CN110463009A - 具有自电压控制整流装置的无线电力系统及其通信方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种具有自电压控制整流装置的无线电力系统及其通信方法。根据一个实施方式的无线电力系统包括：接收谐振器，其用于通过接收天线与无线电力发送器进行自谐振；自电压控制整流装置，其用于通过整流器将从接收谐振器接收的交流类型的电力信号整流成直流类型的电力信号并且在没有单独的电力转换器的情况下对整流器的输出电压进行自控制；以及频率调整单元，其用于改变用于与无线电力发送器进行带内通信的接收谐振器的谐振频率，其中，接收天线电流根据谐振频率的改变而改变，并且接收谐振器通过对改变的接收天线电流的感应向无线电力发送器发送通信信号。

Description

具有自电压控制整流装置的无线电力系统及其通信方法
技术领域
本发明涉及无线电力传输和控制技术，更具体地，涉及发送和接收无线电力的电力发送单元与电力接收单元之间的通信技术。
背景技术
无线电力系统包括无线地发送和接收电力的电力发送单元(Power TransferUnit:PTU，在下文中称为PTU)和电力接收单元(Power Receiving Unit:PRU，在下文中称为PRU)。PRU使用包括电感器(L)和电容器(C)的谐振器来接收电力。在这种情况下，具有与PTU发送的电力相同频率的交流(AC)作为谐振器的电力来流动。通常，最终输出的信号以稳定的DC信号的形式被生成并且被提供至负载，因此需要整流器。整流器将AC信号转换成未调节的DC信号。电力转换器将DC信号转换成精确的DC电压信号，并且将DC电压信号提供至负载。无论所提供的电力转换器的类型如何，PRU具有两级结构，并且PRU的电力传输效率通过将整流器的效率与电力转换器的效率相乘来确定。因此，当电力转换器具有多级结构时，难以实现高效率。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在提供一种具有自调节整流器的无线电力系统以及该无线电力系统的通信方法，在该无线电力系统中，可以在没有单独的电力转换器的情况下仅使用整流器和谐振器来生成稳定的输出电力，从而提高电力传输效率。
[技术解决方案]
根据本发明的实施方式，无线电力系统包括：接收谐振器，其通过接收天线与无线电力发送单元磁谐振；自调节整流器，其使用整流器将从接收谐振器接收的交流(AC)形式的电力信号整流成直流(DC)形式的电力信号，并且在没有单独的电力转换器的情况下对整流器输出电压进行自调节；以及频率调整器，其改变用于与无线电力发送单元进行带内通信的接收谐振器的谐振频率，其中，接收天线电流根据谐振频率的改变而改变，并且接收谐振器通过对改变的接收天线电流的感应向无线电力发送单元发送通信信号。
频率调整器可以根据由自调节整流器控制的整流器输出电压和整流器输出电流来改变接收谐振器的谐振频率。频率调整器可以根据用于与无线电力发送单元交换信息的通信命令来改变接收谐振器的谐振频率。
通信信号可以包括用于调整无线电力发送单元的输出电力的信息和用于与无线电力发送单元进行带内通信的其他信息。
频率调整器可以包括：电容器，其连接至接收谐振器的接收天线并且改变接收谐振器的谐振频率；以及通信开关元件，其串联连接至电容器，接收控制信号，执行开关操作，并且控制接收天线电流的变化。通信开关元件可以包括连接至电容器的第一输出端子、连接至地的第二输出端子、以及接收用于带内通信的控制信号的输入端子。当通信开关元件导通时的接收谐振器的接收天线和电容器的谐振频率可以不同于当通信开关元件关断时的接收谐振器的接收天线和谐振电容器网络的谐振频率。
无线电力系统还可以包括通信控制器，其根据整流器输出电压、整流器输出电流和要与无线电力发送单元交换的信息中的至少之一来生成用于切换通信开关元件的控制信号，并且将所生成的控制信号发送至通信开关元件。
自调节整流器可以包括：整流器，其将从接收谐振器接收的AC电力转换成DC电力并且将整流器输出电压提供至负载；以及低电压开关元件，其包括连接至整流器输入端子和地的输出端子、以及接收根据整流器输出电压生成的控制信号的输出端子。
当整流器输出电压增加时，低电压开关元件可以接收用于使低电压开关元件导通的控制信号，阻止整流器向负载供电，并且减小整流器输出电压，并且当整流器输出电压减小时，低电压开关元件可以接收用于使低电压开关元件关断的控制信号，允许整流器向负载供电，并且增加整流器输出电压。
无线电力系统还可以包括：发送天线，其与接收天线磁耦合，并且其中，接收天线的电流变化被感应至发送天线；电流变化检测器，其根据对电流变化的感应来检测从电源供应至电力放大器的电源电流的变化，并且从所检测的电流变化中检测数字通信信号；以及电力控制器，其根据由电流变化检测器检测的数字通信信号来控制电力放大器的输出电力；
