CN112154591A - 单开关调制电路和无线充电接收器 - Google Patents

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CN112154591A CN201980033666.8A CN201980033666A CN112154591A CN 112154591 A CN112154591 A CN 112154591A CN 201980033666 A CN201980033666 A CN 201980033666A CN 112154591 A CN112154591 A CN 112154591A
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Abstract

提供了一种提供通过无线路径从发射器输送的功率的无线充电接收器(10)。该接收器包括：整流电路(12)；LC电路(线圈，C)，该LC电路耦合到整流电路和发射器；单开关调制电路(14、16)，该单开关调制电路耦合到整流电路和LC电路；以及输出电路，该输出电路耦合到整流电路接收器还包括带内控制器(16)，该带内控制器耦合到LC电路和单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射参数。可以响应于检测到的LC电路的参数值来设置单开关调制电路的电阻值。电阻值可以被设置为使得整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常PDC值生成稳定的整流DC电压(RDCV)值、增大的RDCV值和减小的RDCV值中的一个。

Description

单开关调制电路和无线充电接收器
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月20日提交的标题为“A SINGLE SWITCH MODULATIONCIRCUIT AND WIRELESS CHARGING RECEIVER,”的美国临时专利申请号62/645292的优先权，据此为了所有目的以引证的方式将该申请的整个内容并入，如同在此全文阐述。
技术领域
本公开总体涉及充电系统，更具体地涉及在无线充电接收器中用于通过无线路径有效且划算地输送功率的调制技术的系统和方法。
背景技术
无线充电系统通常复杂，有效率低且昂贵。其中使用的一些典型的商业解决方案或部件包括：IDT(集成设备技术有限公司)(P9025AC-R-EVK、P9221-R-EVK)；恩智浦(NXP)美国有限公司(WPR 1500-BUCK)；意法半导体(STMicroelectroncis)公司(STEVAL-ISB036V1、STEVAL-ISB038V1R、STEVA1-ISB040V1)；德州仪器无线充电接收器(BQ51013BEVM、BQ51050BEVM、BQ51025EVM、BQ51221EVM)；以及升特(Semtech)无线充电接收器(TSDMRX-5W-EVM、TSDMRX-10W-EVM、TSDMRX-19V-20W-EVM、TSWIRX-5V2-EVM)。现有技术专利包括：US5963012-Wireless battery charging system having adaptive parameter sensing(具有自适应参数感测的无线电池充电系统)；US8111042-Integrated wireless resonantpower charging and communication channel(集成的无线谐振功率充电和通信信道)；以及USRE44713-Wireless charger system for battery pack solution and controllingmethod thereof(用于电池组解决方案的无线充电器系统及其控制方法)。本文提出的解决方案克服了现有技术系统的限制。
发明内容
提供了一种无线充电接收器，该无线充电接收器用于从发射器接收RF功率并以有效且划算的方式输送功率。接收器可以接收RF功率并对其进行整流，使得来自入射功率的反射信号对提供给输出电路(诸如稳压器或电池充电器)的功率的影响最小。接收器能够通过更有效的滤波和整流电路来提供直流功率，并且可以使用最少的相对电路配置来这样做。
在实施方式中，提供了一种用于从发射器接收RF功率的无线充电接收器。该接收器可以包括：整流电路；LC电路，该LC电路耦合到整流电路和发射器；单开关调制电路，该单开关调制电路耦合到整流电路和LC电路；输出电路，该输出电路耦合到整流电路；以及其他合适的部件，其中，可以响应于检测到的LC电路的参数值来设置单开关调制电路的电阻值。
