CN104904089A - 使用dc偏压的高功率rf场效应晶体管切换 - Google Patents

使用dc偏压的高功率rf场效应晶体管切换 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于在无线功率传送电路中进行调谐的系统、方法及设备。本发明的一个方面提供一种用于调谐的设备。所述设备包含具有栅极、源极及漏极的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管经配置以将调谐元件电啮合到AC功率路径。在一些实施例中，源极或漏极接点中的一者处于交流电电压。

Description

使用DC偏压的高功率RF场效应晶体管切换
技术领域
本发明通常涉及无线功率。更具体来说，本发明是针对使用开关以用于在无线功率传送系统中进行调谐。
背景技术
增加的数目及种类的电子装置是经由可再充电电池来供以电力。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、计算机周边装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器及其类似者。虽然电池工艺已改进，但电池供电型电子装置日益需要及消耗更大的功率量，借此常常需要再充电。可再充电装置常常经由凭借物理地连接到电源供应器的电缆或其它类似的连接器所达成的有线连接而充电。电缆及类似的连接器可有时不方便或麻烦且具有其它缺陷。能够在自由空间中传送待用以对可再充电电子装置充电的功率或将功率提供到电子装置的无线充电系统可克服有线充电解决方案的一些缺点。因而，有效地且安全地将功率传送到电子装置的无线功率传送系统及方法是合乎需要的。
发明内容
在所附权利要求书的范围内的系统、方法及装置的各种实施各自具有若干方面，所述方面中没有单一方面完全负责本文中所描述的所要属性。在不限制所附权利要求书的范围的情况下，本文中描述一些显著特征。
本说明书中所描述的标的物的一或多个实施的细节在附图及以下描述中予以阐述。其它特征、方面及优点将从所述描述、所述图式及权利要求书而变得显而易见。应注意，以下诸图的相对尺寸可能未按比例绘制。
本发明的一个方面提供一种用于调谐的设备。在一个实施例中，所述设备包含调谐元件及场效应晶体管。所述场效应晶体管包含栅极、第一端子接点及第二端子接点。在一些实施例中，场效应晶体管可基于栅极的电特性相对于第一端子接点的电特性的改变而将调谐元件电啮合到AC(交流电)功率。在一些实施例中，第一端子接点处于交流电电压。所述设备另外包含用以减小场效应晶体管的内部漏极源极电容的漏极偏压电路。所述设备可另外包含DC阻塞电容器。在一个实施例中，所述设备还可包含栅极偏压电路，所述栅极偏压电路经配置以相对于第一端子接点的电特性来调整栅极的电特性从而驱动场效应晶体管。所述电特性可包含偏压电位。所述调谐元件可包含电容器或电感器或两者的组合。
附图说明
图1为根据本发明的示范性实施例的示范性无线功率传送系统的功能框图。
图2为根据本发明的各种示范性实施例的示范性组件的功能框图，所述组件可用于图1的无线功率传送系统中。
图3为根据本发明的示范性实施例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为根据本发明的示范性实施例的发射器的功能框图，所述发射器可用于图1的无线功率传送系统中。
图5为根据本发明的示范性实施例的接收器的功能框图，所述接收器可用于图1的无线功率传送系统中。
图6为可用于图4的发射电路中的发射电路的一部分的示意图。
图7为根据本发明的示范性实施例的示范性调谐电路的示意图，所述调谐电路可用于图1的无线功率传送系统中。
图8为根据本发明的示范性实施例的示范性调谐电路的示意图，所述调谐电路可用于图1的无线功率传送系统中。
图9为根据本发明的示范性实施例的示范性调谐电路的示意图，所述调谐电路可用于图1的无线功率传送系统中。
图10为根据本发明的示范性实施例的示范性调谐电路的示意图，所述调谐电路可用于图1的无线功率传送系统中。
图11为根据本发明的示范性实施例的示范性调谐电路的示意图，所述调谐电路可用于图1的无线功率传送系统中。
图12为根据本发明的示范性实施例的在无线功率传送系统中进行调谐的方法的流程图。
图13为根据本发明的示范性实施例的调谐电路的功能框图，所述调谐电路可用于图1的无线功率传送系统中。
图式中所说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，为清楚起见，可任意扩大或缩小各种特征的尺寸。另外，所述图式中的一些图式可能未描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后，相似参考数字可用于贯穿本说明书及诸图表示相似特征。
具体实施方式
意欲将下文结合附图所阐述的详细描述作为本发明的示范性实施例的描述且所述详细描述并不意欲代表可借以实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意谓“充当实例、例子或说明”，且未必应被解释为相比其它示范性实施例较佳或有利。所述详细描述包含特定细节以便达成提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的。在一些例子中，以框图形式展示一些装置。
