CN105051842B - 电磁谐振器及形成电磁谐振器的方法 - Google Patents

电磁谐振器及形成电磁谐振器的方法 Download PDF

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Abstract

一种双模式接收器包含一电磁谐振器，其中该电磁谐振器具有用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络。

Description

电磁谐振器及形成电磁谐振器的方法
【技术领域】
本发明涉及无线功率传输领域，尤其涉及一种双模式无线功率接收器。
【背景技术】
无线功率(Wireless Power，WP)传输系统使用两个磁线圈(magnetic coil)之间的互感以透过磁感应来传输功率，此类系统通常可被分类为”感应式”或”谐振”。而在一纯感应式无线功率传输系统中，作为一变压器的初级绕组(primary winding)的源极线圈(source coil)由一电压源或电流源来驱动，而作为次级绕组(secondary winding)的接收器线圈直接或间接地通过一个交流耦合电容连接至一桥式整流器，而两个绕组之间的电压及电流可由通常用于描述变压器的关系来定义。
在一谐振无线功率传输系统中，源极线圈以及接收线圈皆连接至电容以形成电谐振器(electrical resonators)。从电路设计的观点来看，该些电容的功能为抵销电感的部分反应阻抗(reactive impedance)并在一给定电压下传输更多功率。电感的阻抗与电容的阻抗随着操作频率呈反向变化，因此仅能在小范围的频率中有效的抵销，换句话说，谐振无线功率系统利用多个电路，该多个电路调整至特定频率来传输功率。该些电路通常不允许在其他频率上传输功率。
近年来，已出现两种无线功率标准，无线功率联盟已发布作为一感应式充电标准的Qi标准。虽然使用了一谐振电容，但Qi标准中的质量因子Q处于较低的个位数，其代表谐振并未被充分地利用。使用Qi标准的装置在110-205KHz的频率范围下传输功率，因此传统Qi装置需要源极线圈与接收器线圈之间紧密的对齐(alignment)。
而最近，数个组织开始引进使用高质量因子的谐振电路的无线功率系统来增加可用于充电的可使用范围，由于一电感的质量因子与频率成正比，所使用的频率通常远高于感应式充电器所使用的频率，针对新出现的谐振无线功率标准的一个题案建议在工业、科学研究与医疗(Industrial,Science and Medical,ISM)频段的操作频率为6.78MHz。
【发明内容】
根据本发明的一观点，提供一种电磁谐振器，其中该电磁谐振器具有用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及形成一匹配网络的一被动组件网络，该电磁谐振器包含定义在一低频范围的一第一选择频率以及定义在一高频范围的一第二选择频率以允许一整流电路操作在该高频范围以及该低频范围来达到主动电路(active circuit)的最大使用率。
根据本发明的另一观点，该电磁谐振器具有用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及形成一匹配网络的一被动组件网络，该电磁谐振器包含定义在一低频范围的一第一选择频率以及定义在一高频范围的一第二选择频率以允许一整流电路操作在该高频范围以及该低频范围来达到主动电路的最大使用率。
根据本发明的另一观点，提供形成电磁谐振器的方法，其中该方法包含设置一电磁谐振器来包括用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及形成一匹配网络的一被动组件网络，并且该方法包含提供该电磁谐振器定义在一低频范围的一第一选择频率以及定义在一高频范围的一第二选择频率以允许一整流电路操作在该高频范围以及该低频范围来达到主动电路的最大使用率。
【附图说明】
图1为实现一低质量因子感应式充电接收器的一应用电路的示意图。
图2为根据本发明的实现一高质量因子谐振无线功率接收器的一第二应用电路的示意图。
图3为本发明的双模式接收器的电路架构的示意图。
图4为根据本发明通过使用开关电容CC来实现的负载调变的示意图。
