CN117639294A - 无线功率应用中的倍压器 - Google Patents

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S·伊派克
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Abstract

本公开涉及一种无线功率应用中的倍压器，描述了用于无线功率传输系统的系统和方法。控制器可以耦合到功率整流器，该功率整流器被配置为将交流功率整流成直流功率。功率整流器可以包括第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管。控制器可以被配置为选择性地接通第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管中的一者或多者以全桥整流器模式和倍压器模式中的一种模式下操作无线功率接收器。

Description

无线功率应用中的倍压器
技术领域
本公开总体涉及用于在不同模式下操作无线功率接收器以减少功率耗散并改进效率的设备和方法。特别地，不同模式包括全桥整流器模式和倍压器模式。
背景技术
无线功率系统可以包括具有传输线圈的发射器和具有接收器线圈的接收器。在一方面，发射器可以连接到包括无线充电区域的结构。响应于包括接收器的装置被放置在充电区域上或充电区域附近，传输线圈和接收器线圈可以彼此感应耦合以形成变压器，该变压器可以促进交流(AC)功率的感应传输。AC功率从发射器到接收器的传输可以促进对包括接收器的装置的电池的充电。
发明内容
在一个实施例中，总体上描述了一种用于无线功率接收器的半导体装置。该半导体装置可以包括功率整流器和被耦合到该功率整流器的控制器。功率整流器可以被配置为将交流(AC)功率整流成直流(DC)功率。功率整流器可以包括第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管。控制器可以被配置为选择性地接通第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管中的一者或多者以在全桥整流器模式和倍压器模式中的一种模式下操作无线功率接收器。
在一个实施例中，总体上描述了一种用于操作无线功率接收器的设备。该设备可以包括多个比较器和被耦合到该多个比较器的控制器。多个比较器可以被配置为测量跨功率整流器的第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管的电压电平。多个比较器还可以被配置为输出多个信号。控制器可以被配置为：基于由多个比较器输出的多个信号，选择性地接通第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管中的一者或多者以在全桥整流器模式和倍压器模式中的一种模式下操作无线功率接收器。
在一个实施例中，总体上描述了一种用于操作无线功率接收器的方法。该方法可以包括由集成电路从多个比较器接收多个信号，其中该多个信号基于对跨功率整流器的第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管的电压电平的测量结果。该方法还可以包括：基于多个信号，由控制器选择性地切换第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管中的一者或多者以在全桥整流器模式和倍压器模式中的一种模式下操作无线功率接收器。
下面参考附图详细描述各种实施例的其它特征以及结构和操作。在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件。
附图说明
图1是示出了在一个实施例中可以在无线功率应用中实现全桥整流器和倍压器的示例系统的图。
图2是示出了在一个实施例中可以在无线功率应用中实现全桥整流器和倍压器的电路的图。
图3A是示出了在一个实施例中可以在无线功率接收器中实现全桥整流器模式的电路的图。
