CN106558922A - 无线电源接收器、移动电子设备和使能电源路径的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了无线电源接收器、移动电子设备和使能电源路径的方法。其中，该无线电源接收器包括：整流器电路，用于输出整流后的电压；以及电源路径电路，该电源路径电路包括：旁路电路，用于输出未调节的电压；电压稳压器电路，用于输出调节后的电压；模式控制器电路，至少部分地依据所述调节后的电压和描述信息使能所述旁路电路或所述电压稳压器电路，其中，所述描述信息描述所述无线电源接收器电连接的输出电路允许的输入电压。实施本发明可改善无线电压接收器的效率。
Description
相关申请的交叉引用
本申请为申请日为2015年1月8日，发明名称为“具有可编程电源路径的无线电源接收器”，申请号为“PCT/US15/010539”的美国国家阶段专利申请的部分延续案，该美国国家阶段专利申请依据35U.S.C.§119要求申请日为2014年1月8日，发明名称为“具有可编程电源路径的无线电源接收器”，申请号为61/924,762的美国临时专利申请的优先权，该两个专利申请的全部内容均以引用的方式包括在本申请中。本申请还要求申请日为2015年9月17日，发明名称为“动态地重构无线电源接收器的电源路径”，申请号为62/219,797的美国临时专利申请的优先权，该专利申请的全部内容以引用的方式包括在本申请中。
技术领域
本发明通常涉及无线电源(Wireless power,WP)，更特别地，无线电源接收器、包括无线电源接收器的移动电子设备以及使能无线电源接收器的电源路径的方法。
背景技术
无线电源传输系统(wireless power transfer system)利用两个磁性线圈之间的互感系数(mutual inductance)以磁性感应(magnetic induction)的方式传输功率(power)。在接收器侧，通常，接收器线圈(receiver coil)连接至桥式整流器(bridgerectifier)，该桥式整流器之后跟随着一个稳压器(regulator)。桥式整流器将交流电信号(AC power signal)转换为直流电源(DC power supply)，以及，稳压器将该直流电源调节至适合于后续电路(例如，电池充电器)的电压电平。无线电源系统通常分为感应(inductive)式或共振(resonant)式。在感应式无线电源系统中，无线发射器(wirelesstransmitter)和接收器(receiver)像紧密耦合的变压器(tightly couplingtransformer)一样操作，以传送能量给负载。由于感应式的无线电源系统要求单对单的感应式耦合，感应式无线电源系统通常适用于一次给单个接收器(single receiver)充电。在共振式无线电源系统中，功率传送是通过松耦合线圈对(loosely coupled coil pairs)以及利用电气共振来提高系统效率。因此，共振式无线电源系统的接收器的数量可以增加且可以在相同区域中充电。
在无线电源接收器侧，电压调节(voltage regulation)用来将整流后的电压(rectifier voltage)降压(step-down)至适合于后续的充电器电路的电压。在感应式的单个接收器无线电源系统中，此调节可以是线性低压差稳压器(Low dropout regulator,LDO)。LDO的效率由其输出输入比(output-to-input ratio)限定(define)。在单个接收器无线系统中，LDO的输入电压(该整流后的电压)可以被控制到非常接近于其输出电压，由此获得更高的电源效率(power efficiency)。电源控制是通过带内(in band)或带外(out-of-band)通信方式从接收器发送电源控制消息至发射器。
在共振式无线电源系统中，由于每个接收器具有不同的线圈耦合因子(couplingfactor)，因此，多个接收器的架构使得很难控制所有的整流后的电压接近于目标充电电压。因此，该整流后的电压可高于稳压器的输出，这样，通过LDO的功率传输非常低效。因此，当电压降压(step down)率比较大(large)时，为了更好的效率，可使用开关式稳压器(Switching Mode Regulator，SMPS)。
近年来，快速充电对于智能手机和平板应用越来越重要。越来越多的消费市场中的产品采用较大的充电电流(例如，>1A(1安))来减少充电时间。在快速充电中，充电器电路可以在比稳定电压(例如，～5V)更高的输入电压(例如，～20V)上充电。因此，通过电源开关(power switch,PSW)，无线电源接收器可以将整流器的输出直接连接至快速充电的充电器。该电源开关用以控制一些无线电源标准所需要的无线充电的启动/停止(start/stop)。
