CN115842418A - 无线电力传输电力控制技术 - Google Patents

Abstract

本公开涉及无线电力传输电力控制技术。无线电力传输系统可以包括电子设备，该电子设备包括第一无线电力传输线圈和耦接到该无线电力传输线圈的无线电力传输电路。该无线电力传输电路能够经由第一无线电力传输线圈无线地接收电力和发射电力。该系统还可包括附件设备，该附件设备包括：第二无线电力传输线圈；整流器，该整流器耦接到第二无线电力传输线圈；以及能量存储设备，该能量存储设备通过调节器电路耦接到整流器。该无线电力传输电路可以在脉冲或突发无线电力传输模式下操作以向附件设备递送电力。

Description

无线电力传输电力控制技术

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年9月22日提交的名称为“WIRELESS POWER TRANSFER POWERCONTROL TECHNIQUES”的美国临时申请号63/261,485和于2022年7月29日提交的名称为“WIRELESS POWER TRANSFER POWER CONTROL TECHNIQUES”的美国专利申请号17/816,081的权益，这些申请的公开内容全文以引用方式并入本文以用于所有目的。

背景技术

无线电力传输(其中经由电力发射器(PTx)与电力接收器(PRx)之间的电感耦接来递送电力)对于给电池供电的电子设备供电是有用的。在一些应用中，可以使用间歇性无线电力传输(例如，“突发模式(burst mode)”无线电力传输)来增强操作效率。

发明内容

为了优化间歇性无线电力传输，同时还确保向所有相关设备递送足够的电力，控制技术可适用于考虑被供电的附件。

一种无线电力传输系统可以包括电子设备，该电子设备包括第一无线电力传输线圈和耦接到该无线电力传输线圈的无线电力传输电路。该无线电力传输电路能够经由第一无线电力传输线圈无线地接收电力和发射电力。该系统还可包括附件设备，该附件设备包括：第二无线电力传输线圈；整流器，该整流器耦接到第二无线电力传输线圈；以及能量存储设备，该能量存储设备通过调节器电路耦接到整流器。该无线电力传输电路可以在脉冲或突发无线电力传输模式下操作以向附件设备递送电力。

脉冲或突发无线电力传输模式可以具有在其期间将电力递送到附件设备的接通时间和在其期间不将电力递送到附件设备的关断时间。无线电力传输电路可以采用可变接通时间，其中响应于无线电力传输电路检测到能量存储设备被完全充电而终止接通时间。无线电力传输电路可以通过监测递送到附件设备的无线电力的量来检测能量存储设备被完全充电。无线电力传输电路可以使用恒定关断时间在脉冲或突发无线电力传输模式下操作。可以由电子设备响应于从附件设备接收的与附件设备的电力消耗有关的信息来确定该恒定关断时间。从附件设备接收的信息可以经由与无线电力传输信道分开的通信信道接收。无线电力传输电路可以使用可变关断时间在脉冲或突发无线电力传输模式下操作。可变关断时间可以由来自附件设备的突发模式请求脉冲终止。

无线电力传输系统还可以包括具有第三无线电力传输线圈的电源附件，该电源附件还从电子设备接收电力，其中附件设备的第二无线电力传输线圈被定位在电子设备的第一无线电力传输线圈和电源附件的第三无线电力传输线圈之间。电源附件能够经由第三无线电力传输线圈向电子设备和附件设备递送电力。

电子设备可以包括无线电力传输线圈和耦接到该无线电力传输线圈的无线电力传输电路。该无线电力传输电路能够经由第一无线电力传输线圈无线地接收电力和发射电力。该无线电力传输电路可以在脉冲或突发无线电力传输模式下操作以将电力无线地递送到附件设备。脉冲或突发无线电力传输模式可以具有在其期间将电力递送到附件设备的接通时间和在其期间不将电力递送到附件设备的关断时间。

无线电力传输电路可以采用可变接通时间。响应于无线电力传输电路检测到递送到附件设备的电力的减少，可以终止该接通时间。递送到附件设备的电力的减少可以与附件设备的能量存储设备达到完全充电状态相关联。无线电力传输电路可以使用恒定关断时间在脉冲或突发无线电力传输模式下操作。可以由电子设备响应于从附件设备接收的与附件设备的电力消耗有关的信息来确定该恒定关断时间。从附件设备接收的信息可以经由与无线电力传输信道分开的通信信道接收。无线电力传输电路可以使用可变关断时间在脉冲或突发无线电力传输模式下操作。可变关断时间可以由来自附件设备的突发模式请求脉冲终止。

一种操作无线电力发射器以向附件设备提供脉冲或突发模式电力的方法可包括启动电力传输间隔，在该电力传输间隔期间操作无线电力发射器的无线电力传输电路以将电力递送到附件设备。该方法还可以包括在接通时间到期时，通过停止无线电力传输电路的操作来终止电力传输间隔，从而启动具有关断时间的睡眠模式，在该关断时间期间不操作无线电力传输电路。该方法还可包括在关断时间到期时，通过启动随后的电力传输间隔来终止睡眠模式。

接通时间可以是可变的并且可以响应于无线电力发射器检测到递送到附件设备的电力的减少而终止。递送到附件设备的电力的减少可以与附件设备的能量存储设备达到完全充电状态相关联。关断时间可以是恒定的。恒定关断时间可以由无线电力发射器响应于从附件设备接收的与附件设备的电力消耗有关的信息来确定。关断时间可以是可变的。可变关断时间由来自附件设备的突发模式请求脉冲终止。

