CN111245107B

CN111245107B - 无线电力传送系统中利用线圈电流感测的增强型异物检测

Info

Publication number: CN111245107B
Application number: CN201911152699.2A
Authority: CN
Inventors: 古斯塔沃·詹姆斯·梅哈斯; 阿米特·D·巴维斯; 尼古拉斯·韦恩·史密斯
Original assignee: Integrated Device Technology Inc
Current assignee: Renesas Electronics America Inc
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2024-03-19
Anticipated expiration: 2039-11-21
Also published as: CN111245107A; KR20200064934A; EP4213342A1; KR102401891B1; KR20210136954A; KR102326188B1

Abstract

本文描述的实施例提供基于线圈电流感测的异物检测。与基于发射器输入电流的常规计算相结合或者作为其替代，直接基于线圈电流来计算发射器电力损耗。精度提高的计算机电力损耗可以用于在无线电力传送期间更准确地检测发射器线圈附近的异物。

Description

无线电力传送系统中利用线圈电流感测的增强型异物检测

相关申请的交叉引用

本申请要求分别于2019年9月27日和2019年5月3日提交的共同未决且共同拥有的美国非临时申请号16/586,212和16/403,419的优先权，它们又要求分别于2018年11月28日和2019年3月21日提交的共同未决且共同拥有的美国临时申请号62/772,592和62/821,899的权益。

本申请要求分别于2018年11月28日和2019年3月21日提交的共同未决且共同拥有的美国临时申请号62/772,592和62/821,899的优先权。

上述申请都通过引用由此明确地整体并入本文中。

技术领域

本发明的实施例涉及无线电力传送，并且更具体地涉及无线电力传送系统中利用线圈电流感测的增强型异物检测。

背景技术

根据一些实施例，无线电力传送(WPT)、无线电力传输、无线能量传输(WET)或电磁电力传送是在没有电线作为物理链路的情况下的电能传输。在无线电力传输系统中，由来自电源的电力所驱动的发射器设备产生随时间变化的电磁场或磁场，该电磁场或磁场将电力传输穿过空间而到达接收器设备，该接收器设备从该场中提取电力并将其供给到电负载。无线电力传送可用于为互连电线不方便、有危险或者不可能的电气设备供电。发射器电路通常设在集成电路(IC)芯片上。传统上而言，由于发射器IC芯片的充电功率、电路面积和异物检测能力的限制，包括一个发射器IC芯片的无线电力发射器一次只能用于给一个无线电力接收设备充电。因此，如果要同时为一个以上的无线设备充电，通常会使用多个无线充电器。多个无线充电器的获取成本可能会相当高。

另外，对于这样的系统而言，异物检测(FOD)一直都是问题所在。在发射器与接收器之间的无线电力传送期间的任何时间都可能会出现异物。异物的存在不仅会影响无线电力传送的效率，而且异物还可能会经受过度的加热，这可能会变得相当危险。特别地，用户往往希望能以高功率水平在充电面板上的较大X-Y放置区域上对他们的电话进行充电和较快速地对他们的电话进行充电。需要在高功率水平下更灵敏的异物检测(FOD)方案，这是因为异物可能会限于特定的功率吸收(通常约为500mW)，而不管接收器采用的是1W还是更高的功率水平。因此，在较高的功率水平下，信噪比(SNR)可能会下降，因而需要更灵敏的FOD方案。

因此，需要开发一种通过准确而高效的FOD机制为多个无线设备提供高功率无线电力传送的方式。

发明内容

考虑到在为多个无线设备进行高功率充电时所存在的FOD问题，本文描述的实施例提供了一种基于在无线电力发射设备处的线圈电流感测来进行异物检测的方法。具体地，该方法包括：经由无线电力发射设备处的线圈电流感测电路来确定与通过第一发射器线圈的第一线圈电流相对应的线圈电流值。该方法还包括：经由无线电力发射设备处的控制器，基于线圈电流值来计算发射器电力损耗。该方法还包括：在从无线电力发射设备到无线电力接收设备的无线电力传送期间，当所计算的发射器电力损耗的变化满足阈值条件时，确定在第一发射器线圈附近存在异物。

本文描述的实施例还提供了一种基于线圈电流感测进行异物检测的无线电力发射设备。该无线电力发射设备包括发射器线圈、耦合到发射器线圈的线圈电流感测电路以及控制器。控制器被配置为经由线圈电流感测电路确定与通过第一发射器线圈的第一线圈电流相对应的线圈电流值，基于线圈电流值来计算发射器电力损耗，并且在从无线电力发射设备到无线电力接收设备的无线电力传送期间，当所计算的发射器电力损耗的变化满足阈值条件时，确定在第一发射器线圈附近存在异物。

