CN107925268A - 感应式功率接收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种感应式功率接收器，所述感应式功率接收器包括开关模式调节器，所述开关模式调节器用于控制来自功率接收线圈的功率流；以及调制器，所述调制器用于经由所述功率接收线圈与感应式功率发射器通信。在发射和非发射周期期间，所述开关模式调节器以不同模式操作。

Description

感应式功率接收器

技术领域

本发明整体涉及感应式功率接收器。

背景技术

反向散射通信是其中设备接收电磁信号并将部分信号反射回来的技术。所反射的信号用数据进行编码，从而允许设备进行通信。这种技术用于可不具有板载电源的各种设备中，诸如RFID标签。

反向散射通信的用途的另一个示例是用于感应式功率传输(IPT)系统。IPT系统是现有技术(例如，电动牙刷的无线充电)和开发技术(例如，手持设备在“充电垫”上的无线充电)的熟知领域。通常，初级侧从一个或多个发射线圈产生随时间变化的磁场。该磁场在合适的接收线圈中感应出交流电，然后该交流电可用于给电池充电或者给设备或其他负载供电。

例如，传统上已提出使用所谓的幅移键控(ASK)从由发射器产生的磁场的接收器中以反向散射通信的形式在功率接收器和功率发射器之间进行通信。

在ASK中，功率接收器根据要发送的数据有效地对从功率信号中汲取的功率量进行数字调制，该功率信号来自于功率发射器。功率发射器检测对穿过一个或多个功率发送器线圈的电流和/或其两端的电压的这种调制。换句话讲，功率接收器和功率发射器使用基于ASK的反向散射信道进行通信。反向散射通信方法在无线功率传输应用中是特别有利的，因为该方法不需要额外的无线电收发器模块，并且因为通信范围或多或少受限于功率传输的范围。由于反向散射数据传输在空间上是如此定位的，所以即使在附近许多功率接收器和发射器在工作的情况下，功率接收器也可容易地与其数据传输相匹配。

一般来说，发射线圈由转换器驱动。驱动电流的特性(诸如频率、相位和量值)将与特定的IPT系统有关。在一些情况下，可能希望转换器的驱动频率与谐振发射线圈和/或谐振接收线圈的谐振频率相匹配。

一些感应式功率系统使用反向散射通信信道以允许感应式功率接收器将负载要求传达到初级侧。例如，功率接收器可请求改变功率发射器线圈的电流的量值、其电压和/或其频率以对应于该功率接收器的负载要求。这被称为初级侧调节并且可帮助调节来自接收器的输出电压或电流。反向散射通信信道另外的用途可包括外界物质检测、接收器认证和报告正在充电的电池的状态等。为了从功率接收器传达到功率发射器，一些无线功率互操作性标准(诸如无线功率联盟(WPC)的Qi标准)需要反向散射通信信道。

无线功率系统中的反向散射通信信道的问题在于，信道对感应式功率传输系统中的变化可能非常敏感。当这些系统变化意外叠加在有意的反向散射调制之上时，反向散射消息的接收器可能无法将其与有意的调制区分开，并且因此可能导致原始消息被损坏或完全丢失。

本发明可提供改进的感应式功率传输接收器，或者至少为公众提供有用的选择。

发明内容

根据一个示例性实施方案，提供了感应式功率接收器，该感应式功率接收器包括：

功率接收线圈；

开关模式调节器，该开关模式调节器被配置为控制来自该功率接收线圈的功率流；以及

调制器，该调制器被配置为在一个或多个发射周期期间经由该功率接收线圈与感应式功率发射器进行通信，并且在一个或多个非发射周期期间不与感应式功率发射器进行通信；

其中该开关模式调节器在非发射周期期间以第一模式操作并且在该非发射周期期间以不同的第二模式操作。

公认的，在可变的权限内，术语“包括(comprise)”“包括(comprises)”和“包括(comprising)”可被赋予排他性的或包含性的含义。出于本说明书的目的并且除非另外指出，否则这些术语旨在具有包含性含义，即它们将被认为是包括用途直接引用的列出的部件，并且可能还包括其他未指定的部件或元件。

对本说明书中的任何文献的标引并不构成承认其是现有技术或构成公共常识的一部分。

附图说明

结合到说明书中并且构成说明书的一部分的附图、本发明的例示的实施方案以及连同上文给出的本发明的一般说明和下文给出的实施方案的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1是感应式功率传输系统的示意图；

