CN110832492A - 低功率磁安全传输系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明各方面，提出了一种磁安全传输系统。磁安全传输(MST)系统可以包括：全桥驱动器，其包括被配置成调节通过线圈的电流的四个晶体管；以及驱动控制器，耦合以在高频处驱动全桥驱动器。在一些实施例中，全桥调节器中的晶体管由高频脉冲波调制(PWM)信号驱动，以控制通过线圈的电流。根据一些实施例的MST数据的磁安全传输(MST)的方法包括：接收MST数据；响应于MST数据生成线圈数据；在全桥中在高频处驱动晶体管，以根据线圈数据驱动电流通过线圈。

Description

低功率磁安全传输系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月5日提交的美国实用新型专利申请No.16/028,207和于2017年7月7日提交的美国临时专利申请No.62/529,728的优先权，其中的每一个均整体以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明的实施例涉及磁传输系统，尤其涉及低功率磁安全传输系统。
背景技术
例如智能电话、平板电脑、可穿戴设备和其他设备之类的移动设备越来越多地使用无线电力系统和诸如磁安全传输之类的系统。磁安全交易可以用于无线电力发射器和无线电力接收器之间的通信中。然而，磁安全传输的最普通用途是用于允许例如智能手机之类的移动设备能够从移动设备进行信用卡购买。在那些系统中，移动设备通过模拟信用卡本身的磁安全交易将信用卡信息传送给销售点设备。
在这些移动设备中，移动设备中的磁安全交易系统可以使用线圈来实现移动设备和销售点设备之间的数据传输。然而，由于使用大量的电力，所以这些线圈可能效率低下。这样会很快耗尽移动设备的电池。
因此，使用磁安全传输系统传输数据可能是有问题的。因此，需要开发更好的技术来实现数据的磁安全传输。
发明内容
根据本发明的各方面，提出了一种磁安全传输系统。磁安全传输(MST)系统可以包括：全桥驱动器，其包括被配置成调节通过线圈的电流的四个晶体管；以及耦合以高频驱动全桥驱动器的驱动控制器。在一些实施例中，全桥调节器中的晶体管由高频脉冲波调制(PWM)信号驱动，以控制通过线圈的电流。
根据一些实施例的MST数据传输的方法包括：接收MST数据；响应于MST数据生成线圈数据；在全桥中以高频驱动晶体管，以根据线圈数据驱动电流通过线圈。
在一些实施例中，磁安全传输(MST)系统可以包括：第一晶体管，耦合在电压输入与用于MST发射线圈的第一端连接之间；第二晶体管，耦合在电压输入与用于MST发射线圈的第二端连接之间；第三晶体管，耦合在第一端连接与地之间；第四晶体管，耦合在第二端与地之间；驱动控制电路，其被耦合以向第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管提供栅极信号以提供高频开关信号；以及传输控制器，耦合到驱动电路，该传输控制器耦合以接收MST数据并确定通过MST发射线圈的电流方向以传输MST数据。
下面参考以下附图进一步讨论这些以及其他实施例。
附图说明
图1A和图1B示出了常规的磁传输系统。
图2示出了根据一些实施例的磁传输系统。
图3示出了一些实施例的操作波形。
图4示出了一些实施例的操作波形。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有一些或所有这些具体细节的情况下实践一些实施例。本文所公开的具体实施例意在说明而非限制。本领域的技术人员可以实现尽管在这里没有具体描述但是在本发明的范围和精神内的其他元件。
本说明书以及示出了发明方面和实施例的附图不应被认为是限制性的，权利要求书定义了受保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求书的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。在一些情况下，未详细示出或描述公知的结构和技术，以免模糊本发明。
在实践的情况下，参考一个实施例详细描述的元件及其相关方面可以包括在未具体示出或描述它们的其他实施例中。例如，如果参考一个实施例详细描述了一个元件，而没有参考第二实施例进行描述，则该元件仍可以被要求包括在第二实施例中。
图1A示出了常规的磁传输系统100。如图所示，系统100包括可以是MOSFET的晶体管Q1 102、Q2 104、Q3 106和Q4 108，其耦合以驱动电流通过MST线圈112。如图1A中所示，晶体管Q1 102耦合在耦合到电池124的电池输入与MST线圈112的一端AC1 114之间。电池124可以通过耦合在电池124两端的电容器122向系统100提供电流。
