CN110336385A - 具有正弦脉冲宽度调制的无线充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“具有正弦脉冲宽度调制的无线充电装置”。无线功率系统具有无线功率传输装置和无线功率接收装置。无线功率传输装置可包括被配置为驱动谐振电路的逆变器，并且可还包括正弦脉冲宽度调制(PWM)信号发生器，该正弦脉冲宽度调制(PWM)信号发生器被配置为生成对应的正弦PWM控制信号。逆变器可具有接收正弦PWM控制信号的输入。正弦PWM控制信号可表现出总和等于正弦PWM控制信号的目标占空比的多个不同脉冲宽度。以这种方式操作，无线功率传输装置表现出减小的谐波失真，从而减轻不需要的辐射杂散发射。

Description

具有正弦脉冲宽度调制的无线充电装置
本专利申请要求于2018年6月11日提交的美国专利申请No.16/005,382以及于2018年3月28日提交的临时专利申请No.62/649,486的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及功率系统，并且更具体地，涉及用于给电子装置充电的无线功率系统。
背景技术
在无线充电系统中，无线充电垫向放置在垫上的便携式电子装置无线传输功率。便携式电子装置具有线圈和整流器电路系统。便携式电子装置中的线圈接收来自在无线充电垫中的线圈的交流电无线功率信号，所述无线充电垫与便携式电子装置中的线圈重叠。整流器电路系统将接收的信号转换为直流功率。
发明内容
无线功率系统具有无线功率传输装置和无线功率接收装置。无线功率接收装置具有接收来自无线功率传输装置的无线功率信号的接收线圈并且具有由接收的无线功率信号产生直流功率的整流器。
无线功率传输装置具有无线功率传输电路系统，所述无线功率传输电路系统包括谐振电路，用于驱动谐振电路的逆变器，以及以选定的占空比将周期控制信号输出到逆变器的脉冲宽度调制(PWM)信号发生器。谐振电路可包括无线功率传输线圈以及耦合到无线功率传输线圈的电容器。逆变器可包括第一开关，与第一开关串联耦合的第二开关，以及与第一开关并联耦合并且被配置为滤除不需要的高频分量的电容器。
PWM信号发生器可包括比较器，所述比较器具有接收第一周期信号的第一(负)输入，接收第二周期信号的第二(正)输入，以及提供控制信号的输出。第一周期信号可具有第一频率，而第二周期信号可具有大于第一频率的第二频率(例如，第二频率可以是第一频率的至少10倍)。第一周期信号可以是正弦波形。第二周期信号可以是周期斜变信号，诸如三角形波形或锯齿波形。
以这种方式配置，PWM信号发生器可输出以给定的功率频率振荡的正弦PWM控制信号，其中控制信号具有功率频率的周期中的多个不同脉冲宽度，该功率频率是控制信号的选定的占空比的总和。使用具有不同脉冲宽度的正弦PWM控制信号减少逆变器的输入的谐波失真，从而大幅减少无线功率传输电路系统的辐射杂散发射。
附图说明
图1是根据一个实施方案的包括无线功率传输装置和无线功率接收装置的例示性无线充电系统的示意图。
图2是根据一个实施方案的例示性无线功率传输装置的顶视图。
图3是根据一个实施方案的例示性无线功率传输电路系统和例示性无线功率接收电路系统的电路图。
图4是示出了作为占空比的函数的无线功率传输电路系统的谐波失真水平的示意图。
图5是根据一个实施方案的例示性无线功率传输电路系统的电路图，包括正弦脉冲宽度调制输入发生器、逆变电路和无线功率传输线圈。
图6A是示出了根据一个实施方案的可用于控制无线功率传输电路系统的正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制信号的示意图。
图6B是示出了根据一个实施方案的由无线功率传输电路系统生成的SPWM输出波形的示意图。
图6C是示出了根据一个实施方案的如何抑制SPWM电流输出波形中的高频分量的示意图。
图7A是具有固定25％占空比的矩形波的示意图。
图7B是示出了使用图7A的矩形波控制的无线功率传输电路系统的谐波失真水平的示意图。
图8A是具有固定45％占空比的矩形波的示意图。
图8B是示出了使用图8A的矩形波控制的无线功率传输电路系统的谐波失真水平的示意图。
图9A是示出了根据一个实施方案的图5的比较器的输入信号的示意图。
图9B是示出了使用图9A的输入信号控制的无线功率传输电路系统的谐波失真水平的示意图。
图10A是示出了根据一个实施方案的图5的比较器的输入信号的示意图。
图10B是示出了使用图10A的输入信号控制的无线功率传输电路系统的谐波失真水平的示意图。
