CN106451816B - 无线电力发射机及无线电力传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线电力发射机和无线电力传输方法，可支持不同类型的接收机，并为操作在不同频率下的不同类型的无线电力接收机提供电力。本发明提供的无线电力发射机，可包括：具有可控的谐振频率的多模式驱动电路；所述多模式驱动电路受控而具有第一谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第一发射频率驱动无线电力传输；以及，所述多模式驱动电路受控具有第二谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第二发射频率驱动无线电力传输；其中，所述第二发射频率大于所述第一发射频率，所述第二谐振频率大于所述第一谐振频率。

Description

无线电力发射机及无线电力传输方法

本申请要求申请日为2015年07月17日、申请号为62/193,803、专利名称为“双模式E类无线电力发射机”的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的全部内容均包含在本申请中。

【技术领域】

本发明涉及无线电力输送技术领域，尤其涉及一种无线电力发射机和无线电力传输方法。

【背景技术】

由于以不使用电缆或连接器的简便方式传输电力(power)，无线电力传输系统(Wireless Power Transfer Systems，WPTS)变得越来越受欢迎。当前在产业中使用的WPTS可分为两种主要的类型：磁感应(Magnetic Induction，MI)系统和磁谐振(MagneticResonance，MR)系统。这两种类型的系统均包括无线电力发射机(wireless powertransmitter)和无线电力接收机(wireless power receiver)。这两种类型的系统可被用于为处于其他应用中的移动设备(例如，智能电话、平板电脑，)供电或充电。

感应式WPTS系统通常操作在指定的几百赫兹的频率范围，其使用频率变化作为电力流控制机制。磁谐振WPTS系统通常操作在单谐振频率，其使用输入电压调节(regulation)来调节输出电力。在一个典型的应用中，磁谐振WPTS系统操作在6.78MHz的频率。

许多产业委员会，例如无线电力协会(Wireless Power Consortium，WPC)，电力事项联盟(Power Matters Alliance，PMA)，无线电力联盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)均已致力于为基于无线电力传输的消费产品推进国际标准。当前，由于操作频率的不同，不同类型的WPTS系统无法互通。这给无线系统的使用者造成混乱和不便，也限制了技术的扩展性。

【发明内容】

本发明公开了无线电力发射机和无线电力传输方法，可支持不同类型的接收机，并为操作在不同频率下的不同类型的无线电力接收机提供电力。

本发明提供的无线电力发射机，可包括：具有可控的谐振频率的多模式驱动电路；所述多模式驱动电路受控而具有第一谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第一发射频率驱动无线电力传输；以及，所述多模式驱动电路受控具有第二谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第二发射频率驱动无线电力传输；其中，所述第二发射频率大于所述第一发射频率，所述第二谐振频率大于所述第一谐振频率。

本发明提供的无线电力传输方法，可包括：控制具有可控的谐振频率的多模式驱动电路具有第一谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第一发射频率驱动无线电力传输；以及控制所述多模式驱动电路具有第二谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第二发射频率驱动无线电力传输；其中，所述第二发射频率大于所述第一发射频率，所述第二谐振频率大于所述第一谐振频率。

由上可知，本发明所提供的无线电力发射机及无线电力传输方法中，多模式驱动电路具有可控的谐振频率，且本发明实施例可控制所述具有可控的谐振频率的多模式驱动电路具有第一谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第一发射频率驱动无线电力传输；以及控制所述多模式驱动电路具有第二谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第二发射频率驱动无线电力传输。基于此，本发明实施例的无线电力发射机和无线电力传输方法可支持不同类型的接收机，并为操作在不同频率下的不同类型的无线电力接收机提供电力。