根据本发明的另一实施方式，一种无线电力系统的通信方法包括：由无线电力接收单元通过接收谐振器的接收天线来接收AC形式的电力信号并且由整流器将AC形式的电力信号整流成DC形式的电力信号，其中，在没有单独的电力转换器的情况下整流器输出电压被自调节；通过无线电力接收单元改变用于与无线电力发送单元进行带内通信的接收谐振器的谐振频率，以改变接收谐振器的接收天线电流；以及由无线电力接收单元通过对改变的接收天线电流的感应向无线电力发送单元发送通信信号。
接收谐振器的接收天线电流的改变可以包括由通信开关元件接收用于带内通信的控制信号以被导通以及通过连接至导通的通信开关元件的电容器来改变接收天线的谐振频率。用于带内通信的控制信号可以根据整流器输出电压、整流器输出电流和要与无线电力发送单元交换的信息中的至少之一来生成。
无线电力系统中的带内通信方法还可以包括：由无线电力发送单元通过与接收天线磁耦合的发送天线来感应来自接收天线的电流变化；由无线电力发送单元根据对电流变化的感应来检测从电源供应至电力放大器的电源电流的变化，并且从所检测的电源电流的变化中检测数字通信信号；以及由无线电力发送单元根据所检测的数字通信信号来控制电力放大器的输出电力。
[有益效果]
根据实施方式，电力接收单元PRU可以使用自调节整流器(Self-RegulationRectifier:SRR)生成稳定的输出电压。在这种情况下，由于SRR的开关元件和接收天线是分开的，所以开关元件可以在低电压下实现。另外，开关元件导通时流动的电流小于天线电流，从而解决了当所有天线电流流过吸收天线电流的开关元件时引起的效率降低和发热问题。此外，由于天线电流保持恒定，因此电磁干扰EMI也不受开关元件的驱动频率的影响，从而便利于EMI滤波器的设计。另外，在包括SRR的无线电力系统中，PRU可以通过通信、特别是带内通信将控制信息发送至电力发送单元PTU，从而控制PTU的输出电力。
附图说明
图1是示出通用电力接收单元PRU的结构图。
图2是示出通过控制有源元件接收电力的PRU的结构图。
图3是示出当在图2的结构中使用开关操作来控制输出电压时天线电流的变化量的曲线图。
图4是示出使用使用时钟信号的谐振频率控制方法的接收单元的结构图。
图5是示出包括自调节整流器(SRR)以解决上面参照图2至图4描述的PRU的结构的问题的PRU的结构图。
图6和图7是示出在图5的开关元件M1关断以增加输出电压VOUT(电力被提供至负载)的状态下的PRU的结构图。
图8和图9是示出在图5的开关元件M1导通以降低输出电压VOUT(电力不被提供至负载)的状态下的PRU的结构图。
图10是示出在图5的结构中还包括控制器的PRU的结构图。
图11示出了模拟波形图，该模拟波形图示出了在图10的结构中当负载电流从0mA变为200mA时输出电压VOUT被控制。
图12是示出图10的结构中的开关元件M1的驱动波形的波形图。
图13是示出根据本发明的实施方式的包括具有并联结构的SRR的PRU的结构图。
图14是示出用于使用应用于诸如Qi或PMA类型的传统感应无线电力传输系统的带内通信方法来发送和接收信息的无线电力系统的结构图。
图15示出了通过图14的带内通信方法交换信息的无线电力系统的操作波形图。
图16是示出根据本发明的实施方式的当使用SRR时执行带内通信的无线电力系统的结构图。
图17示出了根据本发明的实施方式的包括图16的SRR的无线电力系统的操作波形图。
图18是示出根据本发明的实施方式的无线电力系统的带内通信方法的流程图。
具体实施方式
从下面参照附图描述的实施方式将更清楚地理解本发明的优点和特征以及用于实现本发明的方法。然而，本发明不限于下面描述的以下实施方式，而是可以以其他形式实施。提供实施方式是为了完成本发明的公开内容并且使得本领域普通技术人员能够充分理解本发明的范围。本发明由权利要求的范围限定。贯穿本说明书，相似的附图标记通常表示相似的元件。
在以下对本发明的实施方式的描述中，当确定相关已知功能或配置的详细描述不必要地模糊本发明的主旨时，将省略详细描述。此外，在本文中使用的术语是考虑到本发明的功能而定义的，并且可以取决于用户、操作者的意图或习惯而改变。因此，应当基于本说明书的以下总体描述来定义术语。在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。
图1是示出通用电力接收单元PRU的结构图。
参照图1，PRU包括谐振器(10)、整流器(12)、电力转换器(14)和滤波器(16)。