旨在同时支持具有快速充电功能的电感式(inductive-type)和共振式(resonant-type)的无线电源系统的多模式(multi-mode)无线接收器集成电路(integrated circuit,IC)，需要较大的芯片面积来分别实现LDO、SMPS和PSW的导通器件(pass device)，这使得该集成电路的实现成本很高。一种更具成本效益的方法是通过共享相同的导通器件来实现上述LDO、SMPS和PSW。此外，为了实现高功率传输效率的性能，使用NMOS(N-channel metal oxide semiconductor，N沟道金属氧化物半导体)型场效应管(Field Effect Transistor,FET)作为它的导通器件比PMOS(P-channel Metal OxideSemiconductor,P沟道金属氧化物半导体)型场效应管导通器件具有更好的效率和更小的芯片面积。
用于共享LDO、SMPS和PSW的NMOS导通器件的控制电路的实现需要不平凡的(non-trivial)偏置配置(biasing configuration)。自举(Bootstrapping)技术可用于实现具有NMOS导通器件的SMPS的高端驱动(high-side driver)。在PSW模式或近压差操作的LDO模式中，需要一个用于给LDO和PSW的控制器供电的升压(step-up)电压。此升压电压可以通过片上电荷泵电路(on-chip charge pump circuit)实现。
发明内容
在本发明中，无线电源接收器、包括无线电源接收器的移动电子设备以及使能无线电源接收器的电源路径的方法。其可改善无线电源接收器的效率。
本发明的一些实施例涉及无线电源接收器。该无线电源接收器包括：整流器电路，用于输出整流后的电压；以及电源路径电路，该电源路径电路包括：旁路电路，用于输出未调节的电压；电压稳压器电路，用于输出调节后的电压；模式控制器电路，至少部分地依据所述调节后的电压和描述信息使能所述旁路电路或所述电压稳压器电路，其中，所述描述信息描述所述无线电源接收器电连接的输出电路允许的输入电压。
本发明的其他一些实施例涉及移动电子设备。该移动电子设备包括：可充电电池；充电电路，用于响应接收的充电电压而对所述可充电电池进行充电；以及无线电源接收器，与所述充电电路电连接，所述无线电源接收器包括：整流器电路，用于将交流电源信号转换为整流后的直流电压；旁路电路，用于向所述充电电路输出未调节的电压作为所述充电电压；电压稳压器电路，用于向所述充电电路输出调节后的电压作为所述充电电压；模式控制器电路，至少部分地依据所述调节后的直流电压和描述信息选择性地使能所述旁路电路或所述电压稳压器电路，其中，所述描述信息描述所述充电电路允许的充电电压。
由上述列举的方案可知，本发明实施例允许在无线电源接收器的操作过程中实时动态发生模式选择使得接收器动态地选择合适的电源路径，所述被选择的电源路径有效地权衡效率和电压调节，以此改善无线电源接收器在各种负载条件下的效率。
附图说明
图1根据一新颖方面示出一种具有可编程电源路径模式的无线电源接收器集成电路；
图2A示出了一种作为可编程的无线电源接收器的其中一种操作模式的电源开关，该电源开关具有NMOS导通器件；
图2B示出了一种作为可编程的无线电源接收器的其中一种操作模式的低压差稳压器，该低压差稳压器具有NMOS导通器件；
图2C示出了一种作为可编程的无线电源接收器的其中一种操作模式的开关式电源，该开关式电源具有NMOS导通器件；
图3示出了不同的电源路径模式及其用于不同类型的无线电源系统的适用性；
图4A示出了用于将电压稳压器编程为SMPS模式或PSW模式的电源路径；
图4B示出了用于将电压稳压器编程为LDO模式或PSW模式的电源路径；
图5示出了具有多模式电源路径的无线接收器集成电路的第一实施例；
图6示出了具有多模式电源路径的无线接收器集成电路的第二实施例；
图7根据一新颖方面示出了具有回路模式的无线接收器集成电路；
图8是根据一新颖方面的一种支持多模式电源路径的无线接收器集成电路的方法的流程图；
图9A依据本发明的一方面示出了包括动态可重构(reconfigurable)电源路径的无线电源接收器；
图9B依据本发明的一些实施例示出了如何配置无线电源接收器中的模式控制器以在无线电源接收器的两种电源路径之间执行模式选择；
图10依据本发明的一些实施例示出了包括动态配置模式选择的无线电源接收器的电路实现；
图11依据本发明的一些实施例示出了在无线电源接收器中选择性地使能一个电源路径的流程的流程图。
具体实施方式
现在将详细给出参考信息至本发明的一些实施例，这些实施例中的示例在下面的附图中来说明。
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。