图3B是一个实施例中的图3A的全桥整流器模式的状态图。
图4A是示出了在一个实施例中可以在无线功率接收器中实现倍压器模式的电路的图。
图4B是一个实施例中的图4A的倍压器模式的状态图。
图5A是图示了在一个实施例中从全桥整流器模式切换到倍压器模式的过程的流程图。
图5B是图示了在一个实施例中响应于从全桥整流器模式到倍压器模式的模式切换的电压电平变化的图。
图6A是图示了在一个实施例中从倍压器模式切换到全桥整流器模式的过程的流程图。
图6B是示出了在一个实施例中响应于从倍压器模式到全桥整流器模式的模式切换的电压电平变化的图。
图7A是示出了在一个实施例中转变到用于过电压保护的全桥整流器模式的图。
图7B是示出了在一个实施例中可以以倍压器模式实现的电荷泵的细节的图。
图8是示出了在一个实施例中在无线功率应用中实现全桥整流器和倍压器的过程的流程图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如特定结构、组件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本申请的各种实施例的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本申请的各种实施例。在其它实例下，未详细描述公知的结构或处理步骤，以避免模糊本申请。
图1是示出了在一个实施例中可以在无线功率应用中实现全桥整流器和倍压器的示例系统的图。系统100可以包括功率装置，诸如发射器110和接收器120，它们被配置为经由感应耦合在它们之间无线地传输功率和数据。虽然本文中被描述为发射器110和接收器120，但是发射器110和接收器120中的每一者可以被配置为经由感应耦合在它们之间均发射和接收功率或数据。发射器110可以被称为无线功率发射器，并且接收器120可以被称为无线功率接收器。
发射器110被配置为从一个或多个电源无线地接收功率，并且向接收器120无线地发射AC功率130。例如，发射器110可以被配置为连接到电源116，诸如，例如，适配器或DC电源。发射器110可以是包括控制器112和功率驱动器114的半导体装置。
控制器112可以被配置为控制和操作功率驱动器114。控制器112可以包括例如处理器、中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或被配置为控制和操作功率驱动器114的任何其它电路装置。虽然在说明性实施例中被描述为CPU，但是控制器112不限于这些实施例中的CPU，并且可以包括被配置为控制和操作功率驱动器114的任何其它电路装置。在示例实施例中，控制器112可以被配置为控制功率驱动器114以驱动功率驱动器114的线圈TX来产生磁场。功率驱动器114可以被配置为在由无线功率标准(诸如，例如，无线功率协会(Wireless Power Consortium，Qi)标准，功率事宜联盟(Power Matters Alliance，PMA)标准，无线功率联盟(Alliance for Wireless Power，针对WP的A，或Rezence)标准或任何其它无线功率标准)限定的频率和配置的范围下驱动线圈TX。
接收器120可以被配置为接收从发射器110发射的AC功率130，并且向目的地设备140的一个或多个负载126或其它组件供应该功率。负载126可以包括：例如，被配置为对目的地设备140的电池进行充电的电池充电器；被配置为向处理器、显示器或目的地设备140的其它电子组件供应功率的DC-DC转换器；或者目的地设备140的任何其它负载。目的地设备140可以包括：例如，计算设备，移动设备，移动电话，智能设备，平板，可穿戴设备或被配置为无线地接收功率的任何其它电子设备。在说明性实施例中，目的地设备140可以包括接收器120。在其它实施例中，接收器120可以与目的地设备140分离，并且经由被配置为向目的地设备140提供功率的导线或其它组件而连接到目的地设备140。
