CN109792164A - 具有电容器感测的谐振整流器电路 - Google Patents

具有电容器感测的谐振整流器电路 Download PDF

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Abstract

在使用具有电容器感测的谐振整流器电路的无线功率传输系统(100)的所述示例中，无线功率传输系统(100)包括功率接收器谐振电路(110、112)和同步整流器。功率接收器谐振电路(110、112)包括电感器(110)和与电感器(110)串联连接的电容器(112)。同步整流器被配置为基于电容器(112)两端的电压识别流过电感器(110)的交电流的过零点，并基于过零点的正时控制交电流的同步整流。

Description

具有电容器感测的谐振整流器电路
背景技术
用于对能量存储设备充电和/或为电子设备供电的无线功率传输的普及正在迅速增长。例如，移动电子设备现在被广泛使用，并且未来可能会增加使用。移动设备通常由电池或其他能量存储设备供电，这些设备必须定期充电。可以通过对电源的有线或无线连接来完成再充电。有线充电要求被充电的设备通过充电电缆连接到电源，这有时会不方便。相比之下，无线再充电系统在没有连接电缆的情况下传输功率，并且因此可以提供比有线充电器更方便的充电体验。
无线功率传输的优点还在于便利之外的原因。例如，无线功率传输非常适合在工业环境中(在工业环境中，来自有线充电器的火花可能点燃爆炸性气体)使用，并且与需要无菌密封壳体的生物医学设备一起使用。
为了促进更长距离的功率传输并且允许减小系统无源组件(例如，电感器)的尺寸，无线充电系统的操作频率正在增加。
发明内容
在所描述的无线功率传输系统的示例中，一种无线功率传输系统包括功率接收器谐振电路和同步整流器。功率接收器谐振电路包括电感器和与电感器串联连接的电容器。同步整流器被配置为基于电容器两端的电压识别流过电感器的交电流的过零点，并基于过零点的正时控制交电流的同步整流。
在另一示例中，一种同步整流器包括比较器、移相器和桥。比较器被配置为识别连接在桥两端的串联谐振电路的电容器两端的电压的过零点。移相器耦合到比较器的输出端，并且被配置为基于由比较器识别的过零点产生具有过零点的信号，该信号的过零点在时间上对应于在谐振电路中流动的交电流的过零点。
在另一示例中，一种用于无线功率传输的方法包括在谐振电路的电感器和电容器中感应电流。检测电容器两端的电压。电压与电流相关联。基于在电容器两端检测到的电压的正时来驱动同步整流器的晶体管。
附图说明
图1示出了根据各种实施例的无线功率传输系统的高级图，该无线功率传输系统包括具有电容器感测的谐振整流器。
图2示出了根据各种实施例的包括电容器感测的谐振整流器电路中的电流和电压信号。
图3示出了根据各种实施例的无线功率接收器的示意图，该无线功率接收器包括具有电容器感测的谐振整流器电路。
图4示出了根据各种实施例的使用电容器感测的谐振整流方法的流程图。
具体实施方式
在本说明书中，“耦合”或“耦接”表示间接或直接有线或无线连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接。“基于”的叙述意味着“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可以基于Y和任何数量的其他因素。
在随后的附图和描述中，某些特征可以成比例夸大或以稍微示意性的形式示出，并且为了清楚和简明起见，可能未示出常规元件的一些细节。以下描述的实施例的不同教导和组件可以单独使用或以任何合适的组合使用以产生期望的结果。
在谐振无线功率传输系统中，必须小心地控制桥式电路场效应晶体管(FET)激活的正时以优化效率。谐振整流器包括控制桥式FET激活正时的反馈回路。在常规谐振整流器中，反馈回路包括与桥式高侧功率FET并联的感测FET，以产生感测电流。感测电流流过感测电阻器，以允许检测在接收器线圈中流动的电流的过零点。不幸的是，所有的桥式FET在接收器线圈中的电流过零时关闭，这往往会将毛刺(glitches)引入高侧桥式FET电流，从而破坏高侧桥式FET电流。这些毛刺可能导致环路控制电路在谐振频率的一个周期内产生多个脉冲，并最终失去反馈回路的控制，从而导致功率效率和输出调节的严重降低。此外，这种常规系统中的电流感测不精确可能引起延迟和抖动，这又导致不适当的零电流检测。
示例实施例通过监视串联谐振电路的电容器两端的电压而不是监视通过串联谐振电路的电感器的电流来克服常规系统所遭受的过零检测问题。因为电容器两端的电压不受桥式FET的开关的影响，所以在本文描述的实施例中应用的感测波形没有在常规谐振整流器中发现的缺陷。电容器两端的电压相对于电感器中的电流相移90°，并且实施例将电容器两端检测到的电压信号移位90°，以产生信号转换，该信号转换在时间上对应于谐振电路的电感器中的电流的过零点。实施例应用相移信号来控制桥式FET。通过基于谐振电容器电压控制桥式FET正时，示例实施例提供了比常规无线功率传输系统中提供的同步整流器更稳健的同步整流器。