图11是示出了根据一个实施方案的如何使用正弦脉冲宽度调制来控制无线功率传输电路系统以减少谐波失真的示意图。
具体实施方式
无线功率系统包括无线功率传输装置，诸如无线充电垫。无线功率传输装置向无线功率接收装置(诸如腕表、蜂窝电话、平板电脑、膝上型计算机或其它电子设备)无线地传输功率。无线功率接收装置使用来自无线功率传输装置的功率用于为装置供电以及为内部电池充电。
图1中示出了例示性无线功率系统(无线充电系统)。如图1所示，无线功率系统8包括无线功率传输装置(诸如无线功率传输装置12)，并且包括无线功率接收装置(诸如无线功率接收装置24)。无线功率传输装置12包括控制电路系统16。无线功率接收装置24包括控制电路系统30。在系统8中的控制电路系统，诸如控制电路系统16和控制电路系统30用于控制系统8的操作。此控制电路系统可包括与微处理器、功率管理单元、基带处理器、数字信号处理器、微控制器和/或具有处理电路的专用集成电路相关联的处理电路系统。处理电路系统在装置12和24中实现期望的控制和通信特征。例如，处理电路系统能够用于选择线圈、确定功率传输水平、处理传感器数据和其它数据、处理用户输入、处置在装置12和24之间的协商、发送和接收带内和带外数据、进行测量，以及其他控制系统8的操作。
系统8中的控制电路系统可被配置为使用硬件(例如，专用硬件或电路系统)、固件和/或软件在系统8中执行操作。用于在系统8中执行操作的软件代码存储在控制电路系统8中的非暂态计算机可读存储介质(例如，有形计算机可读存储介质)上。该软件代码可有时被称为软件、数据、程序指令、指令、或代码。非暂态计算机可读存储介质可包括非易失性存储器诸如非易失性随机存取存储器(NVRAM)、一个或多个硬盘驱动器(例如，磁盘驱动器或固态驱动器)、一个或多个可移动闪存驱动器、或其它可移动介质等。存储在非暂态计算机可读存储介质上的软件可在控制电路系统16和/或30的处理电路系统上执行。处理电路系统可包括具有处理电路系统的专用集成电路、一个或多个微处理器、中央处理单元(CPU)、或其它处理电路系统。
功率传输装置12可以是独立的功率适配器(例如，包括功率适配器电路系统的无线充电垫)，可以是通过缆线耦合到功率适配器或其它设备的无线充电垫，可以是便携式装置，可以是已经结合到家具、车辆或其它系统中的设备，或可以是其它无线功率传递设备。其中无线功率传输装置12是无线充电垫的例示性配置在本文中有时作为示例进行描述。
功率接收装置24可以是便携式电子装置，诸如腕表、蜂窝电话、膝上型计算机、平板电脑、附件诸如耳塞，或其它电子设备。功率传输装置12能够耦合到壁装插座(例如，交流功率源)，可具有用于供应功率的电池，和/或可具有另一个功率源。功率传输装置12可具有交流(AC)-直流(DC)功率转换器，诸如AC-DC功率转换器14，用于将来自壁装插座或其它功率源的AC功率转换成DC功率。DC功率可用于为控制电路系统16供电。在操作期间，控制电路系统16中的控制器可使用功率传输电路系统52来向装置24的功率接收电路系统54传输无线功率。功率传输电路系统52可具有切换电路系统(例如，由晶体管形成的逆变器电路系统60)，所述切换电路系统基于由控制电路系统16提供的控制信号而接通或截止，以形成通过一个或多个传输线圈42的AC电流信号。线圈42可布置成平面线圈阵列(例如，在其中装置12是无线充电垫的配置中)。
当AC电流通过一个或多个线圈42时，产生交流电磁(例如，磁)场(信号44)，这些交流电磁场由一个或多个对应的接收器线圈，诸如在功率接收装置24中的线圈48接收。当交流电磁场被线圈48接收时，在线圈48中诱导出对应的交流电流。整流器电路系统诸如整流器50(其包含整流部件，诸如布置在桥式网络中的同步整流金属氧化物半导体晶体管)将从线圈48接收的AC信号(与电磁信号44相关联的接收的交流信号)转换成DC电压信号以用于给装置24供电。
由整流器50产生的DC电压可用于为电池诸如电池58供电，并且可用于为在装置24中的其它部件供电。例如，装置24可包括输入输出装置56诸如显示器、触摸传感器、通信电路、音频部件、传感器和其它部件，并且这些部件可由整流器50所产生的DC电压(和/或电池58所产生的DC电压)供电。
装置12和/或装置24可使用带内或带外通信进行无线通信。装置12可例如具有无线收发器电路系统40，该无线收发器电路系统40使用天线来向装置24无线地传输带外信号。无线收发器电路系统40可用于使用天线从装置24无线地接收带外信号。装置24可具有向装置12传输带外信号的无线收发器电路系统46。无线收发器46中的接收器电路系统可使用天线来从装置12接收带外信号。
