CN106463981A - 用于测量无线功率充电系统中的功率和阻抗的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

无线功率发射器可以经由发射天线来生成磁场，以在无线功率接收器的接收天线中感生电压，从而对单元供电和/或对接收器的电池充电。提供了一种用于测量在发射器与接收器之间以操作频率进行的无线功率传送的装置。该装置包括第一时钟，第一时钟被配置成以高于无线功率传送的操作频率的第一时钟频率生成第一时钟信号。该装置还包括被配置成基于第二时钟信号进行操作的控制器，第一时钟频率高于第二时钟信号的第二时钟频率。控制器还被配置成基于第一时钟信号来测量无线功率传送的量。

Description

用于测量无线功率充电系统中的功率和阻抗的系统和方法
技术领域
所描述的技术总体涉及无线功率。更具体地，本公开涉及用于测量无线功率充电系统中的功率和阻抗的系统和方法。
背景技术
无线功率系统可以包括功率传送单元(例如充电设备)以及要充电的一个或多个功率接收单元(例如手机、膝上型计算机等)。功率接收单元可以被配置成一旦被充电则停止从功率传送单元接收功率。然而，存在于功率传送单元的充电区域内的不合规对象可能继续无限期地接收功率。这种情况带来了安全危害，因为不合规对象可能将其接收的功率耗散为热量，从而引起损坏或人员伤害。
功率传送单元可以被配置成基于由不合规对象引起的阻抗偏移来检测不合规对象的存在。功率传送单元还可以通过将向功率接收单元发射的功率量与功率接收单元接收的功率量相比较来检测不合规对象。然而，传统的功率传送单元可能没有被配置成以足够的速度和准确度来测量功率和阻抗，从而正确地检测不合规对象。因此，需要改进的系统和方法用于测量无线功率充电系统中的功率和阻抗。
发明内容
提供了一种用于测量在发射器与接收器之间以操作频率进行的无线功率传送的装置。该装置包括被配置成以高于无线功率传送的操作频率的第一时钟频率生成第一时钟信号的第一时钟。该装置还包括被配置成基于第二时钟信号进行操作的控制器，第一时钟频率高于第二时钟信号的第二时钟频率。控制器还被配置成基于第一时钟信号来测量无线功率传送的量。
还提供了一种用于无线功率传送的方法。该方法包括：以高于无线功率传送的操作频率的第一时钟频率生成第一时钟信号。该方法还包括：由控制器基于第一时钟信号来测量无线功率传送的量。控制器被配置成基于第二时钟信号进行操作，第一时钟频率高于第二时钟的第二时钟频率。
还提供了一种用于测量在发射器与接收器之间以操作频率进行的无线功率传送的装置。该装置包括：用于以高于无线功率传送的操作频率的第一时钟频率生成第一时钟信号的部件。该装置还包括用于基于第一时钟信号来测量无线功率传送的量的部件。测量部件被配置成基于第二时钟信号进行操作，第一时钟频率高于第二时钟的第二时钟频率。
附图说明
图1是根据本发明的示例性实施例的示例性无线功率传送系统的功能框图。
图2是根据本发明的示例性实施例的可以在图1的无线功率传送系统中使用的示例性部件的功能框图。
图3是根据本发明的示例性实施例的可以在图2的发射器或接收器中实现的谐振电路的示意图。
图4图示根据本发明的示例性实施例的包括无线功率发射器、无线功率接收器和不合规对象的无线功率系统。
图5是根据本发明的示例性实施例的可以在图4的无线功率传送系统中使用的发射器的功能框图。
图6是根据本发明的示例性实施例的可以在图4的无线功率传送系统中使用的接收器的功能框图。
图7图示根据本发明的示例性实施例的实现图5的发射器的示例性电路的示意图。
图8是根据本发明的示例性实施例的用于测量无线功率传送的方法的流程图。
附图中图示的各种特征可以不按比例绘制。因此，各种特征的尺寸可以为了清楚而任意扩大或缩小。另外，一些附图可能没有描绘给定的系统、方法或设备的所有部件。最后，相似的附图标记遍及说明书和附图可以用于表示相似的特征。
具体实施方式
下面结合附图给出的详细描述旨在作为本发明的某些实现的描述，而非旨在表示其中可以实践本发明的仅有的实现。遍及本描述使用的术语“示例性”表示“用作示例、实例或说明”，而不一定被理解为比其他示例性实现优选或有利。出于提供对所公开的实施例的透彻理解的目的，详细描述包括具体细节。在一些实例中，一些设备用框图形式示出。
无线地传送功率可以指代在不使用物理导电体(例如可以通过自有空间来传送功率)的情况下，从发射器向接收器传送与电场、磁场、电磁场等相关联的任何形式的能量。输出到无线场(例如磁场)中的功率可以由“接收天线(receiving antenna)”(或“接收天线(receive antenna)”)来接收、捕获或耦合以实现功率传送。
图1是根据本发明的示例性实施例的示例性无线功率传送系统100(其可以是不受束缚地耦合的无线功率系统)的功能框图。输入功率源102可以被提供给发射器104。发射器104可以包括发射天线114，发射天线114被配置成输出能量传输，以生成能量场105(例如磁场)。
接收器108可以包括被配置成耦合(例如通过电感耦合)至能量场105并且从能量场105接收(即捕获)能量的接收天线118。接收器108可以被配置成基于所接收的能量来生成输出功率源110。发射器104可以在其中向接收器108提供无线功率传送的能量场105的区域可以称为耦合模式区域。设备(未示出)可以可操作地连接至输出功率源110并且可以被配置成存储或消耗所接收的功率。
在一些实施例中，能量场105可以对应于发射器104的“近场”。近场可以对应于其中可以存在由于发射天线114的电流和电荷而产生的强的反应场的区域，这些强的反应场将功率远离发射天线114辐射。在一些情况下，近场可以对应于在发射天线114的大约一个波长(或其分数)内的区域。近场内的能量传送可以比近场外(即远场)的能量传送更加高效。
