CN115136449A - 用于进行负载自适应3d无线充电的装置、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于进行负载自适应3D无线充电的装置、系统和方法。在示例实施例的3D充电系统中，特征包括为3D充电空间(例如，半球形空间/容积)提供磁场分布覆盖的3D线圈设计；具有EMI滤波器和发射器电路的为3D线圈提供恒定电流的推挽式EF2类PA，具备电流方向、相位和时序控制功能以适应负载状况；包括电压感测器、电流感测器和相位检测器以及硬件的电抗偏移检测电路，以快速、实时地计算电抗并且与负载自适应电抗调谐和自动保护的上限和下限进行比较；以及分流电容器和串联电容器的可切换调谐电容器网络排布结构，该网络排布结构被配置用于例如响应于X检测触发信号，对输入阻抗进行自动调谐，这可在扩展的电抗范围内实现粗调步长和均匀微调步长两者。

Description

用于进行负载自适应3D无线充电的装置、系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年2月18日提交的名称为“Apparatus,Systems and Methods forLoad-Adaptive3DWireless Charging”的美国临时专利申请第62/977783号的优先权，其全文通过引用方式并入本文。
本申请与2020年11月10日提交的名称为“High Efficiency Resonator Coilsfor Large Gap Wireless Power Transfer Systems”的美国专利申请第17/094061号有关，该美国专利申请要求2019年12月12日提交的名称为“High Efficiency ResonatorCoils for Large Gap Wireless Power Transfer Systems”的美国临时专利申请第62/947144号的优先权，它们的全文通过引用方式并入本文。
技术领域
本文公开的发明涉及无线电力传输(WPT)，例如用于实现WPT的系统和方法及装置，并且更具体地涉及基于谐振感应式电力传输的移动设备三维(3D)无线充电。
背景技术
电磁谐振电力传输，可称为谐振感应式无线电力传输(WPT)或谐振感应式无线能量传输，其工作原理是在被调谐为以相同频率谐振的两个线圈之间产生电能无线传输。基于电磁耦合的原理，基于谐振的电源将振荡电流注入到高度谐振的线圈中以产生振荡电磁场。具有相同谐振频率的第二线圈从电磁场接收能量并将其转换回可用于为设备供电和充电的电流。
例如，标准IEC 63028:2017(E)定义了用于确保AirFuel Alliance谐振WPT的柔性耦合WPT系统的互操作性的技术要求、行为和接口。与非谐振感应式充电相比，谐振感应式能量传输能够在更长的距离上传输能量(参见下表1)。例如，无线电力联盟(WPC)，前身为Qi，涉及(非谐振)感应式WPT，其范围有限，例如几毫米。AirFuel Alliance的前身是PMA、AW4P和Rezence。AirFuel谐振感应式WPT的范围更大，例如，最大范围为50毫米。例如，符合AirFuel的谐振感应式WPT允许发射器线圈和接收器线圈之间的间隙高达50毫米，并且为多个设备提供充电。
表格1
标准组织 无线电力联盟(Qi) AirFuel Alliance(Rezence)
方法 感应式 谐振
频率范围 80kHz至300kHz 6.78Mhz
最大传输范围 5毫米 50毫米
充电设备数量 一个 一个和多个
通信系统 负载调制 蓝牙
目前，用于小型移动通信设备(例如，智能电话、平板电脑、手表和其他可穿戴设备)的商用无线充电技术通常基于包括平面充电表面(例如，充电垫或充电盘)的充电单元(例如，参见图5中的示例)。充电垫包含电源和发射器线圈，并且移动设备包含接收器线圈。对于感应式WPT，移动设备直接放置在充电垫上进行充电，因此，在充电过程中使用移动设备可能会很困难或不方便。
现在，正在开发针对移动设备3D无线充电的充电站。3D无线充电在充电站和移动设备之间提供更大的空间自由度和更大的间隙，从而可能使用户能够在充电时继续使用移动设备。然而，多个设备的3D充电显著增加了设计复杂度：例如，在所需充电空间(即容积或区域)上产生3D磁场的线圈设计；检测一个或多个设备在充电站的放置(或移除)和定位(定向)；以及负载相关的阻抗检测和阻抗匹配以保持发射器的功率放大器(PA)的高效运行方面存在设计挑战。
为了实现最佳系统效率，将PA看到的有效负载(例如，输入阻抗Zin)调谐到PA以最高效率运行的范围，例如，如上文引用的相关美国专利申请第62/947,144号中所述。例如，EF2类开关模式功率放大器实现高效率、EMI性能和紧凑的拓扑(参见Tiefeng Shi和PaulWiener的名称为“High Power Constant Current Class EF2 GaN Power Amplifier forAirFuel Magnetic Resonance Wireless Power Transfer Systems”的文章，PCIM，2018年6月5日至7日)。
对于输入阻抗变化很小的WPT低功率应用，许多系统无需调谐或使用简单的自动调谐系统即可工作。对于输入阻抗变化可能会很大的更高功率应用，或更复杂的WPT系统，诸如3D充电，需要负载相关的自动调谐系统实现系统可靠性和效率。对于多个设备的3D充电应用，输入阻抗可能会发生显著变化，并且可能会在更大的阻抗范围内变化，例如，取决于设备的数量和放置在充电站处的设备的定位。因此，3D充电系统需要某种形式的阻抗检测和阻抗调谐以实现系统可靠性：例如，从而限制可能因负载过感应性或过容性而引起PA发生过电流或过电压状况和热过载，并且从而保持安全的工作温度，例如，在高效率范围内运行充电站，以限制不必要的热耗散。
需要解决上述问题至少之一的用于3D无线充电的经改进或替代装置、系统和方法。
发明内容
本文公开的发明寻求提供减轻或规避上述问题中的至少一者，或至少提供替代方案的用于3D无线充电的装置、系统和方法。
本文公开的发明的各方面包括用于进行负载自适应3D无线充电的装置、系统和方法。在示例实施例的3D充电系统中，特征包括为3D充电空间(例如，半球形空间/容积)提供磁场分布覆盖的3D线圈设计；具有EMI滤波器和发射器电路的为3D线圈提供恒定电流的推挽式EF2类PA，具备电流方向、相位和时序控制功能以适应负载状况；包括电压感测器、电流感测器和相位检测器以及硬件的电抗偏移检测电路，以快速、实时地计算电抗并且与负载自适应电抗调谐和自动保护的上限和下限进行比较；以及分流电容器和串联电容器的可切换调谐电容器网络排布结构，该网络排布结构被配置用于例如响应于电抗偏移(X-偏移)检测触发信号，对输入阻抗进行自动调谐，这可在扩展的电抗范围内实现粗调步长和均匀微调步长两者。
一个方面提供了一种用于为感应式无线电力传输(WPT)系统的发射器生成磁场分布的谐振器线圈，包括：
导电迹线，该导电迹线被图案化成限定线圈拓扑，该线圈拓扑包括多匝，具有第一馈电端口和第二馈电端口；
每一匝包括第一部分，其中，所述导电迹线被限定在第一平面中，和第二部分，其中，所述导电迹线被限定在第二平面中，
该第一部分和第二部分的匝串联互连。
第一平面可与第二平面正交。例如，谐振器线圈包括线圈拓扑，该线圈拓扑被配置为生成用于在3D充电空间内进行无线充电的三维(3D)磁场分布，例如，线圈拓扑被配置为生成用于在半球形充电空间内进行无线充电的三维磁场分布。例如，第一平面包括xy平面，并且第二平面包括xz平面。例如，在第一平面包括xy平面并且第二平面包括xz平面的情况下，充电空间包括在xz平面的相对侧(即，-y和+y侧)的第一半部分和第二半部分(或参考具有四个象限的球形形状，第一象限和第二象限)。
线圈的每一匝的迹线宽度和迹线间距可被配置为优化充电空间内的磁场分布的均匀性。
Tx谐振器可基于PCB技术进行制造，例如，包括介电基板，该介电基板具有在第一平面中延伸的第一部分以及在第二平面中延伸的第二部分；其中，导电迹线的所述第一部分由介电基板的第一部分支承，并且导电迹线的所述第二部分由介电基板的第二部分支承。
例如，3D谐振感应式无线充电系统的功率放大器(PA)可包括具有用于驱动3D线圈的推挽拓扑或单端拓扑的E类或EF2类放大器。
另一方面包括一种用于根据负载使用推挽式PA配置来控制3D线圈中的电流方向的系统。例如，3D谐振无线充电系统包括如本文所述的3D谐振器线圈和推挽式E类PA或EF2类PA，以及控制系统，该控制系统被配置为能够响应于负载状况控制供应给谐振器线圈的电流方向。
3D谐振无线充电系统可包括具有线圈拓扑的谐振器线圈，该线圈拓扑被配置为生成用于在3D充电空间内进行无线充电的三维(3D)磁场分布，以及单端或推挽式E类PA或EF2PA类和控制系统。对于推挽式PA，控制系统可被配置为能够响应于所述负载状况来控制在线圈的每个部分上流动的电流的时间间隔和/或相位。
还公开了一种与3D谐振感应式充电系统的校准单元一起使用的接收器线圈(标准线圈或参考线圈)，该接收器线圈包括至少两个正交线圈，并且优选地包括3个正交线圈，用于表征3D充电空间的3D磁场分布。