附图说明

图1示出了无线电力传输系统的高级示意图。

图2示出了WPT系统的突发模式操作，示出了整流器输出电压。

图3A和图3B示出了移动电话形式的个人电子设备，以及壳体形式的无线供电附件，以及无线充电器。

图4示出了移动电话形式的个人电子设备以及壳体形式的无线供电附件的横截面。

图5A至图5C是示出个人电子设备、无线供电附件以及可无线充电或由个人电子设备充电的电源附件的各种使用情况的框图。

图6示出了对应于脉冲或突发模式无线电力传输操作的简化时序图。

图7示出了具有自适应T_接通控制的示例性脉冲充电模式的功率与时间关系曲线。

图8示出了突发或脉冲无线电力传输的曲线图，以及接收器纹波电压和递送的负载功率的对应曲线图。

图9示出了突发模式请求脉冲无线电力接收附件的简化示意图。

图10示出了对应于各种无线电力传输控制技术的简化状态图。

具体实施方式

在以下描述中，为了解释的目的，阐述了很多具体细节以便提供对所公开构思的彻底理解。作为该描述的一部分，为了简单起见，本公开的附图中的一些附图以框图形式表示结构和设备。为了清晰起见，在本公开中未描述实际具体实施的所有特征。此外，本公开中使用的语言是出于可读性和指导目的而选择的，尚未选择它来描绘或限制所公开的主题。相反，所附权利要求旨在用于此目的。

所公开的概念的各种实施方案以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。为简单和清楚说明起见，在合适的情况下，在不同附图中重复参考标号以指示对应或类似的元件。此外，示出许多具体细节以便提供对本文所述的具体实施的充分理解。在其他情况下，未详细描述方法、程序和部件以免模糊所描述的相关功能。在本公开中提到“一个”、“一种”或“另一种”实施方案未必是相同或不同的实施方案，并且这意味着至少一个。给定附图可用于示出本公开的多于一个实施方案或多于一个种类的特征，并且对于给定的实施方案或种类可能不需要附图中的所有元件。当在给定附图中提供时，参考标号在整个若干附图中是指相同的元件，但其可以不在每个附图中重复。除非另外指明，否则附图未按比例绘制，并且某些部件的比例可被放大以更好地示出本公开的细节和特征。

图1示出了无线电力传输系统100的高级示意图。图的左侧示出了电力发射器(PTx)103，该电力发射器接收输入电压Vin并经由磁感应，即通过分别由电感器L1和L2表示的发射线圈和接收线圈之间的耦接将能量发射到接收器(每个线圈/电感器还具有对应的固有/寄生电阻：R1/R2。这些在图1的示意图中示出，但不是单独的物理部件)。图的右侧描绘了电力接收器(PRx)105，该电力接收器经由感应耦接接收电力并向由电流源Iload描绘的负载递送电力。输入电压Vin被供应到逆变器102。逆变器102生成具有预先确定的频率和由输入电压Vin确定的量值的AC输出，该输入电压可由单独调节器(未示出)调节。逆变器102的该AC输出电压被提供给由电感器L1表示的发射线圈，该发射线圈与由电感器L2表示的对应接收线圈磁耦接。这导致能量传输到PRx 105。PRx 105包括由电感器L2表示的接收线圈，该接收线圈具有通过经由发射线圈L1的磁感应在其中感应的电压。该AC电压可以被提供给下面将更详细地讨论的整流器106，该整流器将接收到的AC电压转换为可以被供应到负载的输出DC电压(Vrect)。无线电力传输系统100可包含部件部件，诸如发射器调谐电容器Cpri和接收器调谐电容器C2，其可用于调谐发射和接收电路的谐振频率以改进系统的操作效率。

在例示的实施方案中，逆变器102是由四个开关设备Q1-Q4构成的全桥逆变器，尽管对于给定的应用可以适当地使用其他逆变器拓扑。在高层级还示出了PWM控制器108，该PWM控制器提供脉宽调制信号给开关设备Q1-Q4以产生期望的输出电压和/或电流。这些开关设备被图示为MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，但是对于给定实施方案，其他类型的开关设备(包括例如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、结型场效应晶体管(JFET)等)也可以适当地使用。同样，根据具体应用，可以使用任何合适的半导体技术，诸如硅、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)。这同样适用于本申请中讨论的所有其他开关设备(包括二极管)。开关设备Q1-Q4可以交替地开关以将输入DC电压(例如，来自升压调节器108)连接到发射绕组L1，从而产生可以耦接到如上所述的PRx的AC电压。

逆变器102的操作将在感应耦接的PRx接收器线圈L2中感应出AC电压。该AC电压可以耦接到整流器106。在例示的实施方案中，整流器106是由四个开关Q5-Q7构成的全桥有源整流器。尽管示出为MOSFET开关，但是也可以使用利用任何适当的半导体技术构造的其他整流器类型。在一些应用中，这些替代配置可提供增加的操作效率。

