CN117595520A - 用于无线电力传送的阻抗匹配 - Google Patents

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CN117595520A CN202310813696.9A CN202310813696A CN117595520A CN 117595520 A CN117595520 A CN 117595520A CN 202310813696 A CN202310813696 A CN 202310813696A CN 117595520 A CN117595520 A CN 117595520A
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Abstract

本公开涉及用于无线电力传送技术领域的阻抗匹配。一种无线电力传送装置可包含第一电路，其经配置以与线圈、第二电路及开关串联连接，其中切换所述开关的状态可选择性地将所述第二电路耦合到所述第一电路。所述开关可由脉冲宽度调制PWM信号驱动。所述装置可进一步包含PWM控制器，以接收指示通过所述线圈传送的无线电力的测量，产生所述PWM信号，且根据所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。

Description

用于无线电力传送的阻抗匹配
技术领域
本公开大体上涉及无线电力传送，且更特定来说，涉及用于无线电力传送的线圈的动态阻抗匹配。
背景技术
许多通信装置(例如，智能电话、平板计算机或类似者)利用无线电力传送(WPT)来接收用于操作及/或对内部电池进行充电的电力。WPT的性能对发射装置及接收装置之间的阻抗失配敏感。此外，发射及/或接收装置的阻抗可在变化条件下变化，所述变化条件例如(但不限于)与接收装置相关联的负载条件。因此，需要开发系统及方法以在WPT中提供阻抗匹配。
发明内容
根据本公开的一或多个说明性实施例来公开一种装置。在一个说明性实施例中，所述装置包含第一电路，其可与线圈串联连接，其中所述第一电路包含一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述装置包含第二电路，其包括一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述装置包含开关，其中切换所述开关的状态选择性地将所述第二电路连接到所述第一电路，且其中所述开关经配置以由脉冲宽度调制(PWM)信号驱动。在另一说明性实施例中，所述装置包含PWM控制器，以接收指示通过所述线圈传送的无线电力的一或多个测量，产生所述PWM信号，且根据基于所述一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
根据本公开的一或多个说明性实施例来公开一种装置。在另一说明性实施例中，所述装置包含脉冲宽度调制(PWM)控制器以产生PWM信号。在另一说明性实施例中，所述装置包含第一电路，其可与线圈串联连接，其中所述第一电路包含一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述装置包含第二电路，其包含一或多个额外电容器或一或多个额外电感器中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述装置包含可由所述PWM信号驱动的开关，其中切换所述开关的状态选择性地将所述第二电路连接到所述第一电路。在另一说明性实施例中，所述装置包含PWM控制器，以接收指示通过所述线圈传送的无线电力的一或多个测量，产生所述PWM信号，且根据基于所述一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
根据本公开的一或多个说明性实施例来公开一种方法。在一个说明性实施例中，所述方法包含产生指示通过与第一电路串联连接的线圈传送的无线电力的一或多个测量，其中所述第一电路包括一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者。在另一说明性实施例中，开关选择性地将第二电路连接到所述第一电路，其中所述第二电路包含一或多个额外电容器或一或多个额外电感器中的至少一者。在另一说明性实施例中，所述方法包含接收指示通过所述线圈传送的无线电力的一或多个测量。在另一说明性实施例中，所述方法包含产生所述PWM信号。在另一说明性实施例中，所述方法包含根据基于一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
应理解，先前一般描述及以下详细描述两者都仅为示范性及解释性的，且不一定约束所主张的发明。并入说明书且构成说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且与一般描述一起解释本发明的原理。
附图说明
通过参考附图，所属领域的技术人员可更好地理解本公开的众多优点。
图1A是根据本公开的一或多个实施例的无线电力传送(WPT)系统的简化示意图。
图1B是根据本公开的一或多个实施例的适于作为发射(TX)装置或接收(RX)装置进行选择性操作的WPT装置的简化示意图。
图2A是根据本公开的一或多个实施例的包含连接到线圈的阻抗匹配电路的第一配置的WPT装置的简化示意图。
图2B是根据本公开的一或多个实施例的包含连接到线圈的阻抗匹配电路的第二配置的WPT装置的简化示意图。
图2C是根据本公开的一或多个实施例的包含由电容器形成的阻抗匹配电路的WPT装置的简化示意图。
图3A是说明根据本公开的一或多个实施例的在方法中执行的步骤的流程图。
图3B是说明根据本公开的一或多个实施例的在方法中执行的额外步骤的流程图。