无线地传送功率可能指在不使用物理电导体的情况下将与电场、磁场、电磁场或别样者相关联的任何形式的能量从发射器传送到接收器(例如，可经由自由空间来传送功率)。到无线场(例如，磁场)中的功率输出可由“接收天线”予以接收、俘获或耦合以达成功率传送。
图1为根据本发明的示范性实施例的示范性无线功率传送系统100的功能框图。输入功率102可从电源(未图示)而提供到发射器104以用于产生用于提供能量传送的场105。接收器108可耦合到场105且产生输出功率110以供耦合到输出功率110的装置(未图示)来存储或消耗。发射器104与接收器108两者被分开一距离112。在一个示范性实施例中，发射器104及接收器108是根据互相谐振关系而配置。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非常接近时，发射器104与接收器108之间的发射损耗最小。因而，与可能需要大型线圈(其需要使线圈非常接近(例如，若干mm))的纯粹电感式解决方案形成对比，可在较大距离范围内提供无线功率传送。谐振电感耦合技术可因此允许在各种距离范围内且通过多种电感线圈配置所达成的经改进的效率及功率传送。
当接收器108位于由发射器104所产生的能量场105中时，接收器108可接收功率。场105对应于由发射器104输出的能量可被接收器105俘获的区域。在一些状况下，场105可对应于发射器104的“近场”，如下文将予以另外描述。发射器104可包含用于输出能量发射的发射天线114。接收器108另外包含用于从所述能量发射接收或俘获能量的接收天线118。近场可对应于其中存在由发射天线114中的电流及电荷产生且最低程度地使功率辐射远离发射天线114的强反应场的区域。在一些状况下，近场可对应于在发射天线114的约一个波长(或其分率)内的区域。发射天线114及接收天线118是根据应用及待与之相关联的装置来设定尺寸。如上文所描述，可通过将发射天线114的场105中的一大部分能量耦合到接收天线118而非使大多数能量以电磁波传播到远场来发生有效能量传送。当定位于场105内时，可在发射天线114与接收天线118之间逐渐形成“耦合模式”。本文中将位于发射天线114及接收天线118周围且可能发生此耦合的区域称作耦合模式区域。
图2为根据本发明的各种示范性实施例的示范性组件的功能框图，所述组件可用于图1的无线功率传送系统100中。发射器204可包含发射电路206，所述发射电路206可包含振荡器222、驱动器电路224及滤波器及匹配电路226。振荡器222可经配置以在所要频率下(例如468.75KHz、6.78MHz或13.56MHz)产生信号，可响应于频率控制信号223来调整所述信号。所述振荡器信号可经提供到驱动器电路224，所述驱动器电路224经配置以在(例如)发射天线214的谐振频率下驱动发射天线214。驱动器电路224可为经配置以从振荡器222接收方形波且输出正弦波的切换放大器。举例来说，驱动器电路224可为E类放大器。还可包含滤波器及匹配电路226以滤除谐波或其它不良频率且使发射器204的阻抗与发射天线214匹配。由于驱动发射天线214，发射器204可在足够用于对电子装置充电或供以电力的电平下无线地输出功率。作为一个实例，所提供的功率可为(例如)大约300毫瓦到5瓦特以对具有不同功率要求的不同装置供以电力或充电。还可提供较高或较低的功率电平。
接收器208可包含接收电路210，所述接收电路210可包含匹配电路232及整流器及切换电路234以从AC功率输入产生DC功率输出，从而对如图2中所示的电池236充电或对耦合到接收器108的装置(未图示)供以电力。可包含所述匹配电路232以使接收电路210的阻抗与接收天线218匹配。接收器208及发射器204可另外在分开的通信信道219(例如，蓝牙、zigbee、蜂窝式等)上通信。接收器208及发射器204可或者使用无线场206的特性经由带内发信来通信。
如下文予以更充分描述，接收器208(其可最初具有可选择性地停用的关联负载(例如，电池236))可经配置以确定由发射器204所发射且由接收器208所接收的功率的量是否适于用于对电池236充电。另外，接收器208可经配置以在确定功率的量为适当之后便启用负载(例如，电池236)。在一些实施例中，接收器208可经配置以在不对电池236充电的情况下直接利用从无线功率传送场接收的功率。举例来说，通信装置(例如，近场通信(NFC)或射频识别装置(RFID))可经配置以从无线功率传送场接收功率且通过与无线功率传送场交互来通信及/或利用所接收的功率来与发射器204或其它装置通信。
图3为根据本发明的示范性实施例的包含发射或接收天线352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，示范性实施例(包含下文所描述的那些示范性实施例)中所使用的发射或接收电路350可包含天线352。还可将天线352称作或配置为“环路”天线352。本文中还可将天线352称作或配置为“磁性”天线或感应线圈。术语“天线”大体是指可无线地输出或接收能量以用于耦合到另一“天线”的组件。还可将天线称作经配置以无线地输出或接收功率的类型的线圈。如本文中所使用，天线352为经配置以无线地输出及/或接收功率的类型的“功率传送组件”的实例。天线352可经配置以包含空心或物理心，例如铁氧体磁心(未图示)。空心环路天线可较能容忍置放于所述心附近的外来物理装置。此外，空心环路天线352允许其它组件置放于心区域内。另外，空心环路可更易于使得能够将接收天线218(图2)置放于发射天线214(图2)的平面内，在所述平面内，发射天线214(图2)的耦合模式区可更强大。
