CN110098665A - 管理从发射器到接收器的非接触功率传输的方法及发射器 - Google Patents

Abstract

提出了用于管理从发射器到接收器的非接触功率传输的方法及相应的发射器。一种用于管理从相互耦合的发射器(1)到接收器(2)的非接触功率传输的方法，包括根据具有开关谐振电路(100、103)的控制频率的指令通过所述发射器(1)产生磁场，通过包含所述磁场调制的接收器(2)对信息进行通信，通过发射器检测所述调制以获取所述信息并根据所述接收的信息调节所述控制频率。所述调制的检测包括控制频率中的变化的检测(11、14)。

Description

管理从发射器到接收器的非接触功率传输的方法及发射器

本申请是申请人于2015年11月26日申请的、申请号为201510844344.5的、发明名称为“用于管理从发射器到接收器的非接触功率传输的方法及相应的发射器”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明的实现方式和实施例涉及从发射器到接收器的非接触功率传输，例如，但不意味着限制，为了提供功率至接收器的元件或者为了对其电池进行再充电。

背景技术

非接触式充电技术允许从电源(例如充电器)到负载的非接触功率传输，例如无线通信装置，例如蜂巢式移动电话，用于隔离充电器和负载的空气间隙。

在各种现有的非接触充电标准中，引用“无线充电联盟”(WPC)发布的Qi标准是可能的，其对于本领域技术人员来说是已知的，特别是小功率版本，其最多可以传输5W的功率。

针对各种目的和意图，本领域技术人员能够参考界面定义，版本1.1.2，2013年6月，第I卷：小功率，第1部分：题目为“System Description Wireless Power Transfer”的文献。

简单来说，例如，从基站或者发射器传输到磁耦合至发射器的接收器的非接触功率是借助于线圈。

功率传输是基于通过发射器产生并由接收器获取的磁场的。

Qi标准考虑到了用于在发射器中产生磁场的各种技术(拓扑)。然而，这种磁场通常是振荡场并且频率范围是110KHz和205KHz之间。

磁场以这种方式产生并且功率以这种方式基于发射器所使用的拓扑改变。

接收器将这种磁场变换成为了对电池充电或者提供功率至设备所使用的电势。

以能够调节并提供系统的安全性，接收器和发射器之间存在的通信通道。

接收器测量其接收的功率并将该功率与所需的功率比较。这两个功率值之间的差别在于调节误差。

该调节误差通过使用通信通道传递到发射器，并且发射器适应于考虑到所接收的调节误差的传递场的能量。

从接收器到发射器的通信是基于在接收器的天线端子上的负载变化所产生的磁场调制的。

发射器可以测量该负载变化，以便从该负载变化推导出传输的字节并最终推导出传输的信息。

发射器通常包括电感电容谐振系统，其中电感元件类似于产生磁场的线圈。该谐振系统由驱动电路(“驱动器”)激励，并且谐振系统和驱动电路一起组成了开关谐振电路。

为了与发射器通信，由接收器执行的磁场调制导致了谐振电路端子处的电压变化以及流过该谐振电路的电流变化。

因此，目前，为了解调接收器/发射器通信通道，第一解决方案包括测量谐振电路的电压变化。

然而，这种解决办法需要大量元件并且对于来自接收器负载的电压噪声是敏感的。

另一个解决方案包括测量流过谐振电路的电流。

但是，同样地，这种解决方案需要大量元件，其对来自接收器负载的电流噪声同样是敏感的，并且电流测量界面的插入降低了效率并对实现是至关重要的。

发明内容

根据一个实现方式和实施例，为了解调接收器/发射器通信通道，提出了能够以低成本提供更高效率而实现却更简单并对接收器噪声有更好的免疫力的另一个解决方案。

根据一个实现方式和实施例，提出了来自接收器的通信可以通过测量开关谐振电路的控制频率的变化解调。

因此，根据一个方面，提出了用于管理从相互耦合的发射器到接收器的非接触功率传输，该方法包括从以用于开关谐振电路的控制频率的指令通过发射器产生磁场，通过包含磁场调制的接收器通信信息，通过发射器检测该调制，以获取该信息并根据所接收的信息调节该控制频率。

根据本方面的总体特征，调制检测包括控制频率变化的检测。

根据一个实现方式，开关谐振电路是通过保持为控制频率的振荡回路内部的控制信号控制的，该环包含开关谐振电路中；控制信号是谐振电路内部的信号斜率变化的检测所产生的延迟信号，并且确定控制频率中的变化的检测包括控制信号的周期的检测。

