CN106357011A - 无线电能发送器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线电能发送器，包括第一类型的第一驱动电路和第二类型的第二驱动电路，第一驱动电路以第一频率驱动第一传输线圈，第二类型的第二驱动电路以高于第一频率的第二频率驱动第二传输线圈。本发明提供的无线电能发送器可以支持不同类型的接收器，使消费者无需选择不同的无线电能规范，并能减少或消除需要获取多个无线发送器以便对在不同频率接收无线电能的设备供电的需求。

Description

无线电能发送器

技术领域

本申请总体上涉及无线电能(wireless power)传送，特别是，涉及能够以多于一个频率传输无线电能的无线电能发送器。

背景技术

无线电能传输系统(Wireless Power Transfer Systems,WPTS)作为不使用电线和连接器来传送电能的便利方式，正变得越来越流行。行业上目前发展中的WPTS可以分为两个主要类别：磁感应(magnetic induction,MI)系统和磁共振(magnetic resonance,MR)系统。这两种类型的系统均包括无线电能发送器和无线电能接收器。除其他应用外，这种系统可以用于对智能手机或平板电脑等移动设备充电。

感应类型的WPTS通常操作在分配的几百KHz的频率范围中，使用频率变化作为功率流(power flow)控制机制。共振类型的WPTS通常操作在单个共振频率，使用输入电压调节来调节输出功率。在通常的应用中，共振类型的WPTS操作频率为6.78MHz。

好几个行业委员会，例如无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)、电力事业联盟(Power Matters Alliance，PMA)和无线电力联盟(Alliance forWireless Power，A4WP)，一直致力于基于无线电能传输开发用于消费者产品的国际标准。目前，由于工作频率的差异，不同类型的WPTS系统不可彼此协作。这对无线系统用户带来了复杂性和不便利，并且限制了技术的扩散。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无线电能发送器以有效地解决上述问题。

依据本发明的一方面，提供了一种无线电能发送器，该无线电能发送器包括：第一类型的第一驱动电路，该第一驱动电路被配置为以第一频率驱动第一传输线圈；以及第二类型的第二驱动电路，该第二驱动电路被配置为以高于第一频率的第二频率驱动第二传输线圈。

本发明提供的无线电能发送器可以支持不同类型的接收器，使消费者无需选择不同的无线电能规范，并能减少或消除需要获取多个无线发送器以便对在不同频率接收无线电能的设备供电的需求。

在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。

附图说明

图1示出了多模无线电能发送器的框图，其中逆变器驱动低频传输线圈或者高频驱动电路。

图2示出了图1中多模无线电能发送器的示例，其中逆变器由推挽式驱动电路实现并且高频驱动电路由E类放大器实现。

图3A和图3B示出了图2中E类放大器的晶体管的漏极电压波形。

图4示出了图2中多模无线电能发送器中实现的匹配网络的示例。

图5根据一些实施方式示出了多模无线电能发送器的框图，其中逆变器和高频驱动电路均由信号发生器驱动。

图6示出了图5所示的多模无线电能发送器的一个示例，其中多模无线电能发送器的一些电路形成于集成电路芯片上，多模无线电能发送器的一些电路形成于集成电路芯片外。

具体实施方式

发明人已经认识到，能够在不同频率传送无线电能的多模无线电能发送器有利于向运行在不同频率的不同类型无线电能接收器提供电能。这种多模无线电能发送器能够向更多种类的电子设备提供电能。例如，在一些实施方式中，多模无线电能发送器可以配置为向MI接收器和MR接收器两者提供电能。在一些实施方式，多模无线电能发送器可以向根据各种不同无线充电规范(例如WPC颁布的Qi标准)和根据在其他频率用于无线电能传输的其他规范(例如用于MR接收器的规范或其他MI规范)所设计的设备提供电能。这种多模无线电能发送器可以支持不同类型的接收器，使消费者能够无需选择不同的无线电能规范，并能减少或消除如下需求：获取多个无线发送器以便对在不同频率接收无线电能的设备供电。