无线收发器电路系统40可也使用一个或多个线圈42以给定的功率频率(或功率传输频率)传输带内信号，所述信号由无线收发器电路系统46使用线圈48接收。相似地，无线收发器电路系统46可使用一个或多个线圈48以给定的功率频率传输带内信号，所述信号由无线收发器电路系统40使用线圈42接收。可使用任何合适的调制方案来支持装置12与装置24之间的带内通信。
在一些情况下，在功率传输装置12中的无线收发器电路系统40以及在功率接收装置24中的无线收发器电路系统46可通过调制用于传递功率的AC驱动信号带内通信。频移键控(FSK)、幅移键控(ASK)，或AC驱动信号的任何其它期望的调制能够被用于在装置12和装置24之间传送带内数据，同时功率从装置12被无线地传送到装置24。
例如，在无线功率传输操作期间，虽然功率传输电路系统52在功率传输频率下将AC信号驱动到一个或多个的线圈42中以产生信号44，但无线收发器电路系统40使用FSK调制来调制驱动AC信号的功率传输频率，并且由此调制信号44的频率。在装置24中，线圈48用于接收信号44。功率接收电路系统54使用在线圈48上接收的信号和整流器50来产生DC功率。同时，无线收发器电路系统46使用FSK解调来从信号44提取传输的带内数据。这种方法允许通过线圈42和48将FSK数据(例如，FSK数据分组)从装置12带内传输至装置24，同时使用线圈42和48将功率从装置12无线传送至装置24。
在装置12和24之间的带内通信可也使用ASK调制和解调技术。例如，无线收发器电路系统46可通过使用切换器(例如，在收发器46中的耦合线圈48的一个或多个晶体管)将数据带内传输到装置12以调制功率接收电路系统54(例如，线圈48)的阻抗。这继而调制信号44的振幅以及通过一个或多个线圈42的AC信号的振幅。无线收发器电路系统40监测通过一个或多个线圈42的AC信号的振幅，并且使用ASK解调从由无线收发器电路系统46传输的这些信号提取传输的带内数据。使用ASK通信允许通过线圈48和42将ASK数据位(例如，ASK数据分组)从装置24带内传输至装置12，同时使用线圈42和48将功率从装置12无线传送至装置24。
为了提高数据传输的速率并且提高带内通信的抗扰度，无线收发器电路系统40和无线收发器电路系统46能够被配置为将一个或多个数据载波(其具有比AC驱动信号更高的频率)注入用于无线功率传输的AC驱动信号。数据载波能够使用线圈42和48在装置12和24之间传输。数据载波可具有比AC驱动信号更高的频率，以启用在装置12和24之间更快的数据传输。功率接收装置24可通过调制数据载波来将数据传输到功率传输装置12。
控制电路系统16具有检测与装置12相关联的充电表面上的外部物体的外部物体测量电路系统41(有时称为外来物体检测电路系统或外部物体检测电路系统)。电路系统41可检测外来物体诸如线圈、回形针和其它金属物体，并且可检测无线功率接收装置24的存在。在物体检测和表征操作期间，外部物体测量电路系统41能够用于在线圈42上进行测量以确定在装置12上是否存在任何装置24。
在例示性布置中，控制电路系统16的测量电路系统41包含信号发生器电路系统(例如，用于在一个或多个探针频率下生成AC探针信号的振荡器电路系统、脉冲发生器等)和信号检测电路系统(例如，滤波器、模数转换器、脉冲响应测量电路等)。在测量操作期间，装置12中的切换电路系统可由控制电路系统16进行调整以将线圈42中的每一个切换到使用中。当每个线圈42选择性地切换到使用中时，控制电路系统16使用信号测量电路系统41的信号发生器电路系统来向那个线圈施加探针信号，同时使用信号测量电路系统41的信号检测电路系统来测量对应的响应。在控制电路系统30和/或在控制电路系统16中的测量电路系统43可也用于进行电流和电压测量。
每个线圈42的特性取决于是否有任何外来物体与该线圈(例如，硬币、无线功率接收装置等)重叠，并且还取决于是否存在具有线圈诸如图1的线圈48的无线功率接收装置，这可提高任何重叠的线圈42的测量的电感。信号测量电路系统41被配置为向线圈施加信号并且测量对应的信号响应。例如，信号测量电路系统41可施加交流电流探针信号，同时监测在耦合到线圈的节点处的所得信号。又如，信号测量电路系统41可将脉冲施加到线圈并且测量所得脉冲响应(例如，测量线圈电感)。使用来自测量电路系统41的测量，无线功率传输装置可确定在线圈上是否存在外部物体。例如，如果所有线圈42都表现出其对所施加信号的预期标称响应，则控制电路系统16可推断出不存在外部装置。如果线圈42中的一个表现出不同的响应(例如，与正常的不存在物体的基线不同的响应)，则控制电路系统16可推断出存在外部物体(可能是兼容的无线功率接收装置)。