晶体管106耦合在AC1 114与地之间。类似地，晶体管Q2 104耦合在电池124与MST线圈112的另一侧AC2 116之间。晶体管Q4 108耦合在AC2 116与地之间。通过使晶体管Q1102和Q4 108导通并且使晶体管Q2 104和Q3 106断开，在一个方向上驱动电流通过MST线圈112。通过使晶体管Q1 102和Q4 108断开并且使晶体管Q2 104和Q3 106导通，在相反的方向上驱动电流通过MST 112。
晶体管Q1 102、Q2 104、Q3 106和Q4 108耦合以从电池124接收电力，并由控制器110驱动，该控制器110接收通过MST0 118和MST1 120的数据并驱动晶体管Q1 102、Q2 104、Q3 106和Q4 108以提供通过MST线圈112的适当的电流，从而以磁性方式传输数据。
然而，图1A中所示的系统100使用MST线圈112的线圈电阻来限制来自电池124的电池电流。通过MST线圈112的电流是电池124的电压和MST线圈112的性质的函数。在一些示例中，MST线圈112可以是20-30μH的电感线圈，其DC电阻为1.5至2.0Ω。为了保证MST性能，MST系统100在最低的电池操作电压下被过度设计，从而导致更多的成本和电池的更多功耗。例如，在电池电压为3.5V且线圈电阻为1.5欧姆时，功率由V2/R＝3.5V*3.5V/1.5Ohm＝8.2瓦特(W)给出。
图1B示出了在无线电力传输的传输期间遍及系统100出现的电参数的波形。如图1B中所示，MST0 118被设置为高达VDD，而MST1120在VDD和0V之间变化以传输数据流的位0和位1。VDD可以是表示高值的电压。VDD可以是电池电压VBATT，或者可以是表示高值的另一个电压。
鉴于MST0 118和MST1 120的数据输入，VGS1/4指示晶体管Q1 102和Q4 108的栅极电压，而VGS2/3指示晶体管Q2 104和Q3 106的栅极电压。由Icoil示出通过MST线圈112的所得电流。由标记为IGS1/4的波形示出通过晶体管Q1 102和Q4 108的所得电流，并且由波形IGS2/3示出通过晶体管Q2 104和Q3 106的所得电流。在波形IBatt中示出所得电池电流。如图所示，电池电流IBatt处于恒定的Imax水平。在一些实施例中，(例如，在电池电压为3.5V且线圈电阻为1.5欧姆的情况下，Imax可以是2.3安培)。
该系统还在较高的电池电压(例如4.35V)下生成不必要的功率损耗，从而进一步减少了电池操作时间并生成更多热量，当用于诸如智能手表之类的可穿戴设备时，这尤其成问题。例如，电池电压为4.35V将导致12.6W的功率损耗。
电池电流与MST线圈112的峰值电流相同。因此，在MST数据传输期间电池124可能会承受很大的压力，如果在系统100的设计过程中不注意，这会导致电池故障。
图2示出了根据本发明的MST系统200的实施例。MST系统200包括晶体管Q1 202、Q2204、Q3 206和Q4 208，它们耦合在电压输入226、地和MST线圈212之间，以提供通过MST线圈212的交流电流，以便传输磁安全数据，该磁安全数据在输入MST0 218和MST1 220处接收。晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208可以是例如MOSFET。可以激活晶体管Q1 202、Q2204、Q3 206和Q4 208以驱动电流通过MST线圈212，以反映正在传输的数据，如下所述。如图2中所示，电源224通过电容器222将电力提供给电压输入226。电源224可以是电池，或者可以包括电池。
如图2中所示，将输入数据MST0 218和MST1 220输入到控制器210。控制器210响应于输入数据MST0 218和MST1 220提供用于晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208的栅极的栅极控制信号，以驱动电流通过发射线圈212。MST发射线圈212可以是例如20-30μH，0-1.0Ω的线圈，而不是图1A中的系统100中提供的较大电阻的线圈。来自控制器210的信号被输入到驱动控制电路230。驱动控制电路230进一步被耦合以从高频振荡器228接收高频信号。
如下面进一步讨论，驱动控制电路230从控制器210接收MST传输系统信号，该MST传输系统信号确定通过MST线圈212的电流方向，该MST线圈根据MST读取器的要求传输在MST0 218和MST1 220处接收的数据。根据从控制器210接收到的信号，控制电路230以高开关频率驱动晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208，以将高频脉冲波调制(PWM)电流提供到MST线圈212中，其中输出磁场是由控制器210确定的信号。如下文进一步讨论，可以在PWM模式下驱动晶体管Q1 202和Q3 206和/或可以在PWM模式下驱动晶体管Q2 204和Q4 208以在相反的方向上驱动电流通过MST线圈212。图3示出了在PWM模式下驱动晶体管Q1 202和Q3206或晶体管Q2 204和Q4 208的示例。图4示出了在PWM模式下驱动晶体管对Q1 202和Q3206以及晶体管对Q2 204和Q4 208以驱动电流通过MST线圈212的示例。