PRU通过包括电感器(L)和电容器(Cs1,Cs2)的谐振器(10)从电力发送单元PTU接收无线能量。在这种情况下，具有与由PTU发送的频率相同频率的交流(AC)流入谐振器(10)。整流器(12)和电力转换器(14)根据AC信号生成稳定的直流DC信号作为最终输出并且向负载供电。为此，整流器(12)将AC信号转换成未被调节的DC信号。电力转换器(14)将DC信号转换成精确的DC电压Vout，并且将DC电压Vout提供至负载。电力转换器(14)不限于特定类型，并且可以是例如降压型、升压型或线性型。
无论所设置的电力转换器(14)的类型如何，PRU具有两级结构，并且PRU的电力传输效率通过将整流器(12)的效率与电力转换器(14)的效率相乘来确定。例如，如图1所示，当整流器(12)的效率为至多90％并且电力转换器(14)的效率为至多90％时，累积效率降低至至多81％。因此，当电力转换器(14)被配置为多级时，难以满足高效率。
图2是示出通过控制有源元件来接收电力的PRU的结构图。
参照图2，PRU通过包括电感器(200)和电容器(210)的谐振器接收能量。电感器(200)具有等效的天线的电感。接下来，包括二极管(220,230)的整流器将AC信号转换成DC信号，然后将能量提供至负载(260)。在这种情况下，控制电路(240)控制有源元件(250)以控制提供至负载(260)的电压。与上面参照图1描述的方法不同，这样的方法不需要单独的电力转换器，并且整流器输出电压可以使用一级整流器来控制。然而，当有源元件(250)被操作为电阻器时，效率可能不高。另外，天线电压与PTU的接收灵敏度和电力成比例。在一些情况下，可以产生接近几百伏电压的电压。因此，连接至天线的有源元件(250)应具有高击穿电压以承受所生成的电压。
图3是示出当在图2的结构中使用开关操作来控制输出电压时天线电流的变化量的曲线图。
参照图3，由于图2的电路使用金属氧化物场效应晶体管MOSFET元件作为线性元件，因此可能因功耗而生成大量的热量。因此，可以施加脉冲用于栅极驱动，从而控制MOSFET元件以作为开关元件操作。在这种情况下，虽然可以减少MOSFET元件的发热，但是天线电流会如图3所示被调制。
例如，在控制输出电压使得负载消耗5W电力的状态下，使用栅极驱动波形对MOSFET进行开关控制，以将输出电压保持在恒定电压。当MOSFET导通时，图2的电容器(210)改变谐振频率，因此，天线电流减小。也就是说，当电流被提供至负载时，天线电流增加，并且当MOSFET导通以降低输出电压时，天线电流减小。天线电流似乎由栅极驱动波形调制。电流波形的这种变化意味着由PTU生成的输出电力被改变。因此，PTU电路的操作条件可以改变，这可能影响稳定的操作。由于噪声频率由栅极驱动波形调制和生成，所以电磁干扰EMI可能受到栅极驱动波形的影响，这可能导致难以实现抑制EMI的电路。
图4是示出使用使用时钟信号的谐振频率控制方法的接收单元的结构图。
参照图4，为了使输出电压Vout(400)达到期望电压，通过使用时钟信号(450)控制开关元件N1(410)来调整输出电压Vout(400)。图4的方法类似于图2的方法，但是开关元件N1(410)定位于包括电感器L2(420)和电容器C1(422)的谐振器的后端处。控制方法可以与图2的控制方法相同。
当开关元件N1(410)导通时，所有谐振器电流都流过开关元件N1(410)，因此，与在图2的情况一样，开关元件N1(410)的功耗可能是个问题。此外，根据该方法，当开关元件N1(410)导通时，电容器C1(422)和C6(430)用于改变谐振频率。当电容器C6(430)的电容远大于电容器C1(422)的电容时，谐振频率不会变化很大。因此，流过开关元件N1(410)的电流可能非常大。
当电容器C6(430)的电容减小时，谐振频率增加以减小谐振电流，但是电容器C6(430)两端的电压可以增加。在这种情况下，整流器的二极管D2(440)可以导通以向负载提供电流。当开关元件N1(410)导通时，旨在通过吸收天线电流并且防止二极管D2(440)导通来降低输出电压。然而，当电容器C6(430)的电容太小时，可能无法执行这样的功能，因此，可能无法调节输出电压。
如上面参照图2至图4所述，使用一级整流器控制输出在效率方面可能是合适的，但是为了呈现适合于实际使用的性能，存在如下要解决的一些问题。
(1)低电压元件的使用：为了降低价格并且通过低电压半导体工艺制造PRU，应当能够使用低电压元件。
(2)天线电流调制的问题：即使在控制输出时，也应保持天线电流相对恒定以稳定PTU的操作并且减少控制信号作用于EMI的问题。
(3)功耗：应降低用于控制输出电压的元件的功耗，以提高效率并抑制发热。
为了解决上述三个问题，本发明提出了一种PRU的结构。
图5是示出包括自调节整流器(SRR)以解决上面参照图2至图4描述的PRU的结构的问题的PRU的结构图。
参照图5，PRU(5)包括谐振器(50)、整流器(52)和开关元件M1(54)。
