CN115360831B - 用于无线功率接收器的装置、控制电路及自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线功率接收器的装置、控制电路及自适应控制方法，包括接收线圈和具有第一输入和第二输入的整流器，第一输入耦合到接收线圈的第一端，第二输入通过谐振电容器耦合到接收线圈的第二端。该装置还包括串联连接在第一输入和地之间的第一电容器和第一开关网络以及串联连接在第二输入和地之间的第二电容器和第二开关网络，第一开关网络和第二开关网络均包括至少两个并联连接的场效应晶体管（FET），其中第一开关网络和第二开关网络被配置为调整耦合到接收线圈的阻抗，该阻抗与所述装置使用的幅移键控(ASK)调制相关。

Description

用于无线功率接收器的装置、控制电路及自适应控制方法

技术领域

本发明涉及通信装置，并且在特定实施例中，涉及无线功率传输系统的接收器中的通信装置。

背景技术

随着技术的进一步发展，无线功率传输已成为一种高效且方便的机制，用于为基于电池的移动设备（例如移动电话、平板电脑、数码相机、MP3播放器等）供电或充电。无线功率传输系统通常包括初级侧发射器和次级侧接收器。初级侧发射器与次级侧接收器磁耦合。该磁耦合可以实现为松耦合变压器，该变压器具有形成在初级侧发射器中的初级侧线圈和形成在次级侧接收器中的次级侧线圈。

初级侧发射器可以包括功率转换单元，诸如功率转换器的初级侧。功率转换单元耦合到电源并且能够将电能转换为无线功率信号。次级侧接收器能够通过松耦合变压器接收无线功率信号并将接收到的无线功率信号转换为适合负载的电能。

在无线功率传输系统中，可以基于次级侧接收器处的操作参数来生成各种控制信号。控制信号可以从次级侧接收器传送到初级侧发射器。特别地，控制信号可以使用合适的调制方案以调制信号的形式从接收线圈传送到发射线圈。幅移键控(ASK)是无线功率传输系统接收器中广泛使用的调制方案。ASK是通过调制无线功率传输系统中模拟信号的波幅来实现的。信息通过模拟信号的波幅变化传递。采用模拟传感设备来检测控制信号，该控制信号可以被包括在施加到传输线圈的电流和/或电压中。可以采用初级侧发射器处的解调器对模拟传感设备检测到的信号进行解调，并将解调信号馈送到发射器控制器，以便更好地控制发射器的操作。

可以通过改变发射器的操作参数将通信信息从接收器传送到发射器。改变发射器的操作参数的一种相对简单的方法是基于阻抗调制方法。例如，一对电容器-开关网络分别耦合到接收器线圈的两个端子。这对电容器-开关网络的开关在通信期间被打开和关闭，从而改变耦合到接收线圈的阻抗。阻抗变化对发射器的电学特性有影响。为响应这种影响，一些操作参数（例如，流过发射线圈的电流和/或发射线圈两端的电压）可能会发生变化。发射器中的控制电路检测至少一个操作参数的变化，并通过解调该操作参数的变化来获取通信信息。

声学噪声可能出现在无线充电传输系统中，尤其是对于具有高充电容量的无线充电器。一个可能的原因是，由于陶瓷电容器又薄又小，因此在电力电子设备中很受欢迎，当对其施加电压时会膨胀，而当电压降低时会收缩。从接收器到发射器的通信过程中的电压变化可能会导致陶瓷电容器在人类可听到的频率范围内变形。例如，耦合到接收器整流器的陶瓷电容器可能会由于通信过程中整流器两端的电压变化而产生噪声。降低噪声的一种解决方案是使用声音更轻的电容器（例如，钽电容器）作为替代品。钽电容器不易变形，因此在电压变化期间可能比陶瓷电容更安静。但是，对于无线功率传输系统等成本敏感和尺寸受限的应用，钽电容器可能不如陶瓷电容器好。

随着无线功率传输系统的功率越来越高，可能需要高效且安静地将通信信息从接收器传输到发射器，从而以可靠的方式控制发射器的操作。

发明内容

通常通过在无线功率传输系统的接收器中提供通信装置的本公开的优选实施例来解决或规避这些和其他问题，并且通常实现技术优势。

根据一个实施例，一种无线功率接收器的装置包括接收线圈和具有第一输入和第二输入的整流器，第一输入耦合到接收线圈的第一端，第二输入通过谐振电容器耦合到接收线圈的第二端，整流器被配置为将交流电压转换成直流电压，用于耦合到该装置的负载。该装置还包括串联连接在第一输入和地之间的第一电容器和第一开关网络，以及串联连接在第二输入和地之间的第二电容器和第二开关网络，第一开关网络和第二开关网络均包括至少多个并联连接的场效应晶体管（FET），其中第一开关网络和第二开关网络被配置为调节耦合到接收线圈的阻抗，该阻抗与该装置使用的幅移键控(ASK)调制相关。