控制电路系统30具有测量电路系统43。在例示性布置中，控制电路系统30的测量电路系统43包含信号发生器电路系统(例如，用于在一个或多个探针频率下生成AC探针信号的振荡器电路系统、脉冲发生器等)和信号检测电路系统(例如，滤波器、模数转换器、脉冲响应测量电路等)。在测量操作期间，装置24可使用测量电路系统43来进行测量以表征装置24以及装置24的部件。例如，装置24可使用测量电路系统43来测量线圈48的电感(例如，信号测量电路系统43能够被配置为测量在线圈48处的信号，同时向线圈48供应在一个或多个频率下的信号以测量线圈电感)、信号脉冲(例如，使得在测量电路系统中的脉冲响应测量电路系统能够用于进行电感和Q因数测量)等。测量电路系统43可也进行整流器50的输出电压、整流器50的输出电流等的测量。
在图2中示出了装置12的例示性配置的顶视图，其中装置12具有线圈42的阵列。在图2的示例中，装置12具有位于X-Y平面中的线圈36的阵列。装置12的线圈36由形成充电表面90的平面电介质结构诸如塑料构件或其它结构覆盖。装置36中的线圈36的阵列的侧向尺寸(X和Y尺寸)可以是1至1000cm、5至50cm、大于5cm、大于20cm、小于200cm、小于75cm，或其它合适的大小。线圈36可重叠或可被布置成非重叠配置。线圈36可放置成具有行和列的矩形阵列，和/或可使用六边形贴块图案或其它图案来平铺。装置12总体上可具有任何合适数量的线圈42(例如，22个线圈、至少5个线圈、至少10个线圈、至少15个线圈、少于30个线圈、少于50个线圈等)。线圈42可布置成行和列，并且在线圈的一个或多个层中可能或可能没有彼此部分地重叠。线圈42可以是圆形或可具有其它合适的形状(例如，线圈42可以是正方形、可具有六边形形状、可具有其它具有旋转对称性的形状等)。
在图3中示出可用于形成图1的功率传输电路系统52和功率接收电路系统54的类型的例示性电路系统。如图3所示，功率传输电路系统52可包括驱动电路系统诸如逆变器60，所述驱动电路系统以无线功率传输频率向无线功率发射器谐振电路提供驱动信号。无线功率发射器谐振电路可包括无线功率传输线圈42和电容器70。无线功率接收电路系统54中的整流器50使用无线功率接收器谐振电路接收无线功率信号44，所述无线功率接收器谐振电路包括电容器74和无线功率接收线圈48。
逆变器60可包括金属氧化物半导体晶体管或其它合适的晶体管，所述晶体管通过在控制信号输入62接收的控制电路系统16(图1)的AC控制信号进行调制。AC控制信号62的属性(例如，占空比、频率等)可在功率传输期间通过控制电路系统16进行动态调整，以控制功率传输线圈42所传输的功率的量。
当传输无线功率时，控制电路系统16(图1)选择一个或多个适当的线圈42以用于将信号44传输到线圈48(例如，控制电路系统16向逆变器60的输入62提供控制信号来驱动选定的线圈42，以产生信号44)。当将装置24放置在装置12的表面上时，被驱动以产生信号44的装置12中的选定的线圈42往往是线圈42，所述线圈至少部分地与装置24中的线圈48重叠(当从上面观察装置12的充电表面时)，并且有时被称为“有源”无线传输线圈。装置12中的线圈42与装置24中的线圈48不重叠(当从上面观察装置12的充电表面时)可通过逆变器60取消选择和取消驱动，并且有时被称为“无源”或暂时空闲线圈。线圈48和电容器74在接收信号44的电路系统54中形成谐振电路。接收器50对接收的信号进行整流，并且在输出68处提供直流输出功率。
在多线圈配置中诸如图2的示例中所示的多线圈配置，功率传输装置12的充电表面上的有源和无源线圈42之间的磁交叉耦合和泄漏可能非常高。此外，装置24的线圈48和装置12的无源线圈42之间的磁交叉耦合和泄漏可能进一步加剧该问题。这导致产生高谐波失真，从而导致杂散辐射发射的水平增加，并且使得功率传输装置12难以满足全球监管要求。
传统上，功率传输电路系统中的逆变器由矩形时钟信号控制。虽然正确接地可帮助减小功率传输装置12中的相邻线圈42之间的磁通量耦合，但是由于使用控制逆变器的矩形时钟信号而存在谐波失真。矩形时钟信号可具有占空比。图4是示出了作为矩形时钟信号的占空比函数的无线功率传输电路系统的谐波失真水平的示意图。