在实施方式中，接收器包括带内控制器，该带内控制器耦合到LC电路和单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射功率。电阻值可以被设置为使得整流电路响应于检测到的反射功率而相对于正常整流直流电压(RDCV)值生成稳定的PDC值。电阻值还可以或另选地被设置为使得整流电路响应于检测到的反射功率而相对于正常PDC值生成增大的PDC值。电阻值还可以或另选地被设置为使得整流电路响应于检测到的反射功率而相对于正常PDC值生成减小的RDCV值。单开关调制电路可以包括BJT、MOSFET或JFET中的一个或多个。输出电路可以包括开关稳压器、线性稳压器或电池充电器中的一个或多个。
在又一实施方式中，提供了一种用于从发射器接收RF功率的无线充电接收器。该接收器可以包括：整流电路；LC电路，该LC电路耦合到整流电路和发射器；单开关调制电路，该单开关调制电路耦合到整流电路和LC电路；以及其他合适的部件，其中，可以响应于检测到的LC电路的参数值来设置单开关调制电路的电阻值。
在该实施方式中，接收器可以包括带内控制器，该带内控制器耦合到LC电路和单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射功率。电阻值可以被设置为使得整流电路响应于反射的RF功率而相对于正常值生成稳定的RDCV值。电阻值还可以或另选地被设置为使得整流电路响应于反射功率而相对于正常值生成增大的RDCV值。电阻值还可以或另选地被设置为使得整流电路响应于反射功率而相对于正常值生成减小的RPDV值。单开关调制电路可以包括BJT、MOSFET或JFET中的一个或多个。
在又一实施方式中，提供了一种用于从发射器接收RF功率的无线充电接收器。该接收器可以包括：整流电路；LC电路，该LC电路耦合到整流电路和发射器；调制电路，该调制电路耦合到整流电路和LC电路；输出电路，该输出电路耦合到整流电路；以及其他合适的部件，其中，可以响应于检测到的LC电路的参数值来设置单开关调制电路的电阻值。
在该实施方式中，接收器可以包括带内控制器，该带内控制器耦合到LC电路和单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射功率。电阻值可以被设置为使得整流电路进行以下内容中的一项或多项：响应于反射功率相对于正常值生成稳定的RDCV值，响应于反射功率相对于正常值生成增大的RDCV值，响应于反射功率或其他合适的信号相对于正常值生成减小的RDCV值。单开关调制电路可以包括BJT、MOSFET或JFET中的一个或多个。输出电路可以是开关稳压器、线性稳压器或电池充电器中的一个。调制电路可以是单开关电路或其他合适的电路。
本公开的其他系统、方法、特征以及优点在检查以下附图和具体实施方式时将对本领域技术人员清楚或将对本领域技术人员变得清楚。预期的是所有这种另外的系统、方法、特征以及优点被包括在该说明书内，在本公开的范围内，并且受所附权利要求保护。
附图说明
本公开的方面可以参见以下附图来更佳地理解。附图中的部件可以是等比例，但重点置于清楚地例示本公开的原理。而且，在附图中，同样的附图标记贯穿若干视图指定对应的零件，并且在附图中：
图1A描绘了根据某些示例实施方式的具有单个开关的无线充电接收器和调制电路；
图1B描绘了根据某些示例实施方式的具有单个开关的另选无线充电接收器和调制电路；
图2A描绘了根据某些示例实施方式的具有与整流器集成的单个开关的无线充电接收器和调制电路；
图2B描绘了根据某些示例实施方式的具有与整流器集成的单个开关的另选无线充电接收器和调制电路；
图3A描绘了根据某些示例实施方式的具有单个开关和电阻器的无线充电接收器和调制电路；
图3B描绘了根据某些示例实施方式的具有单个开关和电阻器的另选无线充电接收器和调制电路；
图4A描绘了根据某些示例实施方式的与同步整流器集成的无线充电接收器和调制电路；
图4B描绘了根据某些示例实施方式的与同步整流器集成的另选无线充电接收器和调制电路；
图5描绘了示例性的JFET、MOSFET和BJT开关；以及
图6描绘了根据某些示例实施方式的开关栅极电压、跨接收器上的滤波电容器的RDCV以及跨发射器上的谐振电容器的峰值AC电压的曲线图。
具体实施方式