如所陈述，可在发射器104与接收器108之间的匹配或近似匹配谐振期间发生发射器104与接收器108之间的有效能量传送。然而，即使当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，虽然效率可受影响，但仍可传送能量。能量传送是通过将来自发射天线214线圈的场105的能量耦合到驻留于建立有此场105的附近中的接收天线218而非使能量从发射天线214传播到自由空间中而发生。
环路天线或磁性天线的谐振频率是基于电感及电容。电感可简单地为由天线352所产生的电感，而电容可与天线的电感相加以在所要谐振频率下产生谐振结构。作为一非限制性实例，可将电容器352及电容器354加到发射或接收电路350以在谐振频率下产生选择信号356的谐振电路。因此，对于较大直径的天线来说，所需的用以维持谐振的电容的大小可随环路的直径或电感增加而减小。此外，随着天线的直径增加，近场的有效能量传送区域可增大。使用其它组件所形成的其它谐振电路也是可能的。作为另一非限制性实例，可将电容器并联地置放于天线350的两个端子之间。对于发射天线来说，具有实质上对应于天线352的谐振频率的频率的信号358可为到天线352的输入。
在一个实施例中，发射器104可经配置以输出具有对应于发射天线114的谐振频率的频率的时变磁场。当接收器位于场105内时，所述时变磁场可感应接收天线118中的电流。如上文所描述，如果接收天线118经配置成在发射天线118的频率下谐振，那么可有效地传送能量。接收天线118中所感应的AC信号可如上文所描述加以整流以产生可经提供以对负载充电或供以电力的DC信号。
图4为根据本发明的示范性实施例的发射器404的功能框图，所述发射器404可用于图1的无线功率传送系统中。发射器404可包含发射电路406及发射天线414。发射天线414可为如图3中所示的天线352。发射电路406可通过提供导致在发射天线414周围产生能量(例如，磁通量)的振荡信号而将RF功率提供到发射天线414。发射器404可在任何合适的频率下操作。举例来说，发射器404可在6.78MHz ISM频带下操作。
发射电路406包含固定阻抗匹配电路409，其用于使发射电路406的阻抗(例如，50欧姆)与发射天线414匹配；及低通滤波器(LPF)408，其经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器108(图1)的装置的自干扰的电平。其它示范性实施例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使其它频率通过的陷波滤波器)且可包含自适应阻抗匹配，所述自适应阻抗匹配可基于可测量的发射量度(例如到天线414的输出功率或由驱动器电路424所汲取的DC电流)而变化。发射电路406另外包含驱动器电路424，所述驱动器电路424经配置以驱动如由振荡器423所确定的RF信号。发射电路406可包括离散装置或电路，或者可包括集成的总成。来自发射天线414的示范性RF功率输出可为约2.5瓦特。
发射电路406可另外包含控制器415，所述控制器415用于在特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间选择性地启用振荡器423以用于调整振荡器423的频率或相位且用于调整输出功率电平以用于实施用于与邻近装置交互(经由所述邻近装置的所附接的接收器)的通信协议。应注意，本文中还可将控制器415称作处理器415。对振荡器相位及发射路径中的相关电路的调整可允许减少带外发射(尤其当从一个频率转变到另一频率时)。
发射电路406可另外包含负载感测电路416，所述负载感测电路416用于检测在由发射天线414所产生的近场附近的有效接收器的存在或不存在。举例来说，负载感测电路416监视流到驱动器电路424的电流，其可受在由发射天线414所产生的场附近的有效接收器的存在或不存在的影响，如下文将予以另外描述。通过控制器415来监视对在驱动器电路424上的负载的改变的检测以用于确定是否将启用振荡器423以用于发射能量且与有效接收器通信。如下文予以更充分描述，在驱动器电路424处所测量的电流可用以确定无效装置是否被定位于发射器404的无线功率传送区域内。
可用利兹线来实施发射天线414或可将发射天线414实施为具有经选择以使电阻损耗保持为低的厚度、宽度及金属类型的天线条。在一个实施方案中，发射天线414可大体经配置以用于与较大结构(例如桌子、垫子、灯或其它较不容易携带配置)相关联。因此，发射天线414通常可能无需“线匝”以便具有实用尺寸。发射天线414的示范性实施可为“电学上小型”(即，波长的分率)且经调谐以通过使用电容器来界定谐振频率而在较低的可用频率下谐振。
发射器404可聚集并跟踪关于可能与发射器404相关联的接收器装置的行踪及状态的信息。因此，发射电路406可包含连接到控制器415(本文中还称作处理器)的存在检测器480、封入式检测器460或其组合。控制器415可响应于来自存在检测器480及封入式检测器460的存在信号来调整由驱动器电路424所递送的功率的量。发射器404可经由例如以下各者的诸多电源或直接从常规的DC电源(未图示)来接收功率：例如，AC-DC转换器(未图示)，其用以转换存在于建筑物中的常规的AC功率；DC-DC转换器(未图示)，其用以将常规的DC电源转换成适合于发射器404的电压。