图2是能够进行反向散射通信并且具有用于功率流控制的线性调节器的接收器；

图3是能够进行反向散射通信并且具有用于功率流控制的开关模式调节器的接收器；

图4是具有降压开关模式转换器的接收器的电路图；

图5是具有升压开关模式转换器的接收器的电路图；

图6是具有耦合线圈开关模式转换器的接收器的电路图；

图7是第一调节器锁定方法的流程图；

图8是第二调节器锁定方法的流程图；并且

图9是第三调节器锁定方法的流程图；

图10是具有改进的调节器驱动控制器的接收器的电路图；

图11是适用于图10的接收器的改进的调节器驱动控制器的电路图；以及

图12是控制力度调节方法的流程图。

具体实施方式

在图1中整体示出了感应式功率传输(IPT)系统1。IPT系统包括感应式功率发射器2和感应式功率接收器3。感应式功率发射器2连接到适当的电源4(诸如主电源或电池)。感应式功率发射器2可包括具有转换器5(例如，AC-DC转换器)(取决于所使用的电源类型)和逆变器6(例如，连接到转换器5(如果存在))中的一者或多者的发射器电路。逆变器6向一个或多个发射线圈7提供AC信号，使得该一个或多个发射线圈7产生交变磁场。在一些配置中，一个或多个发射线圈7也可被认为是与逆变器5分开。一个或多个发射线圈7可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。

控制器8可连接到感应式功率发射器2的各个部分。控制器8可被适配为接收来自感应式功率发射器2的各个部分的输入并且产生控制各个部分的操作的输出。控制器8可被实现为单个单元或单独的单元，这些单元被配置为根据感应式功率发射器2的功能来控制其各个方面，包括例如：功率流、调谐、选择性激励发射线圈、感应式功率接收器检测和/或通信。也可存在单独的通讯模块。

感应式功率接收器3包括连接到接收器电路的一个或多个接收线圈9，该接收器电路可包括功率调节电路10，该功率调节电路继而向负载11供电。当感应式功率发射器2和感应式功率接收器3的线圈适当地耦合时，由一个或多个发射线圈7产生的交变磁场在一个或多个接收线圈9中感应交流电。功率调节电路10被配置为将感应出的电流转换成适合于负载11的形式，并且可包括例如功率整流器、功率调节电路或两者的组合。一个或多个接收线圈9可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。在一些感应式功率接收器中，接收器可包括控制器12，该控制器可控制一个或多个接收线圈9的调谐、功率调节电路10的操作和/或通信。也可存在单独的通讯模块。

应当理解，本文使用的术语“线圈”旨在表示感应式“线圈”，其中导电线缠绕成三维线圈形状或二维平面线圈形状、使用印刷电路板(PCB)技术将导电材料制造成在多个PCB“层”上的三维线圈形状和其他线圈形状。无论是单数或复数，术语“线圈”的使用不意味着在该意义上是限制性的。

可使用反向散射通信信道来发送从感应式功率接收器3到感应式功率发射器2的消息。在一个示例性实施方案中，一个或多个接收线圈9两端的电压和穿过该线圈的电流由控制器12或通信模块根据数据流进行幅度调制或者在其控制下进行幅度调制。然后随一个或多个发射线圈7中的电压或电流幅度的变化观察这种调制，并且这种调制可由感应式功率发射器2来解调，从而可复原原始数据流。在其他用途中，这种反向散射通信信道可用于启用初级侧调节，而无需专用的无线电收发器。为了满足无线功率互操作性标准，有时需要通过反向散射通信信道介导的初级侧控制。

单独依靠初级侧调节来调节感应式功率接收器3的输出的问题在于，当IPT系统1开始脱离调节时初级侧调节响应较慢。当IPT系统1中发生突然变化，诸如加载瞬变或一个或多个发射线圈7与一个或多个接收线圈9之间的耦合因子变化时，这可能特别成问题，并且可能导致负载11过电压或欠压。

作为这些问题的部分解决方案，除了使用通过反向散射通信信道促进的初级侧调节之外，IPT系统1可在感应式功率接收器3上使用简单的线性调节器来提供对供应给负载11的功率的额外的快速作用的调节。这样，可实现初级侧调节的效率和次级侧调节的速度和精度的组合。

图2是能够进行反向散射通信并且具有用于功率流控制的线性调节器的感应式功率接收器的框图。感应式功率发射器2将功率传输到一个或多个接收线圈9。一个或多个接收线圈9连接到整流器201(其可例如是同步整流器)并且可以以全桥和半桥配置连接。整流器201连接到线性调节器202，线性调节器202调节接收到的DC电压以使其适用于负载11。AC侧调制器203和DC侧调制器204用于对一个或多个接收线圈9中的电流或两端的电压进行幅度调制，以便向感应式功率发射器2发送反向散射消息。有时，这两个调制器电路中的仅一个对反向散射通信信道起作用是必需的，并且它们在感应式功率接收器3内的位置可以改变。电流感测电路205用于监测由负载11所消耗的电流。感应式功率接收器3的各个部分可由控制器12监测和/或控制。如果使用初级侧调节，则感应式功率发射器1将改变其频率、振幅或占空比或者这些的任意组合，以帮助调节由一个或多个接收线圈9接收的电压或电流。例如，可使用感应式功率发射器2的开关频率的频率调制来实现从感应式功率发射器2到感应式功率接收器3的通信。

