CN111953082B - 高效的无线充电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种无线充电系统包括：被配置成与发射线圈磁耦合的接收线圈；与所述接收线圈连接的整流器；级联连接在整流器和负载之间的第一功率级和第二功率级；以及被配置成通过第一开关与第一电压节点连接和通过第二开关与第二电压节点连接的偏置电压源，所述偏置电压源由所述第一电压节点或者所述第二电压节点供电。

Description

高效的无线充电系统和方法
技术领域
本发明涉及充电系统，并且在特定实施例中，涉及一种高效无线充电系统。
背景技术
随着技术进一步发展，无线电能传输作为一种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。无线电能传输系统通常包括原边发射器和副边接收器。原边发射器通过电磁耦合的方式，磁耦合到副边接收器。磁耦合可以由松耦合变压器实现，该松耦合变压器具有在原边发射器中形成的原边线圈和在副边接收器中形成的副边线圈。
原边发射器可包括诸如功率转换器的原边的功率转换单元。功率转换单元耦合到电源，并且能够将电功率转换成无线电能信号。副边接收器能够通过松耦合变压器接收无线电能信号，并将接收的无线电能信号转换成适合于负载的电能。
随着无线电能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功率无线电能传输。更具体来说，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)下实现高效无线电能传输已经变成一个突出的问题。例如，在高功率应用中，接收器的整流器的输出电压高达20V。接收器的偏置电压为约5V。接收器的整流器的输出电压和接收器偏置电压之间电压差可造成显著的功率损耗，从而降低高功率无线电能传输系统的效率。
期待提供具有在各种输入和输出状况下保持高效率等的良好表现的高性能电能接收器。
发明内容
通过提供了高效无线充电系统的本申请的实施例，一般性的解决或规避上述和其它问题，并且相应的获得了一般性的技术效果。
根据一个实施例，一种充电设备包括：被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；级联连接在整流器和负载之间的第一功率级和第二功率级；以及通过第一线性稳压器和第一开关耦合到整流器并通过第二开关耦合到负载的偏置电压源。
根据另一个实施例，一种充电方法包括：检测无线充电系统的输出电压。所述无线充电系统包括级联连接的整流器、第一功率级和第二功率级，并且所述无线充电系统的输出端被配置成连接到电池；当无线充电系统的输出电压小于第一预定阈值时，将无线充电系统的偏置电压源连接到高于无线充电系统的输出电压的电位；以及当无线充电系统的输出电压大于第一预定阈值时，将无线充电系统的偏置电压源连接到无线充电系统的输出电压。
根据又一个实施例，一种无线充电系统包括：被配置成磁耦合到发射线圈的接收线圈；连接到接收线圈的整流器；级联连接在整流器和负载之间的第一功率级和第二功率级；以及配置成通过第一开关与第一电压节点连接并通过第二开关与第二电压节点连接的偏置电压源，其中第一电压节点和第二电压节点之一对偏置电压源供电。
本申请的实施例的优点是能够通过不同的电位为偏置电压源供电的高效无线充电系统。
上文相当广泛地概述了本申请的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本申请的详细描述。下文将描述本申请的额外特征和优点，它们形成本申请的权利要求的主题。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申请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申请的精神和范围。
附图说明
为了更全面地了解本申请及其优点，现在结合附图参考以下描述，图中：
图1示出本申请实施例的无线充电系统的框图；
图2示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第一实施例的框图；
图3示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第一实施例的示意图；
图4示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第二实施例的示意图；
图5示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第三实施例的示意图；
图6示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第四实施例的示意图；
图7示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第五实施例的示意图；
图8示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第二实施例的框图；
图9示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第三实施例的框图；
图10示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第四实施例的框图；
