CN110832724A

CN110832724A - 无线接收器整流器低侧限电流操作

Info

Publication number: CN110832724A
Application number: CN201880045027.9A
Authority: CN
Inventors: 刘锐; 古斯塔沃·J·梅哈斯; 赵立杰
Original assignee: Integrated Device Technology Inc
Current assignee: Renesas Electronics America Inc
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2038-07-03
Also published as: US20190013728A1; TW201917991A; KR102339671B1; KR20200024284A; CN110832724B; TWI705639B; WO2019010184A1; US10958154B2

Abstract

根据本发明的各方面，提出了一种无线电力电路。在一些实施例中，无线电力电路包括一个或多个高侧晶体管；与一个或多个高侧晶体管串联耦合的一个或多个低侧晶体管，其中可以将所述一个或多个低侧晶体管作为电流源进行控制。

Description

无线接收器整流器低侧限电流操作

相关申请的交叉引用

本发明要求于2018年7月2日提交的美国实用新型专利申请No.16/025,779号和于2017年7月6日提交的美国临时申请No.62/529,391的优先权，其中的每一个均整体并入本文中。

技术领域

本发明的实施例涉及无线电力接收器，并且具体地，涉及无线电力接收器限电流操作。

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充电系统。无线电力传输有多种不同的标准，它们利用各种不同的传输频率。所使用的频率变化很大，例如，从小于100KHz到超过6.78MHz。

无线电力传输的更常见标准包括无线电力联盟(A4WP)标准和无线电力协会标准Qi标准。例如，根据A4WP标准，可以以大约6.78MHz的电力传输频率将高达50瓦的功率感应地发送给线圈附近的多个充电设备。根据无线电力协会Qi规范，谐振感应耦合系统用于以设备的谐振频率为单个设备充电。在Qi标准中，接收设备线圈放置成与发射线圈紧密相邻，而在A4WP标准中，接收设备线圈可能与属于其他充电设备的其他接收线圈一起放置在发射线圈附近。

然而，在发射器/接收器无线电力传输系统中，接收器中可能出现的过电压状况可能引起问题。这类过电压条件可能会对接收器的组件造成电应力。此外，一些可以实现的过电压保护电路干扰无线电力发射器和无线电力接收器之间的双向或带内通信，这影响发射器/接收器电力传输系统的操作。

因此，需要开发更好的无线接收器技术。

发明内容

根据本发明的各方面，提出了一种无线电力电路。在一些实施例中，无线电力电路包括一个或多个高侧晶体管；与一个或多个高侧晶体管串联耦合的一个或多个低侧晶体管，其中可以将所述一个或多个低侧晶体管作为电流源进行控制。另外，可编程电流源可以用于控制通过用作电流源的晶体管的电流。

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1示出了无线电力传输系统。

图2示出了根据本发明一些实施例的接收器。

图3示出了根据本发明一些实施例的接收器。

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1示出了用于无线电力传输的系统100。如图1中所示，无线电力发射器102驱动线圈106以产生磁场。电源104向无线电力发射器102提供电力。电源104可以是例如基于电池的供应，或者可以由例如60Hz的120V交流电来供电。无线电力发射器102通常根据无线电力标准中的一个来通常在一频率范围内驱动线圈106。

有多种用于无线电力传输的标准，包括无线电力联盟(A4WP)标准和无线电力协会标准Qi标准。例如，根据A4WP标准，可以以大约6.78MHz的电力传输频率将高达50瓦的功率感应地传输到线圈106附近的多个充电设备。根据无线电力协会Qi规范，谐振感应耦合系统用于以设备的谐振频率为单个设备充电。在Qi标准中，线圈108放置成与线圈106紧密邻近，而在A4WP标准中，线圈108与属于其他充电设备的其他线圈一起放置在线圈106附近。图1描绘了根据任何这些标准操作的通用无线电力系统100。

如图1中进一步所示，由线圈106产生的磁场在线圈108中引起电流，从而导致在接收器110中接收电力。接收器110从线圈108接收电力并将电力提供给负载112，该负载112可以表示电池充电器和/或移动设备的其他组件。接收器110通常包括整流，以将接收到的AC电力转换为用于负载112的DC电力。负载112可以表示移动设备的其他组件，包括处理器、电池充电器、显示器等。