发明人已经认识到，不同类型的驱动电路可以适用于在不同频率传输无线电能。例如，D类逆变器(class D inverter)可适用于在相对较低的频率驱动无线传输线圈，并可以形成在集成电路芯片上。然而，由于D类逆变器在较高的频率时可能具有相对高的切换损失，E类放大器更适用于在相对高的频率驱动无线传输线圈。

本文描述了无线电能发送器的实施方式，该无线电能发送器包括用于在第一频率驱动无线电能传输的第一类型的第一驱动电路(如，D类逆变器)和用于在更高的第二频率驱动无线电能传输的第二类型的第二驱动电路(如，E类放大器)。

图1示出了多模无线电能发送器1的框图，其中逆变器3(即，第一驱动电路)经由低频匹配网络6驱动低频传输线圈10以及高频驱动电路4(即，第二驱动电路)经由高频匹配网络8驱动高频传输线圈12。例如，为了向根据Qi规范接收无线电能的接收器传输电能，可以在100至205KHz的相对较低频率切换逆变器3用于低功率Qi接收器以及在80至300KHz切换逆变器3用于中等功率Qi接收器。为了向利用MR技术接收无线电能的接收器传输电能，可以在更高的频率(如大于1MHz的频率)以及在ISM波段(例如6.765MHz至6.795MHz)内，切换逆变器3(以及高频驱动电路4)。但是，这些频率描述仅仅是示例，由于按照任何适当的规范，可以在各种合适的频率发送无线电能。

多模无线电能发送器1可以包括向逆变器3提供稳定的直流(DC)电压的稳压源2(如，电压调节器)。稳压源2响应于来自控制器5的控制激励(controlstimulus)，产生稳定的DC输出电压。逆变器3可以是直流-交流(DC-AC)转换器，将逆变器3的输入处的DC电压转换为发送至低频传输线圈10的AC输出电压。产生AC输出电压使得能够通过电磁感应进行无线电能传输。

逆变器3可以是驱动低频传输线圈10以传输无线电能的任何合适的驱动电路。逆变器3可以是半桥逆变器(half-bridge inverter)或全桥逆变器(full-bridgeinverter)。在一些实施方式，半桥逆变器可以产生的输出电压为输入的DC电压与接地电压之间交替的方波。在一些实施方式，全桥逆变器可以产生的输出电压为输入的DC电压与该输入DC电压的负极性电压之间交替的方波。在一些实施方式，逆变器3可以是推挽式(push-pull)驱动电路。在一些实施方式，逆变器3可以是D类开关逆变器。在一些实施方式，逆变器3可以是非谐振逆变器。然而，并不限于此处描述的这些技术，可以使用任何合适类型的逆变器。

多模无线电能发送器的控制器5可以控制信号发生器9以选择的无线电能传输频率的信号来驱动逆变器3。控制器5可以是模拟电路或数字电路。控制器5可以是可编程的，并且可以基于存储的程序指令命令信号发生器9产生所需传输频率的信号，从而逆变器3在所需传输频率处切换。

传输线圈10、12可由任何适当类型的导体实现。导体可以是导线(包括实心线或利兹线)或者图案化导体(例如，印刷电路板或集成电路的图案化导体)。

可以为传输线圈提供一个或多个匹配网络6、8，匹配网络通过分别对逆变器3和高频驱动电路4的输出端呈现适当的阻抗来促进无线电能传输。匹配网络可以具有一个或多个电容性或者电感性元件或者电容性和电感性元件的任何适当组合。由于传输线圈可以具有电感性阻抗，在一些实施方式中，匹配网络可以包括一个或多个电容性元件，当与传输线圈的阻抗结合时，这些电容性元件对逆变器3或高频驱动电路4的输出端呈现适于驱动相应传输线圈的阻抗。