图5为根据本发明的线圈布局示意图。
图6为本发明包括同步整流器的一实施例的示意图。
【具体实施方式】
本发明涉及一种双模式无线功率接收器的设计，其中该双模式无线功率接收器可自操作在数百KHz范围的一感应式充电器或操作在数百万Hz范围的一谐振充电器中接收功率，该双模式无线功率接收器可具有110-205KHz的一低频操作范围以及6.78M Hz的一高操作频率，但本发明可应用于任何至少差五倍频的两个频带。
图1为实现一低质量因子感应式充电接收器的一感应式无线功率接收器电路2的示意图，其中电感L3代表该接收器线圈(Rx线圈)，其耦接至一源极线圈，电感L3所感应到的交流功率会透过一桥式整流器4来进行整流以产生一直流电压Vrect，桥式整流器4由四个(或更多个)二极管组成一桥式电路结构，使得在每一极性的输入下都能提供相同极性的输出，该桥式整流器根据一两线制(two-wire)交流输入提供全波整流，其与一个具有来自于一具有中间抽头次级绕组的变压器的三线(3-wire)输入的一整流器相比，具有更低的制造成本与重量。电容C2q以及电感L3形成一电磁谐振器(electromagnetic resonator)，其谐振频率在该无线功率操作频率附近，此频率通常在数百KHz的范围，该串联谐振电路包含电感L3以及电容C2q且包含桥式整流器4的阻抗。其包含了吸引无线功率的电路，因此它相对较高。该电磁谐振器的该质量因子为：
其中ωi为感应式无线功率系统的操作角频率，Rl为二极管桥式整流器4的等效电阻，电阻Rl相对较高，因此该电路的质量因子通常处于较低的个位数。根据以下公式选择Cs的值使得该电磁谐振器的谐振频率等于该感应式无线功率系统的操作频率。
图2为根据本发明的实现高质量因子谐振无线功率接收器的谐振功率接收器电路8的示意图，其中一电感L2代表接收器线圈(Rx线圈)，电容C2a与C2b在电感L2与桥式整流器4之间形成一谐振匹配网络，该匹配网络为串并联，因为电容C2a与负载串联而电容C2b与负载并联。电感L2以及电容C2a与C2b形成一电磁谐振器，由于部分电感电流可在仅包含电感L2、电容C2a以及C2b(加上寄生电阻)的一循环中流通，因此该电磁谐振器的质量因子相对较高，可能大于100，并且需要在确保电容C2a以及C2b串联后与L2在操作频率ωr上谐振的前提下选择电容C2a以及C2b的值。
在某些例子中可将该谐振接收器操作在一相对高的频率，以将该谐振器的该质量因子最大化，在其他实施例中操作频率为6.78MHz。
可自操作在数百KHz的一感应式充电器或操作在数百万Hz的一谐振充电器接收功率的一双模式无线功率接收器具有显著的实用性，在此处所讨论的范例具有110-205KHz的低频操作范围以及6.78MHz的高操作频率，但该方法可应用于任何差五倍频的两频带。
虽然感应式接收器以及谐振接收器的架构相似，但在给定不同操作频率的情况下，所需要的电感以及电容值通常差异很大。对一应用而言，可使用的整流范围具有某些限制，举例来说，对于使用锂电池的移动电子装置而言，其需要产生一固定的5V供应电压并且对该电池以3至4.2V充电，因此可在5V至15V的范围中选择该整流电压并可选择一降压稳压器如一buck降压稳压器或一线性降压稳压器(linear dropout regulator)以有效提供固定的5V供应电压。对一双模式接收器而言，此电压范围皆可在两种模式中被观测，然而，对于相同接收线圈电感值而言，在6.78MHz下的感应电压会远高于100KHz下的感应电压，实际感应电压表示为：
Vind＝ωMI1 (式4)
其中Vind为感应电压，M为互感，I1为源极线圈电流而ω为操作角频率，互感M与源极线圈电感和接收器线圈电感的乘积的平方根成正比，因此，如果该电磁谐振器的有效电感在低频时高于高频，其对于该双模式接收器将非常有利。
本发明提供的双模式接收器包含一电磁谐振器，该电磁谐振器包含一个或多个用于形成一接收器线圈的感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络，该电磁谐振器具有定义在一低频率范围的一第一选择频率以及定义在一高频率范围的一第二选择频率，允许一整流电路操作在该高频率范围以及该低频率范围以达到主动电路的最大使用率。