图4A包含根据本公开的一或多个实施例的峰间电压、平均电力损耗及500mA的峰值负载电流的标绘图。
图4B包含根据本公开的一或多个实施例的峰间电压、平均电力损耗及1A的峰值负载电流的标绘图。
图4C包含根据本公开的一或多个实施例的峰间电压、平均电力损耗及2A的峰值负载电流的标绘图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中说明的所揭示标的物。已关于特定实施例及其特定特征特别展示且描述本公开。本文阐述的实施例被视为说明性而非限制性的。本文阐述的实施例被视为说明性而非限制性的。所属领域的一般技术人员应容易明白，可在不脱离本公开的精神及范围的情况下进行形式及细节上的各种改变及修改。
如本文中所使用，方向性术语(例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上”、“向上”、“下”、“下面”及“向下”)希望出于描述目的提供相对位置，且并不希望指定绝对参考系。所属领域的技术人员将易于明白对所描述实施例的各种修改，且本文中所定义的一般原理可应用于其它实施例。类似地，特定元件“制造在”另一元件上方(替代地“位于其上”、“安置在其上”或类似者)的描述指示此类组件的相对位置，但不一定指示此类元件在物理上接触。此类元件可在物理上接触，或者可替代地包含中介元件。
当一元件(或组件)在本文中被称为“连接”(或“互连”)或“耦合”到另一元件时，应理解所述元件可直接连接到另一个元件，或者在所述元件之间存在中介元件。相反，当一元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，应理解在元件之间的“直接”连接中不存在中介元件。然而，直接连接的存在并不排除其中可能存在中介元件的其它连接。此外，当第一元件在本文被称为“经配置以连接”到第二元件时，应理解，这些元件不需要位于共用装置或电路上。例如，此类第一及第二元件可单独封装。
本文中使用短语“中至少一者”来指元素的开放式列表。例如，短语“A、B或C中的至少一者”可单独或组合地指元素A、B及/或C的任一组合。此外，短语“中的至少一者”并不排除额外元素。另外，术语“包括”及“包含”在本文中可互换地用以指代组件的开放式描述。例如，第一组件包括(或包含)第二组件的描述可指示第一组件包括(但不限于)第二元素。以此方式，此第一元素可包括或可不包括额外元素。
本公开的实施例涉及用于无线电力传送(WPT)中的阻抗匹配的系统及方法。
WPT系统可包含具有第一线圈(例如，TX线圈)的发射(TX)装置及具有第二线圈(例如，RX线圈)的接收(RX)装置。可使用任何合适技术(包含(但不限于)线圈之间的磁共振耦合)在线圈之间或通过线圈传送无线电力。例如，可将时变或振荡信号(在本文中称为发射的无线电力信号)施加到TX线圈，其可在RX线圈中感应出对应时变或振荡电流(例如，所接收无线电力信号)。无线电力信号可包含适于通过线圈提供电力传送的任何时变或振荡信号。在一些实施例中，无线电力信号符合一或多个标准化频带或所选择频带。以此方式，无线电力信号可具有载波频率(例如，可调制的信号的频率)，且可具有有限的带宽以符合所选择频带。
本文考虑，WPT系统的性能可能对TX装置与RX装置之间的阻抗失配高度敏感。特定来说，阻抗失配可能导致希望跨越线圈传输的电力的一部分的反射。TX装置及/或RX装置的阻抗，以及因此WPT系统的性能，可基于各种条件而变化，所述条件包含(但不限于)RX装置上或中的负载、TX或RX线圈之间的间隙或间隔或无线电力信号的载波频率。
如本文所使用，术语阻抗(替代地，电阻抗)是指响应于交流(AC)波形的电路中电阻及电抗的组合效应。阻抗通常可包含量值及相位两者，且因此可被特性化为复数。电路(例如，电子电路、电气电路或类似者)通常可包含电流可流动通过的任何数目个组件，例如(但不限于)导线(或其它导电路径)、电阻器、电容器、电感器、二极管或有源组件(例如，放大器或类似者)。电路的组件可以任何合适布置连接。例如，串联连接的组件可为电流流动提供单个路径，且可进一步具有流动通过其的相同电流。作为另一实例，并联连接的组件可提供、共享公共输入节点及公共输出节点，其中进入输入节点的电流在组件之间分割。此外，跨越并联连接的组件的电压降可相等。
本公开的实施例涉及一种装置，其包含提供动态可调谐阻抗的阻抗匹配电路(例如，具有经设计以减少信号反射及/或增加电力传送的源及负载阻抗的电路)。此阻抗匹配电路可位于TX装置、RX装置或其组合上。例如，阻抗匹配电路或其组件可连接到线圈，或者可经配置以连接到线圈。以此方式，阻抗匹配电路可被共同封装(例如，提供在公共外壳内)，或者可被提供为可经连接以形成电路的单独组件。
在一些实施例中，阻抗匹配电路包含第一电路，其包含经连接或经配置以与线圈(例如，TX线圈或RX线圈)串联连接的至少一或多个电容器及/或电感器(例如，电感器-电容器(LC)电路)。可选择此第一电路中的组件的值，以基于例如(但不限于)接收装置上的预期负载条件、线圈之间的预期间隙或无线电力信号的预期载波频率的预期操作条件来调谐装置的阻抗。在一些实施例中，阻抗匹配电路包含第二电路，其包含一或多个额外电容器及/或电感器(例如，额外LC电路)。在一些实施例中，阻抗匹配电路进一步包含开关(例如，场效应晶体管(FET)或类似者)。以此方式，第二电路可基于开关的状态(例如，断开状态或闭合状态)而选择性地连接到第一电路，其效果是修改阻抗匹配电路的阻抗。如本文所使用，短语“第二电路可选择性地连接到第一电路”指示第二电路可基于开关的状态而连接到第一电路或与第一电路断开连接。