接收器120可以是包括控制器122、谐振电路123和功率整流器124的半导体装置。控制器122可以是集成电路，包括例如数字控制器(诸如微控制器)、处理器、CPU、FPGA或可以被配置为控制和操作功率整流器124的任何其它电路装置。谐振电路123可以包括线圈RX和一个或多个电容器、电感器、电阻器(它们可以形成用于输出通信分组136并将从发射器110接收的AC功率130传递到功率整流器124的电路装置)。功率整流器124可以包括整流器电路，诸如半桥整流器、全桥整流器或其它类型的整流器电路(可以被配置为将经由谐振电路123的谐振线圈RX接收到的功率整流成负载126所需的功率类型)。功率整流器124被配置为将AC功率130整流成DC功率132，DC功率132然后可以被供应到负载126。控制器122可以被配置为执行专用程序和/或固件以控制和操作接收器120的各种组件(诸如谐振电路123和功率整流器124)。
作为示例，当接收器120被放置在发射器110附近时，由功率驱动器114的线圈TX产生的磁场在谐振电路123的线圈RX中感应出电流。感应电流使得AC功率130经由谐振电路123从功率驱动器114感应地发射到功率整流器124。功率整流器124接收AC功率130并将AC功率130转换成DC功率132。然后，DC功率132通过功率整流器124被提供给负载126。
发射器110和接收器120还被配置为经由功率驱动器114和谐振电路123的感应耦合来交换信息或数据(例如消息)。例如，在发射器110开始向接收器120传输功率之前，可以在接收器120和发射器110之间达成并创建功率契约。例如，接收器120可以向发射器110发送指示功率传输信息(诸如，例如，要传输到接收器120的功率量，用于增加、减小或维持AC功率130的功率电平的命令，用于停止功率传输的命令，或者其它功率传输信息)的通信分组136或其它数据。在另一示例中，响应于接收器120被带到发射器110附近(例如，足够接近，使得变压器可以由线圈TX和线圈RX形成以允许功率传输)，接收器120可以被配置为通过向发射器110发送请求功率传输的信号来发起通信。在这种情况下，发射器110可以通过建立功率契约或开始向接收器120的功率传输(例如，如果功率契约已经就位)来响应接收器120的请求。发射器110和接收器120可以经由线圈TX与线圈RX的感应耦合来发射和接收通信分组136、数据或其它信息。在一些实施例中，发射器110与接收器120之间的通信可以在使用诸如近场通信(NFC)、蓝牙等的各种协议的功率传输阶段之前发生。
功率整流器124的细节在图1中示出。在一个示例中，响应于接收到AC功率130，功率整流器124可以将AC功率130整流成DC电压，以便向负载126供应DC功率132。AC功率130可以通过功率整流器124的AC1和AC2节点来接收。可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的四个晶体管HS1、HS2、LS1、LS2可以形成能够提供整流器电压(VRECT)以对AC功率130进行整流的整流器电路。
系统100的功率传输效率(诸如，被递送到126的输出功率与由116提供的输入功率的比率)可能由线圈RX的电阻限制。可以减少线圈RX的导线或绕组匝数以降低接收器线圈电阻，但是在线圈RX上感应到的电压也将减弱，因此降低VRECT。VRECT必须达到最小电压以便对系统100加电，并且该最小电压可以在3到5伏(V)的量级。
本文中所描述的系统和方法可以允许接收器120在不同模式下操作以解决由低电阻接收器线圈的实现引起的这些挑战。可以由控制器122切换的模式可以包括全桥整流器(FBR)模式和倍压器(VD)模式。电路150可以被集成在功率整流器124与控制器122之间。电路150可以包括多个比较器，该多个比较器被配置为检测功率整流器124处的电流和/或电压事件。例如，电路150可以检测在功率整流器124的不同部分处(例如，跨晶体管HS1、HS2、LS1、LS2、节点AC1、AC2和/或其它节点)的电压，并且响应于检测到的电流和/或电压的特定值，通知控制器122选择性地接通或关断晶体管HS1、HS2、LS1、LS2，以在不同模式下操作接收器120。
