CN112003356A - 高压混合充电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种充电系统包括：被配置成磁耦合到发射线圈的接收线圈；通过开关连接到电压总线的整流器；级联连接在开关和电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器；以及连接在电压总线和被配置成连接到电源的电源端口之间的负载开关。

Description

高压混合充电系统及其方法

技术领域

本发明涉及充电系统，并且在具体实施例中，尤其涉及包括无线电能传输路径和有线电能传输路径的高压混合充电系统。

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。原边发射器通过磁耦合的方式，电磁耦合到副边接收器。磁耦合可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。

原边发射器可包括功率转换单元，例如功率转换器的原边。功率转换单元耦合到电源，并且能够将电能转换成无线能量信号。副边接收器能够通过松耦合变压器接收无线能量信号，并将接收的无线能量信号转换成与负载相适配的的电能。

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。但是，对于高功率无线电能传输系统，高电流引发的过热风险已经成为一个突出的问题，由此对无线电能传输系统的系统设计提出挑战。

期待提供高压充电系统以便减小流过接收线圈的电流，从而防止高电流诱导的发热损坏接收器的组件。降低流过接收器的电流可以提升长期使用的可靠性。

发明内容

通过提供了高压混合充电系统的本申请的实施例，一般性的解决或规避了上述和其它问题，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；具有连接到电源的第一端子和耦合到所述整流器的输出端的第二端子的负载开关；连接到所述整流器的所述输出端的第一功率转换器；以及连接到所述第一功率转换器的输出端的第二功率转换器。

根据另一个实施例，一种充电方法，包括在所述混合充电系统切断电源后，配置混合充电系统以无线充电模式运行，对电池充电；

所述混合充电系统包括：被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；连接在电压总线和被配置成连接到所述电源的电源端口之间的负载开关；以及级联连接在所述整流器和所述电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器；以及

在所述电源连接到所述混合充电系统后，配置所述混合充电系统以有线充电模式运行，对电池充电。

根据又一个实施例，一种充电系统，包括：被配置成磁耦合到发射线圈的接收线圈；通过开关连接到电压总线的整流器；级联连接在所述开关和电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器；以及连接在所述电压总线和被配置成连接到电源的电源端口之间的负载开关。

本申请实施例的优点是公开了一种能够对电池高效充电的高压混合充电系统。

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技术效果，现引用如下的描述及附图，其中：

图1为本申请实施例的混合充电系统的框图；

图2为如图1所示的本申请实施例的混合充电系统的第一实施例的框图；

图3为如图2所示的本申请实施例的混合充电系统的第一实施例的电路原理图；

图4为如图2所示的本申请实施例的混合充电系统的第二实施例的电路原理图；

图5为如图1所示的本申请实施例的混合充电系统的第二实施例的框图；

图6为如图5所示的本申请实施例的混合充电系统的第一实施例的电路原理图；

图7为如图5所示的本申请实施例的混合充电系统的第二实施例的电路原理图；

图8为本申请实施例的混合充电系统的控制器的框图；以及

图9为如图1所示的本申请实施例的混合充电系统的电池充电控制机制的流程图。

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。绘制的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。

以具体情境(即，高压混合充电系统)中的较佳实施例描述本申请。但是，本申请也可适用于各种电源系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。

图1示出根据本申请一些实施例的混合充电系统的框图。混合充电系统100包括无线电能传输路径和有线电能传输路径。如图1所示，无线电能传输路径包括依次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来进一步提高混合充电系统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、整流电路112、第一功率转换器113和第二功率转换器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电路112的输入端。整流电路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。由作为电能发射器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可位于充电板内。将发射线圈L1设置在充电板的上表面下方。电能接收器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之间的耦合强度。在一些实施例中，k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，电能发射器110和电能接收器120可形成电能传输系统，将电能从输入电源102无线传输到负载114。

输入电源102可以是用于将公共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。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)消耗的电能。在另一些实施例中，负载114可以是一个可充电电池和/或多个串联/并联连接的可充电电池，它耦合到电能接收器120的输出端。此外，负载114可以是下游的功率转换器，例如电池充电器。

根据一些实施例，发射电路107可包括全桥转换器的原边(primary side)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(图中未示出)。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，谐振回路还可包括谐振电感。在一些实施例中，谐振电感可为外部电感实现。在另一些实施例中，谐振电感可为连接导线。

电能接收器120包括接收线圈L2，在将电能接收器120放置在电能发射器110附近之后，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，并通过整流电路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在另一些实施例中还可被称为接收器谐振电容。

