CN106921216B - 供应绝热电路操作的无线电力传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种供应绝热电路操作的无线电力传输系统。无线电力传输系统包括电力供应侧以及电力接收侧。电力供应侧用以提供无线电力。电力接收侧电性连接至电力供应侧。电力接收侧用以接收无线电力，并且将无线电力转换为所需的电力形式。电力接收侧包括操作在交流电力的绝热电路，及操作在直流电力的内存电路。绝热电路包括第一电路以及第二电路。当第一电路操作在工作时间及等待时间当中的一个时，第二电路操作在工作时间及等待时间当中的另一个。本发明可降低因电力转换所造成的能量损失。

Description

供应绝热电路操作的无线电力传输系统

技术领域

本发明涉及一种电力传输系统，尤其涉及一种供应绝热电路(adiabaticcircuit)操作的无线电力传输(wireless power transfer，WPT)系统。

背景技术

无线电力传输系统能够在不使用导线或导体接触的情况下，通过感应线圈产生磁场并传送能量，常被应用于无线射频辨识(radio frequency identification)及无线充电装置中。另一方面，绝热电路是一种低功耗的电路架构，通过使用交流电力、而非传统的直流电力来拉长电路组件充、放电的时间，以减少热能的消耗，并且回收存放在电路节点电容上的能量。因此，绝热电路具有低能量消耗、操作速度慢的特性。

因此，如何将无线电力传输系统与绝热电路做结合，并且降低因为交流直流电力转换所造成的能量损失，以增加绝热电路的应用层面实为现今重要的课题之一。一般而言，无线电力传输系统通常会包括互补金属氧化半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)电路。在现有技术中，若无线电力传输系统使用传统的静态CMOS电路，其系统架构需包括整流、稳压、升压等电路，皆会增加额外的功率消耗。

发明内容

本发明提供一种供应绝热电路操作的无线电力传输系统，可降低能量损失。

本发明的无线电力传输系统包括电力供应侧以及电力接收侧。电力供应(powersupply)侧用以提供无线电力(power)。电力接收侧电性连接至电力供应侧。电力接收侧用以接收无线电力，并且将无线电力转换为所需的电力形式。电力接收侧包括操作在交流电力的绝热电路。绝热电路包括第一电路以及第二电路。当第一电路操作在工作时间及等待时间当中的一个时，第二电路操作在工作时间及等待时间当中的另一个。

基于上述，在本发明的范例实施例中，无线电力传输系统包括绝热电路。电力供应侧以无线充电的方式提供绝热电路所需的电力，以降低电力转换所造成的能量损失。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1显示本发明一实施例的无线电力传输系统的概要示意图；