例如，第二电路可与第一电路并联连接，且开关可与第二电路串联连接。在此配置中，处于断开状态的开关可断开连接第一与第二电路，使得阻抗匹配电路的阻抗是基于第一电路，而处于闭合状态的开关可连接第一与第二电路，使得阻抗匹配电路的阻抗是基于第一与第二电路的并联组合。作为另一实例，第二电路可与第一电路串联连接，且开关可与第二电路并联连接。在此配置中，处于闭合状态的开关可使第一与第二电路断开连接，使得阻抗匹配电路的阻抗是基于第一电路，而处于断开状态的开关可连接第一及第二电路，使得阻抗匹配电路的阻抗是基于第一与第二电路的串联组合。
在一些实施例中，所述装置进一步包含连接到开关的脉冲宽度调制(PWM)控制器，其中PWM控制器提供PWM信号(例如，具有可变宽度脉冲的信号)来控制开关的操作状态。以此方式，可基于PWM信号的各种参数来控制装置的阻抗，所述参数包含(但不限于)切换频率(例如，开关的状态改变的速率)、占空比(例如，接通时间与关断时间的比率)、幅值(例如，电流或电压的最大值)，或脉冲形状(例如，矩形、锯齿形、三角形或类似者)。作为说明，PWM信号的占空比可控制阻抗匹配电路的第二电路连接到第一电路的切换周期的相对分数(例如，切换频率的倒数)。作为另一说明，PWM信号的幅值及/或脉冲形状可控制施加到开关的转换速率及最大栅极电压，其可影响流动通过开关的电流及因此阻抗匹配电路的阻抗。
本文考虑，WPT系统的性能可由各种指标来特性化。因此，本公开的一些实施例涉及用于根据任何所选择指标或指标组合来调整PWM信号以提供通过线圈传送的无线电力传送的系统及方法。例如，所选择指标可包含通过线圈传送的电力的值，其可以瓦特或描述每单位时间通过线圈传送的能量的任何其它合适单位来测量。作为说明，可基于通过线圈传送的峰值电力、根据一或多个测量通过线圈传送的电力、通过线圈传送的平均电力(例如，在所选择时间帧内)或与通过线圈传送的电力相关的任何其它统计来调整PWM信号。作为另一实例，可基于电力传送效率来调整PWM信号，所述电力传送效率可测量为通过由接收装置接收的发射装置产生的电力的百分比或任何其它合适指标。作为另一实例，可基于由整流器在RX装置中产生的整流电压的值来调整PWM信号，所述值可以伏特或任何其它合适指标来测量。
如本文所使用，术语优化用于根据所选择指标调整一或多个组件以提供在所选择容限内的性能。可使用任何所选择指标，包含(但不限于)总电力传送、电力传送效率或由整流器在RX装置中产生的整流电压的值。作为说明，优化无线电力传送的电力效率可指提供高于所选值的电力效率。因此应理解，如本文所使用的优化涉及提供根据合适指标可接受的性能，且不一定要求性能来匹配理想或理论值。另外，可基于考虑因素来调整PWM信号，所述考虑因素例如(但不限于)，与用于阻抗控制的开关的操作相关联的装置的功耗，减轻由用于阻抗控制的开关的操作诱发的干扰(例如，减轻电磁干扰(EMI)，减轻(例如，RX装置的)整流器或(例如，TX装置的)逆变器的杂散切换或类似者)。整流器可为将AC转换为DC的任何装置。例如，整流器可为(但不限于)不受控整流器或受控整流器。逆变器可为将DC转换为AC的任何装置。例如，逆变器可为(但不限于)独立逆变器、并网逆变器或双模逆变器。
本公开的一些实施例涉及多带WPT装置。以此方式，所述装置可选择性地发射或接收具有与多个带中的一者相关联的多个载波频率中的一者的无线电力信号。此外，此装置可包含：阻抗匹配电路，其形成为经配置以与用于无线电力传送的线圈串联的第一电路；第二电路，其与第一电路并联连接；及开关，其经配置以选择性地将第二电路连接到第一电路以提供用于无线电力传送的阻抗控制。特定来说，此装置可经配置以提供通过线圈的可调整阻抗，以促进在任何所选择带中的阻抗匹配。
现在参考图1A到4C，根据本公开的一或多个实施例，更详细地描述用于WPT中的阻抗匹配的系统及方法。
图1A是根据本公开的一或多个实施例的WPT系统100的简化示意图。
在一些实施例中，WPT系统100包含TX装置102以产生无线电力信号104，且通过线圈106(例如，TX线圈106)发射无线电力信号104。WPT系统100可进一步包含RX装置108以通过线圈106(例如，RX线圈106)接收无线电力信号104。线圈106可包含适于发送或接收无线电力的任何组件，例如(但不限于)形成为一或多匝导线的电感器或天线。
在一些实施例中，TX装置102包含一或多个电路以产生具有特定载波频率的无线电力信号104。例如，图1A中所说明的TX装置102包含逆变器110以从来自电力源112的直流(DC)信号产生时变无线电力信号104。
电力源112可包含适于为TX装置102供电的任何源。在一些实施例中，电力源112是连接到整流器的AC源。在一些实施例中，电力源112是DC源，例如(但不限于)电池。此外，电力源112可在TX装置102内部(例如，在电池的情况下)或在TX装置102外部(例如，在AC源的情况下)。
在一些实施例中，RX装置108包含一或多个电路以将来自RX线圈106的所接收时变无线电力信号104转换为DC信号，其在本文中称为VRECT。例如，RX装置108可包含整流器114，如在图1A中所说明。整流器114可包含适于将AC电压转换为DC电压的组件的任一组合，包含(但不限于)一或多个晶体管或一或多个二极管。
RX装置108可进一步连接到电力源116。电力源116可包含适于为RX装置108及其中任何组件供电的任何源。在一些实施例中，电力源116是连接到整流器的AC源。在一些实施例中，电力源116是DC源，例如(但不限于)电池。
如在图1A中所展示，TX装置102及/或RX装置108可包含适于调谐相关联线圈106的阻抗的阻抗匹配电路118。
如在图1A中所展示，TX装置102及/或RX装置108可包含适于调谐相关联线圈106的阻抗的阻抗匹配电路118。