图1根据本发明的一新颖方面说明具有集成电路的无线电源接收器100，该集成电路具有可编程的电源路径模式。无线电源接收器100包括接收器线圈(receiver coil)101、匹配网络(match network)102和集成电路(integrated circuit,IC)110。集成电路110具有两个输入端AC1和AC2、用于输出一整流后的电压Vrect的输出端VRECT、接地端GND以及用于输出一输出电压(Vout)至输出电路(output circuit)的输出端VOUT。集成电路110包括同步整流器电路(synchronous rectifier circuit)120、用于从整流后的电压Vrect提供内部供给电压(supply voltage)V1的低压差稳压器(low dropout regulator,LDO)130、电压稳压器(voltage regulator)140和辅助电路(auxiliary circuit)150。辅助电路150进一步包括，处理器151、用于提供内部时钟(CLK)的振荡器(oscillator，OSC)152、过压和过温保护电路(over-voltage and over-temperature protection circuit,OV/OT)153、模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)154、多工器(multiplexer)MUX 155、电流传感器(current sensor)I-Sense 156、温度传感器(temperature sensor)Temp157和负温度系数热敏电阻(negative temperature coefficient thermistor)NTC 158。该辅助电路由低压差稳压器130在内部节点V1上提供的内部供给电压V1供电。
无线接收器100利用接收器线圈101和匹配网络102将磁场能量转换为交流电能量。集成电路110从输入端AC1和AC2接收交流信号，然后将交流电转换为已整流的直流电压到输出端VRECT上，由此在输出端VOUT上提供了输出电压。
根据本发明的一新颖方面，集成电路110包括电压稳压器140，电压稳压器140包括可以重新配置为低压差稳压器(LDO)、开关式电源(SMPS)或电源开关(PSW)中任一种的电源路径。所有的实现该三种模式的电路可共享相同的导通器件(pass device)，以减小芯片面积；以及共享相同的输出端，以减少一些端脚(terminal pin)。在感应式无线接收器中，通过软件(software)或固件(firmware)的方式，上述电源路径可以被动态地(on the fly)重新编程为LDO模式或PSW模式。在共振式或多模式无线接收器中，通过软件或固件的方式，上述电源路径可以被动态地重新编程为SMPS模式或PSW模式。一种更具成本效益的方法是通过共享相同的导通器件来实现LDO、SMPS和PSW。此外，为了实现高电源传输效率的性能，利用N沟道MOSFET作为其导通器件比P沟道MOSFET导通器件具有更好的效率和更小的芯片面积。
图2A示出了一种作为可编程的无线电源接收器的其中一种操作模式的电源开关(PSW)210，该电源开关210具有N沟道MOSFET导通器件。在PSW模式中，该无线电源接收器将整流输出(Vrect)直接连接至快速充电的充电器。电源开关210包括升压电荷泵(step upcharge pump)211、PSW控制器212和电源开关器件，该电源开关器件为N沟道横向扩散金属氧化物半导体(N-channel Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDNMOS)晶体管213。LDNMOS晶体管213被设计为承受(withstand)漏极-源极间(across the drain-to-source junction)的大电压应力。此类型的器件允许无线电源接收器操作在Vrect处，该Vrect高于MOSFET的栅氧化层击穿电压。为了驱动此LDNMOS电源开关器件213的栅极电压，须产生一个电压，该电压大约等于整流后的电压(Vrect)加上一个可被安全地施加在该器件栅极间的最大电压(此处标注为V1)。在这个习知的实现中，升压电荷泵211产生电压(Vrect+V1)，以给PSW控制器212供电。PSW控制器212被设计为在LDNMOS导通器件最大允许的电压VGS处偏置LDNMOS导通器件213，以实现低导通电阻。
图2B示出了一种作为可编程的无线电源接收器的其中一种操作模式的低压差稳压器220，该低压差稳压器220具有LDNMOS导通器件。低压差稳压器210包括升压电荷泵221、LDO控制器222和LDNMOS晶体管223。LDO控制器222被设计为：通过将输出电压Vout反馈回LDO控制器222的方式，利用闭环控制来调节跨接在LDNMOS 223间的合适的VGS电压。LDO控制器222通过比较一反馈电压和一已知的参考电压Vref(例如，从带隙电路提供的内部电压)来调节VGS。在LDO压差条件下，当输出电压Vout非常接近于整流后的电压Vrect时，需要产生一个高于Vrect的电压，以控制导通器件LDNMOS 223的栅极电压。一种可能的实现是使用电荷泵电路221，该电荷泵电路221与图2A中用于电源开关210的升压电荷泵211相同。在感应式无线供电中，整流后的电压(Vrect)被设置为接近目标的LDO输出电压Vout。由于LDO电压稳压器的效率大约等于输入电压Vrect除以输出电压Vout，因此，将该LDO操作在近(near)压差条件下允许电压稳压器实现好的系统效率。