【附图说明】

图1示出了多模式无线电力发射机1的方框图。

图2A示出了多模式驱动电路的一个实施例，在该实施例中多模式驱动电路为E类差分放大器。

图2B示出了多模式驱动电路的另一个实施例，在该实施例中多模式驱动电路为E类差分放大器。

图3A-3B依据本发明的一些实施例示出了图2A中的E类放大器的晶体管的漏极电压波形。

图4示出了与图2A相似的实施例，在该实施例中，电感器可被接入到所述多模式驱动电路中或从所述多模式驱动电路中断开。

图5依据一些实施例示出了在不同频率下的无线电力传输方法的流程图。

【具体实施方式】

发明人已经意识并领会到，可在不同频率发射无线电力的多模式无线发射机有助于为操作在不同频率下的不同类型的无线电力接收机提供电力。这样的多模式无线电力发射机可向更广的各种各样的电子设备提供电力。例如，在一些实施例中，多模式无线电力发射机可向MI接收机和MR接收机提供电力。在一些实施例中，多模式无线电力发射机可向依据各种不同的无线充电规格(例如，WPC发布的Qi标准，以及其他用于在其他频率传递无线电力的规格，例如，用于MR接收机的规格，或者其他的MI规格)设计的设备提供电力。这样的多模式无线电力发射机可支持不同类型的接收机，使得消费者无需在不同的无线电力规格之间进行选择，并可降低或消除需要获取多个无线发射机来分别为在不同频率下接收无线电力的设备供电的需求。

本发明描述了包括可动态调节以在不同频率驱动无线电力传输的谐振驱动电路(resonant drive circuit)的无线电力发射机的实施例。所述谐振驱动电路包括谐振在由电感和电容的大小所确定的频率的LC谐振网络(也即，电感电容谐振网络)。在一些实施例中，谐振电容和/或电感被改变，以促进不同频率下的无线电力传输。

图1示出了多模式无线电力发射机1的方框图。该无线电力发射机1中的多模式驱动电路7包括反相器(inverter)3，多模式驱动电路7可被切换为在不同频率下进行无线传输的不同的操作模式。例如，多模式驱动电路7可被切换为低频模式以通过低频匹配网络6驱动低频发射线圈10，或者，可被切换为高频模式以通过高频匹配网络8驱动高频发射线圈12。多模式无线电力发射机1可包括稳压电源(regulated voltage source)2(例如，电压调节器)用于向反相器3提供调节的直流电压(regulated DC voltage)。稳压电源2提供调节的直流电压来响应控制器5输出的控制刺激。多模式驱动电路7可为E类放大器，用于将反相器3的输入端的直流电压转换为交流输出电压来驱动低频发射线圈10或高频发射线圈12。交流输出电压的生成使通过电磁感应实施无线电力传输成为可能。

控制器5可控制反相器3操作在不同的模式。多模式无线电力发射机1的控制器5可控制信号发生器9使用被选择的无线电力传输频率驱动反相器3。作为低频操作模式的举例，为了发射电力给根据Qi规格接收无线电力的接收机，反相器3被切换为用于低电力Qi接收器的100kHz-205kHz的频率以及用于中电力Qi接收器的80kHz-300kHz的频率。作为高频操作模式的举例，为了传送电力给使用MR技术接收无线电力的接收器，反相器3可被切换为更高的频率，例如，大于1MHz，位于ISM波段内，例如，6.765MHz-6.795MHz。然而，此处的频率的描述仅仅用于举例，因为，无线电力可依据任意合适的规格，在任意合适的频率下被传输。

在一些实施例中，多模式驱动电路7可被设计以最小化或者至少减少切换功率损耗(switching power losses)。通常，切换功率损耗发生在开关两端存在非零电压时以及开关闭合或断开时，其消耗(dissipate)所述开关的寄生电容或向所述寄生电容充电。切换功率损耗与频率成正比，在高频时尤其明显。可通过使用反相器来当开关两端的电压变为0或趋近于0时导通所述开关或断开所述开关来最小化或降低切换功率损耗。这样的技术称之为“0电压切换”(zero-voltage switching)。

在一些实施例中，多模式驱动电路7可为E类放大器。E类放大器可使用LC谐振来使开关两端的电压在开关切换时衰荡(ring down)至0或近似为0，这样可获得或近似获得0电压切换。然而，本发明并不限于使用E类放大器作为多模式驱动电路7，其他适宜的放大器也可被使用，例如，其他类型的谐振放大器。多模式驱动电路7可为单端放大器或差分放大器，本发明并不限于此处的描述。

多模式驱动电路7可为通过改变谐振频率而被切换至不同操作模式的多模式放大器。在低频操作模式下，通过调整多模式驱动电路7的可变的电容和/或电感而将多模式驱动电路7调整至相对较低的谐振频率。在高频操作模式下，通过调整多模式驱动电路7可变的电容和/或电感而将多模式驱动电路7调整至相对较高的谐振频率。将依据图2-图4描述可调整多模式驱动电路7的可变的电容和/或电感的电路的实施例。