在一些实施例中，该电磁谐振器用于在该低频率范围内产生一低质量因子感应式充电接收器。而在另一些实施例中，该电磁谐振器用于在该高频率范围内产生一高质量因子谐振充电接收器。或者，在一些实施例中，该电磁谐振器用于在该低频率范围内产生一低质量因子感应式充电接收器，以及用于在该高频率范围内产生一高质量因子谐振充电接收器。
在一些实施例中，该整流电路包含一桥式整流器。而在另一些实施例中，该整流电路包含一同步整流器。
在一些实施例中，该电磁谐振器在该高频率范围中的有效电感低于在该低频范围中的有效电感。
在一些实施例中，该一个或多个感应组件包含两个感应组件，其中该两个感应组件用于接收低频率功率以及高频率功率，并且组装在一印刷电路板的相同平面上。
在一些实施例中，该一个或多个感应组件形成一同心结构，且高频组件设置于外侧。而在另一些实施例中，该一个或多个感应组件形成一同心结构，且高频组件设置于内侧。
在一些实施例中，高质量因子谐振发生在该第一选择频率以及该第二选择频率。
在一些实施例中，该一个或多个感应组件包含第一电感和第二电感，该被动组件网络包括第一电容、第二电容及第三电容，其中，该第二电感与该第一电容并联后与该第一电感串联，该第二电容串联在该第二电感与该第一电容的并联电路之后，该第三电容串联在该第二电容之后，该整流电路的输入端连接在该第三电容两端。
在一些实施例中，该双模式接收器还包括一开关电容，连接在该整流电路的输入端与接地端之间，当该开关电容导通时，该整流电路的输入端被耦合至该接地端。
另外，本发明实施例还提供一种用于制成一双模式接收器的方法，其包含：
设置一电磁谐振器来包含用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络；以及
使该电磁谐振器具有定义在一低频率范围的一第一选择频率以及定义在一高频率范围的一第二选择频率，允许一整流电路操作在该高频率范围以及该低频率范围以达到主动电路的最大使用率。
在一些实施例中，该电磁谐振器在该低频率范围内产生一低质量因子感应式充电接收器。而在其他一些实施例中，该电磁谐振器在该高频率范围内产生一高质量因子谐振式充电接收器。或者，在另一些实施例中，该电磁谐振器在该低频率范围内产生一低质量因子感应式充电接收器，以及在该高频率范围内产生一高质量因子谐振式充电接收器。
在一些实施例中，该设置一电磁谐振器来包含用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络，包含：
设置第一电感和第二电感作为该多个感应组件，该第一电感和第二电感形成一接收器线圈，且设置第一电容、第二电容及第三电容作为该被动组件网络，该被动组件网络形成一匹配网络；
其中，设置后，将该第二电感与该第一电容并联后与该第一电感串联，该第二电容串联在该第二电感与该第一电容的并联电路之后，该第三电容串联在该第二电容之后，该整流电路的输入端连接在该第三电容两端。
在一些实施例中，该方法还包括：设置一开关电容连接在该整流电路的输入端与接地端之间，且当该开关电容导通时，该整流电路的输入端被耦合至该接地端。
图3显示该双模式接收器的电路架构14，其具有低频时的有效电感高于高频时的有效电感的特性，此情形的发生是因为在高频时，电容C2a具有比电感L3还低的阻抗，因此电容C2a会对电感L3分流。而在低频时，该两电感串联可提供所需的高电感值。
在此可做些粗略的近似以清楚理解该双模式接收器的操作，假设L3的电感值为L2电感值的十倍，并且，假设C2q的电容值大约为C2a或C2b电容值的一百倍，最后再假设被选中的电容例如C2q的阻抗值在6.78MHz时小到可忽略，而C2a以及C2b的电容值在100KHz时大到可忽略，其中电容值是否可忽略是通过与电感阻抗比较所得。
在低频时(100KHz)，电容C2a以及C2b可视为开路(open circuit)，因此该接收器电路可被简化为一纯粹串联LC电路，其中L2、L3以及C2q为串联组件，有效电感值为11*L2，可选择C2q的值与该电感值结合以在100KHz时如Qi标准所要求的产生一串联谐振。
在高频时(6.78MHz)，电容C2q可视为短路(short circuit)，电容C2a与电感L3的并联组合由电容C2a做主导，因此该接收器电路可被简化为一串并谐振电路，其中与第2图相似，L2、C2a以及C2b为主动组件。此电路可被调整在6.78MHz时谐振，此电路在高频时的有效电感大约等于L2，虽然依然可观测到来自L3的小电感值。