整流电路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，整流电路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。

此外，整流电路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。整流电路112的详细操作和结构在本技术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耦合在整流电路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由混合功率转换器实现，混合功率转换器被配置成以不同模式运行以对负载114高效充电。第二功率转换器123由被配置成分压器的电荷泵功率转换器实现。在另一些实施例中，第一功率转换器113和第二功率转换器123均由分别被配置成是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，电压总线VBUS上的电压是施加到负载114的电压的四倍。这样的高总线电压有助于减小流过接收线圈L2的电流。在一些实施例中，电压总线VBUS上的电压在从约5V到约20V的范围中。此外，VBUS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，可在整流电路112的输出端(图1中的VBUS)实现较高的输出电压(例如，20V)。这样较高的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。

混合充电系统100的有线电能传输路径包括通用串行总线(USB)端口151、负载开关装置153、第一功率转换器113和第二功率转换器123。USB端口151具有被配置成与USB线缆连接的输入端以及连接到负载开关装置153的输入端的输出端。负载开关装置153的输出端连接到电压总线VBUS。如图1所示，无线电能传输路径和有线电能传输路径均包括第一功率转换器113和第二功率转换器123。

在一些实施例中，USB端口151可以是A型USB-接口(Type-A receptacle)。A型USB接口具有扁平矩形形状。采用A型USB接口来接入A型USB插头(例如，USB线缆)。在一些实施例中，A型USB-接口可以由四引脚连接器实现。其中两个引脚用于提供来自A型USB插头的直流电压，另外两个引脚用于传输数据。在另一些实施例中，USB端口151可由诸如B型-USB接口(Type-B)、迷你USB接口(mini USB)、微型USB接口(micro USB)、C型-USB接口(Type-C)等的任何合适的USB接口实现。

负载开关装置153可由两个“背靠背”(back to back)方式连接的晶体管实现。通过对负载开关装置153的控制使得负载开关装置153处于断开状态或闭合状态。当负载开关装置153闭合时，通过第一功率转换器113和第二功率转换器123将电能从USB端口151递送到负载114。当负载开关装置153断开时，切断或禁用USB端口151和负载114之间的电能递送路径。

应当说明的是，负载开关装置153可充当过压保护设备。如图1所示，负载开关装置153包括使能引脚EN。使能引脚可用于响应故障而关断负载开关装置153。例如，在运行中出现过压时，可通过使能引脚EN关断负载开关装置153。关断的负载开关装置153可帮助将混合充电系统100与过压事件隔离，从而保护混合充电系统100。

图2示出在图1所示的本申请实施例的混合充电系统的第一实施例的框图。混合充电系统100被配置成从两个不同来源接收电能。当混合充电系统被配置成以无线充电模式运行时，负载开关装置153断开，并通过由接收线圈L2产生的电能对负载114充电。具体来说，通过如图2所示的整流电路112、第一功率转换器113和第二功率转换器123将由接收线圈L2生成的电能施加到负载114。当混合充电系统100被配置成以有线充电模式操作时，负载开关装置153闭合，并通过来自USB端口151的电能对负载114充电。具体来说，通过如图2所示的负载开关装置153、第一功率转换器113和第二功率转换器123将来自USB端口151的电能施加到负载114。

应当说明的是，电压总线VBUS是来自USB端口151的电能和来自接收线圈L2的电能的共同节点。如图2所示的共同节点(电压总线VBUS)只是示例。取决于不同应用和设计需要，共同节点(电压总线VBUS)的位置可相应改变。例如，负载开关装置153的输出端可连接到第一功率转换器113的输出端。

图3示出如图2所示的，本申请第一实施例的混合充电系统的电路原理图。无线电能传输路径包括接收线圈L2、接收谐振电容Cs、整流电路112、第一功率转换器113和第二功率转换器123。如图3所示，接收谐振电容Cs、整流电路112以及第一功率转换器113和第二功率转换器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。

整流电路112包括整流器142、输出电容C1和开关MR5。在一些实施例中，整流器142由全波整流器实现。整流器142包括四个开关元件，分别称为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142的输出端子和地之间。同样地，开关元件MR2和MR4串联连接在整流器142的输出端子和地之间。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的第一输入端子。开关元件MR2和MR4的共同节点AC2耦合到接收线圈L2的第二输入端子。