图2显示本发明另一实施例的无线电力传输系统的概要示意图；

图3显示本发明一实施例的控制电路的概要示意图；

图4显示本发明一实施例的交流电力的波形示意图；

图5、图6及图7分别显示本发明一实施例的不同电路区块的操作电压的波形示意图；

图8显示图3实施例的比较器电路的内部示意图；

图9显示图3实施例的脉冲产生器电路的内部示意图；

图10显示本发明一实施例的能量回收逻辑电路的概要示意图；

图11显示本发明一实施例的绝热电路的内部概要示意图。

附图标记：

100、200：无线电力传输系统

110、210：电力供应侧

112、212：功率放大器电路

120、220：电力接收侧

122、222、522：绝热电路

124、224：非绝热电路

126、226：电力转换电路

221、521：第一电路

223、523：第二电路

225：整流器电路

227：内存电路

228：开关电路

229_1：第一开关

229_2：第二开关

300：控制电路

312、314：比较器电路

321：延迟电路

322、324：脉冲产生器电路

330、525：闩锁器电路

342、344：反相器

400：能量回收逻辑电路

Vin、Vin1、Vin2、S1：输入信号

Vout、Vout1、Vout2、S2：输出信号

Va：第一交流信号

Vb：第二交流信号

VDD1、VSS1、VDD2、VSS2：交流电力

VDD3、VSS3：直流电力

Ctrl1：第一控制信号

Ctrl2：第二控制信号

VB、VDD：电压

Rs、R2：电阻

C1、Cload：电容

L1、L2：电感

k：耦合系数

N1、N2：节点

T1：工作时间

T2：等待时间

T11：计算阶段

T12：回收阶段

T21：第一等待阶段

T22：第二等待阶段

具体实施方式

以下提出多个实施例来说明本发明，然而本发明不仅限于所例示的多个实施例。又实施例之间也允许有适当的结合。在本案说明书全文(包括权利要求)中所使用的“耦接”、“连接”、“电性连接”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接至该第二装置。此外，“信号”一词可指至少一电流、电压、电荷、温度、数据、电磁波或任何其他一或多个信号。

图1显示本发明一实施例的无线电力传输系统的概要示意图。请参考图1，本实施例的无线电力传输系统100包括电力供应侧110以及电力接收侧120。电力接收侧120电性连接至电力供应侧110。电力供应侧110用以提供无线电力给电力接收侧120。电力接收侧120用以接收无线电力，并且将无线电力转换为所需的电力形式。在本实施例中，所需的电力形式例如包括交流电力及直流电力当中至少一个。在本实施例中，无线电力传输系统100在不使用导线或导体接触的情况下，通过感应线圈产生磁场并传送电力，其例如可应用于无线射频辨识及无线充电装置(例如感应式充电手机、植入式医疗装置等)中。

具体而言，在本实施例中，电力供应侧110包括功率放大器电路112。电力接收侧120包括绝热电路122、非绝热电路124以及电力转换电路126。在本实施例中，功率放大器(power amplifier)电路112接收的输入信号Vin例如是射频信号，本发明并不加以限制。电阻Rs为功率放大器电路112的内电阻，其传输频率为电容C1和电感L1的共振频率。电感L1产生的电感损耗小于功率放大器电路112当中电阻Rs的损耗。k为电感L1和电感L2的耦合系数，k值越大两个电感间感应产生的连结越强，其值受到两者之间的距离大小和介质种类的影响。

在本实施例中，电力转换电路126的电感L2作为感应线圈，用以接收电力供应侧110提供的无线电力，并且将无线电力转换为不同电力形式，以传递给绝热电路122以及非绝热电路124。在本实施例中，绝热电路122例如操作在交流电力。举例而言，本实施例的绝热电路122例如是一种低功耗的电路架构，通过使用交流电力而非直流电力，来拉长电路组件充放电的时间，从而减少能量的消耗，并且回收电容存放在电路节点上的能量，具有低能量消耗、操作速度慢的特性。在本实施例中，非绝热电路124将交流电力转换为直流电力，并且操作在直流电力。在一实施例中，非绝热电路124例如包括整流器电路(rectifiercircuit)，用以将交流电力转换为直流电力，以让非绝热电路124操作在直流电力。在此实施例中，整流器电路将交流电力转换为直流电力的方法可由所属技术领域的常用知识获得足够的启示、建议与实施说明，因此不再赘述。

在本实施例中，绝热电路122以及非绝热电路124作为电力接收侧120的负载电路，可用一组并联的电容和电阻来加以表示，其电容值可被设计为与电感L2共振在和输入信号Vin相同的频率上。在本实施例中，无线电力传输系统100例如应用在植入式医疗装置中，本发明并不加以限制。在此种应用实施例中，与电感L2连接的电路，例如绝热电路122，设置于植入式装置中。电力供应侧110是设置于在人体外，通过皮肤以无线传输的方式供应植入式装置操作所需的电力。电力接收侧120将电力供应侧110提供的无线电力形式分为直流电力和交流电力。非绝热电路124将电感L2感应产生的交流电力通过整流操作后-而得到直流电力，以供应非绝热电路124当中的内存(memory)电路或绝热电路122当中的闩锁器(latch)电路等组件操作。交流电力提供给绝热电路122作为操作所需的电压形式。在一实施例中，交流电力例如包括两个相位相反的正弦频率电压源，本发明并不加以限制。