根据一个实施例，一种方法包括将串联连接的第一电容器和第一开关网络耦合在整流器的第一输入和地之间，第一输入耦合到接收线圈的第一端，整流器被配置为将交流电压转换成直流电压，以用于耦合到无线功率传输系统的接收器的负载，无线功率传输系统还包括发射器，发射器的发射线圈磁耦合到接收线圈。该方法还包括将串联连接的第二电容器和第二开关网络耦合在整流器的第二输入和地之间，第二输入通过谐振电容器耦合到接收线圈的第二端，第一电容器和第二电容器位于控制线圈的外部。该方法进一步包括通过控制电路配置第一开关网络和第二开关网络以将耦合到接收线圈的阻抗从第一阻抗切换到第二阻抗，第一阻抗与由无线功率传输系统的接收器使用的ASK调制的高状态相关，第二阻抗与ASK调制的低状态相关。该方法还包括通过控制电路动态调节第一开关网络和第二开关网络的配置以改变第一阻抗和第二阻抗中的至少一个。

根据一个实施例，控制电路包括耦合在第一电容器和地之间的第一开关网络，第一电容器进一步耦合到接收线圈的第一端，以及耦合在第二电容器和地之间的第二开关网络，第二电容器进一步通过谐振电容器耦合到接收线圈的第二端，其中接收线圈的第一端和接收线圈的第二端分别耦合到整流器的第一输入和整流器的第二输入，其中整流器被配置为将交流电压转换为直流电压以用于耦合到控制电路的负载，其中控制电路被配置为控制第一开关网络和第二开关网络以将耦合到接收线圈的阻抗从第一阻抗切换到第二阻抗，第一阻抗与由无线功率接收系统使用的ASK调制的高状态相关，第二阻抗与ASK调制的低状态相关，并且其中控制电路还被配置为动态调节第一开关网络和第二开关网络的配置以改变第一阻抗和第二阻抗中的至少一个。

前面已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下公开的详细描述。下文将描述本公开的附加特征和优点，其构成本公开权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等效结构不脱离所附权利要求中阐述的本公开的精神和范围。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现结合附图参考以下描述，其中：

图1示出了根据一些实施例的无线功率传输系统的框图；

图2示出了根据一些实施例的图1所示的接收器的框图；

图3示出了根据一些实施例的图2所示的通信装置的示意图；

图4A-4D示出了图3所示的控制电路中的电容器和FET的各种实施例；

图5A-5B示出了根据一些实施例的被配置为基于局部测量来调节FET/开关网络的控制电路的框图；

图6示出了根据一些实施例的将自适应控制机制应用于图3所示的控制电路的流程图。

除非另有说明，不同附图中的对应数字和符号通常指对应的部分。绘制这些图是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，并不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应该理解的是，本公开提供了许多可以体现在各种特定背景中的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅用于说明制作和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

本公开将针对特定背景中的优选实施例进行描述，即无线功率传输系统的接收器中的通信装置。然而，本公开也可以应用于各种电力系统。在下文中，将参照附图详细说明各种实施例。

图1示出了根据本公开的各种实施例的无线功率传输系统的框图。无线功率传输系统100包括在输入电源102和负载114之间级联连接的功率转换器104和无线功率传输设备101。在一些实施例中，采用功率转换器104来进一步提高无线功率传输系统100的性能。在替代实施例中，功率转换器104是可选元件。换言之，无线功率传输装置101可以直接连接到输入电源102。

无线功率传输设备101包括功率发射器110和功率接收器120(在本公开中也被称为接收器)。如图1所示，功率发射器110包括级联连接的发射器电路107和发射线圈L1。发射器电路107的输入耦合到功率转换器104的输出。功率接收器120包括级联连接的接收线圈L2、谐振电容器Cs、整流器112和功率转换器113。功率接收器120进一步包括连接在整流器112和地之间的通信装置121。如图1所示，谐振电容器Cs与接收线圈L2串联连接并进一步连接到整流器112的输入端。谐振电容器Cs可以帮助实现无线功率传输系统的软开关。整流器112的输出连接到功率转换器113的输入。功率转换器113的输出耦合到负载114。

当功率接收器120放置在功率发射器110附近时，功率发射器110通过磁场磁耦合到功率接收器120。松耦合变压器115由作为功率发射器110的一部分的发射线圈L1和作为功率接收器120的一部分的接收线圈L2构成。结果，电力可以从功率发射器110传输到功率接收器120。

在一些实施例中，功率发射器110可以在充电垫内。发射线圈L1放置在充电板的上表面下方。功率接收器120可以嵌入在移动电话中。当手机靠近充电板放置时，发射线圈L1和接收线圈L2之间会建立磁耦合。换言之，发射线圈L1和接收线圈L2可形成松耦合变压器，通过该变压器在功率发射器110和功率接收器120之间发生功率传输。发射线圈L1和接收线圈L2之间的耦合强度由耦合系数k量化。在一些实施例中，k在约0.05至约0.9的范围内。

在一些实施例中，在发射线圈Ll和接收线圈L2之间建立磁耦合之后，功率发射器110和功率接收器120可以形成功率系统，通过该功率系统从输入电源102无线传输功率到负载114。

输入电源102可以是将公用线路电压转换为直流(dc)电压的电源适配器。或者，输入电源102可以是可再生电源，例如太阳能电池板阵列。此外，输入电源102可以是任何合适的能量存储装置，例如可充电电池、燃料电池、它们的任何组合和/或类似物。