可为所述发射线圈提供一个或多个匹配网络6和8，匹配网络6和8通过呈现(present)合适的阻抗给反相器3来促进无线电力传输。所述匹配网络6和/或8可包括一个或多个电容性的或电感性的组件或它们的任意合适的组合。由于发射线圈可包括电感性阻抗，因此，在一些实施例中匹配网络可包括一个或多个电容性组件，这些电容性组件与发射线圈的阻抗一起向适于驱动相应的发射线圈的反相器3输出端呈现阻抗。在一些实施例中，匹配网络6和8的谐振频率可设置为等于或近似等于反相器3的切换频率。

发射线圈10和12可由任意合适类型的导体实现。所述导体可为导线、例如，实心线(单线)(solid wire)或绞和线(Litz wire)；或者图案化的导体(patterned conductor)，例如，印刷电路板或集成电路的图案化的导体。

控制器5可为逻辑电路或数字电路。控制器5可被编程，并可控制信号发生器9基于存储的程序指令在期望的传输频率产生信号，以便反相器3在所述期望的传输频率进行切换。

图2A示出了多模式驱动电路的一个实施例，在该实施例中多模式驱动电路7A为E类差分放大器。反相器3A包括晶体管Q1、Q2，电感器L1、L2，电容器C1和C2，电容器C1a和C2a以及晶体管Q3和Q4。

在多模式驱动电路7A的低频操作模式下，低频使能信号设置为“高”，以使晶体管Q3和Q4导通(turn on)(在该实施例中，晶体管Q3、Q4为开关)，该导通使电容器C1a和C1并联连接，以及使电容器C2a和C2并联连接，由此增大了与电感器L1和L2谐振的电容，由此降低反相器3A的谐振频率。信号发生器9在选择的传输频率产生驱动晶体管Q1和Q2的信号和和通过低频匹配网络6差分地驱动低频线圈10。高频匹配网络8包括一个或多个在低发射频率具有高阻抗的组件，这些组件通过削弱低频信号来抑制低频信号驱动高频发射线圈12。

在多模式驱动电路7A的高频操作模式下，低频使能信号设置为“低”，以使晶体管Q3和Q4关断(turn off)，这导致电容器C1a和C2a从电路中断开，而电容器C1与电感器L1(以及，电容器C2与电感器L2)在高频谐振。信号发生器9在选择的(高)传输频率产生驱动晶体管Q1和Q2的信号和和通过高频匹配网络8差分地驱动高频线圈12。低频匹配网络6包括一个或多个在高发射频率具有高阻抗的组件，这些组件通过削弱高频信号来抑制高频信号驱动低频发射线圈10。

因此，多模式驱动电路7可被调整至不同的适合在不同频率下驱动无线电力传输的谐振频率。如图1所示，在一些实施例中，控制器5和/或信号发生器9可基于反相器3选择的切换频率来产生低频使能信号，由此控制晶体管Q3和Q4的激活。

在一些实施例中，电容器C1的电容低于电容器C1a，电容器C2的电容低于电容器C2a。在一些实施例中，电容器C1a相较于电容器C1的电容比值约为(例如，上下浮动10％)高频相较于低频操作模式的传输频率的频率比值的二次根。作为举例，当高传输频率为6.78MHz且低传输频率为130kHz，则电容器C1a相较于电容器C1的电容比值可约为7.07，可上下浮动10％。电容器C2a相较于电容器C2的电容比值可与电容器C1a相较于电容器C1的电容比值相同或者近似相同。

图2B示出了多模式驱动电路的另一个实施例，在该实施例中多模式驱动电路7B为E类差分放大器。除了反相器3B的电容器C1和C1a可串联连接而非并联连接之外，多模式驱动电路7B相似于多模式驱动电路7A。晶体管Q3与电容器C1并联连接。在低频操作模式下，当低频使能信号为高，晶体管Q3导通以短路电容器C1。在高频操作模式下，晶体管Q3关断以使电容器C1和C1a彼此串联。电容器C1和C1a的串联电路的等效电容低于电容器C1a自身的电容，由此增大了高频操作模式下的谐振频率。晶体管Q4的操作类似。更具体而言，在低频操作模式下，当低频使能信号为高，晶体管Q4导通以短路电容器C2。在高频操作模式下，晶体管Q4关断以使电容器C2和C2a彼此串联。电容器C2和C2a的串联电路的等效电容低于电容器C2a自身的电容。