因此，在本实施例中，无线电力传输系统100包括绝热电路122，直接通过电力供应侧110，以无线充电的方式供应绝热电路122操作所需的电力。通过无线电力传输，电力供应侧110直接提供绝热电路122所需电力的操作，以降低因为交流电力转换直流电力所造成的能量损失，从而绝热电路122例如适于被应用于植入式生医芯片。

在一实施例中，电力转换电路126例如经由开关电路耦接至绝热电路122，电力接收侧120通过控制开关电路导通的时间，以让绝热电路122接收操作所需的电压源形式。

图2显示本发明另一实施例的无线电力传输系统的概要示意图。请参考图2，本实施例的无线电力传输系统200类似于图1的无线电力传输系统100，两者之间主要的差异例如在于电力接收侧220还包括开关电路228。在本实施例中，开关电路228耦接在电力转换电路226与绝热电路222之间，用以依据第一控制信号Ctrl1及第二控制信号Ctrl2将电力转换电路226提供的交流电力选择性地传递给第一电路221或第二电路223。举例而言，当开关电路228将交流电力传递给第一电路221时，不传递交流电力给第二电路223。反之，当开关电路228将交流电力传递给第二电路223时，不传递交流电力给第一电路221。

具体而言，在本实施例中，开关电路228包括多个第一开关229_1及多个第二开关229_2。第一开关229_1耦接在电力转换电路226与第一电路221之间，受控于第一控制信号Ctrl1。第一开关229_1用以依据第一控制信号Ctrl1将交流电力传递给第一电路221。第二开关229_2耦接在电力转换电路226与第二电路223之间，受控于第二控制信号Ctrl2。第二开关229_2用以依据第二控制信号Ctrl2将交流电力传递给第二电路223。在本实施例中，第一开关229_1及第二开关229_2例如是用传输门(transmission gate)来加以实现，本发明并不加以限制，其实现方式可由所属技术领域的常用知识获得足够的启示、建议与实施说明，因此不再赘述。

在本实施例中，以传输门来实现的第一开关229_1及第二开关229_2，其消耗能量的原因主要分为两种，一种是传输门当中的晶体管的导通电阻(on-resistance)造成的损耗(第一消耗能量)，另一种为开启和关闭传输门时因晶体管的栅极电容而需耗费的能量(第二消耗能量)。在本实施例中，当传输门中的组件尺寸愈大时，导通电阻愈小(第一消耗能量愈小)，栅极电容愈大(第二消耗能量愈大)。当第一消耗能量相近于第二消耗能量时，传输门消耗的总能量最少。在本实施例中，在不同的操作电压下，传输门当中的p型金氧半(pMOS)晶体管和n型金氧半(nMOS)晶体管的导通电阻会有不同的值。在传输门中，pMOS晶体管操作电压为0.5V至1V(伏特)，愈靠近0.5V时，其导通电阻愈大。若加大nMOS晶体管的信道宽度，可以使pMOS晶体管操作在0.5V附近时的导通电阻变小，让传输门整个操作电压区间的导通电阻变异量降低。反之，传输门当中的nMOS晶体管的操作电压为0V至0.5V。若加大pMOS晶体管的信道宽度，能降低nMOS晶体管操作在0.5V附近时的导通电阻，让传输门操作电压区间的不同晶体管的导通电阻的差异缩小。因此，在本实施例中，在第一开关229_1及第二开关229_2以传输门来实现时，其中的晶体管尺寸的比例可依实际设计需求来加以调整，本发明并不加以限制。

因此，在本实施例中，开关电路228依据第一控制信号Ctrl1及第二控制信号Ctrl2将电力转换电路226提供的交流电力选择性地传递给第一电路221或第二电路223。在本实施例中，电力转换电路226例如经由节点N1、节点N2分别将交流电力传递给开关电路228及非绝热电路224。在本实施例中，非绝热电路224例如包括整流器电路225以及内存电路227，本发明并不加以限制。整流器电路225用以将交流电力转换为直流电力，并且提供给内存电路227。内存电路227操作在例如电压值为0V及1V的直流电力，如图7所示。