图2C示出了一种作为可编程的无线电源接收器的其中一种操作模式的开关式电源(SMPS)230，该开关式电源230具有N沟道MOSFET导通器件。这里所述的SMPS也称为降压型转换器(buck converter)，其中，较高的输入电压Vrect经由该降压型转换器以及包括电感Lind和电容Cout的外部元件而被转换为较低的稳定电压(regulated voltage)Vreg。当电压降压比(从Vrect到Vreg)是大的时，SMPS操作模式适用于更好的效率。开关式电源230包括降压型控制器(buck mode controller)231、降压型预驱动器(buck mode pre-driver)232和LDNMOS233。由于开关式电源230的开关特性，自举电路(bootstrapping circuit)用来给降压型预驱动器232供电。该自举电路包括二极管235和升压电容(boost capacitor)Cboost。当输出电压Vout(BUCK_SW)为低时，V1通过二极管235给Cboost充电。预驱动器232操作在位于BUCK_SW和BUCK_BST之间的浮动电源域(floating power domain)。低端(lowside)导通器件可以是用于非同步(non-synchronous)开关式电源的功率二极管或用于同步开关式电源的LDNMOS导通器件。这里的描述使用具有功率二极管236的非同步开关式电源的配置(作为非限制性的示例)。
图3示出了不同的电源路径模式及其用于不同类型的无线电源系统的适用性。这些模式的任意一种适用于单个接收器充电系统。也许对于高电压、快速充电模式，双模式LDO/PSW接收器提供调节电压(regulate voltage)或通过未调节电压(unregulatedvoltage)的选项。对于感应/共振双模式无线充电系统，电源路径可以被设置为SMPS/PSW模式。PSW模式提供良好的效率而无需使用外部电感，但后续阶段须能够忍受宽电压范围。因此，PSW模式不适用于在期望有良好控制的电压的系统中使用，如在有线充电系统的通常情形中。
图4A示出了用于将电压稳压器编程为SMPS模式或PSW模式的电源路径的一实施例。图4B示出了用于将电压稳压器编程为LDO模式或PSW模式的电源路径的另一实施例。在这两个实施例中，图1的集成电路110包括可编程电压稳压器(programmable voltageregulator)140。可编程电压稳压器140进一步包括SMPS控制器410、PSW模式控制器420、LDO模式控制器430、导通器件440、用于自举的二极管441以及低端导通器件(low side passdevice)442。电压稳压器140属于无线电源接收器的集成电路110。在集成电路110外部的元件包括自举电容Cboost、电感Lind和解耦电容Cout。
电压稳压器140的电源路径提供LDO模式、SMPS模式和PSW模式，以及这三种模式共享相同的NMOS型导通器件440。上述三个控制器的输出被连接到一起，且连接至NMOS型导通器件440的栅极。当无线接收器系统开始操作时，多模式接收器的集成电路首先检测它是否在感应式或共振式下操作。例如，无线接收器的集成电路110的同步整流器120能够检测交流信号频率，并基于该频率确定是感应式还是共振式，如，100k-200kHz为感应式，6.78MHz为共振式。
在图4A的示例中，电压稳压器140的电源路径被编程为SMPS模式或PSW模式，用于共振式或感应式无线功率接收。外部的电感(Lind)和解耦电容(Cout)为SMPS模式操作所需要的。在PSW模式中，直接连接至解耦电容Cout或通过电感Lind连接至解耦电容Cout都能够正常工作。对于共振式接收器，LDO控制器430是关闭的。
在图4B的示例中，电压稳压器140的电源路径被编程为LDO模式或PSW模式，用于感应式无线功率接收。在LDO模式中，LDO的输出直接连接至解耦电容(Cout)，而不需要庞大而昂贵的外部电感(Lind)。在PSW模式中，直接连接至解耦电容Cout或通过电感Lind连接至解耦电容Cout都能够正常工作。对于感应式接收器，SMPS控制器410是关闭的。
利用图4A和图4B的配置，在接收器集成电路110上的软件/固件(例如，经由微控制器(MCU)151)可以将电源路径动态地编程为SMPS模式或PSW模式，或者，将该电源路径动态地编程为用于感应式操作的LDO模式或PSW模式。在一示例中，多模式接收器的集成电路基于外部的充电电路是否支持在较高的输入电压(如，～20V)上进行快速充电来确定是否将电源路径编程为PSW模式。请注意：由于导通器件(LDNMOS 440)需要传递大功率至输出，因此，该导通器件在无线接收器的硅芯片面积中占主导地位(dominate)。利用N沟道MOSFET作为其导通器件比P沟道MOSFET导通器件具有更好的效率和更小的芯片面。此外，由于所有的三种模式共享相同的N沟道MOSFET导通器件，从而，支持多模式的上述电路的芯片面积开销是小的。此外，所有的三种模式共享相同的输出端VOUT，以支持具有减少的引线脚的总数量。
图5示出了具有多模式电源路径的无线接收器集成电路110的第一实施例。此电路可以应用在整流后的电压高于上述允许的用于该集成电路的栅极-源极电压(VGS)的情形中。所述LDNMOS导通器件能够容忍大的漏极-源极电压(VDS)，而VGS容限(tolerance)受内部电压(V1)的限制并由其提供。SMPS模式预驱动器和PSW模式控制器中的驱动逻辑电路由普通的MOSFET器件组成，从而，它们的漏极-源极电压具有与它们的栅极-源极电压(V1)相同的极限值。