虽然下面详细讨论了本公开的各种实施方式的制造和使用，但是应当理解，本公开提供了许多适用的发明构思，这些构思可以在各种各样的特定上下文中具体实施。本文讨论的具体实施方式仅是例示性的，并不限制本公开的范围。为了清楚起见，不是实际实施方案的所有特征都可以在本公开中描述。当然将理解，在任意这种实际实施方式的开发中，必须进行大量的实施方案特定决策，以实现开发者的具体目标，诸如符合将从一个实施方案到另一个实施方案变化的系统相关和商业相关约束。而且，将理解，这种开发努力可能复杂且耗时，但将是具有本公开权益的本领域普通技术人员的日常任务。
在下面的描述中，同样的零件在整个说明书和附图中用相同的附图标记来标记。附图可以不是等比例，并且为了清楚和简洁起见，某些部件可以以概括或示意性形式示出并且通过通用规号来标识。
本文提出的示例实施方式针对与无线充电系统一起使用的系统、方法和设备产品。系统包括新颖的创新的无线充电接收器。接收器从发射器接收RF功率，并以有效且划算的方式输送功率。接收器对功率进行滤波和整流，使得来自入射功率的反射信号对提供给输出电路的功率影响最小或没有影响。接收器能够通过使用最小的电路配置来提供DC功率。另外，在某些使用情况下，接收器可以直接耦合到电池充电器，或另选地耦合到稳压器。
现在参见图1A和图1B，例示了根据特定实施方式的具有单个开关的无线充电接收器和调制电路，总体分别表示为10和20。在图1A和图1B的实施方式中，接收器10、20包括整流器12、22，调制电路14、24，带内控制器(in-band controller)16、26，LC输入电路以及输出电路。调制电路20、22可以仅包括开关中的一个(S)或其他合适的部件。开关(S)可以连接到整流器16、18的任一中点，并且另一端子可以连接到地。开关(S)的栅极电压可以以受控的方式增大，以便将导通电阻调节到期望值。可以基于来自各个带内控制器16、24的反馈将导通电阻调节至期望值，使得可以调节导通电阻和LC电路的参数值，以便使效率最大化。如果期望的等效电阻太低，则可以通过降低开关的栅极电压来实现较高的等效电阻。换言之，取决于应用，可以调节开关的等效电阻，以改变开关电阻和LC电路的参数值。这样做时，可以根据应用要求调节整流器的输出直流电压(RCDV)或保持其稳定，以便补偿反射的功率损耗。
参见图2A和图2B，例示了根据某些示例实施方式的、具有与整流器集成的单个开关的无线充电接收器和调制电路，总体分别表示为50和60。在图2A和图2B的实施方式中，接收器50、60包括整流器52、62，调制电路54、64，带内控制器56、66，LC电路以及输出电路。调制电路54、64可以仅包括开关中的一个(S)或其他合适的部件。在该实施方式中，由于FET包括体二极管，所以FET开关(S)可以包括在整流器52、62中。开关(S)的栅极电压可以以受控的方式增大，以便将导通电阻调节到期望值。可以基于来自各个带内控制器56、66的反馈将导通电阻调节至期望值，使得可以调节导通电阻和LC电路的参数值，以便使效率最大化。如果期望的等效电阻太低，则可以通过降低开关的栅极电压来实现较高的等效电阻。
现在参见图3A和图3B，例示了根据某些示例实施方式的、具有单个开关和电阻器的无线充电接收器和调制电路，总体分别表示为100和110。在图3A和图3B的实施方式中，接收器100、110包括整流器102、112，调制电路104、114，带内控制器106、116，LC电路以及输出电路。调制电路104、114可以仅包括开关中的一个(S)和一个电阻器或其他合适的部件。调制电路104、114可以连接到整流器102、112的任一中点，并且另一端子可以连接到地。在该实施方式中，调制电路104、114包括与开关(S)串联的电阻器。通过选择电阻器的电阻，可以基于来自相应带内控制器106、116的反馈将等效导通电阻调节至期望值，以便调节相应LC电路的参数值。如果期望的等效电阻太低，则可以通过降低开关的栅极电压来实现较高的等效电阻。
现在参见图4A和图4B，例示了根据某些示例实施方式的、与同步整流器集成的无线充电接收器和调制电路，总体分别表示为150和160。接收器150、160包括整流器152、162，带内控制器154、164，LC电路以及输出电路。整流器152包括S1-S4，其中可以响应于来自带内控制器154的反馈来调制开关中的一个的栅极电压，以便引入电阻值，以修改或调节LC电路的参数值，使得接收器150可以更有效地操作。整流器162包括两个二极管以及两个开关S1和S2，其中可以响应于来自带内控制器164的反馈来调制开关中的一个的栅极电压，以便修改或调节LC电路的参数值，使得接收器160可以更有效地运行。