下面，参照以下附图讨论这些及其他实施例。

附图说明

图1示出了根据一些实施例的被配置为进行多线圈发射器的线圈电流感测的示例无线电力传输系统。

图2A提供了根据实施例的示例图，其示出了异物对图1所示的无线电力传送系统的电力损耗的影响。

图2B提供了根据实施例的示例图，其示出了友好金属加热与接收器位置对电力损耗计算的影响。

图2C提供了根据实施例的示例图，其示出了Z方向上的距离对发射器线圈电流的影响。

图3提供了根据本文描述的实施例的线圈电流感测电路的示例示意性电路图。

图4A提供了根据本文描述的实施例的自动选择电路的示例示意性电路图，该自动选择电路在多线圈发射器中选择线圈进行监测。

图4B提供了进一步示出选择电路的示例示意性电路图，该选择电路在多线圈发射器中选择经由MOSFET采样进行电流感测的线圈，并且，图4C提供了根据本文描述实施例的示例波形。

图5提供了根据本文描述的实施例的示例示意性电路图，其示出了类似于图4中的多线圈发射器，但却具有用于ADC测量的二极管方法。

图6A提供了示例数据图，其示出了基于至ADC的峰值检测器电压来计算发射器线圈RMS电流的曲线拟合方程。

图6B提供了示例示意性电路图，其示出了实现将感测的线圈电流转换为线圈电流RMS值的电路。

图7A提供了根据本文描述的实施例的示例逻辑流程图，其示出了使用线圈电流感测来检测异物的示例过程。

图7B提供了示例逻辑流程图，其示出了操作图6B中所示的电路来将感测的线圈电流转换为线圈电流RMS值。

图7C提供了根据本文描述的实施例的简化逻辑流程图，其示出了基于系统的操作频率来计算RMS值的示例过程750。

图8A至图8B提供了根据本文描述的实施例的示例图，其示出了无线电力发射器的充电平面的增大的X-Y有效区域。

图9A至图9B分别示出了快速充电电流分布和快速充电的示例充电窗口。

图10A至图10D提供了用于多设备充电的多线圈发射器的不同示例。

下面进一步讨论本发明的实施例的这些和其他方面。

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是显而易见的是，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旨在是说明性的，而非限制性的。本领域的技术人员可以实现虽然在此没有进行具体描述但却落在本公开的范围和精神内的其他元素。

本描述示出了本发明的各方面，并且实施例不应被认为是限制性的，而是由权利要求限定受保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求的精神和范围的情况下，可以作出各种改变。在一些情况下，为了不使本发明变得晦涩难懂，没有详细示出或描述公知的结构和技术。

图1示出了根据一些实施例的被配置为进行多线圈发射器的线圈电流感测的示例无线电力传输系统100。如图1所示，电力发射器TX 102耦合到提供电力以驱动TX 102的电源112。Tx 102的控制器107被配置为生成通过一个或多个发射器线圈106a、106b的交流电(AC)，其中每个发射器线圈产生随时间变化的磁场。由发射器线圈106a和106b(在本文中统称为发射器线圈106)产生的每个随时间变化的磁场分别在接收器线圈108a和108b中感应出相应的电流。接收器线圈108a或108b(在本文中统称为接收器线圈108)分别耦合到相应的电力接收器RX 104a或104b(在本文中统称为接收器104)，每个电力接收器接收所发射的无线电力。整流器电路110a或110b(在本文中统称为整流器110)分别位于接收设备104a或104b内，其被配置为接收并整流在接收器线圈108a或108b处接收的无线电力，然后继而提供用于电池充电的输出电压。

因此，接收器RX 104a和104b中的每一个都耦合到负载114a或114b，例如电池充电器，其被配置为用接收到的电力对电池进行充电。这样，负载114a和114b可以同时用从Tx102传送的无线电力充电。或者替代地，在多个发射器线圈106a和106b的情况下，发射设备102可以具有较大的有效充电区域，并且可以更自由地将接收设备放置在充电区域上以进行充电。