电荷泵501用于提供一升压电压(Vrect+V1)，以给LDO控制器430和降压缓冲(step-down buffer)502供电。降压缓冲502用于产生电压(VBUCK_SW+V1)，以供给PSW模式控制器420，且被有线连接至BUCK_BST。在LDO模式上，SMPS模式预驱动器410和PSW模式控制器420是关闭的(are disable)，且设置其输出为高阻态(high impedance)。通过降压缓冲给SMPS模式预驱动器410和PSW模式控制器420供电能够保证逻辑电平的正确性，以及防止从控制器的输出至其电源的反向漏电流路径。在SMPS模式上，降压缓冲502的输出是浮动的，以及，自举电路(包括二极管441和升压电容Cboost)产生BUCK_BST电压。PSW模式控制器和LDO模式控制器的输出被设置在高阻态状态。在PSW模式上，降压缓冲502被启用，以给PSW控制器420和SMPS模式预驱动器410供电。SMPS模式预驱动器410和LDO模式控制器430的输出被禁用，且被设置为高阻态。通过上述配置，这三种电源路径模式可以操作上述相同的N沟道MOSFET导通器件440，而不相互干扰。
图6示出了具有多模式电源路径的无线接收器集成电路110的第二实施例。图6的操作与先前提出的图5中的架构类似。但是，图5中的输入升压电荷泵501被图6中简化的交流-直流(AC-DC)整流器电路601替代。AC1_BST和AC2_BST是来自图1的全(fully)同步整流器电路120的自举域电源(bootstrapping domain power)。AC1_BST和AC2_BST分别跟踪AC1和AC2加上上述电压V1。集成电路110的完全同步整流器电路120在此处被电压稳压器140重复利用，以实现简易的(simple)升压电荷泵。该简化的交流-直流整流器电路601包括二极管611、二极管612和电容613。该简化的交流-直流整流器电路601产生电压VRECT_BST，其电平大约为VRECT+V1。VRECT_BST用于给LDO控制器430和降压缓冲502供电。假定所有二极管的正向电压(forward voltage)与V1相比足够小，及此处可以忽略。
图7根据一新颖方面示出了具有集成电路的无线接收器700，该无线接收器具有回路(loopback)模式。无线电源接收器700包括接收器线圈701、匹配网络702和集成电路(IC)710。集成电路710具有两个输入端AC1和AC2、用于输出一整流后的电压(Vrect)的输出端VRECT、接地端GND、用于输出一输出电压(Vout)至外部电路的输出端VOUT以及用于将调节电压(Vreg)反馈回集成电路710的回路端LP。集成电路710包括同步整流器电路720、用于从整流后的电压Vrect提供内部供给电压V1的低压差稳压器(LDO)730、SMPS电压稳压器740和辅助电路750。辅助电路750进一步包括微控制器(MCU)751、用于提供内部时钟(CLK)的振荡器(OSC)752、过压和过温保护电路(OV/OT)753、模数转换器(ADC)754、多工器(MUX)755、电流传感器(I-Sense)756、温度传感器(Temp)757和负温度系数热敏电阻(NTC)758。该辅助电路由低压差稳压器730在内部节点V1上提供的内部供给电压V1供电。
无线接收器700利用接收器线圈701和匹配网络702将磁场能量转换为交流电能量。集成电路710从输入端AC1和AC2接收交流信号，然后将交流电转换为整流的直流电压到输出端VRECT上，最终到输出端VOUT上的输出电压。该输出电压可以经由包括电感(Lind)和解耦电容(Cout)的外部元件被调节。
通常，V1是能够被安全地施加在上述器件栅极间的最大电压，以及，通常通过内部的低压差稳压器(如，低压差稳压器(LDO)730)从整流后的电压Vrect调节得来。除给SMPS电压稳压器740的驱动电路和同步整流器720供电外，V1也用于给集成电路710的辅助电路750供电。由于该低压差稳压器的效率大约等于输入电压除以输出电压，因此，操作该低压差稳压器在近压差条件允许该低压差稳压器实现好的系统效率。因此，当输入电压远高于输出电压时，LDO电压稳压器的系统效率变得很差。
根据一新颖方面，在SMPS电压稳压器740已被激活后，可以使用节电的回路模式。如图7所示，在回路模式中，SMPS的输出被路回到接收器集成电路710的端子LP上，以在节点V1上提供电压。这通过在节点V1和端子LP之间嵌入(insert)回路开关760来实现。若调节电压Vreg基本上等于电压V1(例如，两电压为：～5V)，则在激活SMPS电压稳压器740后开启回路开关760。由于此时的电压V1是通过SMPS电压稳压器740更有效地提供，而不是由在V1/Vrect的功效上的LDO 730提供，因此提高了系统效率。通常，当电压降压比较大时，开关模式稳压器与LDO相比，操作具有更好地效率。另一方面，若调节电压Vreg远高于电压V1，则回路开关760被关闭，以及，内部供给电压V1由LDO 730提供。在一实施例中，上述回路开关可以由P沟道MOSFET来实现。
