CN107294223A - 操作无线电源发射器的反相器的方法及相应的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了操作无线电源发射器的反相器的方法、无线电源发射器及非易失性计算机可读介质，其中，所述方法可包括：测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示；根据所述特征指示确定所述反相器的占空比；以及使用所述确定的占空比切换所述反相器；其中，所述反相器的电压根据谐振网络而改变。本发明实施例可通过调整切换反相器的时间来提高效率。

Description

操作无线电源发射器的反相器的方法及相应的装置
【技术领域】
本发明涉及无线电源输送技术领域，尤其涉及操作无线电源发射器的反相器的方法、无线电源发射器及非易失性计算机可读介质。
【背景技术】
作为不使用电线或连接器传输电源(power)的简便方式，无线电源传输系统(Wireless Power Transfer Systems，WPTS)变得越来越受欢迎。当前在产业中发展的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源发射器和无线电源接收器。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)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源控制机制。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)来控制输出电源。在典型的应用中，磁谐振WPTS系统操作在6.78MHz的频率。
许多产业委员会均已致力于为基于无线电源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系统无法互操作。
E类放大器为基于开关模式的放大器，其使用电感电容网络(LC网络)的谐振来实现软切换(soft switching)以获得较高的效率。射频应用中常使用E类放大器。
【发明内容】
本发明提供操作无线电源发射器的反相器的方法、无线电源发射器及非易失性计算机可读介质，可通过调整切换反相器的时间来提高效率。
本发明提供的一种操作无线电源发射器的反相器的方法，包括：测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示；根据所述特征指示确定所述反相器的占空比；以及使用所述确定的占空比切换所述反相器；其中，所述反相器的电压根据谐振网络而改变。
本发明提供的一种无线电源发射器，可包括：反相器，所述反相器的电压根据谐振网络而改变；以及控制电路，用于测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示，根据所述特征指示确定所述反相器的占空比，以及使用所述确定的占空比切换所述反相器。
本发明提供的一种非易失性计算机可读介质，包括存储在其中的指令，当处理器执行所述指令时，将执行本发明中操作无线电源发射器的反相器的方法，其中，所述反相器的电压根据谐振网络而改变。
由上可知，本发明所提供的所有技术方案中，根据测量的无线电源发射器能看到的负载的特征指示确定反相器的占空比，并使用所述确定的占空比切换所述反相器，由此，本发明实施例可通过调整切换反相器的时间来提高效率。
【附图说明】
图1A示出硬切换的情形时电压与时间变化的关系图。
图1B示出零电压切换情形时电压与时间的关系图。
图1C示出二极管导电情形时电压与时间的关系图。
图2示出无线电源系统100的框图。
图3示出E类放大器30的一个实施例。
图4根据本发明的一些实施例示出操作无线电源发射器的方法。
图5示出阻抗Xref的范围的一个实施例。
图6根据本发明的一个仿真示例示出对应不同阻抗情形的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功率损耗的图示。
【具体实施方式】
在WPTS系统中，无线电源发射器和无线电源接收器可彼此电感耦合。由于彼此之间的间隙、线圈几何形状和/或布局位置的影响，无线电源发射器和无线电源接收器彼此松散地(loosely)耦合，也即，耦合系数(coefficient)相对较低。因为所述间隙、所述无线电源接收器的布局位置、所述无线电源接收器能看到的负载中的至少一个至少在耦合时改变，因此，所述无线电源发射器能看到的负载阻抗可能在较大范围内变化。例如，当多个接收器靠近所述发射器设置时，所述无线电源发射器能看到的负载阻抗可能变化，或者，当有外部的金属物体放置在所述发射器附近，所述无线电源发射器能看到的负载阻抗可能变化。当所述无线电源发射器包括使用电感电容谐振的反相器时，例如，E类放大器，所述无线电源发射器能看到的负载阻抗的变化将改变所述反相器(inverter)的调谐。当所述调谐被改变，所述反相器中的电流波或电压波的周期(timing)也将发生变化。因此，如图1A-1C所示，硬切换(hard switching)或二极管导电(diode conduction)将导致效率的降低。