在一些实施例中，阻抗匹配电路118包含第一电路120，其包含与线圈106串联连接的一或多个电容器及/或电感器(或者更一般来说一或多个LC电路)。电容器可为用于存储电荷的任何装置，其中一或多对导体由绝缘体分离。电感器可为当电流流动通过其时在磁场中存储能量的任何装置。例如，可选择第一电路120内的组件的值以将线圈的阻抗调谐到所选择值，其可基于包含(但不限于)预期操作条件、平均操作条件或类似者的任何考虑因素来选择。在一些实施例中，阻抗匹配电路118进一步包含第二电路122，其包含与第一电路120并联连接的一或多个电容器及/或电感器(或者更一般来说一或多个LC电路)。然后，阻抗匹配电路118可额外地包含与第二电路122串联连接的开关124及用以产生PWM信号128来驱动开关124的PWM控制器126。例如，PWM信号128可为施加到开关124(例如，到栅极端子)的方波或任何其它波形，其控制开关124的状态。以此方式，第二电路122可选择性地连接到第一电路120，以修改阻抗匹配电路118的阻抗，且因此修改通过相应线圈看见的装置(例如，TX装置102或RX装置108)的阻抗。关于图2A到4C更详细地描述阻抗匹配电路118的设计及/或操作的额外方面。
PWM控制器126广泛地包含具有一或多个处理或逻辑元件的任何装置(例如，一或多个微处理器装置、一或多个专用集成电路(ASIC)装置、一或多个现场可编程门阵列(FPGA)或一或多个数字信号处理器(DSP))。以此方式，PWM控制器126可执行位于存储器装置上的程序指令。存储器装置可包含适于存储可由相关联一或多个处理器执行的程序指令的所属领域已知的任何存储媒体。例如，存储器装置可包含非暂时性存储器媒体。通过另一实例的方式，存储器可包含(但不限于)只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁或光学存储器装置(例如，磁盘)、磁带、固态驱动器或类似者。
在一些实施例中，TX装置102及/或RX装置108可进一步建立一或多个无线通信通道，用于以通信信号的形式发射及/或接收数据。例如，TX装置102及/或RX装置108可包含调制解调器130来调制及/或解调通信信号。以此方式，TX装置102及/或RX装置108可发射及/或接收例如(但不限于)识别信息、配置信息、状态指示符或类似者的信息。在一些应用中，TX装置102及/或RX装置108可通过一或多个通信通道进一步传输请求及/或控制信号，以从彼此请求及/或控制操作。调制解调器130可包含适于使用包含(但不限于)幅移键控(ASK)或频移键控(FSK)的任何调制技术来调制及/或解调通信信号的任何组件或组件的组合。
通信通道可包含适于传输数据的任何路径及/或通信协议。在一些实施例中，在TX线圈106与RX线圈106之间形成至少一个通信通道。例如，TX装置102及RX装置108中的调制解调器130可用可由相对装置接收及解调的数据来调制无线电力信号104。
在一些实施例中，TX装置102及/或RX装置108可包含一或多个测量电路132，例如(但不限于)用以测量电流(例如，电流)的电流感测电路或用以测量电压的电压感测电路。TX装置102及/或RX装置108通常可包含任何数目或类型的测量电路132，其适于相关联电路内的任何位置处提供测量。例如，一或多个测量电路132可用于测量TX装置102及/或RX装置108的线圈106的电流及/或电压。以此方式，可测量与无线电力信号104相关联的所发射及所接收无线电力。此类测量可用于(但不限于)确定跨越线圈的电力传输效率。作为另一实例，一或多个测量电路132可用于测量由RX装置108的整流器114提供的电流及/或电压。此类测量可用于(但不限于)特性化整流器114的效率。
本文考虑TX装置102及RX装置108可由类似组件形成。因此，单个装置可经设计以用作TX装置102或RX装置108。
作为说明，图1B是根据本公开的一或多个实施例的适于作为TX装置102或RX装置108进行选择性操作的WPT装置134的简化示意图。
特定来说，WPT装置134包含经配置以连接到线圈106的桥接电路136，线圈106可作为TX线圈106或RX线圈106操作，其中桥接电路136适于作为(例如，TX装置102的)逆变器110来操作以产生用于通过TX线圈106发射的无线电力信号104，或者作为(例如，RX装置108的)整流器114来操作以将从RX线圈106接收的无线电力信号104转换为DC值(VRECT)。例如，图1B中所描绘的桥接电路136包含四个晶体管138，其可个别地由栅极控制器140驱动。
WPT装置134可进一步包含如本文公开的用于调整相关联线圈的阻抗的阻抗匹配电路118。WPT装置134可进一步包含调制解调器130，其可经配置以在发射及/或接收模式下操作(例如，用于跨越线圈106的通信)。WPT装置134可进一步包含用于监测任何适当位置处的电流及/或电压的一或多个测量电路132。
本文进一步考虑，图1B中所说明的组件的任何组合可直接集成到WPT装置134中，或者可在WPT装置134外部。在一些实施例中，WPT装置134包含一或多个集成电路(IC)芯片，其包含图1B中所说明的组件中的至少一些，其中图1B中所说明的组件中的至少一些在IC芯片外部。例如，线圈106可在WPT装置134外部，使得WPT装置134可经配置以连接到线圈106。作为另一实例，开关124可为在WPT装置134内部(例如，在与PWM控制器126共用的IC芯片上)，或者可在WPT装置134外部，使得WPT装置134可经配置以连接到开关124。在一些情况下，可能需要在WPT装置134外部提供开关124，以促进此装置的电流及/或电压要求，这是因为与WPT系统100中的线圈串联的组件的瞬时电流及/或电压可能较高。
大体上参考图1B，本文考虑WPT装置134可用在适于经由WPT技术发射及/或接收电力的任何装置中。例如，经配置为TX装置102的WPT装置134可在无线充电装置内实施。作为另一实例，经配置为RX装置108的WPT装置134可在适于经由WPT技术接收电力的任何装置中实施，所述装置包含(但不限于)移动电话、平板计算机、医疗植入物或玩具。