在无线电力传输期间可能出现这种情况，其中由发射器(Tx)102传递到接收器(Rx)110的电量可能导致Rx 110上的过电压(OV)状况，进而可能导致过电应力(EOS)以及对Rx 110的损坏。此外，Rx 110可以包括无功调制(例如，基于无功的幅度移位键(ASK)调制)，以便与发射器102进行带内通信。在轻电力传输水平(轻负载)下，现有的基于无功(电容)的ASK调制技术通常有具不良的信噪比(SNR)，并且在一些操作条件下会表现出调制反转。这些不良的信噪比和调制反转会阻止Rx 110与正在提供电力的Tx 102可靠通信。所得的通信损失会给发射器/接收器充电系统带来困难。

先前的过电压保护(OVP)使用两种方法：(1)有源钳位或(2)使接收线圈短路接地的机制。在第一种方法中，将有源钳位连接到整流器的输出(VRECT)，该有源钳位有时带有分立的外部电阻来耗散功率。有源钳位可用于耗散发送给Rx 110的多余电力。耗散多余电力主要集中在Rx 110的集成电路和/或与RX 110的集成电路耦合的外部串联电阻器中。同时，Rx 110使用例如带内通信与Tx 102通信，以请求Tx 110提供更少的电力(或者在极端情况下甚至终止电力传输)。然而，这种技术会在电力耗散时引起接收器110发热，并可能干扰带内通信。

在第二种方法中，包括低侧和高侧晶体管的接收器110的整流器可用于使接收线圈108短路接地。特别地，以地为基准的(低侧)MOSFET可以同时被完全增强(导通)，从而使Rx线圈108短路接地。现在，多余电力的耗散分裂在接收器110的集成电路和接收线圈108的直流电阻(DCR)之间。然而，这种方法会阻止从RX 110到TX 102的带内通信，并且需要在Tx102处超时、过电流保护(OCP)故障或其他故障机制，以终止从TX 102到RX 110的电力传输。这种方法还可以防止任何电力传输到RX 110的整流器的输出端。另外，这种方法可能会在Rx 110/Tx 102系统中造成危险的大电流，从而可能导致对Rx 110和Tx 102的灾难性损坏。经常在RX110的整流器恢复正常操作时发生大电流。

先前的轻负载调制减轻技术可以包括通过与初级调制电容器并联地添加附加外部电容器来增加RX 110中的无功调制深度。在其他实现方式中，可以将外部电阻器与调制电容器串联地添加，以创建电阻ASK调制路径，该电阻ASK调制路径在轻负载时更有效，并且不具有调制反转问题。然而，由于有效管理产生电力耗散所必需的电阻器的大小，不期望在应用中有外部电阻调制。

图2示出了根据本发明一些实施例的接收器电路200的一部分的实施例。如图2中所示，接收器线圈210和电容器212串联耦合，并在线圈210的一端定义电压点AC1 222，并且在与线圈210相对的电容器212的一端定义AC2224。

全整流桥由高侧晶体管202和204以及低侧晶体管208和206形成。在一些实施例中，晶体管202、204、206和208可以是MOSFET。如图2中所示，高侧晶体管202耦合在电压线VRECT与AC1 222之间。高侧晶体管204耦合在VRECT与AC2 224之间。低侧晶体管208耦合在AC1 222与地之间。低侧晶体管206耦合在AC2 224与地之间。高晶体管202、高晶体管204、低晶体管208和低晶体管206的栅极耦合到栅极控制器216。在正常操作期间，晶体管被驱动，使得晶体管206与晶体管202一起开关并且晶体管204与晶体管208一起开关。结果是由接收线圈210接收电力，并且由晶体管202、204、206和208形成的全波整流器产生DC电压VRECT。

如图2中所示，调制214耦合到VRECT，并且可以通过调制耦合到VRECT的负载来提供ASK调制。调制214可以是无功调制器，并且可以利用电阻或电容类型的调制。在一些实施例中，调制214可以耦合到AC1 222和/或AC2 224，以包括与AC1 222和AC2 224中的一个或多个耦合的无功电容器来为带内通信提供最大效果。

如图2中进一步所示，高侧晶体管202的栅极由电路226驱动，该电路226接收晶体管206的栅极电压G1和信号Dis_hs。电路226根据晶体管206的栅极电压G1驱动晶体管202的栅极，除非坚持信号Dis_hs，在这种情况下，晶体管202保持在断开状态。类似地，高侧晶体管204的栅极由电路228驱动，该电路228接收晶体管208的栅极电压G0和信号Dis_hs。电路228根据晶体管208的栅极电压G0驱动晶体管204的栅极，除非坚持信号Dis_hs，在这种情况下，晶体管204保持在断开状态。