控制频率的调节允许传递更多或者更少的功率至接收器，其通过调节延迟信号的延迟值来执行时有利的。

由于发射器具有自振荡回路，这种解决办法对接收器的阻抗是敏感的。因此，根据接收器与发射器的相对位置，系统不一定自然地操作在恒定频率，其在某些应用场合中可能是困难的，用于传输合适的功率。

因此，提供第二个更慢的环路是有利的。

换言之，根据一个实现方式，调节控制频率包括确定控制信号周期的平均值，构造该平均值和目标周期之间的差异，并根据该差异结果调节该延迟。

因此，采用这种实现方式，通常，在以对应于期望的传输功率所定义的频率操作时，可能通过接收器检测与磁场调制相连的频率变化。

根据另一个方面，提出了一种发射器，包括意在耦合至接收器天线的开关谐振电路，用于从发射器到接收器的非接触功率传输，用于管理所述传输的具有用于根据具有开关谐振电路的控制频率的指令产生磁场的产生装置的装置，用于检测磁场调制的检测装置，其中调制表示通过接收器通信的信息，用于从其获得信息的目的，以及被配置为根据所接收到的信息调节控制频率的处理装置。

根据本方面的总体特征，检测装置被配置为检测控制频率的变化。

根据一个实施例，产生装置包括保持在控制频率并包含开关谐振电路的振荡回路，被配置为检测谐振电路内部的信号斜率变化并传递中间信号的检测斜率检测模块，连接到斜率检测模块的输出以便延迟中间信号并传递开关谐振电路的控制信号的可调延迟装置，以及包括用于确定控制信号周期的装置的检测装置。

根据一个实施例，处理装置被配置为调节延迟装置的延迟值。

根据一个实施例，处理装置具有被配置为确定控制信号周期平均值的平均模块，以及被配置为构造该平均值与目标周期之间的差异的减法模块，以根据比较结果调节延迟装置的延迟值。

附图说明

本发明的其它优点和特征将通过并不意味着限制的实现方式和实施例的具体描述以及附图显现，其中：

-图1-3原理性地示出了本发明的实施例和实现方式。

具体实施方式

现将在Qi标准的背景下更详细地描述本发明而不是限制其至具体示例，并特别应用于发射器和接收器之间存在磁耦合的任何领域，发射器通过使用该磁耦合驱动电力载波至接收器，以及接收器本身调制该载波以便与发射器通信。

在图1中，标号1表示发射器，例如基站或者充电器，以及标号2表示接收器，其磁耦合至发射器，例如蜂巢式移动电话，用于从发射器到接收器的功率传输的目的，以便例如对后者的电池再充电或者提供功率至位于接收器内部的元件或者设备。

发射器1具有电感电容谐振电路100，电感电容谐振电路100具有电容元件C，电容元件C连接到电感元件L，诸如线圈，其本身连接到地。该谐振电路由驱动电路(“驱动器”)103驱动。谐振电路100/驱动电路103组件构成了开关谐振电路。

通过非限制性示例，图2示出了驱动电路103的一个实施例。在这种情况下，其具有两个开关，诸如MOS晶体管SW1和SW2，其串联连接在供电电压Vdd和地之间。形成了半桥的两个开关通过在高电平和低电平之间切换的控制信号SC驱动。控制信号SC具有控制频率。

当然，驱动电路103的其它实施例也是可能的，诸如全桥装置。

信号SI在本案例中是地周围的振荡信号，其为谐振电路内部出现在振荡节点N上的信号，振荡节点N是电容元件C和电感元件L共用的。信号SI的周期对应于控制信号SC的频率。

信号SI传递到被配置为检测内部信号SI的斜率变化的斜率检测器101。

在这种情况下，因此该斜率检测器是四分之一波长的检测器，图3原理性地示出了该斜率检测器的一种实现方式的示例。

在这种情况下，其具有与电容器C1串联的电阻器R1，构成了与振荡节点N相连的RC滤波器。该RC滤波器能够滤除任何噪声。

RC滤波器的输出首先连接到比较器1010的+输入，然后通过两个背对背的二极管D1和D2连接到地。

在这种情况下，比较器1010的—输入连接到地，并且比较器的输出是斜率检测器的输出。

传递中间信号SINT的斜率检测器的输出连接到可编程或者可调节延迟装置102的输入，其可以通过传统已知的方式在数字领域中实现。延迟值大约等于控制信号SC的周期(对应于节点N上的信号SI的周期)的四分之一。