多模无线电能发送器1可以包括使能电路7，当在逆变器3的输出端产生高频信号时，使能电路7使得高频驱动电路4能够操作。在一些实施方式，使能电路7可以包括鉴频器，该鉴频器接收逆变器3产生的信号，并鉴别该信号是位于适于使用低频传输线圈10进行无线电能传输的低频范围还是位于适于使用高频传输线圈12进行无线电能传输的高频范围。如果使能电路7检测到逆变器3的输出的频率适于使用高频传输线圈12进行无线电能传输，则使能电路7可以将逆变器3的输出提供至高频驱动电路4的输入。然而，使能电路7可以不需要包含鉴频器。在一些实施方式，使能电路7可以包括被配置为接收控制信号的开关、信号分离器或其他切换电路(例如与门，如图2所示)，该控制信号指示逆变器3的输出是否应提供至高频驱动电路4的输入。响应于该控制信号，使能电路7将逆变器3的输出连接至高频驱动电路4的输入或者断开逆变器3的输出与高频驱动电路4的输入的连接。可以由控制器5或其他适当的电路产生该控制信号。控制器5可以测量逆变器3的输出。在一些实施方式，控制器5可以执行用于鉴别逆变器3的输出处的信号频率的程序指令，并产生控制信号(如，逻辑0或1)指示使能电路7是否使能高频驱动电路4。

图2示出了多模无线电能发送器1的示例，其中逆变器3由D类全桥逆变器实现并且高频驱动电路4由E类差分放大器实现。如图2所示，逆变器3包括全桥配置中设置的晶体管Q1至Q4，高频驱动电路4包括电感器L1、L2和开关(例如晶体管Q5、Q6)。晶体管Q1和Q2交替导通或关断，以产生在电压PVIN1和接地电压之间交替的方波输出电压Vx1。同样，晶体管Q3和Q4交替导通或关断，以产生在电压PVIN1和接地电压之间交替的方波输出电压Vx2。电压Vx1和Vx2有相同的波形，但彼此间相移180°。可以在适于由低频传输线圈10驱动无线电能传输的频率(称为“低频”)或者适于由高频传输线圈12驱动无线电能传输的频率(称为“高频”)处切换晶体管Q1至Q4。当在低频切换晶体管Q1至Q4时，高频使能(HF enable)控制信号被设置为低，并且使能电路7A和7B通过断开逆变器3和高频驱动电路4之间的路径关闭高频驱动电路4。电压Vx1和Vx2经由低频匹配网络6驱动低频率传输线圈10。当在高频切换晶体管Q1至Q4时，高频使能控制信号被设置为高，使能电路7A和7B通过在逆变器3和高频驱动电路4之间建立连接来激活高频驱动电路4。电压Vx1和Vx2作为驱动信号来分别驱动高频驱动电路4的晶体管Q5和Q6的栅极。低频匹配网络6在高频时具有高阻抗，因此当信号Vx1和Vx2为高频信号时低频匹配网络6可以抑制低频传输线圈10传输电能。

在一些实施方式中，电源端子PVIN1、PVIN2和VDD可以位于不同的电压。例如，PVIN2可以位于比PVIN1更高的电压。然而，本文所述技术并不局限于此，一个或多个这些控制输入可以是相同的电压。在一些实施方式，一个或多个这些电源端子PVIN1、PVIN2和VDD的电压可以是可控的。例如，当一个或多个电源端子未被使用时，可以改变(例如，降低)一个或多个电源端子的电压以减少功耗。例如，在一些实施方式，当高频驱动电路4被激活时，PVIN1的电压可以降低。PVIN1的电压可以降低到低于其一半值，而在一些实施方式可以降低到零。

在一些实施方式中，高频驱动电路4可以是旨在最大限度地减少或降低切换功率损失的逆变器。当高频驱动电路4中的开关两端存在非零电压并且当开关导通或断开时，非零电压使得开关(例如图2中的晶体管Q5、Q6)的寄生电容充电或放电，因而在开关中产生切换功率损失。切换功率损失与频率成正比，因此在高频时更严重。通过使用如下设计的逆变器可以使得切换损失最小化或降低：当开关两端的电压降低到一个缩减值(该缩减值可例如，小于高频驱动电路4的一半输入电压的(正)电压阈值)时，该逆变器导通或断开开关。在一些实施方式中，逆变器被设计为当开关两端的电压为零或接近零时逆变器导通或断开开关。这种技术称为“零电压切换”。