图11示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第五实施例的框图；
图12示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第六实施例的框图；
图13示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第七实施例的框图；
图14示出本申请实施例应用于图1中示出的无线充电系统的高效控制机制的方法流程图。
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，本申请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申请的特定方式，而不是限制本申请的范围。
将在特定情境(即，高效无线充电系统)中关于较佳实施例描述本申请申请。但是，本申请也可适用于各种功率系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
图1示出根据本申请的实施例的无线充电系统的框图。无线充电系统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和无线电能传输装置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充电系统100的性能。在另一些实施例中，功率转换器104是可选择使用的元件。换句话说，无线电能传输装置101可直接连接到输入电源102。
无线电能传输装置101包括电能发射器110和电能接收器120。如图1所示，电能发射器110包括级联连接的发射电路107和发射线圈L1。发射电路107的输入端耦合到功率转换器104的输出端。电能接收器120包括级联连接的接收线圈L2、谐振电容Cs、整流器112、第一功率级113和第二功率级123。在本说明书中，第一功率级113在另一些实施例中，可称为第一功率转换器113。同样地，第二功率级123在另一些实施例中，可称为第二功率转换器123。
如图1所示，谐振电容Cs与接收线圈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的输出端连接到第一功率转换器113的输入端。第一功率转换器113的输出端连接到第二功率转换器123的输入端。第二功率转换器123的输出端耦合到负载114。
当将电能接收器120放置在电能发射器110附近时，电能发射器110通过磁场磁耦合到电能接收器120。通过作为功率发射器110的一部分的发射线圈L1和作为电能接收器120的一部分的接收线圈L2形成松耦合变压器115。因此，可将电能从电能发射器110传输到电能接收器120。
在一些实施例中，电能发射器110可收容在充电板内。发射线圈L1放置在充电板上表面的下方。电能接收器120可嵌入在移动电话内。当将移动电话放在充电板附近时，可在发射线圈L1和接收线圈L2之间建立磁耦合。换句话说，发射线圈L1和接收线圈L2可形成松耦合变压器，通过该变压器，在电能发射器110和电能接收器120之间进行电能传输。通过耦合系数k来量化发射线圈L1和接收线圈L2之间的耦合的强度。在一些实施例中，k的取值在约0.05到约0.9的范围中。
在一些实施例中，在发射线圈L1和接收线圈L2之间建立磁耦合之后，功率发射器110和电能接收器120可形成充电系统，通过该充电系统，将电能从输入电源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还可以是可再生能源，例如太阳能电池板阵列。在又一些实施例中，输入电源102可以是诸如可充电电池、燃料电池、其任意组合和/或类似装置的任何合适的能量储存装置。
负载114表示由耦合到电能接收器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电能接收器120的输出端的一个和/或多个可充电电池。在又一些实施例中，负载114可以是下游功率转换器，例如电池充电器。
在一些实施例中，发射电路107可包括全桥转换器的原边开关。在另一些实施例中，发射电路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原边开关。
应当说明的是，上文描述的功率转换器只是示例。本领域技术人员可以理解，取决于设计需要和不同应用，可选择性地使用诸如基于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。
发射电路107还可包括谐振电容(未示出)。谐振电容和发射线圈的励磁电感可形成谐振回路。取决于设计需要和不同应用，该谐振回路还可包括谐振电感。在一些实施例中，谐振电感可由外部电感实现。在另一些实施例中，谐振电感可由连接导线实现。
电能接收器120包括接收线圈L2，在将电能接收器120放置到电能发射器110附近后，接收线圈L2磁耦合到发射线圈L1。因此，可将电能传输到接收线圈，并通过整流器112进一步递送到负载114。电能接收器120可包括如图1所示的次级谐振电容Cs。在本说明书中，次级谐振电容Cs在另一些实施例中可被称为接收谐振电容。
整流器112将从接收线圈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、输出电容和开关(例如，负载开关)。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)晶体管的切换元件形成的全波桥来取代全波二极管桥。