还公开了一种用于对移动设备进行谐振感应式充电的接收器线圈，该接收器线圈是非平面线圈并且围绕z轴对称。
另一方面提供了一种用于3D谐振感应式无线充电系统的电抗偏移(X-偏移)检测电路，该检测电路包括：
电子电路(例如，实现作为逻辑电路的硬件)，该电子电路包括：
第一输入端，该第一输入端用于从电压感测器接收第一信号，
第二输入端，该第二输入端用于从电流感测器接收第二信号，和
第三输入端，该第三输入端用于从相位检测器接收第三信号；
第一输出端，该第一输出端用于输出低电抗触发信号；和
第二输出端，该第二输出端用于输出高电抗触发信号；
电子电路被配置用于处理第一信号、第二信号和第三信号以实时计算计算得出的电抗值；并且包括比较器电路，该比较器电路用于将计算得出的电抗值与所存储的参考值进行比较，该参考值包括电抗窗口的上限值和电抗窗口的下限值；并且如果所述电抗值大于上限值，则生成并输出高电抗触发信号；并且
如果所述电抗值小于下限值，则生成并输出低电抗触发信号。
例如，选择电抗窗口的上限值和电抗窗口的下限值来生成用于针对电抗进行自动调谐的触发信号，和/或生成用于实现过电压保护和过电流保护的触发信号。
例如，电抗偏移检测电路可在硬件中实现，包括相位检测电路；电流感测电路；和电压感测电路；以及逻辑电路，用于组合来自电流感测器、电压感测器和相位感测器的输入，以基于获得基于硬件实现的输出，提供输出触发信号，从而基于VSENSE*(VPHASE-VPHASE0)/ISENSE计算阈值电压，如本文详细所述。
另一方面提供了一种用于对谐振感应式电力传输系统的功率发射器进行负载自适应自动调谐的电路，该电路包括调谐电容器排布结构，该调谐电容器排布结构连接在用于从功率放大器接收电流的输入端和用于驱动Tx谐振器线圈的输出端之间，该电容器排布结构包括：
第一串联调谐电容器；
多个可切换地连接的并联分流电容器，该多个可切换地连接的并联分流电容器与第一串联调谐电容器并联连接，该多个可切换地连接的并联电容器中的每个均具有串联连接的开关；和
多个可切换地串联连接的串联电容器，每个串联电容器均具有并联连接的开关；和
每个开关的开关状态可配置为选择性地连接或断开一个或多个并联电容器和串联电容器。
在一个实施例中，选择分流电容器的值以提供粗调步长，并且选择串联电容器的值以提供在所需的电抗范围内的小于粗调步长的微调步长；选择分流电容器的值以提供步长大小均匀或不均匀的粗调步长。选择串联电容器的值，例如，以提供在所需的电抗范围内的步长大小均匀的微调步。
例如，选择可切换分流电容器的值以提供在约20Ω至35Ω之间的范围内的粗调步长，并且选择可切换串联电容器的值以提供约5Ω的均匀微调步长。选择电容器的数量以提供在最大所需电感调谐范围内的调谐，并且优选地选择电容器的数量以最小化或优化电容器的数量，例如，从而减少不必要的电容损失。
用于负载自适应自动调谐电路的电路包括控制器，该控制器用于接收指示电抗偏移(X-偏移)的触发信号，以及配置开关(开关状态)，该配置开关用于可切换地连接一个或多个所述并联连接的电容器和/或一个或多个所述串联电容器，以例如基于电容切换算法提供所需的电抗，从而实现针对电抗进行粗调和微调。例如，控制器被配置为接收指示在可接受电抗范围(窗口)内的电抗偏移的触发信号，并且配置用于可切换地连接或断开一个或多个所述并联连接的电容器和/或一个或多个所述串联电容器的开关，以配置开关状态，从而提供以下之一：粗调步长、微调步长以及粗调步长和微调步长的组合，从而提供所需电抗，或至少提供接近所需电抗值的调谐。控制器可进一步被配置为在接收到指示高阻抗边界值(超过上限阻抗窗口)或低阻抗边界值(低于下限阻抗窗口)的触发信号时操作用于触发过电压保护或过电流保护的开关装置，所述触发信号由电抗偏移检测电路生成。电抗偏移检测电路可被配置为与具有推挽拓扑或单端拓扑的PA一起工作。
还设想了在替代实施例或附加实施例中，装置、系统和方法可包括权利要求书中限定和具体实施方式中所述的特征的任何可行的，即实际可实现且有用的组合。
例如，无线电力传输(WPT)系统包括用于生成用于在3D充电空间(例如，3D TX线圈)内进行无线充电的3D磁场分布的谐振器线圈、功率放大器(PA)、阻抗匹配网络和控制系统。控制系统包括以下至少之一：a)用于响应于负载状况控制推挽式PA的电流方向的电路，b)用于触发电抗的自动调谐、过电压保护和过电流保护中的至少一者的电抗偏移(X-偏移)检测电路，以及c)实现电抗的负载自适应自动调谐的电路。
因此，公开了用于进行负载自适应3D无线充电的装置、系统和方法，包括3D线圈设计、电抗偏移检测和自动调谐中的一项或多项。
附图说明
图1示出示例谐振感应式WPT系统的简化示意图；
图2示出图示了用于对多个设备进行充电的Tx线圈和Rx线圈的谐振感应耦合的示意图；
图3示出用于对多个设备进行充电的Tx线圈和Rx线圈的谐振感应耦合的等效电路模型；
图4示出依据输入反射系数(S1,1)得出的输入阻抗Zin的史密斯圆图的示例，其示出了功率等值线和效率等值线；
图5(现有技术)示出当前无线充电系统的示意图，包括A、用于对单个移动设备(诸如智能电话或平板电脑)进行无线充电的平面充电垫或充电毯；B、用于移动设备的倾斜充电垫；C、用于对多个设备(例如，智能电话、智能手表和其他小型移动设备)进行无线充电的平面充电垫；
图6示出示例实施例的被配置为提供磁场分布的3D谐振器线圈的示意图，该磁场分布用于在提供半球形覆盖的3D充电空间上对多个设备进行充电；
图7示出图6所示实施例的3D谐振器线圈的截面示意图，其中，一个移动设备放置在3D充电空间中；
图8示出针对半球形充电空间/容积配置的磁场分布的校准网格的示例；
图9A和图9B示出示例实施例的使用PCB技术制造的包括5匝的原型3D线圈的两张照片；
图10A和图10B示出示例3D线圈的单匝的简化示意图以图示电流流动；
图10C和图10D示出3D线圈拓扑的简化示意图，该3D线圈拓扑是图6所示拓扑的变体；
图11示出(a)用于计算由单环Tx线圈生成的z方向磁场(Bz)的模型(柱坐标)；(b)在Tx线圈和Rx线圈的各种垂直间隔处计算得出的Bz分布；和(c)计算得出的包括多个圆形匝的Tx线圈的Bz分布；
图12示出用于计算(a)由3D Tx线圈的水平部分(圆柱坐标)生成的z方向磁场(Bz)和(b)由3D Tx线圈的垂直部分生成的x方向磁场(Bx)的模型；(c)示出穿过图6所示实施例的3D线圈的示意性截面图，其中，三个移动设备被定位在用于对每个设备进行无线充电的3D充电空间内；
图13示出3D充电系统的高级框图，该3D充电系统包括示例实施例的功率发射器单元(PTU)和示例电力接收单元(PRU)，例如，移动设备；
图14示出示例实施例的功率发射单元(PTU)的示意框图，该功率发射单元包括具有推挽式配置的PA，用于控制流过3D谐振器线圈的电流的方向；
图15示出示例实施例的包括PTU以及包括校准单元的PRU的3D充电系统的高级框图；
图16示出图示了(a)3个旋转角的限定和(b)旋转的z线圈的投影面积的示意图。
图17(现有技术)示出包括用于使用电流、电压和相位进行阻抗检测的电路的PTU的示意框图；
图18(现有技术)示出包括用于使用峰值漏极电压进行阻抗检测的电路的PTU的示意框图；
图19(现有技术)示出使用峰值漏极电压(峰值Vdrain)进行常规电抗检测的示例数据，包括：(a)示例漏极波形曲线图和电容峰值检测结果曲线图；(b)示例漏极波形曲线图和电感峰值检测的结果曲线图；(c)峰值漏极电压Vdrain与电抗偏移(jX)的关系曲线图；以及(d)峰值Vdrain与电抗偏移(jX)模拟；
图20示出示例实施例的包括用于进行实时阻抗检测的电路的PTU的示意框图，该示例实施例包括用于EF2类放大器和E类放大器的单端方案；
图21示出对于Zin＝20+30j，当VPA＝48V时Vdrain的示例曲线图；
图22示出对于Zin＝R+Xj的范围，对于2≤R≤120和80≤X≤50，当VPA＝48V时Vdrain的示例曲线图；
图23示出(a)相位角θ与sinθ的关系曲线图；(b)示出了10≤θ≤70的线性近似值的角度θ与sinθ的关系曲线图；
图24示出VSENSE*(VPHASE-VPHASE0)/ISENSE与Xj@1100mA关系的示例数据的曲线图；
图25示出对于阻抗窗口的下端，当A＝-10时，阈值与ITX的关系的示例；
图26示出对于阻抗窗口的上端，当A＝0时，阈值与ITX的关系的示例。
图27示出示例实施例的用于进行实时阻抗窗口检测以实现自动调谐的电路的功能框图；
图28示出使用图27的阻抗检测电路的a)阻抗窗口的下端-10欧姆；以及(b)阻抗窗口的上端0欧姆的测试数据的史密斯圆图；
图29是示出根据示例实施例的用于进行自动调谐的阻抗窗口的检测方法的流程图；
图30示出相位检测电路设计的示例。
图31示出平面电流耦合器电路设计的示例；
图32示出包括平面电流耦合器的电路的一部分的示意图；
图33示出电压感测器电路设计的示例；
