CN109391134A - 用于无线电力传输的基于开路的rx功率限制器 - Google Patents

Abstract

无线功率传输系统可以无线传输和接收电力。发射线圈可以无线传输电力。接收线圈可以磁性但无线地耦合到发射线圈，并且可以无线地接收电力并产生AC输入电压。整流器可以整流AC输入电压。电容可以滤波整流的AC输入电压。电子开关可以在整流的AC输入电压和输出之间串联连接。负载可以连接到输出。控制器可以打开和关闭电子开关，以便使输出处于恒定的DC电压，而不管负载的变化。

Description

用于无线电力传输的基于开路的RX功率限制器

技术领域

本发明涉及无线功率传输系统，包括用于无线充电手机、助听器、医疗设备、电动工具、智能卡、健身设备、电池供电可穿戴设备、虚拟现实耳机、航空耳机、IOT(物联网)客户、便携式军事设备、移动和/或旋转设备等的无线功率传输系统。

背景技术

无线功率传输系统可具有由气隙分开的两个部分：(1)包括发射线圈的发射器(Tx)电路；以及(2)接收器(Rx)电路，包括接收线圈。

在发射器侧，可以在发射线圈中产生AC磁场，其然后可以在接收线圈中感生AC电流。这可能类似于变压器。然而，在无线电力系统中，气隙(或与其他非磁性或非导电材料的间隙)可以将初级侧(Tx)与次级侧(Rx)分开。

无线电力系统中的发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合也可能非常弱。在变压器中，耦合系数0.95至1可能是常见的。但无线功率传输系统中的耦合系数可以广泛变化，例如从0.8的高值到0.05的低值。

在无线功率传输系统中，发射线圈处的磁场可能需要足够强以确保在最坏情况的耦合条件下可以将足够的功率传递到接收器负载。然而，在最佳情况下的耦合条件下，接收器处产生的强磁场可能产生过多的接收侧功率。可能需要减少这种多余的功率以防止损坏接收器。

Tx和Rx电路之间的双向通信可用于解决这个问题。具体来说，Rx可以告诉Tx何时接收过多功率。这种系统的一个例子是Qi标准。但是这种方法可能过于昂贵、复杂和/或不灵活。

另一种方法是在接收端分流多余的功率。这可以保护接收器，但是这可能导致Rx中的过多热量和浪费的能量，这两者都可能是有问题的。

发明概述

无线功率传输系统中的电路可在输入接收无线产生的输入电压并在输出产生恒定的DC电压以驱动负载。电子开关可串联连接在所述输入和所述输出之间。控制器可打开和关闭所述电子开关以使所述输出处于恒定的直流电压，而不管所述输入电压的变化大于100％和负载的变化。

无线功率传输系统可无线发送和接收电力。发射线圈可无线传输电力。接收线圈可磁性地但无线地耦合到所述发射线圈，并且可无线地接收电力并产生AC输入电压。整流器可整流所述AC输入电压。电容可滤波整流的AC输入电压。电子开关可串联在整流的AC输入电压和输出之间。控制器可打开和关闭所述电子开关以使所述输出处于恒定的DC电压，而不管负载的变化。

现在，通过阅读以下对说明性实施方式、附图和权利要求的详细描述，这些以及其他组件、步骤、特征、对象、益处和优点将变得清楚。

附图简述

附图是说明性实施方式。它们没有说明所有实现。可以另外或替代地使用其他实现。可省略可能明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效的说明。一些实现可以用附加组件或步骤和/或没有示出的所有组件或步骤来实践。当相同的数字出现在不同的图中时，它指的是相同或相似的组件或步骤。

图1是无线功率传输系统的示例的框图。

图2示出了实现图1所示的无线功率传输系统的接收侧的示例电路，其采用NMOS电子开关来分流多余的功率。

图3A和3B示出了图2所示的无线功率传输系统的接收侧的接收线圈上的波形的示例。图3A示出了没有功率分流时的波形，而图3B示出了功率分流时的波形。

图4示出了无线功率传输系统的接收侧的示例，其使用与输入电压串联的PMOS电子开关以防止过量输出电压和可有效控制该电子开关的开关控制器，尽管输入电压的变化很大，例如超过100％的变化。

图5示出了图4中所示的最大电压选择器(“Vmaxer”)电路的示例。

图6A和6B示出了图4所示的无线功率传输系统的接收侧的接收线圈上的波形的示例。图6A示出了PMOS电子开关闭合时的波形，而图6B示出了PMOS电子开关打开时的波形