另外，过电压保护电路220耦合在AC1 222与地之间，并且可以检测AC1 222处的过电压状况。类似地，过电压保护电路218耦合在AC2 224与地之间，并且可以检测AC2 224处的过电压状况。在一些实施例中，不使用OVP电路220和218中的一个或另一个。

在一些实施例中，当在OVP 220或OVP 218中检测到过电压保护状况时，坚持Dis_hs以切断晶体管202和204两者，并且驱动晶体管208和206使其导通。在那种情况下，低侧晶体管208和206用作电流源以将多余的电荷转移到地。晶体管202和204被断开以避免从VRECT到地的直通电流。

图2的实施例中所示的布置在过电压事件期间耗散了接收器200的整流器电路内部的多余电力。可以通过调整通过OVP电路218和220中的晶体管206和208的电流来控制耗散的电量。此外，在管理过电压事件的同时，能量可以继续被发送给接收器200的整流器电路。另外，允许与对应发射器102进行通信的调制214可以在过电压事件期间继续。

另外，使用OVP 218和OVP 220作为电流源，还有明显的轻负载调制优势。系统影响是耗散的，因此不会受到调制反转的影响。此外，可以在该事件期间和正常操作下精确调整调制深度，以优化电力传输效率与通信信道的信噪比。

图3示出了根据本发明的接收器200的示例。如图3中所示，如上所述的控制器216的示例可以包括：比较器CMP1 302，耦合以比较地和AC1 222，并且将栅极信号G0提供给晶体管208；以及比较器CMP2 304，耦合以比较地和AC2 224，并将栅极信号G1提供给晶体管206。

如图3中所示和上面讨论，可以是MOSFET的晶体管202、204、206和208形成接收器200的整流电路。在正常操作中，晶体管202根据栅极信号G1与晶体管206一起开关，并且晶体管204根据栅极信号G0与晶体管208一起开关。比较器cmp1 302和cmp2 304是用于正常整流器开关操作的驱动器。

在图3所示的示例中，过电压保护电路220包括可编程电流源I1 306以及串联耦合在I1 306与地之间的晶体管308和310。运算放大器312驱动晶体管308的栅极，而晶体管310的栅极由cmp1 302驱动。运算放大器312从来自cmp1 302的栅极信号G0和AC1 222接收输入。

类似地，过电压保护电路218包括可编程电流源I2 316以及串联耦合在I2 316与地之间的晶体管318和320。运算放大器322驱动晶体管318的栅极，而晶体管320的栅极由cmp2 304驱动。运算放大器322从来自cmp2 304的栅极信号G1和AC2 224接收输入。

可编程电流源I1 306和I2 316可以是数字可编程电流源。这样，它们可以通过在解调器中从对应发射器接收的通信进行无线编程，分别由OVP 220和218编程，或者可以由其他控制算法控制。如图3中进一步所示，OVP 220的电流控制电路由来自cmp1 302的输出信号G0使能，而OVP 218的电流控制电路由来自comp2 304的输出信号G1使能。

op1 312和op2 322是运算放大器。当使能时，op1 312控制晶体管308，以使通过晶体管208的电流镜像通过晶体管308和晶体管310的电流。当使能时，op2控制晶体管318，以使通过晶体管206的电流镜像通过晶体管318和320的电流。

在一些实施例中，在正常整流器操作模式期间，晶体管308和318断开并且比较器cmp1 302和cmp2 304分别驱动晶体管208和206的栅极，以便如上所述交替地导通晶体管208和206。在一些实施例中，只要可编程电流源I1 306和I2 316被编程为高于系统的自然电流水平，就可以使用晶体管308和318。

当发生过电压事件时，可以采取几种动作。这些动作包括晶体管208和206两者都可以同时导通，并根据需要无视比较器cmp1 302和cmp2。如分别在可编程电流源306和316中编程，op1 312和op2 322的限电流功能分别设置通过晶体管208和206的电流。当晶体管208和206两者都导通时，预期没有电流流向VRECT。在过电压钳位操作期间，晶体管202和204可以被断开以避免电流从VRECT直流到GND。在一些实施例中，可以在正常操作的变型中一次导通一侧。

