CN111010047A - 高效率功率转换设备和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率转换技术领域，尤其涉及一种高效率功率转换设备和控制方法，该高效率功率转换设备包括：配置成将交流电压转换成直流电压的整流器，其中交流电压由配置成磁耦合到无线电力传输系统的发射器线圈的接收器线圈生成；连接到整流器的高效率功率转换器，高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级；以及配置成检测多个工作参数并生成施加到第一级的控制回路的控制信号的控制器。通过上述方式，本发明能够提高功率转换设备的效率。

Description

高效率功率转换设备和控制方法
技术领域
本发明涉及功率转换器和应用于功率转换器的控制方法，并且在特定实施例中，涉及应用于无线电力传输系统的接收器中的高效率功率转换器的各种输出电压控制方法。
背景技术
随着技术进一步发展，无线电力传输作为用于为诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器和/或类似装置的基于电池的移动装置供电或充电的高效且便利的机制出现。无线电力传输系统通常包括初级侧发射器和次级侧接收器。初级侧发射器通过磁耦合而磁耦合到次级侧接收器。磁耦合可松散耦合的变压器实现，该松散耦合的变压器实现具有在初级侧发射器中形成的初级侧线圈和在次级侧接收器中形成的次级侧线圈。
初级侧发射器可包括诸如功率转换器的初级侧的功率转换单元。功率转换单元耦合到电源，并且能够将电功率转换成无线功率信号。次级侧接收器能够通过松散耦合的变压器接收无线功率信号，并将接收的无线功率信号转换成适合于负载的电功率。
随着无线电力传输系统的功率变得越来越高，可能需要在发射器和接收器之间实现高效率无线电力传输。更特别地，在各种输入和输出状况(例如，接收器的不同负载电流和/或不同额定输入电压)下实现高效率无线电力传输已经变成是显著问题，它对无线电力传输系统的系统设计带来挑战。
亟需一种具有在各种输入和输出状况下展现出诸如高效率的良好行为的高性能功率接收器。
发明内容
通过本发明的较佳实施例提供的在无线电力传输系统的接收器中的高效率功率转换器，上述问题和其它问题通常可得到解决或规避，并且通常实现了技术优势。
根据一个实施例，一种设备包括：配置成将交流电压转换成直流电压的整流器，其中交流电压由配置成磁耦合到无线电力传输系统的发射器线圈的接收器线圈生成；连接到整流器的高效率功率转换器，高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级；以及配置成检测多个工作参数并生成施加到第一级的控制回路的控制信号的控制器。
根据另一个实施例，一种方法包括：检测高效率功率转换器的多个工作参数，其中高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级；基于所述多个工作参数生成控制信号；以及通过对第一级的反馈回路施加控制信号来控制第一级的输出电压。
根据又一个实施例，一种系统包括：配置成磁耦合到发射器线圈的接收器线圈；连接到接收器线圈的整流器；连接在整流器和电池之间的高效率转换器，其中高效率转换器包括级联连接的第一级和第二级；以及配置成检测多个工作参数并生成施加到第一级的控制回路的控制信号的控制器。
本发明的实施例的优点是无线电力传输系统的接收器中的高效率功率转换器。应用于高效率功率转换器的各种输出电压控制方法帮助无线电力传输系统在各种输入和输出状况下实现高效率。
上文相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本发明的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点，它们形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更全面地了解本发明及其优点，现在将下述说明与附图一并提出，其中：
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图；
图2示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的框图；
图3示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第一实现的示意图；
图4示出根据本发明的各种实施例在第一级的输出电压和PWM信号的占空比之间的关系；
图5示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第二实现的示意图；
图6示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第三实现的示意图；
