CN111600396B

CN111600396B - 无线电力反向信道通信

Info

Publication number: CN111600396B
Application number: CN202010103795.4A
Authority: CN
Inventors: D·B·玛特乔维斯基
Original assignee: Integrated Device Technology Inc
Current assignee: Renesas Electronics America Inc
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2023-09-19
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: US10700742B1; CN111600396A; KR20200102938A

Abstract

根据本发明的实施例，数据被调制用于传输相位调制。一种在无线电力发射器中发射数据的方法包括：发射无线电力信号；将待发射的数据编码为符号；确定表示符号的相移；以及利用相移对无线电力信号进行相位调制。一种在无线电力接收器中接收数据的方法包括：接收包括相位调制后的数据信号的无线电力信号；确定无线电力信号的每个周期的时段；提供无线电力信号的N‑1个周期上的滑动平均，其中N表示每个相位调制被提供在其中的无线电力信号的周期的数目；以及从滑动平均中解码数据。

Description

无线电力反向信道通信

技术领域

本发明的实施例涉及无线电力系统，并且具体地涉及无线电力传输系统中的反向信道通信。

背景技术

移动设备(例如，智能电话、平板计算机、可穿戴设备和其他设备)越来越多地使用无线电力充电系统。一般地，无线电力传送涉及发射器和接收器，发射器驱动发射线圈，接收器具有放置在发射线圈附近的接收器线圈。接收器线圈接收由发射线圈生成的无线电力并且使用所接收的电力来驱动负载，例如向电池充电器提供电力。

当前有在使用中的多种不同的标准用于电力的无线传送。用于电力的无线传输的更常见的标准包括无线电力联盟(A4WP)标准和无线充电联盟标准、Qi标准。在无线充电联盟、Qi规范之下，谐振感应耦合系统被用于在接收器线圈电路的谐振频率处对单个设备充电。在Qi标准中，接收设备线圈被放置为与发射线圈紧密邻近，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被放置在发射线圈附近。

典型地，无线电力系统包括发射器线圈和接收器线圈，发射器线圈被驱动以产生时变磁场，接收器线圈可以是相对于发射器线圈被定位以接收在时变磁场中传输的电力的设备(诸如蜂窝电话、PDA、计算机、或其他设备)的一部分。带内通信可以通过调制在发射器与接收器之间传输的无线电力信号来提供。然而，常规的带内数据通信是缓慢的。

因此，存在开发用于与无线电力系统一起使用的更好的通信技术的需求。

发明内容

根据本发明的实施例，数据被调制用于传输相位调制。根据一些实施例的无线电力发射器包括：发射线圈，其提供无线电力信号；驱动器，被耦合以向发射线圈提供AC电流以产生无线电力信号；以及调制器，耦合到驱动器以向无线电力信号提供相变调制以传输数据。根据一些实施例的无线电力接收器包括：接收线圈；开关整流器，被耦合以从接收线圈接收无线电力信号；以及解调器，耦合到开关整流器以接收无线电力信号，并且恢复通过相位调制在无线电力信号中提供的数据。

一种在无线电力发射器中发射数据的方法包括：发射无线电力信号；将待发射的数据编码为符号；确定表示符号的相移；以及利用相移对无线电力信号进行相位调制。一种在无线电力接收器中接收数据的方法包括：接收包括相位调制后的数据信号的无线电力信号；确定无线电力信号的每个周期的时段；提供无线电力信号的N-1个周期上的滑动平均，其中N表示每个相位调制被提供在其中的无线电力信号的周期的数目；以及从滑动平均中解码数据。

下文关于附图进一步论述这些和其他实施例。

附图说明

图1图示了无线电力传输系统。

图2A图示了根据本发明的一些实施例的无线电力发射器。

图2B图示了根据本发明的一些实施例的无线电力接收器。

图3图示了根据一些实施例的从无线电力发射器发射并且在无线电力接收器中接收的无线电力信号的调制。

图4图示了用于如图2A中图示的发射器的调制器的实施例。

图5图示了用于如图2B中图示的接收器的解调器的实施例。

这些附图在下面进一步详细论述。

具体实施方式

在以下描述中，具体细节被阐述以描述本发明的一些实施例。然而，对本领域的技术人员将明显的是，一些实施例可以没有这些具体细节中的一些或全部而被实践。本文中公开的具体实施例意在是说明性的而非限制性的。本领域的技术人员可以认识到尽管在此处没有具体描述但是在本公开的范围和精神内的其他元素。