在又一些实施例中，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为技术人员所熟知，因此这里不再论述。
第一功率转换器113和第二功率转换器123耦合在整流器112和负载114之间。第一功率转换器113和第二功率转换器123是级联连接的非隔离式功率转换器。在一些实施例中，第一功率转换器113由线性稳压器实现。第二功率转换器123由隔离开关实现。在另一些实施例中，第一功率转换器113也可由降压转换器实现。第二功率转换器123可由电荷泵转换器实现。在又一些实施例中，第一功率转换器113可以由混合功率转换器实现，该混合功率转换器被配置成以不同模式操作以便高效的对负载114充电。第二功率转换器123可由被配置成分压器的电荷泵功率转换器实现。
在一些实施例中，第一功率转换器113和第二功率转换器123分别由电荷泵功率转换器实现，每一个电荷泵功率转换器是一个分压器。第一功率转换器113的输入电压是第二功率转换器123的输入电压的两倍。第二功率转换器123的输入电压是施加到负载114(例如，电池)的电压的两倍。换句话说，VRECT处的电压是施加到负载114的电压的四倍。如此高的电压有助于减小流过接收线圈L2的电流。在一些实施例中，VRECT处的电压在约5V到约20V的范围中。此外，VRECT的电压调节的分辨率等于或小于约200mV。
具有第一功率转换器113和第二功率转换器123的其中一个优势是，可在整流器112的输出端(图1中的VRECT)实现更高的输出电压(例如，20V)。此类较高输出电压有助于降低流过接收线圈L2的电流，从而提高电能接收器120的效率。
图2示出根据本申请的各种实施例在图1中示出的无线充电系统的第一实施例的框图。图2示出在图1中示出的无线充电系统100的电能接收器的框图。整流器112、第一功率级113和第二功率级123级联连接在接收线圈L2和负载114之间。采用偏置电压源VDD为电能接收器的控制电路供电。如图2所示，将整流器112的输出表示为VRECT。将第一功率级113的输出表示为VOUT。将第二功率级123的输出表示为VBAT。
如图2所示，偏置电容Cb连接在偏置电压源VDD和地之间。偏置电压源VDD通过低压差线性稳压器(LDO regulator)213和开关S1连接到电压节点VRECT。另外，偏置电压源VDD通过开关S2连接到电压节点VBAT。在本说明书中，低压差线性稳压器在另一些实施例中，还被称为线性稳压器或LDO。电压节点VBAT在另一些实施例中还被称为第二功率级123的输出端。
在一些实施例中，第一功率级113由线性稳压器实现。在另一些实施例中，第一功率级113可由诸如降压转换器、四开关降压-升压转换器、电荷泵转换器、混合功率转换器等的任何合适的功率转换装置实现。第二功率级123可由诸如隔离开关、电荷泵转换器、电池充电器等的任何合适的功率转换装置实现。应当说明的是，第一功率级113(上文描述的各种实施例)和第二功率级123(上文描述的各种实施例)的任意组合在本申请的范围内。
在一些实施例中，第一线性稳压器和第一开关S1由背靠背连接(back to backconnected)的第一晶体管和第二晶体管形成。第二开关S2由背靠背连接(back to backconnected)的第三晶体管和第四晶体管形成。下文将基于图3描述第一线性稳压器与开关S1和S2的详细示意图。
在运行时，偏置电压源VDD被配置成从两个不同的源头(即，电压节点VRECT和电压节点VBAT)接收电能。当第二功率级123的输出电压小于预定阈值(例如，3.3V)时，令开关S1导通，并断开开关S2。作为S1导通并S2断开的结果，通过LDO 213将电能从整流器112的输出端提供给偏置电压源VDD。采用LDO 213来调节偏置电压源VDD的电压。在一些实施例中，偏置电压源VDD等于5V。另一方面，当第二功率级123的输出电压大于预定阈值(例如，3.3V)时，断开开关S1，并令开关S2导通。作为S1断开并S2导通的结果，将电能从第二功率级123的输出端提供给偏置电压源VDD。偏置电压源VDD的电压等于第二功率级123的输出电压。
如图2所示，整流器112、第一功率级113、LDO 213、开关S1和S2位于虚线框200内。在一些实施例中，虚线框200中的装置可制作在单个半导体芯片上。在另一些实施例中，虚线框200中的装置可制作在单个半导体引线框架上并封装在同一个半导体芯片中。应当说明的是，取决于不同应用和设计需要，一些无源组件(例如，电感)可设置在半导体芯片外部。
图3示出根据本申请的各种实施例在图2中示出的接收器的第一实施例的示意图。接收器包括接收线圈L2、接收谐振电容Cs、整流器112、第一功率级113和第二功率级123。如图3所示，接收谐振电容Cs、整流器112、第一功率级112和第二功率级123级联连接在接收线圈L2和负载114之间。在一些实施例中，负载114是可充电电池。在本说明书中，负载114在另一些实施例中还被称为电池。
在一些实施例中，整流器112由如图3所示的全波整流器实现。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通过接收谐振电容Cs耦合到接收线圈L2的第一输入端。开关元件MR2和MR4的共同节点AC2耦合到接收线圈L2的第二输入端。