在一个示例性实施例中，发射器104和接收器108根据相互谐振关系来配置，其中接收器108的谐振频率和发射器104的谐振频率可以基本上相同或相似。在这一配置中，发射器104与接收器108之间的传输损耗的水平可以最小并且接收器108可以被配置成与非相互谐振配置相比从更远的距离处耦合至能量场105。这样，谐振耦合技术可以跨各种距离以及跨各种发射器和接收器配置提供改善的无线功率传送效率。
图2是根据本发明的各种示例性实施例的可以在图1的无线功率传送系统100中使用的示例性部件的功能框图。无线功率传送系统100可以包括发射器204和接收器208。发射器204和接收器208可以分别被配置为发射器104和接收器108，如以上参考图1描述的。发射器204可以包括可操作地连接至发射天线214的发射电路装置206。发射电路装置206可以包括振荡器222、驱动电路224以及滤波和匹配电路226。
振荡器222可以被配置成以期望的操作频率、例如468.75KHz、6.78MHz或13.56MHz生成振荡方波信号。可以响应于频率控制信号223来调节振荡信号。驱动电路224可以可操作地连接至振荡器222。驱动电路224可以被配置成从振荡器222接收方波信号并且输出正弦波。驱动电路224可以被配置成以例如发射天线214的谐振频率来驱动发射天线214。在一些实施例中，驱动电路224可以是开关放大器，例如E类放大器。滤波和匹配电路226可以可操作地连接至驱动电路224和发射天线214。滤波和匹配电路226可以被配置成对谐波或其他不想要的频率滤波并且使发射电路装置206的阻抗匹配发射天线214的阻抗。
发射天线214可以被配置为以上参考图1描述的发射天线114。发射器204可以被配置成经由发射天线214来生成能量场205(例如时变磁场)。在一些实施例中，发射器204可以被配置成以对应于发射天线214的谐振频率的频率来生成能量场205，如以上描述的。发射天线214可以被配置成以足以对电子设备(例如接收器208)的负载充电或供电的水平来无线地输出功率。基于对具有不同的功率要求的不同的设备供电或充电所需要的功率水平，功率输出可以在例如300毫瓦特到20瓦特的数量级。在一些实施例中，也可以提供更高或更低的功率水平。
接收器208可以包括可操作地连接至接收电路装置210的接收天线218。接收天线218可以被配置为以上参考图1描述的接收天线118。在一些示例性实施例中，接收器208可以被定位成从能量场205(例如时变磁场)接收功率并且可以被配置成在接收天线208中感生电流。如以上描述的，接收天线218和发射天线204可以被配置成以基本上相同的频率谐振，这可以提供充足的无线功率传送。接收天线218可以被配置成感生时变磁场的交流(AC)信号。
接收电路装置210可以包括可操作地连接至接收天线218的匹配电路232以及整流和开关电路234。匹配电路232可以被配置成将接收电路装置210的阻抗与接收天线218的阻抗匹配。整流和开关电路234可以可操作地连接至匹配电路232。整流和开关电路234可以被配置成经由匹配电路232来接收由接收天线214感生的AC信号并且生成DC功率输出。在一些实施例中，整流和开关电路装置可以可操作地连接至电池236，并且DC功率输出可以足以对电池236充电。在其他实施例中，DC功率输出可以对可以耦合至接收器208的设备(未示出)供电。
接收器208可以被配置成选择性地停用电池236(即负载)。接收器208还可以被配置成确定从发射器204接收的功率的量是否足以对电池236充电并且在确定的情况下启用电池236。在一些实施例中，接收器208可以被配置成直接利用从无线功率传送场接收的功率而不对电池236进行充电。
图3是根据本发明的示例性实施例的可以在图2的发射器204或接收器208中实现的谐振电路350的示意图。谐振电路350可以包括天线352。在一些实施例中，天线352可以是线圈(例如电感线圈)。在其他实施例中，天线352可以是RF天线。天线352可以使用利兹导线来实现或者被实现为被设计用于低阻抗的天线带。天线352可以不需要“匝数”具有实际尺寸。天线352的示例性实现可以是“在电气上很小”(例如波长的分数)并且通过使用电容器定义谐振频率被调谐成以可用的低频来谐振。
在一些实施例中，天线352可以被配置为“回路”天线或线圈。天线352可以被配置成包括空气芯或物理芯，诸如铁氧体芯(未示出)。在一些实施例中，天线352可以是空气芯回路天线。与物理芯天线配置相比，在这一配置中，天线352可以更能容忍被放置在芯附近的外来的物理设备。空气芯配置还可以提供其他部件在空气芯区域内的放置。另外，这一配置可以实现接收天线218(图2)在发射天线214(图2)的平面内的放置，其中发射天线214(图2)的耦合模式区域可以提供更加高效的功率传送。
如以上陈述的，发射器204与接收器208之间的高效能量传送可以在发射天线214与接收天线218之间的匹配的或者接近匹配的谐振期间发生。然而，在其中发射器204与接收器208之间的谐振不匹配的配置中，可以以较低的效率水平来传送能量。
天线352的谐振频率可以基于天线352的电感和电容。电感可以由天线352生成。电容可以被添加到天线352以便以期望的谐振频率产生谐振结构。在示例性实施例中，电容器354和电容器356可以被添加到谐振电路350。谐振电路350可以被配置成以谐振频率选择信号358。当天线352的直径或电感量增加时，维持谐振频率所需要的电容的量可以减小。与较小直径的天线352相比，较大直径的天线352可以提供更高效的能量传送。其他实施例可以包括使用其他部件形成的不同的谐振电路。作为另一非限制性示例，天线352的两个端子之间可以并联地放置电容器。在其中天线352被配置为发射天线214的实施例中，信号358可以提供基本上对应于天线352的谐振频率的频率。
