CN110391697A - 执行异物检测的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了执行异物检测的方法及装置。其中，检测异物的一种方法可包括在不同的时间执行多个异物检测测量；处理所述多个异物检测测量以获得异物检测测量结果；和基于所述异物检测测量结果确定是否启用或禁用无线电力传输。实施本发明实施例，在执行无线电力传输之前，可更准确地确定无线电力发射器的磁场中是否存在异物。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，并且更具体地，涉及执行异物检测的方法和装置。
背景技术
由于无需电线或连接器即可方便地供电，无线电力传输系统(Wireless PowerTransfer System，WPTS)越来越受欢迎。WPTS目前的发展可分为两大类：磁感应(MagneticInduction，MI)系统和磁谐振(Magnetic Resonance，MR)系统。两种类型的系统都包括无线电力发射器和无线电力接收器。这样的系统可以用来在其他应用中为智能手机或平板计算机等移动设备供电或充电。
感应WPTS通常在分配的几百赫兹频率范围内工作，使用频率变化作为电力流控制机制。
MR WPTS通常操作于单个谐振频率，使用输入电压调整以调节输出电力。在典型应用中，MR WPTS操作于频率6.78MHz。
一些行业委员会一直致力于为基于无线电力传输的消费产品发展国际标准。
发明内容
本发明提供执行异物检测的方法和装置，在执行无线电力传输之前，可更准确地确定无线电力发射器的磁场中是否存在异物。
本发明提供一种在无线电力传输系统中执行异物检测的方法，包括：在不同的时间执行多个异物检测测量；处理所述多个异物检测测量以获得异物检测测量结果；和基于所述异物检测测量结果确定是否启用或禁用无线电力传输。
本发明提供一种用于执行异物检测的装置，包括：电路配置为：在不同的时间执行多个异物检测测量；处理所述多个异物检测测量以获得异物检测测量结果；和基于所述异物检测测量结果确定是否启用或禁用无线电力传输。
本发明提供另一种在无线电力传输系统中执行异物检测的方法，所述无线电力传输系统包括无线电力发射器和无线电力接收器，所述方法包括：无线电力发射器接收来自无线电力接收器的参考值，所述参考值是参考Q因子或自谐振频率；所述无线电力发射器基于所述参考值和所述无线电力发射器的一个或多个特性为无线电力发射器-接收器对确定预期的Q因子或自谐振频率；所述无线电力发射器基于为所述无线电力发射器-接收器对确定的所述预期的Q因子或自谐振频率设置异物检测阈值；所述无线电力发射器在存在所述无线电力接收器的情况下执行异物检测测量，以获得异物检测测量结果；所述无线电力发射器基于所述异物检测测量结果和所述异物检测阈值确定是否启用或禁用无线电力传输；和当确定启用无线电力传输时，所述无线电力发射器执行到所述无线电力接收器的无线电力传输。
本发明提供另一种用于在无线电力传输系统中执行异物检测的装置，所述无线电力传输系统包括无线电力发射器和无线电力接收器，所述装置包括：电路配置为：从所述无线电力接收器接收参考值，所述参考值是参考Q因子或自谐振频率；基于所述参考值和所述无线电力发射器的一个或多个特性为无线电力发射器-接收器对确定预期的Q因子或自谐振频率；基于为所述无线电力发射器-接收器对确定的所述预期的Q因子或自谐振频率设置异物检测阈值；在存在所述无线电力接收器的情况下执行异物检测测量，以获得异物检测测量结果；基于所述异物检测测量结果和所述异物检测阈值确定是否启用或禁用无线电力传输；和当确定启用无线电力传输时，执行到所述无线电力接收器的无线电力传输。
本发明提供另一种执行异物检测的方法，所述方法执行于启用从无线电力发射器到无线电力接收器的无线电力传输之前，所述方法由无线电力发射器执行，包括：进行第一次异物检测测量；确定所述第一次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；当所述第一次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第一次通信尝试；当所述第一次通信尝试成功后，执行第二次异物检测测量；确定所述第二次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；当所述第二次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第二次通信尝试；和当所述第二次通信尝试成功时启用无线电力传输。
本发明提供另一种在启用从无线电力发射器到无线电力接收器的无线电力传输之前执行异物检测的装置，包括：电路配置为控制所述无线电力发射器执行如下步骤：进行第一次异物检测测量；确定所述第一次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；当所述第一次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第一次通信尝试；当所述第一次通信尝试成功后，执行第二次异物检测测量；确定所述第二次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；当所述第二次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第二次通信尝试；和当所述第二次通信尝试成功时启用无线电力传输。
由上可知，本发明的技术方案能在执行无线电力传输之前，可更准确地确定无线电力发射器的磁场中是否存在异物，并基于确定结果启用或禁用无线电力传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1A示出无线电力接收器越来越靠近无线电力发射器。
图1B显示了随着无线电力接收器接近无线电力发射器，时间轴上的多个Q因子的图。