图1示出了根据各种实施例的无线功率传输系统100的高级图，该无线功率传输系统100包括具有电容器感测的谐振整流器。系统100包括功率发射器102和功率接收器108。功率发射器102包括由电感器104和电容器106形成的谐振电路。功率发射器102可以包括为了清楚起见而被省略的任何数量的附加组件。例如，功率发射器102可以包括电源、定时电路和驱动电路，驱动电路用于产生施加到电感器104和电容器106的驱动信号。功率发射器102在电感器104和电容器106的谐振频率下驱动电感器104和电容器106，产生谐振频率下的振荡磁场。在一些实施例中，由功率发射器102产生的振荡磁场的频率可以相对高(例如，6.78兆赫兹或更高)。
功率接收器108包括由电感器110与电容器112串联形成的谐振电路。电感器110和电容器112的谐振频率可以与由功率发射器102产生的振荡磁场的频率大致相同。由功率发射器102产生的磁场以磁场振荡的频率在电感器110和电容器112中感应出电流。
功率接收器108还包括同步整流器120、比较器116、钳位/缩放电路114和相移电路118。比较器116经由钳位/缩放电路114连接在电容器112两端。更具体地，比较器116的一个输入端子经由钳位/缩放电路114连接到电容器112的每个端子。钳位/缩放电路114可以包括用于调整由比较器116接收的电压信号的振幅的电阻器网络，和/或二极管或其他电路，以将比较器116接收的电压信号限制为不大于预定振幅(例如，为比较器116供电的电源的电压)。
比较器116产生具有过零点的方波，该过零点在时间上对应于电容器112两端的正弦电压的过零点。功率接收器108使用电容器112两端的电压来感测过零点，因为电容器112两端的电压相对于在电感器110中流动的电流相移90°，并且因此，电压的过零正时不受电流感测中发现的失真的影响。可以基于在电感器110和电容器112中流动的电流相同(即，电感器110和电容器112串联连接，因此电流必须相同)来验证电感器电流和电容器电压之间的90°相移。通过电容器112的电流可以表示为：
其中iC是电容器112中流动的电流，而vC是电容器112两端的电压。在谐振频率下，电容器112两端的电压是正弦的。因此，电容器112两端的电压和电容器112中的电流可以表示为：
VC＝A sin(ωt)+φ0，和 (2)
iC＝Aωcos(ωt) (3)
因为等式(2)和(3)中的正弦项和余弦项使得电容器112两端的电压和电容器112中的电流90°异相，电感器110中的电流和电容器112两端的电压同样90°异相。使用由比较器116产生的90°相移感测信号允许功率接收器108避免在电感器110中的电流的过零点处发现的开关噪声和毛刺。
图2示出了系统100中的代表性电压信号和电流信号。在图2中，信号VC2表示电容器112两端的电压，信号IC2表示在电容器112中流动的电流，信号IL2表示在电感器110中流动的电流。如图2所示，电容器112两端的电压相对于在电容器112和电感器110中流动的电流相移90°。比较器输出信号122中的过零点在时间上对应于电容器112两端的电压的过零点。
再次参见图1，比较器116耦合到相移电路118，并且比较器输出信号122被提供给相移电路118。相移电路118将比较器输出信号122移位90°。相移电路118可以包括锁相环(PLL)、延迟锁相环(DLL)或能够产生对应于比较器输出信号122相移90°的信号的其他相移电路。通过将比较器输出信号122移位90°，相移电路118产生具有过零点的信号，该信号的过零点对应于在电感器110中流动的电流的过零点并与其对准。
相移电路118还可以包括用于产生用于驱动同步整流器120的控制信号的电路。控制信号的正时可以基于比较器输出信号122移相的90°正时(例如，过零正时)。同步整流器120包括布置为H桥的功率FET。由相移电路118产生的控制信号以防止交叉传导的正时驱动功率FET。因此，控制信号可以以防止连接的高侧功率FET和低侧功率FET同时导通的正时驱动功率FET。这会产生“死区时间”，在此期间所有功率FET都会关闭。死区时间与如从电容器112两端的电压的过零点导出的在电感器110中流动的电流中的过零点一致。
同步整流器120产生DC输出(VR)，该DC输出可以被调节、滤波、转换为更高或更低的DC电压等，并用于对系统100的电池充电和/或向系统100的电路供电。
图3示出了根据各种实施例的无线功率接收器300的示意图，该无线功率接收器300包括具有电容器感测的谐振整流器电路。无线功率接收器300可以是无线功率接收器108的实施例。在图3中，功率发射器的电感器104不是接收器300的一部分，但是作为参考示出。无线功率接收器300包括电感器110、电容器112、比较器116、PLL 302、占空比控制和驱动器电路304，以及功率FET 306、功率FET 308、功率FET 310和功率FET 312。无线功率接收器300还可以包括钳位/缩放电路114。在无线功率接收器300的一些实施例中，PLL 302可以由DLL或其他相移电路代替。
