CN114553264A - 无线功率发送模块及其控制方法 - Google Patents

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CN114553264A CN202110320417.6A CN202110320417A CN114553264A CN 114553264 A CN114553264 A CN 114553264A CN 202110320417 A CN202110320417 A CN 202110320417A CN 114553264 A CN114553264 A CN 114553264A
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Abstract

本发明提供一种无线功率发送模块及其控制方法。在一实施例中，无线功率发送模块包含有一谐振电路、一直流稳态预设电路、以及一品质因子检测器。该谐振电路具有一输入端以及一检测端。该直流稳态预设电路提供一DC偏压至该输入端，用以使该谐振电路处于一第一预设DC稳态。该品质因子检测器使该谐振电路朝向一第二预设DC稳态前进；计数该检测端上的一检测信号交越一预设值的次数；以及，依据该次数计算Q值，来决定是否供电给一无线功率接收模块。

Description

无线功率发送模块及其控制方法
技术领域
本发明涉及无线功率传输系统，尤其涉及可以快速计算无线功率传输系统中的品质因子来决定是否传输功率的相关装置与方法。
背景技术
无线功率传输系统作为一种无需电线或是连接器即可传送电力的便捷方式，因而越来越受欢迎。无线功率传输系统中的无线功率发送模块，可以驱动供电线圈产生谐振，而发出射频电磁波。无线功率接收模块中的线圈可以因为电磁感应而产生感应电流，转换后形成直流电源供电给电子装置。
只是，如果在无线功率发送模块与无线功率接收模块之间有异物，特别是金属，那这异物可能吸收射频电磁波，造成自身的温度提高，严重者甚至会引发火灾。因此，异物检测为无线功率传输系统的重要功能之一。
无线充电联盟(wireless power consortium，WPC)建议来检测品质因子(Qualityfactor)，来判断是否有无异物。
发明内容
本发明实施例提供一种无线功率发送模块，包含有一谐振电路、一直流稳态预设电路、以及一品质因子检测器。该谐振电路具有一输入端以及一检测端。该直流稳态预设电路提供一DC偏压至该输入端，用以使该谐振电路处于一第一预设DC稳态。驱动电路FBDG控制该谐振电路朝向一第二预设DC稳态前进；计数该检测端上的一检测信号交越一预设值的次数；以及，依据该次数计算Q值，来决定是否供电给一无线功率接收模块。
本发明实施例提供一种适用于一无线功率发送模块的控制方法。该无线功率发送模块包含有一谐振电路。该控制方法包含有：使该谐振电路大致处于一第一预设DC稳态；使该谐振电路离开该第一预设DC稳态，朝一第二预设DC稳态前进；计数该谐振电路所提供的一检测信号交越一预设值的次数；以及，依据该次数，决定是否供电给一无线功率接收模块。
附图说明
图1显示无线功率传输系统100；
图2显示适用于无线功率发送模块TR的控制方法200；
图3显示控制方法200操作下，图1中输入信号VDR、电容跨压VCT、代表信号VDDR的信号波形，以及次数CN；以及
图4显示在每一个固定长度的正常供电时段TPT之后，都接续了品质因子检查时段TQ。
【符号说明】
100 无线功率传输系统
200 控制方法
CM 比较器
CN 次数
CNTR 计数器
CT、CTC 电容
DVR 分压器
FBDG 驱动电路
G1、G2、G3、G4 门控端
LT 发射线圈
LR 接收线圈
PCSR 处理器
PSC 直流稳态预设电路
Q1、Q2 上臂开关
Q3、Q4 下臂开关
QC 品质因子检测器
RCV 无线功率接收模块
RNT 谐振电路
S1、S2、S3、S4 步骤
