CN107431384B

CN107431384B - 双频带无线电力接收单元

Info

Publication number: CN107431384B
Application number: CN201680013975.5A
Authority: CN
Inventors: 黄锺泰; 朴成旼; 秦基雄; 全商吾; 宋益圭; 申铉翊; 李焌
Original assignee: Maps Inc
Current assignee: Maps Inc
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: KR101837121B1; US10714975B2; CN107431384A; US20180048185A1; KR20160108156A

Abstract

公开了一种双频带无线电力接收单元。根据一个实施方式的无线电力接收单元包括：第一谐振器；第二谐振器，其与第一谐振器并联连接；单个整流器，其具有作为输入的节点，在所述节点处第一谐振器的输出和第二谐振器的输出彼此并联连接；至少一个开关，其具有第一输出、第二输出和输入，其中第二输出连接至地；至少一个电容器，其并联连接至第二谐振器，并且其一个端子连接至开关的第一输出，另一端子连接至整流器输入；以及频率传感器，其根据整流器输入来感测输入频率，并且其输出连接至开关的输入。

Description

双频带无线电力接收单元

技术领域

本发明涉及无线电力接收单元(PRU)。

背景技术

近来，无线充电系统主要通过两种方法来实现。一种方法是紧耦合方法，其中电力发射单元(power transmitting unit，PTU)的天线和电力接收单元(power receivingunit，PRU)的天线应当位置匹配并且彼此靠近。该方法由于工作频率低、PTU的天线和PRU的天线位于彼此的短距离内并且彼此相对精确地匹配，因此具有良好的效率，并且该方法还具有已建立的控制方法，因为其控制方法类似于常规的谐振逆变器方法。作为由这样的技术采用的标准，存在电力事件联盟(Power Matters Alliance，PMA)方法和无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)的Qi方法。

Qi方法和PMA方法效率高并且生产成本相对较低。然而，单个PTU难以同时向两个或更多个PRU提供能量，并且当PTU的天线和PRU的天线在位置上不匹配时还会迅速降低充电效率。此外，即使PTU与PRU之间的距离稍微增加，充电效率也会降低，因此上述方法不便于一般用户使用。

为了解决这些问题，与上述标准不同，已经提出了一种通过提高能量发射频率使用磁谐振技术而能够不管距离和位置地执行充电动作的标准。无线电力联盟(Alliancefor Wireless Power，A4WP)是其代表性标准。虽然Qi方法和PMA方法以约80kHz至约200kHz的频率范围发射能量，但是A4WP可以具有6.78MHz高频的小天线，并且即使当天线彼此分离时，也能够通过匹配PRU与PTU的谐振器的谐振频率来进行无线充电。通过使用A4WP方法，在几cm²的面积内提供几瓦特的功率并不困难，并且也可以同时向多个PRU发射能量。这种方法被称为松耦合方法。然而，该方法具有高工作频率，使得由于以高频驱动有源元件，因此与紧耦合方法相比其实现难度大并且效率低。

Qi方法、PMA方法和A4WP方法各具有优缺点，因此三种方法混合使用。然而，各种标准具有不同的频率，因此其无线充电标准彼此不兼容。因此，需要能够接收来自任何标准的PTU的无线电力的PRU。

发明内容

技术问题

根据一个实施方式，提出了能够用单个整流器从不同的谐振器接收能量的双频带无线电力接收单元(PRU)。

技术解决方案

根据实施方式的无线电力接收单元(PRU)包括：第一谐振器；第二谐振器，其与第一谐振器并联连接；单个整流器，其具有作为输入的节点，在所述节点处第一谐振器的输出和第二谐振器的输出彼此并联连接；至少一个开关，其具有第一输出、第二输出以及输入，其中第二输出连接至地；至少一个电容器，其并联连接至第二谐振器，并且具有连接至开关的第一输出的一个端子和连接至整流器的输入的另一端子；以及频率检测器，其被配置成根据整流器的输入来检测输入频率，并且具有连接至开关的输入的输出。

第一谐振器可以是高频谐振器，第二谐振器可以是低频谐振器。第一谐振器可以是具有串联连接的至少一个电感器和至少一个电容器的串联谐振器。第二谐振器可以是具有串联连接的至少一个电感器和至少一个电容器的串联谐振器。