谐振器(50)包括电感器LRX(500)以及电容器C1(501)、C2(502)和Cp(504)。电感器LRX(500)是用于接收电力的天线的电感器模型，并且电容器C1(501)和C2(502)是确定PRU(5)的谐振频率的电容器。电容器C2(502)可以串联连接至电感器LRX(500)，并且电容器C1(501)可以串联连接至电感器LRX(500)和并联连接至电容器C2(502)。电容器C1(501)是直接将电流返回至电感器LRX(500)的电容器，电容器C2(502)是通过整流器(52)返回电流以将电流提供至负载的电容器。电容器Cp(504)与无线电力传输不直接相关，但是防止整流器输入端子ACIN处的寄生振荡。
整流器(52)可以将AC输入转换成DC，并且可以是包括二极管D1(521)和D2(522)的半波整流器，如图5所示。
开关元件M1(54)控制整流器输出电压VOUT。通常，当施加大于或等于阈值电压的控制电压Vcont以使开关元件M1(54)导通时，可以降低输出电压VOUT。因此，可以在没有单独的电力转换器的情况下控制输出，因此可以提高效率。
根据实施方式的开关元件M1(54)可以包括：连接至整流器输入端子ACIN的第一输出端子、连接至地的第二输出端子、以及被施加用于对整流器输出电压VOUT进行自调节的控制信号Vcont的输入端子。当开关元件M1(54)导通时，天线电流被分配成使得流过开关元件M1(54)的电流小于该天线电流。
整流器输出电压VOUT通过开关元件M1(54)保持恒定。例如，当整流器输出电压VOUT增加时，开关元件M1(54)接收使开关元件M1(54)导通并阻止整流器(5)向负载供电的控制信号，从而降低输出电压VOUT。相反，当整流器输出电压VOUT减小时，开关元件接收使开关元件M1(54)关断并允许整流器(5)向负载供电的控制信号，从而增加输出电压VOUT。因此，整流器输出电压VOUT保持恒定。
根据所提出的SRR的结构，由于被配置成控制整流器输出电压VOUT的开关元件(54)与接收天线分开，所以该开关元件可以以低电压实现。另外，低电压开关元件(54)导通时流动的电流小于天线电流，从而解决了当所有天线电流流过吸收天线电流的开关元件(54)时引起的效率降低和发热问题。此外，由于天线电流保持恒定，因此EMI也不受开关元件(54)的驱动频率的影响，从而有利于EMI滤波器的设计。在下文中，将参照图6至图9描述输出电压VOUT，其通过图5的PRU的结构中的自调节而不断调整。
图6和图7是示出在图5的开关元件M1关断以增加输出电压VOUT(电力被提供至负载)的状态下的PRU的结构图。
当输出电压VOUT处于期望电压或低于期望电压的状态并且开关元件M1(54)关断时，二极管D1(521)传导电流并且将电力传输至负载(参见图6)。图6的等效电路如图7所示。
参照图6和图7，天线电流被分成分别流过电容器C1(501)和C2(502)的电流I1和电流I2。当负载电阻器RL(580)的电阻不大时，即，需要高功耗时，根据表达式1近似地确定谐振频率。
[表达式1]
当用于使用6.78MHz的频率的无线电力联盟A4WP PTU的接收单元被制造时，A4WP接收单元确定电感器LRX(500)以及电容器C1(501)和C2(502)，使得谐振频率变成6.78MHz。
图8和图9是示出在图5的开关元件M1导通以降低输出电压VOUT(电力不被提供至负载)的状态下的PRU的结构图。
当输出电压VOUT高于期望电压时，如图8所示，开关元件M1(54)导通以阻止电力被提供为输出。因此，由于二极管D1(521)截止，所以负载不电连接。在这种情况下，等效电路如图9所示。
当开关元件M1(54)导通时，电阻部件可以被设置得非常小。因此，假设开关元件M1(54)的等效电阻非常小，谐振频率与表达式1的谐振频率相同。因此，在任何情况下，从天线LRX(500)的观点来看，谐振频率不会显著改变。
电阻器RL(580)在图6和图7中示出为串联连接至电容器C2(502)。然而，由于二极管D1(521)导通的状态对应于负载需要电力的状态，因此可以不认为电阻器RL(580)具有非常大的电阻值。当负载不消耗电力时，可以认为电阻器RL(580)的电阻非常大。在这种情况下，由于输出电压VOUT增加，所以开关元件M1(54)导通。因此，在这种情况下，如图8和图9所示，PRU被操作，因此，在任何情况下，与电容器C2(502)串联连接的电阻部件不大。也就是说，在两种情况下，由于谐振器的状态几乎彼此相似，因此天线电流保持几乎恒定。因此，无论开关元件M1(54)是导通还是关断，PTU都处于稳定操作的状态。如图3所示，由于天线电流没有显著变化，因此EMI也不受开关元件M1(54)的驱动频率的影响，从而有利于EMI滤波器的设计。
图10是示出在图5的结构中还包括控制器的PRU的结构图。