图2示出了根据一些实施例的执行异物检测的方法200的流程图。
图3A根据一些实施例图示出了执行异物检测以启用无线电力传输的方法300的流程图。
图3B示出了在具有无线电力发射器和无线电力接收器的无线电力传输系统中执行异物检测的方法350。
图4示出了包括无线电力发射器1和无线电力接收器11的无线电力系统100的框图。
图5根据一些实施例示出了执行异物检测的方法的流程图。
图6A-6C示出了实现为D类放大器的驱动电路7的示例图。
图7A-7C标出了驱动电路7为E类放大器的示例实现。
图8示出了用于无线电力接收器11的电力接收电路的示例。
图9示出了在没有无线电力接收器11存在，电源电压为VDC，在单个切换频率切换图6C中的反相器3来执行步骤S1的示例波形。
图10示出了与图9类似的示例的波形，在图10中，无线电力接收器11存在于由无线电力发射器1产生的场中。
图11示出了可以在步骤S2之前对整流滤波电容器Crec完全充电的刺激的示例。
图12示出了双刺激的示例。
图13示出了类似于图12的双刺激的示例。
图14示出了类似于图12和图13的双刺激的示例，其中，在步骤S1b中通过降低电压VDC并改变切换频率来减小能量。
图15示出了使用连续时间测量执行步骤S3的测量的示例。
图16示出了使用离散时间测量来确定Q的示例。
具体实施方式
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至所述第二装置。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
接下面的描述为本发明预期的最优实施例。这些描述用于阐述本发明的大致原则而不应用于限制本发明。本发明的保护范围应在参考本发明的权利要求的基础上进行认定。
由于在无线电力发射器产生的场(field)中存在异物(foreign object)，无线电力传输可能会被减弱。由于导电物(体如，金属物体)会引起涡流，导电物可能会吸收电力。这种物体的存在会显著降低无线电力传输的效率。如果存在金属物体，效率可以显著减少(例如，从90％减少到40％)。此外，由于吸收电力后，物体的温度可能会显著增加，这可能是不期望的。已经开发了通过测量质量因子(Q因子)来感测外来物(也即，异物)的技术。存在异物降低了系统的Q因子。因此，可以使用测量Q因子确定是否存在异物。例如，如果Q因子在可接受的范围之外，则可以确定存在异物，并且无线电力传输被禁用。另一方面，如果Q因子在可接受范围内在范围内，可以确定不存在异物和无线电力可以允许传输。但是，本发明人发现了一种基于Q因子的异物检测(Foreign Object Detection，FOD)的问题。当用户将无线电力接收器慢慢带到无线电力发射器附近时，存在可能检测不到存在的异物的可能性。原因是当这两个设备慢慢彼此接近，Q因子测量可以在设备尚未非常靠近在一起时启用，这导致更高Q因子测量。不可取的是，由于过早测量Q因子，可能无法检测到异物，并且无线电力可能在存在异物的情形下被启用。
图1A和图1B描述了所述问题。图1A示出无线电力接收器越来越靠近无线电力发射器(位置1，然后位置2，然后位置3)。在这个例子中，无线电力发射器为充电垫的形式。无线电力接收器可以包括在放置在充电垫上的移动设备中以便无线充电。图1B显示了随着无线电力接收器接近无线电力发射器，时间轴上的多个Q因子的图。无线充电允许的Q因子值的范围从Q_LOW延伸到Q_HIGH。当无线电力接收器处于位置1时，测量的Q因子值相对较高，超出了无线电力传输被允许的范围。在位置2处，Q因子较低并且在Q_LOW至Q_HIGH之间。在位置3，无线电力接收器最终停止，Q因子由于存在异物而低于Q_LOW。
如果执行Q因子测量发生在无线电力接收器距离无线电力发射器相对较远，例如位置2，Q因子的测量值将高于无线电力接收器和无线电力发射器更接近彼此时的值。结果，测量的Q因子可以在Q_LOW到Q_HIGH范围内，并且可能错误地启用无线电力传输。最终，无线电力接收器可以进行无线电力传输并且即使Q因子随着设备靠近而降低，也可能不会停止。因此，发明人已经认识到可能希望避免过早地测量Q因子。本发明人已经开发了技术使用Q因子或自谐振频率的测量来解决这个问题。
多个Q因子测量
在一些实施例中，无线电力发射器可获得多个FOD测量值，例如Q因子测量值和/或自谐振频率测量值，以及可以基于多个FOD测量值来确定是否启用或禁用无线电力传输。每一个FOD测量值可以在不同时间得到。有很多方法可以分析这些多个FOD测量值。
在一些实施例中，可以分析多个FOD测量值，并且可以使用多个FOD测量值中的最小FOD测量值。例如，使用最小Q因子测量值或自谐振频率测量值。使用最小FOD测量值可以有助于确保当无线电力发射器和接收器远离彼此时的FOD测量值不被使用。例如，如果在图1A和图1B中的无线电力接收器位于位置1，2和3处进行了三次Q因子测量，分析三个Q因子测量结果以确定最小值。在这种情况下，在位置3处进行的Q因子测量是最低的，因此被选择用于确定是否启用或禁用无线电力传输。
然而，本文描述的技术不限于确定FOD测量值的最小值，因为可以使用其他合适的值，例如平均或中值FOD测量值，例如平均或中值Q因子。确定平均或中值FOD测量值可以允许减少错误测量的影响。作为另一个例子，最高的Q因子测量值或一定数量的最高Q因子测量值可以丢弃，然后剩余的Q因子可以被处理(例如，通过确定剩余的Q因子的最小值，平均值或中值)以确定一个值用于确定是否启用或禁用无线电力传输。