图8是根据一新颖方面的一种用于支持多模式电源路径的无线接收器集成电路的方法的流程图。在步骤801中，同步整流器电路接收输入功率(input power)，并输出一整流后的电压到集成电路的整流输出端VRECT上。该集成电路包括可编程电压稳压器，该电压稳压器的电源路径可以被配置为LDO、SMPS或PSW。在步骤802中，在第一模式中，经由耦接于整流输出端VRECT的低压差稳压器(LDO)，集成电路将输出电压输出到输出端VOUT上。在步骤803中，在第二模式中，经由耦接于整流输出端VRECT的开关式电源(SMPS)，集成电路将输出电压输出到VOUT上。在步骤804中，在第三模式中，经由耦接于整流输出端VRECT的电源开关(PWS)，集成电路将输出电压输出到VOUT上。在步骤805中，集成电路动态地编程该电压稳压器，以操作在上述三种模式的其中一种中，其中，上述SMPS、上述LDO和上述PWS共享一公共的(common)导通器件，该导通器件将上述输出电压输出至集成电路的公共输出端VOUT上。
在SMPS模式中，输出电压用于通过外部电感提供一调节电压。在步骤806中，若该调节电压与内部供给电压大致相同，则应用回路模式，以将该调节电压路由至集成电路。当电压降压比为大时，由于开关式稳压器(如SMPS)比LDO具有更好的效率，因此，回路模式提高了系统效率。该回路模式可以通过开关(如P沟道MOSFET)来实现，该开关能够基于上述已调节电压开启和关闭。
无线电源接收器的电源输出端(output power port)通常耦接于电池充电器的电路的输入端。不同的电池充电器电路要求的输入电压的范围不同。作为举例，传统的使用USB作为接口的线性充电器可能要求4.5V-5.5V的输入电压。然而，一个现代的具有快速充电系统的开关型充电器可支持5V-20V的输入电压。通常，由于在具有相同的电流的情形时，更高的输入电压可传输更多功率，因此，使用更高的输入电压可有利于获得更快的充电速率。
无线电源接收器输出的整流后的电压VRECT的范围可达与特定的电池充电器可接受的输入范围。如前所述，一个无线电源接收器可包括电压稳压器，该电压稳压器用于将整流后的电压转换为用于电池充电的适当的电压。但是，包括电压稳压器会增加成本并降低无线电源接收器的效率。特别地，电压稳压器包括的电感和电容组件会给电路引入损耗，由此降低了无线电源接收器的效率。相比之下，提供未经调节的电压的无线电源接收器可不需要将降低无线电源接收器效率的LC电路组件，但是这样的无线电源接收器仅能在其自身的能力范围内为大量的设备和状况提供可承受的输出电压。依据本发明的一些实施例，无线电源接收器在具有未调节的无线电源接收器的高效率的优点同时，还允许调节的接收器提供的较宽范围的整流电压。
图9A依据本发明的一方面示出了包括动态可重构(reconfigurable)电源路径的无线电源接收器900。无线电源接收器900包括接收器线圈902，匹配网络904，整流器电路906，包括用于输出调节后的电压的稳压器908的电源路径组件907，以及用于输出未调节电压的旁路(bypass)开关910。无线电源接收器900还包括模式控制器(例如，数字电路)911，模式控制器911至少部分根据整流器电路906输出的整流后的电压VRECT和关于连接的输出电路允许的输入电压的信息在两个电源路径中选择一个(例如，选择性地激活稳压器908或旁路开关910)，模式控制器911具体如何选择路径后续将详细介绍。
电源路径组件907输出的电压被提供给输出电路，例如用于对电子设备(未示出)中的电池进行充电的电池充电器电路(例如，开关充电器电源管理单元(Power ManagementUnit，PMU)主机)912。调节后的电源路径可通过一个降压转换器、升压转换器、升压-降压转换器、LDO稳压器、开关电容器直流/交流转换器，或者任意的其他合适类型的电压转换器中任一种实现。在一些实施例中，未调节的或“旁路”电源路径可通过开关实现，例如，MOSFET开关。
使用两个可选择的电源路径可使无线电源接收器在无线电源接收器输出的整流后的电压位于其连接的设备(例如，电池充电器)可接受的输入电压范围之外时操作在调节模式(regulated mode)，反之，操作在非调节模式(unregulated mode)。通过使电源路径可选，无线电源接收器可在大多数操作条件下更有效地操作，并且，还可根据设备的电压输入特性的需要仍然执行电压调节。
图9B依据本发明的一些实施例示出了如何配置无线电源接收器中的模式控制器来在无线电源接收器的两种电源路径之间执行模式选择。轨迹920表示无线电源接收器900的整流器906输出的整流后的电压VRECT。轨迹922表示耦接于无线电源接收器900的电池充电器912的充电电压。作为举例，电池充电器912可具有最大的充电电压930(例如，12V)。如图所示，当整流后的电压VRECT低于最大充电电压930(或者其他的接近所述最大充电电压的阈值电压)，模式控制器选择旁路模式(bypass mode)，在该模式下旁路开关910被使能，因此，有效地提供未调节的输出电压给电池充电器912用于充电。当整流后的电源VRECT超过最大充电电压930(或者其他的接近所述最大充电电压的阈值电压)，模式控制器选择调节电源路径(也即，稳压器模式)来提供一个位于电池充电器允许的充电范围内的调节后的输出电压(例如，11V)。