图4图示根据本发明的示例性实施例的包括功率传送单元404(“PTU”)(例如提供无线充电的功率传送单元)、功率接收单元484(“PRU”)(例如作为无线地可充电的设备的功率接收单元)、以及不合规对象486的无线功率系统400。在一些实施例中，PTU 404可以被配置为图2的发射器204，并且每个PRU 484可以被配置为图2的接收器208。PTU 404可以被配置成生成能量场(例如图2的能量场205)，并且PRU 484可以被配置成耦合至由PTU 404生成的能量场。在一些实施例中，PTU 404可以是可以被配置成对被定位在PTU 404之上或附近的PRU充电的无线充电垫。
如以上参考图2描述的，PRU 484可以被配置成将从PTU 404的能量场接收的能量变换成电能。在一些实施例中，PRU 484可以包括诸如手机、便携式音乐播放器、计算机、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围设备、通信设备(例如蓝牙耳机)、数字相机、助听器(和其他医疗设备)等设备。在一些实施例中，PRU 484可以连接至要充电的设备，要充电的设备被配置成从PRU 484接收能量。在其他实施例中，要充电的设备可以集成到PRU 484中。在一些实施例中，PRU 484可以定位在PTU 404之上(例如无线充电垫)并且可以从PTU 404接收功率。
在一些实施例中，无线功率系统400可以包括一个或多个不合规对象486(或“不合规设备”、“外来对象”、“欺骗对象”或“外来设备”)。不合规对象486可以包括受损设备、没有按照正确的规范构建的设备、或者耦合至由PTU 404生成的磁场任何其他金属对象(例如珠宝、眼镜、钥匙链等)。在一些实施例中，不合规对象486可以是可以没有被配置成与PTU 404通信并且可以没有被配置成根据PTU 404的系统控制算法来工作的对象或设备。在本实施例中，不合规对象486可以没有被配置成向PTU 404通知被不合规对象486消耗的电能的量。
不合规对象486可以没有被配置成从能量场去耦合。在其中PTU 404没有被配置成检测不合规对象486的配置中，PTU 404可以无限期地向不合规对象486传送功率。在这一配置中，不合规对象486可以将所接收的能量作为热量耗散，这可能引起对不合规对象486的破坏，引起火灾，损伤PTU 404的用户，破坏PTU 404，或者引起其他安全危害。
在一些实施例中，PTU 404可以被配置成检测被定位在PTU 404的耦合模式区域内的不合规对象486。在示例性实施例中，PTU 404可以被配置成连续地测量由PTU 404发射的AC功率的量以及在PTU 404的发射天线上观察到的阻抗。所发射的AC功率的量可以基于在PTU 404处测量的电压、电流、以及电压与电流之间的相位偏移来确定。不合规对象486可以引起在PTU 404处测量的阻抗的偏移并且PTU 404可以被配置成基于阻抗的偏移来检测不合规对象486。
PTU 404还可以被配置成基于所发射的功率的量、由PRU 484接收的功率的量、以及丢失的功率的量来检测不合规对象486。PTU 404可以被配置成从每个PRU 484接收指示由每个PRU 484接收的功率量的信号。PTU 404可以被配置成通过确定向PRU 484发射的功率量与由PRU 484接收的功率量之间的差异来确定丢失的功率传送的量。丢失的功率传送的量可能是由作为热量耗散的功率量以及由不合规对象486接收的功率量引起的。PTU 404可以被配置成通过将期望作为热量耗散的功率量与丢失的功率传送的量来检测不合规对象486。PTU 404可以被配置成基于丢失功率的量大于功率传送损耗阈值来检测不合规对象。
图5是根据本发明的示例性实施例的图4的PTU 404的功能框图。PTU 404可以包括可操作地耦合至发射天线514的发射电路装置506。发射天线514可以被配置为如以上参考图2描述的发射天线214。在一些实施例中，发射天线514可以是线圈(例如电感线圈)。在其他实施例中，发射天线514可以是RF天线。在一些实施例中，发射天线514可以与更大的结构相关联，诸如桌子、垫子、灯或其他固定配置。发射天线514可以被配置成生成电磁场或磁场，下文中称为“充电区域”，如以上描述的。在示例性实施例中，发射天线514可以被配置成以足以对接收设备充电或供电的功率水平向在充电区域内的接收设备(例如PRU 484)发射功率。
PTU 404的发射电路装置506可以通过大量功率源(未示出)来接收功率。发射电路装置506可以包括被配置成驱动发射天线514的各种部件。在一些示例性实施例中，发射电路装置506可以被配置成基于接收设备的存在和构造来调节无线功率的传输，如本文中描述的。这样，发射电路装置506可以高效且安全地提供无线功率。
发射电路装置506可以包括控制器515。在一些实施例中，控制器515可以是微控制器。在其他实施例中，控制器515可以实现为专用集成电路(ASIC)。控制器515可以直接地或者间接地可操作地连接至发射电路装置506的每个部件。控制器515还可以被配置成从发射电路装置506的每个部件接收信息并且基于所接收的信息来执行计算。控制器515可以被配置成针对每个部件生成控制信号，这些控制信号可以调节该部件的操作。这样，控制器515可以被配置成基于由其执行的计算的结果来调节功率传送。