输出电容C1连接在MR1和MR2的共同节点与地之间。采用电容C1来衰减噪声并在整流器142的输出端提供稳定的输出电压。

开关MR5连接在MR1和MR2的共同节点与电压总线VBUS之间。在一些实施例中，开关MR5由MOSFET实现。如图3所示，MR5的漏极连接到MR1和MR2的共同节点。MR5的源极连接到电压总线VBUS。

在一些实施例中，开关MR5可充当负载开关。在另一些实施例中，开关MR5也可充当线性稳压器。在运行时，当混合充电系统100被配置成以有线充电模式运行时，负载114从USB端口151接收直流电源。在有线充电模式中，开关MR5关断。关断的开关MR5防止由接收线圈L2生成的电能对负载114充电。当混合充电系统100被配置成以无线充电模式操作时，负载114从接收线圈L2获取直流电源。在无线充电模式中，开关MR5导通。导通的开关MR5提供导电路径，用于将由接收线圈L2生成的电能递送到负载114。

在无线充电模式中，开关MR5可充当线性稳压器。在一些实施例中，通过调整发射电路的工作参数(例如，发射电路的切换频率、占空比、相位偏移)来调节混合充电系统100的输出电压。在负载瞬变(例如，从重负载到轻负载)时，整流器142的输出端的电压可高于预定电压(例如，VBAT的四倍)。为了调节混合充电系统100的输出电压，开关MR5可被配置成线性稳压器进行操作。具体来说，减小开关MR5的栅极驱动电压以使得VBUS上的电压相应减小。在一些实施例中，混合充电系统100的控制器保持减小开关MR5的栅极驱动电压，直到总线电压VBUS等于VBAT的四倍为止。

应当说明的是，在一些实施例中，开关MR5是可选择的元件。例如，在一些实施例中，采用带外通信控制方案来更好地控制混合充电系统100的输出电压。具体的，带外通信控制方案有助于实现快速控制回路。由此，通过快速控制回路来调节混合充电系统100的输出电压。利用开关MR5来控制输出电压并不是必须的。因此，开关MR5成为一个可选的元件。

在一些实施例中，开关元件MR1、MR2、MR3、MR4和MR5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。

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所示的全波整流电路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、替换和修改。例如，替换为采用半波整流器。

总之，本文中示出的全波整流电路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功率拓扑。

还应当说明的是，尽管图3示出五个开关MR1-MR5，但是本申请的各种实施例可具有其它改变、修改和替换。例如，额外的开关元件可与全波整流电路112的每个开关并联连接。额外的开关元件有助于提高整流电路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替换、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。

如图3所示，第一功率转换器113和第二功率转换器123级联连接。第一功率转换器113和第二功率转换器123均由电荷泵功率转换器实现。如图3所示，第一功率转换器113包括输入电容C2、输出电容C3、电荷泵电容C1_CP和多个开关M11-M14。第二功率转换器123包括输入电容C4、输出电容C5、电荷泵电容C2_CP和多个开关M21-M24。另外，第二功率转换器123包括连接在第一功率转换器113的输出端和开关M21之间的开关M25。在一些实施例中，开关M25可充当负载开关。在另一些实施例中，开关M25可充当线性稳压器，用于更好地控制第二功率转换器123的输出电压。由于第一功率转换器113和第二功率转换器123使用相同的电源拓扑，所以下文只详细论述第一功率转换器113以免赘述。

在一些实施例中，第一功率转换器113由如图3所示的电荷泵功率转换器实现。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，开关M11和M13导通，并且开关M12和M14关断。由于开关M11和M13导通，所以在VBUS和VOUT之间建立第一导电路径。第一导电路径由开关M11、电荷泵电容C1_CP和开关M13形成。电流通过第一导电路径从VBUS流到VOUT。在电荷泵模式的第一阶段期间，对电荷泵电容C1_CP充电，并且相应地将能量存储在电荷泵电容C1_CP中。

在电荷泵模式的第二阶段期间，开关M11和M13关断，并且开关M12和M14导通。由于开关M12和M14导通，所以建立第二导电路径。第二导电路径由开关M14、电荷泵电容C1_CP和开关M12形成。在电荷泵模式的第二阶段期间，电流对电荷泵电容C1_CP放电，并且存储在电荷泵电容C1_CP中的能量相应地减少。

在运行时，为了提高混合充电系统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校准。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校准有助于提高混合充电系统100的EMI性能。