图7示出了无线功率传输系统的接收侧的示例，其使用与输入电压串联的NMOS电子开关来防止过量输出电压，并且开关控制器能够有效地控制该电子开关，尽管输入电压的变化很大，例如超过100％的变化。

图8示出了图7中所示的最小电压选择器(“Vminner”)电路的示例。

图9A和9B示出了图7所示的无线功率传输系统的接收侧的接收线圈上的波形的示例。图9A示出了NMOS电子开关闭合时的波形，而图9B示出了NMOS电子开关打开时的波形。电子开关是开放的。

发明详述

现在描述说明性实施方式。可以另外或替代地使用其他实现。可省略可能明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效的呈现。一些实现可以用附加组件或步骤和/或没有所描述的所有组件或步骤来实践。

图1是示例无线功率传输系统100的框图。

如图1所示，无线功率传输系统100可包括电源101、发送器电路103、发送器线圈105、接收器线圈107、接收器电路109和负载111。

电源101可以是AC或DC电源。发射器电路103可以将源功率转换为适合于无线功率传输的频率的AC信号。该AC信号可以被传送到发送器线圈105，发送器线圈105可以磁性但无线地耦合到接收器线圈107。耦合可以是空气或其他类型的非磁性或非导电材料。接收器线圈107可以从发送器线圈105无线地接收电力。接收器电路109可以将由接收器线圈107接收的AC信号转换为经调节的DC输出电压，然后可以将其输送到负载111。

图2示出了实现图1所示的无线功率传输系统的接收侧的示例电路200，其采用NMOS电子开关来分流多余的功率。如图2所示，调谐电容器201可以与接收线圈107结合使用，以在来自发射线圈105的电力传输频率下产生谐振回路。

来自谐振回路的AC信号可以通过整流器(例如肖特基二极管203)整流，然后通过滤波电容205滤波，并且传送到负载111。负载111可以是连接到电池的电池充电器，如电池充电器和手机中的电池、助听器、医疗设备、电动工具、智能卡、健身设备、电池供电的可穿戴设备、虚拟现实耳机、航空耳机、物联网(IOT)客户端、便携式军事设备、移动和/或旋转设备、或任何其他类型的负载。负载可能随时间变化。

如上所述，发射器线圈105和接收器线圈107之间的耦合可以在使用期间由于它们的相对位置的变化(例如距离和/或取向的变化)而广泛变化。反过来，这可能导致传递到负载111的电压幅度的显着偏差，这可能是不期望的。

为了防止这种情况，在该示例中包括与NMOS电子开关209串联的肖特基二极管207的分流开关可以由监视输出电压的控制器致动。控制器可以包括比较器211，其比较由电阻器213和215制成的分压器串联电阻器网络产生的输出电压的缩小版本与由串联电阻器217和齐纳二极管219产生的参考电压。当输出电压的缩小版本超过齐纳二极管219两端的电压时，比较器211可以向NMOS电子开关209的栅极发送信号，该信号将该开关接通，从而分流输入功率，直到输出电压的缩小版本下降到齐纳二极管219两端的电压以下。

图3A和3B示出了图2所示的无线功率传输系统的接收侧的接收线圈107上的波形的示例。图3A示出了没有功率被分流时的波形，而图3B示出了当功率被分流时的波形。

然而，图2中所示的分流方法可能由于NMOS电子开关209接通时的内部电阻而产生不希望的热量。图2中所示的分流方法也浪费能量。

电子开关可以改为与输入电源VACIN串联配置，并且当输出电压过高(例如，高于期望的输出电压)时中断功率流，而不是配置开关以分流多余功率，从而消除不期望的热量和功率损失。然而，发射器和接收器线圈105和107之间的耦合可以在使用期间广泛变化，使得输入电压相应地变化很大(例如，100％或甚至更多)。输入电压的这种宽的变化可能使得难以有效地控制这种串联电子开关。

图4示出了无线功率传输系统的接收侧400的示例，其使用与输入电压串联的PMOS电子开关401以防止过量输出电压和可有效控制该开关的开关控制器，尽管输入电压的变化很大，例如超过100％的变化。

如图4所示，该无线功率传输系统的接收侧的组件可以与图2中所示的相同，除了电子开关401可以与整流的输入电压串联放置，而不是作为一个分流并联。可以存在寄生电容403。电容被指定为“寄生”，因为它是杂散的或不需要的，并且没有专门设计到应用中，也不是它所要求的。它包含在此处的说明中，因为它有助于说明当开关打开时，仍在进行整改(但仅涉及Cpara而不是Cpara+Cvcc)并且将在Cpara上创建新的更高电压。在Cpara的应用中，优选地比Cvcc小得多，使得当开关再次闭合时，所得到的电压变为Cvcc上的较低电压，而不是Cpara上的较高电压。为了使该串联开关能够在所需时间正常工作，尽管输入电压的变化很大，但最大电压选择器(“Vmaxer”)电路405也可以包括在所描述的示例中。