发射电路装置506可以包括可操作地连接至控制器515的存储器570。存储器570可以包括随机存取存储器(RAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存存储器、或非易失性RAM。存储器570可以被配置成暂时地或者永久性地存储数据用于在由控制器515执行的读取和写入操作时使用。例如，存储器570可以被配置成存储作为控制器515的计算的结果生成的数据。这样，存储器570使得控制器515能够基于数据随着时间的变化来调节发射电路装置506。
发射电路装置506还可以包括可操作地连接至控制器515的低速率时钟565。低速率时钟565可以包括能够生成时钟信号566的振荡器，时钟信号566在变化的负载和温度条件下可以是稳定的。低速率时钟565的时钟信号566可以被提供给控制器515用于在同步控制器515的计算、信令和读写操作时使用。低速率时钟565可以确保控制器515的操作的正确的定时。在一些实施例中，低速率时钟565可以集成到控制器515中。
发射电路装置506可以包括可操作地连接至控制器515的振荡器523。振荡器523可以被配置为以上参考图2描述的振荡器222。振荡器523可以被配置成以无线功率传送的操作频率生成振荡信号(例如射频(RF)信号)。在一些示例性实施例中，PTU 404的发射电路装置506可以被配置成以6.78MHz ISM频带操作。控制器515可以被配置成在PRU 484的发射阶段(或工作周期)期间选择性地启用振荡器523。控制器515还可以被配置成调节振荡器523的频率或相位，这可以减小带外发射，尤其是在从一个频率向另一频率过渡时。如以上描述的，发射电路装置506可以被配置成经由RF信号来向发射天线514提供RF功率量，其可以在发射天线514周围生成能量(例如磁通量)。
发射电路装置506可以包括可操作地连接至控制器515和振荡器523的驱动电路524。驱动电路524可以被配置为以上参考图2描述的驱动电路224。驱动电路524可以被配置成驱动从振荡器523接收的RF信号，如以上描述的。
发射电路装置506可以包括可操作地连接至发射天线514的低通滤波器(LPF)508。低通滤波器508可以被配置为以上参考图2描述的滤波和匹配电路226的滤波器部分。在一些示例性实现中，低通滤波器508可以被配置成接收由驱动电路524生成的模拟电流信号和模拟电压信号并且对其滤波。在一些实施例中，低通滤波器508可以改变模拟信号的相位。低通滤波器508可以针对电流和电压二者引起相同量的相位变化，从而消除变化。在一些实施例中，控制器515可以被配置成补偿由低通滤波器508引起的相位变化。低通滤波器508可以被配置成将谐波发射减小到能够防止PRU 484的自抖动的水平。其他示例性实施例可以包括不同的滤波器拓扑结构，诸如在使其他频率通过的同时衰减特定的频率的陷波滤波器。
发射电路装置506可以包括可操作地连接至低通滤波器508和发射天线514的固定阻抗匹配电路509。匹配电路509可以被配置为以上参考图2描述的滤波和匹配电路226的匹配部分。匹配电路50可以被配置成使发射电路装置506的阻抗(例如50欧姆)匹配发射天线514。其他示例性实施例可以包括自适应阻抗匹配，其可以基于可测量的发射度量(诸如到发射天线514的所测量的输出功率或者驱动电路524的DC电流)来变化。发射电路装置506还可以包括分立的设备、分立的电路、和/或部件的集成组件。
在示例性实施例中，发射电路装置506可以包括可操作地连接至发射天线514和控制器515的峰值检测器516。峰值检测器516可以被配置成接收由低通滤波器508生成的经滤波的电流信号和电压信号，并且确定电流和电压二者的峰值。控制器515可以被配置成从峰值检测器516接收指示电流和电压峰值的模拟信号，并且使用模数(A/D)变换器对信号进行变换。控制器516可以被配置成基于经变换的峰值信号来执行线性变换以确定电流的均方根(RMS)值和电压的RMS值。控制器515可以被配置成连续地监测峰值电流和电压的模拟信号并且将与电流和电压的RMS值有关的数据存储在存储器570中。控制器515可以被配置成基于电流和电压的RMS值以及电流与电压之间的相位偏移来确定由发射天线514发射的功率水平以及发射天线514处的阻抗水平。控制器515还可以被配置成基于功率和阻抗的水平来启用或停用振荡器523。这样，控制器515可以被配置成基于随着时间观察到的功率和阻抗的水平来检测PRU 484或不合规设备486的存在与否。控制器515可以被配置成在不合规设备486存在于PTU 404的充电区域中的情况下断开功率传送。
在示例性实施例中，发射电路装置506可以包括可操作地连接至发射天线514和控制器515的过零电路装置517。过零电路装置517可以被配置成接收由低通滤波器508生成的经滤波的模拟电流和电压信号，确定电流和电压信号何时过零，并且输出指示过零的信号。电流和电压的过零之间的时间量可以表示电压与电流之间的相位偏移。如以上描述的，可以基于电流、电压、以及电流和电压之间的相位偏移来测量发射天线514处的功率和阻抗。由过零电路装置517引起的延迟等同地适用于电流和电压二者，从而消除延迟。
在示例性实施例中，发射电路装置506可以包括高速率时钟550。高速率时钟550可以包括独立振荡器(例如环形振荡器配置中的反相器门)、锁相环(PLL)或锁频环(FLL)乘法器。PLL可以被配置成对低速率时钟信号566上变频。高速率时钟550可以被配置成生成以比低速率时钟565的时钟信号566的频率高的频率(即速率)振荡的振荡时钟信号551。在其中使用振荡器来实现高速率时钟550的实施例中，时钟信号551的速率可以与反相器的总的传播延迟有关。在示例性实施例中，由高速率时钟550生成的时钟信号551的频率可以足以在所确定的误差容限内确定驱动电路524的电压与电流之间的相位角。