在一个实施例中，Tx控制器107可以设在单个IC芯片上。为了使Tx102一次为一个以上的设备充电，控制器107被配置为提供高达至少20W的高电力传送，对安全的高电力无线传送的认证。另外，当一个以上的接收设备104a和104b被放置在Tx 102附近时，控制器107被配置为经由线圈电流感测来提供异物检测(FOD)，并且为多个接收设备提供增大的X-Y放置能力。

如图1进一步所示，当异物124被放置在发射器线圈106a-b或接收器线圈108a-b附近时，异物124可能对发射设备102与接收设备104a-b之间的电力传输造成干扰。例如，图2A提供了根据实施例的示例图，其示出了异物对图1所示的无线电力传送系统100的电力损耗的影响。根据实施例，当在无线电力传送期间金属物体124被放置在发射器线圈附近时，发射设备102会出现电力损耗P_LOSS，其被计算为来自发射器线圈的发射电力P_PT与在接收器线圈处接收的接收电力P_PR之间的差。如果P_LOSS较大，则存在异物问题。

为了计算传送期间的电力损耗P_LOSS，发射设备102计算输入电力P_IN和发射器电力损耗P_PTLoss，并且接收设备104例如通过将接收电力分组(RPP)135发送给发射设备102来向发射设备102告知接收电力P_PR。具体地，根据无线充电联盟(WPC)标准的现有系统通常通过以下方程来计算从发射设备102输出的电力P_PT：

P_PT＝Vin(或VBRG)×Iin-P_PTLoss

其中，Vin和Iin分别表示发射设备102处的输入电压(VBRG是被施加到Tx DC到AC转换器以产生Tx磁场的电桥电压)和输入电流，并且TX_LosSES表示发射设备102内的电力损耗，例如，在发射器线圈和产生Tx磁场所需的电气组件处所消耗的电力。当在接收设备114处时，通过以下方程计算在接收设备104处接收的电力P_PR：

P_PR＝Vrect×Iout+P_PRLoss

其中，Vrect表示接收设备104处的整流器电路110处的电压，Iout表示来自接收设备104的输出充电电流，而P_PRLoss表示接收设备104内的电力损耗。然后，P_PR经由RPP 135被传送到发射设备102。因此，为了将常规WPC计算用于FOD电力损耗，测量平均输入电流Iin和平均输入电压Vin，然后例如通过外推计算Tx_LOSSES。

然而，发射器电力损耗的外推不如直接测量那么好。可以将集成电路(IC)设计为直接测量发射器线圈电流。所测量的发射器线圈电流(RMS或峰值电流)和相对于Tx线圈电压的相位提供了发射器线圈损耗的指标，该发射器线圈损耗通常是发射设备102中电力损耗的主要来源。将这种发射器线圈电流测量的构思更新到现有IC可能是有难度且成本高昂的。

图2B至图2C提供了根据本文描述的一些实施例的示例数据图，其示出了发射设备102与接收设备104之间的对准对电力损耗和线圈电流的影响。发射器线圈电流可以随(接收设备104的)接收器线圈108的位置发生变化。例如，如数据图202所示，在接收设备的X-Y位置发生变化时(例如，当接收设备在发射器充电板的X-Y平面上移动时)，发射器电力损耗(由发射器线圈电流PTx_coil_IRMS反映)可能变化高达四倍。如数据图204所示，在发射器线圈的Z位置(例如，垂直于充电面板的方向)相对于接收器线圈改变时，发射器线圈电流可以从2.6A变为接近5A。

本文描述的实施例向具有模数转换器(ADC)的IC提供线圈电流感测电路。线圈感测电路125a-b可以放置在发射设备102内部，以测量线圈106a-b的线圈电流。或者替代地，线圈感测电路125a-b可以放置在发射设备102的IC外部，并且通信地耦合到线圈106a-b。具体地，线圈电流感测电路被配置为测量线圈处的峰值线圈电流值和谐振频率。然后，控制器107计算线圈电流的均方根，用于发射器线圈106a-b处的电力损耗计算。这样，直接基于线圈电流计算的发射器电力损耗(而非基于发射器输入电流的常规计算)可以提供精度提高的电力损耗变化。因此，所计算的电力损耗可以用于更准确地检测在无线电力传送期间发射器线圈附近的异物。提高的电力损耗计算精度消除了或降低了线圈的X-Y位置对FOD的影响，从而提高了充电放置的X-Y自由度。

