CN107005098A - 无线功率发射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种向负载供电的无线功率发射器。无线功率发射器包括逆变器、电压相位检测器、电流相位检测器、相位差计数器、控制器和阻抗调谐电路。相位差计数器对逆变器的输出端的电压相位和电流相位之间的相位差进行计数。控制器从相位差计数器接收相位差，并产生一个控制信号，该控制信号响应于与逆变器的输出端无线耦合的负载的不同阻抗的变化而改变逆变器的输出阻抗。阻抗调谐电路从控制器接收控制信号，并将逆变器的输出阻抗的虚部调谐到零，以使得从无线功率发射器到负载的功率传输效率最大化。

Description

无线功率发射器

技术领域

本发明涉及一种向负载供电的无线功率发射器。

背景技术

无线充电技术为家庭、工作场所和工厂的电气设备的充电和供电提供了一种方便、安全、可靠的方法。无线充电技术使用磁耦合效应，包括电感耦合和谐振耦合，以将功率从发射源传输到一个接收装置或负载。电感耦合是从接近放置的相对线圈(closelyopposing coils)之间的磁场产生能量。这种方法的主要挑战是发射源和接收设备之间的距离和对准有严格要求。另一方面，谐振耦合是从高谐振线圈之间的磁场产生能量。谐振耦合的主要挑战是失谐效应(off-resonance effects)和失配负载。

本发明提供一种从发射源到负载的改进的谐振耦合和提高功率传输效率的新方法和系统，这有助于促进技术需求并解决无线充电领域中的技术问题。

发明内容

一个示例性实施例是向负载供电的无线功率发射器。无线功率发射器包括逆变器、电压相位检测器、电流相位检测器、相位差计数器、控制器和阻抗调谐电路。相位差计数器对逆变器的输出端的电压相位和电流相位之间的相位差进行计数。控制器从相位差计数器接收相位差，并产生一个控制信号，该控制信号响应于与逆变器的输出端无线耦合的负载的不同阻抗的变化，而改变逆变器的输出阻抗。阻抗调谐电路从控制器接收控制信号，并将逆变器的输出阻抗的虚部调谐到零，以使得从无线功率发射器到负载的功率传输效率最大化。

其它示例性实施例在以下讨论。

附图说明

图1是一个示例性实施例的无线功率发射器的框图。

图2A是一个示例性实施例的电压相位检测器的电路示意图。

图2B是一个示例性实施例的电流相位检测器的电路示意图。

图3是一个示例性实施例的相位差计数器的框图。

图4是一个示例性实施例的由无线功率发射器执行的方法。

图5A是一个示例性实施例的计数器的电路示意图。

图5B是另一示例性实施例的计数器的电路示意图。

图6是一个示例性实施例的相位差计数器里的波形示例。

图7A是一个示例性实施例的阻抗调谐电路的框图。

图7B是一个示例性实施例的阻抗调谐电路的另一框图。

图8A是一个示例性实施例的负载的框图。

图8B是一个示例性实施例的等效负载的框图。

图9是一个示例性实施例的可调谐的电容器阵列的框图。

图10A是一个示例性实施例的由电容器阵列提供的阻抗值的列表。

图10B是另一示例性实施例的由另一电容器阵列提供的阻抗值的列表。

图11是一个示例性实施例的查找表。

具体实施方式

示例性实施例涉及以最大功率传输效率无线地从发射器向负载供电的装置和方法。

在无线充电应用中，谐振耦合是从高谐振线圈之间的磁场产生能量。谐振耦合的主要挑战是提供一个从发射器到负载的具有有效功率传输的系统。

为了提高无线充电期间的效率，示例性实施例考虑了失谐效应，例如由一个或多个部件变化、非理想电路、寄生效应、以及由位置、材料或环境变化引起的负载变化而导致失谐效应。这些因素导致负载的阻抗发生变化，这进一步导致发射器的输出的阻抗发生变化。

示例性实施例持续地、连续地或周期性地将负载的阻抗与发射器的阻抗进行匹配，以提高无线充电效率。

一个示例性实施例是无线功率发射器，其包括逆变器、电压相位检测器、电流相位检测器、相位差计数器或检测器、以及控制器。逆变器将逆变器的输入端口处的直流电(DC)信号转换为逆变器的输出端口处的交流电(AC)信号。相位差计数器对逆变器的输出端口处的电压相位和电流相位之间的相位差进行计数，并将相位差发送到控制器。控制器响应于与逆变器的输出端口耦合的负载的阻抗的变化，改变变流器的输出阻抗。