在本实施例中，无线电力传输系统200例如还包括一控制电路，用以产生第一控制信号Ctrl1及第二控制信号Ctrl2以控制第一开关229_1及第二开关229_2的开启或关闭。

图3显示本发明一实施例的控制电路的概要示意图。图4显示本发明一实施例的交流电力的波形示意图。图5至图7分别显示本发明一实施例的不同电路区块的操作电压的波形示意图。请参考图2至图7，本实施例的电力转换电路226例如经由节点N1、节点N2分别将交流电力传递给开关电路228及非绝热电路224。交流电力在节点N1、节点N2的信号波形如图4所示。在本实施例中，交流电力包括第一交流信号Va以及第二交流信号Vb，两者例如分别经由节点N1、节点N2传递给开关电路228、非绝热电路224及控制电路300。

在本实施例中，控制电路300用以比较第一交流信号Va以及第二交流信号Vb的电压值，以产生第一控制信号Ctrl1以及第二控制信号Ctrl2。当第一交流信号Va的电压值大于第二交流信号Vb的电压值时，控制电路300例如输出逻辑为1的第一控制信号Ctrl1来开启开关电路228的第一开关229_1，从而第一开关229_1据此将交流电力传递至第一电路221。反之，当第一交流信号Va的电压值小于第二交流信号Vb的电压值时，控制电路300例如输出逻辑为1的第二控制信号Ctrl2来开启开关电路228的第二开关229_2，从而第二开关229_2据此将交流电力传递至第二电路223。因此，在本实施例中，控制电路300例如依据第一交流信号Va和第二交流信号Vb的电压值的大小来决定第一开关229_1及第二开关229_2开启和关闭的时机。因此，在本实施例中，第一电路221、第二电路223以及内存电路227例如分别操作在图5至图7所显示的电压波形。第一电路221例如操作在如图5所示的交流电力VDD1、交流电力VSS1波形(半周期弦波)。第二电路223例如操作在如图6所示的交流电力VDD2、交流电力VSS2波形(半周期弦波)。内存电路227例如操作在如图7所示的直流电力VDD3、直流电力VSS3波形。在图5至图7所显示的波形示意图中，电压准位值0V、0.5V及1V仅用以例示说明，本发明并不加以限制。

图8显示图3实施例的比较器电路的内部示意图。图9显示图3实施例的脉冲产生器(pulse generator)电路的内部示意图。请参考图3、图8及图9，图8所显示者例如是比较器电路312的内部电路示意图。比较器电路314的内部电路架构当可以此类推，两者可相同或不同。图9所显示者例如是脉冲产生器电路322的内部电路示意图。脉冲产生器电路324的内部电路架构当可以此类推，两者可相同或不同。

在本实施例中，比较器电路312在第一交流信号Va的电压值大于第二交流信号Vb的电压值时，其输出信号Vout会被充电到电压VDD。当第一交流信号Va的电压值小于第二交流信号Vb的电压值时，输出信号Vout会跟随第一交流信号Va的波形(也就是0-0.5V的半周期弦波)变动，因此经过反相器342后的输出，判断为逻辑1时会有比较大的延迟。比较器电路314的操作当可以此类推，在此不再赘述。因此，在本实施例中，控制电路300还包括脉冲产生器电路322、脉冲产生器电路324和S-R闩锁器(S-R latch)电路330，以检测反相器342、反相器344的输出信号的下降边缘(falling edge)，以得到较平衡且精准的第一控制信号Ctrl1以及第二控制信号Ctrl2。在本实施例中，脉冲产生器电路322的延迟电路321例如包括奇数个延迟胞(delay cell)。在本实施例中，比较器电路312、比较器电路314、脉冲产生器电路322、脉冲产生器电路324以及S-R闩锁器电路330的操作方式可由所属技术领域的常用知识获得足够的启示、建议与实施说明，因此不再赘述。