图3提供了根据本文描述的实施例的线圈电流感测电路(类似于图1中的125a-b)的示例示意性电路图300。在一个实施例中，线圈感测电路耦合到发射器线圈106，该发射器线圈106进一步耦合到谐振电容器144(未示出)。线圈感测电路获得测量(如，电感器交流电阻(ACR)、MOSFET漏极源极导通电阻(RDSON)(即，MOSFET的漏极与源极之间的总电阻)、传感器电阻等)，然后测量电感线圈、MOSFET、传感器等上的电压，以监测通过Tx线圈106的线圈电流。

在一个实施例中，可以基于电感器电流感测来进行针对发射器线圈106的电感器电流感测：L/ACR＝R×C，使得发射器线圈106的等效集总元件交流电阻器(ACR)上的电压等于并联电阻器-电容器(RC)滤波器的电容器组件上的电压。L表示线圈106的电感，R表示并联RC电路中的电阻器(例如，参见R215)的电阻，而C表示并联RC电路中的电容器(例如，参见C170)的电容。因此，对由电容器C170和电阻器R215构成的并联电阻器-电容器RC电路中电容器C170上的电压(在节点146处)进行采样。在RC电路的节点146处的测量电压指示通过Tx线圈106的线圈电流。

在一个实施例中，可以测量低侧MOSFET RDSON，或者可以使用感测电阻器(这可能会增加额外的组件成本和电力损耗)来测量线圈电流，例如，通过测量低侧MOSFET Q6(如图300中圆圈148所示)上的电压(在节点147处)除以MOSFET RDSON，或者感测电阻器上的电压除以感测电阻。可以使用OPAMP(图4中的127所示)来帮助这些测量，这是因为该测量可能比ACR感测低4倍。

图4A提供了根据本文描述的实施例的自动选择电路的示例示意性电路图400，该自动选择电路在多线圈发射器中选择线圈以进行监测。当发射器具有一个以上的线圈时(例如，图1所示的发射器线圈106a-b)，MOSFET 117和118用于控制将要测量哪个线圈。例如，MOSFET 117和118分别耦合到发射器线圈106a或106b，并且各自都连接到专用门控信号(gate signal)，该专用门控信号使MOSFET 117或118导通或截止以自动地选择监测哪个线圈。因此，仅当相应的门控信号为正时，MOSFET 117或118才成为活动路径，并且激励相应的线圈106a或106b。当MOSFET 117或118处于活动状态时，分别测量节点i AC1或i AC2处的电压以例如通过除以MOSFET 117或118的MOSFET RDSON指示耦合到MOSFET 117或118的相应线圈的电流。

在一些实施例中，将并联RC电路(例如，类似于图3中所示的c170和R215)放置成与发射器线圈106a或106b并联，使得MOFSET 117或118可以经由并联RC感测对节点146a或146处的电压进行采样。并联RC电路的采样电压分别指示通过Tx线圈106a或106b的线圈电流。

出于说明的目的，图400示出了两个线圈106a-b和两个MOSFET 117-118，其用于自动选择待测量的线圈。发射器中可以使用多个线圈(例如，两个以上)。每个发射器线圈(例如，两个以上)都耦合到具有针对相应线圈的电流感测电路的采样MOSFET，使得采样MOSFET可以用于对电流感测电路中的电压进行采样，其指示通过相应发射器线圈的线圈电流。

图400还包括在将来自线圈106a或106b的信号馈送给模数转换器(ADC)之前对其进行放大的OPAMP 127，该模数转换器将模拟电流或电压转换为到处理器(例如，图1中的控制器)的数字测量。以这种方式，OPAMP 127提供了提高的信噪比(SNR)和附加的信号缓冲。

图400还示出了在131处耦合到OPAMP 127的输出的二极管D30，其可以用作峰值检测器的一部分来检测峰值电压。在一些示例中，当二极管D30处的输入电压高于C229处的电压时，二极管D30在正“半周期”内将电容器C229(在132处)充电至二极管D30的输入电压的峰值。当二极管D30处的输入电压降至被存储在电容器C229上的“峰值”电压以下时，二极管D30被反向偏置，从而阻止电流从电容器C229流回到二极管D30的输入端。即使二极管D30的输入电压降至零，电容器C229仍保持峰值电压值。因此，可以通过测量由二极管D30和电容器C229保持的峰值电压来测量峰值线圈电流ICOIL_Peak。

还对谐振频率F_Resonant进行测量(例如，经由Q测量技术)，以将峰值电流ICOIL_PEAK转换为线圈电流的均方根ICOIL_RMS。然后使用ICOIL_RMS来计算线圈电力损耗。例如，可以经由以下方程来计算ICOIL_RMS：