因此，由FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208形成的全桥驱动器以远远高于标准MST频率的频率交替变换通过MST线圈212的电流。MST线圈212(也可以是无线电力接收线圈)使由FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208提供的开关电流平滑，从而导致以MST频率通过线圈212的交流电流。PWM操作模式可用于在高频和/或MST频率下控制晶体管FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208的导通时间，以保持MST线圈212的输出的恒定幅度，而与VIn 226处输入电压的任何变化无关。
在诸如图1A中所示的系统100之类的常规系统中，MST频率在500Hz至3kHz之间。在系统200中，高频振荡器228和驱动控制电路230可以以更高的频率(例如1-2MHz)来驱动全桥(Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208)。因此，晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208的开关频率高于图1A中所示的对应晶体管的开关频率。在驱动控制电路230中，本发明的实施例可以应用高频脉冲波调制(PWM)和/或相移控制来在宽的电压范围(例如2V至4.5V)上调节MST发射线圈212中的电流，以便在较低的MST频率下产生磁信号。因此，可以通过调整影响在传输控制器210中确定的MST数据转换数据的PWM信号来实现低功率MST操作。
诸如图2中所示的系统200之类的实施例具有多个优点。例如，本发明的实施例可以将相同的线圈用于无线电力接收和MST数据传输。因此，发射线圈212还可以作为无线电力的接收线圈操作，从而降低了线圈成本。可以引入由控制电路230施加的PWM和/或相移控制，以将线圈电流精确地控制到期望的幅度，以及控制转换速率以实现恒定的MST性能，并且节省电池电力。低电阻MST线圈或无线电力接收器线圈可用于MST功能，从而在MST操作期间大大降低了功耗。例如，在0.2ΩWPC线圈和0.3Ω总开关电阻的情况下，对于2A MST线圈电流，功耗仅为2W。此外，由于可以很好地控制MST线圈的电流转换速率，因此无需大型钽电容器。另外，由于电压范围可以较低，因此不需要直接由可以包括电池的电源224供电，因此不需要如图1A中所示的系统100中可能需要的过电压保护。
如图2中所示，系统200包括由晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208形成的全桥驱动器，所有晶体管都可以是FET。晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208以远远高于MST频率的频率交替变换通过MST线圈212的电流。MST线圈(或WPC线圈)212使由晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208生成的开关电流平滑，从而导致与标准MST频率匹配的通过MST线圈212的交流电流。在一些实施例中，在控制电路230中执行PWM控制方法，以在高频和/或MST频率下控制晶体管Q1 202、Q2 204、Q3 206和Q4 208导通时间的切换，从而保持MST线圈电流的恒定幅度，而与电压输入226上输入电压的变化无关。
图3示出了图2中所示的系统的实施例的操作波形。作为示例，图3从图表的顶部到图表的底部示出了电压输入226处的输入电流IIn、MST0218的电压、MST1 220的电压、晶体管Q1202的栅极电压VGs1、晶体管Q3 206的栅极电压VGS3、晶体管Q2 204的电压VGS2、晶体管Q4208的电压VGS4、通过晶体管Q1 202的电流IQ1、通过晶体管Q3 206的电流IQ3、通过晶体管Q2204的电流IQ2、通过晶体管Q4 208的电流IQ4和通过MST发射线圈212的电流ICOIL的波形。