一个或多个接收线圈9是双谐振电路(即被调谐为以两个不同频率谐振的电路)的一部分。其中一个频率被设计为IPT频率(例如：110kHz)，另一个频率被设计为使得可检测到感应式功率接收器3(例如：1MHz)，这可能是一些感应式功率发射器2所需要的。通常这两个频率应被充分分开。感应式功率接收器3的双谐振电路可包括接收线圈9和两个谐振电容(未示出)。第一谐振电容的目的是提高功率传输效率。第二谐振电容的目的是实现谐振检测方法。

线性调节器202可以是低压降(“LDO”)类型。在一些情况下，线性调节器202可用作、可包括负载断开开关或被其替换。根据针对感应式功率接收器3的一些无线功率互操作性标准，负载断开开关可能是必要的。感应式功率接收器3可被设计成汲取足够的功率，使得即使当负载11断开连接时仍可进行反向散射通信。

人们越来越关注其中感应功率发射器2包括位于充电表面(通常称为“充电垫”)下方的一个或一批发射器线圈的IPT系统1。在其中多个感应式功率接收器3被放置在充电垫上的某些应用中，可使用次级侧调节。这使得每个感应式功率接收器3能够独立地控制其自身所接收的功率、电压或电流。感应式功率发射器2中的单个逆变器6由此可以为多个感应式功率接收器3供电，每个感应式功率接收器相对于彼此可具有不同的位置、取向、输出电压、负载、套管和/或设计。使用次级侧调节可减小感应式功率发射器2的体积和部件数量。

只要线性调节器202上的电压降不是太高，使用线性调节来执行接收器中的次级侧调节可以是有效的。在包括一些充电垫的一些IPT系统中，可能希望单独的感应式功率接收器3能够将所接收的电压从高电平调节到显著较低的电平或者升高它们的电压或者以其他方式改变所接收的功率。在这些情况下使用线性调节可能不是有效的，或甚至是不可能的。线性调节器202可以补充有开关模式调节器或被其替换。其例子示出于图3中。

图3示出了能够进行反向散射通信并具有用于功率流控制的开关模式调节器301的感应式功率接收器3的示例性实施方案。图3构建在图2所述的电路上。线性调节器202和/或负载断开开关也可与开关模式调节器301结合地使用或者可以被省略。对于开关模式调节器301，可能有许多不同的调节器类型，包括但不限于降压型、升压型、升降压型、“耦合线圈”以及于2015年1月29日提交的美国专利号62/109,552中描述的调节器类型，该专利内容以引用方式并入本文。例如，对于开关模式调节器301，产生AC电压的调节器与接收线圈串联以调节来自接收线圈的AC功率是可能的。一些开关模式调节器301改变其占空比以改变其控制力度并由此调节其输出电压或电流。其他调节器类型会改变其工作频率或一些其他参数以调节其输出电压或电流。这些中的任何一者对于开关模式调节器301都是可能的。

耦合线圈调节器使用耦合至一个或多个接收线圈9的三级线圈。然后该三级线圈可以被短路、打开、或者其端子上的阻抗以其他方式被修改，以便控制由一个或多个接收线圈9产生的功率、电压和/或电流。

开关模式调节器301在感应式功率接收器3内的位置将取决于所使用的开关模式调节器的类型，并且图3所示的位置仅是可能的放置位置的示例。例如，如果使用BPR调节器，则调节器位于整流器201的交流侧并且与一个或多个线圈9串联，如果使用耦合线圈调节器，则调节器与一个或多个线圈9磁耦合。例如，图3中所示位置的开关模式调节器301可对应于降压调节器、升压调节器或升降压调节器。

图4是示出使用降压调节器作为开关模式调节器301的本发明的实施方案的简化电路图。一个或多个接收线圈9包括接收线圈401和调谐电容器402。整流器201包括以全桥配置连接的四个整流器二极管403或同步整流器。中间DC电容器404使来自整流器201的电压平滑，使得开关模式调节器301具有近似DC输入电压。开关模式调节器301以降压配置连接并且包括MOSFET 405，其可以是PMOS FET、续流二极管406、DC电感器407和中间DC电容器408。线性调节器202包括MOSFET 409，其可以是PMOS FET并且也可用作负载断开开关。在该图中未示出AC侧调制器203、DC侧调制器204和电流感测电路205。