在一个示例性实施例中，一个阻抗调谐电路与控制器连接，以匹配负载和发射器的阻抗。阻抗调谐电路消除了逆变器的输出处的反射阻抗的虚部。

理论上，负载的阻抗表示为一个复指数，如以下公式：

在此公式里，Z是电路某个端口处的阻抗；R是阻抗的实部；X是阻抗的虚部；V是端口处的电压；I是端口处的电流；ω是电流滞后于电压的相移。

作为一个例子，对于D类开关电源电路，输出功率由阻抗的实部确定。负载阻抗的变化会改变阻抗的实部，进一步改变输出功率和输入功率。反射阻抗的实部被称为有效功率或有功功率。另一方面，反射阻抗的虚部称为无功功率。对于发射器里的开关模式放大器，总的功率传输效率极大地受到逆变器的输出阻抗的虚部的影响。

示例性实施例通过消除逆变器的或功率放大器的输出处的虚部来调谐或改变反射阻抗。并不检测或调谐输出阻抗的实部。因此，阻抗测量和调谐电路不需要实现逆变器和负载之间的共轭匹配，从而被简化，但不会牺牲从无线功率发射器到负载的功率传输效率。

在一个示例性实施例中，阻抗调谐电路将逆变器的输出阻抗的虚部的绝对值减小到零，以使得从逆变器到负载的功率传输效率最大化。

在一个示例性实施例中，电压相位检测器和电流相位检测器将电压信号和电流信号转换为方波，并将方波馈送给相位差计数器，以对多个时钟周期里的输出电压和输出电流之间的相位差计数。通过计数多个周期的相位差，相位差被直接转换为一个数字，其可以用作控制器的查找表中的一个索引，以找到相应动作。这提供了相位差的直接测量，并加速了阻抗调谐过程。

在一个示例性实施例中，相位差检测器或计数器检测第一相位和第二相位之间的差，并根据检测到的相位差生成一个数字。该数字序列进一步通过相位差计数器中的一个积分器计算一个周期中的积分，并在相位差计数器的该周期上进行平均。平均数被发送到无线功率发射器的控制器以调谐逆变器的输出阻抗。

在一个示例性实施例中，阻抗调谐电路包括一个电容器阵列，该电容器阵列具有多个并联连接的电容器和多个开关，每个开关响应于来自控制器的控制信号而与其中一个电容器连接以接通或断开电容器。

在一个示例性实施例中，根据存储在控制器的存储器中的查找表以及输出电压和输出电流之间的相位差，控制器确定电容器阵列的电容值。

图1是示例性实施例的无线功率发射器100的框图。无线功率发射器100包括逆变器110、第一相位检测器或电压相位检测器120、第二相位检测器或电流相位检测器130、相位差计数器140、控制器150和阻抗调谐电路160。负载170与逆变器的输出端耦合。

如图1所示，负载的阻抗是如箭头162所示的看向负载的阻抗。逆变器的输出阻抗是从逆变器朝负载方向看的阻抗，如箭头112所示。

逆变器将逆变器的输入端的直流电(DC)信号转换为逆变器的输出端的交流电(AC)信号。举个例子，逆变器包括一个开关放大器。

电压相位检测器检测逆变器的输出端的输出电压的第一相位或电压相位。电流相位检测器检测逆变器的输出端的输出电流的第二相位或电流相位。相位差计数器从电流和电压相位计数器接收信息，并计数输出电压相位和输出电流相位之间的相位差。控制器从相位差计数器接收相位差，并根据负载阻抗的变化产生一个控制信号，进而改变逆变器的输出阻抗。阻抗调谐电路从控制器接收控制信号，将逆变器的输出阻抗的虚部调谐到零，以使得从无线功率发射器到负载的功率传输效率最大化。