负载114表示耦合到功率接收器120的移动设备(例如，移动电话)消耗的功率。或者，负载114可以指耦合到功率接收器120的输出端的可充电电池和/或串联/并联连接的电池。此外，负载114可以是下游功率转换器，例如电池充电器。

根据一些实施例，发射器电路107可以包括全桥转换器的初级侧开关。或者，发射器电路107可以包括任何其他合适的功率转换器（例如半桥转换器，推挽式转换器，或者它们的任何组合和/或类似物）的初级侧开关。

应当注意，上述功率转换器仅仅是示例。本领域普通技术人员将认识到其他合适的功率转换器，例如基于E类拓扑的功率转换器(例如，E类放大器)，可以根据设计需要和不同应用而被替代地使用。

发射器电路107还可以包括谐振电容器（未示出）。谐振电容器和发射器线圈的磁电感可以形成谐振回路。根据设计需要和不同的应用，谐振回路还可以包括谐振电感。在一些实施例中，谐振电感可以实现为外部电感。在替代实施例中，谐振电感可以实现为连接线。

功率接收器120包括在功率接收器120被放置在功率发射器110附近之后磁耦合到发射线圈Ll的接收线圈L2。因此，功率可以被传送到接收线圈并且进一步通过整流器112传送到负载114。功率接收器120可以包括如图1所示的次级谐振电容器Cs。在整个描述中，次级谐振电容器Cs可以替代地称为接收器谐振电容。功率接收器120还可以包括通信装置121。

整流器112将从包括接收线圈L2和接收器谐振电容器Cs的谐振回路接收的交替极性波形转换为单极性波形。在一些实施例中，整流器112包括全波二极管桥和输出电容器。在替代实施例中，全波二极管桥可以由诸如n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的开关元件形成的全波电桥代替。

此外，整流器112可以由其他类型的可控器件形成，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极结晶体管(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/或类似物。整流器112的详细操作和结构在本领域中是众所周知的，因此在此不再讨论。

功率转换器113耦合在整流器112和负载114之间。功率转换器113可用于进一步调整施加到负载114的电压/电流。功率转换器113是非隔离功率转换器。在一些实施例中，功率转换器113被实施为步降功率转换器，例如降压转换器。在替代实施例中，功率转换器113被实现为四开关降压-升压功率转换器。

此外，功率转换器113可以实现为混合功率转换器。混合转换器是一种非隔离式电源转换器。通过控制混合转换器的开关的开/关，混合转换器可以被配置为降压转换器、电荷泵转换器或混合转换器。

根据设计需要和不同的应用，混合转换器可以在不同的操作模式下工作。更具体地，当负载电流小于预定电流阈值和/或输入电压小于预定电压阈值时，混合转换器可以在降压模式下工作。在降压模式下，混合转换器被配置为降压转换器。当输入电压大于预定电压阈值和/或负载电流大于预定电流阈值时，混合转换器可以在电荷泵模式或混合模式下工作。更具体地，在一些实施例中，当混合转换器的输出电压与混合转换器的输入电压的比值小于0.5时，混合转换器可以在电荷泵模式或混合模式下工作。在电荷泵模式下，混合转换器被配置为电荷泵转换器。在混合模式下，混合转换器被配置为混合转换器。

在一些实施例中，混合转换器包括串联连接在整流器112的输出和负载114的输入之间的第一开关、电容器和第二开关。混合转换器还包括第三开关和第四开关。第三开关连接在第一开关与电容器的公共节点和第二开关与混合转换器的输出端的公共节点之间。第四开关连接在电容器和第二开关的公共节点与地之间。

此外，功率转换器113可以包括级联连接的第一功率级和第二功率级。第一功率级被配置成在不同模式工作以有效地为负载114(例如，可充电电池)充电。在一些实施例中，第一级可以实现为步降功率转换器(例如，降压转换器)、四开关降压-升压转换器、混合转换器以及它们的任何组合。第二功率级被配置为分压器或隔离开关。

图2示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的接收器的框图。如图2所示，接收线圈L2和接收器谐振电容Cs串联连接。接收线圈L2被配置为磁耦合到发射线圈（未示出）。接收器谐振电容器Cs和接收线圈L2形成接收器谐振回路。

整流器112的两个输入分别连接到接收线圈L2和接收器谐振电容器Cs。更具体地，整流器112的第一输入通过第一总线123连接到接收器谐振电容器Cs。整流器112的第二输入通过第二总线125连接到接收线圈L2。整流器112的输出连接到功率转换器113的输入。功率转换器113的输出连接到负载114。

如图2所示，通信装置121连接在整流器112的输入端和地之间。更具体地，通信装置121可以具有一个或多个连接到第一总线123的第一端，以及一个或多个连接到第二总线125的第二端。下面将结合图3对通信装置121的详细示意图进行描述。