图34示出示例实施例的包括用于进行阻抗检测的电路的PTU的示意框图，该示例实施例包括针对具备用于进行X检测的实时电流感测、电压感测和相位感测的EF2类放大器和E类放大器的推挽方案；
图35示出取下后盖以显示其用于进行无线充电的Rx线圈的移动通信设备(诸如智能电话或平板电脑)的示意图；
图36示出被定位在平面充电垫上的移动设备(诸如平板电脑)的示意图，以图示由靠近Rx线圈的金属底盘以及组件生成的涡电流；
图37示出示例实施例的3D发射器线圈；
图38示出图示被定位在图37的3D发射器线圈的3D充电空间中的单个移动设备的示意图；
图39示出图示被定位在图37的3D发射器线圈的3D充电空间中的多个移动设备的示意图；
图40示出自适应调谐电路的开关状态的系列示意图(a)至(e)以及示出输入阻抗的对应史密斯圆图；图(f)示出具有效率等值线和功率等值线的自适应调谐的电抗偏移范围；其中，具有分流电容的自适应调谐由机械继电器或开关控制；
图41示出包括用于单端PA配置的串联/并联(微/粗)调电容器排布结构的自适应调谐电路；
图42示出包括用于推挽式PA配置的串联/并联(微/粗)调电容器排布结构的自适应调谐电路；
图43示出用于对输入阻抗进行粗调和微调的开关S1、开关S2、开关S3和开关S4的不同开关状态的自适应调谐电路的一系列示意图(a)、(b)和(c)，其中，对应的史密斯圆图示出输入阻抗；
图44示出图示了进行微调和粗调的电抗自适应调谐的电抗偏移范围的史密斯圆图(a)、(b)和(c)，其中，粗调覆盖具有更大步长大小的更大阻抗区域，并且微调覆盖具有更小均匀步长大小的更小阻抗区域；
图45示出用于粗调和微调的样本数据表格；
图46示出A、微调(5Ω步长)；B、4粗调步长和11微调步长的组合；C、粗调(15Ω步长)；以及D、均调步长的调谐范围和步长大小的曲线图；
图47示出根据示例实施例的包括确定和控制粗调和微调的自动调谐方法的流程图；
图48示出示例E类恒定电流PA拓扑的电路示意图；以及
图49示出示例EF2类恒定电流PA拓扑的电路示意图。
下面根据结合附图的本发明的实施例的仅作为示例的具体实施方式，本发明的上述和其他特征、方面和优点将会变得更加显而易见。
具体实施方式
图1中示意性地示出谐振感应式无线电力传输(WPT)系统100的示例。在该WPT系统100中，电源或发射器(Tx)可称为功率发射器单元(PTU)110，并且包括功率放大器(PA)112形式的RF源、阻抗匹配网络114、和Tx谐振器线圈(源线圈)116。PA 112驱动系统并且被建模为理想的恒定电流源。接收器及其负载(例如，待供电或充电的移动设备)可称为电力接收单元130。PRU 130包括Rx谐振器线圈132、阻抗匹配网络134和整流器136，例如，二极管电桥。被充电或供电的设备由负载138表示。二极管电桥136用于将输入RF信号整流成DC信号，例如，用于为设备供电或为电池充电。PA 112看到在基准面A(118)中的输入阻抗Zin。图2示意性地示出多个设备的实现Tx线圈116和Rx线圈(例如，132-1和132-2)的谐振感应耦合的磁场。图3中示出用于为多个设备(例如，第一设备130-1和第二设备130-2)充电的示例谐振WPT系统的等效电路模型。
现在，将通过示例的方式对用于对单个或多个设备进行负载自适应3D无线充电的设备、系统和方法的实施例进行说明，包括例如：用于在为多个设备进行充电的半球形充电空间上产生磁场分布的线圈设计和操作；实时电抗偏移检测(X-偏移检测)；和输入阻抗的自动调谐，以解决一个或多个问题，例如，保持安全的工作温度，例如，从而在高效率范围内运行充电站以限制不必要的热耗散并且提高系统可靠性和/或限制可能因负载过感应性或过容性而引起PA出现过电流或过电压状况和热过载。
图4示出用于表示负载自适应调谐的电抗偏移范围的史密斯圆图的示例，该史密斯圆图具有效率等值线201(图4的彩色版本中的蓝色细线)和功率等值线202(图4的彩色版本中的红色细线)。如本示例史密斯圆图所示，为了使WPT系统的运行获得最佳性能，通常存在输入阻抗Zin、效率和功率被优化的区域，例如，在边界线203(图4的彩色版本中的绿色粗线)内，该边界线勾勒出安全区域204。在该区域204之外，输入阻抗可能出现过容性206或过感应性205(如在区域通过红色箭头所指示)，导致效率低下或可靠性低下。如蓝色箭头207所指示，希望将输入阻抗Zin调谐到安全运行范围内的值，例如，在安全区域204内。
Tx线圈和Rx线圈是WPT系统的重要子系统。例如，根据AirFuel谐振规范，这些线圈(也称为谐振器或谐振器线圈)需要表现出特定性能特征。例如，当前的AirFuel谐振规范限于最大间隙为50毫米且最大功率为70W的WPT。
可使用常规的PCB技术制造平面谐振器线圈，例如，线圈的匝由支承在介电基板之上或之中的导电金属迹线(例如，铜迹线)形成。对于平面线圈，主要的磁场分量沿垂直于线圈的平面的z方向，即Hz。
图5中示出包括用于移动设备和可穿戴设备的平面充电垫的无线充电系统的一些示例。例如，在图5中，视图A、示出用于对单个移动设备12(诸如智能电话或平板电脑)进行无线充电的平面充电垫或充电毯10的示意图；视图B、示出用于智能电话12的呈倾斜支架形式的平面充电垫30；以及视图C、示出用于对多个设备(例如，智能电话12、智能手表14和其他小型移动设备16)进行无线充电的平面充电垫20。由于每个设备均放置在充电垫上，尽管这些类型的无线充电系统便于进行定期充电，例如，夜间充电，但是它们不允许用户在充电时轻松使用设备。
如上所述，目前正在开发用于对一个或多个移动设备进行3D无线充电的充电站，例如，以在充电站和移动设备之间实现更大的空间自由度和更大的间隙。例如，需要能够在充电站处生成3D磁场的3D充电系统，允许用户在充电时继续使用移动设备(诸如智能电话)，并且不需要用户放下设备，例如，在充电时将其放在充电垫上。例如，在咖啡店环境中，多个用户可能希望在他们的设备充电期间继续浏览或发短信。在这种情况下，因此，每个用户可能希望将他们的设备保持在舒适的定向，并且在充电空间中移动设备。因此，需要生成3D磁场的3D无线充电系统以及能够动态适应充电站处的一个或多个设备的定位的系统，例如，以提供动态负载相关的阻抗检测和阻抗匹配，从而维持发射器的功率放大器的高效运行。
例如，本文公开了示例实施例的包括以下元素/特征的3D充电系统：
1.3D线圈设计，该3D线圈设计包括单个线圈，该单个线圈为3D充电空间(例如半球形空间/容积)提供磁场分布覆盖；
2.推挽式EF2类PA，该推挽式EF2类PA具有EMI滤波器，以及发射器电路，该发射器电路为3D线圈提供恒定电流，具有电流方向控制功能；
3.电抗偏移检测电路，该电抗偏移检测电路具有电压感测器、电流感测器和相位检测器，用于进行快速实时的电抗偏移(X-偏移)检测。
还公开了一种系统校准单元，用于针对多个设备位置和定向，对系统进行校准，以形成对移动设备进行实际充电的参考3D场。例如，3D充电系统可包括在发射器的印刷电路板(PCB)上的微控制器，该微控制器保存校准数据，并且还处理和传达每个移动设备的定向信息和定位信息。
3D发射器线圈设计
本文公开的发明的一个方面提供一种用于3D无线充电系统的3D Tx线圈设计，该3D无线充电系统用于多个移动设备，诸如电话、平板电脑和可穿戴设备。例如，在示例实施例中，3D Tx线圈被设计用于MHz频率(例如，6.78MHz)无线充电系统，其中，目标充电范围(Tx线圈和Rx线圈之间的距离)为约200毫米至300毫米，用于在约300毫米×300毫米×300m的充电空间或容积(例如，办公设施和公共设施的典型可达空间)中创建实现3D覆盖的磁场分布。
图6中示出示例实施例的提供3D磁场以对多个设备进行充电的3D Tx谐振器线圈300的示意图。图7示出图6所示的实施例的3D谐振器线圈300的示意性截面图，其中，一个移动设备12放置在3D充电空间中。线圈包括介电支架(基板)302和导电迹线304，导电迹线304被图案化成限定线圈拓扑，该线圈拓扑包括多匝，以及第一馈电端口306和第二馈电端口308。例如，可使用PCB技术制造线圈，包括介电基板，例如，FR4型材料，其中，线圈拓扑的匝由导电迹线限定，导电迹线由介电基板之中或之上的一个或多个金属层限定。每一匝包括第一部分310-1，其中，所述导电迹线被限定在第一平面中，例如，xy平面，以及第二部分310-2，其中，所述导电迹线被限定在与第一平面正交的第二平面中，例如，xz平面，如图6示意性图示。在本示例中，线圈拓扑被配置为生成用于在3D充电空间内进行无线充电的三维(3D)磁场分布，例如，用于在半球形充电空间320内进行无线充电的三维磁场分布，如图7和图8示意性图示。
例如，可使用PCB技术制造线圈，其中，导电金属迹线由介电基板(之中或之上)支承。图9A和图9B示出使用PCB技术制造的原型3D线圈的照片，其中，线圈的xy部分制造在第一平面中的基板的第一部分310-1并且线圈的xz部分制造在安装在第二平面中的基板的第二部分310-2上。这两个部分以90度的角度互连，即基板的第一部分和第二部分通过机械方式接合，并且基板的第一部分和第二部分的每一者上的导电迹线通过电气方式互连，以形成单个(连续)线圈，其中，第一馈电端口和第二馈电端口用于连接电源。因此，例如，第一平面包括xy平面，并且第二平面包括xz平面，并且充电空间包括在xz平面(例如，参见图7和图12(c))的相对侧(即-y侧和+y侧)的第一半部分和第二半部分。