负载开关装置153包括开关M6和M7。如图3所示，开关M6和M7以背靠背方式连接。背靠背方式连接的开关M6和M7形成隔离开关。

在操作中，当混合充电系统100被配置成以有线充电模式运行时，M6和M7导通。MR5、MR1和MR2关断。另一方面，当混合充电系统100被配置成以无线充电模式操作时，M6和M7关断，MR5导通。

图4示出如图2所示的，本申请实施例的混合充电系统的第二实施例的电路原理图。图4中示出的混合充电系统与图3中示出的混合充电系统类似，不同之处在于，第一功率转换器113由混合转换器实现，并且从整流电路112去除开关MR5。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4所示，混合转换器113包括开关M11-M14、电容C1_CP、输出电感L1和输出电容C3。如图4所示，输出电感L1和输出电容C3形成输出滤波器。开关M11、电容C1_CP和开关M13串联连接在VBUS和输出滤波器之间。如图4所示，将开关M11和电容C1_CP的共同节点表示为CP1+。同样地，将开关M13和电容C1_CP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4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C1_CP充当电荷泵电容。在本说明书中，电容C1_CP在另一些实施例中还被称为电荷泵电容C1_CP。

混合转换器113可在三个不同的运行模式(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分四个不同的阶段操作。在每个阶段中，取决于输入电压VBUS、电荷泵电容C1_CP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(ramp up)或线性下降(ramp down)。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的输出电压来调节混合充电系统100的输出电压。

在电荷泵模式中，混合转换器113分两个不同的阶段操作。在电荷泵模式中，混合转换器113充当电荷泵转换器，这在上文已经进行过详细描述，因此这里不再论述。

在降压模式中，混合转换器113分两个不同的阶段操作。开关M12和开关M13保持导通。因此，电荷泵电容C1_CP被短接并且不属于降压模式的一部分。在每个阶段中，取决于输入电压VBUS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下降。此外，为了在降压模式和电荷泵模式之间平稳转变，混合转换器113可在自动模式中运行。在自动模式中，当降压模式可适用于混合转换器113时，电荷泵电容浮动。

在一些实施例中，当混合充电系统100以无线充电模式运行时，第一功率转换器113作为稳压器。当混合充电系统以有线充电模式运行时，第一功率转换器113作为电荷泵转换器。换句话说，在有线充电模式期间，混合充电系统依赖于适配器来调节混合充电系统的输出电压。

此外，在轻负载期间，适配器的瞬态响应速度不足以调节混合充电系统100的输出电压。第一功率转换器113可作为混合转换器运行以便调节混合充电系统100的输出电压。

图5示出本申请实施例图1所示的混合充电系统的第二实施例的功能框图。图5中示出的混合充电系统与图2中示出的混合充电系统类似，不同之处在于电压总线VBUS位于第一功率转换器113的输出端。如图5所示，无线电能传输路径包括整流电路112、第一功率转换器113和第二功率转换器123。有线电能传输路径包括负载开关装置153和第二功率转换器123。

图6示出本申请各种实施例在图5中示出的混合充电系统的第一实施例的电路原理图。图6中示出的混合充电系统与图3中示出的混合充电系统类似，不同之处在于，电压总线VBUS位于第一功率转换器113的输出端。上文关于图3描述了功率转换器113和123的操作原理，因此这里不再论述。

在运行时，当混合充电系统100被配置成以有线充电模式操作时，M6和M7接通。MR5、MR1-MR4和M11-M14关断。另一方面，当混合充电系统100被配置成以无线充电模式操作时，M6和M7关断。MR5接通。

图7示出本申请实施例在图5中示出的混合充电系统的第二实施例的电路原理图。图7中示出的混合充电系统与图4中示出的混合充电系统类似，不同之处在于，电压总线VBUS位于第一功率转换器113的输出端。上文关于图4描述了功率转换器113和123的操作原理，因此这里不再论述。

图8示出本申请实施例的混合充电系统的控制器的框图。控制器200可用于控制混合充电系统100的运行。控制器200可以是移动装置的中央处理单元(CPU)、移动装置的辅助控制器、微控制器或任何合适的控制装置。

如图8所示，控制器200可包括传感器单元和通信/控制单元。传感器单元被配置成接收多个工作参数，诸如VBUS的电压、流过VBUS的电流、第一功率转换器113的输出电压、流过第一功率转换器113的输出端的电流、第二功率转换器123的输出电压、流过第二功率转换器123的输出端的电流、USB端口151(VUSB)的输出电压和工作温度。

