出了电流脉冲的形状的详细说明。在一些实施方式中，调制深度必须至少为15mA，且幅度变化Δ必须低于8mA。在该示例中，处于高态(HI态)的电流值为前面提及的500mA，而处于低态(LO态)的电流值为400mA。
由于通信未将任何电流下拉至接地，而仅仅调制充电电流，因此对效率的净影响实际上为零。由于目前有源地调制充电功率，因此最显著的使用案例的缺点是充电时间的略微增加。
在典型的情况下，充电器的输入电压为6V。因此，由100mA电流调制引起的瞬时调制功率从而为600mW，远高于规范限制。可以简单地通过使用合适的调制深度来将该值设置成校正值。
在仿真的CV模式的结尾出现的最小充电电流与可使用的调制深度之间存在依赖性。注意，出于通信目的而可以瞬时设置的充电电流的最小值为零。例如该最小值的典型值为100mA-200mA。
提高的效率可以有利地最小化集成电路(Integrated Circuit，IC)(例如芯片)内的功耗，这导致较低的操作温度。当经常在没有用于散热的自然路径的地方放置或使用集成电路时，这点是特别重要的。例如，可以在无线设备的外壳中(例如在蜂窝手机中)实现实施方式。
接收器6可以以集成电路的方式实现，该接收器可以设置在通信设备或类似的设备(通常为便携式设备)中。发射器也可以被实现为集成电路。
通信设备可以为移动终端或无线终端、手机、电脑(例如笔记本电脑)、平板电脑(例如iPadTM)、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)或能够在蜂窝通信网络中在无线电链路上通信的任何其它无线电网络单元。
尽管上面的描述包含了许多细节，但它们不应当被解释为限制，而仅作为提供一些目前优选的实施方式的说明。该技术完全包含对于本领域技术人员可以变得显而易见的其它实施方式。以单数形式引用元件并不意图指“一个且仅一个”(除非明确如此规定)，而是指“一个或多个”。本领域的普通技术人员已知的上述实施方式的元件的所有结构上和功能上的等效物明确地并入本文中。无线充电接收器或无线充电发射器可以解决本文中明确公开的一个或多个技术问题并实现本文中明确公开的一个或多个目的，或者可以被发现解决了后续分析或实验所显露出的技术问题或目的。
当使用词语“包括”或“包含”时，应当被理解为非限制性的，意指至少由…组成。
当使用词语动作/多个动作时，应当被广泛地理解且不暗指这些动作必须按照提及的顺序来执行。反而，这些动作可以按照除了提及的顺序之外的任何合适的顺序来执行。此外，一些动作/多个动作可以是可选的。

Claims (15)

1.一种无线电力接收器(6)，所述接收器(6)具有次级电感器(7)，所述次级电感器(7)用于通过与独立电源(1)的感应耦合来接收电力，所述接收器具有整流器(9)，所述整流器(9)在具有电流调制器(12)的电路中响应于控制器(19)而叠加用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；
其特征在于，所述电流调制器(12)适合于塑形所述信号电流脉冲，使得在电路失真之后，通过所述次级电感器观测的通信脉冲形状更接近地类似于理想的矩形阶梯函数。
2.根据权利要求1所述的无线电力接收器，其中，所述电流脉冲的形状通过感测有害瞬变电流形状并将所述瞬变电流形状添加至理想的矩形阶梯函数脉冲形状来确定。
3.根据权利要求2所述的无线电力接收器，其中，所述信号电流脉冲的形状包括初始正尖峰或负尖峰，随后是相对于理想的矩形阶梯函数电流的渐进改变。
4.根据前述权利要求中任一项所述的无线电力接收器，其中，所述整流器具有正的直流输出端子和负的直流输出端子，且所述电流调制器(12)包括跨接所述直流端子的电流源(13A)。
5.根据权利要求4所述的无线电力接收器，其中，所述电流调制器(12)包括与所述电流源(13A)串联的开关(17)，所述开关(17)用于中断所述整流器(9)的所述端子之间的连接。
6.根据权利要求5所述的无线电力接收器，其中，所述开关由控制器驱动，以调制由所述电流源(13A)传送的瞬时电流。
7.根据前述权利要求中任一项所述的无线电力接收器，其中，所述电流调制器(15a)由电容器(15)提供，所述电容器(15)与闭合断开开关(14)串联且与所述电感器(7)并联连接，所述开关响应于所述控制器而通过中断所述连接来调制每一个通信电流脉冲。
8.根据前述权利要求中任一项所述的无线电力接收器，所述无线电力接收器与设备组合并布置成向所述设备的蓄电池传送电荷。
9.根据权利要求8所述的无线电力接收器，其中，所述设备为移动设备。
10.一种在无线电力接收器(6)之间信号传输的方法，所述无线电力接收器(6)具有包括电感器(7)的接收器电路，所述电感器(7)与无线电力发射器(1)感应耦合，所述方法包括：
在所述接收器电路中生成信号电流脉冲的序列，其特征在于如下步骤：塑形每一个信号电流脉冲，使得电路失真的效应致使在所述接收器的所述电感器(7)处观测的脉冲的形状更接近地类似于矩形阶梯函数。
11.根据权利要求10所述的方法，包括：在滤波电容器中感测瞬变电流的形状，
将所述瞬变电流的所述形状添加至理想的矩形阶梯函数电流的形状，以生成信号脉冲形状，以及
根据所述信号电流脉冲形状生成电流脉冲。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，所述信号电流脉冲被施加在所述接收器(6)中的整流器(9)的直流端子两端。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述信号电流脉冲由电容(15)的连接的受控的间歇性中断引起，所述电容(15)与所述电感器(7)并联连接。
14.一种无线电力接收器(6)，所述接收器(6)具有电感器(7)，所述电感器(7)用于通过与独立电源(1)的感应耦合来接收电力，所述接收器具有包括滤波电容器的整流器(9)，所述整流器(9)在具有电流调制器(12)的电路中响应于控制器而叠加用于与感应耦合的电源(1)的感应通信的脉冲电流信号；
其特征在于，所述电流调制器(12)跨接所述整流器(9)的直流端子。
15.一种无线电力接收器(6)，所述接收器(6)具有电感器(7)和电流调制器，所述电感器(7)用于通过与独立电源(1)的感应耦合来接收电力，所述电流调制器响应于控制器(19)而生成用于与感应耦合的电源(1)的感应通信的脉冲电流信号；
其特征在于，所述电流调制器由电容器(15)提供，所述电容器(15)与闭合断开开关(14)串联且与所述电感器(7)并联连接，所述开关响应于所述控制器而调制每一个通信电流脉冲。
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