应当说明的是，尽管本说明书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所示的电能接收器120的实现可具有许多改变、备选和修改。例如，还可以选择采用半波整流器。
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。本申请不限于任何特定的电源拓扑结构。
还应当说明的是，尽管图3示出四个开关MR1-MR4，但是本申请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。
还应当说明的是，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的输出电容和第一功率级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。
第一功率级113由降压型功率转换器(又称为降压转换器)实现。第一功率级113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。
在一些实施例中，第一开关MB1和第二开关MB2均由如图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的栅极被配置成接收由控制器(未示出)生成的栅极驱动信号。
应当说明的是，图3中示出的第一功率级113只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。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可由p-型晶体管实现。
第二功率级123由电荷泵转换器实现。第二功率级123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串联连接在第一功率级113的输出端子和电池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，第二功率级123充当电荷泵功率电容器。电荷泵功率转换器分两个不同的阶段运行。在电荷泵模式的第一阶段期间，令开关M1和M3导通，并断开开关M2和M4。由于开关M1和M3导通，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，对电荷泵电容CCP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，断开开关M1和M3，并令开关M2和M4导通。由于开关M2和M4导通，所以建立第二传导路径。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，电荷泵电容CCP放电，并且相应地减少存储在电荷泵电容CCP中的能量。
在运行过程中，第一功率级113作为充电设备，用于对电池114充电。更具体来说，在对电池114充电的期间，第一功率级113可被配置成以电流控制模式运行，其中，电流调节的分辨率等于或小于约400mA。此外，第一功率级113可被配置成以电压控制模式运行，其中，电压调节的分辨率等于或小于约40mV。
如图3所示，偏置电压源VDD通过MOSFET M8和M9耦合到电压节点VRECT。同样地，偏置电压源VDD通过MOSFET M7和M6耦合到电压节点VBAT。
在一些实施例中，FET M9可作为线性稳压器。更具体来说，可通过控制FET M9的栅极驱动电压来调节VDD处的电压。在一些实施例中，无线充电系统100的控制器持续减小FETM9的栅极驱动电压，直到偏置电压VDD等于偏置电压源VDD的设定值(例如，5V)。
图2中示出的开关S1由M8实现。开关S2由两个背靠背连接的晶体管M6和M7实现。如图3所示，开关M6和M7彼此背靠背连接。背靠背连接的M6和M7在偏置电压源VDD和电池114之间形成隔离开关。
根据一些实施例，开关元件MR1、MR2、MR3、MR4、MB1、MB2、M1、M2、M3、M4、M6、M7、M8和M9可以由MOSFET或并联连接的MOSFET、其任意组合和/或类似组件实现。在另一些实施例中，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，原边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。
图4示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第二实施例的示意图。图4中示出的电能接收器120与图3中示出的电能接收器类似，不同之处在于，第二功率级123由隔离开关实现。如图4所示，隔离开关包括第一开关MS1和第二开关MS2。第一开关MS1和第二开关MS2背靠背连接，对在第一功率级113和电池114进行隔离。
图5示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第三实施例的示意图。图5中示出的无线充电系统与图3中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，第一功率转换器113由混合转换器实现。在本说明书中，第一功率转换器113在另一些实施例中还被称为混合转换器113。