如图1A所示，当晶体管在跨越晶体管的电流或电压下降到0之前切换状态则发生硬切换，由此产生损耗功率(wasted power)。例如，如图1A所示，在时间T0，当跨越晶体管的电压仍为高(例如，为电平A)时，晶体管切换状态。软切换(soft switching)为一种可减小电源电子开关中的损失(loss)的方式。当晶体管的操作被控制以使电压或电流限制为零或接近零时，晶体管切换状态，则发生软切换。如图1B所示，当跨越晶体管的电压为零或接近零时切换晶体管，也即执行零电压切换(为一种类型的软切换)，可能非常有益。例如，如图1B所示，在时间T0，当跨越晶体管的电压约为零时晶体管切换状态，这减小了晶体管切换时的功率损耗。但是，如图1C所示，如果跨越晶体管的电压过早下降至0，将发生二极管导电，导致二极管电压下降并降低效率。如图1C所示，在点C，跨越晶体管的电压下降为0，但是晶体管并不在点C切换状态而是等到时间T0才切换状态。晶体管的体二极管的二极管导电发生在点C和时间T0之间，这降低了效率。
因此，期望操作无线电源发射器以获得图1B所示的周期，以获得零电压切换。但是，当无线电源发射器能看到的负载阻抗发生变化时，反相器的调谐也被改变，因此，如图1A或1C所示，调谐的改变将改变电压波的周期，并使效率由于硬切换或二极管导电而降低。
目前存在针对E类放大器的失谐问题的一些解决方案，但是这些方案需要依赖放大器外部的器件，例如，可调的负载电容器，来改变反相器的LC网络中的电感或电容的效率值。改变电感或电容的效率值的机制可能需要额外的开关、电容器或电感器来控制效率电感或效率电容。所述额外的开关、电容器或电感器可能尺寸较大、成本较高或可能降低效率。
本发明所描述的方案可在无线电源发射器能看到的阻抗改变时，通过调整切换反相器的时间来提高效率。因此，可产生接近期望的零电压切换的切换波形。在一些实施例中，在不需要调谐反相器的LC网络的效率电感或效率电容的情形下，便可产生上述接近期望的零电压切换的切换波形。在描述本发明的方案之前，将参考图2描述整个的WPTS系统。
图2示出无线电源系统100的框图，其包括无线电源发射器1和无线电源接收器11。无线电源发射器1包括驱动电路7，驱动电路7包括反相器3用于通过匹配网络6驱动发射线圈10。无线电源发射器1可包括稳压源2(例如，电压调节器)用于为反相器3提供调节后的直流(DC)电压。稳压源2根据控制器5输出的控制激励产生所述调节后的直流电压。在一些实施例中，驱动电路7可为软切换电源转换器，例如，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(AC)输出电压以驱动发射线圈10。产生交流输出电压使无线电源通过电磁感应进行传输。控制器5可控制信号发生器9使用具有选择的无线电源传输频率的信号驱动反相器3。例如，反相器3可在频率100kHZ-205kHZ的频率范围发生切换，以将电源传输至设计为根据质量指标(该质量指标为对应低电源质量指标(Qi)的接收器的质量指标)接收无线电源的无线电源接收器，而当无线电源接收器为中电源质量指标接收器时，反相器3可在频率80kHZ-300kHZ的频率范围发生切换。反相器也可在更高的频率发生器和，例如，位于ISM频率内的高于1MHz的频率，例如，6.765MHz-6.795MHz的频率范围内的频率，以将电源传输至设计为使用磁谐振技术接收无线电源的接收器。但是，需要说明的是，本发明所描述的频率仅用于举例说明，实际应用中，无线电源可在符合合适的规范的各种合适的频率下进行传输。控制器5可为模拟电路，数字电路或者它们的结合。控制器5可根据存储器的程序指令被编程，并可命令信号发生器9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切换。匹配网络6可通过为反相器3呈现合适的阻抗来帮助无线电源传输。匹配网络可包括一个或多个电容性或电感性的元件，或者电容性和电感性的元件的任意适宜的组合。由于发射线圈10可具有电感性的阻抗，因此，在一些实施例中，匹配网络6可包括一个或多个电容性的元件，当这些元件与发射线圈10的电感相结合时，在反相器3的输出端呈现适合驱动发射线圈10的阻抗。在一些实施例中，在无线电源的传输过程中，匹配网络6的谐振频率可等于或约等于反相器3的切换频率。发射线圈10可通过任意适宜类型的导体实现。所述导体可为导线(包括单线或绞合线)或图案导体(例如，印刷电路板的图案导体或集成电路的图案导体)。