使用此线圈布局以及匹配网络的一无线功率接收器可自操作在一低频(如100KHz-200KHz)的感应式充电器或操作在高频(如6.78MHz)的谐振充电器接收功率，为使主动电路的使用率达最大化，可使用桥式整流器4所产生的整流与稳压，并且可侦测以及使用该交流功率的频率以决定该使用何种通讯协议。
亦可使用图3的电路来实现一双模式接收器，在该双模式接收器中高质量因子可在该第一选择频率和该第二选择频率下发生谐振，这样做，需要不同的方法来选择组件值。举例来说，假设该接收器用于在200KHz以及6.78MHz时支持谐振无线功率传输，如第一范例所示，假设L3的电感值远大于L2的电感值，可选择C2a以及C2q的电容值使L3、C2a以及C2q形成一具有200KHz谐振频率的并串谐振器。在6.78MHz时，L3被C2a分流，因此可选择C2b的值使L3、C2a、C2q以及C2b形成一具有6.78MHz谐振频率的串并谐振器，由于导通电流的路径仅包含被动组件，因此与感应式接收器电路不同，两种谐振器皆具有高内在质量因子。
在一些感应式无线功率标准中，可使用负载调变以实现带内(in-band)通讯，如图4所示，该负载调变可利用开关电容Cc实现。当开关导通(switched in)时，这些电容Cc失谐使得源极放大器所见的阻抗产生变化，可对电容Cc译码以恢复部分信息。电容Cc的电容值通常与电容C2q近似，在高频谐振模式中，这些电容可用于箝制电压。导通的电容Cc使用一低交流阻抗将所述整流器的输入端耦合至接地端，可利用此现象做为一保护机制以限制一具有最大电压容忍度的集成电路的接线端上的交流电压。
图5显示在一印刷电路板的相同平面内可形成两个分离电感的线圈布局18，该布局可节省电路面积。在图5的范例中，两个电感设置在同一个平面，为电感L3在内侧以及电感L2在外侧的同心形状(concentric fashion)，亦可将方向颠倒使电感L3在外侧以及电感L2在内侧。在同一平面设置电感线圈组件是有利的，其原因在于：线圈绕组的厚度可降到最低。而将电感线圈设置为同心形状是有利的，其原因在于：其使有限的空间得到最大利用。在便携式电子装置中，面积和厚度均会被高度地限制。两线圈之间具有互感，此现象可在调谐网络(tuning network)中解释，在其他实施例中可使用不同布局以满足电感L2以及L3的需求，而连接点1至3显示整体同心布局18的内部连接点。除了印刷电路板，可使用任何平面量产制程实现该感应线圈布局。
如图6所示，在任何接收器电路中可使用一同步整流器22取代二极管桥式整流器4以减少欧姆损失(ohmic losses)，同步整流器22利用主动控制开关如晶体管，一般来说是功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)或功率场效晶体管(BJT)取代二极管来改良整流的效率，在过去曾使用过的振动器驱动开关或马达驱动换向器(commutator)亦可根据本发明来使用以实现机械整流或同步整流。
基本上，本发明描述一接收器端的电路，该电路可操作在一低频感应式充电系统中，例如Qi，或操作在一高频谐振无线功率系统中。相较于单一模式的接收器，本发明允许使用较复杂的线圈布局并多使用了一个被动组件。而且，该双模式无线功率接收器可具有一低频操作范围110-205KHz以及一高操作频率6.78MHz，但本发明可应用在任何差5倍频的两频带。
以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明所做之等同变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (17)

1.一种电磁谐振器，其特征在于，包含一个或多个用于形成一接收器线圈的感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络，该电磁谐振器具有定义在一低频率范围的一第一选择频率以及定义在一高频率范围的一第二选择频率，允许一整流电路操作在该高频率范围以及该低频率范围以达到主动电路的最大使用率；