说明了发明性方面和实施例的该描述和附图不应当被认为是限制，权利要求限定受保护的发明。不偏离该描述和权利要求的精神和范围，可以进行各种改变。在一些情况下，未示出或详细描述公知的结构和技术，以免使本发明模糊不清。

每当可行时，参考一个实施例详细描述的元素和它们的相关方面可以被包括在未具体示出或描述它们的其他实施例中。例如，如果元素参考一个实施例被详细描述而未参考第二实施例被描述，则然而该元素可以被要求保护为被包括在第二实施例中。

根据本发明的实施例的无线电力发射器使用相位调制用于向对应的无线电力接收器的数据的传输。使用相位调制技术，与常规的频移键控(FSK)调制相比，数据可以在更高的数据速率并且以功率传输中的更小变化而被传输。

图1图示了根据本发明的一些实施例的简化的无线电力系统100。系统100包括无线电力发射器102和无线电力接收器110。无线电力发射器102和无线电力接收器110被托管在单独的设备中，例如固定充电站和移动设备或者两个移动设备。无线电力发射器102可以是固定充电设备的一部分，而无线电力接收器110可以被包括在移动设备中。

如图1中图示的，可以提供包括发射器或接收器的设备。发射设备100包括无线电力发射器102和发射线圈106。接收器110包括无线电力接收器110和接收线圈108。然而，在一些实施例中，有用的是，设备能够取决于情况而发射无线电力和接收无线电力，并且因此将包括发射器102和接收器120两者。在一些实施例中，设备可以包括发射器和接收器两者，然而在给定情况下，一个设备正在发射电力并且另一设备正在接收电力。

如图1中图示的，无线电力发射器102被耦合以从电源104接收电力。无线电力发射器102驱动发射线圈106以产生在特定频率处的时变电磁场，该特定频率也称为开关频率。无线电力接收器110的接收器线圈108与由无线电力发射器102的发射线圈106生成的电磁场耦合，以接收在相同的特定频率处发射的无线电力。如图1中图示的，接收器线圈108耦合到无线电力接收器110，无线电力接收器110从接收器线圈108接收电力并且向负载112提供电力。无线电力发射器102可以被配置为在无线电力接收器110存在时生成时变电磁场，无线电力接收器110被配置为接收由无线电力发射器102发射的无线电力。无线电力发射器102和无线电力接收器110的元件可以在尺寸和形状上变化，以适应无线电力系统100的电力要求和物理位置。

如上文论述的，无线电力接收器110从时变电磁场中恢复电力，并且通常向包括无线电力接收器110和接收线圈108的设备的负载112提供DC电力输入。当设备邻近无线电力发射器102时，电力被传送。在一些情况下，负载112可以包括电池充电器，并且设备包括电池。

通过调制在发射线圈106与接收线圈108之间传输的无线电力信号，无线电力发射器102和无线电力接收器110还可以通过带内通信进行通信。如图1中图示的，发射器102包括通信设备122，并且无线电力接收器110包括通信设备124。带内通信通过调制无线电力信号本身来执行。

图2A图示了根据本发明的一些实施例的无线电力发射器102的示例。如图2A中图示的，无线电力发射器包括驱动器206，驱动器206被耦合以提供通过发射线圈106的交变电流。驱动器206例如可以是开关设备，其接收输入电压V_入并且向线圈106提供在特定频率f处的AC电流。频率f可以被调节到包括发射线圈106的储能电路的谐振频率。驱动器206耦合到控制器202，控制器202可以提供控制信号，这些控制信号设置用于驱动器206的操作的输出功率电平、频率、以及其他参数。

驱动器206还耦合到对无线电力信号进行调制的调制器204。调制器204被耦合以由控制器202驱动。因此，控制器202可以向调制器204提供数据，调制器204向驱动器206提供信号以调制无线电力信号，以通过由发射线圈106发出的调制后的无线电力信号来发射数据。驱动器206还耦合到解调器208，解调器208接收由接收器110在无线电力信号上提供的数据。