发射线圈10中的交流电流依照安培法则产生振荡磁场。所述振荡磁场依照法拉第法则将交流电压感应至无线电源接收器11的接收器线圈12。接收器线圈12上感应的交流电压经过匹配网络13提供至整流器14，由整流器14产生未调节的直流电压。整流器14可为同步整流器或可通过二极管实现。使用直流-直流转换器15调节所述未调节的直流电压。随后，直流-直流转换器15的输出被滤波并作为输出电压Vout提供给负载。在可选的实施例中，可用线性稳压器或电池充电器代替直流-直流转换器15，或者，直流-直流转换器15以及线性稳压器或电池充电器均可从电路中去掉。
如前所述，反相器3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以驱动发射线圈10。E类放大器可使用LC谐振使跨越开关的电压在开关切换的时间变为零或近似为零，由此可获得或近似获得零电压切换。但是，本发明并不限于使用E类放大器实现反相器3，其他合适的放大器也可被使用，例如其他类型的软切换电源转换器。反相器3可为单端放大器或差分放大器，对此，本发明并不严格限定。
图3示出E类放大器30的一个实施例。放大器30可包括位于晶体管32a与稳压源2之间的扼流电感器Lchoke 33a和位于晶体管32b与稳压源2之间的扼流电感器Lchoke 33b。放大器30还可包括分别用于晶体管32a和32b的栅极(gate)驱动器36a和36b、分别与晶体管32a和32b平行的电容器C1a和C1b、接地端以及通向输出端的串联的LC电路35a和35b，该串联的LC电路至少包括Cs、Ltx以及Lccs。当晶体管导通(turn on)时，导通的晶体管在其扼流电感器33a或33b保存能量。当晶体管截止(switch off)时，其扼流电感器33a或33b将能量送至相应的LC回路31a或31b。在调整好的E类放大器中，当跨越晶体管的电压为高时，流经晶体管的电流较小，当跨越晶体管的电压为低时，流经晶体管的电流较大。因此，当流经晶体管的电流较少时，跨越开关的电压和电流也总是较小，由此产生较好的效率。
如上面所述，在一些实施例中，可根据无线电源发射器1能看到的负载阻抗调节反相器3的切换时间，由此提高效率。例如，在一些实施例中，根据无线电源发射器1能看到的负载阻抗调节反相器3的占空比(duty cycle)。
图4根据本发明的一些实施例示出操作无线电源发射器的方法。无线电源发射器1从步骤S1开始发射，具体的，在步骤S1，无线电源发射器以选择的占空比切换反相器3。在一些实施例中，无线电源发射器可以已知的可安全进行发射的占空比开始发射。
在步骤S2，测量无线电源发射器能看到的负载的特征指示(characteristicindicative)。作为举例，在步骤S2，测量无线电源发射器1能看到的负载阻抗Xref。在一些实施例中，可使用测量电路16(如图2所示)测量Xref。测量电路16可耦接于驱动电路7，例如耦接于反相器3、匹配网络6、以及发射线圈10中至少一个。在一些实施例中，测量电路16可包括电压传感器和/或电流传感器。测量电路16的测量结果可提供给控制器5进行分析。
可由有负载时发射线圈10的阻抗Zcoil和无负载下的发射线圈10的阻抗Zcoil0的差值确定Xref。其中，Zcoil0在设计阶段便可知晓。Zcoil和Zcoil0均包括实部和虚部。所述实部为电阻成分，所述虚部为电感(正值)或电容成分(负值)。在一些实施例中，可认为Zcoil的虚部大于实部。因此，可假设Zcoil仅为纯粹的虚部。因此，Zcoil的虚部可近似为阻抗的大小，也即，Zcoil～＝jωL+jXref；|Zcoil|＝ωL+Xref＝|Zcoil0|+Xref。
基于这样的近似，Xref可按照如下方式进行计算：
基于这样的近似，可通过Vcoil和Icoil测量Zcoil。作为举例，可使用测量电路16的电压传感器和电流传感器测量Vcoil和Icoil的大小。例如，可使用峰值或均方根检测。但是，在一些实施例中，并未使用上述的近似，而有考虑相位，如此可获得更精确的测量。在一些实施例中，可通过计算电压驻波比(voltage standing wave ratio)确定Xref。测量电路16的测量结果可提供给控制器5，控制电路5可计算并确定无线电源发射器能看到的负载的特征指示(例如，负载阻抗Xref)。
本发明不限于仅在步骤S2确定无线电源发射器1能看到的阻抗，其他无线电源发射器1能看到的负载的特征指示，例如，无线电源发射器1能看到的电抗(reactance)，也可被确定。