当由频率检测器检测到的频率是低频时，开关可以被接通，并且当由频率检测器检测到的频率是高频时，开关可以被断开，以使电容器与整流器的输入分离。

本发明的有益效果

根据本发明，提出了一种用于通过使用单个整流器连接的具有不同谐振频率的两个谐振器以无线方式接收电力的双频带无线电力接收单元(PRU)。当能量意在被传送至单个谐振器时，能量可能被传送至另一谐振器，因此可能不容易传送至整流器。因此，在常规技术中应当使用两个整流器。然而，根据本发明，通过使用附加的开关来解决该问题，因此可以通过使用单个整流器从不同的谐振器接收能量。还可以制造既支持高频充电方法比如无线电力联盟(A4WP)方法又支持低频充电方法比如Qi方法或电力事件联盟(PMA)方法的无线电力接收单元。

附图说明

图1是示出具有两个谐振器和两个整流器以便兼容Qi方法和无线电力联盟(A4WP)方法的无线电力接收单元(PRU)的电路图。

图2是示出串联谐振电路的电路图。

图3是示出串联谐振电路和并联电容器的电路图。

图4是示出接收Qi频率的能量的无线PRU的电路图。

图5是示出接收A4WP频率的能量的无线PRU的电路图。

图6是示出根据本发明的实施方式的具有单个整流器的双频带无线PRU的电路图。

图7和图8分别是示出表示接收A4WP频率的电力(当在Qi谐振器中不存在并联电容器时)的实验结果的图和示出无线PRU的电路图。

图9和图10分别是示出表示接收Qi频率的电力(当在Qi谐振器中不存在并联电容器时)的实验结果的图和示出无线PRU的电路图。

图11和图12分别是示出表示并联电容器附接至Qi谐振器的实验结果的图和示出无线PRU的电路图。

图13和图14分别是示出表示当Qi谐振器根据本发明提出的方法操作时将Qi谐振器的并联电容器连接至地的实验结果的图和示出无线PRU的电路图。

图15是示出根据本发明的实施方式的使用半波整流器的双频带无线PRU的电路图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。在下面的描述中，当确定相关已知的功能或配置的详细描述会不必要地模糊本发明的要点时，将省略详细描述。此外，本文使用的术语是考虑到本发明的功能而限定的，并且可以根据用户、操作者的意图或习惯而改变。因此，术语必须基于本说明书的以下整体描述而限定。

参照图1，一般的双频带无线PRU包括适合于高频的谐振器和整流器以及适合于低频的谐振器和整流器。对于高频，可以使用A4WP方法。在下文中，使用A4WP谐振器10-1和A4WP整流器20-1作为示例来描述高频谐振器和高频整流器。对于低频，可以使用具有相似频带和工作方法的Qi方法或电力事件联盟(PMA)方法。在下文中，将使用Qi谐振器10-2和Qi整流器20-2作为示例来描述低频谐振器和低频整流器。然而，这是出于用户方便的目的，因此当可以使用Qi方法和A4WP方法两者时则可以使用PMA方法和A4WP方法两者。

A4WP谐振器10-1包括电感器L1 100-1和电容器Cs1 102-1和Cp1 104-1。Qi谐振器10-2包括电感器L2 100-2和电容器Cs2 102-2和Cp2 104-2。在图1，L1 100-1、Cs1 102-1、Cp1 104-1、L2 100-2、Cs2 102-2和Cp2 104-2具有假设的实现稳定电路的值，但不限于此。

谐振器10-1和10-2分别连接至A4WP整流器20-1的输入电压VACP 200-1和VACN202-1以及Qi整流器20-2的输入电压VACP2 200-2和VACN2 202-2。电容器CRECT 222连接至整流器输出电压VRECT 220，以将接收的交流(AC)电力转换为直流(DC)电力。降压转换器30将整流器输出电压VRECT 220转换成负载所需的精确电压，并向负载提供稳定的电压。在图1中，假设降压转换器30输出5V。

以上参照图1描述的无线PRU通过使用独立的整流器20-1和整流器20-2来处理A4WP方法和Qi方法的频率输入，因此可以用在两种方法中。然而，图1的无线PRU由于需要两个整流器20-1和20-2，因此需要额外的成本并且难以实现为适用于便携式设备的小型无线PRU。为了解决这些问题，将参照图2和图3分析谐振器。

