CN116868471A - 用于适应性无线充电的废电流感测器 - Google Patents
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Abstract
一种用于对便携式设备(18)的电池(3)进行无线充电的电力设备(1)和便携式设备(18)的系统(17)，电力设备(1)包括用于从便携式设备(18)接收电力调整信息(16)的天线(4)来增加或减小由电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力，并且便携式设备(18)包括暴露于磁场的天线(5)并且天线(5)经由匹配级(15)连接到整流级(6)，以对天线信号进行整流，并且便携式设备(18)包括电压限制器(19)，以限制整流后的天线信号，并且在充电器IC(8)的输入引脚(10)处提供输入电压(UI)，充电器IC(8)在连接到电池(3)的输出引脚处提供第一充电电流(IC)，来以恒定的第一充电电流(IC)作为电源为电池(3)充电第一时间段(T1)，其中电压限制器(19)包括与电压限制器(19)串联定位的电流感测器(21)以感测从整流后的天线信号扣除的废电流(IW)来限制充电器IC(8)的输入电压(UI)，并且便携式装置(18)包括充电电压控制级(24)，其构造为生成用于电力设备(1)的电力调整信息(16)，来增加或减小由电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力，从而在上限和下限内操纵废电流(IW)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对便携式设备的电池进行无线充电的电力设备和便携式设备的系统，电力设备包括用于从便携式设备接收电力调整信息的天线来增加或减小由电力设备的天线发射的磁场的电力，并且便携式设备包括暴露于磁场的天线并且所述天线经由匹配级连接到整流级以对天线信号进行整流，并且便携式设备包括电压限制器以限制整流后的天线信号，并且在充电器IC的输入引脚处提供输入电压，充电器IC在连接到电池的输出引脚处提供第一充电电流，从而以恒定的第一充电电流作为电源为电池充电第一时间段。
背景技术
无线充电用于各种不同的便携式设备，如移动电话或耳机。便携式设备只需被放在电力设备附近，电力设备通过电力设备的天线产生并辐射磁场，其优点是不需要电线来给便携式设备充电。在一些这种系统中，电力设备仅辐射磁场，并且一些较新的系统包括从便携式设备到电力设备的反馈回路，以设置磁场的电力。
图1示出本领域技术人员已知的电力设备1和带电池3的便携式设备2的系统。例如，NFC ForumTM技术规范1.0版中描述了这种系统。被称为“轮询器(poller)”的电力设备1包括天线4，天线4辐射具有13.56MHz载波频率的磁场。被称为“监听器(listener)”的便携式设备2包括暴露于电力设备1发射的磁场的天线5。匹配电路15将天线5的输出引脚的阻抗匹配到整流器6的输入引脚，整流器6使用桥式整流器来整流天线信号并且向电压限制器9提供整流后的天线信号。
便携式设备2的充电器IC 8用于对电池3进行充电。由于充电器IC 8需要5V+/-10％电压的输入电压UI给充电器IC 8供电，所以限制器9用于将整流器6提供的整流后的天线信号的电压限制到充电器IC 8的输入引脚10处的适当输入电压UI。
电池3是需要由充电器IC 8以不同的充电电流IC和充电电压在不同的时间段内对其充电的锂离子电池。为了实现这一点，便携式设备2包括在电压限制器9和输入引脚10之间的路径中的串连欧姆电阻部件11以产生测量电压，该测量电压由电流测量级12测量以测量充电器IC 8的输入电流，该输入电流近似是充电器IC 8输出引脚处对电池3充电的充电电流IC。便携式设备2还包括数字控制级13，该数字控制级13在输入引脚10处的输入电压UI和/或用于对电池3充电的充电电流IC过低或过高的情况下生成电力调整信息16。这样的电力调整信息16由数字控制级13提供给Cless通信级14，Cless通信级14遵循NFC通信协议以将电力调整信息16传送给电力设备1。利用从便携式设备2到电力设备1的这种反馈回路，数字控制级13可以请求由电力设备1提供的磁场中的更多或更少的电力。