参照图10，控制器(56)包括比较器(560)、电阻器R1(561)和R2(562)以及用于感测输出电压VOUT的参考电压VREF(563)。当满足VOUT×R1/(R1+R2)>VREF的条件时，比较器(560)的输出(Vcont)变高并且开关元件M1(54)导通以降低输出电压VOUT。因此，输出电压VOUT被控制为(1+R2/R1)×VREF。
由于仅描述了比较器(560)的配置的简要操作，因此可以设置允许开关元件M1(54)进行零电压切换的电路或者具有通过向比较器(560)添加滞后来防止该比较器进行太频繁的操作的附加功能的电路。
图11是示出在图10的结构中当负载电流从0mA变为200mA时输出电压VOUT被控制的模拟波形图。
参照图10和图11，以这样的方式进行模拟：在谐振器被设置成以6.78MHz的频率操作的状态下，控制器(56)被设置成将输出电压VOUT(910)调节到5V。如图11所示，可以确认即使当负载电流(900)变成高达200mA时输出电压VOUT(910)也被很好地控制在5V。初始输出电压VOUT(910)是低的，这是因为整流电容器CVOUT被放电并因此处于充电状态。可以看出，即使当负载电流改变时，天线电流(920)也保持几乎恒定。
图12是示出图10的结构中的开关元件M1的驱动波形的波形图。
参照图10和图12，当通过具有高电平的开关控制信号(1000)使开关元件M1导通时，输出电压VOUT(1010)减小。当输出电压VOUT(1010)减小时，开关元件M1通过具有低电平的开关控制信号(1000)关断，以使输出电压VOUT(1010)再次增加。
图13是示出根据本发明的实施方式的包括具有并联结构的SRR的PRU的结构图。
参照图13，PRU包括接收天线LRX(1300)、谐振电容器网络(1310)、以及包括N个SRR即并联连接的SRR_1至SRR_N的SRR单元(1320)。可以根据负载所需的电流来控制SRR_1至SRR_N中的每一个，因此，可以更精确地控制输出电压VOUT。Vc[1]至Vc[n]是SRR_1至SRR_N的控制信号。如图13的放大图所示，SRR_1至SRR_N可以包括含有D1,D2的整流器以及设置在整流器的后端处的开关M1。为了使用具有并联结构的SRR控制输出电压VOUT，如图13所示，可能需要电容器Cs1至CsN，并且在这种情况下，谐振频率可以满足下面的表达式2。
[表达式2]
在表达式2中，f可以是PRU的谐振频率，并且可以匹配PTU的谐振频率。由于控制Vc[1]至Vc[n]的方法与本发明不直接相关，因此将省略其详细描述。
图14是示出用于使用应用于诸如Qi或PMA类型的传统感应无线电力传输系统的带内通信方法来发送和接收信息的无线电力系统的结构图。
PTU和PRU不仅发送和接收无线电力，还通过通信来交换信息。例如，需要较少的电力的PRU可以发送请求PRU通过与PTU的通信从PTU获取较小的电力的控制信号。也可以使用用于交换无线电力信号的谐振器来交换信息。为了执行无线电力传输，需要在PTU与PRU之间交换各种信息。例如，需要交换关于PTU当前是否需要充电的信息、关于当PTU当前需要充电时所需充电量的信息、关于调整参数以有效地执行充电的方法的信息、以及关于是否完成充电的信息。
可以通过对PTU或PRU中的部件进行调制并且感测调制来交换信息。谐振器可以通过改变谐振器参数例如谐振器的阻抗——这可能影响系统中的其他谐振器——来彼此通信。可以在无线电力传输系统中的谐振器之间同时进行电力和通信信号的传输，或者可以使用在无线电力信号传输期间所使用的相同磁场在不同时段期间或不同频率下进行电力和通信信号的传输。可以使用带内或带外通信来执行谐振器之间的信息通信，并且当用于信息交换的载波频率接近用于电力交换的谐振频率时，该通信被称为带内。在下文中，将参照图14描述用于使用带内通信在PTU与PRU之间交换信息的无线电力系统。
PRU通过整流器(1523)对由接收天线(1520)接收的AC信号进行整流，将经整流的AC信号转换成DC电压的形式，并且通过DC-DC转换器(1524)对经转换的DC电压进行转换，以输出要施加至负载的精确的输出电压Vout。当由PTU发送的能量足够时，可以提供负载所需的电压/电流。然而，当由PTU提供的电力很小时，可能没有足够的电力提供至负载。相反，当PTU发送的电力大于RPU的负载所需的电力时，无线电力系统成为低效系统。因此，为了控制PRU的电力，PRU尝试基于在PRU与PTU之间定义的协议与PTU通信。在这种情况下，可以使用PTU的发送天线(1510)和PRU的接收天线(1520)来无线地交换通信信号。这种方法称为带内通信。Qi或PMA类型主要使用这种方法，并且这两种类型使用一种幅度调制。