图3A依据本发明的一些实施例示出了晶体管Q1的漏极电压(Vd，Q1)波形。当晶体管Q1关断，由于电感器L1和电容器C1(以及C1a)，的谐振(对于低频操作模式而言)使漏极(D)电压按正弦曲线上升。当所述漏极电压衰荡至0，晶体管Q1导通。因此，晶体管Q1可具有0电压切换，这可改善反相器3的效率。晶体管Q2的操作与晶体管Q1类似，但要反相180度。晶体管Q1和Q2中的每一个可导通约50％占空比。图3B依据本发明的一些实施例，示出了晶体管Q2的漏极电压(Vd，Q2)波形。由于Q2和Q1分别连接在匹配网络两个对立端，从匹配网络观察，晶体管Q2提供的相位的极性与晶体管Q1相反。晶体管Q1和Q2的漏极电压通过低频匹配网络6差分地驱动低频发射线圈10，以及通过高频匹配网络8差分地驱动高频发射线圈12。

图4示出了多模式驱动电路7C的一个实施例，在该实施例中，谐振阻抗可调。如图4所示，反相器3C包括分别与电感器L1a和L2a并联连接的开关S1和S2。开关S1和S2可由补充的低频使能信号控制。开关S1和S2可由机械的或者固态的交流开关来实现，或者，可为其他任意合适的开关。当发射低频信号，通过将低频使能信号设置为高来关断开关S1和S2，电感器L1a和L2a被包括在谐振阻抗中，因此，降低了谐振频率。当发射高频信号，通过将低频使能信号设置为低来导通开关S1和S2，由此短路电感器L1a和L2a，因此，增大了谐振频率。由于电感器L1a和L2a短路时，由电感器L1a和L2a的等效串联电阻引起的导通损耗被移除，因此，短路电感器L1a和L2a还可增加效率。

在图4的实施例中，电容器C1、C1a和晶体管Q3(以及，C2、C2a和Q4)如图2A所示的配置进行连接。但是，在其他实施例中，反相器3C的电容器C1、C1a和晶体管Q3(以及，C2、C2a和Q4)也可如图2B所示的配置进行连接。

如上所述，已经设计了各种各样可在不同频率接收无线电力的无线电力接收机。在一些实施例中，多模式无线电力发射机可通过与接收机进行通信或其他技术探测出现在所述无线电力发射机附近的接收机的类型。例如，所述多模式无线电力发射机可探测或以其他方式判断所述接收机使用的无线电力规格。在一些实施例中，所述判断可由所述多模式无线电力发射机的控制器5来执行。控制器5进一步可在适合无线地传输电力至所述探测到的接收机的频率产生信号。

图5依据一些实施例示出了在不同频率下的无线电力传输方法的流程图。在步骤S1，探测到可接收无线电力的一个无线电力接收机，无线电力发射机与所述无线电力接收机通信以确定所述无线电力接收机可接收无线电力的频率。在步骤S2，控制器5控制多模式驱动电路7具备可在所述确定的频率将无线电力传输给所述接收机的谐振频率。例如，如前面所阐述的，如果所探测的无线电力接收机可在低频接收电力，则控制器5可激活(activate)低频使能信号。在步骤S3，多模式驱动电路7在所述确定的频率向所述接收机传输无线电力。随后，在步骤S4，如果探测到其他的无线电力接收机出现在所述多模式无线电力发射机附近，且该其他的无线电力在不同的频率接收电力，所述多模式无线电力发射机可再次确定另外一个适合传输电力给所述新探测到的接收机的传输频率。在步骤S5，控制器5控制多模式驱动电路7具备可在为所述新探测到的接收机所确定的频率将无线电力传输给所述接收机的谐振频率。例如，如前面所阐述的，如果所述新探测的无线电力接收机可在高频接收电力，则控制器5可去激活(deactivate)低频使能信号。在步骤S6，多模式驱动电路7在所确定的频率向所述新探测的接收机传输无线电力。

在一些实施例中，多模式无线电力发射机可操作在两个以上的频率或频带。如果这样，多模式驱动电路7可用于将谐振频率调节至一个或多个其他的频率。为了实现其他频率的调节，可将额外的电容器C1a、C2a和额外的开关例如Q3、Q4加入电路且分别与电容器C1和C2并联(其中，C1a和Q3与C1并联，C2a和Q4与C2并联)。

如上所述，可使用控制器5来控制多模式无线电力发射机，控制器5可通过任何合适类型的电路来实现。例如，可通过硬件或硬件与软件的结合来实现控制器5。当通过软件实现时，合适的软件代码可在任意合适的处理器(例如，微处理器)或处理器集合中被执行。所述一个或多个处理器可通过多种方式实现，例如，通过编程有执行上述的功能的微代码或软件的专用或通用硬件来实现。