在一些实施例中，通信装置121包括一个或多个电容器-开关网络。可以独立控制一个或多个电容器-开关网络。在操作中，接收器被配置为将一个或多个控制信号（通信信息）发送到与接收器磁耦合的发射器。一个或多个控制信号通过诸如幅移键控(ASK)之类的适当调制方案来传输。ASK调制方案可以通过调节耦合到接收线圈L2的阻抗来实现。作为调节耦合到接收线圈L2的阻抗的结果，无线功率传输系统的增益相应地变化。发射器侧的控制器通过分析流经发射线圈的电流和/或发射线圈两端的电压来检测增益的变化。可以解调增益的变化来取回从接收器发送的控制信号。

在传统的通信装置中，一对电容器-开关网络分别耦合到接收线圈的第一端和第二端。一对电容器-开关网络中的两个开关由同一控制信号控制。换言之，这两个开关不是独立控制的。一对电容器-开关网络的两个开关同时导通和关断。使用这样的控制机制，一对电容-开关网络只能生成两种不同的阻抗变化。特别地，当两个开关都断开时，第一阻抗设置被应用到接收线圈。另一方面，当两个开关都导通时，第二阻抗设置被应用到接收线圈。为了具有更多的阻抗变化，传统的通信装置需要更多的电容器-开关网络，这可能会增加材料清单（BOM）成本和无源元件的数量。此外，在传统的通信装置中，阻抗变化与ASK调制之间的相关不能在通信过程中动态调整。

在本公开中，通信装置121可以被配置为更有效和更灵活地产生多个阻抗变化。通信装置121可以从其被配置生成的多个阻抗变化中选择两个不同的阻抗，并在基于ASK调制的通信期间在这两个阻抗之间切换。整流器112的输出之间的电压的半波可以被称为Vrect。Vrect的波幅受耦合在整流器112的第一输入和第二输入之间的阻抗的影响。因此，被选中的两个阻抗中的一个会导致Vrect的较低电平波幅，而另一个导致Vrect的较高电平波幅。换言之，Vrect的较低电平波幅与ASK调制的低状态相关，而Vrect的较高电平波幅与ASK调制的高状态相关。

如上所述，耦合到整流器112的电容器由于Vrect的较高电平波幅和较低电平波幅之间的差异而生成声学噪声。减小差异可以降低声学噪声。当通信装置121能够生成更多的阻抗变化时，允许选择与ASK调制的低状态和高状态分别相关的一对阻抗，来产生更小的差异，这可以使无线功率传输系统更安静。此外，本公开的各方面提供了实施例技术在无线功率传输系统的发射器和接收器之间的通信期间动态调节用于ASK调制的低状态和高状态的选定阻抗。下面将讨论通信装置121的详细结构和操作原理。

图3示出了根据本公开的各种实施例的图2中所示的接收器的通信装置的示意图。接收器120包括接收线圈L2、接收器谐振电容Cs、通信装置121、整流器112和功率转换器113。如图3所示，接收器谐振电容器Cs、整流器112和功率转换器113在接收线圈L2和负载114之间级联连接。通信装置121耦合到总线123和总线125。

通信装置121包括串联连接在总线123和地310之间的电容器302和场效应晶体管（FET)网络306。在本公开中，FET网络也可被称为开关网络。通信装置121还包括串联连接在总线125和地310之间的电容304和FET网络308。在各种实施例中，通信装置121可以包括更多的电容器和更多的FET网络。FET网络306和FET网络308中的每一个都包括至少一个FET。FET网络306和308由通信装置121控制以改变耦合到接收线圈L2的阻抗，从而改变发射器中的操作参数(例如，流经发射线圈的电流和/或发射线圈两端的电压）。

在一些实施例中，FET/开关网络306、FET/开关网络308、整流器112和功率转换器113可被集成在单个芯片312中。在其他实施例中，仅FET/开关网络306和FET/开关网络308被集成在单个芯片312中。芯片312也可被称为无线功率转换系统的控制电路。

在一些实施例中，可以调节通信装置121中的FET的栅极驱动电压，使得每个FET可以用作开关或电阻或以上两者。在各种实施例中，取决于栅极驱动电压，通信装置121中的FET可以在至少三种模式中的一种模式下工作：FET作为具有小导通电阻的导通开关的饱和模式、FET作为断开开关的截止模式，以及FET用作由栅极驱动电压控制其电阻值的电阻器的欧姆模式。因此，通信装置121包括电容器-电阻网络。该电容器-电阻网络包括一个或多个控制变量，即FET的电阻。每个FET的阻值可以通过调节相应的栅极驱动电压来调节。结果，电容器-电阻网络成为了一个与接收线圈耦合的可调阻抗网络。通信装置121可通过调节电容器-电阻网络生成多个阻抗变化。在通信过程中，通信装置121可以从多个阻抗变化中选择两个合适的阻抗，并将选择的阻抗与ASK调制的低状态和高状态相关。

图4A-4D示出了接收器120中的电容器和FET的各种实施例。在图4A中描绘的一个实施例中，接收器120包括串联连接在总线123和地310之间的电容器302和FET网络306。接收器120还包括串联连接在总线125和地310之间的电容器304和FET网络308。FET网络306包括并联连接的四个FET 404、406、408和410。FET网络308包括并联连接的四个FET 414、416、418和420。通过导通或断开FET网络306和308中的一个或多个FET可以产生多个阻抗变化。当所有FET 404、406、408、410、414、416、418和420导通，产生第一阻抗。当FET 404和414断开并且FET 406、408、410、416、418和420导通时，产生第二阻抗。当FET 404、406、414和416被断开并且FET 408、410、418和420被导通时，产生第三阻抗。当FET 404、406、408、414、416和418断开并且FET 410和420导通时，产生第四阻抗。当FET 404、408、414和418断开并且FET 406、410、416和420导通时，产生第五阻抗。类似地，当FET网络306和308中的不同FET断开并且FET网络306和308中的其他FET导通时，会产生一些其他不同的阻抗。