在一个示例性实施例中，通过增加和/或减小到逆变器的输出的电容值，阻抗调谐电路将逆变器的输出阻抗的虚部的绝对值减小到零。

在一个示例性实施例中，相位差计数器计数多个时钟周期内的输出电压的第一相位和输出电流的第二相位之间的差。

在一个示例性实施例中，逆变器包括一个D类放大器，有两个晶体管将DC信号转换为AC信号。逆变器的输出端被无线耦合到负载，如谐振天线或谐振线圈。发射器线圈将电力跨过一个中间空间发射到负载中的谐振接收线圈。阻抗调谐电路与逆变器的输出连接。阻抗测量是由电压相位检测器、电流相位检测器和相位差计数器来实现的。相位差被馈送到控制器中，如微控制器单元(MCU)或可编程逻辑装置。根据存储在控制器中的查找表，控制器执行一个算法以改变逆变器的输出阻抗，以响应不同负载阻抗的变化。

图2A是一个示例性实施例的电压相位检测器210的电路示意图。

如图2A所示，电压相位检测器210是一个阈值检测电路，用于相位检测或提取。电压相位检测器包括放大器220、施密特(Schmitt)触发器230以及多个电阻器和电容器。例如，放大器220的输入端与图1所示逆变器的输出端连接。逆变器的两个输出端处的输出电压标记为Va和Vb。逆变器的输出电压由放大器220以正弦波的形式放大。与放大器220连接的施密特触发器230将该正弦波电压信号转换为方波V1。作为一个例子，方波的上升沿对应于逆变器输出电压的零相位。

作为一个例子，施密特触发器230是一个比较器，通过将正反馈施加到比较器或差分放大器的非反相输入，施密特触发器带有滞后现象。施密特触发器的输出一直保持其值，直到输入变化足以触发一次改变。作为一个例子，施密特触发器以两个阈值的方式工作。当输入高于第一阈值(例如0.5V)时，施密特触发器的输出为高。当输入低于第二阈值(例如，-0.5V)时，输出变为低。对在-0.5V至0.5V之间的输入，输出保持其以前的值。施密特触发器用于消除输入信号上出现的小信号变化。

图2B是一个示例性实施例的电流相位检测器250的电路示意图。

如图2B所示，电流相位检测器包括高精度低值电阻器260、放大器270、施密特触发器280以及多个电阻器和电容器。作为一个例子，电阻器260感测电流Iin，将其转换为电压信号，并将转换的电压信号发送到放大器270。放大器270以正弦波的形式放大电压信号。与放大器270连接的施密特触发器280将正弦波转换为方波V2。

作为一个例子，电流相位检测器250与逆变器的一个输出端串联连接，如图1所示。以正弦波形式的逆变器的输出电流被电流相位检测器转换为方波V2形式的电压信号。方波形式的转换的电压信号V2表示逆变器的输出端口处的输出电流的相位。作为范例，方波的上升沿对应于逆变器的输出电流的零相位。

图3是一个示例性实施例的相位差计数器300的框图。

相位差计数器300包括一个OR逻辑电路310和两个计数器320和330。OR逻辑电路310的输出与计数器320和330连接。

在一个示例性实施例中，分别发送来自电压相位检测器和电流相位检测器的两个方波波形V1和V2到OR逻辑电路310。根据在输入处的方波波形V1和V2，OR逻辑电路310产生一个周期信号Period_sq。周期信号Period_sq能够启动两个计数器320和330。

当输入处的V1和V2的强度中的任一个(OR逻辑)处于高电平时，计数器320和330开始计数，当两个强度都处于低电平时，计数器320和330将复位。该工作机制使得能够连续测量V1和V2之间的相位差。

在一个示例性实施例中，方波形式的V1表示如图1所示的逆变器的输出电压的相位。方波形式的V2表示如图1所示的逆变器的输出电流的相位。计数器320在接收到V1的上升沿时开始计数，在接收到V2的上升沿时停止计数。计数器330在接收到V2的上升沿时开始计数，并在接收到V1的上升沿时停止计数。

作为一个例子，计数器320在电压方波的上升沿首先到达时开始工作，在电流方波的上升沿到达时停止，并产生计数输出N1。计数器330在电流方波的上升沿首先到达时开始工作，在电压方波的上升沿到达时，停止工作，并产生计数输出N2。N1和N2在任何给定时间上都是互斥的。N1和N2被进一步处理以确定图1中逆变器的输出电压和输出电流之间的相位差数N。确定结果如下：

当N1表示一个数而N2为零时，意味着电压波形领先于电流波形，且相位差数N被给予一个正符号，即N＝N1。当N 2表示一个数而N 1为零时，意味着电流波形领先于电压波形，且相位差数N被给予负号，即N＝-N2。