SW1 设定开关
t0 时间点
TMSR 计算时段
TQ 品质因子检查时段
TRDY 稳定时段
TR 无线功率发送模块
VA DC偏压
VCT 电容跨压
VDD 电压
VDD 电源线
VDDR 代表信号
VDR 输入信号
VDR 输入端
VDRG 输入端
VL 检测信号
VL 检测端
VR 参考信号
VSET 电压
具体实施方式
以下本发明实施例以一简单的LC谐振电路，来做为无线功率传输中，发出射频电磁波的谐振电路，但本发明并不限于此。本发明的实施例可以采用是其他种类的谐振电路。此说明书所揭示的实施例并没有要用来局限本发明的权利范围。
本发明的一实施例中，先使一LC谐振电路大致处于一第一预设DC(直流)稳态。接着，利用改变该LC谐振电路的输入端的输入电压，使得该LC谐振电路离开该第一预设DC稳态，其中LC谐振电路所存的能量随着时间衰减，而朝向一第二预设DC稳态前进。在朝向该第二预设DC稳态前进的过程中，计数LC谐振电路所提供的一检测信号交越一预设值的次数。然后，依据该次数，来判断是否有异物，并决定是否供电给一无线功率接收模块。
使该LC谐振电路离开该第一预设DC稳态，而朝向该第二DC稳态前进时，可以知道该检测信号朝向该第二DC稳态前进的起始条件。该检测信号从这起始条件到该检测信号不交越该预设值的时间，可以用来判断品质因子。
举例来说，如果该次数很少，表示检测信号在很短时间内就不交越该预设值了，那表示衰减(damping)得很快，品质因子很低，可能有异物在无线功率发送模块附近吸收能量，所以就不供电给该无线功率接收模块。
相反的，如果该次数很多，表示该LC谐振电路在谐振下所存的能量不太会衰减，表示品质因子很高，很可能没有异物在附近。无线功率发送模块可以供电给该无线功率接收模块。
图1显示无线功率传输系统100，包含有无线功率发送模块TR以及无线功率接收模块RCV。无线功率发送模块TR可激励(energize)发射线圈(transmit coil)LT，以无线的方式，传送功率给无线功率接收模块RCV中的接收线圈(receiver coil)LR。无线功率接收模块RCV将接收线圈LR上的感应电流整流后，可以提供无线功率接收模块RCV内部电路操作所需要的电源。
无线功率发送模块TR包含有谐振电路RNT、驱动电路FBDG、直流稳态预设电路PSC、以及品质因子检测器QC。
谐振电路RNT具有串联的电容CT以及发射线圈LT，构成一LC谐振电路，但本发明不限于此。举例来说，在其他实施例中，谐振电路RNT可以具有其他的电容和/或电感，用来调整谐振电路RNT的谐振频率。图1中，电容CT的两端分别是输入端VDR以及检测端VL，而输入端VDR以及检测端VL上分别有输入信号VDR以及检测信号VL。
驱动电路FBDG可以激励(energize)谐振电路RNT，使得谐振电路RNT谐振，通过发送线圈LT，发送电磁能。在图1中，驱动电路FBDG是一全桥式驱动器(full-bridge driver)，具有上臂开关Q1、Q2、以及下臂开关Q3、Q4。上臂开关Q1与下臂开关Q3串接于提供电压VDD的电源线VDD与接地线之间，其中的连接点电性连接到谐振电路RNT的输入端VDRG。类似的，上臂开关Q2与下臂开关Q4串接于电源线VDD与接地线之间，其中的连接点电性连接到谐振电路RNT的输入端VDR。电压VDD跟接地线的0V都是电源电压。只要给予适当信号于上臂开关Q1、Q2的门控端G1、G2以及下臂开关Q3、Q4的门控端G3、G4，谐振电路RNT就可以振荡于想要的频率，来对无线功率接收模块RCV供电。一般来说，在驱动电路FBDG激励谐振电路RNT时，门控端G1、G2、G3、与G4上的信号随着时间而交替变换，门控端G1与G3上的信号大致互补，而门控端G2与G4上的信号大致互补。
在其他实施例中，驱动电路FBDG可以不是全桥式驱动器。举例来说，在一些实施例中，驱动电路FBDG是一半桥驱动器，其中没有上臂开关Q1与下臂开关Q3，而输入端VDRG电性连接到接地线。