图7示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第四实现的示意图；
图8示出根据本发明的各种实施例对图3中示出的第一级应用第一级控制机制的流程图；
图9示出根据本发明的各种实施例对图6中示出的第一级应用第一级控制机制的流程图；以及
图10示出根据本发明的各种实施例对图7中示出的第一级应用第一级控制机制的流程图。
除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号一般指对应部分。绘制附图是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，它们不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细论述目前较佳的实施例的制作和使用。但是，应明白，本发明提供可在各种各样的特定情境中实施的许多适用的发明概念。论述的特定实施例只是说明制作和使用本发明的特定方式，而不是限制本发明的范围。
将在特定情境(即，应用于高效率功率转换器以便增加无线电力传输系统的效率和性能的各种控制方法)中关于较佳实施例描述本发明。但是，本发明也可应用于各种电力系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图。无线电力传输系统100包括级联连接在输入电源102和负载114之间的功率转换器104和无线电力传输装置101。在一些实施例中，采用功率转换器104以便进一步提高无线电力传输系统100的性能。在另一些实施例中，功率转换器104是可选元件。换句话说，无线电力传输装置101可直接连接到输入电源102。
无线电力传输装置101包括功率发射器110和功率接收器120。如图1所示，功率发射器110包括级联连接的发射器电路107和发射器线圈L1。发射器电路107的输入端耦合到功率转换器104的输出端。功率接收器120包括级联连接的接收器线圈L2、谐振电容Cs、整流器112和高效率功率转换器113。如图1所示，谐振电容Cs与接收器线圈L2串联连接，并且进一步连接到整流器112的输入端。整流器112的输出端连接到高效率功率转换器113的输入端。高效率功率转换器113的输出端耦合到负载114。
当将功率接收器120放置在功率发射器110附近时，功率发射器110通过磁场磁耦合到功率接收器120。通过作为功率发射器110的一部分的发射器线圈L1和作为功率接收器120的一部分的接收器线圈L2形成松散耦合的变压器115。因此，可将电功率从功率发射器110传输到功率接收器120。
在一些实施例中，功率发射器110可位于充电板内。发射器线圈L1放置在充电板的上表面下方。功率接收器120可嵌入在移动电话内。当将移动电话放置在充电板附近时，可在发射器线圈L1和接收器线圈L2之间建立磁耦合。换句话说，发射器线圈L1和接收器线圈L2可形成松散耦合的变压器，通过该变压器，在功率发射器110和功率接收器120之间进行功率传输。通过耦合系数k来量化发射器线圈L1和接收器线圈L2之间的耦合的强度。在一些实施例中，k在从约0.05到约0.9的范围中。
在一些实施例中，在发射器线圈L1和接收器线圈L2之间建立磁耦合之后，功率发射器110和功率接收器120可形成电力系统，通过该电力系统，将电力从输入电源102无线传输到负载114。
输入电源102可以是用于将公用线路电压转换成直流(dc)电压的电源适配器。在另一些实施例中，输入电源102可以是诸如太阳能电池板阵列的可再生能源。此外，输入电源102可以是任何合适的能量储存装置，比如，可充电电池、燃料电池、其任意组合和/或类似装置。
负载114表示由耦合到功率接收器120的移动装置(例如，移动电话)消耗的功率。在另一些实施例中，负载114可以指串联/并联连接并且耦合到功率接收器120的输出端的一个和/或多个可充电电池。此外，负载114可以是诸如电池充电器的下游功率转换器。
根据一些实施例，发射器电路107可包括全桥转换器的初级侧开关。在另一些实施例中，发射器电路107可包括诸如半桥转换器、推挽式转换器、其任意组合和/或类似装置的任何其它合适的功率转换器的初级侧开关。
应注意，上文描述的功率转换器只是示例。本领域技术人员将意识到，取决于设计需要和不同应用，可在另一些实施例中使用诸如基于E类拓扑的功率转换器(例如，E类放大器)的其它合适的功率转换器。
发射器电路107还可包括谐振电容(未示出)。谐振电容和发射器线圈的磁电感可形成谐振回路。取决于设计需要和不同应用，谐振回路还可包括谐振电感。在一些实施例中，谐振电感可作为外部电感实现。在另一些实施例中，谐振电感可作为连接导线实现。
功率接收器120包括接收器线圈L2，在将功率接收器120放置到功率发射器110附近之后，接收器线圈L2磁耦合到发射器线圈L1。因此，可将电力传输到接收器线圈，并通过整流器112进一步递送到负载114。功率接收器120可包括如图1所示的次级谐振电容Cs。在本说明书通篇中，次级谐振电容Cs可在另一些实施例中称为接收器谐振电容。