现在参考图2A到4C，根据本公开的一或多个实施例，更详细地描述阻抗匹配电路118的设计及控制。
如本文先前所述，阻抗匹配电路118可包含由一或多个电容器及/或电感器(例如，LC电路)形成的第一电路120、由一或多个额外电容器及/或电感器形成的第二电路122(例如，额外LC电路)及用以选择性地将第二电路122与第一电路120耦合的开关124。
开关124可包含适于在具有不同导电性质的至少两种状态下操作的任何类型或组合的组件。例如，在断开状态(例如，非传导状态)下操作的开关124可约束或消除输入节点与输出节点之间的电流流动，而在闭合状态(例如，传导状态)下操作的开关124可允许输入节点与输出节点之间的电流流动。在一些实施例中，开关124包含至少一个晶体管，例如(但不限于)场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结晶体管(BJT)或异质结双极晶体管(HBT)。本文考虑，通常期望降低开关124的功耗。在一些实施例中，开关124由适于提供高效操作的材料及/或工艺制造，例如(但不限于)氮化镓(GaN)材料及/或工艺。
开关124、第一电路120及第二电路122可以适于根据开关124的状态将第二电路122与第一电路120选择性地接合的任何配置进行布置。
图2A是根据本公开的一或多个实施例的包含连接到线圈106(例如，可操作为TX线圈106或RX线圈106)的阻抗匹配电路118的第一配置的WPT装置134的简化示意图。在一些实施例中，如在图2A中所说明，第一电路120与线圈106串联连接，第二电路122与第一电路120并联连接，且开关124与第二电路122串联连接。在此配置中，在断开状态下操作开关124可将第二电路122从第一电路120断开连接，使得阻抗匹配电路118的阻抗仅基于第一电路120。在闭合状态下操作开关124可将第二电路122连接到第一电路120，使得阻抗匹配电路118基于第一电路120及第二电路122组合。
图2B是根据本公开的一或多个实施例的包含连接到线圈106(例如，可操作为TX线圈106或RX线圈106)的阻抗匹配电路118的第二配置的WPT装置134的简化示意图。在一些实施例中，如在图2B中所说明，第一电路120及第二电路122与线圈106串联连接且彼此串联连接，而开关124与第二电路122并联连接。在此配置中，在闭合状态下操作开关124可通过有效地创建短路而将第二电路122与第一电路120断开连接，使得阻抗匹配电路118的阻抗仅基于第一电路120。在断开状态下操作开关124可将第二电路122连接到第一电路120，使得阻抗匹配电路118基于第一电路120及第二电路122组合。
在任一配置中，可通过用PWM信号128驱动开关124以交替地将第二电路122连接到第一电路120且将从第二电路122与第一电路120断开连接来进一步调谐阻抗匹配电路118的阻抗。以此方式，阻抗匹配电路118的阻抗可与至少部分基于PWM信号128的占空比的时间平均值相关联。
第一电路120及第二电路122可各自具有适于调整如通过线圈106看见的WPT装置134的阻抗的元件的任一组合。作为说明，图2C是根据本公开的一或多个实施例的包含由电容器形成的阻抗匹配电路118的WPT装置134的简化示意图。应注意，具有电容C的电容器的阻抗(Z)可表示为Z＝-j/ωC，其中ω是以弧度为单位的频率。此外，并联的电容器可具有等于相关联电容器的和的等效电容。
在图2C中，第一电路120包含电容器C1，且第二电路122包含电容器C2。因此，阻抗匹配电路118可具有当第二电路122断开连接时的阻抗及当第二电路122经连接时的阻抗/>
在至少一些操作条件下，然后可通过改变PWM信号128的参数(例如(但不限于)占空比)而在Z1与Z2之间调整阻抗匹配电路118的阻抗。例如，阻抗匹配电路118可具有当占空比为0时(开关124始终断开)的阻抗Z1、当占空比为1时(开关124始终闭合)的阻抗Z2，以及针对在0与1之间的占空比的Z1与Z2之间的变化阻抗值。
应理解，图2C及相关联描述仅是说明性的，且不应解释为限制性的。而是，第一电路120及第二电路122可各自包含电容器与电感器的任一组合，使得选择性地耦合第一电路120及第二电路122可基于第一电路120及第二电路122的特定实施方案以及开关124与第二电路122是串联还是并联来使得能够在两个阻抗值之间进行切换。
另外，应注意，阻抗匹配电路118通常可包含线圈106的任一侧上的组件以及与线圈106并联的组件。此外，开关124及第二电路122可位于线圈106的任一侧上。在一些实施例中，阻抗匹配电路118进一步包含多个开关124及/或多个第二电路122，其可选择性地与第一电路120的任何部分连接。例如，使用多个开关124及/或多个第二电路122可有利于(但不限于)多带操作(例如，用无线电力信号104的不同载波频率进行的操作)。例如，可使用不同组的开关124及/或多个第二电路122来针对不同带提供动态阻抗匹配。
现在参考图3A到3B，根据本公开的一或多个实施例更详细地描述用于调整如本文所公开的阻抗匹配电路118的阻抗的技术。
图3A是说明根据本公开的一或多个实施例的在方法300中执行的步骤的流程图。申请人注意到，本文先前在WPT系统100的上下文中描述的实施例及启发性技术应解释为扩展到方法300。然而，应进一步注意，方法300不限于WPT系统100的架构。
应理解，方法300不限于图3A中描绘的特定步骤。在一些实施例中，方法300可包含额外步骤，其可在所描绘步骤之前、在所描述步之后及/或在任何所描绘步骤之间执行。在一些实施例中，图3A中描绘的所有步骤并非都被执行。