作为一非限制性实例，存在检测器480可为运动检测器，其用以感测被插入到发射器404的隐蔽区域中且待加以充电的装置的初始存在。在检测之后，可接通发射器404且可使用由所述装置所接收的RF功率从而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的手段来检测人类的检测器。在一些示范性实施例中，可存在限制发射天线414可在特定频率下所发射的功率的量的规则。在一些状况下，此些规则意欲保护人类免受电磁辐射。然而，可存在其中发射天线414被置放于未被人类所占据或偶尔被人类所占据的区域中的环境，例如车库、工厂地面、商店及其类似者。如果此些环境没有人，那么可容许增加发射天线414的功率输出而高出正常功率限制规则。换句话说，控制器415可响应于人类存在而将发射天线414的功率输出调整到管制电平或较低电平，且当人类处于距发射天线414的电磁场一管制距离之外时可将发射天线414的功率输出调整到高于所述管制电平的电平。
作为一非限制性实例，封入式检测器460(本文中还可称作封入式隔间检测器或封入式空间检测器)可为例如感测开关等装置，其用于确定封入件何时处于封闭或开放状态。当发射器处于呈封入状态的封入件中时，可增加发射器的功率电平。
在示范性实施例中，可使用发射器404借以不会无限地保持接通的方法。在此状况下，发射器404可经编程以在用户已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)在位于其周边的无线装置被充足电之后长时间运行。此事件可归因于电路未能检测到从中继器或接收天线218发送的装置被充足电的信号。为防止发射器404在另一装置被置放于其周边时自动地切断，可仅在检测到发射器404的周边不存在运动的设定时段之后才启动发射器404自动切断特征。用户可能能够确定无活动时间间隔，且在所要时改变所述无活动时间间隔。作为一非限制性实例，所述时间间隔可比在假定特定类型的无线装置最初完全放电的情况下使所述装置充足电所需的时间间隔长。
图5为根据本发明的示范性实施例的接收器508的功能框图，所述接收器508可用于图1的无线功率传送系统中。接收器508包含接收电路510，所述接收电路510可包含接收天线518。接收器508另外耦合到装置550以用于将所接收的功率提供到所述装置550。应注意，接收器508经说明为位于装置550外部但其可集成到装置550中。能量可经无线地传播到接收天线518且接着经由接收电路510的剩余部分而耦合到装置550。举例来说，充电装置可包含例如以下各者的装置：移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机周边装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器(另一医学装置)及其类似者。
接收天线518可经调谐以在与发射天线414(图4)相同的频率下或在指定的频率范围内谐振。接收天线518可经形成与发射天线414类似的尺寸或可基于相关联的装置550的尺寸而不同地设定尺寸。举例来说，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，可将接收天线518实施为多匝线圈以便减小调谐电容器(未图示)的电容值及增加接收线圈的阻抗。举例来说，接收天线518可置放于装置550的实质圆周周围，以便最大化天线直径及减少接收天线518的环路匝(即，绕组)的数目及绕组间电容。
接收电路510可提供与接收天线510的阻抗匹配。接收电路510包含功率转换电路506，所述功率转换电路506用于将所接收的RF能量源转换为供装置550使用的充电功率。功率转换电路506包含RF到DC转换器520且还可包含DC到DC转换器522。RF到DC转换器520将接收于接收天线518处的RF能量信号整流为具有由Vrect所表示的输出电压的非交变功率。DC到DC转换器522(或其它功率调节器)将经整流的RF能量信号转换为能势(例如，电压)，所述能势与装置550相容且具有由Vout及Iout所表示的输出电压及输出电流。预期各种RF到DC转换器，包含部分及全整流器、调节器、桥接器、倍频器以及线性及切换转换器。
接收电路510可另外包含切换电路512，所述切换电路512用于将接收天线518连接到功率转换电路506或替代地用于与功率转换电路506断开连接。将接收天线518与功率转换电路506断开连接不仅暂时中止对装置550充电，而且改变如发射器404(图2)所“见到”的“负载”。
如上文所揭示，发射器404包含可检测被提供到发射器驱动器电路424的偏压电流中的波动的负载感测电路416。因此，发射器404具有用于确定接收器何时存在于发射器的近场中的机构。
当多个接收器508存在于发射器的近场中时，可能想要对一或多个接收器的负载及卸载进行时间多路复用以使其它接收器能够更有效地耦合到发射器。还可隐蔽接收器508以便消除到其它附近的接收器的耦合或减少附近的发射器上的负载。接收器的此“卸载”在本文中还被称作“隐蔽”。此外，受接收器508控制且由发射器404检测的卸载与负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，如下文予以更充分解释。另外，协议可与所述切换相关联，所述协议使得能够将消息从接收器508发送到发射器404。举例来说，切换速度可为大约100微秒。