如图3中所示的示例波形所示，MST0设置为高(VDD)。MST 1在位0中设置为高(VDD)和低(0V)，并且在位1中设置为高(VDD)和低(0V)。如图3中所示，FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208成对操作以传输数据。为了传输MST0＝高并且MST1＝高，FET Q1 202和Q3 206以高开关频率由PWM信号互补地交替变换，同时晶体管Q2 204断开并且晶体管Q4208为高。类似地，为了传输MST0＝高且MST1＝低，晶体管Q2 204和Q4 208以高开关频率由PWM信号互补地交替变换，同时晶体管Q1 202断开并且晶体管Q3 206导通。PWM信号的导通时间由所需的线圈电流幅度、输入电压以及MST线圈212的等效DC电阻所确定。
如图3中进一步所示，晶体管电流在0A和Im之间变化，并遵循对应晶体管的PWM循环。因此，当晶体管被控制电路230导通时，每个晶体管都携载Im电流。因此，通过MST线圈212的电流根据要传输的数据在Im的正电流和-Im的负电流之间循环。如进一步说明，当FETQ1 202和Q3 206在PWM模式下操作时，FET Q4 208一直导通，而当FET Q2 204和Q4 208在PWM模式下操作时，FET Q3导通，以在相反方向上提供电流使其通过线圈212。通过在以PWM模式交替操作的驱动FET Q1 202和Q3 206与驱动Q2 204和Q4 208之间切换来确定通过线圈的电流方向。
如图3中所示，输入电流由Im 2(ESR)/VIn给出，其中Im是通过晶体管的电流，ESR是线圈212的电阻，Imax是来自Vin 226的最大输入电流。这表示通过使用PWM模式明显节省电力。线圈电流转换完成后，通过将线圈电流减小一定的斜率，可以进一步实现节省电力；这种线圈电流控制是通过PWM控制方法实现的。因此，电压输入226处的电流可以由小于通过线圈212可得到的最大DC电流的值给出。
如图所示，在图3的实施例中，晶体管Q1 202和Q3 206成对操作，并且晶体管Q2204和Q4 208成对操作。当晶体管对Q1 202/Q3 206和Q2 204/Q4 206被激活时，它们均以高开关频率由PWM信号互补地操作。当Q1/Q3在PWM模式下操作时，晶体管Q2/Q4设置为Q4导通而Q2断开。类似地，当Q2/Q4在PWM模式下操作时，晶体管Q1/Q3设置为Q1断开而Q3导通。PWM导通时间由所需的线圈电流幅度、输入电压和线圈212的等效DC电阻所确定。
图4示出了根据本发明一些实施例的另一波形。与图3中所示的波形相似，图4从图表的顶部到图表的底部示出了电压输入226处的输入电流IIn、MST0 218的电压、MST1 220的电压、晶体管Q1 202的栅极电压VGS1、晶体管Q3 206的栅极电压VGS3、晶体管Q2 204的电压VGS2、晶体管Q4 208的电压VGS4、通过晶体管Q1 202和Q4 208的电流IQ1和IQ4、通过晶体管Q2204和Q3206的电流IQ2和IQ3，以及通过MST发射线圈212的电流ICOIL的波形。
如上所述，FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208成对操作。如图4中所示，为了传输数据，FET Q1 202和Q3 206以高开关频率由PWM信号互补地交替变换。类似地，FET Q2 204和Q4 208以高开关频率由PWM信号互补地交替变换。PWM信号的导通时间由所需的线圈电流幅度、线圈电流方向、线圈电流瞬态转换速率、输入电压以及等效DC电阻所确定。线圈电流转换完成后，通过将线圈电流减小一定的斜率，可以进一步实现节省电力；这种线圈电流控制是通过PWM控制方法实现的。通过交织(对称或不对称)Q1 202/Q3 206PWM信号和Q2 204/Q4 208PWM信号，可以实现EMI改善。
如图2中所示，根据一些实施例的电路包括由FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2204和Q4 208形成的全桥驱动器，以调节MST线圈212的电流。由FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208形成的全桥驱动器可以用作MST驱动器和/或无线电力收发器。此外，电路可以包括用作MST线圈和/或无线电力线圈的线圈212。此外，电路包括驱动控制电路，该驱动控制电路生成以高开关频率驱动FET Q1 202和Q3 206以及FET Q2 204和Q4 208的控制信号，以在MST频率下保持线圈212的恒定幅度，而与VIn处226施加的电压的变化无关。
在一些实施例中，驱动控制电路230可以驱动FET Q1 202/Q3 206和FET Q2 204/Q4 208以在PWM模式下交替操作来改变线圈电流方向，如图3中所示。如图4中所示，在一些实施例中，驱动控制电路可以驱动FET Q1 202/Q3 206和FET Q2 204/Q4 208，以在PWM模式下操作来改变线圈电流方向。在一些实施例中，可以实现Q1 202/Q3 206PWM信号和Q2 204/Q4 208PWM信号的交织，以用于EMI改善。
