CN111464200A - 半-半桥脉宽调制低功率磁性安全传输系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及半‑半桥脉宽调制低功率磁性安全传输系统。根据一些实施例，提供了一种磁性安全传输(MST)驱动器。MST驱动器包括：全桥切换电路，包括耦合至第一节点的第一半桥和耦合至第二节点的第二半桥；以及控制电路，被耦合以根据MST输入数据驱动第一半桥以及根据高频脉宽调制(PWM)信号驱动第二半桥。

Description

半-半桥脉宽调制低功率磁性安全传输系统
相关申请的交叉参考
本申请要求于2019年1月3日提交的共同未决且共同拥有的美国临时申请第62/788,001号的权益，其通过引用全部明确纳入本文。
本申请与于2018年7月5日提交的共同未决且共同拥有的美国非临时申请第16/028,207号有关，该申请又要求于2017年7月7日提交的共同拥有的美国临时申请第62/529,728号的权益。
上述申请书全部通过引用明确并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及磁性安全传输(MST)技术，并且具体地，涉及使用半-半桥脉宽调制(PWM)来提供MST通信的驱动器电路。
背景技术
移动设备(例如，智能手机、平板电脑、可穿戴设备和其他设备)越来越多地配备有磁性安全传输(MST)通信系统。MST系统可包括无线功率传输系统或与无线功率传输系统结合。MST使用MST线圈以在发射器和接收器之间无线通信。例如，接收器可以是通过MST通信接收数据以影响支付的销售点(POS)系统。
然而，驱动MST线圈的功耗在发射设备处会非常大。当发射设备是便携式设备(诸如手机或PDA)时，MST通信的高功耗会影响设备的电池续航时间。此外，传统的MST技术使用线圈电阻来限制线圈电流，使得由于需要较大的MST线圈而导致线圈处的高功率损耗和高成本。
因此，需要开发一种功率和成本高效的MST系统。
发明内容
鉴于对功率和成本高效MST系统的需要，本文的实施例提供了一种磁性安全传输(MST)驱动器电路。MST驱动器电路包括第一半桥部件、耦合至第一半桥部件以形成全桥部件的第二半桥部件、以及控制电路。控制电路被耦合以根据MST输入信号驱动第一半桥部件以及根据脉宽调制(PWM)信号驱动第二半桥部件。
本文描述的实施例进一步提供了一种用于操作MST驱动器电路的方法。该方法包括：经由控制电路，根据MST输入信号驱动第一半桥部件。该方法还包括：经由控制电路，根据PWM信号驱动耦合至第一半桥部件以形成全桥部件的第二半桥部件。
下面将参照以下附图讨论这些和其他实施例。
附图说明
图1A示出了根据本文所述实施例的传统MST拓扑，以及图1B示出了用于示出传统MST拓扑的操作的各种信号形式。
图2A示出了根据本文所述实施例的全桥脉宽调制(PWM)拓扑，以及图2B示出了PWMMST拓扑的操作的各种信号形式。
图3A示出了根据本文所述实施例的半-半桥MST拓扑，以及图3B示出了MST拓扑的操作的各种信号形式。
图4是示出根据本文所述一些实施例的图3A所示MST拓扑的操作的示例逻辑流程图。
下面进一步讨论这些附图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述描述本发明的一些实施例的具体细节。然后，应该明白，本领域技术人员可以在不具有这些具体细节的一些或所有的情况下实践一些实施例。尽管本文没有具体描述，但本领域技术人员可意识到其他元件也包括在本公开的范围和精神内。
本说明书示出了发明方面和实施例不应视为限定所保护发明的权利要求。在不背离本说明书和权利要求的情况下，可以进行各种改变。在一些情况下，没有详细示出或描述已知结构和技术，从而不模糊本发明。
根据本发明的一些实施例，提供了一种MST驱动器电路，包括晶体管的第一半桥和晶体管的第二半桥。具体地，两个半桥由不同的切换信号控制，例如，一个半桥由用于PWM控制的高频PWM信号(例如，～2MZ)控制，而另一半桥由处于MST频率(例如，500Hz至3KHz)的MST输入信号控制。流过MST线圈的线圈电流根据MST输入信号的较低频率切换方向。可以通过在PWM控制下的较高频率处进行切换的另一半桥来控制线圈电流的幅度、转换速率(slewrate of transition)。通过使用PWM信号改进了功率效率，因为不需要限制消耗高功率(～8W)的MST线圈电阻的传统电流。此外，可以控制线圈电流，以节电斜率从高变为低或者从低变为高，从而降低MST线圈处的功耗。以这种方式，进一步改进了MST驱动器电路的功率效率。