在示例性实施例中，高速率时钟550的频率F基于PTU 404与PRU 484之间的无线功率传送的操作频率O(即驱动电路524的频率)以及每个象限E中的功率测量的期望误差容限阈值(百分比)来确定。AC功率可以基于相位角的余弦来测量。然而，是非线性函数。这样，测量功率时的误差最大是大约90°，其中误差与成比例。至于最差情况场景，高速率时钟550的频率可以基于以下等式来确定：
例如，在一个示例性实施例中，期望误差容限E可以是2％并且驱动电路254的操作频率O可以是6.78MHz。在本示例中，高速率时钟550的频率F可以是1.356GHz以便实现2％的期望误差容限阈值。如以上所示，时钟信号551的频率在操作频率增加或者误差容限阈值减小时增加。时钟信号551的频率可以在操作频率减小或者误差容限阈值增加时减小。在一些实施例中，高速率时钟550可以集成到控制器515中。
在示例性实施例中，发射电路装置506可以包括可操作地连接至高速率时钟550、过零电路装置517和控制器515的计数器555。在一些实施例中，计数器555可以包括双缓冲器16比特计数器。计数器555可以被配置成接收高速率时钟550的时钟信号551并且对时钟信号551的振荡数目进行计数。计数器还可以被配置成向控制器515提供计数值。计数值可以存储在被配置成由控制器515来读取的寄存器中。在一些实施例中，计数器555可以集成到控制器515中。计数器555可以被配置成基于从过零电路装置517接收的信号来启用/停用对时钟信号551进行计数。在一些实施例中，过零电路装置517可以被配置成在电流等于零时启用计数器555并且在电压等于零时停用计数器555(反之亦然)。这样，计数器555的计数值基于电流和电压的过零之间的高速率时钟550的振荡数目。控制器515可以被配置成基于计数器555的计数值来确定电流与电压之间的相位偏移。这样，计数器555和过零电路装置517使得控制器515能够测量可以用于确定阻抗的电压与电流之间的相位偏移。在一些实施例中，计数器555可以集成到控制器515中。
与基于低速率时钟565的时钟信号566的测量相比，高速率时钟550可以在测量PTU404处的功率和阻抗时提供更高程度的速度和准确性。例如，低速率时钟565(例如在27.12MHz操作)可以比高速率时钟550(例如1GHz)更慢。基于高速率时钟550(例如1GHz)的功率和阻抗测量可以能够实现2％的误差容限，较低的时钟频率可能降低这样的准确性。
在一些实施例中，控制器515可以被配置成校准计数器555。控制器515可以被配置成在已知的时间量(例如50ns)期间启用计数器555，已知的时间量基于低速率时钟565的时钟信号566，其可以是稳定的。控制器515可以被配置成以某个间隔(例如每秒一次)重复这一过程以确定高速率时钟550的时钟频率随着时间的变化。在一些示例性实施例中，发射电路装置506可以包括可操作地连接至控制器515的温度传感器560。如以上描述的，高速率时钟550的频率可以取决于反相器门的总的传播延迟，该延迟可以取决于门的温度。温度传感器560可以被配置成测量高速率时钟550的温度并且向控制器515提供温度数据。控制器515可以将温度信息存储在存储器570中。这样，控制器515可以被配置成基于高速时钟550的时钟速率的变化以及温度的变化来校准计数器555。控制器515还可以被配置成基于PTU 404的任何其他部件来校准计数器555。控制器515还可以被配置成将校准信息存储在存储器570中并且随着时间基于数据来校准计数器555。
如以上描述的，高速率时钟550可以提供改进的功率和阻抗测量。改进的测量能力通常可以用于接入PTU 404的正确的操作点。高速率时钟550的另一优点在于，其可以在充电开始时提供改进。例如，在一些示例性实施例中，PTU 404可以被配置成在一个AC循环(即0.14μs)内执行功率测量。这样，PTU 404的信标信号可以具有较短的持续时间。较短的信标信号可以改善用于PTU 404的时间以基于通过将PRU 484定位成接近PTU 404而产生的阻抗偏移来开发PRU 484。这样，减小了用于充电的PRU 484的定位与功率的传送之间的时延。例如，短的信标信号的时长可以等于或小于功率放大器701生成稳定输出所需要的时间。因此，短的信标的较短的持续时间可以提供增加的功率效率。
这一配置的另一优点是改进的交叉连接预防。交叉连接可能在PRU 484从除了PRU484位于其上的PTU 404之外的其他PTU 404接收功率的情况下(这可能引起不足够的功率使用)出现。PTU 404可以被配置成基于由PRU 484产生的阻抗偏移来检测被定位成接收功率的PRU 484。这样，PTU 404处的改进的阻抗测量准确性可以改善PRU 484检测并且防止交叉连接。
这一配置的另一优点是改善的功率共享实现。如以上描述的，PTU 404可以被配置成对多个PRU 484充电。然而，在一些实例中，所有PRU 484的额定功率之和可以超过PTU404被配置成发射的功率的量，这可能引起PTU 404故障并且停止充电。因此，PTU 404的发射天线514处的改善的准确测量功率的能力可以使得PTU 404能够管理功率传送的量从而防止故障。