在一些实施例中，方法300包含产生指示通过连接到阻抗匹配电路的线圈106传送的无线电力的一或多个测量的步骤302，其中阻抗匹配电路包含第一电路120、第二电路122及可用PWM信号128控制以选择性地连接第一电路120与第二电路122的开关124。与步骤302相关联的一或多个测量可使用所属领域已知的任何技术来产生，所述技术例如(但不限于)电流及/或电压传感器。例如，一或多个测量可包含线圈106中的电流及/或电压的测量，其可指示与通过线圈106发射及/或接收的无线电力信号104(例如，AC电力)相关联的电力。作为另一实例，一或多个测量可包含与RX装置108的整流器114的输出相关联(例如，与VRECT相关联)的电流及/或电压测量的测量，其可指示由RX装置108提供的DC电力、整流器114的效率及/或WPT系统100作为一个整体的电力效率。
在一些实施例中，方法300包含产生PWM信号128的步骤304。在一些实施例中，方法300包含根据基于一或多个测量的所选择指标来调整PWM信号128以提供通过线圈106传送的无线电力的步骤306。例如，调整PWM信号128可包含调整PWM信号128的参数的任一组合，所述参数包含(但不限于)切换频率、占空比、幅值或脉冲形状(例如，矩形、锯齿形、三角形或类似者)。此外，步骤304及306可(但不需要)由如本文所公开的PWM控制器126来执行。
步骤306可包含根据任何所选择指标来调整PWM信号128以提供通过线圈106传送的无线电力。在一些实施例中，所选择指标包含通过线圈106的总电力传送(例如，以瓦特为单位测量)。在一些实施例中，所选择指标包含通过线圈106的电力传送效率(例如，如作为由TX装置102产生的由RX装置108接收的电力的百分比来测量)。在一些实施例中，所选择指标包含WPT系统100的总电力效率(例如，如作为由整流器114(例如，在VRECT的电压下)提供的电力相对于由TX装置102及RX装置108产生所述电力所消耗的总电力的百分比来测量)。在一些实施例中，所选择指标包含由整流器114在RX装置108中产生的整流电压的值(例如，以伏特为单位测量的VRECT的值)。本文考虑，调整WPT系统100的TX装置102及/或RX装置108中阻抗匹配电路118的阻抗可为用于根据任何所选择指标来提供无线电力传送的高效且稳健的技术。作为一个说明，应认识到，用于控制整流电压(VRECT)的值的典型技术可包含调整由TX装置102提供的无线电力信号104的幅值。然而，由于使用相对较大的电感器及潜在的低无线电力传送效率，此技术可能是相对电力低效的。相反，如本文所公开那样调整TX装置102及/或RX装置108的阻抗可实现对整流电压的快速及灵活控制，同时还确保高效的无线电力传送。在一些实施例中，与步骤306相关联的所选择指标包含若干因素或子指标的组合(例如，未加权组合、加权组合或类似者)。
在一些情况下，可能希望利用来自TX装置102及RX装置108两者的测量(例如，当所选择指标包含总电力传送时，通过线圈106的电力传送效率或类似者)。在这些情况下，与步骤302相关联的一或多个测量可通过通信通道(例如，由一或多个调制解调器130建立)发射及/或接收，所述通信通道可(但不需要)与无线电力信号104的调制相关联。例如，一个WPT装置134(例如，作为TX装置102或RX装置108操作)可通过此通信通道发送、接收及/或请求一或多个测量。
本文进一步考虑，阻抗匹配电路118中的开关124的操作利用电力，这可能会对WPT系统100的整体电力效率产生负面影响。因此，可能需要平衡通过阻抗匹配获得的性能增加与实现此性能提高所需的开关124的功耗。在一些实施例中，调整PWM信号128的步骤306包含调整PWM信号128以提供低于所选择限制的阻抗匹配电路118的功耗。此限制通常可为固定的或动态的。例如，如果与步骤306相关联的所选择指标包含WPT系统100的总电力效率，那么可考虑阻抗匹配电路118的功耗，且可对PWM信号128的调整施加动态限制。在一些实施例中，功耗是当调整PWM信号128时考虑的若干因素中的一者。例如，阻抗匹配电路118的功耗可为与步骤306相关联的一个因素或子指标。
本文进一步考虑，可能需要将PWM信号128的各种参数(例如，切换频率、占空比、幅值及/或脉冲形状)的允许值的范围限制为阻抗匹配电路118的阻抗可良好地定义为PWM信号128参数的函数的范围。例如，可能希望(但不需要)操作PWM控制器126，使得阻抗匹配电路118的阻抗响应于PWM信号128参数中的一或多者的变化而在两个阻抗值(例如，如用与图2C相关联的非限制性实例所描述的Z1及Z2)之间单调改变(例如，连续减少或连续增加)。以此方式，PWM控制器126(例如，当实施方法300的步骤306时)可动态地调整具有良好定义的性能的装置的阻抗。
图3B是说明根据本公开的一或多个实施例的在方法300中执行的额外步骤的流程图。应理解，方法300不限于图3B中描绘的特定步骤。在一些实施例中，方法300可包含额外步骤，其可在所描绘步骤之前、在所描述步之后及/或在任何所描绘步骤之间执行。在一些实施例中，图3B中描绘的所有步骤并非都被执行。
在一些实施例中，调整PWM信号128的步骤306包含识别提供阻抗匹配电路118的阻抗的单调控制的PWM信号128的参数范围的步骤308。在一些实施例中，调整PWM信号128的步骤306包含根据基于一或多个测量的所选择指标在参数范围内调整PWM信号128以提供通过线圈106传送的无线电力的步骤310。
在一般意义上，可同时控制PWM信号128的参数的任一组合。然而，可能需要控制(例如，调整)PWM信号128的单个参数，例如占空比，同时将其它参数维持在固定值。
例如，步骤308可包含识别PWM信号128的切换频率、幅值或脉冲形状中的至少一者的值，使得占空比的变化提供对阻抗匹配电路118的阻抗的单调控制。
适于提供对阻抗的单调控制的PWM信号128参数的操作范围可为静态的，或可基于操作条件而变化。