此外，MST设备中的无线充电联盟(WPC)线圈可被用作MST线圈，例如，单个线圈可用于MST通信或无线功率传送。以这种方式，降低了提供MST通信的成本，而不需要针对专用MST线圈产生额外的硬件花费。
图1A示出了根据本文所述实施例的传统MST拓扑，以及图1B示出了传统MST拓扑的操作的各种信号形式。如图1A所示，MST线圈104耦合至驱动器电路102并且由驱动器电路102驱动。驱动器电路102包括全波切换电路106，全波切换电路106包括由MST控制器108控制的晶体管开关Q1、Q2、Q3和Q4。例如，图1B示出了在传输第一位和第二位时的各种信号。这些信号包括：来自电池IBATT的输入电流，以波形111示出；MST0和MST1处的输入信号，以波形112示出；分别与晶体管开关Q1、Q2、Q3和Q4相对应的晶体管栅极电压VGS1、VGS2、VGS3和VGS4，以波形114和123示出；通过晶体管开关的电流IQ1、IQ2、IQ3和IQ4，以波形115和116示出；以及通过线圈104的电流，以波形120示出。
例如，如图1B所示，晶体管开关Q1和Q4通过波形114所示的栅极电压控制，以及晶体管Q2和Q3通过波形123所示的相同栅极电压的反相版本来控制。因为，当晶体管开关Q1和Q4接通时，并且晶体管开关Q2和Q3断开，电流通过MST线圈104从AC1流向AC2。当晶体管开关Q2和Q3接通并且晶体管开关Q1和Q4断开时，则电流在从AC2到AC1的相反方向上通过MST线圈104。以这种方式，如波形120所示，流过MST线圈104的电流改变方向。
从而，可以通过经由控制晶体管开关Q1-Q4的栅极电压切换MST线圈104中的电流来传输数据。
MST线圈104的线圈电阻用于限制电池电流IBATT(以波形111示出)。MST线圈电流ICOIL通常是电池电压BATT的函数。为了保持MST性能，MST系统通常被设计用于低电池操作电压，使得电池具有更多的成本和更大的功耗。例如，在电池电压BATT为3.5V且MST线圈104的电阻为1.5Ω的情况下，功耗为3.5V*3.5V/1.5Ohm＝8.2W。
当电池电压增加时(例如，4.35V)，通常在线圈104处经历不必要的功率损失，这降低了电池操作时间并生成更多热量，尤其是用于诸如智能手表的可佩戴设备时。例如，电池电压增加到4.35V电池电压将导致12.6W的功率损失。
电池电流通常与通过MST线圈104的峰值电流相同。这些电流等级会在MST数据传输期间给电池施压，并且甚至会在峰值电流过高时引起电池故障。
图2A示出了根据本文所述实施例的全桥脉宽调制(PWM)拓扑200，以及图2B示出了PWM MST拓扑的操作的各种信号形式。如图2A所示，MST拓扑200包括驱动器电路202，其可以是控制器集成电路，包括全桥切换电路206，全桥切换电路206包括晶体管开关Q1、Q2、Q3和Q4。晶体管开关Q1、Q2、Q3和Q4由耦合至高频振荡器210和MST控制器212的驱动控制电路208所控制。MST控制器212接收MST输入信号MST0和MST1。
高频振荡器210与控制电路208一起被配置为以比图1A-图1B使用的驱动信号(参见波形114和123)更高的频率(例如，1-2MHz)驱动全桥切换电路(包括晶体管开关Q1-Q4)。MST频率约为500Hz至3KHz，并且引入PWM和/或相移控制以在宽电池电压范围(2V至4.5V)内调节线圈电流。可以通过调节PWM信号来实现低功率MST操作，因为不需要功率消耗电流限制线圈电阻。
例如，图2B示出了施加于晶体管开关Q1、Q2、Q3和Q4的栅极的、以波形301和302示出的高频栅极电压。类似于图1A所示的晶体管开关Q1-Q4，栅极电压(以波形301示出)被施加于晶体管开关Q1和Q4，并且相同栅极电压的反相版本(以波形302示出)被施加于晶体管开关Q2和Q3。以这种方式，在线圈204处生成交流电流(以波形303示出)。从而，使用全桥拓扑，晶体管开关Q1和Q4以及晶体管开关Q2和Q3均在高频下切换。可以在2018年7月5日提交的共同未决且共同拥有的美国非临时申请第16/028,207号中找到关于全桥PWM拓扑的附加细节，其全部内容通过引用并入本文。
MST拓扑200的优点在于，拓扑200仅使用一个线圈(无线功率线圈)，当提供无线充电和MST功能时，其可用作无线功率线圈或MST线圈，使得降低了线圈成本。此外，PWM和/或相移控制可用于将线圈电流精确控制为期望幅度以及转换速率，从而实现恒定的MST性能并节省电池功率。低阻MST线圈或无线功率接收器线圈可用于MST功能，使得在MST操作期间产生更低的功耗。