传递控制信号SC的延迟装置的输出环路回到驱动电路103的控制输入。

因此，在这种情况下，可以看出环路10具有开关谐振电路100、103，斜率检测器101以及在发射器中构成的延迟装置102。

通过选择适当的极性，也就是说通过布置参数，使得控制信号SC的高电平接近连接到供电电压Vdd的开关SW1，以及控制信号SC的低电平接近连接谐振电路至地的开关SW2，环路10是自振荡的。

进一步地，环路的振荡频率大于谐振电路100的谐振频率，其有利地使其可能基于连接到地或者连接到振荡电路100的供电电压(Vdd)获得自动的电压转换。

延迟装置102的延迟值的调整使其可能调整传输到接收器的功率值。

在回到更具体的系统操作之前，将描述接收器2的结构。

后者同样地具有电感电容电路，电感电容电路具有电感元件LR，例如线圈，其耦合到电路100的线圈L，以及电容元件CR。

接收器2的各种元件以及特别是电池作为整体由标号20指示，并且特别具有连接到电感电容电路LR、CR的端子的整流桥(在这种情况下，为了简化的原因而未示出)。

接收器2同样地具有调制电容器Cmod，其通过例如MMOS晶体管的开关SW切换，连接到电感电容电路LR、CR的端子的装置。

接收器2和发射器1之间的通信受到通过发射器1经由线圈L传输的磁场的调制影响。在这种情况下，该调制通过连接或者断开接收器的调制电容器Cmod作用。因此，电容器Cmod的连接将略微修改谐振电路100的总电容值。

此外，电容值的修改将产生通过环路10产生的控制信号SC的频率变化。

频率变化的检测将允许接收器/发射器通信通道被解调，并且因此，通过接收器传输到发射器的数据和信息将从其获得，数据和信息与功率调节误差特别相关，。

更具体地，信号SC的控制频率的变化检测包括确定控制信号SC的周期。

该确定可以通过使用计时器单元11执行，其可以在数字领域中例如使用计数器实现。

控制信号的周期值，如通过计时器11所测得的，被传递到处理装置，例如从其推导出是否连接到电容器Cmod的微控制器14，因此，通过接收器传输的字节的逻辑值。

因此，作为粗略的指导，例如，如果电容器Cmod实际上是连接的(开关SW闭合)，导致了信号SC的周期变化，那么考虑逻辑“1”被传输是可能的。在相反的情况下，也就是说没有频率变化时，对应于断开电容器Cmod(开关SW关断)，逻辑“0”被假设为传输。

如上所指示的，从接收器到发射器的通信使其可能，通过示例的方式，传输指示传输功率是否充足的消息。

通过阅读该消息，然后微控制器14可以调整延迟102的值，以修改控制信号SC的频率。

当然，电容器Cmod的开关频率，以及频率变化是有利地远远小于控制信号SC的频率的。作为粗略的指导，对于操作在110KHz的系统，其对应于控制信号的9.1微秒的周期，为开关SW选择500微秒的开通或关断时间是可能的。因此，电容器Cmod将保持连接或者断开信号SC的至少50个周期，其对于确定频率变化是相当充足的。

假定发射器以振荡器的方式操作，这种解决办法对接收器的阻抗是敏感的。这样的原因是，依赖于接收器相对发射器的位置，系统将不会自然操作在恒定频率，其在用于传递适当的功率的许多情况下是困难的。

因此，为将构成的第二个更慢的环路做了准备。更具体地，平均单元12用于确定控制信号SC的周期平均值，以及该平均值与目标周期TPR之间执行的差异，其通过微控制器14，在减法器13中计算。

该差异的结果当环回到延迟装置102时能够调整延迟装置102的延迟值。

采用这两个环路，则在操作中通过接收器执行检测连接到磁场调制的频率变化是可能的，通常，以定义的频率。

例如，通过使用

具有6.3μH的电感值的线圈以及具有400nF的电容值的电容元件，其对应于与Qi标准兼容的示例值，

具有10毫微法数值的电容器Cmod，范围从0.5至0.9的发射器/接收器耦合因子，以及

通过接收器达到5W的负载，

获得够操作在从110KHz至200KHz的频率范围而能够监测从2KHz至5KHz的频率变化的系统，其容易通过数字计时器检测。

Claims (22)