图4B示出了另一个实施例，其中接收器120包括更多的电容器和相应的FET网络。具体地，在本实施例中，接收器120包括串联连接在总线123和地310之间的电容器302和FET网络306、串联连接在总线125和地310之间的电容器304和FET网络308、串联连接在总线123和地310之间的电容器432和FET网络436，以及串联连接在总线125和地310之间的电容器434和FET网络438。FET网络306包括两个并联连接的FET 440和442。FET网络308包括两个并联连接的FET 448和450。FET网络436包括两个并联连接的FET 444和446。FET网络438包括两个并联连接的FET 452和454。通过导通或断开FET网络306、308、436和438中的一个或多个FET可以产生多个阻抗变化。当所有的FET 440、442、444、446、448、450、452和454被导通时，产生第一阻抗。当FET 440和448断开并且FET 442、444、446、450、452和454导通时，产生第二阻抗。当FET 440、442、448和450被断开并且FET 444、446、452和454被导通时，产生第三阻抗。当FET 440、442、444、448、450和452被关断并且FET 446和454被导通时，产生第四阻抗。当FET 440、448、444和452被关断并且FET 442、450、446和454被导通时，产生第五阻抗。类似地，当FET网络306、308、436和438中的不同FET被断开并且FET网络306、308、436和438中的其他FET被导通时，会产生一些其他不同的阻抗。

在图4C中描绘的另一个实施例中，接收器120包括串联连接在总线123和地310之间的电容器302和FET网络306。接收器120还包括串联连接在总线125和地310之间的电容器304和FET网络308。FET网络306包括FET 460。FET网络308包括FET 462。FET 460和462都可以在欧姆模式下工作。换言之，FET 460和FET 462中的每一个FET的导通电阻由对应的FET的栅极驱动电压控制。因此，可以通过分别向FET 460和FET 462提供各种栅极驱动电压来产生多个阻抗变化。

在图4D示出的又一实施例中，接收器120包括串联连接在总线123和地310之间的电容器302和FET网络306。接收器120还包括串联连接在总线125和地310之间的电容器304和FET网络308。FET网络306包括FET 460和FET 464。FET网络308包括FET 462和FET 466。FET 460、462、464和466中的每一个FET可用作开关，或电阻器，或以上两者，取决于其栅极驱动电压。在一个示例中，FET 460和FET 462可以用作开关，并且FET 464和FET 466可以在欧姆模式下工作。因此，可以通过导通或断开FET 460和462中的一个或多个并且分别向FET464和FET 466提供各种栅极驱动电压来产生多个阻抗变化。在另一示例中，FET 460、462、464和466都可以在欧姆模式下工作。通过向这些FET提供各种栅极驱动电压的各种配置，可以产生多种阻抗变化。

图4A-4D中描绘的特定实施例仅仅是说明性的，因此不应被解释为限制范围。在接收器120中可以使用任何合适数量的电容器和FET。此外，本领域技术人员可以实施利用图4A-4D中所示的任何实施例的特定设备，或者组合这些实施例的全部或仅子集在一台设备中。

接收器120包括控制电路312。在一些实施例中，接收器120中的一个或多个FET/开关网络位于控制电路312的内部。接收器120中的一个或多个FET/开关网络中的FET可以由控制电路312提供的控制信号控制。在一个实施例中，控制电路312提供的控制信号可以是影响接收器120中的FET的栅极驱动电压的信号。在另一个实施例中，控制信号可以包括接收器120中的FET的栅极驱动电压。在一些实施例中，控制电路312包括整流器112和功率转换器113（未在图4A-4D中示出）。可替代地，在各种实施例中，整流器112和功率转换器113位于控制电路312的外部。

接收器120可以从接收器120中的FET的不同配置所产生的多个阻抗变化中选择两个不同的阻抗。接收器120可以将这两个不同的阻抗与ASK调制的低状态和高状态相关。例如，使用图4A中所示的FET网络，在ASK调制的高状态期间，接收器120可以导通FET 404、406、408、410、414、416、418和420以将第一阻抗耦合到接收线圈L2。在ASK调制的低状态期间，接收器120可以断开FET 404、406、408、414、416和418并导通FET 410和420以将第四阻抗耦合到接收线圈L2。如果这样的配置不满足接收器120或无线功率传输系统的要求，则接收器120可以选择不同的阻抗对并将新选择的阻抗与ASK调制的低状态和高状态相关。例如，耦合到整流器112的陶瓷电容器可能由于Vrect的较高电平幅度和较低电平幅度之间的差距大而产生过多的噪声。接收器120在ASK调制的高状态期间仍可使用第一阻抗。但在ASK调制的低状态期间，接收器120可将第三阻抗耦合到整流器112。换言之，在ASK调制的低状态期间，接收器120可以断开FET 404、406、414和416并导通FET 408、410、418和420。因为新选择的阻抗减小了Vrect的较高电平幅度和较低电平幅度之间的差距，噪声问题可以被解决。