作为一个例子，发送一个时钟信号到计数器320和330，以在多个时钟周期中对第一相位V1和第二相位V2之间的差进行计数。由时钟周期计数的相位差N进一步被转换为一个数字信号由控制器读取。

图4是一个示例性实施例的由无线功率发射器执行的方法。

步骤410，将逆变器的输入端的DC信号转换为逆变器的输出端的AC信号。

考虑一个例子，其中无线功率发射器包括逆变器、电压相位检测器、电流相位检测器、相位差计数器或检测器、控制器和阻抗调谐电路。无线功率发射器向与逆变器的输出端耦合的负载供电。

逆变器将逆变器的输入端的DC信号转换为逆变器的输出端的AC信号。作为一个例子，逆变器包括一个开关放大器或D类放大器。将要放大的模拟信号通过脉宽调制、脉冲密度调制或其它方法转换为一系列脉冲，然后再施加到放大器上。

步骤420，检测逆变器的输出端的输出电压的第一相位和输出电流的第二相位。

电压相位检测器检测逆变器的输出端的输出电压的第一相位。电流相位检测器检测逆变器的输出端的输出电流的第二相位。

作为一个例子，电压相位检测器与逆变器的输出端连接，以将正弦波电压信号转换为方波。电流相位检测器与逆变器的输出端串联连接，以将正弦波电流信号转换为方波电压信号。然后，进一步处理转换的电压信号以提取信号相位。方波形式的转换的电压信号表示逆变器的输出端的电流信号的相位。

步骤430，对输出电压的第一相位和输出电流的第二相位之间的相位差进行计数。

相位差计数器从电流和电压相位计数器接收信息，并对第一相位和第二相位之间的相位差进行计数，第一相位和第二相位分别是输出电压相位和输出电流相位。

在一个示例性实施例中，相位差检测器检测第一相位和第二相位之间的差，并根据检测到的相位差生成一个数字。一系列的数字序列通过相位差计数器中的积分器进一步在一个周期中积分，并在相位差检测器的一个周期上进行平均。该平均数被发送到无线功率发射器的控制器以调谐逆变器的输出阻抗。

步骤440，控制器从相位差计数器接收相位差。

作为一个例子，控制器与相位差计数器连接。相位差计数器对多个时钟周期的相位差进行计数，并将该多个时钟周期的数目发送到无线功率发射器的控制器用于进一步处理。作为一个例子，相位差计数器根据内部集成电路(I2C)总线协议顺序转换该数目，并通过I2C总线将其发送到控制器。

步骤450，生成一个控制信号，该控制信号响应于与逆变器的输出端无线耦合的负载的不同阻抗的变化，而改变逆变器的输出阻抗。

控制器从相位差计数器接收相位差，并产生一个控制信号，该控制信号响应于不同负载阻抗的变化，而改变逆变器的输出阻抗。

在一个示例性实施例中，控制器根据存储在控制器的存储器中的查找表，生成一个控制信号。查找表根据接收到的时钟周期或数字信号形式的相位差来确定阻抗调谐电路中的电容器阵列的电容值。

步骤460，阻抗调谐电路从控制器接收控制信号。

作为一个例子，阻抗调谐电路包括一个电容器阵列，其具有一个由控制器控制的可调谐的电容值。

步骤470，将逆变器输出阻抗的虚部调整为零，以最大化从无线功率发射器到负载的功率传输效率。

阻抗调谐电路从控制器接收控制信号，并将逆变器输出阻抗的虚部调谐到零，以最大化从无线功率发射器到负载的功率传输效率。

在一个示例性实施例中，阻抗调谐电路包括一个电容器阵列，其有并联连接的多个电容器和开关，每个开关与其中一个电容器连接。开关响应于来自控制器的控制信号，而在打开状态和闭合状态之间切换状态，以实现电容器阵列的一个电容值，并因此减小逆变器的输出阻抗的虚部的绝对值。

图5A是一个示例性实施例的计数器500A的电路示意图。

如图5A所示，计数器500A在多个时钟N1内对电压波形V1和电流波形V2之间的相位差进行计数。作为一个例子，电压波形V1领先于电流波形V2。

作为一个例子，PERIODsq信号首先被时钟信号采样，以被时钟边沿同步。然后它通过一个单脉冲生成电路以获得与PERIODsq的上升沿对齐的单个脉冲。这个单脉冲用于复位二进制计数器，并用于计数相位差。PERIODsq信号的结束表示计数器的准备就绪，因此二进制计数器的输出有效。