整流器112将从接收器线圈L2的输出端接收的交变极性波形转换成单极性波形。在一些实施例中，整流器112包括全波二极管桥和输出电容。在另一些实施例中，可以用由诸如n-型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的开关元件形成的全波桥来取代全波二极管桥。
此外，整流器112可由其它类型的可控器件形成，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极结型晶体管(BJT)器件、超结晶体管(SJT)器件、绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。整流器112的详细操作和结构在本领域中众所周知，因此这里不再论述。
高效率功率转换器113耦合在整流器112和负载114之间。高效率功率转换器113是非隔离式功率转换器。高效率功率转换器113包括级联连接的第一功率级和第二功率级。第一功率级配置成以不同模式操作以便对负载114(例如，图3中示出的可充电电池)有效充电。第二功率级配置成分压器或隔离开关。下文将结合图2对高效率功率转换器113的框图进行描述。下文将结合图3-10对应用于高效率功率转换器113的控制机制进行描述。
在一些实施例中，高效率功率转换器113的输入电压在从约9V到约22V的范围中。高效率功率转换器113的第一级的输出电压在从约5V到约10V的范围中。高效率功率转换器113的第二级的输出电压等于高效率功率转换器113的第一级的输出电压的一半。
具有高效率功率转换器113的一个有利特征是，可在整流器112的输出端实现较高的输出电压(例如，22V)。此类较高的输出电压有助于降低流过接收器线圈L2的电流，从而提高功率接收器120的效率。例如，与接收器的常规实现相比，具有高效率功率转换器113的接收器的效率可提高至少7％。
图2示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的框图。在一些实施例中，高效率功率转换器113包括级联连接的第一级202和第二级204。如图2所示，第一级202的输入端连接到整流器112的输出端。第二级204的输入端连接到第一级202的输出端。第二级204的输出端连接到负载114。
接收器还包括脉宽调制(PWM)控制器200。如图2所示，PWM控制器200包括多个功能单元。在一些实施例中，PWM控制器200包括PWM发生器212、传感器214和控制器216。传感器214配置成检测接收器的多个工作参数。如图2所示，传感器214可配置成接收Vss(第二级204的输出电压)、Iss(流过第二级204的电流)和Tss(第二级204的温度)。基于检测的信号Vss、Iss和Tss，控制器216确定第一级202的输出电压的期望值并将第一级202的输出电压调节至该期望值。
为了将第一级202的输出电压调节至由控制器216确定的期望值，PWM发生器212生成一个控制信号或多个控制信号。可通过合适的控制电路将控制信号或所述多个控制信号施加到第一级202，从而将第一级202的输出电压调整至由控制器216确定的期望值。由于第一级202的输出电压动态可调，所以第一级202充当可调控功率调节器。下文将结合图3-5对PWM控制器200的详细示意图和工作原理进行描述。
应注意，选择在之前示例中使用的这三个工作参数(Vss、Iss和Tss)纯粹是为了示范的目的，而不是要将本发明的各种实施例局限于任何特定工作参数。
在一些实施例中，第一级202作为降压型功率转换器(又称为降压转换器)实现。降压型转换器配置成取决于不同的工作状况和设计需要以电压模式或电流模式操作。下文将结合图3对降压型转换器的详细结构进行描述。
在另一些实施例中，第一级202可作为四开关降压-升压功率转换器实现。四开关降压-升压功率转换器配置成取决于不同的工作状况和设计需要以降压转换器模式或升压转换器模式操作。基于不同的应用需要，降压-升压转换器可配置成以三种不同的操作模式(即，降压模式、升压模式和直通模式)操作。
此外，第一级202可作为混合功率转换器实现。混合功率转换器具有与第二级204(这里未示出，但在图3中示出)的结构类似的结构。混合转换器可在三种不同的操作模式(即，混合模式、电荷泵模式和降压模式)中操作。当采用混合转换器作为第一级202时，该混合转换器可只在电荷泵模式或降压模式中操作。
在混合模式中，混合转换器分四个不同的阶段操作。在每个阶段中，取决于输入电压VRECT、电荷泵电容CCP两端的电压和输出电压VOUT的不同组合，流过输出电感LO的电流可斜升或斜降。在混合模式中，可将混合转换器的电压调节至预定电压。