如图5所示，混合转换器113包括开关M11-M14、电容C1CP、输出电感L1和输出电容C2。如图5所示，输出电感L1和输出电容C2形成输出滤波器。开关M11、电容C1CP和开关M13串联连接在VRECT和输出滤波器之间。如图5所示，将开关M11和电容C1CP的共同节点表示为CP1+。同样地，将开关M13和电容C1CP的共同节点表示为CP1-。将开关M13和输出滤波器的共同节点表示为VX。如图5所示，开关M12连接在CP1+和VX之间。开关M14连接在CP1-和地之间。
在一些实施例中，电容C1CP作为电荷泵电容。在本说明书中，电容C1CP在另一些实施例中又被称为电荷泵电容C1CP。
混合转换器113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)中运行。在混合模式中，混合转换器113分四个不同的运行阶段。在每个阶段中，取决于输入电压VRECT、电荷泵电容C1CP两端的电压和输出电压VOUT的不同组合，流过输出电感L1的电流可线性上升或线性下降。在混合模式中，可将混合转换器113的电压调节至预定电压。由于混合模式下的混合转换器113具有严密的电压调节，所以可通过调节混合转换器113的输出电压来调节无线充电系统100的输出电压。
在电荷泵模式中，混合转换器113在两个不同的阶段中运行。在电荷泵模式中，混合转换器113充当电荷泵转换器，上文对此进行了详细描述，因此这里不再论述。
在降压模式中，混合转换器113在两个不同的阶段中运行。开关M12和开关M13保持导通。因此，电荷泵电容C1CP被短接，并且不作为降压模式的运行的一部分。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L1的电流可线性上升或线性下降。此外，为了实现降压模式与电荷泵模式的的平滑切换，混合转换器113可在自动模式中运行。在自动模式中，当降压模式适用于混合转换器113时，电荷泵电容是浮动的。
图6示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第四实施例的示意图。图6中示出的无线充电系统与图3中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，第一功率转换器113由四开关-升/降压转换器实现。
如图6所示，升/降压转换器包括第一高压侧开关MB1、第一低压侧开关MB2、第二低压侧开关MB3、第二高压侧开关MB4和电感Lo。第一高压侧开关MB1和第一低压侧开关MB2串联连接在VRECT和地之间。第二高压侧开关MB4和第二低压侧开关MB3串联连接在VOUT和地之间。如图6所示，电感Lo耦合在第一高压侧开关MB1和第一低压侧开关MB2的共同节点与第二高压侧开关MB4和第二低压侧开关MB3的共同节点之间。
升/降压转换器可分成两个部分，即降压转换器部分和升压转换器部分。降压转换器部分可包括第一高压侧开关MB1和第一低压侧开关MB2。当第二高压侧开关MB4保持导通并且第二低压侧开关MB3保持断开时，降压转换器部分和电感Lo可作为降压型转换器。在这样的配置下，升/降压转换器以降压模式运行。
升/降压转换器的升压转换器部分可包括第二高压侧开关MB4和第二低压侧开关MB3。当第一高压侧开关MB1保持导通并且第一低压侧开关MB2保持断开时，升压转换器部分和电感Lo可作为升压型转换器。在这样的配置下，降压-升压转换器以降压模式运行。此外，当高压侧开关MB1和MB4保持导通并且低压侧开关MB2和MB4保持断开时，降压-升压转换器以直通模式运行。
图6中示出的开关(例如，第一高压侧开关MB1)可由为n-型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管实现。在另一些实施例中，这些开关可由其它合适的可控器件实现，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。
基于不同应用需要，降压-升压转换器可被配置成以三种不同的运行模式运行，即降压模式、升压模式和直通模式。
应当说明的是，尽管图6示出第二功率级123由电荷泵转换器实现，但是图6中示出的四开关升/降压转换器可与任何实现方式的第二功率级123组合。例如，当第一功率级113由四开关升/降压转换器实现时，第二功率级123可以以任何合适的实现方式，诸如图6中示出的电荷泵功率转换器、图4中示出的隔离开关及其任意组合。
图7示出本申请实施例在图2中示出的接收器的第五实施例的示意图。第一功率级113和第二功率级123均由电荷泵功率转换器实现。如图7所示，第一功率级113包括输入电容C1、输出电容C2、电荷泵电容C1CP和多个开关M11-M14。第二功率级123包括输入电容C3、输出电容C4、电荷泵电容C2CP和多个开关M21-M24。上文关于图3描述了电荷泵转换器的工作原理，因此这里不再论述。
在运行时，为了提高无线充电系统100的EMI性能，使开关M11的栅极驱动信号的上升沿(leading edge)与开关M21的栅极驱动信号的上升沿对齐。第一功率转换器113和第二功率转换器123的栅极驱动信号之间的对齐有助于提高无线充电系统100的EMI性能。
图8示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第二实施例的框图。图8中示出的无线充电系统与图2中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，第一功率级113由线性稳压器实现。线性稳压器是低压差线性稳压器。在一些实施例中，该LDO稳压器可包括p-型晶体管和相关联的控制电路。在另一些实施例中，该LDO稳压器可包括n-型晶体管和相关联的控制电路。LDO稳压器的结构和操作原理为本领域技术人员所熟知，因此这里不再论述。