如图4所示，二次谐波失真HD2在占空比为约50％时表现出低谷；三次谐波失真HD3在占空比为约34％时表现出低谷；四次谐波失真HD4在占空比为约25％时表现出低谷；等等。换句话说，谐波失真分布可随占空比显著变化，从而导致不同接收器的辐射杂散发射(RSE)。根据图4，由于八次谐波失真HD8在占空比为约13％时具有低谷，因此最好是将矩形时钟信号的占空比固定为13％，以最大程度减少HD8。虽然将矩形时钟信号的占空比固定为13％将有助于最大程度减少HD8，但是其它谐波频率(例如，HD2至HD7、HD9、HD10等)的发射仍然很显著。
根据一个实施方案，无线功率传输电路系统52可使用具有不同脉冲宽度的信号来控制，以帮助减少来自该信号的谐波含量。图5是通过表现出多个不同脉冲宽度的周期信号来控制的例示性无线功率传输电路系统52的电路图。如图5所示，功率传输电路系统52包括被配置为驱动对应的无线功率发射器谐振电路的逆变器60，所述谐振电路包括线圈42和电容器70。
逆变器60可包括在第一电源线路(例如，正电源端子504)和第二电源线路(例如，接地电源端子506)之间串联耦合的第一开关(例如，第一晶体管T1)和第二开关(例如，第二晶体管T2)。可对逆变器60进行调制以产生适合用于驱动驱动线圈42进行无线功率传输的AC输出波形信号。在一些示例中，该信号的频率在千赫范围内，诸如100kHz至400kHz之间，包括特别是在125kHz至130kHz范围内的频率。在一些示例中，该信号在兆赫范围内，诸如约6.78MHz，或更一般地1MHz至100MHz之间。在一些示例中，该信号在千兆赫范围内，诸如约60GHz，并且更一般地1GHz至100GHz之间。当该AC信号通过线圈42时，生成对应的无线功率信号(电磁信号48)并且将其传送到电路系统54的线圈48。调制功率传输电路系统52的该AC频率有时被称为功率频率(“fp”)。
晶体管T1和T2具有彼此连接并且用作逆变器60的输入的栅极端子。为了以希望的功率频率生成AC输出波形，逆变器60可在其输入接收来自输入源发生器的周期控制信号，例如正弦脉冲宽度调制(PWM)信号发生器500。信号发生器500有时可被视为控制电路系统16的一部分(参见图1)。缓冲电路诸如驱动电路502可任选地插入正弦PWM信号发生器500和逆变器60的输入之间，以帮助将逆变器60的输入驱动到希望的电压水平。
正弦PWM信号发生器可被配置为生成具有多个不同脉冲宽度的周期控制信号，其中在周期控制信号的周期中的不同脉冲宽度的总和等于选定的占空比。换句话说，控制信号的周期内的不同脉冲宽度总和基本上等于选定的占空比。这种类型的控制信号可使用正弦输入源生成，并且因此有时被称为正弦PWM控制信号Vspwm。
图5中示出了一种用于生成控制信号Vspwm的合适的布置方式。在图5的示例中，发生器500可包括比较电路诸如比较器510，所述比较电路具有被配置为接收第一周期输入信号的第一输入(即负输入)，被配置为接收第二周期输入信号的第二输入(即正输入)以及提供控制信号Vspwm的输出。第一周期输入源可以是以功率频率fp振荡的正弦波形Vsine。第二周期输入源可以是以非常高的频率N*fp振荡的参考信号Vref，其中N可以是至少10、至少20、至少50、至少100、2至10之间或一些其它合适的整数。在某些实施方案中，信号Vref可以是三角形波、锯齿波、正弦波或其它合适的波形。
图6A是示出了在比较器510的输出提供并且可用于控制无线功率传输电路系统52的正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制信号Vspwm的示意图。如图6A所示，信号Vspwm表现出多个不同的脉冲宽度。信号Vspwm中的不同脉冲宽度的总和可等于选定的占空比。例如，在选定的占空比为30％的场景中，当信号Vspwm为高时的持续时间(即所有高脉冲的总和)将是信号Vsine的周期的约30％。又如，在选定的占空比为50％的场景中，Vspwm中的所有不同脉冲宽度的总和将基本上等于信号Vsine的周期的一半。
图6B是示出了可由无线功率传输电路系统52生成的波形的示意图(例如，通过向比较器510的输入馈送信号Vsine和Vref)。正弦信号Vsine具有频率fp，并且图6B示出了频率fp的一个周期。在图6B的示例中，信号Vref是频率为约30*fp的三角形波形。这些信号被馈送到比较器510(图5)以生成对应的信号Vspwm，如图6A所示。可使用驱动器502可选地放大或电平移位在逆变器60的输入处接收的信号Vspwm。响应于接收SPWM控制信号，逆变器60可在其输出电压波形Vout和电流波形Iout生成。仍然参考图6B，波形Vout表现出与Vspwm类似的形状(例如，Vout还具有总和等于目标占空比的多个不同脉冲宽度)。