图2示出了根据一些实施例的执行异物检测的方法200的流程图。在步骤201中，可以在多个时间点执行多个FOD测量。可以进行任何合适数量的FOD测量，例如在2-100之间的整数(包括端值)。在一些实施例中，可以进行预定数量的FOD测量。在一些实施例中，所做的FOD测量的数量可以是自适应的。例如，在一些实施例中，一旦FOD测量收敛，可以终止FOD测量。确定FOD测量是否收敛的一个标准是确定连续的FOD测量之间存在的差异是否低于阈值，或者变化率是否低于阈值。通过确定FOD测量是否收敛，有助于确保无线电力发射器和无线电力接收器是否相对彼此不再移动(例如，无线电力接收器可能已经停留在无线电力上发射器上)。在步骤202中，可以分析多个FOD测量以导出用于异物检测的合适的FOD测量值。上述提及的任何一个处理可以对多个FOD测量值执行，例如确定多个FOD测量值的最小值，平均值或中值或子集。或者，在假设FOD测量已经收敛时，可以使用最近的FOD测量值，或最近的FOD测量值的处理后的版本。步骤202的处理结果被称为“FOD测量结果”。在步骤203中，FOD测量结果用于确定是启用或禁用无线电力传输。例如，可以将作为FOD测量结果的Q因子结果与Q_HIGH和Q_LOW比较，如果Q因子结果不在Q_HIGH和Q_LOW范围之间，可以禁用电力传输。相反，如果Q因子结果在Q_HIGH和Q_LOW范围内，无线电力传输可以被启用。如果FOD测量结果是自谐振频率结果，则可以使用类似的技术。
尽管上面描述了用于基于多个FOD测量值执行异物检测的技术，发明人已经意识到如果无线电力发射器和无线电力接收器在适宜的距离范围内进行异物检测，则可以解决现有技术的问题。当无线电力发射器和无线电力接收器在彼此适当接近的范围内，各种技术，例如可以采用诸如上述FOD测量和/或其他技术用于执行异物检测。
多个握手事件(Handshake Sequence)
如下面进一步讨论的，无线电力发射器和无线电力接收器可能具有彼此通信的能力，透过带内或者带外的方式。在提供大量无线电力之前，无线电力发射器和无线电力接收器可以执行握手事件以确认没有异物存在且设备彼此兼容。
握手事件可以包括通过无线电力发射器执行FOD测量。可以通过驱动电路在低电力电平激励(enegize)发射线圈来执行FOD测量，所述低电力电平低于能唤醒无线电力接收器的电子设备的电力。如果FOD测量值在可接受的范围内，无线电力发射器试图与无线电力接收器通信。通信的尝试可能需要无线电力发射器发送足够水平的无线电力以唤醒无线电力接收器的电子设备并为无线电力接收器的电子设备供电，但一旦握手过程成功完成比所述足够水平低的无线电力将会被传输。通信的尝试可能需要在无线电力发射器和无线电力接收器之间交换信息。交换的信息可包括用于执行异物检测的参考信息，例如无线电力接收器的Q因子和/或无线电力接收器在没有异物出现时用于电力传输的谐振频率。这些信息可以从中无线电力接收器发送到无线电力发射器。其他信息可能是由无线电力接收器或无线电力发射器发送到彼此。通信的尝试可能需要进行无线电力传输参数的协商。
在WPC规范中，FOD测量可以对应于“analog ping”并且建立通信的尝试可以对应于“digital ping”。在可接受的范围内的FOD测量可以被称为“successful analog ping”。与无线电力接收器进行的成功通信尝试导致的确认回复可以被称为“successful digitalping”。然而，这里描述的技术不限于根据WPC规范的无线电力传输，因为它们也适用于其他无线传输技术。
在握手事件成功之后，设备可能不时地尝试交换信号以确认它们彼此仍保持通信，和/或可以重新启用握手事件。交换信号的常识和握手事件的重启均可以周期性地执行和/或响应于系统事件而执行。
如上所述，发明人已经认识并理解了通过验证无线电力发射器和无线电力接收器在彼此适当的接近范围内，会使FOD测量更可靠。可以通过复数种方式来实现所述验证。在一些实施例中，可以在启用无线电力传输之前重复执行后面跟有通信尝试的FOD测量(例如，“analog ping”后跟有“digital ping”)的握手事件。重复握手事件有助于确保在执行FOD测量时，无线电力发射器和无线电力接收器彼此足够接近，以执行可靠的FOD测量。
图3A根据一些实施例图示出了执行异物检测以启用无线电力传输的方法300的流程图。在步骤301中，无线电力发射器首先进行FOD测量。可以执行任何合适类型的FOD测量，例如本文所述的那些。在步骤302中，确定FOD测量值是否在无线电力传输的可接受范围内。这可能通过任何合适的技术完成，例如本文所述的技术。如果FOD测量值不在可接受的范围内，则所述方法从步骤301重新开始。如果FOD测量值在可接受的范围内，无线电力发射器尝试与无线电力接收器通信。如果通信尝试成功，则所述方法进入步骤303，如果不是，则所述方法从步骤301重新开始。在步骤303，进行第二FOD测量。可以执行任何合适类型的FOD测量，例如本文所述的那些。在步骤304中，确定第二FOD测量值是否在无线电力传输的可接受范围内。这可以通过任何合适的技术完成，例如本文所述的技术。第二FOD测量可以根据与第一FOD测量采用相同的技术来执行也可以通过不同的技术来执行。如果第二次FOD测量值不在可接受的范围，所述方法从步骤301重新开始。如果第二FOD测量值在可接受的范围内，无线电力发射器试图与无线电力接收器进行第二次通信。如果第二次通信尝试成功，启用无线电力传输的过程和无线电力被传输。如果第二次通信尝试不成功，则所述方法从步骤301重新开始。图3A示出了握手事件重复一次的示例。然而，在启用无线电力传输之前，握手事件可以重复一次或复数次，例如两次或三次或更多次。
用于启用(enable)电力传输的可变阈值
在一些实施例中，用于确定是否启用无线电力传输的阈值可以是可变的而不是静态的。例如，相较于使用静态Q因子阈值或自谐振频率来确定是否应启用无线电力传输，可以根据Q因子或自谐振频率的预期值设置阈值。发明人已经认识并理解，当无线电力接收器具有相对低的Q因子时，Q因子和自谐振频率的变化较小。例如，当异物存在时，在不存在异物时的Q因子为120的无线电力发射器-接收器对的Q因子可能会降至60以下。相比之下，当异物存在时，不存在异物时的Q因子为40的无线电力发射器-接收器对的Q因子可能会降至30以下。因此，当无线电力发射器-接收器对具有相对较低的Q因子时，Q因子的下降幅度更加微小。