在步骤S3，根据无线电源发射器能看到的负载的特征指示确定占空比。可将负载的特征指示与合适的占空比进行映射，以提高效率。例如，在一些实施例中，可使用Xref确定反相器3的占空比。当Xref为负值，也即，有负载时的线圈阻抗Zcoil小于无负载时的线圈阻抗Zcoil0，表示系统处于二极管导电状态，因此，需要增加导通时间来提高效率。进而，需要选择更大的占空比。当Xref为正值，表示系统处于硬切换状态，因此，需要减小导通时间来提高效率。进而，需要选择更小的占空比。当Xref为0，表示系统处于调谐状态，因此，无需调整导通时间。
可使用多种方式确定占空比。例如，在一些实施例中，可使用查询表格将Xref与占空比进行映射。在一些实施例中，可使用存储的占空比函数VS和Xref确定占空比。在一些实施例中，可使用相应的算法递增地将占空比调整为最优值。这里可使用任意合适的算法，例如，爬山算法，使用效率或另一个参数作为需要最大化的变量。所述查询表格、函数、以及算法可存储在控制器5的存储单元中，或者无线电源发射系统的其他部位。在一些实施例中，步骤S2可由控制器5实施。
在步骤S4，应用步骤S3确定的占空比。例如，控制器5可确定所述占空比并控制信号发生器9产生控制信号控制反相器3产生具有控制器5命令的占空比的切换波。方法再次回到步骤S2。
图5示出阻抗Zref的范围的一个实施例。其中，纵轴示出Zref的虚部Xref，横轴示出Zref的实部。Zref的典型的值位于图框(图中最大的正方形的虚线框)的中间(椭圆形的虚线框)。因此，当Zref位于图框中间时，无线电源发射器的反相器可被调谐以获得软切换。但是，当Zref位于图框最上面的三分之一区域时，发生硬切换。而当Zref位于图框最下面的三分之一区域时，发生二极管导电。本发明的实施例可提高效率，尤其当Zref位于图框最上面的三分之一区域或最下面的三分之一区域时。所述图框可被划分为下面的9个区域：UL(左上方)、UM(中上方)、UR(右上方)、ML(左中部)、MM(正中间)、MR(右中部)、LL(左下方)、LM(中下方)以及LR(右下方)。
图6根据本发明的一个仿真示例示出对应不同阻抗情形的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的功率损耗的图示。在每个区间内，从左至右表示Xref下降。线A表示4/8的占空比，线B在UL(左上方)、UM(中上方)以及UR(右上方)区域具有4/8的占空比，在MM(正中间)、LL(左下方)、LM(中下方)以及LR(右下方)区域具有5/8占空比。线B示出占空比调整的效果，具体而言，通过调整硬切换和二极管导电区域的占空比，功率损耗下降，且最差的MOSFET损耗被改善28％。可以理解的是，这仅是举例，可使用适合特定应用的任意适宜的占空比，而不限于4/8和5/8。此外，可供选择的不同占空比的数量也不限于2个，可选择任意适宜数量的占空比，例如，2个、10个或更多。
如前所述，可使用控制器5控制无线电源发射器，且可使用任意合适类型的电路实现控制器。例如，可使用硬件或硬件结合软件的方式实现控制器5。当使用软件实现控制器5，合适的软件可在任意合适的单个处理器(例如，微处理器)或处理器组上执行。一个或多个控制器可采用多种方式实现，例如，使用专用的硬件实现，或使用通用的硬件(例如，一个或多个处理器)实现，所述通用的硬件由微指令或软件编程以执行上述的功能。
为此，本发明所揭露的数据结构和所提及的代码可全部或部分地存储在一个计算机可读存储介质、硬件模块或硬件装置中。所述计算机可读存储介质包括，但不限于，易失性存储器、非易失性存储器，磁性或光学存储设备(例如，硬盘、磁带、光碟机，数字光碟机)，或者其他现在已知或者将来会发展的有能力存储代码和/或数据的介质。本发明所揭露的硬件模块或硬件装置包括，但不限于，专用集成电路(Application-Specific IntegratedCircuits，ASICs)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Arrays，FPGAs)、专用的或共享的处理器，以及其他当前已知或将来会发展的硬件模块或装置。
虽然本发明实施例通过一部分实施例进行描述，但本发明并不限局限于本文所述的特定形式。准确地说，本发明的范围仅由相应的权利要求所限定。另外，尽管一个特征可能仅在一个特定实施例中被描述，然而本领域技术人员可以知道，参考本发明，所描述的实施例中的多个特征可被组合。在权利要求中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤的存在。