图2是示出了在一个实施例中可以在无线功率应用中实现全桥整流器和倍压器的电路的图。在图2所示的示例中，电路150可以包括多个比较器C1、C2、C3、C4、C5、C6。来自比较器C1、C2、C3、C4、C5的输出可以是到由控制器122实现的有限状态机204的输入。有限状态机204的状态和转变条件可以被存储在控制器122的存储器中。在一个实施例中，电路150中的比较器C1、C2、C3、C4、C5、C6可以是施密特触发器。
比较器C1可以接收跨晶体管HS1而测量的电压电平作为输入，并且输出信号HS1_ON。在一个实施例中，信号HS1_ON可以具有表示二进制值(例如，逻辑高或低，或二进制1或0)的电压电平。控制器122可以被配置为将HS1_ON输入到有限状态机204中，并且有限状态机204可以输出基于信号HS1_ON的电压电平的状态。基于由有限状态机204输出的状态并且基于晶体管HS1、HS2、LS1、LS2的当前状态，控制器122可以确定HS1、HS2、LS1、LS2中的哪些晶体管选择性地接通、关断和维持当前的接通或关断状态。在一个实施例中，控制器122可以被配置为在VD模式下使用信号HS1_ON。控制器122可以连接到栅极驱动器202的输入端子。栅极驱动器202的输出端子可以连接到晶体管HS1、HS2、LS1、LS2的栅极端子。响应于确定接通晶体管HS1，控制器122可以向栅极驱动器202发送驱动电压V_HS1，并且栅极驱动器202可以使用V_HS1来驱动晶体管HS1的栅极端子以接通晶体管HS1。
比较器C2、C3可以各自接收跨晶体管LS2而测量的电压电平作为输入。比较器C2可以输出信号晶体管LS2_ON，并且比较器C3可以输出信号晶体管LS2_OFF。在一个实施例中，信号LS2_ON和LS2_OFF中的每一者可以具有表示二进制值(例如，逻辑高或低，或二进制1或0)的相应电压电平。LS2_ON和LS2_OFF可以不具有相同的值或电压电平。在一个实施例中，比较器C3可以被自动校准以输出LS2_OFF，LS2_OFF指示需要响应于在节点AC1处检测到零电流而关断晶体管LS2。控制器122可以被配置为将LS2_ON和LS2_OFF输入到有限状态机204中，并且有限状态机204可以输出基于信号LS2_ON和/或LS2_OFF的电压电平的状态。例如，如果信号LS2_ON具有指示接通LS2的电压电平并且信号LS2_OFF具有零电压(例如，指示无变化)，则有限状态机204可以输出基于信号LS2_ON的电压电平的状态。基于由有限状态机204输出的状态并且基于晶体管HS1、HS2、LS1、LS2的当前状态，控制器122可以确定HS1、HS2、LS1、LS2中的哪些晶体管选择性地接通、关断和维持当前的接通或关断状态。在一个实施例中，控制器122可以被配置为在FBR和VD两种模式下使用信号LS2_ON和LS2_OFF。响应于确定接通晶体管LS2，控制器122可以向栅极驱动器202发送驱动电压V_LS2，并且栅极驱动器202可以使用V_LS2来驱动晶体管LS2的栅极端子以接通晶体管LS2。响应于确定关断晶体管LS2，控制器122可以将V_LS2的电压电平调节到零，或者调节到低于晶体管LS2的阈值电压的电压，并且将经调节的V_LS2发送到栅极驱动器202，使得晶体管LS2可以被关断。
比较器C4、C5可以各自接收跨晶体管LS1而测量的电压电平作为输入。比较器C4可以输出信号晶体管LS1_ON，并且比较器C5可以输出信号晶体管LS1_OFF。在一个实施例中，信号LS1_ON和LS1_OFF中的每一者可以具有表示二进制值(例如，逻辑高或低，或二进制1或0)的相应电压电平。LS1_ON和LS1_OFF可以不具有相同的值或电压电平。在一个实施例中，比较器C5可以被自动校准以输出LS1_OFF，LS1_OFF指示需要响应于在节点AC2处检测到零电流而关断晶体管LS1。控制器122可以被配置为将LS1_ON和LS1_OFF输入到有限状态机204中，并且有限状态机204可以输出基于信号LS1_ON和/或LS1_OFF的电压电平的状态。