在一些实施例中，用于启用或禁用无线电力传输的阈值可以由无线电力发射器根据无线电力发射器和无线电力接收器对在没有异物存在时的预期的Q因子或自谐振频率设置。无线电力接收器可以存储(例如，在无线电力接收器的内存中)参考Q因子或参考自谐振频率，所存储的参考Q因子或参考自谐振频率指示参考无线电力发射器在存在无线电力接收器的情况下测得的Q因子或自谐振频率。例如，参考无线电力发射器可以通过使用校准测量来确定这些值。无线电力发射器的特性可与参考无线电力发射器不同。因此，无线电力发射器可以存储(例如，存储在无线电内存中)指示其Q因子或自谐振频率特性如何相较于参考无线电力发射器不同的信息。使用无线电力接收器存储的参考信息和无线电力发射器存储的特性，用于无线电力发射器-接收器对的预期的Q因子或自谐振可以被确定。这种确定可以以任何合适的方式进行，例如，任何适宜设备中描述的查找表，方程式或曲线。
在一些实施例中，无线电力接收器存储的参考Q因子或参考自谐振频率可以从无线电力接收器发送至无线电力发射器(例如，在握手事件期间)。然后，无线电力发射器可以使用从无线电力接收器接收的参考信息及其自身存储的特性来计算或确定用于无线电力发射器和无线电力接收器对的预期Q因子或自谐振频率。然后可以基于预期的Q因子或自谐振频率确定启用无线电力传输的阈值。
为了确定阈值，无线电力发射器可以存储(例如，在内存中)发射器-接收器对在没有异物出现时的Q因子和/或自谐振频率和适宜的阈值之间的关系。所述存储的关系可以是Q因子或自谐振频率到合适的阈值的映射。所述映射可以采用任何形式和表示方式，例如查找表，等式或曲线。指示异物的Q因子下降或自谐振频率的增加与没有异物出现时无线电力发射器-接收器对的Q因子成比例。例如，当无线电力发射器-接收器对具有120的预期Q因子，阈值可以设置为50％的Q因子，使得当测量的Q因子低于60将触发异物检测。当无线电力发射器-接收器对具有40的预期Q因子，阈值可以设置为75％的Q因子(或比预期Q因子下降25％)，使得当测量的Q因子低于30将触发异物检测。
图3B示出了在具有无线电力发射器和无线电力接收器的无线电力传输系统中执行异物检测的方法350。所述方法包括，在步骤351中，由无线电力发射器接收，来自无线电力接收器的参考值，所述参考值是参考Q因子或自谐振频率。在步骤352中，无线电力发射器基于所述参考值和无线电力发射器的一个或多个特性确定用于无线电力发射器-接收器对的预期的Q因子或自谐振频率。在步骤353中，无线电力发射器基于用于所述无线电力发射器-接收器对的所述预期的Q因子或自谐振频率设置异物检测(FOD)阈值。在步骤354中，无线电力发射器在存在无线电力接收器的情况下执行FOD测量以获得FOD测量结果。在步骤355中，无线电力发射器通过比较所述FOD测量的结果和FOD阈值确定启用或禁用无线电力传输，并当确定启用无线电力传输时，将无线电力传输到无线电力接收器。
系统描述和Q因子测量
本文描述的技术和设备使得能够使用相对较低的电力水平检测异物。在一些实施例中，检测可以是通过激励和控制无线电力发射器的驱动电路来执行，并测量无线电力发射器中的瞬时特性(transient characteristic)。基于所述瞬时特性，无线电力发射器可以确定无线电力发射器产生的磁场中是否存在异物。然而，Q因子可以以任何合适的方式测量，并且不限于测量瞬时特性。在一些实施例中，Q因子可以通过频域测量值被侦测到，或通过时域和频域的组合测量值被侦测到。有利地，在一些实施例中，可以在不需要添加额外硬件的情况下检测异物。
图4示出了包括无线电力发射器1和无线电力接收器11的无线电力系统100的框图。无线电力发射器1具有驱动电路7，驱动电路7包括通过匹配网络6驱动发射线圈10的反相器3。无线电力发射器1可以包括调节电压源2(例如，电压调节器)提供经调节的DC电压至反相器3。调节电压源2响应于来自控制器5的控制刺激产生调节的DC输出电压。在一些实施例中，驱动电路7可以是D类或E类放大器，将反相器3输入端的DC电压转换成交流输出(AC)电压以驱动发射线圈10。产生交流电输出电压使得可通过电磁感应实现无线电力传输。控制器5可以控制信号发生器9以选择的无线电力传输频率驱动反相器3。作为示例，反相器3可以在100kHz和205kHz之间的切换频率以将电力传输到设计为基于用于低电力Qi接收器的Qi规范的无线电力接收器，以及在80kHz和300kHz之间切换频率以将电力传输到设计为基于用于中电力Qi接收器的Qi规范的无线电力接收器。反相器3可以在一个更高的频率上切换，例如ISM频带内且大于1MHz的频率，例如6.765MHz-6.795MHz，用于向设计为使用MR技术接收无线电力的接收机。但是，描述了这些频率仅作为示例，因为可以根据任何合适的规范以各种合适的方式发送无线电力。控制器5可以是模拟电路或数字电路。控制器5可以是可编程的，也可以基于存储的程序指令命令信号发生器9以所需的传输频率产生信号，使反相器3切换到所需的传输频率。匹配网络6可以通过向反相器3呈现适当阻抗来促进无线电力传递。匹配网络可以具有一个或多个电容或电感组件或电容和电感的任何合适组合。由于发射线圈10可以具有感应阻抗，在某些情况下在一些实施例中，匹配网络6可包括一个或多个电容组件，当与发射线圈10的阻抗组合时，它为反相器3的输出呈现出一个适合驱动发射线圈10的阻抗。在一些实施例中，在无线电力传输期间匹配网络6的谐振频率可以设置为等于或近似等于的反相器3的切换频率。发射线圈10可以由任何合适类型的导体实现。导体可以是导线，包括实心导线或利兹线，或图案导体，例如PC板的图案化导体或集成电路。