图6是根据本发明的示例性实施例的PRU 484(如图4中)的功能框图。PRU 484可以包括接收天线618、接收电路装置610和负载650。接收天线618可以被配置为如以上参考图2描述的接收天线218。在一些实施例中，接收天线618可以被调谐为以类似于PTU 404的谐振频率的频率或者在规定频率范围内的频率来谐振，如以上描述的。接收天线618可以被配置成耦合至由PTU 404生成的磁场，如以上描述的，并且向接收电路装置610提供一定量的接收能量从而对负载650供电或充电。
接收电路装置610可以可操作地耦合至接收天线618和负载650。接收电路装置可以被配置为以上参考图2描述的接收电路装置210。接收电路装置610可以被配置成匹配接收天线618的阻抗，这可以提供无线功率的高效接收。接收电路装置610可以被配置成基于从接收天线618接收的能量来生成功率。接收电路装置610可以被配置成向负载650提供所生成的功率。PTU 484可以被配置成向PTU 404发射指示从PTU 404接收的功率的量的信号。
接收电路装置610可以包括被配置成协调PRU 484的处理的处理器信令控制器616，如下面描述的。接收电路装置610可以被配置成向接收天线618提供阻抗匹配以改善功率传送效率。
接收电路装置610可以包括用于将所接收的RF能量源变换成用于由负载650来使用的充电功率的功率变换电路装置606。功率变换电路装置606可以包括被配置成将在接收天线618处接收的RF能量信号整流成具有输出电压的非交流功率的RF到DC变换器620。RF到DC变换器620可以包括部分或全整流器、调节器、桥接器、倍频器、线性或开关变换器等。功率变换电路装置606还可以包括被配置成将经整流的RF能量信号变换成与负载650兼容的能量电势(例如电压)的DC到DC变换器622(或其他功率调节器)。
接收电路装置610可以包括被配置成将接收天线618连接至功率变换电路装置606或者将接收天线618从功率变换电路装置606断开的开关电路装置612。将接收天线618从功率变换电路装置606断开可以暂停负载650的充电和/或改变由PTU 404“可见”的“负载”650。
负载650可以可操作地连接至接收电路装置610。负载可以被配置为以上参考图2描述的电池236。在一些实施例中，负载650可以在接收电路装置610外部。在其他实施例中，负载650可以集成到接收电路装置610中。
图7图示根据本发明的示例性实施例的如以上参考图5描述的PTU 404的示意图。PTU 404可以包括控制器515、计数器555、高速率时钟550和发射天线514，如以上参考图5描述的。
PTU 404还可以包括可操作地连接至发射天线514并且被配置成对发射天线514供电的功率放大器701。PTU 404还可以包括可操作地连接至功率放大器701和发射天线514的电流感测元件702。PTU 404还可以包括可操作地连接至电流感测元件702的电流低通滤波器711。电流低通滤波器711可以被配置成输出指示AC电流的经滤波的信号。PTU 404还可以包括可操作地连接至发射天线514的电压低通滤波器712。电压低通滤波器712可以被配置成输出指示AC电压的经滤波的信号。低通滤波器711、712可以改变其输入信号的相位。然而，电流和电压二者的相位的变化可以大致相等，并且因此彼此消除。控制器515还可以基于由低通滤波器711、712引起的相位变化来校准计数器555。
PTU 404还可以包括可操作地连接至电流低通滤波器711的输出的电流峰值检测器721。电流峰值检测器721可以被配置成检测电流的峰值。PTU 404还可以包括可操作地连接至电压低通滤波器712并且被配置成检测电压的峰值的电压峰值检测器712。峰值检测器721、722可以向控制器515的模拟/数字(A/D)变换器提供与峰值AC电流和电压的大小成比例的模拟信号。在一些实施例中，A/D变换器可以是8比特A/D变换器。控制器515可以可操作地连接至峰值检测器721、722并且可以被配置成控制峰值检测器721、722。
PTU 404还可以包括可操作地连接至电流低通滤波器711的电流过零检测器731。电流过零检测器731可以被配置成检测电流的正弦波的过零并且生成指示过零的信号。PTU404还可以包括可操作地连接至电压低通滤波器712的电压过零检测器732。电压过零检测器732可以被配置成检测电流的正弦波的过零。
PTU 404还可以包括高速率时钟550。如以上参考图5描述的，高速率时钟550可以包括独立振荡器、PLL或FLL。在一些示例性实施例中，高速率时钟550可以在NOR门的总延迟大约是1ns的情况下产生大约1GHz的时钟信号。
PTU 404可以包括可操作地连接至高速率时钟550、电流过零检测器和电压过零检测器的计数器555。在一些实施例中，计数器555可以是双缓冲器16比特计数器。计数器555可以被配置成向寄存器写入指示高速率时钟信号51的振荡数目的计数值。一旦计数器被停用(即停止)，寄存器可以被控制器515读取，并且计数值可以被重置。控制器515可以被配置成基于计数值来确定电流与电压之间的相位偏移。控制器还可以被配置成基于计数值来确定电流是否超前电压或者电压是否超前电流。
PTU 404还可以包括被配置成接收电流过零检测器731的输出和控制器515的输出作为输入的AND门741。PTU 414还可以包括被配置成接收电压过零检测器732的输出和控制器515的输出作为输入的AND门742。控制器515可以被配置成基于其到AND门741、742的输出来允许或不允许过零检测器731、732启用和停用计数器555。控制器515可以在执行校准操作时停用AND门741、742。