在降压模式中，混合转换器分两个不同的阶段操作。两个开关总是接通。因此，电荷泵电容CCP短路，并且不是降压模式的操作的一部分。在每个阶段中，取决于输入电压VRECT和输出电压VOUT的不同组合，流过输出电感LO的电流可斜升或斜降。
在一些实施例中，第二级204作为电荷泵功率转换器实现。电荷泵功率转换器配置成高效率分压器。下文将结合图3对电荷泵功率转换器的详细结构进行描述。在另一些实施例中，第二级204作为隔离开关实现。隔离开关由两个背对背连接的功率开关实现。
图3示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第一实现的示意图。功率接收器120包括接收器线圈L2、接收器谐振电容Cs、整流器112和高效率功率转换器113。如图3所示，接收器谐振电容Cs、整流器112和高效率功率转换器113级联连接在接收器线圈L2和负载114之间。在一些实施例中，负载114是可充电电池。在本描述通篇中，负载114可在另一些实施例中称为电池。
在一些实施例中，整流器112作为全波整流器实现。整流器112包括四个开关元件，即MR1、MR2、MR3和MR4。如图3所示，开关元件MR1和MR3串联连接在整流器112的输出端和地之间。同样地，开关元件MR2和MR4串联连接在整流器112的输出端和地之间。如图3所示，开关元件MR1和MR3的共同节点AC1通过接收器谐振电容Cs耦合到接收器线圈L2的第一输入端。开关元件MR2和MR4的共同节点AC2耦合到接收器线圈L2的第二输入端。
根据一些实施例，开关元件MR1、MR2、MR3和MR4作为MOSFET或并联连接的MOSFET、其任意组合和/或类似组件实现。根据备选实施例，开关元件(例如，开关MR1)可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件。在另一些实施例中，初级开关可以是任何可控开关，诸如集成门极换流晶闸管(IGCT)器件、门极关断晶闸管(GTO)器件、可控硅整流器(SCR)器件、结栅场效应晶体管(JFET)器件、MOS控制晶闸管(MCT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。
应注意，尽管本描述通篇中的示例基于全波整流器(例如，如图3所示的全波整流器112)，但是如图3所示的功率接收器120的实现可具有许多改变、备选和修改。例如，可在另一些实施例中采用半波整流器。
总之，本文中示出的全波整流器112只限于清楚地说明各种实施例的发明方面的目的。本发明不限于任何特定功率拓扑。
还应注意，尽管图3示出四个开关MR1-MR4，但是本发明的各种实施例可包括其它改变、修改和备选。例如，额外的开关元件可与全波整流器112的每个开关并联连接。额外的开关元件有助于提高整流器112的效率。
还应注意，图3中示出的整流器结构只是示例。本领域技术人员将意识到许多备选、改变和修改。例如，可以用四个二极管来取代这四个开关MR1、MR2、MR3和MR4。
整流器112的输出端连接到电容C1。电容C1充当整流器112的输出电容和高效率功率转换器113的输入电容。采用电容C1来衰减噪声并在整流器112的输出端提供稳定的输出电压。
如图3所示，高效率功率转换器113包括级联连接的第一级202和第二级204。在一些实施例中，第一级202是降压型功率转换器(又称为降压转换器)。第一级202包括第一开关MB1、第二开关MB2、电感Lo和输出电容C2。如图3所示，第一开关MB1和第二开关MB2串联连接在整流器112的输出端VRECT和地之间。电感Lo连接在第一开关MB1和第二开关MB2的共同节点与输出电容C2之间。在本描述通篇中，第一开关MB1在另一些实施例中称为第一级202的高压侧开关。第二开关MB2在另一些实施例中称为第一级202的低压侧开关。
在一些实施例中，第一开关MB1和第二开关MB2均作为如图3所示的n-型晶体管实现。第一开关MB1的栅极和第二开关MB2的栅极配置成接收由控制器(未示出)生成的栅极驱动信号。
应注意，图3中示出的第一级202只是示例，它不应过度限制权利要求书的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，第一开关MB1可作为p-型晶体管实现。
在操作中，第一级202充当用于对电池114充电的充电设备。更具体来说，在对电池114充电的过程期间，第一级202可配置成以电流控制模式操作，其中电流调节的分辨率等于或小于约400mA。此外，第一级202可配置成以电压控制模式操作，其中电压调节的分辨率等于或小于约40mV。
第二级204包括输入电容C3、第一开关M1、电容CCP、第二开关M2、第三开关M3、第四开关M4和输出电容C4。第一开关M1、电容CCP和第三开关M3串联连接在第一级202的输出端子VOUT和电池114之间。将第一开关M1和电容CCP的共同节点表示为如图3所示的CP+。同样地，将第三开关M3和电容CCP的共同节点表示为CP-。将第二开关M2和输出电容C4的共同节点表示为VBAT。如图3所示，第二开关M2连接在CP+和VBAT之间。第四开关M4连接在CP-和地之间。