因此，如果将3D线圈放置在台面或桌面等表面上，则半球形(半球状)充电空间被3D线圈的垂直xz部分分成两半部分，即充电空间的第一象限1和第二象限2。一个或多个待充电设备可放置在充电空间的一个象限或两个象限1和2两者中(参见图12(c))。
本实施例的3D线圈是具有多匝的单个线圈，每一匝具有在第一平面中的第一部分以及正交的第二部分，该第一部分包括生成3D磁场的z分量Bz的多个xy匝，例如，该第二部分包括生成与z分量正交的3D磁场的分量(例如，副场)的多个zx匝。当由具有单端拓扑或推挽拓扑的单个PA驱动时，xy匝和zx匝形成互连，从而形成用于生成3D磁场的单个线圈。图6中的黑色实心箭头示意性地示出电流流动的方向。虚线箭头示意性地表示一些磁场线。图10A和图10B示出线圈(诸如图9A和图9B所示的线圈)的一匝在每个方向上的电流流动的示意图。
线圈参数(例如，线圈尺寸以及线圈的每一匝的迹线宽度和迹线间距)被配置为实现所需的磁场分布，以满足系统性能要求。例如，线圈尺寸和迹线宽度和迹线间距可被设计为优化充电空间内的磁场分布的均匀性(例如，参见上文引用的US62/947,144)。图6所示的示例线圈拓扑包括5匝，匝的每一部分基本上是带有圆角的矩形。或者，线圈也可被视为具有3个波瓣，每个波瓣的匝包括带有圆角的矩形半环，例如，2个波瓣在xy方向上延伸，1个波瓣在xz(或yz)方向上正交，并且波瓣以串联方式互连，以形成可由单个PA驱动的单个线圈。该拓扑仅作为示例示出。例如，为了提供半球形3D充电空间，线圈的xz部分的垂直高度(z高度)约为线圈的xy部分的宽度的一半(例如，z高度＝y尺寸和-y尺寸)。然而，可改变这些尺寸，例如，如图10C和图10D中的示意图所示，图10C和图10D图示了其他示例实施例的用于对移动设备12进行充电的一些线圈400-1和400-2。线圈400-1和线圈400-2具有不同的纵横比，并且馈电端口位于不同于图6中示意性图示的示例实施例的3D线圈所示的馈电端口306和馈电端口308的位置。
线圈的形状、匝数和每一匝的尺寸仅作为示例示出。可改变每个部分环的几何形状，例如它可以是更加圆形、或半圆形、或矩形或三角形，以在半球形充电空间或其他指定的3D充电空间上提供所需的磁场分布。
系统架构和流程
如下文进一步说明，在3D无线充电系统的示例实施例中，3D线圈由单个PA电流源驱动。这是可能的，因为线圈的n匝的xy部分和xz部分串联连接并且被配置为形成单个线圈，该线圈连接到单个PA恒定电流源，以在3D充电空间上生成半球形(半球状)磁场分布。
为了进行比较，在使用多个正交Tx线圈(例如，两个或三个单独线圈)来形成磁场分布的已知现有技术3D WPT系统中，如果多个线圈在相同的频率下工作，则该多个线圈之间存在耦合或干扰，并且需要多个PA，即每个线圈需要一个PA，并且每个线圈可在不同的频率下工作，从而减少干扰和耦合。
在使用3D线圈拓扑对多个设备进行3D充电的系统中，为了提供动态负载自适应3D无线充电，现在，对多个特征进行说明。
在PA包括推挽式配置的实施例中，例如，取决于移动设备的数量和放置位置，线圈的电流馈送(即电流方向)可配置为保持适当的磁场分布，并且提供内置阻抗检测，以识别充电空间(容积)中的多个移动设备的位置，并且进一步调节电流方向，以使PA两半部分的线圈负载达到平衡。从移动设备接收的陀螺仪数据可能有助于确定移动设备的定位，例如，从而提高耦合效率，或协助移动设备的定位。例如，在基于符合AirFuel标准的6.78Mhz磁场的无线充电系统中，可同时为多个设备充电，并且短距离带外通信信道(例如，使用蓝牙)实现控制信道，从而在充电站和待充电移动设备之间进行参数交换。
3D线圈设计的目的是构建覆盖半球状区域(即半球形容积)的磁场分布，使得充电系统可指定的充电空间(例如，300毫米×300毫米×300毫米的空间)中为移动设备的充电实现位置自由。不必将移动设备放在垫子上，使得设备能够仍在使用(例如，当用户将设备保持在典型的使用位置和定向，从而例如发短信、上网或回复电子邮件时)的同时进行充电。
例如，图9A和图9B中示出原型实施例的3D线圈的照片。使用PCB技术制作线圈300，即线圈由形成在介电基板之中/之上的导电金属迹线限定。线圈设计将两个位置物理正交的线圈部分(水平310-1和垂直310-2)组合成单个线圈，如图6中示意性所示。这两部分通过机械方式接合，并且导电迹线通过电气方式连接。电流ITx馈送通过线圈的匝，以生成3D磁场。线圈可由具有推挽式配置的单个PA驱动，使得可控制电流方向。图10A和10B示出图示了在每个方向上的流动通过具有诸如图9A和图9B所示拓扑的线圈的一匝的电流的示意图。
线圈设计理论
如图11(a)和图11(b)示意性图示，以原点为中心的单匝圆形线圈的Z方向磁场(Bz)的描述可如下所示：
Figure BDA0003803504880000161
其中，
Figure BDA0003803504880000162
K(k)和E(k)分别是第一类和第二类的完全椭圆积分函数。
如图11(c)所示，优化多匝线圈的匝间距和宽度可在z标高处提供更均匀的分布。根据多个正交线圈的叠加理论，磁场由单个线圈形成，移动设备充电位置处的总磁场由等式(2)得出：
Figure BDA0003803504880000163
Figure BDA0003803504880000171
其中，
Figure BDA0003803504880000172
图12示出用于计算(a)由3D Tx线圈的水平部分(圆柱坐标)生成的z方向磁场(Bz)和(b)由3D Tx线圈的垂直部分生成的x方向磁场(Bx)的模型；(c)示出穿过图7所示实施例的3D线圈300的示意性截面图，其中，三个移动设备12被定位在用于进行充电的3D充电空间内；图12(c)中的Rx线圈图示由Tx线圈生成的3D充电空间中的移动设备。例如，设计两个线圈部分以提供所需的Bz场和Bx场，并且将它们合并成一个线圈中(例如，如图6所示的串联连接，其中，优化匝数、每一匝的间距和迹线宽度，以满足性能要求，例如，以优化3D充电空间320中的磁场分布均匀性。
3D线圈的负载状况的优化
图13中示出包括PTU 510的3D充电系统500的高级框图，PTU 510具有包括正交线圈部分的3D线圈1000，3D线圈1000包括被串联集成为由单个PA 512驱动的单个线圈的z轴线圈元件1000-1和x轴线圈元件1000-2。PTU 510包括微控制器522以及用于带外通信信道的模块，诸如蓝牙模块524。
图14中示出具有推挽式配置的PTU 510的简化示意框图，其中，电流流动的方向是可配置的。在一个示例场景中，多个设备放置在3D充电空间中，并且磁场分布在图12(c)中示出的半球形空间的两半部分中并不均匀。此外，如果充电空间的设备数量为奇数，则线圈的两个正交部分的负载也不相同。例如，如果充电空间内有3台移动设备，则空间的两半部分中的设备数量分布可以是0:3或3:0或2:1或1:2；对于设备数量为偶数，则可以是1:1或0:2或2:0。
改变线圈上的充电电流方向的方向可用于使磁场的两半部分的负载平衡；例如，电流流动方向可基于3D充电空间中的负载状况进行控制。此外，可改变线圈的各部分上的电流流动的间隔时间。可基于校准表格确定负载状况，在所有标高处使用标准设备在MCU中创建并且保存该校准表格，例如，使用如图8所示的校准网格。下面对校准过程进行更详细的说明。
系统架构和流程
图13示出实施例的包括PTU 510以及待充电移动设备的3D充电系统500的高级框图，PTU 510包括EF2类或E类恒定电流源512以及被配置用于生成3D磁场分布的Tx线圈1000。移动设备接收系统的PRU 530可集成到移动设备中，如示意性图示，或者PRU 530可以是单独的独立接收器。PRU 530可包括Rx谐振器线圈532、阻抗匹配网络534、整流器536(例如，二极管电桥)、微控制器552、蓝牙模块554、校准表格556和电池557。被充电或供电的设备由负载558表示。
EF2类3D充电系统的示例实施例包括以下组件：
·为Tx线圈提供AC电流的MHz频率(例如，符合AirFuel的频率)恒定电流源。
·3D传输线圈：该线圈生成用于形成磁场分布的磁场(例如，用于移动设备充电，以及用于使用校准设备生成校准表格)；
·微控制器(μC)，该微控制器
a)基于负载状况，控制PA电流的传输以及供应给Tx线圈的电流方向；
b)计算接收器线圈的定向；
c)基于校准表格，控制PA电流。
·控制信道，例如，带外无线电系统(例如，低功耗蓝牙)，用于接收系统校准中报告的场测量结果，并且在充电操作期间报告移动设备状态。
对于校准，提供了一种包括校准单元的3D校准系统。3D定向校准线圈用于为3D充电空间提供磁场，以基于测量得出的3分量磁场计算其定向。图15示出示例实施例的包括PTU 510以及包括校准单元的PRU 560的3D充电系统的高级框图；PRU 560可包括Rx谐振器线圈562、磁场检测器(3方向)564、唤醒检测器566、微控制器572、蓝牙模块574、校准表格578和电池580。