此处，以无线电源充电器配置为降压稳压器为例描述其操作，在该降压稳压器中，整流后的电压VRECT被调节以提供比稳压器的最大输入电压(例如，12V)低的输出电压(例如，11V)。但是可以理解的是，无线电源充电器也可使用其他架构的电压稳压器。作为举例，电池充电器912也可具有一个最小的充电电压940，且当整流后的电压VRECT低于最小的充电电压940(或者其他的接近所述最小的充电电压的阈值电压)，模式控制器可配置为选择调节电源路径，所述调节电源路径包括一个具有升压配置的稳压器，所述升压配置用于输出一个比最小的输入电压大的电压至该稳压器。
图10依据本发明的一些实施例示出了包括动态配置模式选择的无线电源接收器的电路实现。如前所述，无线电源接收器架构包括输出整流后的电压VRECT的整流器906。无线电源接收器包括电源路径组件907，用于对无线电源接收器中的两路电源路径进行选择来向电池充电器电路912提供未调节的输出电压1010或者调节后的输出电压1020。如前所述，电源路径组件907包括模式控制器911，该模式控制器911用于根据电池充电电路提供的反馈在两路电源路径中选择其中一路用于向所述电池充电电路912提供输出电压。
在图10所示的实施例中，旁路电路包括开关910和低压差(LDO)控制电路，该低压差控制电路用于从模式控制器911接收控制信号以使能或禁能开关910。当整流后的电压VRECT低于电池充电器的最大允许的充电电压，模式控制器911使能旁路开关910来向电池充电器电路提供未调节的电压1010。通过将低压差控制电路的阈值(例如，Vref*N)设置为接近或大于电池充电器的最大允许的充电电压，旁路电路可操作在未调节模式(类似于电源开关模式)并输出未调节的电压1010。可通过改变低压差控制电路的参考电压Vref来调节该低压差控制电路的阈值。当整流后的电压VRECT超过电池充电器的最大允许的充电电压，模式控制器911使能稳压器电路908来向电池充电器电路提供调节后的电压1020。模式控制器911和其关联的电路可监控整流器906提供的整流后的电压以及电池充电器电路912提供的信息来告知此处所描述的模式选择流程。允许在无线电源接收器的操作过程中实时动态发生模式选择使得接收器动态地选择合适的电源路径，所述被选择的电源路径有效地权衡效率和电压调节，以此改善无线电源接收器在各种负载条件下的效率。
操作过程中提供未调节的电压1010所获得的效率增益和提供调节的电压1020所获得的效率增益之间的比较在图10中一目了然。作为举例，调节电源路径包括电感器Lind和电容器Cout，用于过滤电源稳压器电路输出的调节后的电压。与不包括所述电感器的未调节电源路径相比，调节电源路径中的电感器的夹杂物降低了该调节电源路径的效率。因此，必要时采用未调节电源路径而非调节电源路径来改善无线电源接收器的效率。
图11依据本发明的一些实施例示出了在无线电源接收器中选择性地使能一个电源路径的流程的流程图。在步骤1110，接收描述信息，该描述信息描述无线电源接收器相连接的输出电路允许的输入电压。作为举例，如前所述，所接收的描述信息可包括输出电路(例如电池充电器)的最小和/或最大允许的输入电压。接着流程进入步骤1120，将所述接收的允许的输入电压信息与整流后电压(例如，整流器906输出的整流后的电压)进行比较。接着流程进入步骤1130，根据对允许的输入电压和整流后的电压的比较结果，选择性地使旁路电路输出未调节的电压或者使电压调节电路输出调节后的电压。作为举例，所述允许的输入电压信息可指定为最大允许的输入电压。当所述整流后的电压小于所述最大允许的输入电压，则在步骤1130使能所述旁路电路向所述输出电路提供未调节的电压，而当所述整流后的电压大于所述最大允许的输入电压，则在步骤1130使能所述电压调节电路向所述输出电路提供调节后的电压。
权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”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。
尽管本发明已经结合用于指导目的的某些特定实施例进行了描述，但本发明不限于此。因此，对所描述实施例的各种特征的各种变型、改编以及组合可以被实施，而不脱离权利要求书中所阐述的本发明的范围。
Claims (18)
1.一种无线电源接收器，其特征在于，包括：
整流器电路，用于输出整流后的电压；以及
电源路径电路，该电源路径电路包括：
旁路电路，用于输出未调节的电压；
电压稳压器电路，用于输出调节后的电压；
模式控制器电路，至少部分地依据所述调节后的电压和描述信息使能所述旁路电路或所述电压稳压器电路，其中，所述描述信息描述所述无线电源接收器电连接的输出电路允许的输入电压。
2.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，所述旁路电路包括金属氧化物半导体场效应晶体管开关，当所述金属氧化物半导体场效应晶体管开关被使能时，输出所述未调节的电压。