辐射杂散发射通常由输出电流Iout控制。在图6B的示例中，Vout中的不同脉冲可在Iout波形中引起对应的高频峰值。图6C示出了Iout的更缩小版本(例如，参见波形650)。根据某些实施方案，输出电流中的高频分量可使用电容器滤除，诸如与晶体管T1并联耦合的电容器C1(例如，参见图5)。以这种方式配置，电容器C1将滤除与Vref相关联的任何不需要的高频分量(例如，N*fp、2N*fp、3N*fp、4N*fp、5N*fp等的不需要的高频分量)，从而实现低辐射杂散发射。滤出高频分量的所得输出电流Iout’如图6C中的波形652所示，该输出电流不包括不需要的峰值。
在图5的示例性配置中，使用接收两个不同周期输入信号以生成正弦PWM控制信号的比较器来实现正弦PWM信号发生器500仅是示例性的，并非旨在限制本发明实施方案的范围。如果需要，PWM信号发生器500可通过其它合适的方式实现，以生成具有总和等于所需占空比的多个不同脉冲宽度的控制信号。
图7至图10中示出了通过使用正弦PWM控制信号提供的改进。图7A是具有固定的25％占空比的矩形波Vsq的示意图。如果该信号Vsq经由驱动器502馈送至逆变器60的输入，则逆变器60的输出处的对应的频率响应如图7B所示。功率频率fp的功率电平标记为基频分量F0；二次谐波失真分量标记为HD2；三次谐波失真分量标记为HD3；四次谐波失真分量标记为HD4；等等。在图7B的示例中，谐波失真分量相对于F0非常高。当占空比为25％时，四次谐波失真HD4和八谐波失真HD8相对较低，这与图4的示意图一致，其中HD4和HD8在占空比为25％时都表现出局部低谷。
图8A是具有固定的45％占空比的矩形波Vsq的示意图。如果该信号Vsq经由驱动器502馈送至逆变器60的输入，则逆变器60的输出处的对应频率响应如图8B所示。在图8B的示例中，谐波失真分量相对于F0也非常高。当占空比为45％时，九次谐波失真HD9相对较低，这与图4的示意图一致，其中HD9在占空比为约45％时表现出局部低谷。
图9A是示出了图5的比较器510的输入信号的示意图。信号Vsine以频率fp振荡，而Vref以非常高的频率N*fp切换(其中N在图9A的示例中约等于40)。当这些信号被馈送到比较器510的输入时，可产生具有总和等于25％的有效占空比的多个不同脉冲宽度的对应控制信号Vspwm(例如，参见图6A)。接收此类控制信号Vspwm的逆变器60在逆变器的输出可表现出图9B的对应频率响应(例如，参见图6B中的Vout)。功率频率fp的功率电平标记为基频分量F0；二次谐波失真分量标记为HD2；三次谐波失真分量标记为HD3；四次谐波失真分量标记为HD4；等等。
在图9B的示例中，谐波失真分量(即HD2、HD3、HD4、HD5等)远低于图7B的谐波失真分量，这两种谐波失真分量都以25％占空比产生。例如，图7B中的HD2为约16dB，而图9B中的HD2为约-7dB。换句话说，使用正弦PWM控制信号而不是传统矩形时钟信号可使HD2提高约23dB。在各种更高阶频率下由于Vspwm中的不同脉冲宽度减少谐波失真，每个脉冲宽度都有助于促成每个谐波频率的破坏性低谷。因此，使用正弦PWM控制信号减轻来自源(即逆变器60的输入)的谐波含量。作为结果，线圈42之间的任何再辐射将对远场辐射杂散发射几乎没有影响，并且可帮助功率传输装置12更好地满足全球监管要求。
如上所述，图9A的输入信号用于提供25％的有效占空比。为了改变正弦PWM方案中的有效占空比，可调整输入源Vsine的振幅。图10A是示出了图5的用于产生45％的有效占空比的比较器510的输入信号的示意图(例如，通过增加Vsine振幅)。信号Vsine以频率fp振荡，而Vref以非常高的频率N*fp切换(其中N在图10A的示例中约等于40)。当这些信号被馈送到比较器510的输入时，可产生具有总和等于45％的有效占空比的多个不同脉冲宽度的对应控制信号Vspwm。接收此类控制信号Vspwm的逆变器60在逆变器的输出可表现出图10B的对应频率响应。