在一个示例性实施例中，电压波形V1和电流波形V2首先由时钟信号采样，以被时钟边沿同步。然后V1和V2都通过一个单脉冲发生电路，以获得分别与V1和V2的上升沿对齐的单个脉冲。产生的两个单脉冲V1pulse和V2pulse用于产生相位差信号。然后，相位差之间的时钟被提取为cnt_pulse，并在二进制计数器中计数。

图5B是另一示例性实施例的计数器500B的电路图。

如图5B所示，计数器500B在多个时钟N2中对电压波形V1和电流波形V2之间的相位差进行计数。作为一个例子，电流波形V2领先于电压波形V1。

计数器500B类似于图5A所示的计数器500A，除了V1和V2的输入在位置上交换使得电流波形V2领先于电压波形V1之外。

图6是一个示例性实施例的相位差计数器中的波形示例。

考虑一个例子，其中有一个阻抗匹配系统，对发射器和与发射器耦合的负载的阻抗进行匹配。阻抗匹配系统包括相位差计数器、控制器和阻抗调谐电路。控制器从相位差计数器接收相位差，产生一个控制信号，该控制信号响应于检测到的与发射器耦合的负载发生的变化，而改变发射器的输出阻抗。

如图6所示，波形610是一个电压波形，其上升沿对应逆变器的输出电压的零相位。波形620是一个电流波形，其上升沿对应逆变器的输出电流的零相位。波形630是一个时钟信号，其周期比电压或电流波形短得多。波形611是单脉冲，其上升沿对应于电压波形的开始。波形621是单脉冲，其上升沿对应于电流波形的开始。波形640是一个来自相位差计数器中OR逻辑电路的时钟采样周期信号，其中电压波形或电流波形处于高电平。波形650是一个在通过单脉冲生成电路之后的PERIODsq信号。它是一个与PERIODsq信号的上升沿对齐的单脉冲。这个单脉冲用于复位二进制计数器并用于计数相位差。波形680是PERIODsq信号的反转，并标记计数器输出的准备状态。PERIODsq信号的结束表示二进制计数器的输出有效。波形660是对应电压波形610和电流波形620之间相位差的信号。信号的上升沿对应电压信号的第一相位参考点。作为一个例子，第一相位参考点对应电压信号的零相位。信号的下降沿对应电流信号的第一相位参考点。作为一个例子，第一相位参考点对应电流信号的零相位。波形670是电压波形和电流波形之间相位差内的时钟。时钟周期数在PERIODsq信号周期内计数，并在每个PERIODsq周期结束时由控制器读取。

作为一个例子，被计数的相位差由时钟周期表示，并被控制器进一步读取以产生一个控制信号，从而将发射器的输出阻抗的虚部调谐到零，以使得从发射器到负载的功率传输效率最大化。

图7A是一个示例性实施例的阻抗调谐电路700A的框图。

作为一个例子，阻抗调谐电路700A包括一个电容器阵列710，其与负载串联。作为一个例子，电容器阵列由控制器控制以接通或关断电容器阵列内的每个电容器。

图7B是一个示例性实施例的阻抗调谐电路700B的另一框图。

作为一个例子，阻抗调谐电路700B包括电感器740、与负载串联的电容器阵列720、以及置于电感器和电容器阵列720之间的电容器阵列730。电容器阵列730与负载并联连接。电容器阵列720和730都由控制器控制以接通或关断电容器阵列内的每个电容器。

图8A是一个示例性实施例的负载800A的框图。

作为一个例子，负载800A包括处于谐振状态的Tx电容器810和Tx电感器820，以及处于谐振状态的Rx电感器830和Rx电容器840。在Tx电感器820和Rx电感器830之间存在谐振耦合。在一个示例中，还有另一并联电容器850，其与Rx电感器830并联连接。

图8B是一个示例性实施例的等效负载800B的框图。

作为一个例子，等效负载是谐振无线功率发射器的负载。等效负载800B包括处于谐振状态的电容器860、电感器870和电阻器880。

图9是一个示例性实施例的可调谐的电容器阵列900的框图。

在一个示例性实施例中，电容器阵列包括并联连接的五个电容器C1、C2、C3、C4和C5。多个开关K1、K2、K3、K4和K5分别与每个电容器连接。开关与控制器910连接，并可在打开状态和闭合状态之间切换。开关响应于来自控制器910的控制信号，而切换状态以接通或关断电容器，以便达到电容器阵列的电容值。