此外，对于调制214中较大的SNR，可能会增加调制深度。除了可编程电流源I1 306或I2 316(如合适的)将通过晶体管208或晶体管206的电流设置为略低于自然系统电流之外，发生正常操作。这导致晶体管308或晶体管206的附加电力耗散，因此可以提供期望的调制深度并且SNR增加。

总之，提出了一种无线电力接收器。无线电力接收器包括四(4)个开关，其中在接收器的正常操作期间，可以将开关中的一个或多个作为电流源进行控制。这些电流源可用于增加调制深度，保证正调制并增加通信SNR。在故障状况期间，可以将开关中的一个或多个作为电流源进行控制。

在过电压故障期间，这些电流源通过耗散能量来提供抵御过电应力的保护。在过电压故障期间，这些电流源通过防止整流器输出端上的过大电压来提供抵御过电应力的保护。在过电压故障期间，这些电流源允许在整流器输出端上调节恒定电压。在OV事件期间使用这些电流源允许进行ASK通信。其中，在去除过电压故障后，使用这些电流源防止系统损坏。这些电流源中的一个或多个可以同时激活，以提高保护效果。

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

1.一种无线电力电路，包括：

一个或多个高侧晶体管；

与所述一个或多个高侧晶体管串联耦合的一个或多个低侧晶体管，其中所述一个或多个低侧晶体管可以作为电流源进行控制。

2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流源增加调制深度。

3.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流源提供正调制。

4.根据权利要求1所述的电路，其中所述电流源提供增加的通信信噪比。

5.根据权利要求1所述的电路，其中在故障期间控制所述电流源。

6.根据权利要求5所述的电路，其中所述故障是过电压故障。

7.根据权利要求6所述的电路，其中所述电流源通过耗散能量来提供抵御过电应力的保护。

8.根据权利要求6所述的电路，其中所述电流源通过防止整流器输出上的过大电压来提供抵御过电应力的保护。

9.根据权利要求6所述的电路，其中所述电流源允许在整流器输出上调节恒定电压。

10.根据权利要求6所述的电路，其中所述电流源在过电压事件期间允许ASK通信。

11.根据权利要求6所述的电路，其中所述电流源在去除所述过电压故障时防止系统损坏。

12.根据权利要求6所述的电路，其中可以同时激活所述电流源以增加所述保护的有效性。

13.一种无线接收电力的方法，包括：

操作具有多个晶体管的整流器以从接收线圈接收电力；以及

将所述多个晶体管中的一个或多个作为电流源进行控制。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括控制所述四个晶体管中的一个或多个以增加调制器的调制深度。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括控制所述四个晶体管中的一个或多个以提供调制器的正调制。

16.根据权利要求13所述的方法，其中控制所述多个晶体管中的一个或多个包括：控制所述多个晶体管中的所述一个或多个以提供过电压保护。

17.一种接收器电路，包括：

接收线圈，与电容串联耦合以形成第一节点和第二节点；

第一晶体管，耦合在所述第一节点与电力线之间；

第二晶体管，耦合在所述第二节点与所述电力线之间；

第三晶体管，耦合在所述第一节点与地之间。

第四晶体管，耦合在所述第二节点与地之间。

控制器，耦合以驱动所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极；以及

过电压保护电路，

其中在常规操作期间，所述控制器电路将所述第一晶体管和所述第四晶体管一起开关，并且将所述第二晶体管和所述第三晶体管一起开关，以接收至所述电力线的电力，并且

其中在过电压事件期间，所述过电压保护电路操作以导通所述第三晶体管和所述第四晶体管，并且断开所述第一晶体管和所述第二晶体管。

18.根据权利要求17所述的接收器电路，其中所述控制器包括比较器，用以驱动所述第一晶体管、所述第二晶体管、所述第三晶体管和所述第四晶体管的栅极。

19.根据权利要求17所述的接收器电路，其中所述过电压保护电路包括可编程电流源，所述可编程电流源在过电压事件期间控制通过所述第三晶体管和所述第四晶体管的电流。

20.根据权利要求19所述的接收器电路，其中所述可编程电流源能够在正常操作期间控制通过所述第三晶体管和所述第四晶体管的电流。

21.根据权利要求20所述的接收器，还包括：调制器，其中所述电流被控制以提供调制深度。