如图1至图4的前述实施方式中的LC输入电路可以与处于两种不同配置的相应调制电路并联，例如如图1A和图1B例示，其中L或C与调制电路并联。在图1至图4的前述实施方式中，输出电路可以是开关稳压器、线性稳压器或电池充电器。整流器可以是桥式整流器，并且调制电路的开关可以是JFET、MOSFET或BJT，如图5例示。在图1至图4的前述实施方式中，带内控制器可以基于使用情况调制相应调制电路的开关的栅极电压。换言之，取决于应用，可以调节开关的等效电阻，以改变开关电阻和LC电路的参数值。这样做时，可以保持整流电路的输出RDCV稳定或调节该输出RDCV，以补偿反射功率。
现在参见图6，例示了根据某些示例实施方式的开关栅极电压、RDCV、输出电路的输出电压以及峰值AC电压的曲线图(a-c)。在一种使用情况下，并且如图6(a)例示，当接通调制电路的开关时，结果是发射端反射电压的峰值(AC_V)显著降低。当开关断开时，发射端的电压增加到正常水平。而且，RDCV电压恢复到正常水平。在另一种使用情况下，并且如图6(b)例示，可以响应于反射信号保持接收端的RDCV电压恒定，即不改变、增大或减小。在又一种使用情况下，并且如图6(c)例示，接收端的RDCV电压可以响应于反射信号减小。RDCV电压的控制取决于等效串联电阻(R)。在任何情况下，补偿方法将RDCV功率更有效地输送到输出电路。
在第一示例中，等效电阻为20mΩ，并且当开关接通时，RDCV电压增大，反射电压减小。当开关断开时，RDCV电压和反射电压均减小到稳态值。在另一示例中，等效电阻为60mΩ，并且当接通开关时，RDCV电压不变。同时，反射电压减小，这指示从RX端发送到TX端的信息。在另一示例中，当开关接通时，RDCV电压和反射电压减小。当开关断开时，RDCV电压和反射电压均增大到稳态值。
通过调节开关的栅极信号，发射端的压降波形不同，其包括关于接收端的信息。该信息可以通过检测发射端的压降来获得，该检测在无需额外的通信电路(如WI-FI、蓝牙等)的情况下提供带内通信。通过使用图1至图4的接收器结构设置等效电阻器，可以控制RDCV电压在调制周期期间增大、减小或不变。在这种情况下，在空闲时间(无调制)，RDCV电压能够设置得尽可能低(略高于输出电压)。RDCV电压必须高于输出电压。如果RDCV在调制周期期间减小，则为了保持RDCV电压始终高于输出电压，RDCV与输出电压之间的差在空闲时间可能足够大。如果RDCV在调制周期期间增大，则在空闲时间的RDCV与输出电压之间的差较小。
相比于现有技术，本公开的示例优点和改进包括：
1)通过在调制时使RDCV升高，可以将正常情况下的RDCV电压降低到最小值。因此，在绝大部分时间，TX发出的功率可能较低，这意味着TX端的效率较高。
2)如果连接BUCK稳压器作为输出状态，则低输入电压的BUCK稳压器实现高效率；
3)能够直接连接到线性稳压器作为输出级；
a)在空闲时间(大部分时间)，可以将RDCV电压调节为接近输出电压(略高于输出电压)。于是可以在输出状态下使用线性稳压器代替BUCK稳压器并实现高效率；并且
b)在调制周期期间，RDCV较高，并且线性稳压器可以保持输出恒定。效率较低，但是不长时间维持该状态；
4)能够直接连接到电池充电器作为输出级：
a)在空闲时间(大部分时间)，可以将RDCV电压调节为接近输出电压(略高于输出电压)。于是可以在输出状态下使用线性稳压器代替BUCK稳压器并可以实现高效率；并且
b)在调制周期期间，RDCV较高，并且线性稳压器可以保持输出恒定。效率较低，但是不长时间维持该状态；
5)仅需要一个FET或一个FET加一个电阻器(但也可以或另选地使用其他合适的部件)，这可以降低接收电路的成本和尺寸；
6)如果在RX端上使用同步整流器，则可以将单FET调制电路集成到同步整流器中。由此，不需要额外的电路；并且
7)易于将FET集成到RX零件/IC芯片中。
如本文所用的，单数形式“一”和“一个”旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚指示。还将理解，术语“包括”在用于本说明书中时指定所叙述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。如本文所用的，术语“和/或”包括关联所列项中的一个或更多个的任意和全部组合。如本文所用的，诸如“在X与Y之间”和“在大约X与Y之间”的短语应被解释为包括X和Y。如本文所用的，诸如“在大约X与Y之间”的短语意指“在大约X与大约Y之间”。如本文所用的，诸如“从大约X到Y”的短语意指“从大约X到大约Y”。
如本文所用的，“硬件”可以包括分立部件、集成电路、专用集成电路、现场可编程门阵列或其他合适硬件的组合。