实现3D充电系统的最佳效率的接收器线圈设计
对于法线方向相同的两个圆形线圈，接收器线圈上的感应电压可写成：
V＝2πfQ·Btotal×A0·N＝2πfS·(Bz×Az+Bx×Ax) (3)
其中，Q代表接收器线圈的品质因数，Btotal是由发射器线圈生成的总磁场，并且A0是接收器的等效面积。Bz和Bx是由z方向线圈和x方向线圈生成的磁场。Az和Ax分别是接收器线圈在z轴平面和x轴平面上的面积，N是接收器线圈的匝数。在3D系统中，当充电期间移动设备的定向不固定时，常规平面接收器线圈无法提供最大效率。为了提高或优化充电效率，移动设备的接收器线圈优选地是3D线圈而不是平面线圈。在理想情况下，3D接收器线圈的匝在每个边缘的边长应当相似，例如，更加对称的形状，诸如形状为正方形或圆形。磁场灵敏度S＝Q·N(V/Tesla)。示例接收器线圈设计拓扑可包括设置在非平面基板表面上的导电迹线，例如，将多匝导线缠绕在弯曲结构(例如，半径适当的球面的一部分)上，以提供高度约为例如10毫米的非平面3D线圈，该非平面3D线圈被设计用于改善3D耦合以实现更好的效率。
用于对移动设备的旋转角度进行Btotal计算和标准线圈校准的算法
为了依据测量得出的来自3个正交标准接收器线圈的电压来求解3个磁场分量(Bx、By、Bz)，需要有关接收器标准线圈的定向的准确信息来进行校准。可通过接收器上的陀螺仪感测器或通过磁场校准收集此类信息，如稍后将会论述。标准接收器线圈的定向可使用沿3个轴(z-y'和x”)的旋转进行限定，即翻滚(φ)、俯仰(θ)和偏转(ψ))，如图16(a)所示。
基于这种限定，对于任何旋转之后的线圈，可计算出线圈在3个主要平面(x-y、y-z和y-x)上的投影面积，并且表示为矩阵A：
Figure BDA0003803504880000191
其中，b是圆形标准接收器线圈的半径。如图16(b)所示，Azy表示z方向线圈(在x-y平面上，z为法线方向)在x-z平面上的投影面积。通过这些限定，测量得出的电压与线圈的定向之间的关系可推导为：
Figure BDA0003803504880000192
其中，Vx、Vy、Vz代表测量得出的来自3个正交线圈的电压，并且Bx、By、Bz是由3D充电Tx线圈生成的未知磁场的3个分量，该3个分量可通过以下公式求解：
Figure BDA0003803504880000201
例如，对于如图8所示的校准网格的校准位置，依据3个线圈电压测量结果和Tx输出的阻抗计算用于Bz的校准表格。所有这些信息均被索引到校准表格中。
在实际测试系统中，为简化起见，标准线圈仅包括两个轴线圈，因此，矩阵(6)仅包括两个项目。
电抗偏移检测(X检测)
在如图1至图3中示意性示出的WPT系统的运行中，为了实现优化系统效率，重要的是将PA看到的有效负载(例如，基准面a处的输入阻抗Zin)保持在PA以最高效率运行的特定范围内，例如，如图4中的示例史密斯圆图200所示。Zin与耦合系统、整流器和负载状况密切相关。不同的设备以及不同的调谐和工作条件在PA的输出端的基准面A处限定不同的Zin。图4是图示用于EF2类PA设计的理想Zin区域(由勾勒出安全区域204的绿色轮廓代表)的示例的史密斯圆图。负载在高效工作区域之外被视为过感应性或过容性，这分别导致PA出现过电流和过电压的情况。在极端情况下，将PA置于高感应阻抗条件下可能会因高耗散功率引起的热效应(过热)而损坏设备。支持更大充电距离、更大充电区域或空间以及对多个设备充电的WPT系统可能会在较大的阻抗范围内引起Zin的较大变化。这些都是高功率磁谐振3D无线充电系统所面临的特殊挑战。
对于WPT行业中的低功率应用，大多数系统在没有调谐系统或简单的调谐系统的情况下运行。但是对于较高功率的应用，或更复杂的WPT系统(诸如用于多个设备的3D充电系统)，需要自动调谐系统来提高系统可靠性。因此，需要一种用于检测过度耗散状况的解决方案，以补充现有的电抗偏移检测和自动调谐解决方案，以避免低效率运行，这可能导致3D充电系统产生过高温度。
现有的阻抗检测解决方案基于计算，例如使用电流信息、电压信息和相位信息，或使用峰值漏极电压检测。
例如，传统上，可使用电压感测器、电流感测器和相位检测器确定负载状况。如图17(现有技术)所示，在开关模式PA和PTU线圈的调谐电路之间增加电流感测器、电压感测器和相位检测器。将电压幅值(V)、电流幅值(I)以及电流和电压之间的相位
Figure BDA0003803504880000212
输入到微控制器的ADC，从而根据校准表格确定触发条件。微控制器使负载阻抗数字化并且将其计算出来，其中：
Figure BDA0003803504880000211
根据计算出的jX值，微控制器决定是寻址自动调谐电路以接通或断开一个或多个调谐电容器，或者在极端情况下，触发保护机制。
然而，该方案依赖于高速微控制器(例如，GHz处理器)来实时计算电抗偏移(jX)。为了降低用于WPT应用的典型发射器系统的成本，微控制器是具有低时钟速度的低成本处理器。这意味着控制回路的周期时间本来就很慢，这可能不够稳健，无法实时处理PTU线圈上快速变化的电抗偏移，例如，当在充电3D区域中放置/移除/旋转多个设备时。
在用于电抗偏移检测的另一示例常规方法中，峰值漏极电压Vdrain用于隐式确定电抗偏移(图18(现有技术))。PA被配置为使峰值Vdrain与PA的DC电源电压VPA之间的比率反映负载的电抗偏移(例如，参见US2017/0187355A1)。这种方法可通过简单的逻辑硬件实现。如图18所示，该电路是用于进行自动调谐的E类PA电抗检测的简单而有效的解决方案，但是对于EF2类PA，其工作效果并不好。E类PA的另一个示例方法采用在指定积分间隔内对漏极电压进行积分，并且将积分结果与阈值进行比较，以检测高感应负载状况下的电抗偏移(参见例如PCT/CN2016/010423)。
图19(现有技术)示出使用峰值漏极电压(峰值Vdrain)进行常规电抗检测的示例数据。在电容区域和感应区域中，如图19所示，在理想情况下，在具有双峰漏电压的EF2类PA中，电容区域中的第一峰值漏极电压高于第二峰值(图19(a))，并且感应区域中的第一峰值漏极电压低于第二峰值(图19(b))；此外，随着电抗(jX)偏移到感应区域，漏极峰值电压与Vdd的比率单调减小(参见图19(c)和图19(d))。但是，在超出正常工作范围的大感应区域(例如，X＞40)中，峰值Vdrain随着电感的增加而增加，这会在确定隐含的负载状况时产生不确定性。并且也可能会出现三重峰值电压。峰值Vdrain方法仅适用于对自动调谐进行电抗偏移检测，但不能用作保护机制。因此，对EF2类PA，当前已知的解决方案无法有效地以快速且明确的方式防止发生极端感应负载状况。
因此，本公开发明的另一方面提供一种实时硬件实现的用于执行过度耗散保护(ODP)的方法，该方法利用恒定电流EF2类放大器波形的独特特性，并且直接测量与晶体管上的热耗散成比例的物理量，以允许快速检测和防止发生不理想的感应负载状况，对于为多个设备充电的3D充电系统尤其如此。这种感应负载和过度耗散检测/保护方法利用了带有EMI滤波器的EF2类功率放大器的独特Vdrain波形。与先前已知的解决方案相比，这种方法可能更快、更易于实现并且更稳健。
图20示出包括单端方案的示例无线3D充电系统，该单端方案采用具备用于进行实时电抗(X)偏移检测的电流感测、电压感测和相位感测的PA(EF2类PA或E类PA)。对于带有EMI滤波器的EF2类功率放大器，如图20所示，在占空比为35％至37％的零电压开关(ZVS)和零电压差分开关的最佳效率工作点，开关模式PA的理想漏极电压(Vdrain)波形如图21所示。
阻抗检测的基准面设置在EMI滤波器的输出端。(基准面A)。例如，对于Zin＝(20+30j)，当VPA＝48V时，基准面A处的电压和电流波形如图21所示；并且对于阻抗R+Xj的范围，对于2≤R≤120；80≤X≤50，基准面A处的电压和电流波形如图22所示。在基准面A处的电压和电流波形均为纯正弦波。因此，通过上面的等式(1)，可以很容易地计算出准确度非常高的阻抗。此外，可使用电压和电流检测形成实时硬件触发电路。硬件实现本质上更快、更稳健。
在这里，电抗以另一种形式重写。从电压感测器和电流感测器获得电流和电压，并且为了直接用硬件实现从θ到sinθ，实现近似值，实现简化。例如，如果角度θ的范围为10度到70度，则sinθ可近似为与θ呈线性关系，并且sinθ可近似为θ的线性拟合函数，如图23所示。
然后，在这里使用比例假设进行简化：AtX≤-10，
Vth＝VSENSE/ISENSE·(VPHASE-VPHASE(0°))≥0.066 (8)
其中，VPHASE(0)＝Vphase0＝1.13
由于相位检测器芯片的电流依赖性，该值发生变化。VPHASE(0°)和比例常数γ均随ITX变化。
图24图示阈值随ITX(电流，单位mA)的变化，并且Vphase0为线性拟合，如下所示：
VPHASE(0°)＝Vphase0＝0.0377*ISENSE+0.932 (9)