在图10B的示例中，谐波失真分量(即HD2、HD3、HD4、HD5等)远低于图8B的谐波失真分量，这两种谐波失真分量都以45％占空比产生。例如，图8B中的HD2为约5.5dB，而图10B中的HD2为约-4.5dB。换句话说，使用正弦PWM控制信号而不是传统矩形时钟信号可使HD2提高约10dB。在各种更高阶频率下由于Vspwm中的不同脉冲宽度减少谐波失真，每个脉冲宽度都有助于促成每个谐波频率的破坏性低谷。因此，使用正弦PWM控制信号减轻来自源(即逆变器60的输入)的谐波含量。作为结果，线圈42之间的任何再辐射将对远场辐射杂散发射几乎没有影响，并且可帮助功率传输装置12更好地满足全球监管要求。
图11是示出了如何使用正弦脉冲宽度调制来控制无线功率传输电路系统以减少谐波失真的示意图。线路1100表示当逆变器60由仅具有一个固定脉冲宽度的矩形时钟信号控制时基频F0和谐波频率HD2至HD6的功率电平。线路1102表示当逆变器60由具有多个不同脉冲宽度的正弦PWM控制信号控制时基频F0和谐波频率HD2至HD6的功率电平。如图11的示例所示，线路1102相对于线路1100的谐波失真水平大幅减少，其中HD2减少超过20dB，HD3减少超过20dB，HD4减少超过5dB，HD5减少超过10dB，HD6减少超过20dB等。以这种方式减少谐波含量可大幅减少无线功率传输装置的辐射杂散发射。
根据一个实施方案，提供包括被配置为将无线功率信号传输到无线功率接收装置的无线功率传输装置，该无线功率传输装置包括无线功率传输线圈，被配置为以选定的占空比驱动无线功率传输线圈的逆变电路，以及被配置为输出具有多个不同脉冲宽度的周期控制信号的脉冲宽度调制信号发生器，控制信号的周期中的多个不同脉冲宽度的总和等于选定的占空比，并且逆变电路被配置为接收来自脉冲宽度调制输入发生器的控制信号以减少无线功率传输装置的谐波失真。
根据另一个实施方案，脉冲宽度调制信号发生器包括具有生成控制信号的输出端子的比较器。
根据另一个实施方案，比较器包括被配置为接收第一周期信号的第一输入以及被配置为接收第二周期信号的第二输入。
根据另一个实施方案，第一周期信号具有第一频率，并且第二周期信号具有与第一频率不同的第二频率。
根据另一个实施方案，第二频率是第一频率的至少十倍。
根据另一个实施方案，第一周期信号是正弦波。
根据另一个实施方案，第二周期信号是三角波。
根据另一个实施方案，第二周期信号是锯齿波。
根据另一个实施方案，逆变电路包括第一开关，与第一开关串联耦合的第二开关，以及与第一开关并联耦合的电容器，该电容器被配置为滤除与第二周期信号相关联的高频分量。
根据另一个实施方案，无线功率传输装置包括插入在脉冲宽度调制信号发生器和逆变电路之间的驱动电路。
根据一个实施方案，提供操作被配置为将无线功率信号传输到无线功率接收装置的无线功率传输装置的方法，该方法包括具有以给定的占空比驱动无线功率传输线圈的逆变电路，具有脉冲宽度调制信号发生器，生成具有多个不同脉冲宽度的周期控制信号，控制信号的周期中的多个不同的脉冲宽度的总和基本上等于给定的占空比，以及在逆变电路的输入接收控制信号以减少无线功率传输装置的谐波失真。
根据另一个实施方案，包括驱动谐振电路的逆变电路。
根据另一个实施方案，脉冲宽度调制信号发生器包括比较器，该方法包括在比较器的第一输入接收第一周期波形，以及在比较器的第二输入接收第二周期波形。
根据另一个实施方案，第一周期波形具有第一频率，并且第二周期波形具有第二频率，所述第二频率是第一频率的至少10倍。
根据另一个实施方案，第一周期波形是正弦波，并且第二周期波形是三角波和锯齿波中的选定的一个。
根据一个实施方案，提供的无线功率传输装置包括谐振电路，被配置为驱动谐振电路的逆变器，被配置为接收脉冲宽度调制控制信号的逆变器，以及被配置为输出脉冲宽度调制控制信号的脉冲宽度调制信号发生器，脉冲宽度调制控制信号具有给定的频率并且包括给定的频率的周期中的多个不同的脉冲宽度。
根据另一个实施方案，谐振电路包括无线功率传输线圈以及与无线功率传输线圈串联耦合的电容器。
根据另一个实施方案，逆变器包括第一晶体管，与第一晶体管串联耦合的第二晶体管以及与第一晶体管并联耦合的电容器。
根据另一个实施方案，脉冲宽度调制信号发生器包括被配置为接收第一频率的第一周期信号和第二频率的第二周期信号的比较电路，所述第二频率大于所述第一频率。
根据另一个实施方案，第一周期信号是正弦信号，并且第二周期信号是三角形信号。
前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种被配置为将无线功率信号传输到无线功率接收装置的无线功率传输装置，所述无线功率传输装置包括：
无线功率传输线圈；