间歇地(例如，在突发模式下)操作无线电力传输系统可解决在某些负载条件下与系统相关联的低效率。在突发模式中，电力以短突发而不是连续地被发射。因此，突发可以包括来自逆变器的一个或多个AC脉冲。在所述一个或多个突发脉冲之后，可以存在中间时间段，在该中间时间段期间不发射AC电力。然后，这个中间时间段之后可以跟随有一个或多个AC脉冲的另一个突发。这可以通过降低开关损耗和静态电流损耗来减轻轻负载低效。另外，仔细控制的突发模式的使用可以允许系统在其最佳输出电阻处被有效地加载，从而允许AC/AC系统在其峰值效率处或其峰值效率附近操作，而不管实际输出功率如何。最后，使用突发模式可以用于控制系统的电压增益，即，输出电压Vrect与输入电压Vin的比率。

图2示出了突发模式操作，具有接通和断开时间，并且示出了整流器输出电压210。例如，在时间t1开始，逆变器的接通时间可以开始。在一些应用中，该操作可以由来自接收器的突发模式请求脉冲触发。在其他应用中，操作可以由其他触发器启动，其一些示例在本文中描述。在该接通时间期间，逆变器侧的开关可以将电力传输到接收器侧，使得整流器电压Vrect在时间t2增加到峰值，该峰值对应于突发终止时，即逆变器停止开关。然后，在关断时间期间(从t2到t3)，当逆变器未开关时，整流器电压Vrect可以降低到谷阈值(Vth_valley)。在一些应用中，这可以使接收器在时间t3发送另一突发模式请求脉冲，重复该循环。在其他应用中，关断时间的持续时间可以由其他机制确定。

在突发模式无线电力传输的示例性实施方案中，电力接收设备可以通过启动突发模式请求脉冲来向电力发射设备传达需要电力。通过使用整流器开关将预先确定的开关模式、序列或状态应用于接收器线圈，可以由接收器创建此脉冲。该预先确定的开关模式、序列或状态改变经由发射器和接收器绕组磁耦接到电力发射器/逆变器的反射阻抗。在检测到该脉冲时，发射器/逆变器启动如上所述的脉冲突发。突发模式控制电路的示例性实施方式公开于2021年7月28日提交的名称为“Efficient Wireless Power Transfer Control”的申请人的共同未决的美国专利申请17/386,542以及2021年6月30日提交的名称为“Wireless Power Transfer with Integrated Communications”的共同未决的美国专利申请63/216,831中，所述专利申请全文以引用的方式并入本文。

图3A和图3B示出了移动电话形式的个人电子设备320，以及壳体形式的无线供电附件321，以及无线充电器327。尽管给定示例包括移动电话和壳体、个人电子设备，并且无线供电附件321可以是各种设备中的任一者，并且电话和壳体的示例是作为一个示例性上下文来提供的，并且不应被解释为这里的教导内容适用的唯一上下文。个人电子设备320可以被配置为允许无线电力传输，包括对个人电子设备320的内部电池进行充电，并且还任选地包括向附件设备321无线地递送电力。为了促进此类无线电力传输，个人电子设备320可以包括无线电力传输线圈322。个人电子设备320还可以包括磁体阵列324，该磁体阵列可以包括以合适配置布置的多个磁体，以帮助定位附件和/或充电器。尽管以环配置示出，但是定位磁体可以以任何期望的配置设置，并且可以包括任何数量的磁体。另选地，可以提供其他定位辅助件或不提供定位辅助件，以适合于特定应用。

无线供电附件321可以包括无线电力传输线圈323(对应于无线电力传输线圈322)和磁体阵列325(对应于磁体阵列324)。无线电力传输线圈321可以促进在任一方向上与个人电子设备320的无线电力传输331(即，向个人电子设备320传输电力或从个人电子设备传输电力)。同样，磁体阵列325可以与磁体阵列324配合以根据需要相对于附件321适当地定位个人电子设备320。或者，如上所述，也可以使用其他定位辅助件或不使用定位辅助件。附件设备321还可以包括附件工作所必需的其他部件。例如，无线供电附件321可以是电池壳体，其中可以经由无线电力传输提供用于个人电子设备320的附加电池容量，或者电池壳体可以由个人电子设备320进行充电。

图3B示出了上述个人电子设备320和无线供电附件321以及附加无线充电器327。无线充电器327还可以具有对应于无线电力传输线圈322和323的无线电力传输线圈328，从而允许充电器327分别将电力332a和332b递送到无线供电附件321和个人电子设备320。在此配置中，无线电力传输可以被认为是在充电器327与个人电子设备320之间发生的，其中无线供电附件321用于截取所递送的电力的一部分。这种配置的进一步细节将在下面关于图5A至图5C进行描述。

图4示出了移动电话形式的个人电子设备320以及壳体形式的无线供电附件321的简化横截面。图4中还描绘了个人电子设备320的无线电力传输线圈322和磁体324，以及无线供电附件321的无线电力传输线圈323和磁体325。图4的横截面视图示出了此类部件在典型的使用配置中的相对定位。

图5A至图5C是示出个人电子设备540、附件550和可以无线充电或由个人电子设备充电的电源附件560的各种使用情况的框图。如上所述，个人电子设备540可以是移动电话，但也可以是任何其他设备，诸如平板电脑、膝上型电脑或笔记本电脑。附件550可以是任何设备，其旨在：(a)由个人电子设备540供电(如下面参考图5A所述)或；(b)当电源附件560正在为个人电子设备540供电时从电源附件560接收电力(如下面参考图5B所述)；(c)当电子设备540正在为电源附件560供电时从个人电子设备540接收电力(如下面参考图5C所述)。