图5是示出使用升压调节器作为开关模式调节器301的本发明实施方案的简化电路图。开关模式调节器301以升压配置连接，并且包括MOSFET 501，该MOSFET可以是NMOSFET、续流二极管406、DC电感器407和中间DC电容器408。该图中未示出AC侧调制器203、DC侧调制器204和电流感测电路205。

图6是示出使用耦合线圈调节器作为开关模式调节器301的本发明实施方案的简化电路图。在该实施方案中，开关模式调节器301的位置不同于图3所示的位置。耦合线圈开关模式调节器301具有与接收线圈401充分耦合的三次线圈601。通过使用MOSFET 602和MOSFET 603选择性地允许和阻止电流流过三次线圈601，可以控制可进入接收线圈401的磁通量，从而控制流过整流器201的电流和中间DC电容器404上的电压。在一个实施方案中，三次线圈601具有与接收线圈401相同的匝数(绕制双线和电感几乎相同)，并且与接收线圈401的耦合系数≥0.9。三次线圈601和接收线圈401与一个或多个发射线圈7的耦合系数均可介于0.3至0.7之间。

开关模式调节器301可包括一个或多个旁路开关，其可用于绕过或关闭调节器，或者将其输入和输出连接在一起。例如，旁路开关可以与降压调节器的输入和输出连接并联连接，以便将输入直接连接到输出。降压调节器也可通过在旁路周期期间打开MOSFET 405而被绕过。升压调节器可通过将开关与调节器的输入和输出并联连接或者在旁路周期期间关闭MOSFET 501而被绕过。在耦合线圈调节器的情况下，由于三次线圈601不与接收线圈401串联连接，可通过关闭MOSFET 602和MOSFET 603来实现旁路，因此没有电流能够流过三次线圈601。这导致耦合线圈调节器的控制力变为零。

使用图3所示的电路，每个感应式功率接收器3都可以独立于一个或多个功率接收线圈9所接收的磁场的大小而有效调节其自身的输出电压或电流。因为IPT系统1现在可使用有效的次级侧调节，所以初级侧调节不再是完全必要的。然而，结合使用初级侧调节和次级侧调节可以进一步有助于提高IPT系统1的效率。这样，具有反向散射通信信道以允许感应式功率接收器3将其功率需求传达至无线功率发射器2是有用的。而且，为了满足某些无线功率互操作性标准，可能需要后向散射通信信道。

当在感应式功率接收器3中使用开关模式调节器301时，反向散射通信信道可能会被破坏。这种情况可能会发生，因为当开关模式调节器301例如通过改变其占空比来校正负载11上的输出电压时，开关模式调节器301还调制流入一个或多个接收线圈9的电流和/或一个或多个接收线圈上的电压。这可能会损坏在反向散射通信信道上发送的消息。开关模式调节器301对于后向散射通信信道通常比具有相同电压和电流输出容量的线性调节器202更具破坏性。这可能是例如因为在线性调节器的情况下没有开关动作。

如果在反向散射通信信道上发送消息时，开关模式调节器301的占空比或控制努力保持恒定，则对信道的破坏可以被最小化，并且消息可能不太可能被损坏。开关模式调节器301可被配置为当反向散射通信信道发送消息时暂时保持其占空比或控制力。这样可以保持反向散射通信信道的完整性，同时受益于开关模式调节器301的高效调节特性。

如果开关模式调节器301的占空比保持恒定或者开关模式调节器301的控制以其他某些方式被限制，例如被绕过，则供应给负载11的电压或电流可能会失去调节。这只会在发送消息时发生，因为只有在此周期期间，开关模式调节器301必须限制其占空比的突变。这可以通过线性调节器202来校正。线性调节器202的平均损失可能是微不足道的，即使线性调节器202必须显著降低电压，只要在该状态下线性调节器202所花费的时间比例较低即可。例如，线性调节器202可被控制为当未在反向散射信道上发送消息时从输入到输出具有不显著的电压降，并且在发送消息时仅降低电压。开关模式调节器301因此可以降低线性调节器202上的平均电压降，以便使感应式功率接收器3中的总体功率损失最小化。