ICOIL_RMS＝a×ICOIL_ADC²-b×ICOIL_ADC+c

其中，ICOIL_ADC表示被馈送到模数转换器(ADC)的峰值电流，并且可以通过回归发射器线圈RMS电流和到ADC的峰值检测器电压的数据样本来得到参数a、b和c。例如，图6A提供了示例数据图600，其示出了基于到ADC的峰值检测器电压来计算发射器线圈RMS电流的曲线拟合方程。在本示例中，可以将ICOIL_RMS计算为：206.45x²-8.1418x+0.9689，其中，x表示到ADC的峰值检测器电压。替代地，如图6B所示的电路610可以用于将感测的线圈电流转换成RMS值。

在一些实施例中，由于通过发射器线圈106的电流是交流电流，因此可以经由开关网络的每个半桥来检测峰值线圈电流和(所得的ICOIL_RMS)。例如，当开关网络的第一半桥导通时，可以感测第一峰值线圈电流(并相应地计算第一ICOIL_RMS)，并且当开关网络的另一半桥导通时，可以感测第二峰值线圈电流(并相应地计算第二ICOIL_RMS)。然后，可以计算线圈电流的RMS，作为第一ICOIL_RMS和第二ICOIL_RMS的平均值。在一些实施例中，当由于死区时间(dead time)(例如，线圈电流从最低负值过渡到最高正值的时间)而导致开关网络不能针对每个半桥有50％的时间导通时，可以实施第一ICOIL_RMS和第二ICOIL_RMS的加权平均，其中权重分别反映线圈电流处于负峰值或正峰值的时间部分。

在一些实施例中，可以基于来自接收器电路的反馈通过校准无线发射器来调整死区时间，如在2019年4月1日提交的美国申请号16/371,887中进一步描述的，该申请通过引用的方式在此明确地整体并入本文中。

图4B提供了根据本文描述的实施例的进一步示出了选择电路的示例示意性电路图，该选择电路在多线圈发射器中经由MOSFET采样来选择用于电流感测的线圈。具体地，每个发射器线圈106a或106b由唯一的驱动器电压LG1_DRV 411或LG2_DRV 412驱动。例如，当LG2_DRV 412导通时，采样MOSFET电阻器Q8被置位。如图4C所示，波形426示出了在LG2_DRV(在波形420处)导通之后Q6导通，并且在导通非重叠时间之后，Q6的门控电压(在波形422处示出)上升至5V。因此，采样MOSFET Q8在导通非重叠时间之后导通(在波形428处示出)。导通非重叠时间归因于采样MOSFET栅极驱动电阻，其确保了采样的节点处于接地。然后，由于栅极驱动电阻和功率MOSFET栅极电阻的二极管短路(这减缓了其截止)，在LG2_DRV截止之前采样MOSFET Q8截止。这样，在公共LX节点开始高升之前采样MOSFET Q8截止，因此由采样MOFSET Q8对电流信号进行干净地采样，避免了LX节点上的开关噪声。

图5提供了根据本文描述的实施例的示例示意性电路图500，其示出了类似于图4中的多线圈发射器，但却具有用于ADC测量的二极管方法。由以相反方向并联连接的两个二极管组成的二极管限制器133用于在电压或电流信号被发送给ADC之前调节该电压或电流信号。

图6A提供了示例数据图600，其示出了基于到ADC的峰值检测器电压来计算发射器线圈RMS电流的曲线拟合方程。

图6B提供了示例示意性电路图，其示出了实现将感测的线圈电流转换为线圈电流RMS值的电路。具体而言，对于交流电流，线圈电流的RMS值等于将在线圈处产生相同平均功耗的直流电流的值。因此，线圈电流RMS值用于计算线圈电力损耗。通过对146处的电压电平进行采样而感测的线圈电流(例如，如结合图3所讨论的)被发送给电路610，以转换为线圈电流RMS值。具体地，电路610包括被配置为对输入电压信号进行放大的缓冲器或放大器216。然后，将放大的电压信号发送给乘法器，以计算放大的电压信号的平方值。例如，乘法器220可以是在其两个输入端处接收放大的电压信号并生成与两个输入信号的乘积(即，放大的电压信号的平方)成比例的输出信号的吉尔伯特乘法器。乘法器输出信号然后被发送给平均滤波器225，该平均滤波器225被配置为一次取输入(例如，放大器电压信号的平方)的多个样本，并取输入样本的平均来生成平均输出信号。然后，将所生成的平均输出信号传递给平方根生成器227，该平方根生成器227被配置为计算平均输出信号的平方根。这样，当表示瞬时线圈电流水平(可以是或不是峰值线圈电流水平)的在146处的感测电压电平被不断地馈送给电路610时，可以在平方根生成器227的输出处生成线圈电流的RMS值。