图5A示出了其中个人电子设备540在电力发射器模式下工作以无线地为附件550供电的示例性配置。个人电子设备540可以包括电池544，该电池可以用于经由无线电力传输向个人电子设备540本身和附件550两者供电。个人电子设备540还可包括由电池544(经由中间电力管理单元和/或调节器，未示出)供电的系统545。系统545可包括各种多个子系统中的任一者，诸如处理子系统、输入/输出子系统、通信子系统、存储子系统等。在一些实施方案中，系统545可以包括通信子系统，例如可以用于与附件550通信的NFC/蓝牙通信系统。电池544还可以向无线电力传输模块542供应电力。这可以经由任选的中间调节器543(可以是例如升压转换器)发生。这预先假设，如通常情况，无线电力传输模块542所需的电压大于最小电池电压。然而，在一些应用中，升压转换器543可以用任何合适的开关调节器或线性调节器替换。无线电力传输模块542可以驱动无线电力传输线圈541无线地向附件550递送电力。

附件550可以包括无线电力传输线圈541，该无线电力传输线圈可以从个人电子设备540(或任何其他兼容的无线电力传输设备)接收电力。由此类无线电力传输感应的AC电压可以通过整流器552转换为DC，该整流器可以是由合适的开关设备构成的二极管整流器或有源整流器。可以将由此类整流产生的DC电压提供给充电器电路553，该充电器电路可以向能量存储设备554(诸如超级电容器或电池)递送电力。在一些应用中，充电器电路553可以是降压充电器或低压差调节器。在其他应用中，可以使用任何合适的开关调节器或线性调节器，包括将整流DC电压增加到较高水平的调节器(如果适合给定应用)。最后，能量存储设备554可以用于为附件550的系统负载555供电，该系统负载可以包括各种子系统中的任一者，包括处理子系统、输入/输出子系统、通信子系统、存储子系统等。在一些实施方案中，系统555可以包括通信子系统，例如可以用于与个人电子设备540通信的NFC/蓝牙通信系统。

如上所述，在图5A的配置中，个人电子设备540可以充当到电源附件550(充当无线电力接收器)的无线电力发射器。为了提高操作效率，附件550可以采用脉冲或突发模式充电操作，如下文更详细地描述。简而言之，在脉冲或突发模式充电中，附件550周期性地从个人电子设备540汲取电力脉冲或突发以对能量存储设备554进行充电并为系统负载555供电。在这些脉冲或突发之间，系统负载555对能量存储设备554进行放电。

图5B示出了示例性配置，其中电源附件560在电力发射器模式下工作以无线地对在电力接收器模式下工作的个人电子设备540供电。图5B中还示出了附件550，该附件被布置成从电源附件560和个人电子设备540之间的传输中获取电力。电源附件560可以包括电源564，该电源可以是AC适配器(用于接收市电电力)或电池(DC电力源)。该电源可以经由任选的中间调节器563耦接到无线电力传输电路562。在一些应用中，调节器563可以是升压转换器，其将来自电源564的电压增加到无线电力传输电路562所需的水平。然而，在其他应用中，调节器563可以是任何合适形式的开关调节器或线性调节器。调节器563的经调节的电压输出可被递送到无线电力传输电路562，该无线电力传输电路可驱动无线电力传输线圈561以将电力无线地递送到包括无线电力传输线圈541的个人电子设备540和包括无线电力传输线圈551的附件550。

无线电力传输电路562还可包括带内通信电路，该带内通信电路被配置为允许使用无线传输的电压、电流和/或功率的调制来与个人电子设备540中的对应电路(例如，在无线电力传输电路542中)通信。例如，带内通信电路可以被配置为采用频率偏移键控通信、振幅偏移键控通信或任何其他合适的带内通信技术。

个人电子设备540包括上文关于图5A描述的各种部件。在图5B的配置中，无线电力传输电路542充当无线电力接收器。同样，调节器543可以作为降压调节器操作以对电池544进行充电，而不是作为如上文关于图5A所描述的升压调节器操作。因此，调节器543可以是双向降压/升压调节器(或任何其他合适的调节器配置)。在接收器模式中，通过电源附件560的无线电力传输电路562和无线电力传输线圈561的操作，在无线电力传输线圈541中感应出AC电压。该感应的电压由无线电力传输电路542整流并且提供给调节器543，调节器可以对电池544进行充电，电池又为系统负载545供电，如上所述。无线电力传输电路542还可以包括带内通信电路，该带内通信电路被配置为允许使用无线传输的电压、电流和/或功率的调制来与电源附件560中的对应电路(例如，在无线电力传输电路562中)进行通信。例如，带内通信电路可以被配置为采用频率偏移键控通信、振幅偏移键控通信或任何其他合适的带内通信技术。

另外，附件553包括上文关于图5A描述的各种部件。另外，这些部件如上所述操作，包括下文更详细地描述的脉冲或突发模式操作。附件553的无线充电线圈551可以相对于电源附件560的无线电力传输线圈561和个人电子设备540的无线电力传输线圈541定位，以从电源附件560与个人电子设备540之间的电力传输流获取电力。例如，附件550可以相对于电源附件560和个人电子设备540定位，使得其无线电力传输线圈551分别设置在电源附件560的无线电力传输线圈561和541与个人电子设备540之间。