在一些实施例中，第二级204充当电荷泵功率转换器。电荷泵功率转换器分两个不同的阶段操作。在电荷泵模式的第一阶段期间，接通开关M1和M3，并关断开关M2和M4。由于开关M1和M3接通，所以在VOUT和VBAT之间建立第一传导路径。第一传导路径由开关M1、电荷泵电容CCP和开关M3形成。电流通过第一传导路径从VOUT流到VBAT。在电荷泵模式的第一阶段期间，电荷泵电容CCP被充电，并且相应地将能量存储在电荷泵电容CCP中。
在电荷泵模式的第二阶段期间，关断开关M1和M3，并接通开关M2和M4。由于开关M2和M4接通，所以第二传导路径被建立。第二传导路径由开关M4、电荷泵电容CCP和开关M2形成。在电荷泵模式的第二阶段期间，电流对电荷泵电容CCP放电，并且存储在电荷泵电容CCP中的能量相应地减少。
在一些实施例中，输入电压VRECT在从约9V到约22V的范围中。第一级202的输出电压在从约5V到约10V的范围中。在一些实施例中，调节第二级204的输出电压被调节至约3.8V。电荷泵转换器充当分压器。更特别地，通过控制开关M1-M4的导通/断开时间，电荷泵功率转换器的输出电压VBAT等于电荷泵功率转换器的输入电压的一半。
图3还示出控制单元300。如图3所示，控制单元300包括控制器和PWM发生器。控制单元300配置成通过第一传感器301接收电流信号Iss，通过第二传感器302接收电压信号Vss，并通过第三传感器303接收温度信号Tss。在一些实施例中，第一传感器301可作为用于检测流过第二级204的电流的合适的电流传感器实现。电流传感器可以是连接在第二级204和负载104之间的电流感应电阻。在另一些实施例中，电流传感器可以是与连接在第二级204和负载114之间的负载开关并联连接的感应晶体管。
第二传感器302可作为用于检测第二级204的输出电压的合适的电压传感器实现。该电压传感器可以是连接在第二级204的输出端和地之间的分压器。第三传感器303可作为用于检测第二级204的温度的合适的温度传感器实现。第三传感器303可设置在第二级204的封装内。
在接收检测的信号Vss、Iss和Tss之后，控制器确定一个期望值，第一级202的输出电压可被调节至该期望值。PWM发生器生成用于调整第一级202的输出电压的PWM信号，以便调节输出电压至期望值。在一些实施例中，PWM发生器可作为数字控制器实现。基于合适的第一级输出电压控制算法或预定查找表，PWM发生器生成具有从约100Hz到约100kHz范围内的开关频率的PWM信号。PWM信号的占空比从0％到100％。PWM信号的接通时间在从约0毫秒到约10毫秒的范围中。在另一些实施例中，PWM发生器可由多个模拟电路形成。
在第一实现中，利用PWM信号的占空比作为调整第一级202的输出电压的控制变量。可通过调整PWM信号的占空比来动态地调整第一级202的输出电压。在第二实现中，利用PWM信号的频率作为调整第一级202的输出电压的控制变量。具体来说，使PWM信号的占空比保持相同。可通过调整PWM信号的频率来动态地调整第一级202的输出电压。
在第三实现中，利用PWM信号的导通时间作为调整第一级202的输出电压的控制变量。可通过调整PWM信号的导通时间来动态地调整第一级202的输出电压。在第四实现中，利用PWM信号的占空比、频率和导通时间的组合作为调整第一级202的输出电压的控制变量。可通过调整以上三个变量中的至少一个变量来动态地调整第一级202的输出电压。例如，可相继对PWM信号应用这三个变量的调整，以便提高无线电力传输系统的性能。
通过滤波器将PWM信号施加到第一级202的反馈电路。如图3所示，第一级202的反馈电路包括第一放大器A1和第二放大器A2。第一放大器A1的同相输入端配置成接收预定斜坡信号，如图3所示。第一放大器A1的反相输入端连接到第二放大器A2的输出端。第一放大器A1的输出端生成栅极驱动信号，将该栅极驱动信号馈送到驱动器310中。采用驱动器310的输出来分别驱动高压侧开关MB1和低压侧开关MB2。
第二放大器A2的同相输入端配置成通过由电阻R1和R2形成的分压器来接收第一级202的输出电压。第二放大器A2的反相输入端连接到预定参考电压。在一些实施例中，预定参考电压等于0.8V。第二放大器A2的同相输入端充当第一级202的反馈控制电路中的反馈节点。
如图3所示，滤波器设置在控制单元300的输出端和反馈节点之间。滤波器由电阻R4、R5和电容C4形成。采用滤波器来将PWM信号转换成直流信号。在反馈节点处将直流信号和第一级202的输出电压相加。应注意，第二放大器A2和电阻R1-R3形成加法放大器电路。电阻R1和R2-R3表示这两个输入信号的加权因子。