在电路610中，放大器216、乘法器220和平均滤波器225可以是被配置为处理模拟输入信号(例如，来自146的采样电压电平信号)的模拟设备。在一些实施例中，可以经由结合图3至图5讨论的任何电流感测电路来提供替代电压采样，例如但不限于RDSON感测、电阻器感测或电流感测变压器等。平方根生成器227可以生成模拟输出或者将输出量化为数字输出。在电路610中使用模拟前端，减少了对昂贵的ADC以及后续的数字滤波的使用。因此，电路610可以提供成本更低的解决方案。另外，由于模拟设备产生较高的带宽，设备216、220和225的模拟前端提供了准确的数据测量。电路610可以消除对处理器从I_Coil_PEAK(和其他状态变量)得出IRMS的需求。

图7A提供了根据本文描述的实施例的简化的逻辑流程图，其示出了使用线圈电流感测来检测异物的示例过程700。在步骤701处，经由峰值检测器(例如，经由峰值检测器二极管131)测量通过发射器线圈的线圈峰值电流值。如结合图3至图5所讨论的，可以通过在并联RC电路(例如，参见146)处对电压进行MOSFET采样，通过测量MOSFET RDSON等来感测线圈电流。然后，将所测量的线圈峰值电流馈送到发射器的控制器107和ADC。在步骤703处，控制器107基于例如如图6所示的曲线拟合方程来计算RMS线圈电流。在步骤705处，基于RMS线圈电流来计算发射器电力损耗，例如，P_PTLoss＝ICOIL_RMS²×R_coil。在步骤707处，控制器107被配置为计算并监测发射设备与接收设备之间的传输电力损耗。结合图2A描述了发射器电力损耗与由发射器线圈附近的异物引起的电力损耗之间的关系，例如，传输损耗P_LOSS＝Vin×Iin-P_PTLoss-P_PR，其中P_PR是经由RPP传送135获得的。在步骤709处，当传输电力损耗的变化大于阈值时，控制器107被配置为在步骤711中确定异物在附近。否则，过程700返回到步骤701，其中，发射器继续通过步骤701至707测量线圈电流并监测电力损耗变化。

图7B提供了示例逻辑流程图，其示出了操作图6B中所示的电路来将感测的线圈电流转换为线圈电流RMS值。过程720开始于步骤721，在步骤721处，例如，经由RC感测、MOFSETRDSON等对电压电平进行采样，来感测通过发射器线圈的线圈电流值(可以或可以不包含峰值)。在步骤723处，将指示线圈电流水平的感测的电压信号传递到放大器(例如，模拟放大器216)。在步骤725处，将放大信号发送给乘法器(例如，吉尔伯特乘法器220)，该乘法器产生与放大信号的平方成比例的输出信号。在步骤727处，在平均滤波器(例如，模拟平均滤波器225)处对相乘后的信号(例如，放大信号的平方)进行平均。在步骤731处，生成平均后的信号的平方根(例如，在平方根生成器227处)，其指示线圈电流的RMS值。

图7C提供了根据本文描述的实施例的简化逻辑流程图，其示出了基于系统的操作频率来计算IRMS的示例过程750。在步骤751处，经由峰值检测器(例如，经由图3至图5中描述的线圈电流感测电路)测量通过发射器线圈的线圈峰值电流值。在步骤753处，确定系统的脉冲宽度调制(PWM)的操作频率。例如，对于给定固有频率为约56kHz(可以在操作期间对其进行重新测量)的系统，由于PWM中断了LRC储能器(tank)的固有波，因此，可以根据操作频率应用近似因子将峰值电流转换为IRMS电流。在步骤755处，如果PWM频率为200KHz，则将因子乘以峰值线圈电流，以获得RMS值。在步骤758处，如果PWM频率为56KHz，则应用因子在步骤756处，如果PWM频率处于56KHz与200KHz之间(例如，在100KHz处)，则可以在步骤762处经由查找表或拟合曲线来确定转换因子。然后，在步骤764处，将所确定的转换因子用于根据峰值电流计算IRMS。例如，查找表存储峰值电流、测量窗口期间系统的固有频率和测量窗口期间驱动系统的PWM频率，以及基于因子统计性地、实验性地或经验性地确定对应的转换因子。类似地，可以通过内插关于系统的PWM频率的经验数据和对应的转换因子来决定拟合曲线。在一些实施例中，由于电话是可移动的，因此，在测量窗口期间固有频率可能发生改变。因此，可以使用固有频率和PWM操作频率的长期平均值。