在一些实施方式中，高频驱动电路4可以是谐振逆变器；高频驱动电路4也可以是E类放大器。E类放大器可以使用L-C谐振，使得开关两端的电压衰降(ring down)至零或近似零，从而可以实现或近似零电压切换。然而，本文所述技术并不局限于使用E类放大器用于高频驱动电路4，还可以使用其他合适的放大器配置，例如其他类型的谐振逆变器。高频驱动电路4可以是单端放大器或差分放大器，本文所述技术并不仅限于此。

图3A根据一些实施方式示出了当高频驱动电路4启用时，晶体管Q5的漏极电压Vd的波形。当晶体管Q5关断(不导电)时，由于电感器L1和高频匹配网络8的电容之间的谐振，漏极电压呈正弦上升。当漏极电压衰降到零时，晶体管Q5导通。因此，晶体管Q5可以用零电压切换，这可以改善高频驱动电路的效率4。图3B根据一些实施方式示出了高频驱动电路4启用时，晶体管Q6的漏极电压Vd的波形。晶体管Q6与晶体管Q5的操作类似但是与晶体管Q5相移180°。晶体管Q5和Q6的漏极电压经由高频匹配网络8以交流(AC)信号不同地驱动高频传输线圈12。

图4根据一些实施方式示出了匹配网络6和8的示例。在图4的示例中，低频匹配网络6包括一对电容器C1和C2。高频匹配网络8包括如图所示连接的电容器C3至C7和电感器L3、L4。然而，这仅仅是示例，任何合适的匹配网络都可以用于匹配网络6和8。

图5根据一些实施方式示出了多模无线电能发送器50的框图，其中高频驱动电路4由信号发生器9驱动而不是由逆变器3驱动。在图5的示例中，信号发生器9可以产生用于驱动逆变器3的低频驱动信号和用于驱动高频驱动电路4的高频驱动信号。在一些实施方式，逆变器3包括非谐振逆变器，高频驱动电路4包括谐振逆变器。

图6示出了图5所示的多模无线电能发送器的一个示例。在图6的示例中，多模无线电能发送器的一些电路形成于集成电路芯片60上，包括控制器5、信号发生器9和逆变器3。信号发生器9可以包括逆变器I和缓冲器B用于驱动晶体管Q1至Q6，如图6所示。在一些实施方式，逆变器I和缓冲器B的功率输入可以由稳压源2提供(图5)。在一些实施方式，高频驱动电路4的一个或多个组件可以位于芯片外(与集成电路芯片60分开)。例如，电感器L1和L2以及晶体管Q5和Q6比较不容易形成在芯片上，可以提供为离散的组件。然而，本文所述技术并不局限于此，在一些实施方式中，电感器和/或晶体管Q5、Q6可以足够小到可以被集成在芯片上。在一些实施方式，低频匹配网络6、低频传输线圈10、高频匹配网络8和高频传输线圈12可以形成在芯片外。然而，任何或全部这些组件都可以形成在芯片上，如果他们足够小并且可集成在芯片上。

正如上面所讨论的，行业上正在设计可以在不同频率接收无线电能的各种无线电能接收器。在一些实施方式，多模无线电能发送器可以通过与接收器通信或其他技术来检测多模无线电能发送器附近存在的接收器的类型。例如，多模无线电能发送器可以检测或确定接收器使用的无线充电规范。在一些实施方式，可以由多模无线电能发送器的控制器5进行确定。控制器5接着可以产生适于向检测到的接收器无线地传送电能的频率的信号。

多模无线电能发送器可以由控制器5控制，控制器5可以由任何合适类型的电路实现。例如，控制器5可以通过使用硬件或硬件和软件的组合实现。当使用软件实现时，可以在任何合适的处理器(如，微处理器)或者处理器集合上执行合适的软件代码。可以以许多方式实现一个或多个控制器，如通过使用微码或软件进行编程以执行上述功能的专用硬件、或者通过通用硬件(如，一个或多个处理器)。