基于检测到的工作参数，控制器200生成用于控制USB端口151的操作的第一控制信号和用于控制无线电能传输路径的操作的第二控制信号。

图9示出本申请实施例用于对图1中示出的混合充电系统运用电池充电控制机制的流程图。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、替换和修改。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。

请继续参阅图1，混合充电系统包括：被配置成将交流电压转换成直流电压的整流电路；连接在电压总线和被配置成连接到电源(例如，适配器)的电源端口(例如，USB端口)之间的负载开关；以及级联连接在整流电路和电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器。

在一些实施例中，第一功率转换器是第一电荷泵功率转换器。第一电荷泵功率转换器的输出电压等于第一电荷泵功率转换器的输入电压的一半。第二功率转换器是配置成充当第二分压器的第二电荷泵功率转换器。第二电荷泵功率转换器的输出电压等于第二电荷泵功率转换器的输入电压的一半。

在另一些实施例中，第一功率转换器是混合转换器。该混合转换器包括：串联连接在输入电压源和输出滤波器之间的第一开关、电容和第二开关；连接在第一开关和电容的共同节点与第二开关和输出滤波器的共同节点之间的第三开关；以及连接在电容和第二开关的共同节点与地之间的第四开关。第二功率转换器是电荷泵功率转换器，被配置成分压器。

在步骤902，通过多个传感器单元检测混合充电系统的多个工作参数。工作参数包括电压总线VBUS上的电压、USB端口的输出电压、系统温度、第一功率转换器的输出电压、第二功率转换器的输出电压、流过第一功率转换器的电流、流过第二功率转换器的电流、流过电压总线VBUS的电流等。通过控制器处理检测获得的工作参数。

在步骤904，当混合充电系统的电源(例如，通过线缆连接到混合充电系统的USB端口的插头)被切断时，混合充电系统被配置成以无线充电模式运行，对电池充电。

在将混合充电系统配置成以无线充电模式操作的步骤之前，控制器执行以下步骤：检测电压总线(VBUS)上的压降；将压降与第一预定阈值进行比较；在压降低于第一预定阈值时，关断负载开关；以及令连接在整流器和电压总线之间的开关导通。在无线充电模式期间，混合充电系统可通过调整耦合到发射线圈的发射电路的工作参数来控制混合充电系统的输出电压。

在步骤906，当电源(例如插头)连接到混合充电系统时，混合充电系统被配置成以有线充电模式运行，对电池充电。在将混合充电系统配置成以有线充电模式操作的步骤之前，控制器执行以下步骤：检测电源端口(VUSB)上的电压；将电源端口上的电压与第二预定阈值进行比较；在电源端口上的电压大于第二预定阈值之后，关断连接在整流器和电压总线之间的开关；并且在经过预设的延迟后，令连接在电源端口和电压总线之间的负载开关导通。

在有线充电模式期间，混合充电系统可通过调整电源(例如，适配器)的工作参数来控制混合充电系统的输出电压。

应当说明的是，如果第一功率转换器由混合转换器实现，那么在有线充电模式或无线充电模式期间，可通过调节第一功率转换器来控制充电系统的输出电压。

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，本申请的范围不局限于本说明书中描述的过程、机器、制造设备、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将来发展的过程、机器、制造设备、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、制造设备、物质组成、方式、方法或步骤。

Claims (20)

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；

具有连接到电源的第一端子和耦合到所述整流器的输出端的第二端子的负载开关；

连接到所述整流器的所述输出端的第一功率转换器；以及

连接到所述第一功率转换器的输出端的第二功率转换器。

2.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，

所述第一功率转换器是第一电荷泵功率转换器，所述第一电荷泵功率转换器的输出电压等于所述第一电荷泵功率转换器的输入电压的一半；并且

所述第二功率转换器是第二电荷泵功率转换器，被配置成发挥分压器的作用；所述第二电荷泵功率转换器的输出电压等于所述第二电荷泵功率转换器的输入电压的一半。

3.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，所述第一功率转换器是混合转换器，

所述第一功率转换器包括：串联连接在输入电压源和输出滤波器之间的第一开关、电容和第二开关；

连接在所述第一开关和所述电容的共同节点与所述第二开关和所述输出滤波器的共同节点之间的第三开关；以及

连接在所述电容和所述第二开关的共同节点与地之间的第四开关；并且

所述第二功率转换器是电荷泵功率转换器，被配置成发挥分压器的作用。

4.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，所述电源是USB端口，被配置成通过USB线缆与插头连接。