图3至图5中描述的线圈电流感测电路提供了以提高的精度计算的发射器电力损耗，这进而提供了所计算的传输电力损耗的精度。如图8A和图8B所示，通过提高传输电力损耗的精度，可以在无线电力传送期间提高FOD的准确度，由此增大充电平面的X-Y有效区域。如图8A所示，充电区域可以增加约2倍，而发射器的发热(发射器的电力损耗)可以增加约1.5倍。例如，如图8B所示，有效区域的直径可以从16mm增大到25mm，同时提高了FOD的X-Y自由度。

图9A示出了快速充电器“相对电流”分布，而图9B示出了示例充电窗口。由于AP下载、电话充电期间的设备使用，因此无线电力充电会产生噪声，并且热量疏导增加了噪声分布。使用本文所述的线圈电流感测的FOD使用长窗口来实现低噪声。具体地，将多个测量一起平均，这可以在不影响电力传送的情况下极大地提高SNR。

在Q因子FOD(QFOD)中，可以测量并存储电路的Q因子，例如，在时域中作为发射器线圈自谐振的衰减率，或者在频域中作为峰值频率与系统带宽的比率。可以将测量的Q因子值与从接收设备接收的参考Q因子值进行比较，来确定是否检测到异物。然而，QFOD中通常采用短测量窗口，而这会导致较大的噪声。短测量窗口仅产生少许的数据点(例如，10到12个数据点)，这对噪声是极其敏感的。低SNR会使结果出现误差。此外，例如对于Q因子测量，运行QFOD可能经常中断电力传送。因此，与使用QFOD相比，使用本文所述的线圈电流感测的FOD可以带来更出色的性能。

图10B至图10D提供了用于多设备充电的多线圈发射器的不同示例。每个无线电力充电器1005可以类似于图1中的无线发射器102。如图10B中的图1002所示，无线充电器1005被配置为向两个设备104a和104b提供电力传送。具体而言，单个Tx控制器芯片可以被配置为驱动多个线圈来将电力传送给多个设备104a和104b。如图10C中的图1003所示，无线充电器1005可以配备有多个线圈1007，这些线圈放置在每个充电区域的不同位置和/或取向上。无线充电器1005还包括X-Y位置传感器，用于识别被放置在充电区域处的设备104a或104b的位置，以便传送无线电力。这样，无线充电器1005向设备104a或104b提供空间自由度，并且能够对各种不同类型的设备进行充电。如图1004所示，无线充电器1005可以配备有不同充电板的混合体，例如，具有X-Y位置传感器的充电板，或者针对诸如平板计算机或手表等特定形状的设备而设计的充电板。不同的充电板可以由单个Tx控制器芯片驱动。图1004还示出了如下的实施例：另一个无线充电器1006可以经由有线连接或者可以无线地连接到无线充电器1005，使得可以在充电器1005和1006之间建立认证链路，充电设备104a-b可以通过该认证链路对充电设备104c进行认证。

无线充电器1005可以包括图3至图5中所示的线圈感测电路，并采用图7中讨论的线圈感测方法。这样，无线充电器1005在无线电力传送期间以提高的精度基于线圈电流来计算发射器电力损耗，以进行FOD。另外，例如如图1003和图1004所示的无线充电器1005，无线充电器1005较大的充电板包含多个线圈(例如，3个线圈等)，这允许更大的X-Y位置自由度，使得可以将充电设备104a放置在不同的位置(例如，根据充电器1005中的3个线圈的3个不同位置)以进行充电。

提供以上详细描述是为了说明本发明的特定实施例，并不旨在是限制性的。本发明范围内的多种变化和修改是可能的。在所附权利要求中对本发明进行阐述。

Claims

1.一种基于线圈电流感测进行异物检测的无线电力发射设备，包括：

第一发射器线圈；

耦合到所述第一发射器线圈的线圈电流感测电路，所述线圈电流感测电路包括峰值检测器，所述峰值检测器被配置为检测与通过所述第一发射器线圈的第一发射器电流相对应的线圈峰值电流值；