在一些实施例中，用于ASK调制的阻抗选择可以是预先确定的和半静态改变的。例如，在每次接收器120上电之前确定该选择。在其他实施例中，ASK调制的阻抗选择可以在通信过程中动态调整，在本公开中也称为ASK调制的自适应控制。ASK调制的自适应控制可以基于各种标准。可决定ASK调制的阻抗选择的因素包括声学噪声、发射器和接收器之间的通信信道的质量以及无线功率传输期间的功率损耗。

例如，可以动态地调整ASK调制的阻抗选择，以提高发射器和接收器之间的通信质量。具体地，发射器通过检测流经发射器线圈的电流和/或发射器线圈两端的电压的变化来获取从接收器发送的数据。较大的变化可以使发射器更容易解调接收到的数据。因此，如果发射器发现发射器和接收器之间的当前通信信道不可靠或不令人满意，则发射器可以向接收器提供反馈。然后在接收到反馈时，接收器可以为ASK调制选择一对新的阻抗，其提供流过发射线圈的电流和/或发射线圈两端的电压的更大变化。

在另一个示例中，可以动态调整ASK调制的阻抗选择，以减少电荷泵应用期间的功率损耗。功率损耗可能是由Vrect的较低电平幅度引起的。因此，接收器可以为ASK调制选择一对阻抗以增加Vrect的较低电平幅度来减少无线功率传输期间的功率损耗。

在各种实施例中，ASK调制的自适应控制可以基于任何上述因素或上述因素的任何组合的折衷。对于ASK调制的自适应控制，也可以考虑任何其他合适的因素。

在一些实施例中，ASK调制的自适应控制可以通过在接收器中执行的局部测量来触发。接收器或位于接收器中的控制电路可以根据在接收器处测量的各种本地信号来执行自适应控制ASK调制。接收器或位于接收器中的控制电路可以在不依赖来自发射器的任何反馈的情况下执行自适应控制ASK调制。图5A-B示出了根据本公开的各种实施例的被配置为基于局部测量来调整FET网络的控制电路的框图。如图5A所示，接收器120包括电容器302和304以及控制电路312。控制电路312包括耦合在电容器302和地之间的FET网络306和耦合在电容器304和地之间的FET网络308。控制电路312还包括耦合到整流器112输出的测量电路502、检测电路504和驱动电路506。测量电路502可以包括至少一个模数转换器(ADC)并且被配置为测量整流器112的输出电压(Vrect)。检测电路504可以被配置为确定Vrect的较低电平幅度和较高电平幅度之间的差值并将所确定的差值输出到驱动电路506。驱动电路506被配置为基于检测电路504的输出生成用于FET网络306和308的控制信号。在图5A所示的示例中，整流器112和功率转换器113位于控制电路312的外部。

在图5B所示的另一个实施例中，控制电路312可以包括整流器112和功率转换器113。如图5B所示，控制电路312还可以包括FET网络306和FET网络308。控制电路312还包括耦合到整流器112、检测电路504和驱动电路506的输出的测量电路502。测量电路502、检测电路504和驱动电路506可以与图5A所描述的那些起类似作用。

在各种实施例中，ASK调制的自适应控制可以由来自发射器的反馈触发。接收器或位于接收器中的控制电路可以根据从发射器发送的各种反馈来执行ASK调制的自适应控制。接收器或位于接收器中的控制电路可以仅依赖来自发射器的反馈或来自发射器的反馈和在接收器处执行的测量值两者来执行ASK调制的自适应控制。在一个示例中，来自发射器的反馈可以包括关于如何调整ASK调制的指令。发射器可以基于在接收器处执行的局部测量来确定对ASK调制的特定调整，并通过反馈信道将调整决定发送到接收器。在接收到反馈后，接收器可以按照指示改变ASK调制。在另一示例中，来自发射器的反馈可以包括在发射器处执行的局部测量。发射器可以仅通过反馈信道将其局部测量结果发送给接收器。在接收到反馈后，接收器可以基于发射器处的测量结果来确定如何调整ASK调制。在各种实施例中，接收器可以基于在发射器处执行的测量和在接收器处执行的测量两者来确定如何调整ASK调制。

在控制电路中，所述第一开关网络包括第一FET并且所述第二开关网络包括第二FET；当所述第一FET和第二FET导通时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和当所述第一FET和所述第二FET都工作在欧姆模式时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

图6示出了根据本公开的各种实施例的将自适应控制机制应用于图3、4和5A-B所示的控制电路的流程图。该流程图仅是一个示例，不应过度限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新排列和重复图6中所示的各种步骤。

无线电力传输系统(例如，图1中所示的无线电力传输系统)包括发射器和接收器。发射器包括全桥、发射器谐振电容器和发射线圈。接收器包括接收线圈、接收器谐振电容器和整流器。发射线圈磁耦合到接收线圈。无线电力传输系统还可包括放置在接收器中的通信装置。接收器包括控制电路(例如图3、4和5A-B中所示的控制电路312)。