在一些实施例中，R1的值为240Khoms。R2的值为20Khoms。R3的值为51Khoms。R4的值为120Khoms。R5的值为43Khoms。C5是1μF电容。将明白，以上电阻和电容值只是示例，并且取决于不同应用和设计需要，它们可变成不同值。
在操作中，通过合适的算法或查找表(这里未示出，但在图4中示出)，控制器设置PWM信号的占空比的初始值。占空比的初始值决定第一级202的输出电压。例如，当占空比的初始值等于25％时，第一级202的输出电压等于8V。
在操作中，控制单元300检测接收器的多个工作参数。如图3所示，基于检测的工作参数，控制单元300的PWM发生器生成PWM信号。通过滤波器将该PWM信号转换成直流信号。通过加法放大器电路将直流信号加到第一级202的反馈电路中。添加到反馈电路中的直流信号可用于调整施加到第一级202的栅极驱动信号，从而相应地调整第一级202的输出电压。
在一些实施例中，当检测的温度(Tss)大于预定温度阈值时，增加PWM信号的占空比。响应于PWM信号的占空比增加，第一级202的输出电压相应地减小。第一级202的输出电压减小有助于减小第二级204中的功率损耗，从而减少第二级204中生成的热量。热量减少可降低第二级204的工作温度，从而提高无线电力传输系统的可靠性。
在一些实施例中，当检测的流过第二级204的电流(Iss)大于预定电流阈值时，增加PWM信号的占空比。响应于PWM信号的占空比增加，第一级202的输出电压相应地减小。第一级202的输出电压减小有助于减小流过第二级204的电流。
具有图3中示出的控制方法(将PWM信号注入到第一级202的反馈控制电路中)的一个有利特征是，可基于检测的工作参数动态地调整第一级202的输出电压。
图4示出根据本发明的各种实施例在第一级的输出电压和PWM信号的占空比之间的关系。图4的垂直轴表示第一级202的输出电压。图4的水平轴表示由图3中示出的PWM发生器生成的PWM信号的占空比。
图4中示出的输出电压和占空比关系充当查找表，PWM发生器能够通过该查找表为特定输出电压生成合适的占空比。例如，当PWM信号的占空比为约30％时，第一级202的输出电压被调节至约8V。在一些实施例中，PWM信号的频率为4kHz。占空比的范围从0％一直到100％。在一些实施例中，占空比的分辨率为0.4％。在该分辨率(0.4％)下，第一级202的输出端的电压调节分辨率为20mV。
图5示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第二实现的示意图。图5中示出的接收器与图3中示出的接收器类似，不同之处在于，通过加法器502将由PWM发生器生成的PWM信号注入到第一级202的反馈控制电路中。如图5所示，通过由电阻R4、R5和电容C4形成的滤波器将由PWM发生器生成的PWM信号转换成直流信号。加法器502具有反相输入端和同相输入端。如图5所示，同相输入端连接到预定参考电压。反相输入端连接到滤波器的输出端。将加法器502的输出馈送到第二放大器A2的反相输入端。
图6示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第三实现的示意图。图6中示出的接收器与图3中示出的接收器类似，不同之处在于，用VOUT控制器600取代控制单元300。如图6所示，VOUT控制器600基于检测的工作参数直接生成直流信号。具体来说，VOUT控制器600可包括数字-模拟转换器，在数字-模拟转换器中将PWM信号转换成直流信号。可通过加法放大器电路将该直流信号加到第一级202的反馈控制电路中。
从VOUT控制器600直接生成直流信号的一个有利特征是，图6中示出的系统配置不需要滤波器。因此，减少了接收器的成本。
图7示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的接收器的第四实现的示意图。图7中示出的接收器与图3中示出的接收器类似，不同之处在于，用功率管理总线(PMBus)控制器700取代图3中的PWM控制器。PMBus控制器700包括PMBus接口单元712、传感器714和控制器716。传感器714配置成接收电压信号Vss、电流信号Iss和温度信号Tss。采用控制器716来提供输出电压控制算法以便提高接收器的效率。
采用PMBus接口单元712来控制第一级202的操作。在一些实施例中，第一级202是由PMBus启用的功率转换器。PMBus接口单元712能够调整第一级202的输出电压。另外，PMBus接口单元712可在第一级202的接通过程或关断过程期间调整第一级202的输出电压的转换速率。此外，在调整第一级202的输出电压的过程期间，PMBus接口单元712能够调整输出电压的变化速率。
此外，基于检测的工作参数，PMBus接口单元712可调整第一级的开关频率。例如，当工作温度大于预定阈值时，PMBus接口单元712可减小第一级202的输出电压和开关频率。
具有PMBus接口单元的一个有利特征是，可通过PMBus接口单元动态地提高接收器的性能。