PTU 404还可以包括被配置成接收AND门741的输出和控制器515的输出作为输入的OR门743。OR门743的输出可以被配置成启用计数器555。控制器515可以被配置成独立于电流过零检测器731来启用计数器555。PTU 404还可以包括被配置成接收AND门742的输入和控制器515的输出作为输入的OR门744。OR门744的输出可以被配置成独立于电压过零检测器732来停用计数器555。因此，控制器515可以启用和停用计数器555以执行校准操作，如本文中描述的。
另外，图7的配置还允许PTU 404被实现为ASIC。这样的ASIC可以仅包括低通滤波器711、712中的作为分立的部件去耦合电容器。
图8是根据本发明的示例性实施例的用于测量无线功率传送的方法的流程图800。在框810，方法可以以高于无线功率传送的操作频率的频率生成第一时钟信号。
在框820，方法可以通过控制器基于第一时钟信号来测量无线功率传送的量，其中控制器被配置成基于第二时钟信号进行操作，第一时钟频率高于第二时钟的第二时钟频率。
以上描述的方法的各个操作可以由能够执行这些操作的任意合适的部件(诸如各种硬件和/或软件部件、电路和/或模块)来执行。通常，附图中图示的任何操作可以由能够执行这些操作的对应的功能部件来执行。例如，用于响应于控制电压来选择性地允许电流的部件可以包括第一晶体管。另外，包括用于选择性地提供开路的部件的用于限制控制电压的量的部件可以包括第二晶体管。
信息和信号可以使用各种不同的工艺和技术中的任何一个来表示。例如，遍及以上描述引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和芯片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或者其任意组合来表示。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性逻辑框、模块、电路和算法可以实现为电子硬件、计算机软件或者这二者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这一可互换性，以上总体上在其功能方面描述各种说明性部件、框、模块、电路和步骤。这样的功能实现为硬件还是软件取决于具体的应用以及对整个系统强加的设计约束。所描述的功能针对每个具体的应用可以用各种方式来实现，但是这样的实现决定不可以被解释为引起偏离本发明的实施例的范围。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性框、模块和电路可以使用被设计成执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件部件、或者其任意组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在备选方案中，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DPS核、或者任何其他这样的配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤和功能可以直接用硬件、用由处理器执行的软件模块、或者用其组合来实施。如果用软件实现，则功能可以作为一个或多个指令或代码存储在有形非暂态计算机可读介质上或者通过有形非暂态计算机可读介质来发射。软件模块可以驻留在随机存取存储器(RAM)、闪存存储器、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、可移除盘、CD ROM、或者本领域已知的任何其他形式的存储介质中。存储介质耦合至处理器使得处理器能够从存储介质读取信息并且向存储介质写入信息。在备选方案中，存储介质可以与处理器是一体的。本文中使用的光盘和磁盘包括压缩盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘和蓝光光盘，其中磁盘通常在磁性上复制数据，而光盘通常使用激光器来复制数据。以上的组合也可以被包括在计算机可读介质的范围内。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在备选方案中，处理器和存储介质可以作为分立的部件驻留在用户终端中。
出于概括本公开的目的，本文中描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，并非所有这样的优点可以根据本发明的任何具体的实施例来实现。因此，本发明可以通过实现或优化本文中教示的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不一定实现本文中可以教示或建议的其他优点。
以上描述的实施例的各种修改很容易清楚，并且本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例而没有偏离本发明的精神和范围。因此，本发明并非旨在限于本文中所示的实施例，而应当符合与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (23)

1.一种用于测量在发射器与接收器之间以操作频率进行的无线功率传送的装置，所述装置包括：
第一时钟，被配置成以第一时钟频率生成第一时钟信号；以及