直流稳态预设电路PSC包含有设定开关SW1以及提供DC偏压VA的一电压源。当设定开关SW1开启(呈现电性短路状态)，上臂开关Q1、Q2与下臂开关Q4关闭(呈现电性开路状态)，下臂开关Q3开启(呈现电性短路状态)时，直流稳态预设电路PSC可以将DC偏压VA提供给输入端VDR。只要时间够长，谐振电路RNT将会处于DC稳态STDY0。在此，一DC稳态指的是谐振电路RNT中的电压电流大致都为常数，不随着时间而改变，或是改变的非常少。举例来说，当输入端VDR上的输入信号VDR为DC偏压VA，而输入端VDRG接地时，谐振电路RNT最终所处的DC稳态STDY0将会是检测端VL上的检测信号VL为0V(接地)，流经发射线圈LT的电流为0A，电容CT上的电容跨压VCT是DC偏压VA。
品质因子检测器QC，如同图1所举例的，具有电容CTC、分压器DVR、比较器CM、计数器CNTR、以及处理器PCSR。图1只是举例说明，并非用于限制本发明。在其他实施例中，依据本发明所实施的品质因子检测器QC可能具有不同的结构。
电容CTC将检测信号VL中的交流部分耦合给分压器DVR。分压器DVR将检测信号VL分压，产生大约比例的代表信号VDDR，来代表检测信号VL。比较器CM比较代表信号VDDR与参考信号VR。在一实施例中，比较器CM与分压器DVR之间有一放大器(未显示)，用来放大分压器DVR的连接点上的信号，产生代表信号VDDR送给比较器CM。分压器DVR与比较器CM架构来检测检测信号VL是否交越比例于参考信号VR的一预设值。计数器CNTR依据比较器CM的输出，来产生次数CN，用来计数检测信号VL交越该预设值的次数。图1中的例子，次数CN是检测信号VL上升超过该预设值的次数CNUP，但在其他的实施例中，次数CN可以是检测信号VL下降低于该预设值的次数CNDN、或是次数CNUP与次数CNDN的和。
处理器PCSR可以是微处理器或是数字信号处理器，控制驱动电路FBDG、直流稳态预设电路PSC以及计数器CNTR。处理器PCSR可以依据次数CN，来决定是否供电给无线功率接收模块RCV。依据次数CN以及一预设计算公式，处理器PCSR可以计算出一品质因子Q，稍后将详细解释。当品质因子Q超过预设标准时，处理器PCSR可以关闭设定开关SW1(呈现电性开路状态)，并提供适当的驱动信号给驱动电路FBDG，来激励谐振电路RNT，供电给无线功率接收模块RCV。相反的，当品质因子Q低于预设品质因子参考值，就禁止供电给无线功率接收模块RCV。
当直流稳态预设电路PSC禁能时，处理器PCSR也可以控制驱动电路FBDG，来提供跟DC偏压VA不同的另一DC偏压。举例来说，在计算时段TMSR(稍后将解释)内，处理器PCSR提供适当的信号给门控端G1、G2、G3、G4，使得上臂开关Q1与下臂开关Q4关闭(呈现电性开路状态)，上臂开关Q2与下臂开关Q3开启(呈现电性短路状态)。因此，在计算时段TMSR，输入端VDR上的输入信号VDR为电压VDD，输入端VDRG接地，谐振电路RNT前进朝向的DC稳态STDYNEW将会是检测端VL上的检测信号VL为0V(接地)，流经发射线圈LT的电流为0A，电容CT上的电容跨压VCT是电压VDD。
图2显示适用于无线功率发送模块TR的控制方法200，图3显示控制方法200操作下，图1中输入信号VDR、电容跨压VCT、代表信号VDDR的信号波形，以及次数CN。如同先前所解释的，代表信号VDDR可以代表检测信号VL，举例来说，在图3中，VDDR＝K*VL，其中K为一常数，由分压器DVR所决定。在其他实施例中，代表信号VDDR跟检测信号VL之间的关系：常数K，是由其间的电路架构所决定。举例来说，如果传递信号路径中间有个放大器，这个常数K就需要考虑放大器的放大增益。