图5C示出了示例性配置，其中电源附件560在电力接收器模式下工作以从在电力发射器模式下工作的个人电子设备540无线地接收电力。图5C中还示出了附件550，该附件被布置成从电源附件560和个人电子设备540之间的传输中获取电力。电源附件560包括上文关于图5B描述的相同部件，但是被操作以从个人电子设备540接收电力而不是向个人电子设备递送电力。因此，无线电力传输电路562充当整流器，以对如上文关于图5A所描述的通过个人电子设备540和无线电力传输线圈541的操作而在无线电力传输线圈561上感应的电压进行整流。整流电压被提供给调节器563，在一些应用中，该调节器可以作为降压充电器操作来对能量存储设备/电池564进行充电。因此，在一些实施方案中，调节器563可以是双向降压升压转换器，但是可以在给定应用中使用任何合适的调节器类型。另外，如上所述，WPT电路562可以包括带内通信电路，该带内通信电路促进与如上所述的个人电子设备540/无线电力传输电路542中的对应电路进行通信。

个人电子设备540包括上文关于图5A和图5B描述的部件，并且如关于图5A所述操作以将电力递送到电源附件560。同样，WPT电路542可以包括带内通信电路，该带内通信电路促进与如上所述的电源附件560中的对应电路(例如，无线电力传输电路562)的通信。另外，附件553包括上文关于图5A和图5B描述的各种部件。这些部件可以如上所述操作，包括下文更详细地描述的脉冲或突发模式操作。附件553的无线充电线圈551可以相对于电源附件560的无线电力传输线圈561和个人电子设备540的无线电力传输线圈541定位，以从电源附件560与个人电子设备540之间的电力传输流获取电力。例如，附件550可以相对于电源附件560和个人电子设备540定位，使得其无线电力传输线圈551分别设置在电源附件560的无线电力传输线圈561和541与个人电子设备540之间。

图6示出了对应于脉冲或突发模式无线电力传输操作的简化时序图。这样的脉冲或突发模式无线电力传输操作可以例如由附件550采用，该附件可以间歇地对能量存储设备554(例如，电池或超级电容器)进行充电并且间歇地允许系统负载555对能量存储设备554进行放电。在图6中，电力传输间隔664对应于电力传输窗口，在该电力传输窗口期间，整流器552和调节器/充电器/LDO 553正在操作以经由无线电力传输线圈551汲取电力并将能量存储在能量存储设备554中。时序图661对应于附件550的全负载或高负载条件。在这种情况下，电力传输间隔664a、664b和664c随时间相对频繁地发生。在这些电力传输间隔664之间是睡眠模式，在睡眠模式期间，能量不经由感应链路传输到附件550。第一电力传输间隔664a的开始与随后的电力传输间隔的开始之间的时间是循环时间T_循环。电力传输间隔的持续时间是接通时间T_接通，即，期间整流器552正在开关的时间和/或期间调节器553正从无线电力传输线圈551汲取电力的时间。对应于睡眠模式的持续时间的关断时间T_关断是循环时间T_循环与接通时间T_接通之间的差异。

时序图662对应于附件550的中等负载条件。在这种情况下，电力传输间隔664d和664e进一步分开，对应于更长的循环时间。时序图663对应于附件550的轻负载条件。在这种情况下，发生电力传输间隔664f，并且循环时间T_循环长得多，使得随后的电力传输间隔在图的标度上是不可见的。在例示的示例中，电力传输间隔664d、664e和664f的T_接通与时序图661中的相同，并且关断时间或睡眠模式的持续时间更长以提供增加的循环时间T_循环。然而，在下面描述的一些实施方案中，接通时间T_接通可以是可变长度的，即自适应的。附加地或另选地，可以通过替代技术控制关断时间T_关断。在第一技术中，关断时间可以保持恒定。在第二技术中，附件550可以根据需要发送突发模式请求脉冲以触发供电设备。下面将更详细地描述这些控制技术。

为了提供对接通时间T_接通的自适应控制，可以考虑各种系统操作目标。例如，在电力传输间隔664期间，可能期望能量存储设备554被完全充电。当能量存储设备554达到完全充电时，其充电电流将相对快速地下降，这也对应于提供电力的无线电力传输电路(例如，图5A和图5C的配置中的WPT电路542或图5B的配置中的WPT电路562)所需的电力的减少。这允许电力发射设备(图5A和图5C的配置中的个人电子设备540或图5B的配置中的电源附件560)监测由其无线电力传输电路542/562递送的电力，以检测附件550的能量存储设备554何时被完全充电。当能量存储设备554/附件550已经完全充电时，电力发射设备将终止无线电力传输。