功率FET 306、功率FET 308、功率FET 310和功率FET 312连接以形成H桥。由电感器100和电容器112形成的谐振电路连接在H桥两端。由功率发射器的电感器104产生的振荡磁场在电感器110和电容器112中感应出电流。比较器116、PLL 302，以及占空比控制和驱动器电路304连接到H桥和谐振电路形成反馈回路，该反馈回路控制功率FET 306、功率FET308、功率FET 310和功率FET 312，并使整流与电感器110中感应的电流波形同步。
如本文中关于功率接收器108所描述的，比较器116的输入端子连接在电容器112两端。比较器116产生频率和相位与电容器112两端的正弦电压相对应的输出信号122(例如，方波)。比较器116的输出信号122用作PLL 302的参考时钟。
PLL 302可以包括压控振荡器、相位比较器、电荷泵、低通滤波器、分频器和允许PLL产生锁相到比较器116的输出信号122的各种频率的其他组件。PLL302可以包括延迟元件(例如，由顺序逻辑形成)，延迟元件产生相对于比较器116的输出信号122相移90°、180°、270°和/或360°的输出信号。例如，PLL 302可以产生频率为比较器116的输出信号122的频率的四倍并且锁相到比较器116的输出信号122的时钟，并且应用该时钟以产生信号122的90°、180°、270°和360°相移版本。在一些实施例中，信号122的90°、180°、270°和360°相移版本中的一个或多个可以以信号122的频率的两倍生成并除以二确保50％的占空比。
占空比控制和驱动器电路304产生栅极控制信号314、栅极控制信号316、栅极控制信号318和栅极控制信号320以分别控制功率FET 308、功率FET 306、功率FET 312和功率FET 310。占空比控制和驱动器电路304接收由PLL 302产生的信号112的90°相移版本，并且利用基于如通过PLL输出信号324所提供的电感器100中的电流的过零点的正时产生栅极控制信号314、栅极控制信号316、栅极控制信号318和栅极控制信号320。如上所述，占空比控制和驱动器电路304产生栅极控制信号314、栅极控制信号316、栅极控制信号318和栅极控制信号320，以在电感器110中的电流的过零点周围提供死区时间。占空比控制和驱动器电路304可以包括顺序和/或组合逻辑，以产生栅极控制信号314、栅极控制信号316、栅极控制信号318和栅极控制信号320的正时。因为高侧FET 310和高侧FET 312可以是N沟道FET，因此占空比控制和驱动器电路304可以包括电平移位器以驱动栅极控制信号318和栅极控制信号320。
栅极控制信号314、栅极控制信号316、栅极控制信号318和栅极控制信号320中的一个可以连接到PLL 302的反馈输入端322。在一些实施例中，控制信号318和控制信号320中的一个可以连接到PLL 302的反馈输入端322，以用于补偿驱动高侧功率FET 310和高侧功率FET 312的电平移位器中的延迟。
图4示出了根据各种实施例的用于使用电容感测的谐振整流的方法400的流程图。尽管为了方便而顺序地描绘，但是所示的至少一些动作可以以不同的顺序执行和/或并行执行。而且，一些实施例可以仅执行所示的一些动作。在一些实施例中，方法400的至少一些操作可以由功率接收器电路108或功率接收器电路300的组件实现。
在框402中，在由无线功率接收器108的电感器110和电容器112形成的谐振电路中感应出电流。在一些实施例中，无线接收器108可以定位在由无线功率发射器102产生的振荡磁场内，以初始化电感器110和电容器112中的AC电流的流动。
在框404中，比较器116感测电容器112两端的电压。电容器112两端的电压是正弦的。比较器116产生方波，方波的边缘在时间上对应于电容器112两端的正弦电压的过零点。
在框406中，比较器116的输出122通过移相器118移相90°，移相器118可以是PLL、DLL或其他相移设备。比较器116的输出122的90°相移版本中的转变发生在对应于在谐振电路中流动的AC电流的过零点的时间。
在框408中，桥式晶体管控制电路(例如，占空比控制和驱动器电路304)生成正时信号以控制桥式晶体管。信号的正时基于比较器116的输出122相移90°。例如，正时信号可以在AC电流的正半周期期间启用第一高侧功率晶体管和第一低侧功率晶体管，并且正时信号可以在AC电流的负半周期期间启用第二高侧功率晶体管和第二低侧功率晶体管。正时信号可以在经移相90°的比较器116的输出122的转变附近(即，待整流的AC电流中的过零点附近)的时间段内禁用所有晶体管。
在框410中，正时信号驱动桥式电路的晶体管以控制在桥中流动的AC电流的整流。可以对桥的输出进行滤波和/或调节以为其他电路供电。
已经将无线功率接收器100、无线功率接收器300的整流器桥描述为包括FET，但是在一些实施例中，桥可以包括双极型晶体管。
在所描述的实施例中，修改是可能的，并且在权利要求的范围内，其他实施例也是可能的。