本发明所述描述的装置和技术的各部分可独立使用，或合并使用，或以本发明前面并未描述的其他方式使用，因此，本发明不限于前面所描述的或附图所示出的组件的应用或排布。例如，一个实施例中描述的部件也可与其他实施例描述的部件以任何方式进行组合。

权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”，“第三”等序数词的使用本身未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或所执行方法的时间次序，而仅用作标识来区分具有相同名称(具有不同序数词)的不同元件。

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (11)

1.一种无线电力发射机，其特征在于，包括：

具有可控的谐振频率的多模式驱动电路；

所述多模式驱动电路受控而具有第一谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第一发射频率驱动无线电力传输；以及，

所述多模式驱动电路受控具有第二谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第二发射频率驱动无线电力传输；

其中，当所述多模式驱动电路受控而具有第一谐振频率时，所述多模式驱动电路通过第一匹配网络驱动第一发射线圈在所述第一发射频率发射无线电力，当所述多模式驱动电路受控而具有第二谐振频率时，所述多模式驱动电路通过第二匹配网络驱动第二发射线圈在所述第二发射频率发射无线电力；

其中，所述第二发射频率大于所述第一发射频率，所述第二谐振频率大于所述第一谐振频率；

其中，所述多模式驱动电路包括可变的电容，通过控制所述可变的电容来改变所述可控的谐振频率，以及所述多模式驱动电路包括：

电容器和开关；

其中，所述开关受控制来导通或断开所述电容器，以控制所述电容器是否向所述可变的电容贡献电容。

2.如权利要求1所述的无线电力发射机，其特征在于，所述多模式驱动电路包括反相器。

3.如权利要求2所述的无线电力发射机，其特征在于，所述多模式驱动电路包括E类放大器。

4.如权利要求1所述的无线电力发射机，其特征在于，所述多模式驱动电路包括可变的电感，且所述可变的电感由所述多模式驱动电路的操作模式控制。

5.如权利要求4所述的无线电力发射机，其特征在于，所述多模式驱动电路包括：

电感器和开关；

其中，所述开关受控制来导通或断开所述电感器，以控制所述电感器是否向所述可变的电感贡献电感。

6.如权利要求5所述的无线电力发射机，其特征在于，当所述多模式驱动电路受控在所述第一发射频率驱动无线电力传输时，所述开关导通所述电感器，以便所述电感器向所述可变的电感贡献电感。

7.如权利要求6所述的无线电力发射机，其特征在于，当所述多模式驱动电路受控在所述第二发射频率驱动无线电力传输时，所述开关断开所述电感器，以便所述电感器不能向所述可变的电感贡献电感。

8.一种无线电力传输方法，其特征在于，包括：

控制具有可控的谐振频率的多模式驱动电路具有第一谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第一发射频率驱动无线电力传输；以及

控制所述多模式驱动电路具有第二谐振频率，以使所述多模式驱动电路在第二发射频率驱动无线电力传输；

其中，当所述多模式驱动电路受控而具有第一谐振频率时，所述多模式驱动电路通过第一匹配网络驱动第一发射线圈在所述第一发射频率发射无线电力，当所述多模式驱动电路受控而具有第二谐振频率时，所述多模式驱动电路通过第二匹配网络驱动第二发射线圈在所述第二发射频率发射无线电力；

其中，所述第二发射频率大于所述第一发射频率，所述第二谐振频率大于所述第一谐振频率；

其中，改变所述多模式驱动电路的可变电容来改变所述可控的谐振频率；以及

开关受控导通或断开电容器来控制所述电容器是否向所述可变的电容贡献电容。

9.如权利要求8所述的无线电力传输方法，其特征在于，还包括：

当所述电容器导通时，通过连接一个额外的电感器来改变所述多模式驱动电路的可变电感。

10.如权利要求9所述的无线电力传输方法，其特征在于，通过开关改变所述可变电感，其中，所述开关受控制导通或断开所述电感器来控制所述电感器是否向所述可变的电感贡献电感。

11.如权利要求8所述的无线电力传输方法，其特征在于，还包括：

当探测到可在所述第一发射频率或所述第二发射频率接收电力的无线电力接收机时，控制所述多模式驱动电路在所述第一谐振频率和所述第二谐振频率之间进行切换。