WPT装置134中的线圈106可在各种模式下操作，包含(但不限于)连续传导模式(CCM)或不连续传导模式。此外，选择性地将阻抗匹配电路118的第二电路122与第一电路120耦合的影响可基于操作模式而变化。另外，选择性地将阻抗匹配电路118的第二电路122与第一电路120耦合的影响可基于无线电力信号104的载波频率与PWM信号128的切换频率之间的关系而变化。例如，可与(但不限于)DCM模式相关联的无线电力信号104的增加的时间复杂度可需要增加PWM信号128的切换频率，以在PWM信号128的占空比与阻抗匹配电路118的阻抗之间提供良好定义的关系或单调关系。
例如，在CCM模式中，占空比可针对宽范围的切换频率提供对阻抗匹配电路118的阻抗的单调控制。在一些情况下，PWM信号128的切换频率可等于或低于无线电力信号104的载波频率。以此方式，可利用相对较低的切换频率来降低阻抗匹配电路118的功耗。
作为另一实例，在DCM模式中，PWM信号128的切换频率可能需要相对于CCM模式增加，以在PWM信号128的占空比与阻抗匹配电路118的阻抗之间提供定义良好的关系或单调关系。在一些情况下，PWM信号128的切换频率可能需要等于或高于无线电力信号104的载波频率。
图4A到4C描绘越针对不同线圈电流的跨阻抗匹配电路118中的电容器的电流、电压及电力特性的模拟，其中阻抗匹配电路118对应于图2C中的说明，且标绘图描绘对应于第一电路120的电容器C1的特性。图4A包含根据本公开的一或多个实施例的跨越电容器C1的峰间电压、通过开关124的平均电力损耗及500mA的峰值负载电流(ILOAD)的标绘图。图4B包含根据本公开的一或多个实施例的跨越电容器C1的峰间电压、通过开关124的平均电力损耗及1A的峰值负载电流(ILOAD)的标绘图。图4C包含根据本公开的一或多个实施例的跨越电容器C1的峰间电压、通过开关124的平均电力损耗及2A的峰值负载电流(ILOAD)的标绘图。在图4A到4C中，PWM信号128的切换频率被选择为360kHz的载波频率的八倍。
如在图4A到4C中所说明，在模拟条件下改变占空比针对宽范围的操作线圈电流提供跨越电容性第一电路120的峰间电压及峰值电流的单调变化。然而，应注意，随占空比而变的特定峰间电压、电力损耗及峰值电流值随着线圈电流而改变，这指示无线电力信号104的复杂性随着电力的增加而增加。图4A到4C还说明可在开关124中损耗显著电力。如果要最小化整个系统电力损耗，那么可使用本文描述的基于测量的指标来选择及/或优化PWM占空比、PWM切换频率及/或PWM幅值。
在一些实施例中，步骤306包含调整PWM信号128，以减轻可能影响WPT装置134中或WPT系统100外部的其它组件的噪声及/或干扰(例如，EMI)。例如，可选择PWM信号128的切换频率，以避免与TX装置102与RX装置108之间的通信通道相关联的频率或其谐波。作为另一实例，可调整PWM信号128的切换频率及/或相位，以对应于无线电力信号104的载波频率或其谐波，以便减轻或消除开关124对整流器114及/或逆变器110的操作的影响。
在一些实施例中，PWM控制器126连接到整流器114及/或逆变器110。以此方式，整流器114及/或逆变器110可被控制(例如，由栅极控制器140控制)以减轻与用于阻抗控制的开关124的操作相关联的噪声或干扰。例如，整流器114及/或逆变器110可不允许在PWM信号的转变(例如，从高信号切换到低信号，或反之亦然)之后的所选择时间帧内切换内部晶体管138。此技术可被特性化为数字消隐。作为另一实例，可基于PWM信号128的转变来定制与切换内部晶体管138相关联的去抖动时间，以过滤由转变产生的噪声。
本文考虑，调整PWM信号128的步骤306可以任何规则或不规则间隔实行任何次数。在一些实施例中，步骤306在初始化步骤期间(例如，当TX装置102及/或RX装置108通电时、当TX装置102与RX装置108足够靠近以起始无线电力传送时，或触发初始化步骤的任何其它初始化条件)实行。在一些实施例中，以周期性间隔实行步骤306，以确保根据所选择指标进行操作。在一些实施例中，响应于一或多个触发条件实行步骤306。例如，当基于与步骤302相关联的测量不满足所选择指标时，可实行步骤306。
再次参考图3B，识别提供对阻抗匹配电路118的阻抗的单调控制的PWM信号128的参数范围的步骤308可在任何时间实行，例如(但不限于)初始化步骤、以周期性间隔或响应于如上文描述的触发条件。在一些实施例中，与步骤310相比，步骤308较不频繁地被实行。例如，步骤310可包含在延长的时间段内在308中识别的参数范围内调整PWM信号128，且在必要时(例如，响应于触发条件)执行步骤308。
据信，通过先前描述将理解本公开及其许多附带优点，并且显而易见的是，在不脱离所揭示标的物或不牺牲其所有实质优势的情况下，可对组件的形式、构造及布置进行各种改变。所描述的形式仅仅是解释性的，并且所附权利要求书希望涵盖及包含此类改变。此外，应了解，本发明由所附权利要求书定义。

Claims (20)

1.一种装置，其包括：
第一电路，其经配置以与线圈串联连接，其中所述第一电路包含一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者；
第二电路，其包括一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者；及
开关，其中切换所述开关的状态选择性地将所述第二电路连接到所述第一电路，其中所述开关经配置以由脉冲宽度调制PWM信号驱动；及
PWM控制器，其经配置以：
接收指示通过所述线圈传送的无线电力的一或多个测量；
产生所述PWM信号；以及