图2是示出串联谐振电路的电路图。

图2所示的谐振器通过从图1的两个谐振器10-1和10-2去除电容器Cp1 104-1和Cp2 104-2而形成。谐振器是串联谐振器，因为电感器L 100和电容器Cs 102串联连接。在这种情况下，通过将由电感器L 100和电容器Cs 102构成的谐振频率设置为近似等于或类似于电力发射单元(PTU)的电力发射频率，可以实现高的接收效率。相应地，图1中的电感器L1100-1和电容器Cs1 102-1的谐振频率高于电感器L2 100-2和电容器Cs2 102-2的谐振频率。

在谐振频率处，图2的串联谐振器由于其阻抗Ztank理论上变为零，所以具有最大的电流接收。另一方面，当由PTU提供的电力的频率低于或高于谐振频率时，阻抗Ztank增加，因此谐振器的输出电流迅速降低。也就是说，可以看出，当电力的频率不是谐振频率时，阻抗Ztank是非常高的。

图3是示出串联谐振电路和并联电容器的电路图。

参照图3，电容器Cp 104是并联连接至谐振器的电容器，并且是当能量未传送至整流器时形成为使谐振器的能量循环的一种能量循环通路。当不存在电容器Cp 104并且图1的整流器不操作时，串联谐振电路响应于由VACP 200-1和VACN 202-1产生的寄生电容，从而产生高频噪声。这会影响PRU的工作稳定性并且增加其电磁干扰(EMI)。因此，添加电容器Cp 104来抑制这样的现象。通常，电容器Cp 104被设置为适度地小于电容器Cs 102。当电容器Cp 104被设置为远小于电容器Cs 102时，去除噪声的效果消失。当电容器Cp 104被设置为远大于电容器Cs 102时，大的电流通过电容器Cp 104返回至谐振器。因此，提供给整流器的电流减小，从而电力不能平稳地提供至负载。因此，如图1所示，优选的是，电容器Cs1102-1和Cp1 104-1被设置为彼此相似并以pF为单位，并且电容器Cs2 102-2和Cp2 104-2被设置为彼此相似并以nF为单位。

图1的A4WP谐振器10-1的电容器Cp1 104-1具有非常小的值，其等于从A4WP整流器20-1的输入看的寄生电容。因此，即使在没有电容器Cp1 104-1的情况下工作也没有问题。也就是说，可以从高频谐振器去除电容器Cp1 104-1。

图4是示出接收Qi频率的能量的无线PRU的电路图。

参照图4，当无线PRU以Qi频率工作时，Qi谐振器10-2的L2 100-2和Cs2 102-2的阻抗大大降低，并且由L1 100-1和Cs1 102-1组成的A4WP谐振器10-1具有与Qi谐振器10-2非常不同的谐振频率。相应地，A4WP谐振器10-1的L1 100-1和Cs1 102-1的阻抗大大增加，因此从Qi谐振器10-2的观点，可以忽略A4WP谐振器10-1。

相反，当传送A4WP频率的能量时，A4WP谐振器10-1的L1 100-1和Cs1 102-1的阻抗大大降低，并且Qi谐振器10-2的L2 100-2和Cs2 102-2的谐振频率非常小。因此，Qi谐振器10-2的阻抗大大增加，因此可以忽略Qi的串联谐振电路。因此，如图4所示，即使当两个谐振器10-1和10-2并联连接并且仅使用一个整流器20时工作也没有问题。应当注意，谐振器10-1和102可以根据接收的频率而排他地操作。

然而，当连接Cp1 104-1和Cp2 104-2以消除噪声时，可能会出现问题。图4示出了无线PRU接收Qi频率的能量的示例。如上所述，A4WP谐振器10-1的L1 100-1和Cs1 102-1的阻抗大大增加，并且Cp1 104-1非常小。因此，Cp1 104-1的阻抗非常大，从而Qi谐振器10-2的大部分电流被提供给整流器20并且用于向负载提供电力。因此，在这种情况下没有问题。