调制器204和解调器208耦合到控制器202。控制器202提供用于传输给调制器204的数据，并且从解调器208接收来自对应的接收器110的数据。控制器202可以是微控制器或其他基于处理器的设备，其执行指令以控制驱动器206，从解调器208接收数据，并且向调制器204提供数据以用于传输。控制器202可以耦合到接口(包括用户接口)以与包括发射器102的其他设备通信。

图2B图示了根据一些实施例的接收器110。如图2B中图示的，无线电力在整流器电路226中被接收，整流器电路226提供输出电压V_出。如图1中图示的，电压V_出可以提供给负载112。整流器电路226还耦合到调制器224和解调器228。解调器228接收由发射器102在无线电力信号上发射的数据。调制器224对无线电力信号进行调制，以将数据从接收器110传输到发射器102。控制器222(其可以是微控制器或其他基于处理器的设备)向调制器224提供数据，从解调器228接收数据，并且控制整流器226。

常规地，无线电力发射器使用频移键控(FSK)来传输数据，FSK通过对无线电力信号的频率进行移位来对数据进行编码。无线电力接收器通过对负载进行调制来传输数据，其提供振幅移位键控(ASK)调制。这些调制技术在用于无线电力传输的无线充电联盟(WPC)标准中概述。这些技术可以提供大约100位/秒的数据速率。因此，发送1千字节数据可能花费几分钟。例如，可能需要这样的数据量来执行认证过程。存在若干用于无线电力发射器与无线电力接收器之间的通信的潜在应用，其中的许多应用要求在该速率的一百倍或甚至一千倍之间的增大的数据速率以便被实施。

提供更高数据速率的一种可能的解决方案是使用带外通信信道，诸如近场通信(NFE)、低能量蓝牙(BLE)、或其他通信技术。然而，这些技术具有它们自己的限制，并且由于它们需要附加的天线线圈和支持电路系统，因此增加了无线电力发射器和接收器的成本。另一种方法是减少FSK调制状态的持续时间，这减少了频移被应用的周期的数目。然而，这样的方法要求频移的幅度、调制深度更大以便可靠地检测移位。该方法的缺点是，它在所传输的电力中引起更大的功率波动，这归因于需要该更深的调制电平。此外，所得到的通信速度增加具有大约四(4)的因子，这不足以满足当前的需求。

替代地，本发明的实施例通过使用相移调制而不是频移调制，来增加已有的带内通信信道的数据速率。特别地，本发明的实施例使用由发射器102的调制器204实施的相位调制。通过检测由发射器102提供的相移调制，数据由接收器110的对应解调器228接收。

由调制器204实施的相位调制的示例在图3中图示。调制器204可以例如调节驱动器206中的开关的控制，以在由发射线圈106发射的无线电力信号中引入相移。在图3中图示的示例中，相位调制每N个周期被应用。图3图示了比特流“0110”的调制，每个比特每N＝4个周期被调制到无线电力信号中。如上文论述的，N可以是任何整数，例如大于三(3)的整数。

如在图3中图示的示例中所图示的，单个调制深度被使用，从而T-表示用于“0”比特的时段，而T+表示用于“1”比特的时段。T-和T+指示频率f的时段T周围的时段。T-是时段T-ε，并且T+是时段T+ε。在一些实施例中，不同的调制深度可以用来在单个相位状态中编码多个比特。例如，两个比特可以利用如下的调制深度被编码，该调制深度包括被形成有相移的四个水平(T--、T-、T+和T++)的符号。在该四水平系统中，T--可以是T-2ε，而T++可以是T+2ε。在一些实施例中，符号可以通过相继的延迟来指定。例如，在一些实施例中，符号T-ε可以是表示“00”的符号，T-2ε可以表示“01”，T-3ε可以表示“10”，并且T-4ε可以表示“11”。尽管ε可以表示任何定时，但是在一些实施例中，ε可以是例如1μs。

因此，在无线电力信号的每N个周期中，数据的两个比特可以被编码为四个符号并且然后传输。任何数目的符号可以被使用，然而，符号的数目上的每次增加都使用相等数目的相位水平，并且可以使用更深的调制深度来容纳这些符号。因此，其他编码可以用来在无线电力信号的N个周期内传输多个比特。

在一些实施例中，随时间的平均相移接近于0的调制方案被实施在调制器204中。这样的调制方案可以在无线电力的传输中导致最小的扰动，并且可以提供数据的良好传输。因此，对数据进行编码以实现随时间的接近于0相移的方案可以被使用。