如果使线性调节器202的目标输出电压高于其输入电压，则可以使线性调节器202像闭合开关那样工作，在这种情况下，线性调节器202可在最小电压降下仅将其输入电压传递到其输出端子。这对于由开关模式调节器301进行调节的周期是有用的。为此，开关模式调节器301的输出电压可被选择为低于线性调节器202的输出电压，使得当开关模式调节器301进行调节时，线性调节器202将像闭合开关那样工作，并且当开关模式调节器301不进行调节时，则作为正常的线性调节器。

通过在功率接收器3中使用开关模式调节器301和线性调节器202的组合，可在同一IPT系统1内实现次级侧调节、高平均效率、快速调节器响应时间、严密调节精度和/或可靠的反向散射通信信道。

图7示出了用于防止开关模式调节器301影响反向散射通信信道的第一控制方法。该方法遵循以下步骤：

最初，在步骤701中，在未在反向散射通信信道上发送消息时，开关模式调节器301以第一模式运行，以调节传送至负载11的电压或电流。线性调节器202施加最小控制力。现在感应式功率接收器3在步骤702中等待任何需要发送的消息。

在即将在反向散射通信信道上发送消息之前，在步骤703中，开关模式调节器301开始以第二模式操作，其中绕过使用开关模式调节器301的调节。对于某些类型的开关模式调节器301，例如降压调节器，旁路可涉及使用开关将开关模式调节器301的输入端子连接到输出端子。对于其他类型的开关模式调节器301，例如升压调节器或耦合线圈调节器，旁路可涉及使用开关断开开关模式调节器301的一部分的连接。当绕过开关模式调节器301时，电流可以从一个或多个接收线圈9流到负载，而不被开关模式调节器301禁止。此时线性模式调节器可调节提供到负载11的输出电压。

当使用开关模式调节器301进行的调节被禁用时，可在步骤704中打开反向散射通信信道，并且可在步骤705中发送消息。

一旦发送反向散射消息，将在步骤706中关闭反向散射通信信道。之后，在步骤707中，开关模式调节器301的调节被重新启用并返回到以第一模式操作，并且线性调节器202返回到施加最小控制力。

然后感应式功率接收器3可在步骤702中再次等待任何需要发送的消息。

图8示出了用于防止开关模式调节器301影响反向散射通信信道的第二控制方法。该方法遵循以下步骤：

最初，在步骤801中，在未在反向散射通信信道上发送消息时，开关模式调节器301以第一模式运行，以调节传送至负载11的电压或电流。线性调节器202施加最小控制力。现在感应式功率接收器3在步骤802中等待任何需要发送的消息。

在即将在反向散射通信信道上发送消息之前，在步骤803中，开关模式调节器301开始以第二模式操作，其中调节被禁用。这可通过设置开关模式调节器301的占空比使得其施加零控制力来实现。例如，如果开关模式调节器301是降压调节器，则这可涉及使降压调节器中的开关持续导通，换句话讲，以100％占空比操作降压调节器。对于一些其他类型的开关模式调节器301，例如升压调节器或耦合线圈调节器，这可涉及使转换器中的开关持续断开，即0％占空比。在此周期期间开关模式调节器301中可能不会发生开关操作，但重要的是电流可以从一个或多个接收线圈9流到负载，而不被开关模式调节器301禁止。此时线性模式调节器可调节提供到负载11的输出电压。

当使用开关模式调节器301进行的调节被禁用时，可在步骤804中打开反向散射通信信道，并且可在步骤805中发送消息。

一旦发送反向散射消息，将在步骤806中关闭反向散射通信信道。之后，在步骤807中，开关模式调节器301的调节被重新启用并返回到以第一模式操作，并且线性调节器202返回到施加最小控制力。

然后感应式功率接收器3可在步骤802中再次等待任何需要发送的消息。

图9示出了用于防止开关模式调节器301影响反向散射通信信道的第三控制方法。该方法遵循以下步骤：

最初，在步骤901中，在未在反向散射通信信道上发送消息时，开关模式调节器301以第一模式运行，以调节传送至负载11的电压或电流。线性调节器202施加最小控制。现在感应式功率接收器3在步骤902中等待任何需要发送的消息。

在即将在反向散射通信信道上发送消息之前，在步骤903中，开关模式调节器301开始以第二模式操作，其中调节被“冻结”或固定。这可通过设置开关模式调节器301的占空比使得其施加恒定控制力来实现。开关模式调节器301所保持的占空比可以是在步骤902中发送消息之前施加的先前控制力。或者，可将占空比或控制力保持在某个其他固定值，例如以产生预先确定的控制力。例如，如果开关模式调节器301是降压调节器，则固定控制力可涉及以50％的固定占空比切换降压调节器中的开关。此时线性模式调节器可调节提供到负载11的输出电压。