对于PTU与PRU之间的通信，PRU中需要开关M2(1527)和电容器Cd(1528)。当开关M2(1527)导通时，电容器Cd(1528)连接至包括接收天线(1520)和谐振电容器网络(1522)的接收谐振器，因此，谐振频率被改变以改变接收的电力。因此，接收天线(1520)的电流变化，电流变化被感应到与接收天线(1520)磁耦合的PTU的发送天线(1510)，因此，通信信号被发送至发送天线(1510)。PTU使用幅度变化检测器(1514)检测电流变化，并且从所检测的变化中检测RPU要发送的通信信号。根据所检测的通信信号，通过电力控制器(1516)控制电力放大器(1518)的输出电力。
图15示出了通过图14的带内通信方法交换信息的无线电力系统的操作波形图。
参照图14和图15，当开关M2(1527)的栅极输入被设置成高并且开关M2(1527)导通时，整流器输入ACIN通过电容器Cd(1528)如图15所示改变。该变化也出现在PRU的接收天线(1520)中，并且类似地，甚至在PTU的发送天线(1510)中也出现电压变化。以这种方式，PRU可以与PTU一起执行用于发送和接收二进制信号的数字通信。PRU可以通过串行数字通信发送期望的控制信号。数字信息可以通过串行数字通信被串行发送。
图16是示出根据本发明的实施方式的当使用SRR时执行带内通信的无线电力系统的结构图。
遗憾的是，包括SRR的无线电力系统可能不能使用图14的方法。因为SRR使用控制整流器输入ACIN的方法来控制整流器输出电压VOUT，因此当SRR的开关导通并且整流器输入ACIN接近地电势时，即使用于通信的开关导通，谐振器也不会起作用。因此，可以不使用如下的方法，其中通过将电容器和通信开关附接至整流器输入ACIN以尝试切换来感应接收天线的电流变化。为了解决这样的问题，本发明提出了如图16所示的方法。
参照图16，与上面的描述不同，在PRU(2)中，通信开关M2(1629)和电容器Cd(1628)连接至接收天线(1620)。在这种情况下，接收天线(1620)和电容器Cd(1628)的谐振频率可以被设置成与表达式1的谐振频率(接收天线(1620)和谐振电容器网络(1622)的谐振频率)不同。例如，接收天线(1620)和电容器Cd(1628)的谐振频率可以被设置成低于表达式1的谐振频率。在这种情况下，当通信开关M2(1629)导通时，谐振频率大大降低，并且与PTU(1)的谐振失真。因此，如图3所示，接收天线电流的峰值降低。因此，由于PTU(1)供应的电力减小，因此从PTU(1)的电源提供至电力放大器(1618)的电流减小。
在PTU(1)中，电流变化检测器(1614)检测电源电流Isup的变化，并且从所检测的电流变化中检测由RPU(2)发送的二进制形式的通信信号。使用所检测的通信信号通过电力控制器(1616)控制电力放大器(1618)的输出电力。与传统的Qi或PMA类似，通过使用这种方法，PRU(2)可以通过经由串行数字通信将通信信号发送至PTU(1)来控制PTU(1)的电力。
在下文中，将参照图16详细描述根据本实施方式的无线电力系统的部件。
参照图16，执行带内通信并且包括SRR(1623)的无线电力系统的PRU(2)包括：接收谐振器，其包括接收天线(1620)和谐振电容器网络(1622)；SRR(1623)；频率调整器(1627)；以及通信控制器(1626)。频率调整器(1627)可以包括电容器Cd(1628)和开关M2(1629)。注意，由于SRR(1623)的配置，图15中没有电力转换器。
SRR(1623)将从接收谐振器接收的AC形式的电力信号整流成DC形式的电力信号，并且在没有单独的电力转换器的情况下自调节其输出电压。SRR(1623)可以包括：整流器，其被配置成将从接收谐振器接收的AC电力转换成DC电力以将整流器输出电压Vout提供至负载；以及低电压开关元件，其包括连接至整流器输入端子和地的输出端子以及被施加根据整流器输出电压Vout生成的控制信号的输出端子。当整流器输出电压Vout增加时，低电压开关元件接收使低电压开关元件导通并阻止整流器向负载供电的控制信号，从而减小整流器输出电压Vout。相反，当整流器输出电压Vout减小时，低电压开关元件接收使低电压开关元件关断并允许整流器向负载供电的控制信号，从而增加整流器输出电压Vout。低电压开关元件可以是MOSFET晶体管。然而，即使当开关元件被能够执行开关操作的有源元件例如双极结型晶体管BJT、SiC FET、GaN FET等代替时，也可以执行相同的功能。
频率调整器(1627)改变用于带内通信的接收谐振器的谐振频率。频率调整器(1627)可以根据由SRR(1623)控制的整流器输出电压和输出电流来改变接收谐振器的谐振频率。在另一示例中，频率调整器(1627)可以根据用于与PTU(1)交换信息的通信命令来改变接收谐振器的谐振频率。频率调整器(1627)可以根据从管理带内通信的通信控制器(1626)发送的控制信号来改变接收谐振器的谐振频率。