图4图示了调制器204的示例。如图4中图示的，驱动器206包括控制电路402和开关阵列404。开关阵列404可以是，例如，被耦合以跨节点AC1和节点AC2提供AC电压的晶体管的全桥或半桥整流器阵列。控制电路402向开关阵列404的晶体管提供栅极电压V_栅极，以通过适当地对晶体管进行开关来跨节点AC1和节点AC2提供AC电压。控制电路402被耦合以从控制器202接收控制信号，控制器202可以设置输出功率电平和操作频率f。发射线圈106与跨AC1和AC2的电容器106串联耦合。电容器406和发射线圈106形成储能电路。在一些实施例中，控制电路402监测发射的电力，并且可以在储能电路的谐振频率处操作开关阵列404。控制电路402可以将开关阵列404正在操作的频率f提供给调制器204。

在图4中图示的调制器204的示例中，来自控制器202的数据进入数据寄存器408。数据编码器410可以将待传输的数据编码为符号。周期计数器414被耦合以接收驱动器206的操作频率f。周期计数器414向移相器412指示周期的数目，使得数据可以每N个周期被编码和传输。移相器412接收来自数据编码器410的编码后的数据和来自周期计数器414的周期数目，并且向控制器402提供信号以向由发射线圈106发射的无线电力信号提供适当的相移。

周期的数目N和调制深度(例如，T-和T+)可以被选择为针对特定无线电力系统是固定的。在一些实施例中，发射器102的控制器202和/或无线电力接收器110的控制器222可以调节周期的数目N和/或调制深度(或者甚至多深度系统中的深度的数目)，以优化通信以及无线电力的传送。这样的算法可以例如监测数据错误率和其他参数，并且相应地调节传输参数，诸如调制深度和周期的数目N。

如上文论述的，小调制深度具有如下的优点：对谐振系统以及对无线电力发射器102与无线电力接收器110之间的所传送的电力的量的小至可忽略的扰动。然而，调制深度越小，接收器110的解调器228需要更精确地操作以恢复所发射的数据。解调器228可以通过计算在相移的N-1个周期时段上的滑动平均，来对无线电力信号上的信号进行解调。取决于谐振系统的品质因数，该滑动平均可以被减小(降低N)。滑动平均解码方法具有对由整流器226引入的相位噪声的低敏感度的优点。实际的实施方式可以对每个电力信号周期期间的高速时钟周期的数目进行计数，并且将所捕获的值用作向滑动平均滤波器的输入。

图5图示了无线电力接收器110的整流器226和解调器228的示例。如所图示的，整流器226包括控制器504和开关整流器502。开关整流器502可以是，例如，晶体管的全桥或半桥布置。控制器504提供栅极电压V_栅极以操作开关整流器502的开关晶体管。特别地，控制器504在与图4中图示的开关阵列404的开关频率相对应的频率f处操作开关整流器502，以便高效地接收无线电力。控制器504从接收器110的控制器222接收控制信号。

接收线圈108与电容器506串联耦合，并且跨开关整流器502的节点AC1和节点AC2耦合。整流器226的AC1和AC2之间的电压可以被输入到解调器228。如图5中图示的，电压AC1和AC2与高速时钟CLK一起输入到计数器508。计数器508实际上通过测量周期中的时钟CLK的周期的数目，来测量接收无线电力信号的个体周期之间的时间。该时间可以通过跨AC1和AC2的电压信号的过零点来指示，或者通过跨AC1和AC2的电压信号的最大值或最小值之间的时间来指示。

定时信号T然后被输入到滑动平均电路510。滑动平均电路510可以计算在频率f的N-1个周期上的滑动平均，频率f也从整流器226接收。来自滑动平均电路510的输出信号被输入到数据解码器512，数据解码器512确定在N个周期中是否存在相移以及该相移描绘的位模式或符号。来自数据解码器512的恢复后的数据，在一些实施例中，可以被保持在数据寄存器514中以用于输出到接收器110的控制器222。

根据在此处描述的实施例，用于从发射器102传送到接收器110的数据速率可以是在m*f/N的数据速率，其中m是被编码为所传送的符号的比特的数目，f是驱动器206和整流器226的开关频率，并且N是用于传输一个符号的周期的数目。在f是大致100-200kHz的标准WPC操作频率，m＝1并且N＝4的情况下，所传输的数据速率可以是25至50kHz。这相对于针对常规系统在上文论述的100比特/s的速率是大的改进。