在一个示例性实施例中，控制器根据存储在控制器中的查找表来确定电容器阵列的电容值。

图10A是一个示例性实施例的由电容器阵列提供的阻抗值的列表1000A。

考虑一个例子，其中五个电容器C1、C2、C3、C4和C5并联连接。每个电容器与其相应的开关K1、K2、K3、K4或K5连接。开关响应于来自控制器的控制信号而接通或关断一个或多个电容器。作为一个例子，开关由MCU通过数字I/O端口控制。控制器根据存储在控制器中的查找表来确定电容器阵列的阻抗值。作为一个例子，五个电容器具有相同电容值400pF，因此由电容器阵列提供的电抗具有五个值。

如列表1000A所示，通过接通或关断电容器阵列中的一个或多个电容器，并联连接的五个电容器提供5个不同的电抗值。假设电容器具有很小的嵌入串联电阻，电阻值的变化是可忽略的。因此，电容器阵列仅调谐或改变电路的阻抗的虚部。

图10B是另一示例性实施例的由另一电容器阵列提供的阻抗值的另一列表1000B。

考虑一个例子，其中五个电容器C1、C2、C3、C4和C5并联连接。每个电容器分别与其相应的开关K1、K2、K3、K4或K5连接。开关响应于来自控制器的控制信号而接通或关断一个或多个电容器。作为一个例子，开关由MCU通过数字I/O端口控制。控制器根据存储在控制器中的查找表来确定电容器阵列的阻抗值。作为一个例子，五个电容器具有不同的电容值，电抗的变化可以有高达32个不同的值。

如列表1000B所示，具有不同电容值的五个电容器并联连接，通过导通或关断电容器阵列中的一个或多个电容器提供多达32个不同的电抗值。假设电容器具有很小的嵌入串联电阻，电阻值的变化是可忽略的。因此，电容器阵列仅调谐或改变电路的阻抗的虚部。

图11是一个示例性实施例的查找表1100。

考虑一个例子，一个匹配发射器阻抗与负载阻抗的阻抗匹配系统。阻抗匹配系统包括：相位差计数器，其对发射器的输出端的电压信号和电流信号之间的相位差进行计数；控制器，其与相位差计数器连接；以及电容器阵列，其与控制器和反射器的输出端连接。电容器阵列包括并联连接的六个电容器C1、C2、C3、C4、C5和C6。每个电容器与其相应的开关K1、K2、K3、K4、K5或K6连接。

在一个示例性实施例中，一个预设的查找表存储在控制器的存储器中。查找表提供多个电容值，对应在时钟周期中计数的相位差。控制器从相位差计数器接收相位差，并在查找表中搜索以确定电容器阵列的电容值，调谐发射器的输出阻抗以匹配不同负载阻抗。

如图11的查找表1100所示。每个时钟周期对应发射器的输出处的电压信号和电流信号之间的不同相位的程度，其进一步反映发射器的输出阻抗的虚部。为了减小虚部的绝对值，电容器阵列中的电容器C1、C2、C3、C4、C5和C6通过其相应的开关K1、K2、K3、K4、K5和K6而接通或关断，以对应计数器计数的相位差。在查找表中，“0”表示开关的断开状态，其断开与开关连接的电容器。“1”表示开关的闭合状态，其接通与开关连接的电容器。

存储在控制器中的查找表用作控制器的一个索引，以找到相应的动作。它加速了阻抗调谐过程。

如本文所使用的，“无线功率发射器”是一个将电能无线传送到电负载的发射器。

如本文所使用的，“相位检测器”是一个检测输入信号的相位的电路。

如本文所使用的，“相位差计数器”或“相位差检测器”是一个检测其两个输入信号之间的相位差的电路。

如本文所使用的，“阻抗匹配系统”是一个在发射器和接收器之间提供阻抗匹配的系统。

如本文所使用的，“阻抗调谐电路”是一个具有可调谐的阻抗的电路。

如本文所使用的，“阈值检测电路”是一个将输入信号转换为方波的电路。

根据示例性实施例提供的方法和装置，是作为示例的，一个方法或装置的示例不应被解释为限制另一方法或装置的示例。此外，在不同附图中讨论的方法和装置可以添加入其他附图中的方法和装置或与其他附图中的方法和装置交换。此外，具体的数据值(如具体数量、数目、类型、度数等)或其他具体信息应被解释为说明性的，用于讨论示例性实施例。