控制器，所述控制器被配置为：

经由所述无线电力发射设备处的所述线圈电流感测电路，根据均方根RMS线圈电流值与所述线圈峰值电流值之间的多项式关系，基于所述线圈峰值电流值来确定所述RMS线圈电流值，其中，所述多项式关系将所述RMS线圈电流值计算为所述线圈峰值电流值的多项式函数；

基于所述RMS线圈电流值来计算发射器电力损耗；

在从所述无线电力发射设备到无线电力接收设备的无线电力传送期间，当所计算的发射器电力损耗的变化满足阈值条件时，确定在所述第一发射器线圈附近存在异物，以及

转换器电路，所述转换器电路被配置为通过以下步骤将所检测的线圈峰值电流值转换为线圈电流的均方根值：

基于固有频率和脉冲宽度调制的操作频率的输入，来确定转换因子；并且

将所述转换因子与所检测的线圈峰值电流值相乘以获得所述均方根值，其中，所述转换因子是基于查找表或根据经验数据的拟合曲线来确定的。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述RMS线圈电流值与所述线圈峰值电流值之间的多项式关系是通过基于线圈电流的均方根值和所述线圈电流的峰值的先前获得的数据样本的多项式回归而获得的。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线圈电流感测电路还被配置为：

测量所述第一发射器线圈上的电压；并且

其中，所述控制器还被配置为通过将所测量的电压除以所述第一发射器线圈的电感器交流电阻来确定所述线圈峰值电流值。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线圈电流感测电路还被配置为测量所述无线电力发射设备处开关电路中的MOSFET上的电压；并且其中，所述控制器还被配置为通过将所测量的电压除以所述MOSFET的漏极与源极之间的电阻来确定所述线圈峰值电流值。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线圈电流感测电路被配置为测量耦合到所述第一发射器线圈的感测电阻器上的电压；并且其中，所述控制器还被配置为通过将所测量的电压除以所述感测电阻器的电阻来确定所述线圈峰值电流值。

6.根据权利要求1所述的设备，还包括：

运算放大器，所述运算放大器被配置为对指示线圈电流水平的信号进行放大；

其中，所述峰值检测器被配置为检测具有增大的信噪比的放大后的信号，并且

将所述放大后的信号发送给模数转换器。

7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述线圈电流感测电路还被配置为：

通过在所述线圈电流感测电路处使用直流阻断电容器来保持电压以由所述峰值检测器来进行测量。

8.根据权利要求1所述的设备，还包括：

第二发射器线圈；以及

选择电路，所述选择电路被配置为根据是所述第一发射器线圈还是所述第二发射器线圈被激励来选择监测所述第一发射器线圈或所述第二发射器线圈的线圈电流。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述选择电路包括耦合到所述第一发射器线圈的第一晶体管和耦合到所述第二发射器线圈的第二晶体管，并且其中，所述控制器被配置为：

将第一门控信号配置为在所述第一发射器线圈被激励时激活耦合到所述第一发射器线圈的第一晶体管以通过所述线圈电流；并且

测量所述第一晶体管的漏极和源极上的电压。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述转换器电路包括：

放大器，用于放大表示所检测的线圈峰值电流值的信号；

乘法器，用于将放大后的线圈电流与所述放大后的线圈电流相乘，以生成所述放大后的线圈电流的平方；

平均滤波器，用于生成一段时间内所述放大后的线圈峰值电流值的平方的平均；以及

平方根生成器，用于通过取一段时间内所述放大后的线圈电流的平方的平均的平方根来生成所述线圈电流的所述均方根值。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述放大器、所述乘法器或所述平均滤波器是模拟设备，在所述放大器、所述乘法器或所述平均滤波器处产生高带宽处理。

12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述平方根生成器是数字设备或模拟设备，在所述平方根生成器处产生低带宽处理。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，当所述操作频率为200KHz时，所述转换因子为三的平方根，或者当所述操作频率为56KHz时，所述转换因子为二的平方根。

14.根据权利要求1所述的设备，还包括：

第一半桥，所述第一半桥被配置为在所述第一半桥导通时测量第一线圈电流值；

第二半桥，所述第二半桥被配置为在所述第二半桥导通时测量第二线圈电流值；并且

其中，所述控制器被配置为计算所述第一线圈电流值和所述第二线圈电流的加权平均，权重分别反映所述第一线圈电流值或所述第二线圈电流值处于负峰值或正峰值的时间部分。