进一步，尽管单个特征可能包括在不同的权利要求中，这些特征可尽量地被有利地结合，并且包含在不同的权利要求中并不表示特征之间的结合是不可行的和/或是不利的。另外，包含在一种类型的权利要求中的特征并不表示限定在该类中，相反地，表示根据实际情况，这些特征也可同样地适用于其他类型的权利要求。
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 (20)

1.一种操作无线电源发射器的反相器的方法，其中，所述反相器的电压根据谐振网络而改变，其特征在于，所述包括：
测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示；
根据所述特征指示确定所述反相器的占空比；以及
使用所述确定的占空比切换所述反相器。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反相器包括E类放大器。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载的所述特征指示包括阻抗或电抗。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述无线电源发射器测量的信号的大小估计所述负载的所述特征指示。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据测得的电压和电流的大小估计所述负载的所述特征指示。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述特征指示确定所述反相器的占空比的步骤，包括：
当所述阻抗的虚部下降时，增加所述占空比。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述特征指示确定所述反相器的占空比的步骤，包括：
当所述阻抗的虚部增加时，减小所述占空比。
8.一种无线电源发射器，其特征在于，包括：
反相器，所述反相器的电压根据谐振网络而改变；以及
控制电路，用于测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示，根据所述特征指示确定所述反相器的占空比，以及使用所述确定的占空比切换所述反相器。
9.如权利要求8所述的无线电源发射器，其特征在于，所述反相器包括E类放大器。
10.如权利要求8所述的无线电源发射器，其特征在于，所述负载的所述特征指示包括阻抗或电抗。
11.如权利要求10所述的无线电源发射器，其特征在于，所述控制电路根据所述无线电源发射器测量的信号的大小估计所述负载的所述特征指示。
12.如权利要求11所述的无线电源发射器，其特征在于，所述控制电路根据测得的电压和电流的大小估计所述负载的所述特征指示。
13.如权利要求11所述的无线电源发射器，其特征在于，当所述阻抗的虚部下降时，所述控制电路增加所述占空比。
14.如权利要求11所述的无线电源发射器，其特征在于，当所述阻抗的虚部增加时，所述控制电路减小所述占空比。
15.如权利要求8所述的无线电源发射器，其特征在于，所述控制电路包括：
测量电路，用于测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示；
控制器，用于根据所述测量电路测量的特征指示确定所述反相器的占空比；
信号发生器，用于根据所述控制器的控制产生控制信号，所述控制信号用于控制所述反相器产生具有所述占空比的切换波形及根据所述切换波形执行切换。
16.一种非易失性计算机可读介质，包括存储在其中的指令，当处理器执行所述指令时，将执行操作无线电源发射器的反相器的方法，其中，所述反相器的电压根据谐振网络而改变，其特征在于，所述包括：
测量所述无线电源发射器能看到的负载的特征指示；
根据所述特征指示确定所述反相器的占空比；以及
使用所述确定的占空比切换所述反相器。
17.如权利要求16所述的非易失性计算机可读介质，其特征在于，所述负载的所述特征指示包括阻抗或电抗。
18.如权利要求17所述的非易失性计算机可读介质，其特征在于，根据所述无线电源发射器测量的信号的大小估计所述负载的所述特征指示。
19.如权利要求18所述的非易失性计算机可读介质，其特征在于，根据测得的电压和电流的大小估计所述负载的所述特征指示。
20.如权利要求15所述的非易失性计算机可读介质，其特征在于，所述根据所述特征指示确定所述反相器的占空比的步骤，包括：
当所述阻抗的虚部下降时，增加所述占空比；
当所述阻抗的虚部增加时，减小所述占空比。
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