发射线圈10中的AC电流按照安培定律(Ampere’s law)产生振荡磁场。振荡磁场根据法拉第法则(Faraday’s law)将AC电压感应至无线电力接收器11的接收器线圈12。接收器线圈12中感应的AC电压通过匹配网络13提供到整流器14，整流器14产生未调节的DC电压。整流器14可以是同步整流器或可以使用二极管实现。使用DC/DC转换器15调节未调节的DC电压，DC/DC转换器15的输出可被滤波并作为输出电压Vout提供给负载。在一些替代实施例中DC/DC转换器15可以由线性调节器或电池充电器代替，或者完全取消。在一些实施例中，无线电力发射器1可以具有通过带内通信或带外通信与无线电力接收器11通讯的通信电路(例如，在控制器5内)。类似地，无线电力接收器11可以具有与无线电力发射器1通信的电路。无线电力接收器11可以向无线电力发射器1发送反馈信息指示无线电力接收器11所需的电力，或者需提供的电力水平的变化。作为响应，无线电力发射器1可以相应增加或减少其电力输出。无线电力发射器1可以通过改变电压驱动电平和/或信号频率来控制被传输的电力量。可以使用任何合适的电力控制技术。
如图4所示，如果导电异物20进入由无线电力发射器1的发射线圈10产生的场，无线电力传输效率可能降低和/或导电异物20可能经历显著的加热。作为说明，导电异物20的示例包括硬币，回形针，键。
根据本文描述的技术，无线电力发射器1可以被控制以在无线电力传输之前执行异物检测。执行异物检测允许无线电力发射器确定是否进行无线电力传输。
异物检测可以如下进行。当无线电力发射器1执行异物检测，它可以增加存储在匹配网络6和/或发射线圈10中的一个或多个组件的能量。由此激发匹配网络6和/或发射线圈10中的谐振并且允许衰减该谐振。该谐振的衰减的瞬时特性被测量。由于该谐振的衰减依据是否存在异物而不同，可以分析该谐振的衰减的瞬时特性来确定是否存在异物。可基于此分析启用或禁用无线电力传输。如果确定存在异物，则无线电力传输可以被禁用。如果确定异物不存在，可以启用无线电力传输。
图5根据一些实施例示出了执行异物检测的方法的流程图。这种方法可以由无线电力发射器1执行。具体地，控制器5可以被配置为控制该方法的执行。在步骤S1中，匹配网络6和/或发射线圈10被激励。可以通过增加存储在匹配网络6和/或发射线圈10中的一个或多个被动组件的能量来执行步骤S1。当反相器3由适宜的电源电压供电时，可通过反相器3来激励发射线圈10和/或匹配网络6。合适的切换频率和电源电压将在下面讨论。然而，网络6和/或发射线圈10不需要通过在切换频率切换所述反相器来激励。为了增加存储的能量，将电压提供至匹配网络6的电容器的两端以增加存储在所述电容器中的能量，将电流提供给发射线圈10以增加存储在发射线圈10中的电感中的增量，或者，存储在发射线圈10和匹配网络6二者中的能量均可以被增加。在一些实施例中，当无线电力发射器在异物检测模式下激励时，它的激励电压低于在无线电力发射器处于电力传输模式时的激励电压。相较于在电力传输模式时，更低的电压和/或电流可以提供至匹配网络6和/或发射线圈10，由此限制异物检测所消耗的电力。
可以通过切换反相器的一个或多个开关至使匹配网络6的电容器与所述发射线圈10的电感谐振的状态来启用谐振。例如，反相器可以在合适的切换频率处切换。当谐振被启用时，匹配网络6的电容器在所述谐振频率与发射线圈10的电感交换能量。
在步骤S2中，匹配网络和发射线圈的谐振允许被衰减。在步骤S2中禁止将能量传输到匹配网络和发射线圈中，使得匹配网络和发射线圈可以在没有额外能量的情形下自由地谐振。作为示例，如果步骤S1包括在切换频率下切换反相器3，则可以在步骤S2停止所述切换，且所述反相器保持在不允许能量流入匹配网络或发射线圈的状态。例如，反相器的输出可以保持在低阻抗状态。可通过接通反相器的适当晶体管使输出电压保持在一个恒定的电压值(例如，共模电压，例如，地电压或VDC)。所述谐振可以自由衰减。如果导电异物20存在于在由发射线圈10产生的场中，在物体20中感应出涡电流加载由匹配网络6和发射线圈10形成的谐振网络，则导致谐振衰减相较于没有异物存在时更快。因此，谐振的衰减速度表示是否存在导电异物20。
在步骤S3中，可以测量谐振衰减的瞬时特性(temporal characteristic)。如应当理解，步骤S3可以至少部分地与步骤S2同时执行。为了测量谐振衰减的瞬时特性，对匹配网络6和/或发射线圈10进行一个或多个测量来检测谐振变化的速度有多快。测量可以由包括合适的测量电路的控制器5进行，或由单独的测量电路进行。可以测量任何合适的参数，例如电流或电压。如图4中的虚线所示，可以在匹配网络6和/或发射线圈10进行测量。
在一些实施例中，衰减可以是指数的，并且衰减的速度可以是时间常数的指数。确定瞬时特性可以包括测量时间常数或其指示的值。在一些实施例中，可以通过计算电流或电压随着时间衰减的比率来确定瞬时特性。
在步骤S4中，可以分析瞬时特性以确定它是否是指示存在异物。在一些实施例中，可以基于所述瞬时特性和/或测量本身确定无线电力发射器1的质量因子Q。作为可以在步骤S4中执行的分析一个例子，瞬时特性或质量因子Q可与指示预期瞬时因素或质量因子Q的数据相比较。例如无线电力发射器1可以存储(例如，在非易失性内存中)表示已知无线电力接收器的质量因子Q的数据。根据测量的瞬时特性确定的质量因子Q可以与存储的资料进行比较，如果根据测量的瞬时特性确定的质量因子Q与预期值相差超过阈值量的话，测量的质量因子Q可以指示导电异物20的存在。作为另一个例子，无线电力发射器1可以从无线电力接收器11接收指示无线电力接收器11的质量因子Q的数据。根据测量的瞬时特性确定的质量因子Q可以与从无线电力接收器11接收的资料进行比较，如果根据测量的瞬时特性确定的质量因子Q与从无线电力接收器11接收的质量因子Q相差超过阈值的话，测量的质量因子Q可以指示导电异物20的存在。
在步骤S5中，根据分析结果启用或禁用无线电力发射器1的无线电力传输。如果测量的瞬时参数或质量因子Q超出可接受的范围，可以禁止无线电力传输。如果测得的衰减在可接受的范围内，可以启用电力传输，并且无线电力发射器1可以允许进入电力传输模式。可接受的质量因素Q可以依据无线电力接收器通过带内或带外通信提供给无线电力发射器的质量因子。