图8示出根据本发明的各种实施例用于对图3中示出的第一级应用第一级控制机制的流程图。图8中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求书的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图8中示出的各个步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
在步骤802，可采用合适的感应设备或多个感应装置来检测无线电力传输系统的接收器的多个工作参数。无线电力传输系统的接收器包括高效率功率转换器。高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级。检测的工作参数包括第二级的输出电压、第二级的输出电流和第二级的温度。通过控制器处理检测的信号。
在步骤804，基于检测的信号，PWM发生器生成PWM信号。通过滤波器将PWM信号馈送到第一级的控制回路的反馈节点中。采用滤波器将PWM信号转换成直流信号。在第一级的控制回路的反馈节点处将直流信号和第一级的输出电压信号相加。
在步骤806，第一级的控制回路生成用于控制无线电力传输系统的第一级的栅极驱动信号。更具体来说，当第二级的温度大于预定温度阈值时，控制电路可减小第一级的输出电压。同样地，当流过第二级的电流大于预定电流阈值时，控制电路可减小第一级的输出电压。
图9示出根据本发明的各种实施例用于对图6中示出的第一级应用第一级控制机制的流程图。图9中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求书的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图9中示出的各个步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
在步骤902，可采用合适的感应设备或多个感应装置来检测无线电力传输系统的接收器的多个工作参数。检测的工作参数包括第二级的输出电压、第二级的输出电流和第二级的温度。通过控制器处理检测的信号。
在步骤904，基于检测的信号，控制器通过数字-模拟转换器生成直流信号。将直流信号馈送到第一级的控制回路的反馈节点中。在第一级的控制回路的反馈节点处将直流信号和第一级的输出电压信号相加。
在步骤906，第一级的控制回路生成用于控制无线电力传输系统的第一级的栅极驱动信号。
图10示出根据本发明的各种实施例用于对图7中示出的第一级应用第一级控制机制的流程图。图10中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求书的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图10中示出的各个步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
在步骤1002，可采用合适的感应设备或多个感应装置来检测无线电力传输系统的接收器的多个工作参数。无线电力传输系统的接收器包括高效率功率转换器。高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级。检测的工作参数包括第二级的输出电压、第二级的输出电流和第二级的温度。通过控制器处理检测的信号。
在步骤1004，基于检测的信号，PMBus接口单元生成数字信号。
在步骤1006，第一级是由PMBus启用的功率调节器。将数字信号馈送到第一级的数字接口中。该数字信号能够调整第一级的输出电压。
尽管详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和更改。
此外，不希望本申请的范围局限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员将从本发明的公开内容容易地明白，根据本发明，可利用与本文中描述的对应实施例执行大体上相同的功能或实现大体上相同的结果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此，希望随附权利要求在它们的范围内包含此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
整流器，所述整流器配置成将交流电压转换成直流电压，其中所述交流电压由接收器线圈生成，所述接收器线圈配置成磁耦合到无线电力传输系统的发射器线圈；
高效率功率转换器，其连接到所述整流器，所述高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级；以及
控制器，其配置成检测多个工作参数并生成施加到所述第一级的控制回路的控制信号。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述第一级是降压型功率转换器；并且