请参阅图2与图3。图2中，步骤S1使谐振电路RNT大致处于DC稳态STDY0。图3中，品质因子检查时段TQ包含有，但是不限于，稳定时段TRDY以及接续在后的计算时段TMSR。在稳定时段TRDY，设定开关SW1开启(呈现电性短路状态)，上臂开关Q1、Q2与下臂开关Q4关闭(呈现电性开路状态)，下臂开关Q3开启(呈现电性短路状态)，输入端VDR上的输入信号VDR为DC偏压VA，如同图3所示。只要稳定时段TRDY够长，谐振电路RNT最后大约会处于DC稳态STDY0，其中的状态包含有，但不限于有，电容CT上的电容跨压VCT是DC偏压VA，以及代表信号VDDR(代表检测信号VL)为0V，如同图3所示。
图2中，步骤S2接续步骤S1，改变输入信号VDR，使得谐振电路RNT朝DC稳态STDYNEW前进。在图3的时间点t0(稳定时段TRDY的终点，也是计算时段TMSR的起点)时，处理器PCSR使设定开关SW1转成关闭(呈现电性开路状态)，上臂开关Q2转为开启(呈现电性短路状态)，其他开关状态维持不变。因此，输入信号VDR的电压从DC偏压VA，突然被改变成为电源线VDD的电压VDD，如同图3中输入信号VDR的信号波形所示。因为电容藕荷效应，在时间点t0，检测信号VL的变化大约会等于输入信号VDR的变化，所以检测信号VL会增加有电压VDD与DC偏压VA的差(＝VDD-VA)。因此，代表信号VDDR在时间点t0，从0V转变为电压VSET，比例于电压VDD与DC偏压VA的差(K*(VDD-VA))，如同图3所示。
在计算时段TMSR内，直流稳态预设电路PSC与驱动电路FBDG中的开关状态维持不变。因此，输入信号VDR会一直维持在电压VDD。时间点t0时，输入信号VDR的变化，等于使得谐振电路RNT离开了DC稳态STDY0，给予一个起始条件(initial condition)，朝向另一个DC稳态STDYNEW前进。这个起始条件是代表信号VDDR大约等于电压VSET。DC稳态STDYNEW包含有电容CT上的电容跨压VCT为电压VDD，以及代表信号VDDR(代表检测信号VL)为0V。因此，随着计算时段TMSR的过去，谐振电路RNT开始振荡，并依据当下谐振电路RNT的品质因子Q，释放其所存放的电能，逐渐衰减而减少振荡幅度。因此，如同图3所示，电容跨压VCT与代表信号VDDR都一边振荡，其震幅一边减少。如果计算时段TMSR够久，电容跨压VCT会收敛于电压VDD，而代表信号VDDR会收敛于0V。
图2中的步骤S3中，图1中处理器PCSR计数检测信号VL交越预设参考电压VREF的次数CN。举例来说，在图3中，时间点ts之前，代表信号VDDR上升交越了参考信号VR(对应了预设参考电压VREF)共有6次，而时间点ts之后的计算时段TMSR之内，代表信号VDDR就不再交越参考信号VR。因此，在计算时段TMSR之内，检测信号VL交越了预设参考电压VREF共有6次。计算时段TMSR结束时，次数CN会是6。
图2中的步骤S4中，处理器PCSR依据次数CN，计算品质因子Q，据以决定是否通过谐振电路RNT来供电给无线功率接收器RCV。次数CN越大，表示衰减的比较慢，意味着品质因子Q比较大。因此，处理器PCSR可以从计算时段TMSR结束时的次数CN来推算出品质因子Q。以下公式I显示品质因子Q的计算公式。
Q～π*(CN-0.5)/[ln(VSET)-ln(VR)]
＝KQ*(CN-0.5)……(I)
其中，KQ为一个常数，等于π*/[ln(VSET)-ln(VR)]，而电压VSET与参考电压VR都是预先设定。
处理器PCSR可以在计算时段TMSR结束后，依据次数CN以及计算公式(I)，来推算出品质因子Q。当品质因子Q太低，或是低于一个预设品质因子参考值时，意味着可能有异物的存在，处理器PCSR可以禁止供电给无线功率接收器RCV。