当使用开关模式调节器301进行的调节在固定控制力下操作时，可在步骤904中打开反向散射通信信道，并且可在步骤905中发送消息。

一旦发送反向散射消息，将在步骤906中关闭反向散射通信信道。之后，在步骤907中，开关模式调节器301的调节被重新启用并返回到以第一模式操作，并且线性调节器202返回到施加最小控制力。

然后感应式功率接收器3可在步骤902中再次等待任何需要发送的消息。

如果在反向散射通信信道上发送消息时，允许控制力(例如，或占空比)仅缓慢变化，则也可以避免消息损坏。例如，可以仅允许占空比变化不超过固定的最大变化速率，例如，在发送消息时每毫秒占空比变化1％。

图10示出了用于防止或减少开关模式调节器301对接收器3中的反向散射通信信道的影响的另一实施方案。使用升压调节器作为示例性开关模式调节器301来描述该实施方案，并且在很大程度上对应于图5的电路。然而，可另选地使用任何开关模式调节器类型。还示出了如前所述的AC侧调制器203，但另选地或除此之外可使用DC侧调节器。该实施方案不包括线性调节器，但也可另选地包括该线性调节器。调节器驱动控制器1001提供升压调节器的MOSFET 501的开关或驱动(DRIVE)信号控制操作。调节器驱动控制器使用来自开关模式调节器输出的反馈信号来控制自身。

如本领域的技术人员将理解的那样，MOSFET 501的占空比可用于调整调节器301的输出电压Vreg。使用从调节器的输出(Vreg)到调节器的开关控制(501)的反馈回路或路径，输出电压保持稳定(经调节)。反馈回路通常包括控制回路反馈控制器，例如PID(比例-积分-微分)控制器，其向耦接到MOSFET栅极(501)的脉冲宽度调制器(PWM)提供输入。将所测得的Vreg与所需或设定点电压Vset进行比较，并且通过PID处理任何差异以生成用于调整PWM的占空比的误差信号(ERROR)。这代表该实施方案中的第一或正常操作模式。虽然在该实施方案中描述了PID控制器，但可另选地使用任何合适的控制回路反馈控制器或机构。类似地，虽然描述了调节器的占空比控制，但也可使用反馈回路控制其他参数，例如频率。

在该实施方案中，当AC(或DC)侧调制器203是可操作的并发送通信时，调节器驱动控制器调整该正常或第一操作模式，以作为代替以第二模式操作。这通过使用信号(COMM)向调节器驱动控制器指示，于是控制器使得调节器从第一操作模式移动到第二操作模式。在第二操作模式中，ERROR信号被修改以补偿AC(或DC)侧调制器对调节器输出(Vreg)的影响。

图11示出了具有经适当修改以便在第二模式期间改变ERROR信号的PID控制器电路的示例性调节器驱动控制器。PID控制器包括耦接在运算放大器1102的第一输入(-)和输出之间的反馈网络1103。第一输入还跨开关模式调节器输出电压Vreg耦接到输入分压器1105。运算放大器1102的第二输入(+)耦接到设定点电压Vset，并且运算放大器1102的输出耦接到提供ERROR信号的输出电压网络1104。未进一步描述输入分压器网络1005和输出电压网络1004，因为此类网络的示例将是本领域技术人员所熟知的。ERROR信号耦接到脉冲宽度调制器1105的输入，该脉冲宽度调制器提供DRIVE信号或脉冲以切换开关模式调节器。通过这种方式，ERROR信号控制调节器开关的占空比，以保持调节器输出电压Vreg接近其设定点；ERROR信号本身取决于接收器的调节后输出(Vreg)。在另选实施方案中，例如当使用AC侧调节器(例如，结合图6所述)时，可从整流器201的输出(Vrect)获得接收器的调节后输出。

用于在第二模式期间调整ERROR信号以补偿调制器操作的影响的三种机构在下文中例示并描述。这些机构可以单独使用或结合使用。

第一机构利用输入分压器网络1105中的附加电阻器1107和开关1108网络，以便将第一输入电压调整到运算放大器的第一输入(-)。如上所述，该第一输入电压从接收器的调节后输出(Vreg或Vrect)得出。根据PID控制器的设计，第一模式下开关的默认状态可以是断开或闭合的。开关1108被配置为当AC或DC侧调制器正在通信时对应于分组的位转换而断开/闭合-第二模式。因此，例如，当调制器转换到“1”位时，开关1108闭合，并且当调制器转换到“0”位时，该开关断开，所述转换由COMM信号指示。在所示的示例性电路布置(开关1108具有断开的默认状态)中，闭合开关1108有效地降低了运算放大器的第一输入电压，这相比于第一模式期间将继而增加ERROR信号电压，具体取决于Vreg和Vset之间的比较。ERROR信号的变化将导致PWM的占空比发生变化，从而可增大或减小Vreg。