在一示范性实施例中，发射器404与接收器508之间的通信是指装置感测及充电控制机制而非常规的双向通信(即，使用耦合场的带内发信)。换句话说，发射器404可使用所发射信号的接通/切断键控来调整能量是否在近场中可用。接收器可将此些能量改变解译为来自发射器404的消息。从接收器侧来说，接收器508可使用接收天线518的调谐及去调谐来调整接受来自场的功率的量。在一些状况下，可经由切换电路512来实现调谐及去调谐。发射器404可检测来自所述场的所使用的功率的此差异并将此些改变解译为来自接收器508的消息。应注意，可利用发射功率及负载行为的其它调变形式。
接收电路510可另外包含用以识别所接收的能量波动的发信检测器及信标电路514，所述能量波动可对应于从发射器到接收器的信息性发信。此外，发信及信标电路514还可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射及将所述减少的RF信号能量整流为标称功率以用于唤醒接收电路510内的未供电或耗尽功率的电路以便配置接收电路510以进行无线充电。
接收电路510另外包含用于协调本文中所描述的接收器508的处理(包含对本文中所描述的切换电路512的控制)的处理器516。还可在发生其它事件(包含检测将充电功率提供到装置550的外部有线充电源(例如，壁式/USB电源))之后便发生接收器508的隐蔽。除控制接收器的隐蔽之外，处理器516还可监视信标电路514以确定信标状态及提取从发射器404发送的消息。处理器516还可调整DC到DC转换器522以用于达成改进的性能。
图6为可用于图4的发射电路406中的发射电路600的一部分的示意图。发射电路600可包含驱动器电路624，如上文在图4中所描述。如上文所描述，驱动器电路624可为经配置以接收方形波且输出待提供到发射电路650的正弦波的切换放大器。在一些状况下，可将驱动器电路624称作放大器电路。驱动器电路624经展示为E类放大器，然而，根据本发明的实施例，可使用任何合适的驱动器电路624。可通过来自如图4中所示的振荡器423的输入信号602来驱动所述驱动器电路624。驱动器电路624还可具备驱动电压VD，所述驱动电压VD经配置以控制可经由发射电路650所递送的最大功率。为消除或减少谐波，发射电路600可包含滤波器电路626。所述滤波器电路626可为三极(电容器634、电感器632及电容器636)低通滤波器电路626。
由滤波器电路626输出的信号可经提供到包括天线614的发射电路650。发射电路650可包含串联谐振电路，所述串联谐振电路具有电容620及电感(例如，其可归因于天线的电感或电容或归因于额外电容器组件)且可在由驱动器电路624所提供的经滤波信号的频率下谐振。发射电路650的负载可由可变电阻器622来表示。所述负载可随经定位以从发射电路650接收功率的无线功率接收器508而定。
图7为根据本发明的示范性实施例的示范性调谐电路的示意图，所述调谐电路用于最佳化无线功率发射器中的功率传送。本文中所描述的实施例提供在上文所描述的无线功率传送系统中的调谐。本文中针对调谐电路所描述的实施例包含调谐元件及具有第一连接、第二连接及第三连接的开关。在另一实施例中，所述开关可具有第四连接。开关可将调谐元件电啮合到AC(交流电)或时变电压功率路径中。在一个实施例中，所述功率路径基于第一连接的电特性(相对于第二路径的电特性)而包含谐振器。在一个方面中，开关将调谐元件短接于AC功率路径之中及短接于AC功率路径之外。可使用许多类型的开关，例如，场效应晶体管、继电器、插脚二极管或二极管桥接器。调谐元件可包含电容器或电感器或可改变电路的电抗的任何其它元件。在一些实施例中，将电容器及电感器的组合用于调谐。
图7展示具有源极接点724、漏极接点722及栅极接点726的场效应晶体管720(FET)。在一个实施例中，源极724连接到漏极722从而与AC功率路径736到738串联。而在另一实施例中，可以分流配置(未图示)来配置FET 720。AC功率可具有6.78MHz的频率。调谐元件714(例如，电容器)可经置放成与FET 720并联，如图7中所示。
FET 720可基于操作模式而从AC功率路径来电啮合调谐元件714。在一种操作模式中，FET 720将路径722到724短接。在此模式中，电流经由FET 720而在点722与724之间流动且调谐元件714被电隔离，因为FET 720提供较小电阻路径。所述操作模式取决于栅极接点726相对于源极接点724的电位，如图7中所示。在第二模式中，AC功率路径穿过调谐元件714。所述操作模式可取决于对改变电路的调谐(或电抗)的需求。
场效应晶体管可提供用于切换的低成本选项。然而，驱动无线功率传送系统中的FET提出了一些独特挑战。图7中所示的FET 720与AC功率路径串联连接。在分流配置中，FET经置放成与AC功率路径并联。FET 720可为n-MOSFET或p-MOSFET。还可使用其它类型的FETS。举例来说，可将GaAs FET用作开关。将FET 720置放成与AC功率路径并联可在驱动FET中提出挑战。例如，源极724处的电压可显著变化。在一个实施例中，源极处的电压可通过用于无线功率系统的几百伏特的6.78MhZ AC而振荡。在无线功率系统中，FET源极724接点或漏极722接点上的高电压AC可使驱动如图7中所示的浮动型FET变得有挑战。