图6A-6C示出了实现为D类放大器的驱动电路7的示例图。图6A-6B示出了单端(半桥)配置，其中反相器3由晶体管Q1和Q2实现，匹配网络6通过电容器CRES实现。发射线圈10由电感器LRES和等效串联电阻(ESR)表示，图6A-6B中，Ires表示电流，Vres表示电压。图6C示出了差分(全桥)配置，其中反相器3由晶体管Q1-Q4实现，匹配网络6是由电容器CRES1，CRES2和CRES3实现。驱动电路7由DC电源电压VDC供电。图6C中，包括电压Vres1和Vres2。图7A-7C标出了驱动电路7为E类放大器的示例实现，其中串联的晶体管结构，替换为由电感器和晶体管构成的串联结构，具体的在，图7A-7B中包括电感器L1和Q1形成的串联结构，在图7C中包括由L1和Q1形成的串联结构以及由L2和Q2形成的串联结构。
图8示出了用于无线电力接收器11的电力接收电路的示例。匹配网络13由电容器CRES实现。整流器14由具有整流滤波电容器Crec的全桥二极管整流器(具体包括二极管D1-D4和整流滤波电容器Crec)实现，其中，Crec两端有电压Vrec，并由电流irec充电。DC/DC转换器15由产生Vout的后级调节器/负载开关实现。
已经示出了用于无线电力接收器11的驱动电路7和无线电力接收电路的示例，将描述可应用于图5中的实施方式。
再次参考图5，如上所述，步骤S1涉及增加存储在匹配网络6和/或发射线圈10中的能量并激发它们的谐振。在图6和图7所示的驱动电路的背景下，步骤S1可以包括增加存储在驱动器7中的任何一个或多个电容或电感组件中的能量。最初，存储在驱动电路7中的能量可以为零。然而本文描述的技术存储的能量不限于从零能量开始。在一些实施例中，能量可以通过切换反相器3的一个或多个晶体管从电源电压VDC传输到驱动电路7的电容器和/或电感器。
作为示例，反相器3的开关可以以所选择的切换频率进行切换以将能量传递到驱动电路7中。通过切换反相器3传输到驱动电路7的能量取决于电源电压VDC的幅度，切换频率和切换发生的次数。在一些实施例中，期望限制传输到驱动电路的能量以限制执行异物检测时的功耗。通过将异物检测期间的VDC设置得相较于电力传输期间更低，可以限制传输的能量。可替代地或另外地，可以选择切换频率来控制传输的能量。反相器3的切换频率离驱动电路7的谐振频率越远，单位时间传输至驱动电路7的能量越少。反相器3的切换时长也会影响传输的能量。减少反相器3切换时长可以减少传输到驱动器7的能量。然而，本文描述的技术不限于通过切换反相器3传递能量至驱动电路7，如在一些实施例中那样，可以通过连接驱动电路7的无源部件到VDC(例如，通过反相器3)来将能量传输至驱动电路7，或者可以使用单独的电路为无源组件提激励量。
图9示出了在没有无线电力接收器11存在，电源电压为VDC，在单个切换频率切换图6C中的反相器3来执行步骤S1的示例波形。在此示例中，VDC为8V，这导致反相器3产生波形61所示的8Vpp的方波。在此示例中，反相器3的切换频率为175kHz。步骤S1中反相器3的切换执行206微秒。然后，通过停止反相器3的切换来结束S1，且在步骤S2中，允许谐振自由衰减。通过电感器LRES的电流显示为波形62。节点Vres1的电压如波形63所示。从波形62和63可以看出，一旦步骤S1中的刺激(stimulus)停止，则谐振在步骤S2中自由衰减。
图10示出了与图9类似的示例的波形，在图10中，无线电力接收器11存在于由无线电力发射器1产生的场中。本发明人已经认识并理解当存在无线电力接收器11时，谐振的衰减可以根据整流滤波电容器Crec的滤波电容器的充电状态而变化(图8)。如果Crec未充电至整流器14的二极管反向偏置的点，无线电力发射器1处的谐振可以通过无线电力接收器充电Crec加载。这会影响发射器谐振衰减的速率，由此可能会影响衰减的测量，从而影响异物检测的准确性。
图10说明这个问题。图10示出了由反相器3产生的刺激波形71，波形72表示通过电感器LRES的电流，波形73表示节点Vres1的电压，波形74表示通过整流滤波电容器Crec的电流，波形75表示电压整流器14的输入端的电压，和波形76表示跨越整流滤波电容器Crec两端的电压。在所述示例中，作为说明，整流滤波电容器Crec具有40μF的电容。刺激波形71的频率，电压和持续时间是与图9的示例中所讨论的一样。在图10的示例中，由于无线电力接收器存在，整流滤波电容器Crec在步骤S1中施加刺激波形71的时段被充电。发明者有认识到并理解，如果电容器Crec在步骤S1结束时没有完全充电，其可能在步骤S2期间继续充电，这可能在发射器加载衰减谐振和歪斜(skewing)谐振衰减的测量。图10在波形76和74中示出整流滤波电容器Crec在步骤S1结束时没有被充满电，使得在S2期间电流继续流入整流滤波电容器Crec，这可能对谐振衰减的测量产生不利影响。
图11示出了可以在步骤S2之前对整流滤波电容器Crec完全充电的刺激的示例。在这个例子中，VDC是8V，反相器3的切换频率为200kHz，步骤S1持续600微秒。图11显示了由反相器3产生的刺激波形81，波形82表示通过电感器LRES的电流，波形83表示节点Vres1的电压，波形84表示通过整流滤波电容器Crec的电流，波形85显示整流器14的输入端的电压和波形86表示跨越整流滤波电容器Crec的两端的电压。如图所示，通过施加刺激足够的持续时间，整流滤波电容器Crec可以在步骤S2开始之前充满电。然而，这种方法的一个缺点是它涉及增加步骤S1的长度，这可能是低效的，因为在步骤S1期间可以消耗电力。
在一些实施例中，可以通过在不同的能量水平提供一系列的反相器刺激波形来减少步骤S1的持续时间。所述反相器刺激波形可以具有施加有相对高能量水平的时间段，在该时间段后跟着施加有相对较低能量水平的时间段。最初用一个相对较高的能量水平允许对整流滤波电容器Crec快速充电。然后，可以降低能量水平以提高效率。
应用一系列反相器刺激波形可以包括应用“双刺激”，其中在步骤S1a中施加第一刺激和在步骤S1b施加第二刺激，步骤S1b处于比步骤S1a低的电力水平。然而，本文描述的技术不限于应用两个不同的刺激水平，因为可以应用任何数量的不同刺激水平。