在图11的第二机构中，在第二模式期间，调整耦接到运算放大器(1102)的第二输入(+)的设定点电压Vset(按照整个消息的位转换)。这与第一模式期间相比，与改变或调整ERROR信号的第一机构具有相同的效果。在第一机构和第二机构中，ERROR信号仍将随着调节器输出(Vreg)的任何变化而变化，并且因此反馈回路仍然是有效的，这与先前所述的一些占空比锁定实施方案不同。其优点在于能够响应于调节后输出的变化，例如由于负载变化而导致的变化，即使在与发射器通信期间也是如此。ERROR信号仍可以改变，但在第二模式期间添加附加部件以补偿调节器输入电压(即，AC或DC侧调制器)的幅度调制的影响。

在图11的第三机构中，电阻器1109和开关1110被添加到输出电压网络1104中。当在第二模式期间切换时，附加电阻器1109有效地降低了运算放大器1102的输出电压。这改变了使得PWM 1105改变调节器切换的占空比的ERROR信号电压。这继而增加了开关模式调节器的输出电压Vreg，从而补偿调制器的操作的电压降低影响。

第一输入、第二输入(Vset)或输出电压的典型调整或改变为大约5％-10％。如前所述，可使用这三种机构的组合，在这种情况下，第二模式期间的变化百分比对于每个机构而言将是较低的。或者，可使用不同的机构在第二模式期间调整ERROR信号(或其他反馈信号)。例如，可改变反馈网络1101中的反馈参数f，或者输入到PWM的数字信号以将占空比增加或减少预定百分比。

上述实施方案仅仅是示例，并且如本领域的技术人员将理解的那样，可改变许多设计因素，以便在接收器的其他通信的位转换期间增加或减少(即，调整)ERROR信号。例如，当错误增加时，一些PWM将减小占空比，反之亦然。类似地，当接通时，输入和输出调整网络1107,1108,1109,1110可以被反转以增加ERROR信号。技术人员因此将认识到，各种另选具体实施可被构建为以便使得开关模式调节器的控制力(例如，占空比或频率)的变化对应于消息的位转换。

图12示出了适用于结合图10和图11所述的实施方案的控制力调整方法。正如先前所述的控制方法，这将防止或限制开关模式调节器301影响反向散射通信信道。该方法遵循以下步骤：

最初，在步骤1201中，在未在反向散射通信信道上发送消息时，开关模式调节器301以第一模式运行，以调节传送至负载11的电压或电流。现在感应式功率接收器3在步骤1202中等待任何需要发送的消息。在该实施方案中，消息可以是单个位(“1”或“0”)，或者其可以是位流或分组，其中整个分组可影响开关模式调节器。

在即将在反向散射通信信道上发送消息(或“1”或“0”位中的一者)之前，在步骤1203中，开关模式调节器301开始以第二模式操作，其中通过调整反馈回路中的ERROR信号来修改调节。如先前所论述，这可通过增加或减少PID控制器中的输入或输出电压设置或设定点电压Vset来实现，使得开关模式调节器301的控制力得到调整。开关模式调节器301的占空比可在调制器发送一个位期间增大或减小。

当使用开关模式调节器301进行的调节在经调整的控制力下操作时，可在步骤1204中打开反向散射通信信道，并且可在步骤1205中发送消息。该消息可以是一个位或一系列位，接收器以整个消息的第二模式操作或者仅针对单个位(“1”或“0”)操作。

一旦发送反向散射消息，将在步骤906中关闭反向散射通信信道。之后，在步骤1207中，由第一模式下的开关模式调节器301进行的调节被重新启用，并且ERROR信号不再被调整。

然后感应式功率接收器3可在步骤1202中再次等待需要发送的任何进一步消息或位。

在一个实施方案中，感应式功率接收器3平均花费5％的时间发送反向散射消息，每条消息花费50ms或更少，并且每秒发送消息约一次。在该实施方案中，开关模式调节器301是耦合线圈调节器。在这些消息发送周期期间，耦合线圈调节器的占空比为0％，这对应于对于流入一个或多个接收线圈9的电流和一个或多个接收线圈上的电压的最小控制力。在该实施方案中，AC侧调制器203包括电容器和开关，并且不使用DC侧调制器204。

根据所用的调制电路的位置和类型，可能需要在反向散射通信信道上发送消息时禁用整流器201中的同步整流，以避免使整流器201的DC侧上存在的电压短路。当使用AC侧调制器203时，这是特别重要的。这在整流器201是简单的二极管整流器的情况下不适用。