例如，如果信号LS1_ON具有指示接通LS1的电压电平并且信号LS1_OFF具有零电压(例如，指示无变化)，则有限状态机204可以输出基于信号LS1_ON的电压电平的状态。基于由有限状态机204输出的状态并且基于晶体管HS1、HS2、LS1、LS2的当前状态，控制器122可以确定HS1、HS2、LS1、LS2中的哪些晶体管选择性地接通、关断和维持当前的接通或关断状态。在一个实施例中，控制器122可以被配置为在FBR和VD模式下使用信号LS1_ON和LS1_OFF。响应于确定接通晶体管LS1，控制器122可以向栅极驱动器202发送驱动电压V_LS1，并且栅极驱动器202可以使用V_LS1来驱动晶体管LS1的栅极端子以接通晶体管LS1。响应于确定关断晶体管LS1，控制器122可以将V_LS1的电压电平调节到零，或者调节到低于晶体管LS1的阈值电压的电压，并且将经调节的V_LS1发送到栅极驱动器202，使得晶体管LS1可以被关断。
比较器C6可以接收VRECT的电压电平和过电压阈值(OV_THR)作为输入，并且输出信号VRECT_OV。过电压阈值OV_THR可以是被存储在控制器122的存储器中的预定值或电压电平。控制器122可以被配置为读取信号VRECT_OV的值或电压电平，并且基于该值来确定是否启用电荷泵210。控制器122可以将信号QP输出到电荷泵210，并且电荷泵210可以基于信号QP的值或电压电平来启用或禁用。电荷泵210在被启用时可以在加电期间将电压电平VRECT升压到足以启动系统100(参见图1)的电平。在一个实施例中，信号QP可以是禁用电荷泵210的禁用信号(或使能否定信号)。在一个实施例中，当VRECT为零时，可以启用电荷泵210，并且控制器122可以响应于VRECT达到特定电压电平而禁用电荷泵210。在一个实施例中，可以是MOSFET的晶体管212可以被连接在电荷泵210与晶体管LS2之间，以便将AC2短路到地(GND)。在一个实施例中，晶体管212可以具有比晶体管LS1更小的晶体管尺寸。
在另一个实施例中，可以去除晶体管212，并且可以将电荷泵210连接到晶体管LS1的栅极端子。电荷泵可以基于AC1和VRECT处的电压电平而生成栅极-源极电压，并且所生成的栅极-源极电压可足以接通晶体管LS1。在一个实施例中，响应于AC1处的电压电平接近VRECT，电荷泵210可以生成栅极-源极电压。所生成的栅极-源极电压可以对VRECT进行升压。在一个实施例中，如果当接收器120以VD模式进行操作时系统100启动，则在线圈RX上感应到的电压可以将VRECT增加到高于OV_THR的电平，并且控制器122可以基于指示可能存在过电压保护的信号VRECT_OV而禁用电荷泵210。
图3A是示出了在一个实施例中可以在无线功率接收器中实现全桥整流器模式的电路的图。图3A所示的电路300可以包括功率整流器124和比较器C2、C3、C4、C5。在FBR模式下，控制器122可以交替地切换晶体管对HS1、LS1和晶体管对HS2、LS2。例如，晶体管HS1、LS1可以接通而晶体管HS2、LS2关断，以及晶体管HS1、LS1可以关断而晶体管HS2、LS2接通。响应于晶体管HS1、LS1被接通，可以形成从地到VRECT的电流路径，并且电流可以从AC2流到AC1。响应于晶体管HS2、LS2被接通，可以形成从地到VRECT的电流路径，并且电流可以从AC1流到AC2。控制器122可以被配置为生成驱动信号SNS1，该驱动信号SNS1可以用于接通晶体管HS1、LS1。此外，控制器122可以被配置为生成驱动信号SNS2，该驱动信号SNS2可以用于接通晶体管HS2、LS2。驱动信号SNS1和SNS2可以是不重叠的信号(例如，将不具有相同的值或电压电平)。在一个实施例中，在FBR模式下，控制器122可以输出驱动信号SNS1(作为V_HS1和V_LS1)，以使用SNS1经由栅极驱动器202来驱动晶体管HS1、LS1。控制器122可以输出驱动信号SNS2(作为V_HS2和V_LS2)，以使用SNS2经由栅极驱动器202来驱动晶体管HS2、LS2。