图9示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第三实施例的框图。图9中示出的无线充电系统与图2中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，通过三个不同的电压源来为偏置电压源VDD供电。如图9所示，开关S3连接在第一功率级113的输出端和偏置电压源VDD之间。在一些实施例中，开关S3由彼此背靠背连接的两个晶体管形成的隔离开关实现。
在运行时，当第一功率级113的输出电压小于第一预定阈值时，偏置电压源VDD通过线性稳压器213和开关S1连接到整流器112的输出端。通过整流器112的输出端为偏置电压源供电。
随着第一功率级113的输出电压进一步增大，当第一功率级113的输出电压大于第一预定阈值并且无线充电系统100的输出电压小于第二预定阈值(例如，3.5V)时，偏置电压源VDD通过开关S3连接到第一功率级113的输出端。
随着第二功率级123的输出电压增大，通过第二功率级123的输出端来为偏置电压源VDD供电。具体来说，断开开关S1和S3，并令开关S2导通。当无线充电系统的输出电压大于第二预定阈值(例如，3.5V)时，偏置电压源VDD通过开关S2连接到无线充电系统的输出电压。由无线充电系统的输出端为偏置电压源VDD供电。
具有开关S3的其中一个技术效果是，利用VOUT取代VRECT来为偏置电压源VDD供电有助于减少偏置功率损耗。因此，可进一步提高系统效率。
图10示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第四实施例的框图。图10中示出的无线充电系统与图2中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，两个电能递送路径共享LDO 213。在一些实施例中，第二转换器123的输出电压可高于偏置电压源VDD的最大电压。采用LDO 213来将第二转换器123的输出电压减小至与偏置电压源VDD相适配的水平。
图11示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第五实施例的框图。图11中示出的无线充电系统与图10中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，采用一个额外开关S3来进一步提高无线充电系统的效率。上文关于图9描述了偏置电压源从三个不同电压源接收电能的运行原理，因此这里不再论述以免重复。
图12示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第六实施例的框图。图12中示出的无线充电系统与图2中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，采用一个额外LDO 214来进一步提高无线充电系统的性能。在一些实施例中，第二转换器123的输出电压可高于偏置电压源的最大电压。采用LDO 214来将第二转换器123的输出电压减小至与偏置电压源VDD相适应的水平。
图13示出本申请实施例在图1中示出的无线充电系统的第七实施例的框图。图13中示出的无线充电系统与图12中示出的无线充电系统类似，不同之处在于，采用一个额外开关S3来进一步提高无线充电系统的效率。上文关于图9描述了偏置电压源从三个不同电压源接收电能的运行原理，因此这里不再论述以免重复。
图14示出本申请实施例的，对图1中示出的无线充电系统运用的高效控制机制的流程图。图14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14中示出的各个步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
请继续参阅图2，无线充电系统包括：被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；级联连接在接收线圈和电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器。通过两个不同电源来为接收器的偏置电压源供电。LDO和第一开关S1连接在整流器的输出端和偏置电压源之间。第二开关S2连接在第二功率转换器的输出端和偏置电压源之间。在运行时，取决于第二功率转换器的输出电压，选择使用整流器的输出端或第二功率转换器的输出端为电能接收器的偏置电压源供电。
在步骤1402，通过多个传感器设备检测无线充电系统的多个工作参数。工作参数包括无线充电系统的输出端的输出电压。无线充电系统的输出端与电池连接。通过控制器来处理检测的工作参数。
在步骤1404，在无线充电系统的启动阶段，电池电压小于预定阈值(例如，3.5V)。默认由整流器的输出端为偏置电压源供电。换句话说，在电池两端的电压达到预定阈值之前，由整流器的输出端为偏置电压源供电。具体操作是，令第一开关导通并且断开第二开关，通过LDO和第一开关将电能从整流器的输出端递送到偏置电压源。
在电池两端的电压达到预定阈值之后，LDO的输出电压减小至近似等于预定阈值(例如，3.5V)的电压，第一开关随之断开并且第二开关随之导通。作为第一开关断开和第二开关导通的结果，将电能从第二功率转换器的输出端递送到偏置电压源。