在感应式功率发射器3的一些具体实施中，电路可执行调节器的功能和调制器的功能。以这种方式，可使用诸如开关模式调节器301或线性模式调节器202的调节器来代替AC侧调制器203和/或DC侧调制器204调制反向散射通信信道。因此，调节器电路可以部分地或完全地与调制器电路共享。例如，除了其调节功能之外，开关模式调节器301可用作调制器，改变其占空比或控制力，以便调制来自一个或多个接收线圈9的功率，以便在反向散射通信信道上发送消息。在优选实施方案中，以数字方式控制在反向散射通信信道上发送消息的调节器。

应当理解，感应式功率发射器2和感应式功率接收器3中的任一者或两者可被配置为IPT收发器，使得调制和解调电路(或者调制器和解调器)可被提供为此类收发器中任一者或两者中的单一通信模块，从而允许双向通信。

尽管已通过对本发明的实施方案的描述说明了本发明，并且尽管已详细描述了实施方案，但本申请人的意图并非将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制为这些细节。对于本领域的技术人员而言，其他的优点和修改将是显而易见的。因此，本发明的更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。因此，在不脱离本申请人的总体发明构思的实质或范围的情况下，可以从这些细节进行修改。

Claims (21)

1.一种感应式功率接收器，包括：

功率接收线圈；

开关模式调节器，所述开关模式调节器被配置为控制来自所述功率接收线圈的功率流；以及

调制器，所述调制器被配置为在一个或多个发射周期期间经由所述功率接收线圈与感应式功率发射器通信，并且在一个或多个非发射周期期间不与所述感应式功率发射器通信；

其中所述开关模式调节器在所述非发射周期期间以第一模式操作，并且在所述发射周期期间以第二不同模式操作。

2.根据权利要求1所述的接收器，还包括旁路开关，并且其中在所述第二模式期间，所述旁路开关绕过所述开关模式调节器。

3.根据权利要求1所述的接收器，其中所述第二模式包括所述开关模式调节器的大体上固定的控制力。

4.根据权利要求3所述的接收器，其中所述大体上固定的控制力基于所述第一模式下的所述开关模式调节器的占空比来确定。

5.根据权利要求1所述的接收器，其中所述第二模式包括大体上100％或大体上0％的占空比。

6.根据权利要求1或3所述的接收器，其中所述第二模式包括占空比的最大变化速率或占空比值的范围。

7.根据权利要求6所述的接收器，其中所述最大速率为每毫秒1％。

8.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中所述接收器还包括非开关模式调节器。

9.根据权利要求8所述的接收器，其中所述非开关模式调节器是线性调节器。

10.根据权利要求8或9所述的接收器，其中所述非开关模式调节器被配置为在所述发射周期期间调节。

11.根据权利要求9所述的接收器，其中所述非开关模式调节器被配置为在所述非发射周期期间大体上作为闭合开关操作和/或不调节。

12.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，还包括负载断开开关。

13.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中所述开关模式调节器是耦合线圈调节器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中所述开关模式调节器被配置为提供与所述功率接收线圈串联的AC电压，以调节来自所述接收线圈的AC功率。

15.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中所述调制器被配置为使用幅度调制。

16.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中所述调制器中的部件不是所述开关模式调节器中的部件。

17.根据前述权利要求中任一项所述的接收器，其中所述开关模式调节器的控制力在所述第二模式期间进行调整。

18.根据权利要求17所述的接收器，其中所述控制力响应于由反馈路径处理的所述接收器的调节后的输出，并且其中在所述第二模式期间，修改所述反馈路径。

19.根据权利要求17或18所述的接收器，其中通过比较所述开关模式调节器的输出电压和设定点电压来确定误差信号，所述误差信号用于控制所述开关模式调节器的占空比，并且其中所述误差信号在所述第二模式期间增加或减少。

20.根据权利要求17或18所述的接收器，还包括具有输入的整流器，所述输入被布置为接收取决于所述开关模式调节器的调节后的输出以及用于提供整流电压的输出，其中通过比较所述整流电压和设定点电压来确定误差信号，所述误差信号用于控制所述开关模式调节器，并且其中所述误差信号在所述第二模式期间增加或减少。

21.根据权利要求19或20所述的接收器，还包括控制回路反馈控制器，所述控制回路反馈控制器具有从所述开关模式调节器的输出电压或所述整流电压得出的第一输入电压、从所述设定点电压得出的第二输入电压以及用于生成所述误差信号的输出电压，其中在所述第二模式期间，所述第一输入电压、所述第二输入电压和所述输出电压中的一者或其组合增大或减小。