该一个或多个感应组件包含第一电感和第二电感，该被动组件网络包括第一电容、第二电容及第三电容，其中，该第二电感与该第一电容并联后与该第一电感串联，该第二电容串联在该第二电感与该第一电容的并联电路之后，该第三电容串联在该第二电容之后，该整流电路的输入端连接在该第三电容两端。
2.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该电磁谐振器用于在该低频率范围内产生一低质量因子感应式充电接收器。
3.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该电磁谐振器用于在该高频率范围内产生一高质量因子谐振充电接收器。
4.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该整流电路包含一桥式整流器。
5.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该整流电路包含一同步整流器。
6.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该电磁谐振器在该高频率范围中的有效电感低于在该低频范围中的有效电感。
7.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该一个或多个感应组件包含两个感应组件，其中该两个感应组件用于接收低频率功率以及高频率功率，并且组装在一印刷电路板的相同平面上。
8.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该一个或多个感应组件形成一同心结构，且高频组件设置于外侧。
9.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，该一个或多个感应组件形成一同心结构，且高频组件设置于内侧。
10.如权利要求1所述的电磁谐振器，其特征在于，高质量因子谐振发生在该第一选择频率以及该第二选择频率。
11.如权利要求1-9中任一项所述的电磁谐振器，其特征在于，还包括一开关电容，连接在该整流电路的输入端与接地端之间，当该开关电容导通时，该整流电路的输入端被耦合至该接地端。
12.如权利要求1-9中任一项所述的电磁谐振器，其特征在于，用于无线接收器中。
13.一种形成电磁谐振器的方法，其特征在于，包含:
设置一电磁谐振器来包含用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络；以及
使该电磁谐振器具有定义在一低频率范围的一第一选择频率以及定义在一高频率范围的一第二选择频率，允许一整流电路操作在该高频率范围以及该低频率范围以达到主动电路的最大使用率；
其中，该设置一电磁谐振器来包含用于形成一接收器线圈的一个或多个感应组件以及用于形成一匹配网络的一被动组件网络，包含：
设置第一电感和第二电感作为该多个感应组件，该第一电感和第二电感形成一接收器线圈，且设置第一电容、第二电容及第三电容作为该被动组件网络，该被动组件网络形成一匹配网络；
其中，设置后，将该第二电感与该第一电容并联后与该第一电感串联，该第二电容串联在该第二电感与该第一电容的并联电路之后，该第三电容串联在该第二电容之后，该整流电路的输入端连接在该第三电容两端。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该电磁谐振器在该低频率范围内产生一低质量因子感应式充电接收器。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该电磁谐振器在该高频率范围内产生一高质量因子谐振式充电接收器。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该电磁谐振器在该高频率范围中的有效电感低于在该低频范围中的有效电感。
17.如权利要求13-16中任一项所述的方法，其特征在于，还包括设置一开关电容连接在该整流电路的输入端与接地端之间，当该开关电容导通时，该整流电路的输入端被耦合至该接地端。
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