因此，在本实施例中，当第一交流信号Va的电压值大于第二交流信号Vb的电压值时，控制电路300例如输出逻辑1的第一控制信号Ctrl1，以控制连接到第一电路221的第一开关229_1导通、连接到第二电路223的第二开关229_2断路。反之，当第一交流信号Va的电压值小于第二交流信号Vb的电压值时，控制电路300例如输出逻辑0的第一控制信号Ctrl1，以控制第一电路221的第一开关229_1断路、连接到第二电路223的第二开关229_2导通，从而第一电路221接收一个0.5V至1V的半周期弦波VDD1和一个0V至0.5V的半周期弦波VSS1，以及第二电路223接收一个0.5V至1V的半周期弦波VDD2和一个0V至0.5V的半周期弦波VSS2。

在图2的实施例中，第一电路221以及第二电路223各自包括能量回收逻辑电路。图10显示本发明一实施例的能量回收逻辑电路的概要示意图。图10所显示例如是第一电路221的能量回收逻辑电路400的概要示意图。第二电路223的能量回收逻辑电路的内部电路架构当可以此类推。请参考图2、图5、图6及图10，以第一电路221为例，其能量回收逻辑电路400例如操作在交流电力VDD1、交流电力VSS1，用以接收输入信号Vin1并且依据交流电力VDD1、交流电力VSS1来产生输出信号Vout1。在本实施例中，请参考图5及图6，当第一电路221的能量回收逻辑电路400操作在工作时间T1时，第二电路223的能量回收逻辑电路操作在等待时间T2。反之，当第一电路221的能量回收逻辑电路400操作在等待时间T2时，第二电路223的能量回收逻辑电路操作在工作时间T1。换句话说，当第一电路221操作在工作时间T1及等待时间T2当中的一个时，第二电路223操作在工作时间T1及等待时间T2当中的另一个。在本实施例中，工作时间T1包括计算(evaluation)阶段T11以及回收(recycle)阶段T12。等待时间T2包括第一等待阶段T21以及第二等待阶段T22。

此外，参照图2及图3的实施例中，控制电路300控制开关电路228的信号传递方式，当第一电路221或第二电路223接收交流电力时，第一电路221或第二电路223操作在工作时间T1。当第一电路221或第二电路223不接收交流电力时，第一电路221或第二电路223操作在等待时间T2。

图11显示本发明一实施例的绝热电路的内部概要示意图。请参考图2及图11，在本实施例的绝热电路522中，第一电路521以及第二电路523串联耦接，并且交错设置。在第一电路521以及第二电路523之间还设置闩锁器电路525。第一电路521操作在交流电力VDD1、交流电力VSS1，第二电路523操作在交流电力VDD2、交流电力VSS2。

具体而言，在本实施例中，绝热电路522的工作时间T1和等待时间T2各占半个周期，因此将管线化(pipelining)架构的每个电路区块区分为相间的第一电路521和第二电路523的不同区块，如图11所示。当第一电路521在工作时间T1工作时，第二电路523在等待时间T2等待。反之，当第二电路523在工作时间T1工作时，第一电路521在等待时间T2等待。

综上所述，在本发明的范例实施例中，无线电力传输系统将无线传输技术应用于提供绝热电路的操作。由于绝热电路具有低功耗的特性，因此适用于生医领域的植入式装置电路，并且绝热电路的操作方式和一般传统的互补金属氧化半导体电路不同。另外，在本发明的范例实施例中，无线电力传输系统使用无线传输的功率形式，适用于绝热电路的操作。当绝热电路应用于植入式医疗装置时，经由无线功率传输的方法，在人体外直接对装置进行充电，以将交流电力用于绝热电路所需。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (10)

1.一种无线电力传输系统，其特征在于，包括：

电力供应侧，用以提供无线电力；以及

电力接收侧，电性连接至所述电力供应侧，用以接收所述无线电力，并且将所述无线电力转换为所需的电力形式，且所述所需的电力形式包括交流电力及直流电力，

其中所述电力接收侧包括绝热电路，所述绝热电路包括依序串联耦接的第一电路、第一闩锁器电路以及第二电路，所述第一电路与所述第二电路操作在所述交流电力，所述第一闩锁器电路操作在所述直流电力，