当通过频率调整器(1627)改变接收谐振器的谐振频率时，接收天线电流改变，并且接收谐振器通过对改变的接收天线电流的感应将通信信号发送至PTU(1)。通信信号可以包括用于调整PTU(1)的输出电力以用于最佳无线电力传输的信息，以及用于与PTU(1)进行带内通信的其他信息，例如与通信性能有关的信息。
根据本实施方式的频率调整器(1627)包括：电容器Cd(1628)，其连接至接收谐振器的接收天线(1620)并且改变接收谐振器的谐振频率；以及通信开关M2(1629)，其串联连接至电容器Cd(1628)，接收控制，执行开关操作，并且控制接收天线(1620)的电流变化。通信开关M2(1629)包括连接至电容器Cd(1628)的第一输出端子、连接至地的第二输出端子、以及接收根据整流器输出电压Vout生成的控制信号的输入端子。接收谐振器的接收天线(1620)和电容器Cd(1628)的谐振频率可以被设置成低于接收谐振器的接收天线(1620)和谐振电容器网络(1622)的谐振频率。通信开关M2(1629)可以是MOSFET晶体管。然而，即使当通信开关M2(1629)被能够执行开关操作的有源元件例如BJT、SiC FET、GaN FET等代替时，也可以执行相同的功能。
通信控制器(1626)根据整流器输出电压和输出电流以及其他信息中的至少之一生成用于切换通信开关M2(1629)的控制信号，并且将控制信号发送至通信开关M2(1629)。通信控制器(1626)可以将用于使通信开关M2(1629)导通的控制信号发送至通信开关M2(1629)，并且可以通过电容器Cd(1628)的谐振频率的改变来改变接收电流。信息可以是用于调整无线电力发送单元的输出电力的信息或用于与无线电力发送单元进行带内通信的其他信息。该信息可以符合用于信息传输的通信命令。
PTU(1)包括发送天线(1610)、电流变化检测器(1614)、电力控制器(1616)和电力放大器(1618)。发送天线(1610)与接收天线(1620)磁耦合，并且接收天线(1620)中的电流变化被感应至发送天线(1610)。电流变化检测器(1614)根据对电流变化的感应来检测从电源供应至电力放大器(1618)的电源电流Isup的变化，并且从所检测的电流变化中检测数字通信信号。电流变化检测器(1614)根据由电流变化检测器(1614)检测的数字通信信号来控制电力放大器(1618)的输出电力。
图17示出了根据本发明的实施方式的包括图16的SRR的无线电力系统的操作波形图。
参照图16和图17，当通信开关M2(1629)导通时，接收天线(1620)的电流峰值突然降低，并且PTU(1)的电源电流Isup降低。
图18是示出根据本发明的实施方式的无线电力系统的带内通信方法的流程图。
参照图18，PRU(2)通过接收谐振器的接收天线来接收AC形式的电力信号(1800)，通过整流器将AC形式的电力信号整流成DC形式的电力信号，并且在没有单独的电力转换器的情况下通过SRR对整流器输出电压进行自调节(1810)。接下来，通过改变用于带内通信的接收谐振器的谐振频率来改变该接收谐振器的接收天线电流(1820)。根据实施方式，在PRU(2)中，可以通过接收用于带内通信的控制信号来使通信开关元件导通，并且可以通过连接至导通的通信开关元件的电容器来改变接收天线的谐振频率。可以根据整流器输出电压和输出电流以及要与PTU(1)交换的信息中的至少之一来生成用于带内通信的控制信号。
通过对改变的天线电流的感应将用于调整PTU(1)的输出电力的通信信号发送至PTU(1)(1830)。然后，通过与接收天线磁耦合的发送天线从接收天线感应电流变化，并且PTU(1)根据对电流变化的感应来检测从电源供应至电力放大器的电源电流Isup的变化并且从所检测的电流变化中检测数字通信信号(1840)。接下来，根据所检测的数字通信信号来控制电力放大器的输出电力(1850)。
到目前为止，已经参考其实施方式描述了本发明。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。因此，所公开的实施方式应仅被认为是描述性的，而不是出于限制的目的。此外，本发明的范围不是由实施方式的详细描述限定，而是由所附权利要求限定，并且在其范围内的所有差异应被解释为包括在本发明中。

Claims (15)

1.一种无线电力系统，包括：
接收谐振器，其通过接收天线与无线电力发送单元磁谐振；
自调节整流器，其通过整流器将从所述接收谐振器接收的交流形式的电力信号整流成直流形式的电力信号，并且在没有单独的电力转换器的情况下对整流器输出电压进行自调节；以及
频率调整器，其改变用于与所述无线电力发送单元进行带内通信的所述接收谐振器的谐振频率，