根据基于所述一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路与所述第一电路并联连接，其中所述开关与所述第二电路串联连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二电路与所述第一电路串联连接，其中所述开关与所述第二电路并联连接。
4.根据权利要求1所述的装置，其中根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力包括：
根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来调整所述PWM信号的切换频率、占空比、幅值或脉冲形状中的至少一者以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述PWM控制器进一步经配置以：
识别与提供阻抗匹配电路的单调变化的所述PWM信号的所述切换频率、所述占空比、所述幅值或所述脉冲形状中的至少一者相关联的参数范围；以及
根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来在所述参数范围内调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述所选择指标包括通过所述线圈的所述无线电力传送的效率。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述所选择指标包括通过所述线圈传送的电力的值。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述PWM控制器进一步经配置以：
调整所述PWM信号以提供等于或低于功耗限制的所述开关的功耗。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述PWM控制器进一步经配置以：
调整所述PWM信号以在通过所述线圈的通信通道中产生低于所选择容限的噪声。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是经配置以发射所述无线电力的发射装置。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是经配置以接收所述无线电力的接收装置。
12.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括：
整流器，其经配置以产生与通过所述线圈传送的所述无线电力相关联的整流电压。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述所选择指标包含所述整流电压的值。
14.根据权利要求12所述的装置，其中所述整流器包括一或多个晶体管，其中所述整流器经配置以在所述PWM信号的转变之后的所选择时间帧内不允许切换所述一或多个晶体管中的至少一者。
15.一种装置，其包括：
脉冲宽度调制PWM控制器，其经配置以产生PWM信号；
第一电路，其经配置以与线圈串联连接，其中所述第一电路包含一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者；
第二电路，其包含一或多个额外电容器或一或多个额外电感器中的至少一者；及
开关，其经配置以由所述PWM信号驱动，其中切换所述开关的状态选择性地将所述第二电路连接到所述第一电路；及
PWM控制器，其经配置以：
接收指示通过所述线圈传送的无线电力的一或多个测量；
产生所述PWM信号；以及
根据基于所述一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
16.根据权利要求15所述的装置，其中根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力包括：
根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来调整所述PWM信号的切换频率、占空比、幅值或脉冲形状中的至少一者以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述PWM控制器进一步经配置以：
识别与提供阻抗匹配电路的单调变化的所述PWM信号的所述切换频率、所述占空比、所述幅值或所述脉冲形状中的至少一者相关联的参数范围；以及
根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来在所述参数范围内调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
18.根据权利要求15所述的装置，其中所述所选择指标包括通过所述线圈传送的电力的值、通过所述线圈的所述无线电力传送的效率或与通过所述线圈的所述无线电力传送相关联的整流电压中的至少一者。
19.一种方法，其包括：
产生指示通过与第一电路串联连接的线圈传送的无线电力的一或多个测量，其中所述第一电路包括一或多个电容器或一或多个电感器中的至少一者，其中开关选择性地将第二电路连接到所述第一电路，其中所述第二电路包含一或多个额外电容器或一或多个额外电感器中的至少一者；
接收指示通过所述线圈传送的无线电力的一或多个测量；
产生所述PWM信号；以及
根据基于所述一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
20.根据权利要求19所述的方法，其中根据基于所述一或多个测量的所选择指标来调整所述PWM信号以提供通过所述线圈传送的所述无线电力包括：
根据基于所述一或多个测量的所述所选择指标来调整所述PWM信号的切换频率、占空比、幅值或脉冲形状中的至少一者以提供通过所述线圈传送的所述无线电力。
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