图7示出了如上所述的采用自适应T_接通控制的无线电力传输系统的各种部件的示例性电力与时间关系曲线。曲线771描绘电力发射设备的无线电力无线电力传输系统电路542/562的电力与时间关系。曲线772描绘供应无线电力传输电路542/562的调节器(例如，升压转换器/调节器543/563)的电力。曲线773描绘由附件550的降压充电器/LDO 553递送的电力。在电力传输间隔664期间，电力发射设备540/560的无线电力传输电路542/562是活动的。该状态的开始可以在先前睡眠模式的超时间隔到期时在时间t0被触发。因此，在时间t0，电力发射设备的无线电力传输电路542/562开始运行，并且向此类电路(例如，升压转换器543/563)供电的调节器的输出将开始增加。在时间t1，WPT电路542/562的逆变器可以开始运行，并且降压充电器/LDO 553的输出可以开始斜线上升。在时间t2，降压充电器/LDO553达到用于能量存储设备554的最高充电速率的最大功率。在时间t3，能量存储设备554达到其最大充电状态，并且充电电流(以及相应地电力)开始斜线下降，这反映在曲线772和773两者中。在时间t4，当电力下降到预先确定的水平以下时，电力发射设备可停止其无线电力传输电路，从而触发睡眠模式的开始。该循环可以在关断时间到期时重复，关断时间可以根据下文描述的技术中的一种技术来确定。

用于确定关断时间T_关断(即在电力传输间隔664之间的睡眠模式的持续时间)的第一技术是使用恒定的关断时间。可以选择恒定关断时间，使得附件能量存储设备554的最小充电/电压状态保持在将禁用系统555的临界值(例如，欠压值)以上。这可以通过多种方式实现。例如，附件550可以经由通信信道(诸如例示的NFC/蓝牙通信信道)向个人电子设备540提供其设计的相关参数。此类参数可以涉及附件设备的电力消耗，包括例如全负载电力水平、全负载期间的默认关断时间等。根据该信息，个人电子设备540可以选择或设置将提供上述保证的合适的固定关断时间。这种确定关断时间的方式只是一个示例，也可以使用各种其他技术。在任何情况下，一旦确定固定关断时间，电力发射设备可以如上文关于图7所描述的那样对能量存储设备554上电和充电。此外，当电力下降到预先确定的阈值以下时(对应于能量存储设备554达到完全充电状态)，电力发射设备可以停止传输电力。图8示出了此类系统的负载功率和接收器纹波电压。然后，电力发射设备可以等待确定的固定关断时间T_关断以启动下一充电循环。

图8示出了附件550的两个示例性负载水平的恒定T_关断操作模式。参考负载功率曲线图875，平均附件负载从时间t0直到时间t3处于相对较高的水平，并且在点t3平均负载降低到相对较低的水平直到时间t6，在点t6其再次增加。还示出了对应的电力传输间隔864a和864b。在较高平均功率周期期间，电力传输间隔864a的持续时间相对较长，对应于上述自适应T_接通控制技术。在较低平均功率周期期间，电力传输间隔864b的持续时间相对较短，同样对应于上述自适应T_接通控制技术。在所有情况下，电力传输间隔由具有如上所述选择的固定持续时间T_关断的睡眠模式分开。

图8的曲线图874描绘附件550由于该操作而经历的纹波电压。例如，该纹波电压可以是能量存储设备554的电压，该电压也对应于能量存储设备的充电状态。从时间t0开始，当附件经历较高平均负载时，能量存储设备554处于相对较低的充电状态，该相对较低的充电状态对应于相对较低的电压V3。电力传输窗口864a的操作用于对能量存储设备554进行充电，从而增加其充电状态，直到其到达完全充电状态，该完全充电状态对应于时间t1处的电压V3。此时，电力发射设备进入睡眠模式持续固定持续时间T_关断。因此，充电状态和对应的电压降低。在由固定T_关断持续时间确定的时间t2，随后的电力传输间隔开始，从而使能量存储设备554的充电状态返回到对应于电压V1的完全充电状态，在该时刻进入随后的固定持续时间睡眠状态。

在时间t3(碰巧发生但不必发生在睡眠状态的开始)，附件550的平均负载降低。该睡眠状态的固定关断时间(T_关断)保持相同，但在时间t4，当下一个电力传输间隔864b开始时，由于能量存储设备554以对应于电压V2的相对较高的充电状态进入电力传输间隔864b，所以将能量存储设备完全充电花费相对较少的时间(直到t5)。如上所述，这对应于较短的时间。尽管如此，在该相对较低的负载间隔期间关断时间T_关断保持固定。在时间t6，当附件550的平均负载再次增加时，系统通过增加电力传输间隔的接通时间同时保持关断时间恒定来调整。

上述恒定关断时间具有简单的优点，因为其不需要在附件550与供电设备之间有明确反馈路径，但在一些实施方案中可以提供初始化通信信道以允许电力发射设备选择适当的固定关断时间。然而，恒定关断时间控制技术的一个潜在缺点可以是附件550在相对较高的负载条件期间经历的增加的纹波电压。这可以通过在附件550和电力发射设备之间采用突发请求脉冲控制技术来缓解，其中附件设备可在需要时发送对电力发射设备的请求以启动电力传输间隔，但这需要反馈信道接收脉冲，该反馈信道可为电力传输信道，如图9中示。

图9示出了突发模式请求脉冲无线电力接收附件550与电力发射设备540一起的简化示意图。电力发射设备540可以是个人电子设备540，或者在一些实施方案中，可以是电源附件560。图9以概念上类似于以上在图1中描述的PTx 103的方式但以简化的方式示出了电力发射设备。更具体地，无线电力传输电路的描绘被稍微扩展以示出由开关设备Q1-Q4构成的逆变器102，以及控制电路108、无线电力传输线圈541、调谐电容器CTX和突发模式检测电路981，如下面更详细地描述的。类似地，附件550以概念上类似于在图1中描绘的PRx 105的方式但以简化的方式示出。更具体地，二极管整流器552被扩展以显示整流二极管552a和552b，能量存储设备554被示出为(超级)电容器，并且添加了包括开关Qr1、Qr2的突发模式请求电路和状态机982。