其中，接收天线电流根据所述谐振频率的改变而改变，并且所述接收谐振器通过对经改变的接收天线电流的感应向所述无线电力发送单元发送通信信号。
2.根据权利要求1所述的无线电力系统，其中，所述频率调整器根据由所述自调节整流器控制的所述整流器输出电压和整流器输出电流来改变所述接收谐振器的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的无线电力系统，其中，所述频率调整器根据用于与所述无线电力发送单元交换信息的通信命令来改变所述接收谐振器的谐振频率。
4.根据权利要求1所述的无线电力系统，其中，所述通信信号包括用于调整所述无线电力发送单元的输出电力的信息和用于与所述无线电力发送单元进行带内通信的其他信息。
5.根据权利要求1所述的无线电力系统，其中，所述频率调整器包括：电容器，其连接至所述接收谐振器的所述接收天线并且改变所述接收谐振器的谐振频率；以及通信开关元件，其串联连接至所述电容器，接收控制信号，执行开关操作，并且控制所述接收天线电流的变化。
6.根据权利要求5所述的无线电力系统，其中，所述通信开关元件包括连接至所述电容器的第一输出端子、连接至地的第二输出端子、以及接收用于带内通信的控制信号的输入端子。
7.根据权利要求5所述的无线电力系统，其中，当所述通信开关元件导通时的所述接收谐振器的所述接收天线和电容器的谐振频率不同于当所述通信开关元件关断时的所述接收谐振器的所述接收天线和谐振电容器网络的谐振频率。
8.根据权利要求5所述的无线电力系统，还包括通信控制器，所述通信控制器根据所述整流器输出电压、整流器输出电流和要与所述无线电力发送单元交换的信息中的至少之一来生成用于切换所述通信开关元件的控制信号，并且将所生成的控制信号发送至所述通信开关元件。
9.根据权利要求1所述的无线电力系统，其中，所述自调节整流器包括：整流器，其将从所述接收谐振器接收的交流电力转换成直流电力并且将所述整流器输出电压提供至负载；以及低电压开关元件，其包括连接至整流器输入端子和地的输出端子以及接收根据所述整流器输出电压生成的控制信号的输出端子。
10.根据权利要求9所述的无线电力系统，其中，当所述整流器输出电压增加时，所述低电压开关元件接收用于使所述低电压开关元件导通的控制信号，阻止所述整流器向所述负载供电，并且减小所述整流器输出电压，并且当所述整流器输出电压减小时，所述低电压开关元件接收用于使所述低电压开关元件关断的控制信号，允许所述整流器向所述负载供电，并且增加所述整流器输出电压。
11.根据权利要求1所述的无线电力系统，还包括：发送天线，其与所述接收天线磁耦合，并且其中，所述接收天线的电流变化被感应至所述发送天线；电流变化检测器，其根据对所述电流变化的感应来检测从电源供应至电力放大器的电源电流的变化并且从所检测的电流变化中检测数字通信信号；以及电力控制器，其根据由所述电流变化检测器检测的所述数字通信信号来控制所述电力放大器的输出电力。
12.一种无线电力系统的通信方法，包括：
由无线电力接收单元通过接收谐振器的接收天线来接收交流形式的电力信号，并且通过整流器将所述交流形式的电力信号整流成直流形式的电力信号，其中，在没有单独的电力转换器的情况下整流器输出电压被自调节；
由所述无线电力接收单元改变用于与无线电力发送单元进行带内通信的所述接收谐振器的谐振频率，以改变所述接收谐振器的接收天线电流；以及
由所述无线电力接收单元通过对经改变的接收天线电流的感应向所述无线电力发送单元发送通信信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述接收谐振器的接收天线电流的所述改变包括由通信开关元件接收用于所述带内通信的控制信号以被导通以及通过连接至导通的所述通信开关元件的电容器来改变所述接收天线的谐振频率。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，根据所述整流器输出电压、整流器输出电流和要与所述无线电力发送单元交换的信息中的至少之一来生成用于所述带内通信的所述控制信号。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述无线电力系统中的带内通信方法还包括：由所述无线电力发送单元通过与所述接收天线磁耦合的发送天线来感应来自所述接收天线的电流变化；由所述无线电力发送单元根据对所述电流变化的感应来检测从电源供应至电力放大器的电源电流的变化，并且从所检测的电源电流的变化中检测数字通信信号；以及由所述无线电力发送单元根据所检测的数字通信信号来控制所述电力放大器的输出电力。
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