图3B是一个实施例中的图3A的全桥整流器模式的状态图。有限状态机204(参见图2)的状态图301在图3B中示出。状态302可以是状态图301的初始状态，其中晶体管HS1、HS2、LS1、LS2被关断(例如，被指示为二进制0)。响应于晶体管LS2被接通达预定量的延迟，状态302可以转变到状态304。在状态304，晶体管HS2可以与晶体管LS2一起接通(例如，被指示为二进制1)，而晶体管HS1、LS1保持关断。响应于晶体管LS2被关断，状态304可以转变到状态306。在状态306，晶体管HS1、HS2、LS1、LS2可以被关断。响应于晶体管LS1被接通，状态306可以转变到状态308。在状态308，晶体管HS1可以与晶体管LS1一起接通，而晶体管HS2、LS2保持关断。响应于晶体管LS1被关断，状态308可以返回到状态302。有限状态机204可以响应于接收到来自电路150(参见图2)中的比较器的输出之一而输出状态302、304、306、308中的一者，并且控制器122可以使用所输出的状态来选择性地接通和关断晶体管HS1、HS2、LS1、LS2中的一个或多个特定晶体管。
图4A是示出了在一个实施例中可以在无线功率接收器中实现倍压器模式的电路的图。图4A所示的电路400可以包括功率整流器124和比较器C1、C2、C3、C5。在VD模式下，晶体管LS1可以保持接通，晶体管HS2可以保持关断，并且控制器122可以交替地切换晶体管HS1、LS2。例如，在第一周期中，晶体管LS1和晶体管HS1(晶体管LS2将关断)可以同时接通，以形成从地到VRECT的电流路径，并且电流可以从AC2流到AC1。在第一周期中，控制器122可以将SNS1设置为能够接通晶体管HS1的电压电平。此外，在第一周期中，由于晶体管LS1需要保持接通，控制器122可以输出SNS1(作为V_HS1)，以经由栅极驱动器202来驱动晶体管HS1，并且可以输出另一信号V_on(作为V_LS1)，以接通晶体管LS1。信号V_on可以具有足以驱动晶体管LS1的栅极端子以接通晶体管LS1的恒定电压电平。在第二周期中，晶体管LS1和晶体管LS2可以接通(晶体管HS1将关断)，并且节点AC1可以短路到地。此外，在第二周期中，由于晶体管HS2需要保持关断，控制器122可以输出SNS2(作为V_LS2)，以经由栅极驱动器202来驱动晶体管LS2，并且可以输出信号V_off作为V_HS2。信号V_off可以是零伏(例如，控制器122可以不向针对V_HS2的信号跟踪施加任何电压)或低于晶体管HS2的阈值电压的电压。
图4B是一个实施例中的图4A的倍压器模式的状态图。有限状态机204(参见图2)的状态图401在图4B中示出。状态402可以是状态图401的初始状态，其中晶体管HS1、HS2、晶体管LS2被关断(例如，被指示为二进制0)，并且晶体管LS1被接通(例如，被指示为二进制1)。响应于晶体管HS1被接通达预定量的延迟，状态402可以转变到状态404。在状态404，晶体管HS1可以被接通，晶体管LS1保持接通，并且晶体管HS1、LS1保持关断。响应于晶体管HS1被关断，状态404可以转变到状态406。在状态406，晶体管HS1可以被关断，晶体管LS1保持接通，并且晶体管HS1、LS1保持关断。响应于晶体管LS2被接通，状态406可以转变到状态408。在状态408，晶体管LS2可以与晶体管LS1一起被接通，并且晶体管HS1、HS2保持关断。状态408可以响应于晶体管LS2被关断而返回到状态402。有限状态机204可以响应于接收到来自电路150(参见图2)中的比较器的输出之一而输出状态402、404、406、408中的一者，并且控制器122可以使用所输出的状态来选择性地接通和关断晶体管HS1、HS2、LS1、LS2中的一个或多个特定晶体管。