将LDO的输出电压减小至近似等于预定阈值的电压的步骤有助于实现平滑切换，从而提高无线充电系统的可靠性。
在步骤1406，在电池两端的电压下降到低于预定阈值之前，由第二功率转换器的输出端(VBAT)为偏置电压源供电。具体操作是，断开第一开关并且令第二开关导通。通过第二开关将电能从第二功率转换器的输出端递送到偏置电压源。
在电池两端的电压下降到低于预定阈值后，LDO的输出电压设置为近似等于预定阈值的电压电平，第一开关随之导通并且第二开关随之断开。作为第一开关导通和断开第二开关的结果，电能从整流器的输出端递送到偏置电压源。
将LDO的输出电压设置成近似等于预定阈值的电压的步骤有助于实现平滑切换，从而提高无线充电系统的可靠性。
尽管详细描述了本申请的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本申请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申请的公开内容容易地明白，根据本申请，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 (17)

1.一种充电设备，其特征在于，包括：
被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；
级联连接在所述整流器和负载之间的第一功率级和第二功率级；以及
通过第一线性稳压器和第一开关耦合到所述整流器并通过第二开关耦合到所述负载的偏置电压源；
其中，当所述第二功率级的输出电压大于预定阈值时，关断所述第一开关，并且令所述第二开关导通；
所述第一线性稳压器和所述第一开关由背靠背连接的第一晶体管和第二晶体管形成；并且
所述第二开关由背靠背连接的第三晶体管和第四晶体管形成。
2. 如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
所述第一功率级是降压型功率转换器，被配置成接收由所述整流器生成的所述直流电压；并且
所述第二功率级是电荷泵功率转换器，被配置为分压器。
3. 如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
所述第一功率级是降压型功率转换器；并且
所述第二功率级是隔离开关。
4.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
所述第一功率级是四开关升/降压功率转换器。
5.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，
所述第一功率级是低压差线性稳压器。
6.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，还包括：
连接在所述第一功率级的输出端和所述偏置电压源之间的第三开关。
7.一种充电设备，其特征在于，包括：
被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；
级联连接在所述整流器和负载之间的第一功率级和第二功率级；以及
通过第一线性稳压器和第一开关耦合到所述整流器并通过第二开关耦合到所述负载的偏置电压源；
其中，当所述第二功率级的输出电压大于预定阈值时，关断所述第一开关，并且令所述第二开关导通；
其中，所述第一功率级是混合转换器，被配置成在混合模式、电荷泵模式以及降压模式的三个不同模式中运行；
所述混合转换器包括：
串联连接在所述混合转换器的输入端和输出滤波器之间的第一开关元件、电荷泵电容和第二开关元件；所述输出滤波器由输出电感和输出电容形成；
连接在所述第一开关元件和所述电荷泵电容的共同节点与所述第二开关元件和所述输出滤波器的共同节点之间的第三开关元件；以及
连接在所述电荷泵电容和所述第二开关的共同节点与地之间的第四开关元件；
其中，在所述混合模式中，所述混合转换器分为四个不同的阶段操作，可将所述混合转换器的电压调节至预定电压；
在每个阶段中，取决于输入电压、电荷泵电容两端电压以及输出电压的不同组合，流过所述输出电感的电流可线性上升或下降。
8.一种充电方法，包括：
检测无线充电系统的输出电压，所述无线充电系统包括级联连接的整流器、第一功率级和第二功率级，并且所述无线充电系统的输出端被配置成连接到电池；
当所述无线充电系统的所述输出电压小于第一预定阈值时，将所述无线充电系统的偏置电压源与，位于所述整流器之后并且高于所述无线充电系统的所述输出电压的电位连接；以及
当所述无线充电系统的所述输出电压大于所述第一预定阈值时，将所述无线充电系统的所述偏置电压源与所述无线充电系统的所述输出电压连接；
所述方法还包括：
在启动阶段，当所述无线充电系统的所述输出电压小于所述第一预定阈值时，通过第一线性稳压器和第一开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述整流器的输出端，由所述整流器的所述输出端为所述偏置电压源供电；以及
当所述无线充电系统的所述输出电压大于所述第一预定阈值时，减小所述第一线性稳压器的输出电压，直到所述第一线性稳压器的所述输出电压等于所述无线充电系统的所述输出电压为止；