Claims (20)

1.一种无线功率传输系统，其包括：
功率接收器谐振电路，其包括：电感器；和与所述电感器串联连接的电容器；以及
同步整流器，其被配置为：基于所述电容器两端的电压识别流过所述电感器的交电流的过零点；并且基于所述过零点的正时控制所述交电流的同步整流。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述同步整流器包括比较器，并且其中所述比较器的第一输入端子耦合到所述电容器的第一端子，并且所述比较器的第二输入端子耦合到所述电容器的第二端子。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述比较器被配置为识别所述电容器两端的所述电压的过零点。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述同步整流器包括耦合到所述比较器的输出端的移相器，其中所述移相器被配置为产生对应于所述比较器的所述输出端处的信号经90度相移的输出信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述移相器包括锁相环和延迟锁相环中的一个。
6.根据权利要求4所述的系统，其中所述同步整流器包括连接为桥的两个高侧功率晶体管和两个低侧功率晶体管；并且其中一个所述高侧功率晶体管的控制端子耦合到所述移相器的反馈输入端。
7.根据权利要求4所述的系统，其中所述同步整流器包括：
连接为桥的两个高侧功率晶体管和两个低侧功率晶体管；以及
开关控制电路，其耦合到所述移相器的输出端和所述桥；
其中所述开关控制电路被配置为产生与所述桥的每个晶体管相对应的驱动信号，以使所述桥对流过所述整流器的交电流进行整流。
8.一种同步整流器，其包括：
比较器；
移相器；以及
桥；
其中所述比较器被配置为识别连接在所述桥两端的串联谐振电路的电容器两端的电压的过零点；
其中所述移相器耦合到所述比较器的输出端，并且被配置为基于由所述比较器识别的所述过零点产生具有过零点的信号，所述信号的过零点在时间上对应于在所述谐振电路中流动的交电流的过零点。
9.根据权利要求8所述的同步整流器，其中所述移相器被配置为通过将所述比较器的输出相移90度来产生所述信号。
10.根据权利要求8所述的同步整流器，其中所述移相器包括锁相环和延迟锁相环中的一个。
11.根据权利要求8所述的同步整流器，其中所述桥包括两个高侧功率晶体管和两个低侧功率晶体管。
12.根据权利要求11所述的同步整流器，其中所述移相器包括反馈输入端，并且所述反馈输入端耦合到一个所述高侧功率晶体管的控制端子。
13.根据权利要求8所述的同步整流器，还包括开关控制电路，所述开关控制电路耦合到所述移相器的输出端和所述桥，其中所述开关控制电路被配置为产生对应于所述桥的每个晶体管的驱动信号，以使得所述桥对所述交电流进行整流，所述驱动信号的正时基于所述比较器识别的所述过零点。
14.根据权利要求13所述的同步整流器，其中所述移相器被配置为生成相对于所述电容器两端的电压具有90度、180度、270度和360度相移的信号，并且所述开关控制电路被配置为在由所述移相器产生的所述信号转变时附近在所述驱动信号中提供死区时间。
15.一种用于无线功率传输的方法，所述方法包括：
在谐振电路的电感器和电容器中感应出电流；
检测所述电容器两端的电压，其中所述电压与所述电流相关联；以及
基于在所述电容器两端检测到的所述电压的正时驱动同步整流器的晶体管。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括识别所述电容器两端的所述电压的过零点。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括产生第一信号，所述第一信号具有在所述电容器两端检测到的所述电压的频率，并且相对于在所述电容器两端检测到的所述电压相移90度。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括通过锁相环和延迟锁相环中的一个产生所述第一信号。
19.根据权利要求17所述的方法，还包括：将来自设置在桥式整流器的高侧中的一个晶体管的控制端子的驱动信号反馈到产生所述第一信号的移相器。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述驱动包括产生对应于桥式整流器的每个晶体管的驱动信号，以使所述桥将流过所述整流器的交电流进行整流。
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