图4显示在每一个固定长度的正常供电时段TPT之后，都接续了品质因子检查时段TQ。在正常供电时段TPT内，处理器PCSR提供适当的信号给予驱动电路FBDG的门控端G1、G2、G3与G4，使得驱动电路FBDG激励谐振电路RNT。因此，输入端VDR上的输入信号VDR在0V与电压VDD之间切换，如同图4所示。品质因子检查时段TQ中，如同先前所教导的，输入信号VDR先维持在DC偏压VA一稳定时段TRDY，而后被改变成为电压VDD，并维持有计算时段TMSR这么久的时间。品质因子检查时段TQ结束时，处理器PCSR依据次数CN来检查当下品质因子Q是否够高。当品质因子Q够高时，处理器PCSR可以继续供电给无线功率接收器RCV，才会继续下一个正常供电时段TPT。
从以上图1到图4的实施例可知，无线功率发送模块TR采用了简单的模拟电路，通过处理器PCSR的计算，可以快速地计算品质因子Q。
在图3中，DC偏压VA虽然介于0V与电压VDD之间，但本发明不限于此。在本发明的实施例中，DC偏压VA可以是任何固定的电压。DC稳态STDY0与DC稳态STDYNEW也不限于图3与相关教导所揭示的，只要两者是不同DC稳态就可以。这是因为当从谐振电路RNT从DC稳态STDY0离开，而开始往不同的DC稳态STDYNEW前进时，谐振电路RNT中的检测信号VL就会振荡，而其衰减速度就可以对应到品质因子Q。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种无线功率发送模块，包含有：
谐振电路，具有输入端以及检测端；
直流稳态预设电路，提供DC偏压至该输入端，用以使该谐振电路处于第一预设DC稳态；以及
品质因子检测器，架构来进行以下动作，包含有：
使该谐振电路朝向第二预设DC稳态前进；
计数该检测端上的检测信号交越预设值的次数；以及
依据该次数，来决定是否供电给无线功率接收模块。
2.如权利要求1所述的该无线功率发送模块，包含有：
驱动电路，用以驱动该谐振电路，以供电给该无线功率接收模块，该驱动电路具有至少一开关，连接于该输入端与电源线之间；
其中，该品质因子检测器禁能该直流稳态预设电路，并开启该开关，以使该谐振电路朝向该第二预设DC稳态。
3.如权利要求2所述的该无线功率发送模块，其中，该直流稳态预设电路包含有设定开关，当该设定开关开启时，该直流稳态预设电路大致将该输入端设定为第一预设电压，该第一预设电压不同于该电源线上的电源电压。
4.如权利要求1所述的该无线功率发送模块，其中，该品质因子检测器包含有：
分压器(voltage divider)，电性耦接至该检测端，用以提供代表信号；
比较器，比较该代表信号以及参考信号；以及
计数器，依据该比较器的输出，用以产生该次数。
5.如权利要求1所述的该无线功率发送模块，其中，该品质因子检测器依据该次数，计算出品质因子，且当该品质因子低于预设品质因子参考值时，禁止供电给该无线功率接收模块。
6.一种适用于无线功率发送模块的控制方法，其中，该无线功率发送模块包含有谐振电路，该控制方法包含有：
使该谐振电路大致处于第一预设DC稳态；
使该谐振电路离开该第一预设DC稳态，朝第二预设DC稳态前进；
计数该谐振电路所提供的检测信号交越预设值的次数；以及
依据该次数，决定是否供电给无线功率接收模块。
7.如权利要求6所述的该控制方法，其中，该谐振电路具有输入端，该控制方法包含有：
提供第一预设电压与该输入端，以使该谐振电路处于该第一预设DC稳态；以及
提供与该第一预设电压不同的第二预设电压与该输入端，以使谐振电路朝该第二预设DC稳态前进。
8.如权利要求7所述的该控制方法，其中，该第二预设电压为电源线的电源电压，且该无线功率发送模块具有驱动电路，其具有开关，连接于该电源线与该输入端之间。
9.如权利要求7所述的该控制方法，包含有：
提供该第一预设电压与该输入端，持续稳定时段；
在该稳定时段结束后，提供该第二预设电压与该输入端；以及
在计算时段内，计数该检测信号交越该预设值的该次数。
10.如权利要求6所述的该控制方法，包含有：
依据该次数以及计算公式，计算出品质因子；
依据该品质因子，决定是否供电给该无线功率接收模块。
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