如上所述，步骤S1a施加的刺激可以具有高于步骤S1b中应用的刺激的能量水平。能量水平受用于为反相器3供电的VDC电压电平，切换频率和刺激提供的时长的影响。增加VDC或施加刺激的时长将增加提供的能量。接近发射器的谐振频率的切换频率提供比切换频率远离谐振频率更高的能量水平。这些参数的任何组合可以被改变以调节在序列刺激中步骤S1a，S1b等施加的能量水平。
图12示出了双刺激的示例。图12显示了由反相器3产生的刺激波形91包括步骤S1a的第一部分和步骤S1b的第二部分。在步骤S1a中，VDC为6V，持续时间为206μs并且切换频率为165kHz。在步骤S1b中，VDC为6V，持续时间为60s并且切换频率为200kHz。由于发射器的谐振频率近似位100kHz，在步骤S1a中施加的刺激具有更接近谐振频率的切换频率，提供相对较高的能量输入。在步骤S1b中，通过增加切换频率来减少能量。如图所示，整流滤波电容器Crec在步骤S2开始之前完全充电，并且步骤S1的持续时间小于图11所示的例子。图12还示出了表示通过电感器LRES的电流的波形92，波形93表示节点Vres1的电压，波形94表示通过整流滤波电容器Crec的电流，波形95表示整流器14的输入端的电压和波形96表示跨越整流滤波电容器Crec两端的电压。
图13示出了类似于图12的双刺激的示例，其中在步骤S1b中通过降低电压VDC而不是改变切换频率来减少能量。在所述示例中，VDC在步骤S1a中是8V，然后在步骤S1b中降低到6V。
图14示出了类似于图12和图13的双刺激的示例，其中，在步骤S1b中通过降低电压VDC并改变切换频率来减小能量。
如上所述，在步骤S2中，允许发射器的谐振衰减，并且在步骤S3中，可以测量谐振衰减的瞬时特性。例如，可以测量谐振衰减的衰减时间，和/或可以确定质量因子Q。瞬时特性的测量可以是使用连续时间或离散时间测量进行。
图15示出了使用连续时间测量执行步骤S3的测量的示例。控制器5的峰值检测器或单独的峰值检测器可用于检测衰减波形的包络。如图15所示，分别在时间t1和t2获得测量值V(t1)和V(t2)。所述质量因子Q可以使用以下等式确定。
For Q＞10，
图16示出了使用离散时间测量来确定Q的示例。如图16所示波形的峰值可以被确定，然后Q可以使用以下等式确定。
For Q＞10，
如上所述，可以使用控制器5控制多模无线电力发射器，控制器5可以由任何合适类型的电路实现。例如，控制器5可以使用硬件或硬件和软件的组合来实现。使用软件实现时，合适的软件代码可以在任何合适的处理器(例如，微处理器)或处理器集合上执行。一个或多个控制器可以以多种方式实现，例如使用微代码或软件编程以执行如上所述功能的专用硬件或通用硬件(例如，一个或多个处理器)。
综上所述，本发明的技术方案能在执行无线电力传输之前，可更准确地确定无线电力发射器的磁场中是否存在异物，并基于确定结果启用或禁用无线电力传输。
在这方面，应理解的是本文描述的实施例包括至少一个编程有计算器程序(即，多个可执行指令)的计算器可读存储介质(例如，RAM，ROM，EEPROM，闪存或其他内存技术，或其他用计算器有形的，非暂时性的计算器可读存储介质)，当在一个或多个处理器上执行时，实现上述一个或多个实施例的功能。在另外，应所述理解的是，当参考计算器程序执行任何上述功能，不限于在主机上运行的应用程序。相反，术语计算器程序和软件在本文中以一般意义使用以指任何类型的可以用来编程一个或多个处理器来实现这里讨论的技术的方面的计算器代码(例如，应用软件，固件，微代码或任何其他形式的计算器指令)。
本文描述的装置和技术的各个方面可以单独地使用，组合地使用，或者以未在前面的描述中描述的实施例中具体讨论的各种安排中使用，因此不限于将它们的应用限定为前述的组件和布置的细节或在附图中示出的细节。例如，在一个实施例中描述的方面可以以任何方式与其他实施例描述的方面组合。
在一些实施例中，术语“大约”，“大致”和“基本上”可以用于表示小于目标值的±10％的范围且可以包括目标值。例如：小于目标值±5％，小于目标值的±1％。
在权利要求中使用诸如“第一”，“第二”，“第三”等的序数术语来修饰权利要求要素，并不意味任何优先权或顺序，但仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称的另一个元素权利要求区分。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (21)
1.一种在无线电力传输系统中执行异物检测的方法，其特征在于，包括：
在不同的时间执行多个异物检测测量；
处理所述多个异物检测测量以获得异物检测测量结果；和
基于所述异物检测测量结果确定是否启用或禁用无线电力传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理所述多个异物检测测量包括：
确定所述多个异物检测测量的测量值的最小值，平均值和/或中值以获得所述异物检测测量结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理所述多个异物检测测量包括丢弃一个或多个异物检测测量的测量值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个异物检测测量的数量在开始执行所述多个异物检测测量之前被确定。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个异物检测测量的数量基于多个异物检测测量是否收敛。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理所述多个异物检测测量包括确定所述多个异物检测测量是否收敛，如果是，则停止进一步的异物检测测量。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个异物检测测量是Q因子测量或自谐振频率测量。