图5是示出接收A4WP频率的能量的无线PRU的电路图。

与图4不同，在图5中出现问题。当接收A4WP频率的能量时，A4WP谐振器10-1进行响应并产生电流。然而，由于Qi谐振器10-2的Cp2 104-2的阻抗低，所以大部分电流通过Cp2104-3循环，因此传送至整流器20的电流的量减少。这在将电力提供给负载时导致问题。应当理解，即使在这种情况下，Qi谐振器10-2的L2 100-2和Cs2 102-2的阻抗也大大增加。

为了解决参照图5所描述的问题，提出图6所示的电路。参照图6，双频带无线PRU包括A4WP谐振器10-1、Qi谐振器10-2、单个整流器20、降压转换器30、频率检测器40、与Qi谐振器10-2分离的两个电容器Cp2 104-2、以及两个开关M1 50-1和M2 50-2。

A4WP谐振器10-1和Qi谐振器10-2并联连接。提供一个整流器20以接收作为输入的节点，在所述节点处A4WP谐振器10-1的输出和Qi 谐振器10-2的输出并联连接。开关M1 50-1具有第一输出和输入，开关M2 50-2具有第二输出和输入。第一输出连接至电容器Cp2104-2，第二输出连接至地。每个电容器Cp2 104-2并联连接至Qi谐振器10-2，并且具有串联连接至开关M1 50-1或M2 50-2的一个端子和连接至整流器输入VACP 200-1或VACN 202-1的另一个端子。频率检测器40根据整流器输入VACP和VACN来检测输入频率，并且具有连接至开关M1 50-1和M2 50-2的输入的输出。A4WP谐振器10-1可以具有串联连接至电容器Cs1102-1并且并联连接至电容器Cp1 104-1的电感器L1 100-1。Qi谐振器10-2具有串联连接至电容器Cs2 102-2的电感器L2 100-2。

下面将详细描述具有上述配置的无线PRU的工作过程。频率检测器40根据整流器20的输入电压VACP 200-1和VACN 202-1的变化来检测输入频率。电容器Cp2 104-2串联连接至开关M1 50-1和M2 50-2并且连接至整流器输入电压VACP和VACN。当由频率检测器40检测到的频率是Qi区域的低频时，频率检测器40的输出为高电平并且开关M1 50-1和M2 50-2被接通。相应地，电容器Cp2 104-2连接至整流器输入电压VACP 200-1和VACN 202-1。也就是说，彼此并联连接的电容器Cp2 104-2连接至地。在这种情况下，连接至地的电容器Cp2104-2通过例如以因数二放大电容器Cp2 104-2的电容而具有与彼此并联连接的电容器Cp2104-2相同的电特性。

另一方面，当由频率检测器40检测到的频率为高频时，开关M1 50-1和M2 50-2被关断，电容器104-2不被看到。相应地，电容器Cp2 104-2与整流器输入电压VACP 200-1和VACN 202-1断开。

通过如上所描述地配置电路，当A4WP谐振器10-1工作时，电容器Cp2 104-2未示出，并且Qi谐振器10-2的L2 100-2和Cs2 102-2的阻抗大大增加。相应地，A4WP谐振器10-1的大部分输出电流被提供给整流器20，因此在向负载供电时没有问题。相应地，可以通过仅使用单个整流器20并通过所提出的方法来放置并联的具有不同频率的两个谐振器10-1和10-2来发射双频带无线电力。

在图6中，整流器20由二极管组成，但是可以使用采用有源元件的有源整流器。如图6所示，整流器20可以是全波整流器。可替选地，整流器20可以是半波整流器。将参照图15来描述使用半波整流器的示例。在整流器20的后端的降压转换器30是电力转换器的一个示例，并且可以包括各种类型的电力转换器。例如，降压转换器30可以包括升压转换器、降压-升压转换器、低压降(LDO)调节器等。因此，本发明不限于整流器20的形式和在后端的电力转换器。

为了验证参照图6所提出的方法，通过使用参照图7至图14的实际电路来执行验证。在实验电路中，由L1(1.7uH)和Cs1(600pF)组成的谐振器是A4WP谐振器，由L2(12uH)和Cs2(470nF)组成的谐振器是Qi谐振器。当向A4WP谐振器提供电力时，使用6.78MHz的频率，当向Qi谐振器提供电力时，使用100kHz的频率。因此，谐振器的谐振频率位于约6.78MHz和约100kHz。