在图2A中，由于两个节点AC1和AC2处的电压根据高频PWM控制信号(以波形301-302示出)切换，使得在节点AC1和AC2处产生电磁干扰(EMI)。因此，在拓扑200中需要两个集合的EMI滤波器220和222，以分别降低节点AC1和AC2处的EMI。
图3A示出了根据本文所述实施例的半-半桥MST拓扑300，以及图3B示出了MST拓扑300的操作的各种信号形式。如图3A所示，拓扑300包括由驱动器电路302(其可以是集成电路芯片)驱动的线圈304。驱动器电路306包括控制电路302，其包括耦合至控制电路308的全桥切换电路306。高频振荡器310和磁性安全传输控制器312也耦合至控制电路308。控制电路308控制晶体管开关Q1、Q2、Q3和Q4的栅极。
根据一些实施例，包括晶体管开关Q1和Q3的一个半桥被MST输入信号控制，由此在MST频率(例如，500Hz至3KHz)下被切换。全桥切换电路306的另一半桥(包括晶体管开关Q2和Q4)被高频PWM信号控制，由此在更高频率(例如，2MHz)下被切换。高频振荡器310和控制电路308被耦合以生成高频PWM信号。
图3B示出了根据本发明的MST拓扑300中的各种电压/电流。如图所示，晶体管开关Q2被高频PWM信号(以波形322示出)控制，并且晶体管开关Q4被PWM信号的反相版本(以波形324示出)控制。晶体管开关Q1被MST输入信号(以波形321示出)控制，并且晶体管开关Q3被MST输入信号的反相版本(以波形323示出)控制。以这种方式，晶体管开关Q2和Q4的半桥在用于PWM控制的高频(例如，～2MHz)下切换。晶体管开关Q1、Q3的另一半桥在MST频率(500Hz至3KHz)下进行操作。
具体地，当MST输入信号为高时，晶体管开关Q1接通，并且晶体管开关Q3断开，节点AC1处的电压等于输入电压Vin。线圈电流从节点AC1流向节点AC2。当MST输入信号为低时，晶体管开关Q1断开且晶体管开关Q3接通，节点AC1处的电压为0。线圈电流从节点AC2流向AC1。因此，如波形325所示，经过线圈304的线圈电流交流变化。
由于节点AC2处的电压根据高频PWM信号切换并且节点AC1处的电压根据更低频率的MST输入信号来切换，所以仅在节点AC2处使用一个EMI滤波器314以降低EMI。由于节点AC1处相对较低的切换频率，在AC1节点处不需要EMI滤波器，由此EMI可以忽略。
晶体管开关Q2和Q4受PWM的控制。从而，在高频下对晶体管Q2和Q4进行PWM控制，使得节点AC2的电压可用于调节线圈电流幅度和转换速率。线圈电流可被控制以具有节电斜率(在图3B中以虚线330示出)，以进一步降低线圈304处的功耗。具体地，控制电路308被配置为调整施加于晶体管开关Q2和Q4的PWM信号的占空比，以重新配置线圈电流的幅度、转换速率或节电斜率。
从而，相对于图2A和图2B所示的全桥拓扑200，半-半拓扑300保持相同的功率和成本优势。例如，线圈304可用作MST线圈或无线功率传送线圈。当线圈304被用作功率传送线圈时，全桥切换电路306可用作无线功率传送的切换电路。此外，MST拓扑300仅使用一个EMI滤波器，进一步降低了电路成本。
图4是示出根据本文所述一些实施例的MST拓扑300的操作400的示例逻辑流程图。在步骤402中，在MST驱动器电路(例如，302)处接收输入电压Vin和MST输入信号。在步骤404中，经由振荡器(例如，310)生成高频PWM信号。步骤406和408可分别、同时、联合或顺序实施。在步骤406中，通过MST输入信号驱动晶体管开关Q1和Q3的半桥。在步骤408中，通过PWM信号驱动晶体管开关Q2和Q4的半桥。
在步骤410中，当MST输入信号为高时，在步骤414中生成从节点AC1到节点AC2的线圈电流。或者，当MST输入信号不是高时，在步骤412中生成从节点AC2到节点AC1的线圈电流。在步骤416中，在PWM控制下，通过节点AC2处的切换电压来调节线圈电流的幅度或转换速率。步骤402-416可以重复以操作MST拓扑300。
提供上面详细描述以示出本发明的具体实施例，并且不用于限制。包括在本发明范围内的各种变型和修改都是可能的。在以下权利要求中阐述本发明。

Claims (20)

1.一种磁性安全传输MST驱动器电路，包括：
第一半桥部件；
第二半桥部件，耦合至所述第一半桥部件，以形成全桥部件；
控制电路，被耦合为根据MST输入信号驱动所述第一半桥部件以及根据脉宽调制PWM信号驱动所述第二半桥部件。
2.根据权利要求1所述的MST驱动器电路，其中所述第一半桥部件包括第一晶体管开关以及经由第一连接节点耦合至所述第一晶体管开关的第二晶体管开关，并且