图7展示驱动浮动型FET的示范性实施例。高阻抗DC偏压可用以驱动所述FET。将高阻抗DC偏压施加到浮动节点可在不使用过多电流的情况下将所述接点驱动到所要电压。偏压电路750可控制相对DC偏压且启用FET 720的切换。偏压电路750可包括用以使得能够在源极接点724与栅极接点726之间设定电位差的电阻器及晶体管。栅极接点726经由电容器734而耦合到源极接点724。在一个实施例中，电容器734为高值电容器。在源极与漏极之间添加高值电容器734使栅极AC波形遵循源极的AC波形，但具有如由偏压电路所提供的DC偏移。在一个实施例中，栅极接点726与源极接点724之间的电位为±10V。在另一实施例中，此电位为大约±13V。FET 720取决于栅极接点726与源极接点724之间的电位而加以切换。
在一个实施例中，DC阻塞电容器710及712经置放成与源极接点712及漏极接点710串联，如图7中所示。电容器710及712可将源极接点与漏极接点隔离，从而允许所述接点相对于接地而浮动。
可使电阻器730及732的电阻值变化以找到FET 720的高切换速度与变换(归因于路径上的分流组件)之间的最佳平衡。在一个实施例中，电阻器730及732可具有1,000,000欧姆的电阻值。还可使用其它电阻值，例如，5,000,000或10,000,000欧姆。电阻器730及732中的较高电阻值可导致减小的切换速度，但较高的电阻可由于减少的变换而提高电路的效率。
FET 720还在源极724接点、漏极722接点及栅极726接点中的每一者之间具有内部电容。存在内部栅极到源极电容、内部栅极到漏极电容及内部漏极到源极电容。在一个实施例中，栅极到源极电容器734的电容值高于内部源极-漏极电容。在一个实施例中，源极电容器734具有1nF的值。
图8展示图7的调谐电路的示范性实施例，所述调谐电路具有经配置以减小FET的内部电容的额外漏极偏压电路860。如上文所描述，FET具有内部漏极源极电容，其可有效地与调谐元件814并联。内部漏极源极电容的质量因数为低的，且电容值随漏极源极电压而变化。当漏极源极电压非常低时，漏极源极电容为高的，且当漏极源极电压增大时，电容下降。内部电容还可导致电磁干扰。低的内部漏极源极电容可启用经由调谐电路所达成的更可预测的控制。在至少一种操作模式中，当调谐电容器不得不被切换于AC功率路径之外时，FET 820被短接于漏极接点822与源极接点824之间。然而，内部电容可防止有效短接且导致拙劣的电路调谐。漏极偏压电路860可提高漏极接点处的电压以增加漏极与源极之间的电压差从而用于减小内部漏极源极电容。虽然漏极偏压电路涉及图8中所说明的晶体管类型来描述，但类似地，源极还可取决于所使用的晶体管为n型还是p型而被加偏压。偏压电路860实现漏极接点822的加偏压。偏压电路860为到AC功率路径的高阻抗型。所述偏压电路并不限于如图8中所示的组件。在一个实施例中，偏压电路860中的与二极管串联的电阻器具有10,000,000欧姆的值，且与二极管串联的电阻器具有10,000,000欧姆的值。在一些例子中，与二极管并联的电阻器可高于串联情况。还可使用偏压电路860的其它配置来对漏极接点822加偏压。还可将更昂贵的FET(例如，GaAS FET)与低内部电容一起使用。对漏极源极接点822加偏压允许在无线功率传送系统中使用便宜的FET。举例来说，偏压电路使得能够在无线功率传送系统中使用FET而不用担心FET的输出电容。在一些实施例中，甚至可使用具有接近无线功率传送系统中的所要调谐电容(或电抗)的输出电容的输出电容的FET。因此，此处关于图8所描述的漏极偏压电路860及下文关于图9所描述的漏极偏压电路960使得能够使用各种类型的FET而不用担心其输出电容。此可显著地降低成本且提高整个系统的灵活性。
图9展示用于减小FET 926的内部电容的另一示范性实施例。偏压电路960可相对于源极接点924来对漏极接点922加偏压。偏压电路960可使用FET 920的突崩特性。如图9中所示，偏压电路960使用输入AC信号以对漏极接点加自偏压。偏压电路960可整流AC信号且使输入电压增大一乘数因子。在图9中所示的示范性实施例中，偏压电路960经配置为使输入电压加倍以用于对漏极接点922加偏压的倍压器。在一个实施例中，偏压电路960提供大于Vds peak-peak的一半的偏压。此可通过如图9中所示的电压倍增器来达成。在一些例子中，偏压可将电压提高到一点(Vbreakdown-1/2Vpeak-peak)，FET可在所述点开始击穿且限制偏压。在此些例子中，只要电流受到限制，系统便可仍能使用。电流可受电阻器限制。电阻器可将电流限制到低于FET的最大击穿电流。在一个实施例中，在漏极偏压电路960中，泵及偏压电容器的值为100pF且电阻器的值为330,000欧姆。偏压电路960还可包含导致与图9中所示的示范性实施例不同的倍增因数的其它配置。如上文所描述，漏极电路的布置取决于使用n型还是p型场效应晶体管。因此，在一些实施例中，漏极偏压电路可经布置以对源极加偏压。
图10展示调谐电路的示范性实施例，所述调谐电路包括第一FET 1020及第二FET1040。添加第二FET 1040可改进额定电压及减少电路中的失真且还可允许使DC电流通过。还可将上文所描述的漏极偏压电路860及960与图10中所示的电路相组合。
图11展示经置放成与AC功率路径串联的多个调谐电路1120及1140的示范性实施例。虽然仅展示两个调谐电路，但更多调谐电路可经串联连接。多个调谐电路可实现较高的控制程度以用于调谐上文所描述的无线功率传送系统。还可以分流配置来配置调谐元件。在分流配置中，调谐元件与FET串联连接。