在申请人于2021年7月28日提交的名称为“Efficient Wireless Power TransferControl”的共同未决美国专利申请17/386,542和2021年6月30日提交的名称为“WirelessPower Transfer with Integrated Communications”的共同未决美国专利申请63/216,831中更详细地描述了突发请求模式脉冲及其使用的各种装置和方法，所述专利申请全文以引用的方式并入本文。出于本公开的目的，此类电路可被精简为位于附件550中的突发请求模式脉冲生成电路982和位于无线电力发射设备540中的突发请求模式脉冲检测电路981。突发请求模式脉冲生成电路982可以包括监测Vout/能量存储设备554的电压的任何合适的电路，该电压对应于能量存储设备的充电状态。当该电压高于与欠压阈值相对应的阈值时，系统可以处于等待状态。当该电压达到阈值/临界水平时，电路982可转变到其中接收器LC储能电路被短路以例如使用开关Qr2对电容器CRX进行放电的状态。随后，电路982可以转变为其中接收器LC储能电路直接连接到Vout/能量存储设备554的状态。可以重复该序列，直到输出电压Vout上升到临界阈值以上，从而导致经由附件无线电力传输线圈551与电力发射设备无线电力传输线圈541之间的磁耦接在电力传输信道上发送一系列突发请求模式脉冲。

在发射器侧，突发请求模式脉冲检测电路981可以被配置为监测发射器侧LC储能电路(如所示)的电容器CTX两端的电压或监测无线电力传输线圈541两端的电压。在任一种情况下，开关Qr1和Qr2的开关操作导致一系列特征脉冲，这些特征脉冲可以由电路981检测并且被提供给无线电力发射器控制电路108以致使无线电力传输电路542启动电力传输间隔664，只要突发请求模式脉冲被接收，就可以重复地进行该操作(即，直到能量存储设备554和对应的电压Vout在欠压阈值之上)。

图10示出了对应于用于从无线电力传输设备540/560为附件550供电的各种无线电力传输控制技术的一系列简化的状态图1091-94，包括其中附件从以其他方式建立的无线电力传输信道获取的配置。这些各种技术结合上文参考图6至图9描述的接通时间和关断时间控制技术的各种组合。状态图1091对应于“理想”情况，其中电力发射器“知道”Vout(图9)何时达到临界阈值(Vmin)并且基于该知识从关断状态1091b(对应于上述关断时间/睡眠模式)转变到接通状态1091a(对应于接通时间/电力传输间隔664)。然后，当Vout达到Vmax(其再次被电力发射器“知道”)时，电力发射器从接通状态1091a转换回到关断状态1091b。在这种情况下的发射器知识可以通过基于带内通信或单独的通信信道的某种反馈信道来实现，其示例已在上面描述。

状态图1092对应于基于突发请求模式脉冲和功率陡壁检测技术的第一控制技术。在这种情况下的“功率陡壁”是由能量存储设备554达到其完全充电状态引起的通过无线电力传输信道的电力的减小。检测该Pin(电力输入)陡壁可导致从接通状态1092a到“更新Toff”状态1092c的转变，其中关断时间可被更新。在一个更新技术中，平均负载电流可以例如使用接通时间相对睡眠模式的占空比来确定，并且该负载电流可以例如从查找表中导出最大关断时间。这些操作可以由附件本身或由电力发射设备执行。如果由附件执行，则附件可以使用可用通信信道将最大关断时间传送到电力发射设备。如果由无线电力发射设备做出确定，则无线电力发射设备可适当地更新其自身的控制电路。在任一种情况下，在更新Toff之后(如有必要)，系统可以转变到关断状态1092b。然后，当达到确定的Toff时或者如果接收到突发模式请求脉冲，电力发射设备可以转变回到接通状态1092a。

状态图1093对应于基于突发请求模式脉冲和输入电力估计的第二控制技术。从接通状态1093a开始，当达到预先确定的接通时间Ton时，电力发射设备可以转变到关断状态1093b。然后，当达到预先确定的关断时间Toff或接收到突发模式请求脉冲时，电力发射设备可以转变为更新Ton、Toff状态1093c。在这种状态下，“瞬时”负载功率可以由电力发射设备540或附件550采用的任何合适的估计机制来确定。然后，可以使用确定的功率水平从查找表中导出合适的接通时间Ton和关断时间Toff。然后可以将这些值提供给无线电力发射器设备，该无线电力发射器设备也转变为接通状态1093a。

状态图1094对应于关于图7描述的自适应T_接通技术和关于图8描述的固定T_关断技术。从接通状态1094a开始，电力发射设备可以检测到与能量存储设备554相关联的输入功率(Pin)“陡壁”达到完全充电状态。这可以触发到与电力传输间隔664之间的睡眠模式相对应的关断状态1094b的转变。然后，在对应于睡眠状态的持续时间并且可以基于附件550的最大负载确定的固定关断时间Toff之后，电力发射设备可以转换回到接通状态1094a。