8.一种用于执行异物检测的装置，其特征在于，包括电路配置为：
在不同的时间执行多个异物检测测量；
处理所述多个异物检测测量以获得异物检测测量结果；和
基于所述异物检测测量结果确定是否启用或禁用无线电力传输。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述电路包括：
驱动电路，被配置为无线电力发射器的匹配网络和发射线圈激励；和
控制器，被配置为至少部分地通过控制所述驱动电路执行多个异物检测测量，处理所述多个异物检测测量以获得异物检测测量结果，和基于所述异物检测测量结果确定是否启用或禁用无线电力传输。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器配置为通过确定所述多个异物检测测量的测量值的最小值，平均值和/或中值以至少部分地处理所述多个异物检测测量。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器被配置为丢弃一个或多个异物检测测量的测量值。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个异物检测测量的数量在开始执行所述多个异物检测测量之前被确定。
13.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个异物检测测量的数量基于多个异物检测测量是否收敛。
14.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器被配置为确定所述多个异物检测测量是否收敛，如果是，则停止进一步的异物检测测量。
15.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述多个异物检测测量是Q因子测量或自谐振频率测量。
16.一种在无线电力传输系统中执行异物检测的方法，所述无线电力传输系统包括无线电力发射器和无线电力接收器，其特征在于，所述方法包括：
无线电力发射器接收来自无线电力接收器的参考值，所述参考值是参考Q因子或自谐振频率；
所述无线电力发射器基于所述参考值和所述无线电力发射器的一个或多个特性为无线电力发射器-接收器对确定预期的Q因子或自谐振频率；
所述无线电力发射器基于为所述无线电力发射器-接收器对确定的所述预期的Q因子或自谐振频率设置异物检测阈值；
所述无线电力发射器在存在所述无线电力接收器的情况下执行异物检测测量，以获得异物检测测量结果；
所述无线电力发射器基于所述异物检测测量结果和所述异物检测阈值确定是否启用或禁用无线电力传输；和
当确定启用无线电力传输时，所述无线电力发射器执行到所述无线电力接收器的无线电力传输。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述异物检测阈值的设置基于发射器-接收器对的Q因子或自谐振频率与异物检测阈值之间存储好的关系。
18.一种用于在无线电力传输系统中执行异物检测的装置，所述无线电力传输系统包括无线电力发射器和无线电力接收器，其特征在于，所述装置包括：
电路配置为：从所述无线电力接收器接收参考值，所述参考值是参考Q因子或自谐振频率；
基于所述参考值和所述无线电力发射器的一个或多个特性为无线电力发射器-接收器对确定预期的Q因子或自谐振频率；
基于为所述无线电力发射器-接收器对确定的所述预期的Q因子或自谐振频率设置异物检测阈值；
在存在所述无线电力接收器的情况下执行异物检测测量，以获得异物检测测量结果；
基于所述异物检测测量结果和所述异物检测阈值确定是否启用或禁用无线电力传输；和
当确定启用无线电力传输时，执行到所述无线电力接收器的无线电力传输。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述电路被配置为基于发射器-接收器对的Q因子或自谐振频率与异物检测阈值之间存储好的关系设置所述异物检测阈值。
20.一种执行异物检测的方法，所述方法执行于启用从无线电力发射器到无线电力接收器的无线电力传输之前，其特征在于，所述方法由无线电力发射器执行，包括：
进行第一次异物检测测量；
确定所述第一次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；
当所述第一次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第一次通信尝试；
当所述第一次通信尝试成功后，执行第二次异物检测测量；
确定所述第二次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；
当所述第二次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第二次通信尝试；和
当所述第二次通信尝试成功时启用无线电力传输。
21.一种在启用从无线电力发射器到无线电力接收器的无线电力传输之前执行异物检测的装置，其特征在于，包括：
电路配置为控制所述无线电力发射器执行如下步骤：
进行第一次异物检测测量；
确定所述第一次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；
当所述第一次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第一次通信尝试；
当所述第一次通信尝试成功后，执行第二次异物检测测量；
确定所述第二次异物检测测量的测量值是否在启用无线电力传输的范围内；
当所述第二次异物检测测量的测量值在启用无线电力传输的范围内，执行与所述无线电力接收器的第二次通信尝试；和当所述第二次通信尝试成功时启用无线电力传输。
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