最大电压选择器电路405可以从PMOS电子开关401的漏极和源极接收两个输入电压，并且可以输出两个输入电压中的最大值以给比较器211供电并且连接到串联电阻器217。

图5示出了图4中所示的最大电压选择器电路405的示例。如图5所示，最大电压选择器电路405可以由一对肖特基二极管501和503实现。两个二极管的阳极可以是最大电压选择器电路405的输入，而它们的阴极可以连接在一起并用作最大电压选择器电路405的输出。

图6A和6B示出了图4所示的无线功率传输系统中的接收线圈107上的波形的示例。图6A示出了串联PMOS电子开关401闭合时的波形，而图6B示出了串联PMOS电子开关401打开时的波形。

图4所示的实施方式继续提供经调节的输出电压，尽管输入电压的变化很大(例如，大于100％)，但没有产生热量和废电力的任何分流。

图7示出了无线功率传输系统的接收侧700的示例，其使用与输入电压串联的NMOS电子开关701以防止过量输出电压和可有效控制该开关的开关控制器，尽管输入电压的变化很大，例如超过100％的变化。该实现在功能上与图4所示的实现相同，除了电子开关701是NMOS电子开关(其可以具有较低的正向电压降)并且放置在电源线的负侧而不是正侧。为了促进这种差异，可以替代地使用最小电压选择器电路703。电阻器217和齐纳二极管219的位置也可以相反。

最小电压选择器电路703可以从NMOS电子开关701的漏极和源极接收两个输入电压，并且可以输出两个中的最小值以用作比较器211的负电源轨并且连接到串联电阻器217。

图8示出了图7中所示的最小电压选择器电路703的示例。如图8所示，最小电压选择器电路703可以由一对肖特基二极管801和803实现。两个二极管的阴极可以作为最小电压选择器电路703的输入，同时它们的阳极可以连接在一起并用作最小电压选择器电路703的输出。

图9A和9B示出了图7所示的无线功率传输系统的接收侧的接收线圈107上的波形的示例。图9A示出了NMOS电子开关701闭合时的波形，而图9B示出了NMOS电子开关701打开时的波形。

已经讨论的组件、步骤、特征、对象、益处和优点仅仅是说明性的。它们中没有一个(也没有与它们有关的讨论)是为了以任何方式限制保护范围。还构想了许多其他实施方式。这些包括具有更少、附加和/或不同组件、步骤、特征、对象、益处和/或优点的实现。这些还包括以不同方式排列和/或排序组件和/或步骤的实现。

除非另有说明，否则本说明书中阐述的所有测量值、值、额定值、位置、大小、尺寸和其他规格，包括在随后的权利要求中，都是近似的，而不是精确的。它们旨在具有与它们所涉及的功能以及它们所属领域中的惯例一致的合理范围。

本公开中引用的所有文章、专利、专利申请和其他出版物均通过引用并入本文。

当在权利要求中使用时，短语“用于......的装置”旨在并且应该被解释为包含已经描述的相应结构和材料及其等同物。类似地，当在权利要求中使用时，短语“步骤”旨在并且应该被解释为包含已经描述的相应动作及其等同物。权利要求中缺少这些短语意味着权利要求不旨在且不应被解释为限于这些对应的结构、材料或动作、或其等同物。

保护范围仅受现在的权利要求限制。该范围旨在并且应当被解释为与根据本说明书和随后的起诉历史进行解释时在权利要求中使用的语言的普通含义一致的宽泛，除非已经阐明具体含义，并包括所有结构和功能等同物。

诸如“第一”和“第二”之类的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或暗示它们之间的任何实际关系或顺序。当结合说明书或权利要求中的元件列表使用时，术语“包括”、“包含”及其任何其他变型旨在表示该列表不是排他性的并且可以包括其他元件。类似地，在没有进一步限制的情况下，由“一”或“一个”继续的元素不排除存在相同类型的附加元素。

没有任何权利要求旨在包含不满足专利法第101、102或103节要求的主题，也不应以这种方式解释它们。特此声明不对此类主题进行任何无意的报道。除非本段刚才说明，否则任何已陈述或说明的内容均无意或应被解释为致使任何组成部分、步骤、特征、对象、利益、优势或等同于公众的奉献，无论其是否在或者未在权利要求中叙述。