在步骤602，串联连接的第一电容器和第一开关网络被配置为耦合在整流器的第一输入和地之间。第一输入可以耦合到接收线圈的第一端。整流器被配置为将交流电压转换为直流电压以用于耦合到无线电力传输系统的接收器的负载。

在步骤604，串联连接的第二电容器和第二开关网络被配置为耦合在整流器的第二输入和地之间。第二输入可以通过谐振电容器耦合到接收线圈的第二端。第一电容器和第二电容器可以位于控制电路之外。

在步骤606，控制电路配置第一开关网络和第二开关网络以将耦合到接收线圈的阻抗从第一阻抗切换到第二阻抗。第一阻抗可以与由无线电力传输系统的接收器使用的ASK调制的高状态相关，并且第二阻抗可以与ASK调制的低状态相关。

在步骤608，控制电路动态地调整第一开关网络和第二开关网络的配置以改变第一阻抗和第二阻抗中的至少一个。

第一开关网络包括第一FET并且第二开关网络包括第二FET，该方法还包括：导通所述第一FET和所述第二FET以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和使所述第一FET和所述第二FET均工作在欧姆模式下以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

第一开关网络包括第一FET并且第二开关网络包括第二FET，该方法还包括：通过栅-源电压的第一配置控制所述第一FET和所述第二FET均工作在欧姆模式以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及通过栅-源电压的第二配置控制所述第一FET和所述第二FET均工作在所述欧姆模式以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

所述第一开关网络包括均工作在欧姆模式的第一FET和第二FET，并且所述第二开关网络包括均工作在所述欧姆模式的第三FET和第四FET；向所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET提供栅-源电压的第一配置，以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；并且向所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET提供栅-源电压的第二配置，以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

所述第一开关网络包括第一FET和第二FET，并且所述第二开关网络包括第三FET和第四FET；导通所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及导通所述第一FET和所述第三FET并通过栅-源电压的配置控制所述第二FET和所述第四FET工作在欧姆模式以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解，在不背离所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员从本公开的公开内容中容易理解的那样，执行基本相同的功能的过程、机器、制造、物质组合物、手段、方法或步骤，目前存在或以后将被开发或实现与根据本公开可利用本文描述的相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种用于无线功率接收器的装置，包括：

接收线圈；

整流器，具有第一输入和第二输入，所述第一输入耦合到所述接收线圈的第一端，所述第二输入通过谐振电容器耦合到所述接收线圈的第二端，所述整流器被配置为将交流电压转换成用于耦合到所述装置的负载的直流电压；

第一电容器和第一开关网络，串联连接在所述第一输入和地之间；和

第二电容器和第二开关网络，串联连接在所述第二输入和地之间，所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络包括至少两个并联连接的场效应晶体管(FET)，其中所述第一开关网络和所述第二开关网络被配置为调节耦合到所述接收线圈的阻抗，所述阻抗包括第一阻抗和第二阻抗，所述第一阻抗与所述装置使用的幅移键控(ASK)调制的高状态相关，所述第二阻抗与所述装置使用的幅移键控(ASK)调制的低状态相关。

2.如权利要求1所述的装置，其中：

所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络包括四个FET；

当所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET均导通时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和

当所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET中的两个FET导通，并且所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET中的另外两个FET断开时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

3.如权利要求1所述的装置，还包括：

第三电容器和第三开关网络，串联连接在所述第一输入和地之间；和

第四电容器和第四开关网络，串联连接在所述第二输入和地之间，其中：

所述第一开关网络、所述第二开关网络、所述第三开关网络和所述第四开关网络中的每个网络包括两个并联连接的FET；

当所述第一开关网络、所述第二开关网络、所述第三开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络中的两个FET导通时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和

当所述第一开关网络和所述第三开关网络中的每个开关网络中的所述两个FET导通，所述第二开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络中的一个FET导通，并且所述第二开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络中的另一个FET断开时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

4.如权利要求1所述的装置，其中：

所述第一开关网络包括均以欧姆模式工作的第一FET和第二FET；

所述第二开关网络包括均以欧姆模式工作的第三FET和第四FET；

当所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET由栅-源电压的第一配置控制时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及

当所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET由栅-源电压的第二配置控制时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

5.如权利要求1所述的装置，其中：

所述第一开关网络包括第一FET和第二FET，所述第二FET工作在欧姆模式；

所述第二开关网络包括第三FET和第四FET，所述第四FET工作在欧姆模式；

当所述第一FET和所述第三FET导通，并且所述第二FET和所述第四FET由栅-源电压的第一配置控制时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和

当所述第一FET和所述第三FET导通，并且所述第二FET和所述第四FET由栅-源电压的第二配置控制时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括在无线功率传输系统中，以及其中，所述无线功率传输系统还包括发射器，所述发射器的发射线圈磁耦合于所述接收线圈。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，根据所述整流器的第一输出端和第二输出端之间的电压测量值来调节所述阻抗。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，根据来自所述发射器的反馈来调节所述阻抗。