Vth＝0.073 (10)
图25示出对于阻抗窗口的下端，当A＝-10时阈值与ITX的关系的示例。图26示出对于阻抗窗口的上端，当A＝0时阈值与ITX的关系的示例。
例如，对于下阻抗窗口，等式(8)至(10)基于A＝-10ohm，并且对于上阻抗窗口，基于A＝0ohm，并且对Vphase0进行线性拟合，从而依据图25和图26获得等式(12)：
Vth＝0.918*VPHASE0 (12)
为了对等式(8)至(12)进行转换，示例实施例的硬件电路如图27所示。
对于阻抗窗口的下端，电路上的一些实际示例测试数据如图28(a)所示，并且对于阻抗窗口的上端，电路上的一些实际示例测试数据如图28(b)所示。
这种设计方法通过实时硬件实现阻抗窗口检测，适用于过度耗散保护并且适用于自动调谐系统。使用实时硬件电路的阻抗检测可允许针对预定义的阻抗窗口进行简单、快速且稳健的过度耗散保护以及感应电抗检测。
方法设计流程如图29所示，该图是用于对阻抗窗口进行检测的流程图2900。接收输入，从而限定自动调谐范围的阻抗窗口(方框2904)，如果确定输入端在上端处(方框2906)，则电流/电压感测器和相位检测器在相位0处用ITX进行校准，用VPhase0，以及上阻抗值(例如，在大多数情况下为0Ω)对Vth进行线性拟合(方框2908)。如果确定输入端不在上端处(方框2906)，则电流/电压感测器和相位检测器在相位0处用ITX校准，用VPhase0，以及下阻抗值(例如，-10Ω)对Vth进行线性拟合。然后，在电路设计(例如，图27所示)中将两个边界Vth组合；输入是三个感测器输出，并且输出是用于下阻抗边界和上阻抗边界的两个触发信号(方框2912)。然后，为检测到的阻抗窗口开发硬件电路(方框2914)。
现在，对用于电压检测、电流检测和相位检测的感测器设计的示例进行说明。这些用于检测负载状况何时超过特定感应负载阈值，例如，以提供控制信号(触发信号)，该信号可进一步应用于自动调谐控制(如以下部分所述)或过度耗散保护。
图30示出相位检测电路设计的示例。图31示出平面电流耦合器电路设计的示例；图32示出包括平面电流耦合器的电路的一部分的CAD图，以示出线圈结构；也就是说，线圈是多层线圈，可提供较长的线圈长度以改善耦合，同时具有较小的线圈尺寸，即非常小的线圈面积。图33示出电压感测器电路设计的示例。
图34示出示例实施例的包括用于进行阻抗检测的电路的PTU的示意框图，该示例实施例包括针对具有用于进行X检测的实时电流感测、电压感测和相位感测的EF2类放大器和E类放大器的推挽方案。
自动调谐
在3D充电系统中，将系统运行保持在最佳效率阻抗范围内是一项重大挑战。此外，在基于磁谐振的无线充电系统(诸如Airfuel)中，保持电力传输单元(PTU)线圈处于谐振状态也很重要。当电力接收单元(PTU)放置在由3D PTU线圈覆盖的3D充电区域时，可能会发生失谐。小型设备(诸如小型智能电话或可穿戴设备(例如，如图5和图35示意性所示))通常不会产生过多的失谐，因为PRU中的接收器线圈和铁氧体材料覆盖了本身的大小有限的设备中的大部分金属部件。如图36所示的包括3D线圈300和PRU的无线充电系统的示意性横截面侧视图所示，较大尺寸PRU设备40(诸如平板电脑)的金属底盘42可能会产生一些涡电流45，导致PTU线圈失谐。
随着推动WPT向更大设备(诸如用于工业应用的机器人和无人机)的更高功率方向发展并且为多个小型移动设备提供3D充电应用系统的系统被开发出来，更高的功率要求和更大3D充电空间的灵活性带来了另外的挑战。平板电脑的底盘比智能电话的底盘大得多，底盘的裸露部分和金属部件会在施加于其上的充电场的作用下产生涡电流，例如，如图36示意性所示，并且显著降低了PTU线圈的电感，从而使其偏离谐振。
图38示出图示被定位在图37的3D发射器线圈的3D充电空间中的单个移动设备12的示意图。当多个小型移动设备12被放置在3D线圈的3D充电空间中时，例如，如图39示意性所示，这种失谐效应显著改变了PTU工作阻抗。这意味着，由于功率放大器在恒定电流模式下工作，当出现失谐时，它在阻抗范围内工作，这导致运行效率降低，并且减少了可传递到谐振器线圈的电力。PA的低效率运行会增加将会转化为热量的耗散电力，并可能影响系统可靠性并可能损坏PA，尤其是在高功率应用中。
现在，将会对用于对高功率无线充电PTU进行动态自适应调谐的示例实施例的系统进行说明。基本工作原理如图40所示。如图40(a)所示，自适应调谐电路由与主串联调谐电容器(Cs)分流连接的多个调谐电容器(C1、C2…Cn)组成。每个调谐电容器的配置由与其串联的开关控制。当不存在提供给PTU线圈的设备时，PTU线圈由串联调谐电容器(Cs))进行串联调谐。当将带有大型金属底盘/组件的设备引入PTU线圈时，如图40(b)所示，PTU线圈的电感(L0)减少4010，导致提供给功率放大器(PA)的负载产生电抗偏移。一旦电抗偏移达到特定预定义阈值，如图40(c)所示，自适应调谐电路被触发，从而接通额外的调谐电容(C1)，使得组合调谐电容(Cs+C1)4014与降低的PTU线圈电感(L1)4012谐振。
由于图40(d)所示正在充电的设备导致产生更多的电抗偏移，PTU线圈电感的进一步降低导致在相同电抗偏移阈值下触发更多调谐电容被接通，如图40(e)所示，其中,组合调谐电容(C1+C2+CS)4024与进一步降低的PTU线圈电感(L2)4022谐振。重复该过程，用更多位控制额外的并联调谐电容的切换，以补偿可能由一个或多个PRU设备引起的任何潜在电抗偏移。
如图40(f)所示，这种带有多个可切换分流电容器的自适应调谐排布结构将提供给PA的电抗偏移限制在很小的范围内，在该范围内，可将PA的输出功率(红色等值线4002)和高效率(蓝色等值线4001)保持在所要求的范围内。如图40所示的配置虽然有效，但是添加分流调谐电容存在一些限制，例如，电抗补偿步长大小不均匀并且整体范围有限。
如图40(f)示意性所示，一旦达到特定的固定电抗偏移限值，例如通过触发自适应调谐电路切换到下一种调谐状态，自适应调谐电路的理想配置应始终能够使线圈恢复谐振。然而，如图40所示，包括添加的分流调谐电容的电路拓扑只能在少数状态转换中满足该条件。更具体地，只有在引入新的调谐电容器时(例如，状态1、状态2、状态4、状态8)，才能满足此类谐振条件。在其他状态转换期间，电容的组合引入的补偿始终少于使电路谐振所需的补偿。因此，这种拓扑可提供的电抗补偿的总范围远小于理论最佳值。
粗调与微调相结合，步长大小均匀且总电抗偏移补偿范围大
用于多个移动设备的3D充电系统需要更大的阻抗范围，以适应在3D充电空间中更灵活地定位每个设备。为了应对这一挑战，提出了另一示例实施例的自适应调谐电路配置，其改进了自适应调谐电路的阻抗调谐范围、步长大小和可靠性。
图41示出带有4个可切换调谐电容器的示例实施例的自适应调谐电路拓扑。其中，有串联电容器Cs，其属于初始启动电容。调谐电容器分为两组：第一组(作为微调组)中的所有电容器串联连接，并且开关(S1、S2)与调谐电容器(例如，C2、C1)并联连接，并且第二组(作为粗调组)中的所有电容器并联连接，并且开关(S3、S4)与这些调谐电容器(例如，C4、C3)串联连接。当线圈表现出最高电感时(例如，开垫状况，所有移动设备均靠近线圈)，所有调谐电容器串联连接(例如，开关状态S1S2S3S4＝0011，S1、S2用于微调，S3、S4用于粗调，以产生最高调谐电抗。随着将设备引入PTU线圈，电感LS减小，相应地，开关被配置为打开粗调电容的组合，以最小的电容器实现最大的阻抗覆盖；微调开关被配置为短接串联调谐电容器的组合，以实现更低的电抗，从而将电路调谐到接近谐振。这种排布结构提供了更小的均匀步长大小，实现阻抗优化效率调谐，并且减少了串联配置的电容器数量，从而最大限度地减少了调谐电路的电容器损耗。
图42示出另一示例实施例的调谐电容器排布结构，其被配置用于推挽式电路拓扑。在其他示例实施例中(图中未示出)，调谐电容器排布结构可包括两个以上的微调电容器和两个以上的粗调电容器，和/或不同数量的微调电容器和粗调电容器。然而，如果调谐区段的数量增加，如下所述，由于电容器损耗增加，这将影响系统效率。
作为示例，图46示出一些图示了粗调和微调两者的工作原理的曲线图。
图43示出一些示例开关状态和史密斯图，以图示粗调和微调。视图(a)中没有向线圈引入设备，并且仅连接了初始启动电容器Cs。视图(b)图示了当将组件引入线圈时的电抗偏移。视图(c)图示了当实现自动调谐时的电抗偏移，包括用于粗调的分流电容器C3以及用于微调的串联电容器C1和C2。
图44图示出图示了进行微调和粗调的电抗自适应调谐的电抗偏移范围的示例史密斯圆图(a)、(b)和(c)，其中，粗调覆盖具有更大步长大小的更大阻抗区域，并且微调覆盖具有更小均匀步长大小的更小阻抗区域。视图(a)图示了调谐范围的上限阈值或边界以及下限阈值或边界。视图(b)图示了粗调范围和微调范围，以及微调和粗调之间的边界。视图(c)图示了自适应调谐电抗偏移范围并且示出了效率等值线和功率等值线。