在所述第一线性稳压器的所述输出电压等于所述无线充电系统的所述输出电压后，断开位于所述第一线性稳压器和所述偏置电压源之间的所述第一开关，并令位于所述无线充电系统的所述偏置电压源和所述输出电压之间的第二开关导通，通过所述第二开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述无线充电系统的所述输出电压，由所述无线充电系统的所述输出端为所述偏置电压源供电。
9. 如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，还包括：
在将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述整流器的所述输出端时，减小所述第一线性稳压器的输出电压，直到所述第一线性稳压器的所述输出电压等于所述偏置电压源的电压为止；以及
在所述第一线性稳压器的所述输出电压等于所述偏置电压源的所述电压后，断开位于所述无线充电系统的所述偏置电压源和所述输出电压之间的所述第二开关，并令位于所述第一线性稳压器和所述偏置电压源之间的所述第一开关导通。
10.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，还包括：
当所述第一功率级的输出电压小于第二预定阈值时，通过第一线性稳压器和第一开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述整流器的所述输出端，由所述整流器的所述输出端为所述偏置电压源供电；
当所述第一功率级的所述输出电压大于所述第二预定阈值并且所述无线充电系统的所述输出电压小于所述第一预定阈值时，通过第三开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述第一功率级的所述输出端，由所述第一功率级的所述输出端为所述偏置电压源供电；以及
当所述无线充电系统的所述输出电压大于所述第一预定阈值时，通过第二开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述线充电系统的所述输出端，由所述无线充电系统的所述输出端为所述偏置电压源供电。
11. 如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，还包括：
当所述无线充电系统的所述输出电压小于所述第一预定阈值时，通过第一线性稳压器和第一开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述整流器的输出端，由所述整流器的所述输出端为所述偏置电压源供电；以及
当所述无线充电系统的所述输出电压大于所述第一预定阈值时，通过所述第一线性稳压器和第二开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述无线充电系统的所述输出端，由所述无线充电系统的所述输出端为所述偏置电压源供电。
12. 如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，还包括：
当所述无线充电系统的所述输出电压小于所述第一预定阈值时，通过第一线性稳压器和第一开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述整流器的输出端，由所述整流器的所述输出端为所述偏置电压源供电；以及
当所述无线充电系统的所述输出电压大于所述第一预定阈值时，通过第二线性稳压器和第二开关将所述无线充电系统的所述偏置电压源连接到所述无线充电系统的所述输出端，通过所述无线充电系统的所述输出端为所述偏置电压源供电。
13.一种无线充电系统，其特征在于，包括：
被配置成与发射线圈磁耦合的接收线圈；
与所述接收线圈连接的整流器；
级联连接在所述整流器和负载之间的第一功率级和第二功率级；以及
被配置成通过第一开关与第一电压节点连接，以及通过第二开关与第二电压节点连接的偏置电压源，所述偏置电压源由所述第一电压节点或者所述第二电压节点供电；
所述无线充电系统还包括：
连接在所述第一功率级的输出端和所述偏置电压源之间的第三开关；
其中，当所述第一功率级的输出电压小于第二预定阈值时，令所述第一开关导通，并关断所述第二开关和第三开关；
当所述第一功率级的所述输出电压大于第二预定阈值并且所述第二功率级的所述输出电压小于第一预定阈值时，令所述第三开关导通，并关断所述第一开关和第二开关；
当所述第二功率级的输出电压大于第一预定阈值时，关断所述第一开关和第三开关，并且令所述第二开关导通。
14. 如权利要求13所述的无线充电系统，其特征在于，
所述偏置电压源通过第一线性稳压器和所述第一开关连接到所述整流器的输出端，所述整流器的所述输出端为所述第一电压节点；并且
所述偏置电压源通过所述第二开关连接到所述第二功率级的输出端，所述第二功率级的所述输出端为所述第二电压节点。
15.如权利要求14所述的无线充电系统，其特征在于，
所述第一功率级是第二线性稳压器；
所述第二功率级是用于对电池充电的充电器；
所述第一线性稳压器和所述第一开关由彼此背靠背连接的第一晶体管和第二晶体管形成；并且
所述第二开关由彼此背靠背连接的第三晶体管和第四晶体管形成。
16.如权利要求14所述的无线充电系统，其特征在于，
所述第一功率级、所述第一线性稳压器、所述第一开关和所述第二开关集成在同一个半导体芯片中。
17.如权利要求15所述的无线充电系统，其特征在于，
所述第二线性稳压器由晶体管实现。
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