图12为根据本发明的示范性实施例的用于在无线功率传送系统中进行调谐的方法的流程图。如图1中所示的无线功率传送系统100包括发射器及接收器。输入功率可从电源而提供到发射器以用于产生用于提供能量传送的场。在所述方法中，在步骤1210处，无线功率传送系统中的发射器正发射功率。接收器可耦合到所述场且产生输出功率。发射器及接收器被分开一距离。如上文所描述，可在发射器与接收器之间的匹配或近似匹配谐振期间发生发射器与接收器之间的有效能量传送。谐振可取决于阻抗匹配。可使阻抗自适应地变化，如关于图4中的发射电路406所描述。可基于关于图7中的调谐电路所描述的调谐元件来使阻抗变化。所述方法在步骤1220处另外包括基于改变开关的电特性来选择性地啮合调谐元件的步骤。开关的电特性可为如关于图7的场效应晶体管720所描述的偏压电位。
图13为根据本发明的一示范性实施例的无线功率1305的功能框图。无线功率调谐电路1305包括用于关于图7、图8、图9、图10及图11所论述的各种动作的装置1310及1315。
可使用多种不同工艺及技术中的任一者来表示信息与信号。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示可贯穿以上描述所引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。
结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可经实施为电子硬件、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，上文已大体上在功能性方面描述了各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。此功能性经实施为硬件或是软件取决于特定应用及强加于整个系统的设计约束而定。可针对每一特定应用而以变化的方式来实施所描述的功能性，但此些实施决策不应解释为导致背离本发明的实施例的范围。
可通过通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或经设计以执行本文中所描述的功能的其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性块、模块及电路。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。处理器还可经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、结合DSP核心的一或多个微处理器，或任一其它此配置。
结合本文中所揭示的实施例而描述的方法或算法及功能的步骤可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中，或两者的组合中。如果以软件实施，那么所述功能可作为有形、非暂时性计算机可读媒体上的一或个指令或代码来存储或发射。软件模块可驻留于随机存取存储器(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、可拆卸磁盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将存储媒体耦合到处理器使得所述处理器可从所述存储媒体读取信息及将信息写入到所述存储媒体。在替代例中，存储媒体可集成到处理器。如本文中所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、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，而光盘通过激光以光学方式复制数据。以上各者的组合还应包含于计算机可读媒体的范围内。处理器及存储媒体可驻留于ASIC中。所述ASIC可驻留于用户终端中。在替代例中，处理器及存储媒体可作为离散组件而驻留于用户终端中。
出于概述本发明的目的，已在本文中描述本发明的某些方面、优点及新颖特征。应了解，根据本发明的任何特定实施例未必可达成所有此些优点。因此，可以达成或最佳化如本文中所教示的一个优点或一群优点而不必须达成如本文中可能教示或建议的其它优点的方式来体现或实施本发明。
以上所描述的实施例的各种修改将容易显而易见，且可在不背离本发明的精神或范围的情况下将本文中所界定的一般原理应用于其它实施例。因此，本发明并不意欲受限于本文中所展示的实施例，而是应符合与本文中所揭示的原理及新颖特征相一致的最广范围。

Claims (31)

1.一种用于提供无线功率传送系统中的调谐的设备，其包括：
调谐元件；及
场效应晶体管，其具有栅极、第一端子接点及第二端子接点，所述第一端子接点处于交流电AC电压，所述场效应晶体管经配置以基于所述栅极的电特性相对于所述第一端子接点的电特性的改变而将所述调谐元件电啮合到AC功率路径。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括栅极偏压电路，所述栅极偏压电路经配置以相对于所述第一端子接点的所述电特性来改变所述栅极的所述电特性从而驱动所述场效应晶体管，其中所述电特性包括偏压电位。