所述第二级是电荷泵功率转换器。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述控制器包括控制电路，所述控制电路配置成检测所述多个工作参数并生成施加到所述第一级的所述控制回路的反馈节点的PWM信号。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，
将输出电压信号和所述PWM信号相加并馈送到所述第一级的所述控制回路的反馈节点中，并且其中所述输出电压信号与所述第一级的输出电压成比例。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述控制器包括控制电路，所述控制电路配置成检测所述多个工作参数并生成施加到所述第一级的所述控制回路的反馈节点的直流信号。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，
所述直流信号由数字-模拟转换器生成。
7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述控制器包括控制电路，所述控制电路配置成检测所述多个工作参数并生成通过功率管理总线接口施加到所述第一级的数字信号。
8.一种方法，其特征在于，包括：
检测高效率功率转换器的多个工作参数，其中所述高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级；
基于所述多个工作参数生成控制信号；以及
通过将所述控制信号施加到所述第一级的反馈回路来控制所述第一级的输出电压。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述第一级是包括高压侧开关和低压侧开关的降压型功率转换器，其中所述高压侧开关和所述低压侧开关的栅极驱动信号由所述第一级的所述反馈回路生成；并且
所述第二级是电荷泵转换器。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述高效率功率转换器配置成对连接到无线电力传输系统的接收器的电池充电，其中所述高效率功率转换器通过整流器连接到所述无线电力传输系统的接收器线圈。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过功率管理总线将所述控制信号施加到所述第一级。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在接通过程和关断过程期间通过所述控制信号和所述功率管理总线接口来调整输出电压转换速率。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述多个工作参数生成PWM信号；
通过滤波器将所述PWM信号转换成直流信号；以及
将所述直流信号施加到所述第一级的所述反馈回路。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述多个工作参数生成所述控制信号；
通过数字-模拟转换器将所述控制信号转换成直流信号；以及
将所述直流信号施加到所述第一级的所述反馈回路。
15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述第一级的所述反馈回路的反馈节点处将所述控制信号和所述第一级的输出电压信号相加。
16.如权利要求8所述的方法，还包括：
将所述第一级配置成以电流控制模式操作，其中将流过所述第一级的电流控制在预定电流范围内，并且其中所述预定电流范围具有小于400mA的电流分辨率；以及
将所述第一级配置成以电压控制模式操作，其中将所述第一级的输出端的电压控制在预定电压范围内，并且其中所述预定电压范围具有小于40mV的电压分辨率。
17.一种系统，其特征在于，包括：
接收器线圈，其配置成磁耦合到发射器线圈；
整流器，其连接到所述接收器线圈；
高效率转换器，其连接在所述整流器和电池之间，其中所述高效率转换器包括级联连接的第一级和第二级；以及
控制器，其配置成检测多个工作参数并生成施加到所述第一级的控制回路的控制信号。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，
在所述第一级的所述反馈回路的反馈节点处将所述控制信号和所述第一级的输出电压信号相加。
19.如权利要求17所述的系统，其特征在于，
所述第一级是降压型功率转换器；并且
所述第二级是电荷泵功率转换器。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于，
所述电荷泵功率转换器配置成分压器。
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