Claims (20)

1.一种向负载供电的无线功率发射器，包括：

逆变器，其将所述逆变器的输入端的直流电(DC)信号转换为所述逆变器的输出端的交流电(AC)信号；

第一相位检测器，其检测所述逆变器的输出端的输出电压的第一相位；

第二相位检测器，其检测所述逆变器的输出端的输出电流的第二相位；

相位差计数器，对所述输出电压的第一相位和所述输出电流的第二相位之间的相位差进行计数；

控制器，其从所述相位差计数器接收所述相位差，并生成一个控制信号，所述控制信号响应于所述负载的不同阻抗的变化，而改变所述逆变器的输出阻抗，所述负载与所述逆变器的输出端耦合；和

阻抗调谐电路，其从所述控制器接收所述控制信号，并将所述逆变器的输出阻抗的虚部调谐为零，以使得从所述无线功率发射器到所述负载的功率传输效率最大化。

2.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述阻抗调谐电路将所述逆变器的输出阻抗的虚部的绝对值减小到零，以使得从所述逆变器到所述负载的功率传输效率最大化。

3.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述相位差计数器在多个时钟周期中对所述输出电压的第一相位与所述输出电流的第二相位之间的差进行计数。

4.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述第一相位检测器还包括：

阈值检测电路，其将所述输出电压转换为方波形式的第一信号，

其中所述方波的上升沿对应所述第一信号的第一相位参考点。

5.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述第二相位检测器还包括：

转换器，其将所述输出电流转换为一个电压；和

阈值检测电路，其将所述电压转换为方波形式的第二信号，

其中所述方波的上升沿对应所述第二信号的第二相位参考点。

6.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述相位差计数器还包括：

OR逻辑电路，其根据对应所述输出电压的第一信号和对应所述输出电流的第二信号来生成一个周期信号；

第一计数器，其由所述周期信号启用，当所述第一计数器接收到所述第一信号的上升沿时，所述第一计数器开始计数，当所述第一计数器接收到所述第二信号的上升沿时，停止计数；和

第二计数器，其由所述周期信号启用，当所述第二计数器接收到所述第二信号的上升沿时，所述第二计数器开始计数，当所述第二计数器接收到所述第一信号的上升沿时，停止计数；

其中一个时钟信号被发送到所述第一计数器和所述第二计数器，以在多个时钟周期中对所述第一相位和所述第二相位之间的差进行计数；和

其中所述第一信号和第二信号是方波。

7.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述阻抗调谐电路包括：

电容器阵列，其有并联连接的多个电容器；和

多个开关，其中每个开关与其中一个所述电容器连接，并能够在打开状态和闭合状态之间切换；

其中所述开关响应于所述控制器的控制信号而切换状态，以达到所述电容器阵列的电容值。

8.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其中所述控制器根据一个查找表和一个算法产生所述控制信号，其中所述查找表确定所述阻抗调谐电路中的电容器阵列的电容值。

9.一种由向负载供电的无线功率发射器执行的方法，所述方法包括：

通过所述无线功率发射器的逆变器，将所述逆变器的输入端的直流电(DC)信号转换为所述逆变器的输出端的交流电(AC)信号；

所述无线功率发射器的第一相位检测器检测所述逆变器的输出端的输出电压的第一相位；

所述无线功率发射器的第二相位检测器检测所述逆变器的输出端的输出电流的第二相位；

所述无线功率发射器的相位差计数器对所述输出电压的第一相位与所述输出电流的第二相位之间的相位差进行计数；

所述无线功率发射器的控制器从所述相位差计数器接收所述相位差；

所述无线功率发射器的控制器生成一个控制信号，所述控制信号响应于所述负载的不同阻抗的变化，而改变所述逆变器的输出阻抗，所述负载与所述逆变器的输出端耦合；

所述无线功率发射器的阻抗调谐电路从所述控制器接收所述控制信号；和

所述无线功率发射器的阻抗调谐电路将所述逆变器的输出阻抗的虚部调整为零，以使得从所述无线功率发射器到所述负载的功率传输效率最大化。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