在微调区段中，选择电容值，使得电抗的微调步长大小一致。为了确保调谐配置之间的步进均匀和最大总微调范围，微调电容值的关系需要保持如下，其中，n是微调区段中的最大电容器数量：
Figure BDA0003803504880000271
在这种情况下，自适应微调电路产生的总电抗可写成：
Figure BDA0003803504880000272
Figure BDA0003803504880000273
其中，Sn是指示每个开关的开关状态的二进制数，Si＝1表示开关的闭合状态；Si＝0表示开关的打开状态。可以看出，在相邻的开关状态(比如，S1S2和S1S2+1)之间，由自适应微调网络引入的电抗差值始终是相同的值：1/(jω2n-1Ct)欧姆。n是微调区段中的最大电容器数量，并且微调步长的总数量是(2n-1)。
在粗调区段中，电抗的粗调步长几乎均匀，为了确保粗调范围的前几个步长的步进均匀，需要将粗调电容值的关系保持如下，其中，m-n是粗调区段中的最大电容器数量：
Figure BDA0003803504880000281
Figure BDA0003803504880000282
其中，Sn是指示每个开关的开关状态的二进制数，Si＝1表示开关的闭合状态；Si＝0表示开关的打开状态。可以看出，在相邻的开关状态(比如，S1S2和S1S2+1)之间，由自适应粗调网络引入的电抗差值几乎是相同的值：1/(jω2j-1Cp)
欧姆，当Cs大于2j-1Cp。m-n是粗调区段中的最大电容器数量，并且粗调步长的总数量是(2m-n-1)。
这种粗调和微调方案的组合方案减少了串联电容器的总数量，从而进一步提高了效率。此外，这种电容器排布结构扩展了调谐范围，其中，在高效率阻抗范围内，粗调的调谐步长大，并且微调步长更精确。
对于固定最大步长大小(例如，相邻调谐状态之间的最大变化)，这种自适应粗调电路配置允许给定数量的开关的最大电抗偏移补偿范围。可替代地，对于所需的相同总电抗偏移补偿范围Xctotal，可使用这种微调电路拓扑实现最小步长大小，其中，在微调区段中，最小步长大小是Xctotal/(2n-1)。总电抗偏移补偿范围如下：
Figure BDA0003803504880000283
Figure BDA0003803504880000284
推挽式配置中的自适应电抗调谐的实现
推挽式PA配置经常用在高功率设计中，尤其是WPT应用。推挽式自适应调谐电抗偏移补偿电路可在推挽式PA设计中实现，如图42所示。通过同时切换上侧链和下侧链上的对应调谐电容器，完成电抗偏移补偿。
在遵循所提出的电容排布结构的自适应调谐网络的推挽式配置中，自适应调谐电路产生的总电抗可写成：
例如，对于图42示出的电容器排布结构：
Figure BDA0003803504880000285
Figure BDA0003803504880000291
对于任意数量的开关：
Figure BDA0003803504880000292
Figure BDA0003803504880000293
在这种情况下，如图42所示，如果异步切换两侧并且将差值限制为一个步长(即|S1S2S3S4-S′1S′2S′3S′4|≤1)，则由自适应调谐网络提供的电抗偏移补偿的最小变化可减少为：1/(jω2nCt)，即单端自适应调谐网络的步长大小的一半。更精细的步长大小可更严格地控制PA性能，从而提高PA效率。
图45中的表格示出在每个开关状态S1S2S3S4下，图40中示出的分流配置与图41、图42和图43中示出的实施例的拓扑之间的自适应调谐电抗补偿的比较(以二进制数的十进制格式表示)。可以看出，鉴于单一调谐模式的常规自适应调谐拓扑的局限性，最大步长大小只有在涉及更大的步长大小时才可实现(例如，图45的表格中示出的从0到1、从1到2、从3到4和从7到8的级转换)。3D充电系统需要更小、更精确的步长，这意味着最大调谐范围将受到限制，除非增加调谐区段的数量。但是，例如，由于电容器损耗增加，这会影响系统效率。另一方面，本文公开的具有粗调/微调电容配置的电路拓扑确保了随着调谐状态的增加而保持一致的最大步长大小，并且与常规配置相比，覆盖了更大的总补偿范围，同时,以更小的微调步长大小保持精确的微调。为了实现，粗调步长大小被设计为覆盖所需的全部范围，并且每个粗调动作均会运行微调，以确保优化调谐步长。在一个设计示例中，微调步长大小为5欧姆，并且粗调步长大小在35欧姆至20欧姆之间的范围内，步长大小不均匀。由串联调谐电容器的拓扑模式进行微调，以小均匀步长大小覆盖更小的范围；并且由并联调谐电容器的拓扑模式进行粗调。
图46示出一些图示了粗调和微调两者的一些示例的曲线图。
图47示出固件如何确定和控制粗调/微调的方法的流程图，例如，什么时候向继电器状态添加半个步长。固件在每个时间间隔检测负载电抗(方框4702)。如果电抗偏移大于所设计的步长大小的一半(方框4704)，则继电器的一侧将添加一个步长(例如，粗调)(方框4708)。由于步长仅应用于一侧，因此由该动作引起的整体电抗偏移仅为步长大小的一半。然后，固件再次进行电抗检测，以确保电抗偏移在步长大小的一半以内(方框4712)。在一些实施例中，该过程可在粗调(方框4708)之后执行微调步长(方框4710)。如果电抗偏移不大于所设计的步长大小的一半(方框4704)，则维持当前开关状态(方框4706)并且该过程结束(方框4714)。
图45中的表格示出用于微调电容器拓扑、粗调电容器拓扑和粗调/微调组合的4位电抗偏移补偿步长大小。它们被设计用于以相同的最大步长大小调谐相同的PTU线圈。从图45的表格中的粗调列看出，一旦设置了开关状态设置0001、0010、0100和1000，所有其他开关状态均取决于上述4种状态和设置。只有上述4种状态具有相同的电抗步长，而其他状态的更小。因此，总电抗偏移仅为j134欧姆。从图45的表格中的串联调谐、微调列看出，微调只要调谐电容器从MSB(最高有效位)到LSB(最低有效位)的比率为1:2:4:8(例如，分别为1173pF、2347pF、4694pF和9488pF)，则并非所有这些均用于微调设计，这将取决于最大阻抗范围。例如，339pF、115pF、59pF和25pF分别用于粗调，并且所有调谐步长相同。均匀的步长大小还使得j167欧姆的总电抗偏移范围大得多。串联调谐电容器拓扑可在相同位数的情况下覆盖更多的电抗偏移。
图48示出图示了用于驱动发射器的示例E类恒定电流功率放大器(PA)的示意图。图49示出图示了用于驱动发射器的示例EF2类恒定电流功率放大器(PA)的示意图。
已经详细说明了用于3D充电的包括3D线圈、X检测和自动调谐的设备、系统和方法的示例实施例。这些可独立实现或组合实现。
尽管已经详细说明和图示了本发明的实施例，但应当清楚地理解，这仅作为说明和示例，而不作为限制，本发明的范围仅受所附权利要求书的限制。

Claims (40)

1.一种用于为感应式无线电力传输(WPT)系统的发射器生成磁场分布的谐振器线圈，包括：
导电迹线，所述导电迹线被图案化成限定线圈拓扑，所述线圈拓扑包括多匝，具有第一馈电端口和第二馈电端口；
每一匝包括第一部分，其中，所述导电迹线被限定在第一平面中，和第二部分，其中，所述导电迹线被限定在第二平面中，
其中，所述第一部分和所述第二部分的所述匝串联互连。
2.根据权利要求1所述的谐振器线圈，其中，所述第一平面和所述第二平面基本上正交。
3.根据权利要求1所述的谐振器线圈，其中，所述第一平面和所述第二平面正交。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的谐振器线圈，其中，所述线圈拓扑被配置为生成用于在3D充电空间内进行无线充电的三维(3D)磁场分布。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的谐振器线圈，其中，所述线圈拓扑被配置为生成用于在半球形充电空间内进行无线充电的三维磁场分布。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的谐振器线圈，其中，所述第一平面包括xy平面，并且所述第二平面包括xz平面或yz平面。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的谐振器线圈，其中，所述第一平面包括xy平面，并且所述第二平面包括xz平面，并且所述充电空间包括在所述xz平面的相对侧上的第一半部分和第二半部分。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的谐振器线圈，其中，每一匝的迹线宽度和迹线间距被配置为优化所述充电空间内的所述磁场分布的均匀性。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的谐振器线圈，所述谐振器线圈包括：
介电基板，所述介电基板具有在所述第一平面中延伸的第一部分以及在所述第二平面中延伸的第二部分；以及
其中，所述导电迹线的所述第一部分由所述介电基板的所述第一部分支承，并且所述导电迹线的所述第二部分由所述介电基板的所述第二部分支承。
10.一种3D谐振无线充电系统，包括：