5.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，所述交流电压由与磁耦合到无线电能传输系统的发射线圈的接收线圈生成。

6.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，

所述整流器、所述第一功率转换器和所述第二功率转换器级联连接在接收线圈和负载之间；

所述负载开关的所述第二端子连接到所述整流器和所述第一功率转换器之间的电压总线。

7.如权利要求1所述的充电设备，其特征在于，

所述整流器、所述第一功率转换器和所述第二功率转换器级联连接在接收线圈和负载之间；

所述负载开关的所述第二端子连接到所述第一功率转换器和所述第二功率转换器之间的电压总线。

8.一种充电方法，其特征在于，包括：

在所述混合充电系统切断电源后，配置混合充电系统以无线充电模式运行，对电池充电；所述混合充电系统包括：

被配置成将交流电压转换成直流电压的整流器；

连接在电压总线和被配置成连接到所述电源的电源端口之间的负载开关；以及

级联连接在所述整流器和所述电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器；以及

在所述电源连接到所述混合充电系统后，配置所述混合充电系统以有线充电模式运行，对电池充电。

9.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，在所述配置混合充电系统以无线充电模式运行的步骤之前，还包括；

检测所述电压总线上的电压降；

比较所述电压降与第一预定阈值；

在所述电压降低于所述第一预定阈值之后，关断所述负载开关；以及

令连接在所述整流器和所述电压总线之间的开关导通。

10.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，在所述配置所述混合充电系统以有线充电模式运行，对电池充电的步骤之前，还包括；

检测所述电源端口的电压；

将所述电源端口的所述电压与第二预定阈值进行比较；

在所述电源端口的所述电压大于所述第二预定阈值时，关断连接在所述整流器和电压总线之间的开关；以及

在经过预设的延迟后，令连接在所述电源端口和所述电压总线之间的所述负载开关导通。

11.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述电压总线位于所述整流器和所述第一功率转换器之间。

12.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述电压总线位于所述第一功率转换器和所述第二功率转换器之间。

13.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，

通过接收线圈生成所述交流电压；所述接收线圈被配置成磁耦合到无线电能传输装置的发射线圈；

所述第一功率转换器为第一电荷泵功率转换器，所述第一电荷泵功率转换器的输出电压等于所述第一电荷泵功率转换器的输入电压的一半；并且

所述第二功率转换器为第二电荷泵功率转换器，所述第二电荷泵功率转换器的输出电压等于所述第二电荷泵功率转换器的输入电压的一半。

14.如权利要求13所述的充电方法，其特征在于，还包括：

在所述无线充电模式中，通过调整耦合到所述发射线圈的发射电路的工作参数来控制所述混合充电系统的输出电压；以及

在所述有线充电模式中，通过调整所述电源的工作参数来控制所述混合充电系统的所述输出电压。

15.如权利要求8所述的充电方法，其特征在于，所述第一功率转换器是混合转换器，所述混合转换器包括：

串联连接在输入电源和输出滤波器之间的第一开关、电容和第二开关；

连接在所述第一开关和所述电容的共同节点与所述第二开关和所述输出滤波器的共同节点之间的第三开关；以及

连接在所述电容和所述第二开关的共同节点与地之间的第四开关；并且

所述第二功率转换器是电荷泵功率转换器，被配置为发挥分压器作用。

16.如权利要求15所述的充电方法，其特征在于，还包括：

通过调节所述混合转换器的输出电压来控制所述混合充电系统的输出电压。

17.一种充电系统，其特征在于，包括：

被配置成磁耦合到发射线圈的接收线圈；

通过开关连接到电压总线的整流器；

级联连接在所述开关和电池之间的第一功率转换器和第二功率转换器；以及

连接在所述电压总线和被配置成连接到电源的电源端口之间的负载开关。

18.如权利要求17所述的充电系统，其特征在于，所述电压总线位于所述第一功率转换器和第二功率转换器之间。

19.如权利要求17所述的充电系统，其特征在于，所述电源端口是USB端口，被配置成通过线缆连接到所述电源。

20.如权利要求17所述的充电系统，其特征在于，所述第一功率转换器是第一电荷泵功率转换器，所述第一电荷泵功率转换器的输出电压等于所述第一电荷泵功率转换器的输入电压的一半；并且

所述第二功率转换器是第二电荷泵功率转换器，所述第二电荷泵功率转换器的输出电压等于所述第二电荷泵功率转换器的输入电压的一半。

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