根据所述输出电压的第一相位和所述输出电流的第二相位之间的相位差，所述相位差计数器产生一个数字；

所述相位差计数器的积分器对一个周期内的数字进行积分；

所述相位差计数器根据所述数字，产生所述周期上的一个平均数；和

所述相位差计数器向所述控制器发送所述平均数。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

转换器将所述输出电流转换为一个电压；

所述第一相位检测器将所述输出电压转换为方波形式的第一信号；

所述第二相位检测器将所述输出电流转换为方波形式的第二信号；和

所述第一相位检测器和第二相位检测器将所述第一信号和第二信号发送到所述相位差计数器。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括：

根据对应所述输出电压的第一信号和对应所述输出电流的第二信号，所述相位差计数器的OR逻辑电路生成一个周期信号；和

所述相位差计数器对所述第一信号的上升沿和所述第二信号的上升沿之间的时间进行计数，

其中所述相位差计数器是由所述周期信号启用；和

其中一个时钟信号被发送到所述相位差计数器，以在多个时钟周期上对所述第一相位和所述第二相位之间的差进行计数。

13.根据权利要求9所述的方法，还包括：

将所述逆变器的输出阻抗的虚部的绝对值减小到零，以使得从所述逆变器到所述负载的功率传输效率最大化。

14.根据权利要求9所述的方法，还包括：

所述控制器根据一个查找表和一个算法产生所述控制信号，其中所述查找表确定所述阻抗调谐电路中的电容器阵列的电容值。

15.一种连接到逆变器的放大器和负载的阻抗匹配系统，包括：

第一相位检测器，其检测所述逆变器的输出端的输出电压的第一相位；

第二相位检测器，其检测所述逆变器的输出端的输出电流的第二相位；

相位差检测器，其检测所述输出电压的第一相位和所述输出电流的第二相位之间的相位差；

控制器，其从所述相位差计数器接收所述相位差，并产生一个控制信号，所述控制信号响应于检测到的所述负载发生的变化而改变所述变流器的输出阻抗，所述负载与所述阻抗匹配系统耦合；和

阻抗调谐电路，其从所述控制器接收所述控制信号，并将所述逆变器的输出阻抗的虚部变为零，以使得从所述逆变器到所述负载的功率传输效率最大化。

16.根据权利要求15所述的阻抗匹配系统，其中所述相位差检测器检测所述第一相位和所述第二相位之间的差，并根据所述第一相位和所述第二相位之间的差产生一个数字，对一个周期中的数字进行积分，生成所述周期上的一个平均数，并将所述平均数发送给所述控制器。

17.根据权利要求15所述的阻抗匹配系统，其中所述阻抗调谐电路将所述逆变器的输出阻抗的虚部的绝对值减小到零，以使得从所述逆变器到所述负载的所述功率传输效率最大化。

18.根据权利要求15所述的阻抗匹配系统，其中所述相位差计数器还包括：

OR逻辑电路，其基于对应所述输出电压的第一信号和对应所述输出电流的第二信号来生成一个周期信号；

第一计数器，由所述周期信号启用，当所述第一计数器接收到所述第一信号的上升沿时，所述第一计数器开始计数，当所述第一计数器接收到所述第二信号的上升沿时，停止计数；和

第二计数器，由所述周期信号启用，当所述第二计数器接收到所述第二信号的上升沿时，所述第二计数器开始计数，并当所述第二计数器接收到所述第一信号的上升沿时，停止计数，

其中一个时钟信号被发送到所述第一计数器和所述第二计数器，以在多个时钟周期中对所述第一相位和所述第二相位之间的差进行计数；和

其中所述第一信号和第二信号是方波。

19.根据权利要求15所述的阻抗匹配系统，其中所述阻抗调谐电路包括：

电容器阵列，其有并联连接的多个电容器；和

多个开关，每个开关与其中一个所述电容器连接，并能够在打开状态和闭合状态之间切换，

其中所述开关响应于所述控制器的控制信号而切换状态以达到所述电容器阵列的电容值。

20.根据权利要求15所述的阻抗匹配系统，其中所述控制器根据一个查找表和一个算法产生所述控制信号，其中所述查找表确定所述阻抗调谐电路中的电容器阵列的电容值。