上文的详细描述被提供以说明本发明的具体实施例并且不旨在进行限制。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。本发明在随后的权利要求中被阐述。

Claims

1.一种无线电力发射器，包括：

发射线圈，其提供无线电力信号；

驱动器，被耦合以向所述发射线圈提供AC电流，以产生所述无线电力信号；以及

调制器，耦合到所述驱动器以向所述无线电力信号提供相变调制以传输数据，其中所述调制器每隔所述驱动器的开关频率的N个周期向所述无线电力信号提供相位变化，并且其中所述调制器包括：

数据寄存器，接收所述数据；

数据编码器，被耦合以将所述数据编码为符号；

周期计数器，提供来自所述驱动器的所述开关频率的周期计数；以及

移相器，接收所述符号和所述周期计数器，并且向所述驱动器提供所述相位变化。

2.根据权利要求1所述的发射器，其中所述驱动器包括由控制器驱动的开关晶体管，所述调制器向所述控制器提供控制信号，而导致去往所述开关晶体管的栅极控制信号的修改。

3.根据权利要求1所述的发射器，其中所述符号包括两个符号以包括所述数据的一位。

4.根据权利要求1所述的发射器，其中所述符号四个符号以包括所述数据的两位。

5.根据权利要求1所述的发射器，其中N是四。

6.根据权利要求1所述的发射器，其中N大于2。

7.一种无线电力接收器，包括：

接收线圈；

开关整流器，被耦合以从所述接收线圈接收无线电力信号；以及

解调器，耦合到所述开关整流器以接收所述无线电力信号，并且恢复通过相位调制在所述无线电力信号中提供的数据，其中所述解调器每隔所述开关整流器的开关频率的N个周期来检测所述无线电力信号中的相位变化，并且其中所述解调器包括：

计数器，被耦合以接收所述无线电力信号，并且确定所述无线电力信号的周期之间的时间；

滑动平均电路，其在所述开关频率的N-1个周期上在周期之间对所述时间取滑动平均；以及

数据解码器，被耦合以接收所述滑动平均，并且恢复在所述无线电力信号上发送的数据。

8.根据权利要求7所述的接收器，其中所述开关整流器包括由控制器驱动的开关晶体管，所述解调器接收所述无线电力信号。

9.根据权利要求7所述的接收器，其中所述计数器接收高速时钟信号，并且对所述无线电力信号的过零点之间的所述时钟信号周期进行计数。

10.根据权利要求7所述的接收器，其中所述数据解码器从所述滑动平均来确定相移，从所述相移来确定数据符号，并且从所述数据符号来确定在所述无线电力信号上发送的所述数据。

11.根据权利要求10所述的接收器，其中所述数据符号是表示所述数据的一位的两个符号的集合中的一个符号。

12.根据权利要求10所述的接收器，其中所述数据符号是表示所述数据的两位的四个符号的集合中的一个符号。

13.根据权利要求7所述的发射器，其中N是四。

14.根据权利要求7所述的发射器，其中N大于2。

15.一种在无线电力发射器中发射数据的方法，包括：

发射无线电力信号；

将待发射的数据编码为符号；

确定表示所述符号的相移；以及

利用所述相移对所述无线电力信号进行相位调制，其中所述相位调制每隔所述驱动器的开关频率的N个周期向所述无线电力信号提供相位变化，并且其中所述相位调制包括：

将所述数据接收到数据寄存器中；

利用数据编码器，将所述数据编码为符号；

利用周期计数器，提供来自所述驱动器的所述开关频率的周期计数；以及

利用相移器，接收所述符号和所述周期计数器，并且向所述驱动器提供所述相位变化。

16.根据权利要求15所述的方法，其中对所述无线电力信号进行相位调制包括：在所述无线电力信号的每N个周期中提供相移。

17.一种在无线电力接收器中接收数据的方法，包括：

接收包括相位调制后的数据信号的无线电力信号；

确定所述无线电力信号的每个周期的时段；

提供所述无线电力信号的N-1个周期上的滑动平均，其中N表示每个相位调制被提供在其中的所述无线电力信号的周期的数目；以及

从所述滑动平均中解码所述数据。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述数据以符号被编码在所述相位调制后的数据信号中。