本申请所述装置和技术的各个方面可以单独使用、组合使用或者以上述实施方式中未特别讨论的各种方式使用，因此在本申请中并不仅限于前面所描述的或者附图所例示的组件的细节和结构。例如，在一个实施方式描述的方面可以与其他实施方式中描述的方面以任何方式组合。

权利要求中使用的序词比如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味着任何优先级、优先或一个元件相对于另一个元件的顺序或者执行方法中步骤的时间顺序，而是仅仅作为标记用来区分具有某名称的一个元件与具有相同名称(使用序词)的另一元件从而区分这些元件。

并且，这里使用的措辞和术语只是用于描述并不应当视为限制。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”等旨在包括所列举的项目及其等同物以及附加项目。

Claims (20)

1.一种无线电能发送器，该无线电能发送器包括:

第一类型的第一驱动电路，该第一驱动电路被配置为以第一频率驱动第一传输线圈；以及

第二类型的第二驱动电路，该第二驱动电路被配置为以高于第一频率的第二频率驱动第二传输线圈。

2.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该第一驱动电路包括逆变器。

3.根据权利要求2所述的无线电能发送器，其特征在于，该逆变器包括推挽式驱动电路、D类逆变器或者非谐振逆变器。

4.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该第二驱动电路包括逆变器。

5.根据权利要求4所述的无线电能发送器，其特征在于，该逆变器是E类放大器或者谐振逆变器。

6.根据权利要求4所述的无线电能发送器，其特征在于，该逆变器包括：

与至少一个电容器谐振的至少一个电感器；以及

开关，该至少一个电感器和该至少一个电容器之间的谐振将该开关两端的电压降低至阈值时该开关导通。

7.根据权利要求6所述的无线电能发送器，其特征在于，该阈值大于零并且小于该第二驱动电路的输入电压的一半。

8.根据权利要求6所述的无线电能发送器，其特征在于，该阈值是零。

9.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该无线电能发送器还包括使能电路，该使能电路被配置为将该第一驱动电路的输出与该第二驱动电路的输入之间连接或者断开连接。

10.根据权利要求9所述的无线电能发送器，其特征在于，该第一驱动电路产生的信号的频率在该第二传输线圈进行传输的第二频率范围内时，该使能电路使得该第一驱动电路能够驱动该第二驱动电路。

11.根据权利要求10所述的无线电能发送器，该无线电能发送器还包括控制器，该控制器确定该第一驱动电路产生的信号的频率是否在该第二传输线圈进行传输的第二频率范围内。

12.根据权利要求11所述的无线电能发送器，其特征在于，该使能电路包括切换电路，当该第一驱动电路产生的信号的频率在该第二传输线圈进行传输的第二频率范围内时，该切换电路使得该第一驱动电路能够驱动该第二驱动电路。

13.根据权利要求10所述的无线电能发送器，其特征在于，该使能电路包括鉴频器，该鉴频器鉴别该第一驱动电路产生的信号的频率是否在该第二传输线圈进行传输的第二频率范围内。

14.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该无线电能发送器还包括信号发生器，该第一驱动电路和该第二驱动电路均由该信号发生器驱动。

15.根据权利要求14所述的无线电能发送器，其特征在于，该无线电能发送器还包括控制器，该信号发生器根据控制器的控制分别产生用于该第一驱动电路的第一驱动信号和用于驱动该第二驱动电路的第二驱动信号。

16.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该第一频率低于300kHz，该第二频率高于1MHz。

17.根据权利要求16所述的无线电能发送器，其特征在于，该第二频率位于6.765MHz和6.795MHz之间。

18.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该无线电能发送器包括集成电路，该集成电路包括该第一驱动电路，其中该第二驱动电路的至少一部分与该集成电路是分离的。

19.根据权利要求1所述的无线电能发送器，其特征在于，该第一驱动电路具有第一电源输入，该第二驱动电路具有第二电源输入，该第二电源输入的电压不同于该第一电源输入的电压。

20.根据权利要求19所述的无线电能发送器，其特征在于，当该第二驱动电路被激活时，该无线电能发送器被配置为降低该第一电源输入的电压。