图2示出在对电池3进行加载的三个不同时间段T1、T2和T3内的充电电流IC的时间图。图2还示出在对电池3进行加载的时间段T1、T2和T3期间充电器IC 8的输入引脚10处的输入电压UI和实际电池电压UBAT。为了对电池3进行实际加载，仅使用电池电压UBAT乘以充电电流IC。因此，损耗电力PLOSS＝(UI–UBAT)*IC是电力设备1需要在磁场中产生的电力，并且需要在便携式设备2中浪费，这最终会使便携式设备2的结温升温，这是一个很大的缺点。除此之外，电压限制器9还扣除废电流IW以限制整流后的天线信号的电压，从而在输入引脚10处提供充电器IC 8所需的5V+/-10％的输入电压UI。该废电流IW是损耗电力PLOSS的一部分，并且使便携式设备2的结温升温。
例如，如果耳机应装载在充电器的封闭柜中，则损耗电力PLOSS产生的热量可能会损坏耳机或充电器。如果电力设备1由电池电源组供电，则这种浪费的损耗电力PLOSS进一步减少了该电池电源组可能的加载循环次数。
US9356659B2公开了一种无线充电系统，其具有基于在接收器中测量的电力或电压在接收器和充电器之间的闭环控制和调节。
US2020/0076249A1公开了一种无线充电系统，其通过在第一充电状态期间逐渐增加电压来调节从无线电力TX传输到无线电力RX和充电器的电力。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力设备和便携式设备的系统，用于对便携式设备的电池进行无线充电，其通过反馈回路减少浪费的损耗电力PLOSS和便携式设备的结温。
该目的是在带有电压限制器的系统中实现的，所述电压限制器包括与电压限制器串联定位的电流感测器以感测从整流后的天线信号扣除的废电流来限制充电器IC的输入电压，并且便携式设备包括充电电压控制级，其构造为生成用于电力设备的电力调整信息，从而增加或减小由电力设备的天线发射的磁场的电力来在上限和下限内操纵废电流。
本发明的概念能够显著降低损耗电力PLOSS，因为只从磁场中的电源设备请求并由其传送对电池实际充电所需的电力。这是可以实现的，因为电压限制器中的废电流的测量是便携式设备中接收到的电力中有多少目前不能用于对电池充电的直接指标。从便携式设备到电力设备的反馈回路基于废电流请求磁场中更多或更少的电力使得能够显著降低浪费的损耗电力PLOSS和显著降低便携式设备的结温。定义废电流的下限，以确保充电器IC始终获得所需的输入电压，从而避免充电器IC的低电力重置，这将中断电池的充电过程。定义废电流的上限，以将损耗电力PLOSS保持在可接受的低范围内。废电流将根据不同的参数而改变，例如由充电器IC提供给电池的实际充电电流、由电力设备提供的磁场中的电力以及电力设备和便携式设备的天线之间的天线耦合的质量。在废电流的上限和下限之间定义滞后函数以确保便携式设备中充电过程的稳定操作是有利的。
本发明的这些和其他方面将从下文所述的实施例中显而易见并参照下文所述实施例进行阐述。本领域技术人员将理解，可以组合各种实施例。
附图说明
图1示出本领域技术人员已知的系统，该系统包括电力设备和带有要进行无线充电的电池的便携式设备。
图2示出根据图1的系统的便携式设备的对电池充电的充电电流和充电器IC的输入电压的时间图。
图3示出根据本发明的系统，该系统包括电力设备和带有要进行无线充电的电池的便携式设备。
图4示出根据图3的电压限制器的电流感测器的实施方案。
图5示出根据图3的电压限制器的电流感测器的分立实施方案。
图6示出根据图3的系统的便携式设备的对电池充电的充电电流和充电器IC的输入电压的时间图。
具体实施方式
图3示出根据本发明的电源设备1和带有电池3的便携式设备18的系统17的第一实施例。相同的附图标记用于具有与本领域技术人员已知的图1的系统中已经描述的相同的技术功能的级。被称为“轮询器”的电力设备1包括天线4，该天线4辐射13.56MHz频率的磁场。电力设备1可以是连接到电网或由电池电源组供电的充电设备。被称为“监听器(listener)”的便携式设备18包括暴露于由电力设备1发射的磁场的天线5。便携式设备18可以是任何设备，例如具有无线接口和电池的耳机或移动电话。匹配电路15将天线5的输出引脚的阻抗匹配到整流器6的输入引脚，整流器6使用桥式整流器对来自天线5的天线信号进行整流，并且提供DV电压作为在充电器IC 8处的输入电压UI。