3.根据权利要求1及2中任一权利要求所述的设备，其进一步包括漏极偏压电路，所述漏极偏压电路经配置以通过对所述第二端子接点加偏压使得所述第二端子接点处于高于所述第一端子接点的偏压来减小所述场效应晶体管的输出电容。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述漏极偏压电路包括自偏压倍增器电路。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的设备，其中所述调谐元件与所述场效应晶体管并联连接。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的设备，其中所述场效应晶体管包括n型mosfet，使得第一端子为所述场效应晶体管的源极端子且所述第二端子为所述场效应晶体管的漏极端子。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的设备，其中所述场效应晶体管包括p型mosfet，使得第一端子为所述场效应晶体管的漏极端子且所述第二端子为所述场效应晶体管的源极端子。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的设备，其中所述调谐元件包括电容器或电感器。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的设备，其进一步包括第二调谐元件，其中所述第二调谐元件包括电容器或电感器。
10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的设备，其进一步包括耦合到所述漏极的第一DC阻塞电容器及耦合到所述源极的第二DC阻塞电容器，其中所述第一阻塞电容器及所述第二阻塞电容器经配置以使所述源极接点及所述漏极接点相对于所述AC路径而保持浮动。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的设备，其中所述场效应晶体管的所述输出电容实质上接近所述无线功率传送系统中的所述所要调谐。
12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的设备，其中所述栅极是通过电容器而耦合到所述第一端子。
13.一种无线发射功率的方法，所述方法包括：
提供调谐元件；
提供场效应晶体管，所述场效应晶体管具有栅极、第一端子接点及第二端子接点，所述第一端子接点处于交流电AC电压；及
基于相对于所述场效应晶体管的所述第一端子接点的电特性来改变所述栅极的电特性而将所述调谐元件电啮合到AC功率路径。
14.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括使用栅极偏压电路而相对于所述第一端子接点的电特性来改变所述栅极的所述电特性以用于驱动所述场效应晶体管的步骤，其中所述电特性包括偏压电位。
15.根据权利要求13及14中任一权利要求所述的方法，其进一步包括使用漏极偏压电路来对所述第二端子接点加偏压使得所述第二端子接点处于高于所述第一端子接点的偏压的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述漏极偏压电路包括自偏压倍增器电路。
17.根据权利要求13到16中任一权利要求所述的方法，其中所述调谐元件与所述场效应晶体管并联连接。
18.根据权利要求13到17中任一权利要求所述的方法，其中所述场效应晶体管包括n型mosfet，使得所述第一端子为所述场效应晶体管的漏极端子且所述第二端子为所述场效应晶体管的源极端子。
19.根据权利要求13到18中任一权利要求所述的方法，其中所述场效应晶体管包括p型mosfet，使得所述第一端子为所述场效应晶体管的源极端子且所述第二端子为所述场效应晶体管的漏极端子。
20.根据权利要求13到19中任一权利要求所述的方法，其中所述调谐元件包括电容器或电感器。
21.根据权利要求13到20中任一权利要求所述的方法，其进一步包括提供第二调谐元件的步骤，其中所述第二调谐元件包括电容器或电感器。
22.根据权利要求13到21中任一权利要求所述的方法，其进一步包括使所述第一端子及所述第二端子相对于所述AC路径而保持浮动的步骤。
23.根据权利要求13到22中任一权利要求所述的方法，其中所述场效应晶体管的输出电容实质上接近所述无线功率传送系统中的所要调谐。
24.根据权利要求13到23中任一权利要求所述的方法，其中所述栅极是通过电容器而耦合到所述第一端子。
25.一种调谐电路，其经配置以提供无线功率传送系统中的调谐，所述调谐电路包括：
用于调谐的装置；及
用于切换的装置，其经配置以基于所述切换装置的第一电特性相对于所述切换装置的第二电特性的改变而将所述调谐装置啮合到AC功率路径。
26.根据权利要求25所述的调谐电路，其进一步包括用于偏压的第一装置，所述第一装置经配置以相对于所述切换装置的所述第二电特性来改变所述切换装置的所述第一电特性，其中所述电特性包括偏压电位。
27.根据权利要求25及26中任一权利要求所述的调谐电路，其进一步包括用于偏压的第二装置，所述第二装置经配置以减小所述切换装置的输出电容。
28.根据权利要求25到27中任一权利要求所述的调谐电路，其中所述用于调谐的装置与所述用于切换的装置并联连接。
29.根据权利要求25到28中任一权利要求所述的调谐电路，其进一步包括用于调谐的第二装置。
30.根据权利要求25到29中任一权利要求所述的调谐电路，其进一步包括用于使所述用于切换的装置相对于所述AC功率路径而保持浮动的装置。
31.根据权利要求25到30中任一权利要求所述的调谐电路，其中所述切换装置的输出电容实质上接近所述无线功率传送系统中的所要调谐。
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