逆变电路，所述逆变电路被配置为以选定的占空比驱动所述无线功率传输线圈；和
脉冲宽度调制信号发生器，所述脉冲宽度调制信号发生器被配置为输出具有多个不同脉冲宽度的周期控制信号，其中所述控制信号的周期中的所述多个不同脉冲宽度的总和等于所述选定的占空比，并且其中所述逆变电路被配置为从所述脉冲宽度调制输入发生器接收所述控制信号以减少所述无线功率传输装置的谐波失真。
2.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，其中所述脉冲宽度调制信号发生器包括具有输出端子的比较器，所述输出端子生成所述控制信号。
3.根据权利要求2所述的无线功率传输装置，其中所述比较器进一步包括：
第一输入，所述第一输入被配置为接收第一周期信号；和
第二输入，所述第二输入被配置为接收第二周期信号。
4.根据权利要求3所述的无线功率传输装置，其中所述第一周期信号具有第一频率，并且其中所述第二周期信号具有与所述第一频率不同的第二频率。
5.根据权利要求4所述的无线功率传输装置，其中所述第二频率是所述第一频率的至少十倍。
6.根据权利要求5所述的无线功率传输装置，其中所述第一周期信号是正弦波。
7.根据权利要求5所述的无线功率传输装置，其中所述第二周期信号是三角形波。
8.根据权利要求5所述的无线功率传输装置，其中所述第二周期信号是锯齿波。
9.根据权利要求5所述的无线功率传输装置，其中所述逆变电路包括：
第一开关；
第二开关，所述第二开关与所述第一开关串联耦合；和
电容器，所述电容器与所述第一开关并联耦合，其中所述电容器被配置为滤除与所述第二周期信号相关联的高频分量。
10.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，进一步包括：
驱动电路，所述驱动电路插入所述脉冲宽度调制信号发生器和所述逆变电路之间。
11.操作被配置为将所述无线功率信号传输到所述无线功率接收装置的所述无线功率传输装置的方法，所述方法包括：
具有逆变电路，以给定的占空比驱动所述无线功率传输线圈；
具有脉冲宽度调制信号发生器，生成具有所述多个不同脉冲宽度的所述周期控制信号，其中所述控制信号的周期中的所述多个不同脉冲宽度的总和基本上等于所述给定的占空比；以及
在所述逆变电路的输入接收所述控制信号以减少所述无线功率传输装置的谐波失真。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
具有逆变电路，驱动谐振电路。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述脉冲宽度调制信号发生器包括比较器，所述方法还包括：
在所述比较器的第一输入接收第一周期波形；以及
在所述比较器的第二输入接收第二周期波形。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一周期波形具有第一频率，并且所述第二周期波形具有第二频率，所述第二频率是所述第一频率的至少10倍。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一周期波形是正弦波，并且所述第二周期波形是三角波和锯齿波中选定的一个。
16.一种无线功率传输装置，包括：
谐振电路；
逆变器，所述逆变器被配置为驱动所述谐振电路，其中所述逆变器被配置为接收所述脉冲宽度调制控制信号；和
脉冲宽度调制信号发生器，所述脉冲宽度调制信号发生器被配置为输出所述脉冲宽度调制控制信号，其中所述脉冲宽度调制控制信号具有给定的频率并且包括所述给定的频率的周期中的多个不同的脉冲宽度。
17.根据权利要求16所述的无线功率传输装置，其中所述谐振电路包括：
无线功率传输线圈；和
电容器，所述电容器与所述无线功率传输线圈串联耦合。
18.根据权利要求16所述的无线功率传输装置，其中所述逆变器包括：
第一晶体管；
第二晶体管，所述第二晶体管与所述第一晶体管串联耦合；和
电容器，所述电容器与所述第一晶体管并联耦合。
19.根据权利要求16所述的无线功率传输装置，其中所述脉冲宽度调制信号发生器包括：
比较电路，所述比较电路被配置为接收所述第一频率的所述第一周期信号以及所述第二频率的所述第二周期信号，所述第二频率大于所述第一频率。
20.根据权利要求19所述的无线功率传输装置，其中所述第一周期信号是正弦信号，并且其中所述第二周期信号是三角形信号。
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