电池3是需要由充电器IC 8在不同的时间段以不同的充电电流IC和充电电压充电的锂离子电池。图6示出用根据图3的系统对电池3进行加载的三个不同时间段T1、T2和T3中充电电流IC的时间图。在充电过程开始的第一时间段T1中，充电器IC 8以恒定的第一充电电流IC作为电源对电池3充电，该第一充电电流IC是用于特定电池3的最大充电电流IC的大约10％。在电池3的实际电压UBAT达到电压UT1-T2之后，开始第二时间段T2中的充电，其中充电器IC 8以恒定的第二充电电流IC作为电源对电池3充电，该第二充电电流IC高于第一充电电流并且接近用于特定电池3的最大充电电流IC的100％。在第三时间段T3中，在电池3的实际电压UBAT达到其目标电压之后，充电模式切换到恒定电压充电，并且充电电流IC根据电池的充电条件自动减小，直到充电器停止充电，例如当充电电流已经减小到最大充电电流的10％时。本领域技术人员已知在多个时间段内加载锂离子电池的原理，本发明由基于废电流IW的反馈回路提供。
便携式设备18还包括Cless通信级14，其符合NFC通信协议以将电力调整信息16从充电电压控制级24传送到电力设备1。利用从便携式设备24到电力设备1的这种反馈回路，便携式设备18可以在由电力设备1提供的磁场中请求更多或更少的电力PP。
便携式设备18还包括电压限制器19，以限制来自天线5的整流后的天线信号，并在充电器IC 8的输入引脚10处提供输入电压UI。电压限制器19包括与电池3并联的MOS Fet20，该MOS Fet 20从整流后的天线信号中扣除废电流IW以限制充电器IC 8的输入电压UI。电压限制器19还包括电流感测器21以感测仅加热便携式设备18的废电流IW的量。图4示出根据图3的电流感测器21和电压限制器19的实施方案。电压限制器19包括运算放大器22，该运算放大器22将参考电压Uref与来自整流器6的整流后的天线信号的电压进行比较并操纵MOSFet 20的基极引脚，其从整流后的天线信号扣除废电流IW并因此将整流后的天线信号限制到充电器IC 8处的输入电压UI。电流感测器21包括提供Iref的恒定电流源23。将该Iref与作为MOS Fet 20的复制品的MOS Fet 24中的电流进行比较。MOS Fet 24中的电流是MOS Fet20中的电流除以这两个器件的W/L比。如果这两个器件由统一器件制成，则该比率是用于MOS Fet 20的统一器件的数量除以用于MOS Fet24的统一器件数量，比率N＝N1/N2。图5示出在监听器设备中使用的这种电流感测器21的可能解决方案，其由多个分立组件构成。该电路基于定义电压UI的齐纳二极管25、电阻器26和测量装置27，该测量装置27基于流动的电流测量电阻器26上的电压下降。废电流IW等于IW＝UR1/R1。
便携式设备18的充电电压控制级24构造为生成用于电力设备1的电力调整信息16，以增加或减小由电力设备1的天线4发射的磁场的电力PP，以在上限28和下限29内操纵废电流IW。废电流IW的下限29被定义为确保充电器IC 8总是获得避免充电器IC 8的低电力复位所需的输入电压UI，低电力复位将中断电池3的充电过程。废电流IW的上限28被定义为将在便携式设备18内接收的损耗电力PLOSS保持在可接受的低范围内，该损耗电力PLOSS目前不能用于对电池3充电并且必须被转换成热。废电流IW将根据不同的参数而改变，例如由充电器IC8提供给电池3的实际充电电流IC和由电力设备1提供的磁场中的电力以及电力设备1的天线4与便携式设备18的天线5之间的天线耦合的质量。充电电压控制级24观察由电流感测器21感测到的实际废电流IW是否在上限28和下限29内，并且如果不是，则向电力设备1发送电力调整信息16以增加或减少天线4的磁场中的电力PP。
从便携式设备18到电力设备1的反馈回路基于废电流IW请求磁场中更多或更少的电力使得能够显著降低浪费的损耗电力PLOSS并显著降低便携式设备18的结温。根据图1中现有技术的便携式设备2的反馈回路以输入引脚10处感测到的输入电压UI和/或对电池3充电的充电电流IC为基础，但该信息不包括已经扣除了多少废电流IW来限制输入电压UI。
在优选实施例中，如果废电流IW朝向上限28增加，则充电电压控制级24产生电力调整信息16以减小由电力设备1的天线4发射的磁场的电力PP。在同一或另一优选实施例中，如果废电流IW朝向下限减小，则充电电压控制级24生成电力调整信息16以增加由电力设备1的天线4发射的磁场的电力PP。由于从便携式设备18到电力设备1的反馈回路，为了改变天线4的磁场中产生的电力，需要一些时间才能影响在便携式设备18内接收到的电力，因此在达到极限之前就已经开始这种改变是有利的。更加有利的是，定义在废电流IW的上限28和下限29之间的滞后函数，以确保便携式设备18中的充电过程的稳定操作。