前述内容描述了脉冲或突发模式无线电力传输的示例性实施方案。此类系统可以用于各种应用中，但是当与无线电力传输系统、个人电子设备诸如移动电话、智能手表和/或平板电脑以及用于此类设备的附件(诸如无线耳机、触笔、充电盒等)结合使用时，此类系统可以是特别有利的。然而，各种无线电力传输系统可以有利地采用本文描述的技术。虽然已经描述了许多特定特征和各种实施方案，但应当理解，除非另有说明为相互排斥，否则各种特征和实施方案可在特定实施方式中组合成各种排列。因此，上文描述的各种实施例仅仅以举例方式提供，而不应解释为限制本公开的范围。在不脱离本公开的范围和不脱离权利要求的范围的情况下，可以对本文的原理和实施方案进行各种修改和改变。

Claims (20)

1.一种无线电力传输系统，包括：

电子设备，所述电子设备包括第一无线电力传输线圈和耦接到所述无线电力传输线圈的无线电力传输电路，其中所述无线电力传输电路被配置为经由所述第一无线电力传输线圈无线地接收电力和发射电力；以及

附件设备，所述附件设备包括第二无线电力传输线圈、耦接到所述第二无线电力传输线圈的整流器以及通过调节器电路耦接到所述整流器的能量存储设备；

其中所述无线电力传输电路在脉冲或突发无线电力传输模式下操作以将电力递送到所述附件设备，所述脉冲或突发无线电力传输模式具有在其期间将电力递送到所述附件设备的接通时间和在其期间不将电力递送到所述附件设备的关断时间。

2.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其中所述无线电力传输电路采用可变接通时间，其中响应于所述无线电力传输电路检测到所述能量存储设备被完全充电而终止所述接通时间。

3.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其中所述无线电力传输电路通过监测递送到所述附件设备的无线电力的量来检测所述能量存储设备被完全充电。

4.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其中所述无线电力传输电路使用恒定关断时间在所述脉冲或突发无线电力传输模式下操作。

5.根据权利要求4所述的无线电力传输系统，其中由所述电子设备响应于从所述附件设备接收的与所述附件设备的电力消耗有关的信息来确定所述恒定关断时间。

6.根据权利要求5所述的无线电力传输系统，其中从所述附件设备接收的所述信息是经由与无线电力传输信道分开的通信信道接收的。

7.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其中所述无线电力传输电路使用可变关断时间在所述脉冲或突发无线电力传输模式下操作。

8.根据权利要求7所述的无线电力传输系统，其中所述可变关断时间由来自所述附件设备的突发模式请求脉冲终止。

9.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，还包括具有第三无线电力传输线圈的电源附件，所述电源附件还从所述电子设备接收电力，其中所述附件设备的所述第二无线电力传输线圈定位于所述电子设备的所述第一无线电力传输线圈和所述电源附件的所述第三无线电力传输线圈之间。

10.根据权利要求9所述的无线电力传输系统，其中所述电源附件能够经由所述第三无线电力传输线圈将电力递送到所述电子设备和所述附件设备。

11.一种电子设备，包括：

无线电力传输线圈；以及

无线电力传输电路，所述无线电力传输电路耦接到所述无线电力传输线圈，其中所述无线电力传输电路被配置为经由所述第一无线电力传输线圈无线地接收电力和发射电力；

其中所述无线电力传输电路在脉冲或突发无线电力传输模式下操作以将电力无线地递送到附件设备，所述脉冲或突发无线电力传输模式具有在其期间将电力递送到所述附件设备的接通时间和在其期间不将电力递送到所述附件设备的关断时间。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述无线电力传输电路采用可变接通时间，其中响应于所述无线电力传输电路检测到递送到所述附件设备的电力的减少而终止所述接通时间。

13.根据权利要求12所述的电子设备，其中递送到所述附件设备的所述电力的减少与所述附件设备的能量存储设备达到完全充电状态相关联。

14.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述无线电力传输电路使用恒定关断时间在所述脉冲或突发无线电力传输模式下操作。

15.根据权利要求14所述的电子设备，其中由所述电子设备响应于从所述附件设备接收的与所述附件设备的电力消耗有关的信息来确定所述恒定关断时间。

16.根据权利要求15所述的电子设备，其中从所述附件设备接收的所述信息是经由与无线电力传输信道分开的通信信道接收的。

17.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述无线电力传输电路使用可变关断时间在所述脉冲或突发无线电力传输模式下操作。

18.根据权利要求17所述的电子设备，其中所述可变关断时间由来自所述附件设备的突发模式请求脉冲终止。

19.一种操作无线电力发射器以向附件设备提供脉冲或突发模式电力的方法，所述方法包括：

启动电力传输间隔，在所述电力传输间隔期间操作所述无线电力发射器的无线电力传输电路以将电力递送到所述附件设备；

在接通时间到期时，通过停止所述无线电力传输电路的操作来终止所述电力传输间隔，从而启动具有关断时间的睡眠模式，在所述关断时间期间不操作所述无线电力传输电路；

在关断时间到期时，通过启动随后的电力传输间隔来终止所述睡眠模式。

20.根据权利要求19所述的方法，其中：

所述接通时间是可变的；并且

响应于所述无线电力发射器检测到递送到所述附件设备的电力的减少而终止所述接通时间。

Images