1.一种发射器，包括：

开关谐振电路，响应于控制信号产生振荡信号以产生磁场；

斜率检测模块，被配置为检测所述振荡信号的斜率变化；

延迟电路，接收所述斜率检测模块的输出、并且实现可变延迟，以控制向接收器的功率传输；

其中所述控制信号的频率变化指示所述接收器对所述磁场的调制；以及

电路，被配置为确定所述控制信号的周期，将所确定的周期与目标周期相比较，并且响应于所确定的周期和所述目标周期之间的差异来调整由所述延迟电路实现的所述可变延迟。

2.根据权利要求1所述的发射器，其中所述电路包括平均电路，所述平均电路被配置为确定所述控制信号的多个周期的平均值，所述平均值被与所述目标周期相比较。

3.根据权利要求1所述的发射器，其中所述调制将数据信息从所述接收器传送到所述发射器。

4.根据权利要求3所述的发射器，其中所述数据信息与功率调节误差相关。

5.根据权利要求3所述的发射器，其中所述数据信息指示被发射到所述接收器的功率是否足够。

6.根据权利要求5所述的发射器，其中所述电路包括数据处理电路，所述数据处理电路被配置为响应于所述数据信息来调整所述目标周期。

7.一种方法，包括：

从开关谐振电路响应于控制信号产生振荡信号以产生磁场；

检测所述振荡信号的斜率变化；

根据所检测的斜率变化产生具有可变延迟的所述控制信号，以控制向接收器的功率传输；

其中所述控制信号的频率变化指示所述接收器对所述磁场的调制；

确定所述控制信号的周期；

将所确定的周期与目标周期相比较；以及

响应于所确定的周期和所述目标周期之间的差异来调整所述可变延迟。

8.根据权利要求7所述的方法，还包括：确定所述控制信号的多个周期的平均值，其中比较包括：将所述平均值与所述目标周期相比较。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述调制将数据信息从所述接收器传送到所述发射器。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述数据信息与功率调节误差相关。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述数据信息指示被发射到所述接收器的功率是否足够。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：响应于所述数据信息来调整所述目标周期。

13.一种用于管理从相互耦合的发射器到接收器的非接触功率传输的方法，包括：

根据以用于开关谐振电路的控制频率的指令通过所述发射器产生磁场；

利用振荡回路内部的控制信号来控制所述开关谐振电路，所述振荡回路将其自身保持在所述控制频率、并且包含所述开关谐振电路；以及

产生所述控制信号，所述控制信号作为因检测所述开关谐振电路内部的信号的斜率变化而引起的延迟信号。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

通过所述接收器调制所述磁场来传送信息；

通过所述发射器检测所述调制，以通过检测所述控制频率中的变化来获取所述信息；以及

响应于所述接收的信息来调整所述延迟信号。

15.根据权利要求13所述的方法，其中检测包括：确定所述控制信号的周期。

16.根据权利要求15所述的方法，其中调整包括：

确定所述控制信号的多个周期的平均值；

建立所述平均值和目标周期之间的差异；以及

响应于所述差异来调整所述延迟信号的延迟。

17.一种发射器，包括：

开关谐振电路，被配置为耦合到接收器的天线，用于向所述接收器的非接触功率传输；以及

电路，被配置为管理所述非接触功率传输，包括：

产生器电路，被配置为根据以用于所述开关谐振电路的控制频率的指令来产生磁场，其中所述产生器电路包括：

振荡回路，将其自身保持在所述控制频率，并且包含所述开关谐振电路；

斜率检测模块，被配置为检测所述谐振电路内部的信号的斜率变化，并且传送中间信号；以及

可调延迟电路，被连接到所述斜率检测模块的输出，

以便延迟所述中间信号，并且传送用于所述开关谐振电路的控制信号。

18.根据权利要求17所述的发射器，还包括：

检测器电路，被配置为检测所述磁场的调制，所述调制表示由所述接收器传送的信息；以及

处理电路，被配置为响应于所述接收的信息来调整所述中间信号的延迟。

19.根据权利要求18所述的发射器，其中所述检测器电路运行以检测所述控制频率中的变化。

20.根据权利要求18所述的发射器，其中所述处理电路被配置为调整所述可调延迟电路的延迟值。

21.根据权利要求18所述的发射器，其中所述处理电路包括：

平均电路，被配置为确定所述控制信号的多个周期的平均值；以及

减法电路，被配置为建立所述平均值和目标周期之间的差异，以便根据所述差异来调整所述可调延迟电路的所述延迟值。

22.根据权利要求17所述的发射器，其中所述检测器电路还被配置为确定所述控制信号的所述周期。