应该强调的是，上述实施方式仅仅是可能实施方案的示例。可以在不偏离本公开的原理的情况下对上述实施方式进行许多变更和修改。所有这种修改和变更旨在在本文中包括在本公开的范围内并受所附权利要求保护。

Claims (20)

1.一种用于从发射器接收RF功率的无线充电接收器，该无线充电接收器包括：
整流电路；
LC电路，该LC电路耦合到所述整流电路和所述发射器；
单开关调制电路，该单开关调制电路耦合到所述整流电路和所述LC电路；
输出电路，该输出电路耦合到所述整流电路；
其中，响应于检测到的所述LC电路的参数值来设置所述单开关调制电路的电阻值。
2.根据权利要求1所述的接收器，还包括带内控制器，该带内控制器耦合到所述LC电路和所述单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射参数。
3.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常RDCV值生成稳定的RDCV值。
4.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常RDCV值生成增大的RDCV值。
5.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常RDCV值生成减小的RDCV值。
6.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述单开关调制电路是BJT、MOSFET或JFET中的一个。
7.根据权利要求1所述的接收器，其中，所述输出电路是开关稳压器、线性稳压器或电池充电器中的一个。
8.一种用于从发射器接收RF功率的无线充电接收器，该无线充电接收器包括：
整流电路；
LC电路，该LC电路耦合到所述整流电路和所述发射器；
单开关调制电路，该单开关调制电路耦合到所述整流电路和所述LC电路；
其中，响应于检测到的所述LC电路的参数值来设置所述单开关调制电路的电阻值。
9.根据权利要求8所述的接收器，还包括带内控制器，该带内控制器耦合到所述LC电路和所述单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射参数。
10.根据权利要求8所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常RDCV值生成稳定的RDCV值。
11.根据权利要求8所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常RDCV值生成增大的RDCV值。
12.根据权利要求8所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路响应于所接收的RF功率而相对于正常RDCV值生成减小的RDCV值。
13.根据权利要求8所述的接收器，其中，所述单开关调制电路是BJT、MOSFET或JFET中的一个。
14.根据权利要求1所述的系统，还包括：
输出电路，该输出电路耦合到所述整流电路；并且
其中，所述输出电路是开关稳压器、线性稳压器或电池充电器中的一个。
15.一种用于从发射器接收RF功率的无线充电接收器，该无线充电接收器包括：
整流电路；
LC电路，该LC电路耦合到所述整流电路和所述发射器；
调制电路，该调制电路耦合到所述整流电路和所述LC电路；
输出电路，该输出电路耦合到所述整流电路；
其中，响应于检测到的所述LC电路的参数值来设置单开关调制电路的电阻值。
16.根据权利要求15所述的接收器，还包括带内控制器，该带内控制器耦合到所述LC电路和所述单开关调制电路，能够操作来检测来自入射RF功率的反射参数。
17.根据权利要求15所述的接收器，其中，所述电阻值被设置为使得所述整流电路进行以下内容中的一项或多项：
响应于所接收的RF功率相对于正常RDCV值生成稳定的RDCV值；
响应于所接收的RF功率相对于正常RDCV值生成增大的RDCV值；以及
响应于所接收的RF功率相对于正常RDCV值生成减小的RDCV值。
18.根据权利要求15所述的接收器，其中，所述单开关调制电路是BJT、MOSFET或JFET中的一个。
19.根据权利要求15所述的接收器，其中，所述输出电路是开关稳压器、线性稳压器或电池充电器中的一个。
20.根据权利要求15所述的接收器，其中，所述调制电路是单开关电路。
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