此外，与图1的已知便携式设备2相比，图3的本发明便携式设备18的优点在于，从整流级6到充电器IC 8的天线信号的电流路径没有串联的欧姆电阻部件。因为不需要测量进入充电器的电流以进行调节，所以这是可能的。
在本发明的另一实施例中，电压限制器19和/或电流感测器21可以通过不同的硬件和软件组件来实现，以使本发明的原理能够操纵电力设备1来增加或减小磁场的电力PP，从而以通过将废电流IW基本一直保持在极限28和下限29内而实现充电器IC 8的输入电压UI。
通过降低监听器侧的电力损耗，实现的另一个优点是，可以减小PCB尺寸，因为与现有技术的解决方案相比，不需要实现如此低的温度系数来消除热量。如果电力设备1仅由电池电源组供电并且需要降低其自身的功耗，则这种降低的电力损耗是更加有利的。
Claims (8)
1.一种用于对便携式设备(18)的电池(3)进行无线充电的电力设备(1)和便携式设备(18)的系统(17)，所述电力设备(1)包括用于从所述便携式设备(18)接收电力调整信息(16)的天线(4)来增加或减小由所述电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力(PP)，并且所述便携式设备(18)包括暴露于所述磁场的天线(5)并且所述天线(5)经由匹配级(15)连接到整流级(6)以对天线信号进行整流，并且所述便携式设备(18)包括电压限制器(19)以限制整流后的天线信号，并且在充电器IC(8)的输入引脚(10)处提供输入电压(UI)，所述充电器IC(8)在连接到所述电池(3)的输出引脚处提供第一充电电流(IC)，来以恒定的第一充电电流(IC)作为电源为所述电池(3)充电第一时间段(T1)，所述系统(17)的特征在于，
所述电压限制器(19)包括与所述电压限制器(19)串联定位的电流感测器(21)以感测从所述整流后的天线信号扣除的废电流(IW)来限制所述充电器IC(8)的输入电压(UI)，并且所述便携式装置(18)包括充电电压控制级(24)，所述充电电压控制级(24)构造为生成用于所述电力设备(1)的电力调整信息(16)，来增加或减小由所述电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力，从而在上限(28)和下限(29)内操纵所述废电流(IW)。
2.根据权利要求1所述的系统(17)，其中如果所述废电流(IW)朝向所述上限增加，则所述充电电压控制级(24)生成电力调整信息(16)以减小由所述电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力(PP)。
3.根据权利要求1或2所述的系统(17)，其中如果所述废电流(IW)朝向所述下限减小，则所述充电电压控制级(24)生成电力调整信息(16)以增加由所述电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力(PP)。
4.根据权利要求2和3所述的系统(17)，其中所述充电电压控制级(24)使用所述上限(28)和所述下限(29)的差作为滞后，以优化所执行的电力调节步骤的间隔以及由所述废电流(IW)产生的电力损耗(PLOSS)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统(17)，其中从所述整流级(6)到所述充电器IC(8)的电流路径没有串联欧姆电阻分量。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统(17)，其中所述充电IC(8)构造为在所述输出引脚处提供第二充电电流(IC)，从而以高于所述第一充电电流(IC)的恒定第二充电电流(IC)作为电源为所述电池(3)充电第二时间段(T2)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统(17)，其中所述电力设备(1)由电池电源组供电。
8.一种电力设备(1)和便携式设备(18)利用根据权利要求1至7中任一项所述的系统(17)对所述便携式设备(18)的电池(3)进行无线充电的方法，其特征在于，在向所述电力设备(1)的反馈回路中使用感测到的从所述整流后的天线信号扣除的废电流(IW)来限制充电器IC(8)的输入电压(UI)，从而增加或减小由所述电力设备(1)的天线(4)发射的磁场的电力(PP)以在上限(28)和下限(29)内操纵所述废电流(IW)。
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