根据权利要求1至9中任一项所述的谐振器线圈；
推挽式E类功率放大器(PA)或EF2类PA；和
控制系统，所述控制系统被配置为能够响应于负载状况控制供应给所述线圈的电流方向。
11.一种3D谐振无线充电系统，包括：
谐振器线圈，所述谐振器线圈具有线圈拓扑，所述线圈拓扑被配置为生成用于在3D充电空间内进行无线充电的三维(3D)磁场分布；
推挽式E类功率放大器(PA)或EF2类PA；和
控制系统，所述控制系统被配置为能够响应于负载状况控制电流方向。
12.根据权利要求11所述的3D谐振无线充电系统，其中，所述控制系统被配置为能够响应于所述负载状况控制在所述线圈的每个部分上流动的电流的时间间隔和相位中的至少一者。
13.一种用于3D谐振感应式无线充电系统的电抗(X)偏移检测电路，包括：
电子电路，所述电子电路包括：
第一输入端，所述第一输入端用于从电压感测器接收第一信号，
第二输入端，所述第二输入端用于从电流感测器接收第二信号，和
第三输入端，所述第三输入端用于从相位检测器接收第三信号；
第一输出端，所述第一输出端用于输出低电抗触发信号；和
第二输出端，所述第二输出端用于输出高电抗触发信号；
所述电子电路包括硬件，所述硬件被配置用于处理所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号以实时计算计算得出的电抗值；并且包括比较器电路，所述比较器电路用于将所述计算得出的电抗值与所存储的参考值进行比较，所述参考值包括电抗窗口的上限值和电抗窗口的下限值；
以及
如果所述电抗值大于所述上限值，则生成并输出高电抗触发信号；或者
如果所述电抗值小于所述下限值，则生成并输出高电抗触发信号。
14.根据权利要求13所述的电抗偏移检测电路，其中，选择所述电抗窗口的所述上限值和所述电抗窗口的所述下限值，以生成用于针对电抗进行自调谐的所述触发信号。
15.根据权利要求13所述的电抗偏移检测电路，其中，选择所述电抗窗口的所述上限值和所述电抗窗口的所述下限值，以生成用于实现过电压和过电流保护的所述触发信号。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的电抗偏移检测电路，包括相位检测电路。
17.根据权利要求13至15中任一项所述的电抗偏移检测电路，包括电流感测电路。
18.根据权利要求17所述的电抗偏移检测电路，其中，所述电流感测电路包括平面电流耦合器。
19.根据权利要求13至15中任一项所述的电抗偏移检测电路，包括电压感测电路。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的电抗偏移检测电路，其中，所述硬件被配置为基于VSENSE*(VPHASE-VPHASE0)/ISENSE计算阈值电压。
21.一种3D谐振感应式无线充电系统，包括：
功率放大器(PA)，其中，所述PA包括E类或EF2类放大器，所述E类或EF2类放大器具备用于进行实时阻抗检测的电流感测、电压感测和相位感测，包括根据权利要求13至20中任一项所述的电抗偏移检测电路。
22.根据权利要求21所述的3D谐振感应式无线充电系统，其中，所述功率放大器(PA)包括具有推挽拓扑的E类或EF2类放大器。
23.根据权利要求21所述的3D谐振感应式无线充电系统，其中，所述功率放大器(PA)包括具有单端拓扑的E类或EF2类放大器。
24.一种用于对谐振感应式电力传输系统的功率发射器进行负载自适应自动调谐的电路，所述电路包括调谐电容器排布结构，所述调谐电容器排布结构连接在用于从功率放大器接收电流的输入端和用于驱动Tx谐振器线圈的输出端之间，所述电容器排布结构包括：
第一串联调谐电容器；
多个可切换地连接的并联分流电容器，所述多个可切换地连接的并联分流电容器与所述第一串联调谐电容器并联连接，所述多个可切换地连接的并联电容器中的每个均具有串联连接的开关；和
多个可切换地串联连接的串联电容器，每个串联电容器均具有并联连接的开关；和
每个开关的开关状态可配置为选择性地连接或断开一个或多个所述并联电容器和所述串联电容器。
25.根据权利要求24所述的电路，其中，选择分流电容器的值以提供粗调步长，并且选择串联电容器的值以提供在所需的电抗范围内的小于所述粗调步长的微调步长。
26.根据权利要求24和25中任一项所述的电路，其中，选择分流电容器的值以提供步长大小均匀或不均匀的粗调步长。
27.根据权利要求26所述的电路，其中，选择分流电容器的值以提供在约20Ω至35Ω之间的范围内的粗调步长。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的电路，其中，选择串联电容器的值以提供均匀微调步长。
29.根据权利要求24至28中任一项所述的电路，其中，选择串联电容器的值以提供约5Ω的均匀微调步长。
30.根据权利要求24至29中任一项所述的电路，其中，计算并联电容器和串联电容器的值以限定调谐步长大小。
31.根据权利要求24至30中任一项所述的电路，所述电路包括控制器，所述控制器用于接收指示电抗偏移的触发信号，以及配置开关，所述配置开关用于可切换地连接一个或多个所述并联连接的电容器和/或一个或多个所述串联电容器，以提供所需电抗。
32.根据权利要求24至30中任一项所述的电路，所述电路包括控制器，所述控制器用于接收指示电抗偏移的触发信号，以及配置开关，所述配置开关用于可切换地连接一个或多个所述并联连接的电容器和/或一个或多个所述串联电容器以提供配置开关状态，以提供配置以下之一：粗调步长、微调步长以及粗调步长和微调步长的组合，以实现所需的电抗。
33.根据权利要求24至32中任一项所述的电路，进一步包括保护开关装置，所述保护开关装置被配置用于触发过电压保护或过电流保护响应触发信号，所述触发信号指示由根据权利要求13至20中任一项所述的电抗偏移检测电路生成的高阻抗边界值和低阻抗边界值之一。
34.根据权利要求24至33中任一项所述的电路，所述电路被配置为与具有推挽拓扑的功率放大器(PA)一起工作。
35.根据权利要求24至33中任一项所述的电路，所述电路被配置为与具有单端拓扑的功率放大器(PA)一起工作。
36.一种无线电力传输(WPT)系统，包括：
谐振器线圈，所述谐振器线圈用于生成用于在3D充电空间内进行无线充电的3D磁场分布；
功率放大器(PA)；
阻抗匹配网络；和
控制系统，所述控制系统包括以下至少一项：
a)响应于负载状况控制推挽式PA的电流方向的电路；
b)电抗偏移(X-偏移)检测电路，所述检测电路用于触发电抗的自动调谐、过电压保护和过电流保护中的至少一者；以及
c)用于针对电抗进行负载自适应自动调谐的电路。
37.根据权利要求36所述的无线电力传输(WPT)系统，其中，所述谐振器线圈包括：
导电迹线，所述导电迹线被图案化成限定线圈拓扑，所述线圈拓扑包括多匝，具有第一馈电端口和第二馈电端口；
每一匝包括第一部分，其中，所述导电迹线被限定在第一平面中，和第二部分，其中，所述导电迹线被限定在第二平面中，
其中，所述第一部分和所述第二部分的所述匝互连。
38.根据权利要求36所述的无线电力传输(WPT)系统，其中，所述响应于负载状况控制推挽式PA的电流方向的电路被配置为能够响应于所述负载状况控制在所述线圈的每个部分上流动的电流的时间间隔和相位中的至少一者。
39.根据权利要求36所述的无线电力传输(WPT)系统，其中，所述电抗(X)偏移检测电路包括：
电子电路，所述电子电路包括：
第一输入端，所述第一输入端用于从电压传感器接收第一信号，
第二输入端，所述第二输入端用于从电流感测器接收第二信号，和
第三输入端，所述第三输入端用于从相位检测器接收第三信号；
第一输出端，所述第一输出端用于输出低电抗触发信号；和
第二输出端，所述第二输出端用于输出高电抗触发信号；
所述电子电路包括硬件，所述硬件被配置用于处理所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号以实时计算计算得出的电抗值；并且包括比较器电路，所述比较器电路用于将所述计算得出的电抗值与所存储的参考值进行比较，所述参考值包括电抗窗口的上限值和电抗窗口的下限值；
以及
如果所述电抗值大于所述上限值，则生成并输出高电抗触发信号；或者
如果所述电抗值小于所述下限值，则生成并输出高电抗触发信号。
40.根据权利要求36所述的无线电力传输(WPT)系统，其中，所述用于针对电抗进行负载自适应自动调谐的电路包括调谐电容器排布结构，所述调谐电容器排布结构连接在用于从功率放大器接收电流的输入端和用于驱动Tx谐振器线圈的输出端之间，所述电容器排布结构包括：
第一串联调谐电容器；
多个可切换连接的并联分流电容器，所述多个可切换连接的并联分流电容器与所述第一串联调谐电容器并联连接，所述多个可切换连接的并联电容器中的每一个均具有串联连接的开关；和
多个可切换地串联连接的串联电容器，每个串联电容器均具有并联连接的开关；和
每个开关的开关状态可配置为选择性地连接或断开一个或多个所述并联电容器和所述串联电容器。
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