9.一种自适应控制方法，包括：

将串联连接的第一电容器和第一开关网络耦合于整流器的第一输入和地之间，所述第一输入耦合于接收线圈的第一端，所述整流器被配置为将交流电压转换成直流电压以用于耦合到无线功率传输系统的接收器的负载，所述无线功率传输系统还包括发射器，所述发射器的发射线圈磁耦合于所述接收线圈；

将串联连接的第二电容器和第二开关网络耦合于所述整流器的第二输入和地之间，所述第二输入通过谐振电容器耦合到所述接收线圈的第二端，所述第一电容器和所述第二电容器位于控制电路的外部；

通过所述控制电路配置所述第一开关网络和所述第二开关网络以将耦合到所述接收线圈的阻抗从第一阻抗切换到第二阻抗，所述第一阻抗与所述无线功率传输系统的所述接收器使用的幅移键控(ASK)调制的高状态相关，所述第二阻抗与所述ASK调制的低状态相关；以及

通过所述控制电路动态调节所述第一开关网络和所述第二开关网络的配置以改变所述第一阻抗和所述第二阻抗中的至少一个。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络包括并联连接的四个场效应晶体管(FET)，并且其中所述方法还包括：

导通所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的四个FET以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及

导通所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET中的两个FET，并且断开所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET中的另外两个FET以将所述第二阻抗耦合到接收线圈。

11.如权利要求9所述的方法，还包括：

将串联连接的第三电容器和第三开关网络耦合在所述第一输入和地之间以及将串联连接的第四电容器和第四开关网络耦合在所述第二输入和地之间，所述第一开关网络、所述第二开关网络、所述第三开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络包括两个并联连接的FET；

导通所述第一开关网络、所述第二开关网络、所述第三开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络中的两个FET以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及

导通所述第一开关网络和所述第三开关网络中的每个开关网络中的所述两个FET，导通所述第二开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络中的一个FET，并且断开所述第二开关网络和所述第四开关网络中的每个开关网络中的另一个FET以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一开关网络包括第一FET并且所述第二开关网络包括第二FET，并且其中所述方法还包括：

导通所述第一FET和所述第二FET以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和

使所述第一FET和所述第二FET均工作在欧姆模式下以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一开关网络包括第一FET并且所述第二开关网络包括第二FET，并且其中所述方法还包括：

通过栅-源电压的第一配置控制所述第一FET和所述第二FET均工作在欧姆模式以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及

通过栅-源电压的第二配置控制所述第一FET和所述第二FET均工作在所述欧姆模式以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一开关网络包括均工作在欧姆模式的第一FET和第二FET，并且所述第二开关网络包括均工作在所述欧姆模式的第三FET和第四FET；

向所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET提供栅-源电压的第一配置，以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；并且

向所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET提供栅-源电压的第二配置，以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一开关网络包括第一FET和第二FET，并且所述第二开关网络包括第三FET和第四FET；

导通所述第一FET、所述第二FET、所述第三FET和所述第四FET以将所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；以及

导通所述第一FET和所述第三FET并通过栅-源电压的配置控制所述第二FET和所述第四FET工作在欧姆模式以将所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

16.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一开关网络和所述第二开关网络的所述配置被动态调节以根据所述整流器的输出电压测量值，或来自所述发射器的反馈，或以上两者来改变所述第一阻抗和所述第二阻抗中的至少一个。

17.一种无线功率接收系统的控制电路，包括：

第一开关网络，耦合在第一电容器和地之间，所述第一电容器进一步耦合于接收线圈的第一端；和

第二开关网络，耦合在第二电容器和地之间，所述第二电容器进一步通过谐振电容器耦合到接收器线圈的第二端，其中：

所述接收线圈的所述第一端及所述接收线圈的所述第二端分别耦合于整流器的第一输入和所述整流器的第二输入；

所述整流器被配置为将交流电压转换为直流电压以用于耦合到控制电路的负载；

所述控制电路被配置为控制所述第一开关网络和所述第二开关网络以将耦合到所述接收线圈的阻抗从第一阻抗切换到第二阻抗，所述第一阻抗与由所述无线功率接收系统使用的幅移键控(ASK)调制的高状态相关，所述第二阻抗与所述ASK调制的低状态相关；和

所述控制电路进一步被配置为动态调节所述第一开关网络和所述第二开关网络的配置以改变所述第一阻抗和所述第二阻抗中的至少一个。

18.如权利要求17所述的控制电路，其中：

所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络包括四个FET；

当所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET导通时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和

当所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET中的两个FET导通，并且所述第一开关网络和所述第二开关网络中的每个开关网络中的所述四个FET中的另外两个FET断开时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

19.如权利要求17所述的控制电路，其中：

所述第一开关网络包括第一FET并且所述第二开关网络包括第二FET；

当所述第一FET和第二FET导通时，所述第一阻抗耦合到所述接收线圈；和

当所述第一FET和所述第二FET都工作在欧姆模式时，所述第二阻抗耦合到所述接收线圈。

20.根据权利要求17所述的控制电路，其中所述第一开关网络和所述第二开关网络的配置被动态调节以根据所述整流器的输出电压测量值来改变所述第一阻抗和所述第二阻抗中的至少一个。

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