提供摘要是为了帮助读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在各种实施方式中将前述详细描述中的各种特征组合在一起以简化本公开。该公开方法不应被解释为要求要求保护的实施方式以要求比每个权利要求中明确记载的更多特征。而是，如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开实现的所有特征。因此，以下权利要求在此并入详细描述中，每个权利要求自身作为单独要求保护的主题。

Claims (20)

1.无线功率传输系统中的电路，其在输入接收无线产生的输入电压并在输出产生恒定的DC电压以驱动负载，所述电路包括：

电子开关，串联连接在所述输入和所述输出之间；和

控制器，打开和关闭所述电子开关以使所述输出处于恒定的直流电压，而不管所述输入电压的变化大于100％和负载的变化。

2.权利要求1所述的电路，还包括：

最大电压电路，接收两个输入电压并输出两个输入电压中较高的一个；或

最小电压选择器电路，接收两个输入电压并输出两个输入电压中较低的一个。

3.权利要求2所述的电路，其中所述两个输入电压是所述电子开关的各侧上的电压。

4.权利要求2所述的电路，其中最大电压选择器电路或最小电压选择器电路的输出连接到所述控制器的电源输入中的一个。

5.权利要求2所述的电路，其中所述电路包括所述最大电压选择器电路，并且所述电子开关是PMOS电子开关。

6.权利要求2所述的电路，其中所述电路包括所述最小电压选择器电路，并且所述电子开关是NMOS电子开关。

7.权利要求1所述的电路，其中所述输入电压是交流电压，并且所述电路还包括整流器，所述整流器对所述输入电压进行整流。

8.权利要求7所述的电路，还包括所述电子开关下游的电容，其对整流的AC输入电压进行滤波。

9.权利要求8所述的电路，还包括所述电开关上游的电容，其对整流的AC输入电压进行滤波。

10.权利要求1所述的电路，还包括与所述电子开关串联的整流器。

11.用于无线发送和接收电力的无线功率传输系统，包括：

无线传输电力的发射线圈；

接收线圈，磁性地但无线地耦合到所述发射线圈，其无线地接收电力并产生AC输入电压；

整流器，整流所述AC输入电压；

滤波整流的AC输入电压的电容；

串联在整流的AC输入电压和输出之间的电流开关；

连接到所述输出的负载；和

控制器，打开和关闭所述电子开关以使所述输出处于恒定的DC电压，而不管负载的变化。

12.权利要求11所述的无线功率传输系统，还包括：

最大电压电路，接收两个输入电压并输出两个输入电压中较高的一个；或

最小电压选择器电路，接收两个输入电压并输出两个输入电压中较低的一个。

13.权利要求12所述的无线功率传输系统，其中所述两个输入电压是所述电子开关的各侧上的电压。

14.权利要求12所述的无线功率传输系统，其中所述最大电压选择器电路或所述最小电压选择器电路的输出为所述控制器供电。

15.权利要求12所述的无线功率传输系统，其中所述系统包括所述最大电压选择器电路，并且所述电子开关是PMOS电子开关。

16.权利要求12所述的无线功率传输系统，其中所述电路包括所述最小电压选择器电路，并且所述电子开关是NMOS电子开关。

17.权利要求11所述的无线功率传输系统，其中所述负载包括连接到电池的电池充电器。

18.权利要求11所述的无线功率传输系统，其中所述电容包括所述电开关上游和下游的电容。

19.用于无线功率传输系统的电路，其在输入接收无线产生的输入电压并在输出产生恒定的DC电压以驱动负载，所述电路包括：

开关构件，串联连接在所述输入和所述输出之间用于可控制地打开和关闭所述输入和所述输出之间的连接；和

控制器构件，用于使所述开关构件打开和关闭以使所述输出处于恒定的DC电压，而不管所述输入电压的变化大于100％和负载的变化。

20.用于无线发送和接收电力的无线功率传输系统，包括：

发射器构件，用于无线发射电力；

接收器构件，磁性地但无线地耦合到所述发射器构件，用于无线地接收电力并产生AC输入电压；

整流器构件，用于整流所述AC输入电压；

滤波整流的AC输入电压的电容构件；

串联在AC输入电压和输出之间的开关构件，用于可控制地打开和关闭所述AC输入电压和所述输出之间的连接；

负载构件，用于提供连接到所述输出的负载；和

控制器构件，用于使所述开关构件打开和关闭以使所述输出处于恒定的DC电压，而不管所述负载的变化。