其中当所述第一电路操作在工作时间及等待时间当中的一个时，所述第二电路操作在所述工作时间及所述等待时间当中的另一个，

其中所述电力接收侧还包括控制电路，所述控制电路用以通过产生多个控制信号来控制所述绝热电路中的所述第一电路与所述第二电路接收所述交流电力的时机，所述交流电力包括相位相反的第一交流信号与第二交流信号，且所述控制电路包括：

比较器电路，用以比较所述第一交流信号与所述第二交流信号两者的电压值，以产生比较结果，其中当所述第一交流信号的电压值大于所述第二交流信号的电压值时，所述比较结果被充电到预定电压，以及当所述第一交流信号的电压值小于所述第二交流信号的电压值时，所述比较结果跟随所述第一交流信号的波形变动。

2.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述电力接收侧还包括：

开关电路，电性连接至所述绝热电路，用以依据所述多个控制信号将所述交流电力传递至所述绝热电路，其中当所述开关电路将所述交流电力传递给所述第一电路及所述第二电路当中的一个时，不传递所述交流电力给所述第一电路及所述第二电路当中的另一个。

3.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述多个控制信号包括第一控制信号以及第二控制信号，

其中当所述第一交流信号的电压值大于所述第二交流信号的电压值时，所述开关电路依据所述第一控制信号将所述交流电力传递至所述第一电路，以及当所述第一交流信号的电压值小于所述第二交流信号的电压值时，所述开关电路依据所述第二控制信号将所述交流电力传递至所述第二电路。

4.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述多个控制信号包括第一控制信号以及第二控制信号，以及所述开关电路包括：

多个第一开关，电性连接至所述第一电路，用以依据所述第一控制信号将所述交流电力传递至所述第一电路；以及

多个第二开关，电性连接至所述第二电路，用以依据所述第二控制信号将所述交流电力传递至所述第二电路。

5.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，当所述第一电路或所述第二电路接收所述交流电力时，所述第一电路或所述第二电路操作在所述工作时间，以及当所述第一电路或所述第二电路不接收所述交流电力时，所述第一电路或所述第二电路操作在所述等待时间。

6.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，

其中所述第一电路操作在所述工作时间的第一电压波形与所述第二电路操作在所述工作时间的第二电压波形彼此呈现相反的相位，

其中所述第一电路以及所述第二电路各自包括能量回收逻辑电路，所述能量回收逻辑电路仅由n型晶体管、p型晶体管与第一电容所构成，

所述能量回收逻辑电路操作在所述交流电力，用以接收输入信号，并且依据所述交流电力来产生输出信号，

其中当所述第一电路的所述能量回收逻辑电路操作在所述工作时间及所述等待时间当中的一个时，所述第二电路的所述能量回收逻辑电路操作在所述工作时间及所述等待时间当中的另一个。

7.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述工作时间包括计算阶段以及回收阶段，以及所述等待时间包括第一等待阶段以及第二等待阶段。

8.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述电力接收侧还包括：

非绝热电路，电性连接至所述绝热电路，所述非绝热电路包括整流器电路及操作在所述直流电力的内存电路，其中所述整流器电路将所述交流电力转换为所述直流电力，并且将所述直流电力供应至所述内存电路及所述第一闩锁器电路。

9.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述电力接收侧还包括：

电力转换电路，电性连接至所述绝热电路，用以将所述无线电力转换为所述交流电力，并且传递给所述绝热电路中的所述第一电路与所述第二电路。

10.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述控制电路还包括：

反相器电路，其中所述反相器电路的输入端耦接所述比较器电路的输出端；

脉冲产生器电路，被配置以侦测所述反相器电路的输出的下降边缘，其中所述脉冲产生器电路的输入端耦接所述反相器电路的输出端，所述脉冲产生器电路包括或非门与延迟电路，所述延迟电路的输入端耦接所述反相器电路的输出端，所述或非门的第一输入端耦接所述延迟电路的输出端，所述或非门的第二输入端耦接所述反相器电路的输出端；以及

第二闩锁器电路，其中所述第二闩锁器电路的输入端耦接所述脉冲产生器电路的所述或非门的输出端，以产生所述多个控制信号。

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