频率为6.78MHz，并且1W的电力被提供给负载。在实验中，从Qi谐振器10-2中去除并联电容器。在这种情况下，流过Qi谐振器10-2的电流是非常小的值，例如约30mA的峰值。也就是说，可以看出，由于与Qi谐振器10-2的谐振频率相比非常高的频率信号进入，串联谐振器的阻抗增加，因此没有太多电流流过，并且大部分电流被提供给整流器20。由于整流器输出电压VRECT约为10V，并且负载为100Ω，因此提供了1W的电力。

在图9中示出了如图10的电路所示接收Qi频率的无线电力时获得的波形。由于Qi谐振器10-2没有并联电容器，可以看出整流器输入电压VAC具有由寄生电容器引起的谐振现象而产生的高频噪声。

如图12所示，为了去除在接收Qi频率的无线电力时的噪声，47nF的两个电容器Cp2104-2并联连接至Qi谐振器10-2。当这样的电路通过使用A4WP方法发射能量时，流入Qi谐振器10-2的电流显著增加至500mA的峰值。也就是说，A4WP谐振器10-1的大部分输出电流通过Qi谐振器10-2循环，并且提供给整流器20的电力减小，因此整流器输出电压降低至4V，并且提供给负载的电力下降了60％。

图13和图14分别是示出表示当Qi谐振器根据本发明提出的方法工作时将Qi谐振器的并联电容器连接至地的实验结果的图和示出无线PRU的电路图。

在这种情况下，与图7相比，整流器输入电压VAC非常稳定，并且不具有高频噪声。流入A4WP谐振器10-1的电流非常小，例如峰值为4mA，因此大部分电流被提供给负载。甚至在实验结果中，整流电压VRECT变为10V，并且正常地向负载提供1W。

可以看出，根据所提出的方法，可以通过使用具有不同频率的两个谐振器和公共整流器来发射双频带无线电力。根据所提出的方法，额外包括开关M1和M2似乎增加了负担。然而，当实现集成电路时，形成开关M1和M2比形成构成整流器的器件更容易。因此，所提出的结构在价格或电路配置的难度上会具有许多优点。

已经通过使用全波整流器来描述了图6，但是可以使用半波整流器，如图15所示。

除了与图6的谐振器10-1和10-2并联连接的电容器Cp1 104-1和Cp2 104-2的数量、开关M1 50的数量以及整流器20的二极管的数量之外，图15的电路结构具有与图6相同的原理，将省略其详细描述。

到目前为止，已经参考本发明的实施方式描述了本发明。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，所公开的实施方式应该被视为仅具有描述性意义，而不是为了限制的目的。此外，本发明的范围不是由实施方式的详细描述限定而是由所附权利要求书限定，并且在其范围内的所有差异应该被解释为包括在本发明中。

Claims

1.一种无线电力接收单元，包括：

第一谐振器；

第二谐振器，其与所述第一谐振器并联连接；

单个整流器，其具有作为输入的节点，在所述节点处所述第一谐振器的输出和所述第二谐振器的输出彼此并联连接；

至少一个开关，其具有第一输出、第二输出以及输入，其中所述第二输出连接至地；

至少一个电容器，其并联连接至所述第二谐振器，并且具有连接至所述开关的所述第一输出的一个端子和连接至所述整流器的所述输入的另一端子；以及

频率检测器，其被配置成根据所述整流器的所述输入来检测输入频率并且具有连接至所述开关的所述输入的输出,

其中，所述第一谐振器与所述第二谐振器不同。

2.根据权利要求1所述的无线电力接收单元，其中，所述第一谐振器是高频谐振器，并且所述第二谐振器是低频谐振器。

3.根据权利要求1所述的无线电力接收单元，其中，所述第一谐振器是具有串联连接的至少一个电感器和至少一个电容器的串联谐振器。

4.根据权利要求1所述的无线电力接收单元，其中，所述第二谐振器是具有串联连接的至少一个电感器和至少一个电容器的串联谐振器。

5.根据权利要求1所述的无线电力接收单元，其中：

当由所述频率检测器检测到的频率是低频时，所述开关被接通；并且

当由所述频率检测器检测到的频率是高频时，所述开关被关断，以使所述电容器与所述整流器的所述输入分离。