3.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，所述电压稳压器电路为降压稳压器。
4.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，所述描述信息包括电池充电器电路的最大允许的充电电压，且当所述整流后的电压小于所述最大允许的充电电压时，所述模式控制器电路使能所述旁路电路。
5.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，在所述无线电源接收器的运行过程中，所述模式控制器电路检测所述整流后的电压已经超过所述电连接的输出电路的最大允许的输入电压，且当所述模式控制器检测到所述整流后的电压已经超过所述最大允许的输入电压时，所述模式控制器控制所述旁路电路和/或所述电压稳压器电路动态地从使用所述旁路电路切换为使用所述电压稳压器电路。
6.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，在所述无线电源接收器运行过程中，所述模式控制器电路检测所述整流后的电压小于所述电连接的输出电路的最大允许的输入电压，且当所述模式控制器检测到所述整流后的电压小于所述最大允许的输入电压时，所述模式控制器控制所述旁路电路和/或所述电压稳压器电路动态地从使用所述电压稳压器电路切换为使用所述旁路电路。
7.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，所述输出电路包括用于移动电子设备的电池充电器，所述描述信息包括所述电池充电器允许的充电电压范围。
8.如权利要求1所述的无线电源接收器，其特征在于，所述旁路电路包括：
开关；
低压差电路，用于从所述模式控制器电路接收控制信号以使能或禁能所述开关。
9.一种移动电子设备，其特征在于，包括：
可充电电池；
充电电路，用于响应接收的充电电压而对所述可充电电池进行充电；以及
无线电源接收器，与所述充电电路电连接；
所述无线电源接收器包括：
整流器电路，用于将交流电源信号转换为整流后的直流电压；
旁路电路，用于向所述充电电路输出未调节的电压作为所述充电电压；
电压稳压器电路，用于向所述充电电路输出调节后的电压作为所述充电电压；
模式控制器电路，至少部分地依据所述调节后的直流电压和描述信息选择性地使能所述旁路电路或所述电压稳压器电路，其中，所述描述信息描述所述充电电路允许的充电电压。
10.如权利要求9所述的移动电子设备，其特征在于，所述旁路电路包括金属氧化物半导体场效应晶体管开关，当所述金属氧化物半导体场效应晶体管开关被使能时，向所述充电电路输出所述未调节的电压作为所述充电电压。
11.如权利要求9所述的移动电子设备，其特征在于，所述描述信息包括所述充电电路的最大允许的充电电压，且当所述整流后的直流电压小于所述最大允许的充电电压时，所述模式控制器电路使能所述旁路电路。
12.如权利要求9所述的移动电子设备，其特征在于，在所述无线电源接收器运行过程中，所述模式控制器电路检测所述整流后的直流电压已经超过所述充电电路的最大允许的充电电压，且当所述模式控制器检测到所述整流后的直流电压超过所述充电电路的所述最大允许的充电电压时，所述模式控制器控制所述旁路电路和/或所述电压稳压器电路动态地从使用所述旁路电路切换为使用所述电压稳压器电路。
13.如权利要求9所述的移动电子设备，其特征在于，在所述无线电源接收器运行过程中，所述模式控制器电路检测所述整流后的直流电压小于所述充电电路的最大允许的充电电压，且当所述模式控制器检测到所述整流后的直流电压小于所述充电电路的所述最大允许的充电电压时，所述模式控制器控制所述旁路电路和/或所述电压稳压器电路动态地从使用所述电压稳压器电路切换为使用所述旁路电路。
14.如权利要求9所述的移动电子设备，其特征在于，所述充电电路包括快速充电模式和普通充电模式。
15.如权利要求15所述的移动电子设备，其特征在于，所述描述信息还包括描述快速充电模式或普通充电模式的描述信息。
16.一种无线电源接收器，其特征在于，包括：
模式控制器电路，用于使能旁路电路输出未调节的电压或使能电压稳压器电路输出调节后的电压；
其中，确定是否使能所述旁路电路或所述电压稳压器电路至少部分地依据调节后的电压和描述信息进行确定，其中，所述描述信息描述所述充电电路允许的输入电压。
17.一种选择性地使能无线电源接收器中的电源路径的方法，其特征在于，包括：
接收描述所述无线电源接收器电连接的输出电路允许的输入电压的描述信息；以及
依据所述接收的描述信息和整流后的电压，使能旁路电路输出未调节的电压或使能电压稳压器电路输出调节后的电压。
18.如权利要求17所述的选择性地使能无线电源接收器中的电源路径的方法，其特征在于，所述描述信息包括最大输入电压，且所述方法还包括：
当所述整流后的电压小于所述最大输入电压时，使能所述旁路电路；反之，使能所述电压稳压器电路。
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