其中所述控制电路被配置为向所述第一晶体管开关的第一栅极施加所述MST输入信号，并且向所述第二晶体管开关的第二栅极施加所述MST输入信号的反相版本。
3.根据权利要求2所述的MST驱动器电路，其中所述第二半桥部件包括第三晶体管开关以及经由第二连接节点耦合至所述第三晶体管开关的第四晶体管开关，并且
其中所述控制电路被配置为向所述第三晶体管开关的第三栅极施加所述PWM信号，并且向所述第四晶体管开关的第四栅极施加所述PWM信号的反相版本。
4.根据权利要求3所述的MST驱动器电路，还包括：
高频振荡器，耦合至所述控制电路，被配置为提供频率高于所述MST输入信号的所述PWM信号。
5.根据权利要求3所述的MST驱动器电路，其中所述第一连接节点经由线圈耦合至所述第二连接节点。
6.根据权利要求5所述的MST驱动器电路，其中所述线圈被操作为MST线圈或无线功率传送线圈。
7.根据权利要求6所述的MST驱动器电路，其中所述全桥部件被配置为：将所述线圈用作所述无线功率传送线圈以操作为无线功率收发器。
8.根据权利要求5所述的MST驱动器电路，其中当所述MST输入信号为高时，所述线圈具有从所述第一连接节点流向所述第二连接节点的第一电流，以及当所述MST输入信号为低时，所述线圈具有从所述第二连接节点流向所述第一连接节点的第二电流。
9.根据权利要求8所述的MST驱动器电路，其中所述第二半桥部件被配置为根据所述PWM信号控制流过所述线圈的所述第一电流或所述第二电流的幅度、转换速率、或者节电斜率。
10.根据权利要求9所述的MST驱动器电路，其中被控制的所述幅度、被控制的所述转换速率、或者被控制的所述节电斜率可通过所述控制电路重新配置。
11.一种用于操作磁性安全传输MST驱动器电路的方法，包括：
经由控制电路，根据MST输入信号驱动第一半桥部件；以及
经由所述控制电路，根据脉宽调制PWM信号驱动第二半桥部件，所述第二半桥部件耦合至所述第一半桥部件，以形成全桥部件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一半桥部件包括第一晶体管开关以及经由第一连接节点耦合至所述第一晶体管开关的第二晶体管开关，并且所述方法包括：
向所述第一晶体管开关的第一栅极施加所述MST输入信号，并且向所述第二晶体管开关的第二栅极施加所述MST输入信号的反相版本。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二半桥部件包括第三晶体管开关以及经由第二连接节点耦合至所述第三晶体管开关的第四晶体管开关，并且所述方法包括：
向所述第三晶体管开关的第三栅极施加所述PWM信号，并且向所述第四晶体管开关的第四栅极施加所述PWM信号的反相版本。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
经由耦合至所述控制电路的高频振荡器，提供频率高于所述MST输入信号的所述PWM信号。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括：
经由线圈在所述第一连接节点和所述第二连接节点之间传送电流。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
将所述线圈操作为MST线圈或无线功率传送线圈。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将所述线圈用作所述无线功率传送线圈，以将所述全桥部件操作为无线功率收发器。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括：
当所述MST输入信号为高时，经由所述线圈，传送从所述第一连接节点流向所述第二连接节点的第一电流；以及
当所述MST输入信号为低时，经由所述线圈，传送从所述第二连接节点流向所述第一连接节点的第二电流。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
根据所述PWM信号，经由所述第二半桥部件，控制流过所述线圈的所述第一电流或所述第二电流的幅度、转换速率、或者节电斜率。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
通过所述控制电路，重新配置被控制的所述幅度、被控制的所述转换速率、或者被控制的所述节电斜率。
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