控制器，被配置成基于第二时钟信号进行操作，所述第一时钟频率不同于所述第二时钟信号的第二时钟频率，所述控制器还被配置成基于所述第一时钟信号来测量无线功率传送的量。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一时钟频率高于所述第二时钟信号的第二时钟频率。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一时钟频率基于所述无线功率传送的所述操作频率来选择以实现误差容限阈值，并且所述第一时钟频率高于所述无线功率传送的所述操作频率。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器还被配置成确定所述无线功率传送的电压与电流之间的相位偏移，并且基于所述电压、所述电流和所述相位偏移来测量所述无线功率传送的量。
5.根据权利要求4所述的装置，还包括：
电流过零检测器，被配置成检测所述发射器的发射天线处的电流的过零；以及
电压过零检测器，被配置成检测所述发射天线处的电压的过零，其中所述控制器还被配置成通过基于所述第一时钟信号测量所述电流的过零与所述电压的过零之间的时间量来确定所述相位偏移。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括被配置成对所述第一时钟信号的振荡数目进行计数的计数器，其中所述控制器还被配置成基于所述第一时钟信号的所述振荡数目来测量所述电流的过零与所述电压的过零之间的时间量。
7.根据权利要求4所述的装置，还包括：
电流低通滤波器，被配置成对所述电流滤波；
电流峰值检测器，被配置成从所述电流低通滤波器接收经滤波的电流并且检测所述经滤波的电流的峰值；
电压低通滤波器，被配置成对所述电压滤波；以及
电压峰值检测器，被配置成从所述电压低通滤波器接收经滤波的电压并且检测所述电压的峰值，其中所述控制器还被配置成基于所述电流的峰值来确定电流的均方根值、基于所述电压的峰值来确定电压的均方根值、并且基于所述电流的均方根值和所述电压的均方根值来测量所述无线功率传送的量以及所述发射器的阻抗水平。
8.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制器还被配置成基于确定的所述相位偏移来确定所述发射器的发射天线处的阻抗。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一时钟包括锁相环，并且其中所述控制器还被配置成基于所述第二时钟信号来校准所述第一时钟信号。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器还被配置成以信标频率向所述接收器发射信标信号，所述信标频率具有不大于用于所述发射器的功率放大器生成稳定输出的时间量的周期。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一时钟信号的所述第一时钟频率随着所述误差容限阈值减小而增加，并且其中所述第一时钟信号的所述第一时钟频率随着所述无线功率传送的所述操作频率增加而增加。
12.一种用于测量在发射器与接收器之间以操作频率进行的无线功率传送的方法，所述方法包括：
以第一时钟频率生成第一时钟信号；以及
由控制器基于所述第一时钟信号来测量无线功率传送的量，其中所述控制器被配置成基于第二时钟信号进行操作，所述第一时钟频率不同于所述第二时钟的第二时钟频率。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一时钟频率高于所述第二时钟信号的第二时钟频率。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一时钟频率基于所述无线功率传送的所述操作频率来选择以实现误差容限阈值，并且所述第一时钟频率高于所述无线功率传送的所述操作频率。
15.根据权利要求12所述的方法，还包括确定所述无线功率传送的电压与电流之间的相位偏移，其中测量所述无线功率传送的量是基于所述电压、所述电流和所述相位偏移。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
检测所述电流的过零；以及
检测所述电压的过零，其中确定所述电压与所述电流之间的所述相位偏移包括基于所述第一时钟信号测量所述电流的过零与所述电压的过零之间的时间量。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括对所述第一时钟信号的振荡数目进行计数，其中测量所述电流的过零与所述电压的过零之间的时间量是基于所述第一时钟信号的所述振荡数目。
18.根据权利要求12所述的方法，还包括基于所述第二时钟信号来校准所述第一时钟信号。
19.一种用于测量在发射器与接收器之间以操作频率进行的无线功率传送的装置，所述装置包括：
用于以第一时钟频率生成第一时钟信号的部件；以及
用于基于所述第一时钟信号来测量无线功率传送的量的部件，所述测量部件被配置成基于第二时钟信号进行操作，所述第一时钟频率不同于所述第二时钟的第二时钟频率。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述第一时钟频率高于所述第二时钟信号的第二时钟频率。
21.根据权利要求19所述的装置，其中所述第一时钟频率基于所述无线功率传送的所述操作频率来选择以实现误差容限阈值，并且所述第一时钟频率高于所述无线功率传送的所述操作频率。
22.根据权利要求19所述的装置，还包括用于确定所述无线功率传送的电压与电流之间的相位偏移的部件，其中所述测量部件还被配置成基于所述电压、所述电流和所述相位偏移来测量所述无线功率传送的量。
23.根据权利要求19所述的装置，还包括用于基于所述第二时钟信号来校准所述第一时钟信号的部件。
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