在一些实施例中，由控制电路230执行的PWM控制方法可以调节1)MST线圈电流瞬态的转换速率，2)MST线圈电流的幅度和/或3)省电斜率，从而以满足MST读取器的要求，并且与输入电压无关。在一些实施例中，一种软启动方法缓慢地使MST线圈的电流向上爬升，以避免在MST数据传输开始时MST线圈电流的中断。在一些实施例中，转换速率、幅度和省电斜率是可编程的。
提供以上详细描述以说明本发明的特定实施例，而并不旨在限制。在本发明范围内的多种变化和修改是可能的。在所附权利要求中阐述了本发明。

Claims (19)

1.一种磁安全传输MST系统，包括：
全桥驱动器，包括被配置成调节通过线圈的电流的四个晶体管；以及
驱动控制器，耦合以驱动所述全桥调节器，所述驱动电路在高频处驱动所述四个晶体管。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述全桥驱动器能够用作MST驱动器和/或无线电力收发器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述线圈能够用作MST线圈和/或无线电力线圈。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器能够在PWM模式下交替操作所述四个晶体管中的成对晶体管，以驱动电流通过所述线圈以传输MST数据。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器能够在PWM模式下同时操作所述四个晶体管中的两对晶体管。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器能够利用PWM信号来操作所述全桥驱动器，以使所述四个晶体管中的成对晶体管交织。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器能够使用PWM控制方法，并且能够调节通过所述线圈的电流瞬态的转换速率。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器能够使用PWM控制方法，并且能够调节通过所述线圈的电流的幅度。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器能够使用PWM控制方法，并且能够调节省电斜率。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括软启动方法，所述软启动方法使通过所述线圈的电流缓慢地爬升，以避免在数据传输开始时线圈电流的中断。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述驱动控制器可编程为控制转换速率、幅度和/或省电斜率。
12.一种磁安全传输MST数据的MST方法，包括：
接收MST数据；
响应于所述MST数据生成线圈数据；
在高频处驱动全桥中的晶体管，以根据所述线圈数据驱动电流通过线圈。
13.根据权利要求12所述的方法，其中驱动晶体管包括：在高频处利用脉冲波调制驱动第一对晶体管。
14.根据权利要求13所述的方法，其中驱动晶体管还包括：与所述第一对晶体管互补地驱动第二对晶体管。
15.一种磁安全传输MST系统，包括：
第一晶体管，耦合在电压输入与用于MST发射线圈的第一端连接之间；
第二晶体管，耦合在所述电压输入与用于所述MST发射线圈的第二端连接之间；
第三晶体管，耦合在所述第一端连接与地之间；
第四晶体管，耦合在所述第二端与所述地之间；
驱动控制电路，耦合以向所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管提供栅极信号，以提供高频开关信号；以及
传输控制器，耦合到所述驱动电路，所述传输控制器耦合以接收MST数据，并确定通过所述MST发射线圈的电流方向以传输所述MST数据。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述高频开关是脉冲波调制PWM信令，用以提供通过MST发射线圈的PWM电流。
17.根据权利要求16所述的系统，其中导通时间被调节以控制通过所述MST发射线圈的电流。
18.根据权利要求16所述的系统，其中由所述第一晶体管和所述第二晶体管形成的第一对晶体管由PWM栅极信号互补地驱动，以提供通过所述发射线圈的第一方向电流，并且由所述第二晶体管和所述第四晶体管形成的第二对晶体管由所述PWM栅极信号互补地驱动，以提供通过所述发射线圈的第二方向电流。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一对和所述第二对被互补地驱动，以提供所述第一方向电流或所述第二方向电流。
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