图5A是示出了在一个实施例中从全桥整流器模式切换到倍压器模式的过程500的流程图。过程500可以包括如框502、504和/或506中的一个或多个框所示的一个或多个操作、动作或功能。尽管被图示为离散的框，但是取决于期望的实现方式，各种框可以被划分成附加的框，可以被组合成更少的框，可以被消除，或者可以并行地执行，和/或以不同的顺序执行。对过程500的描述可以参考图1至图4的组件。
过程500可以在框502处开始，其中无线功率接收器(例如，接收器120)可以在全桥整流器模式下操作。过程500可以从框502前进到框504。在框504处，无线功率接收器的控制器(例如，控制器122)可以监测节点AC2处的电压电平。过程500可以从框504前进到框506。在框506处，控制器可以响应于检测到信号LS1_ON的上升沿而切换无线功率接收器的操作。信号LS1_ON的上升沿可以指示节点AC2处的电压为零(或者AC2被拉到地)。使用对信号LS1_ON的上升沿的检测来触发从FBR模式到VD模式的模式切换可以确保提供跨晶体管HS1、HS2、LS1、LS2的数字同步的零电压切换。例如，响应于信号LS1_ON的上升沿而从FBR模式切换到VD模式可以确保晶体管HS2在模式切换期间被关断，因为VD模式需要晶体管HS2保持关断。因此，在从FBR模式到VD模式的模式切换之后，HS2不会被意外地接通。
图5B是示出了在一个实施例中响应于从全桥整流器模式到倍压器模式的模式切换的电压电平变化的图。在图5B所示的图中，在FBR模式期间，节点AC1处的电压(V_AC1)和节点AC2处的电压(V_AC2)可以交替变化，并且VRECT可以维持在电压电平V。响应于从FBR模式切换到VD模式，VRECT可以增加到大于V的电压电平。因此，VD模式可以用于增加VRECT。
图6A是示出了在一个实施例中从倍压器模式切换到全桥整流器模式的过程600的流程图。过程600可以包括如框602、604和/或606中的一个或多个框所示的一个或多个操作、动作或功能。尽管被图示为离散的框，但是取决于期望的实现方式，各种框可以被划分成附加的框，可以被组合成更少的框，可以被消除，或者可以并行地执行，和/或以不同的顺序执行。对过程600的描述可以参考图1至图4的组件。
过程600可以在框602处开始，其中无线功率接收器(例如，接收器120)可以在倍压器模式下操作。过程600可以从框602前进到框604。在框604处，无线功率接收器的控制器(例如，控制器122)可以监测流过晶体管LS1的电流。过程600可以从框604前进到框606。在框606处，控制器可以响应于检测到信号LS1_OFF的上升沿而切换无线功率接收器的操作。信号LS1_OFF的上升沿可以指示晶体管LS1处的零电流。使用对LS1_OFF的上升沿的检测来触发从VD模式到FBR模式的模式切换可以确保提供跨晶体管HS1、HS2、LS1、LS2的数字同步的零电流切换。响应于信号LS1_OFF的上升沿而从VD模式切换到FBR模式可以确保节点AC1和AC2是互补的(例如，它们的电压电平与切换点相反，为0V或VRECT)。
图6B是示出了在一个实施例中响应于从倍压器模式到全桥整流器模式的模式切换的电压电平变化的图。在图6B所示的图中，在VD模式期间，节点AC1处的电压(V_AC1)可以响应于交替地接通晶体管HS1和LS2而周期性地变化，而V_AC2保持在0V(例如，因为HS2在VD模式下被关断)。响应于从VD模式切换到FBR模式，VRECT可以下降到稳态电压电平，并且电压V_AC1和V_AC2可以交替变化。
图7A是示出了在一个实施例中转变到用于过电压保护的全桥整流器模式的图。在一个实施例中，在接收器120(参见图1)的启动或加电期间，VRECT可以以零伏开始。VRECT可能需要达到最小电压以便对接收器120加电。在图7所示的示例中，如果接收器120在FBR模式下开始加电，则电压V_AC1和V_AC2以相对较慢的速度增加VRECT。电荷泵210能够产生足够的栅极-源极电压(VGS)以在时间T1处接通212，来从FBR模式切换到VD模式。响应于T1处的模式切换，V_AC2可以保持在零伏，但V_AC1可以以相对较高的速度增加，同样有效地增加VRECT。VD模式可以比FBR模式相对更快地增加VRECT，因此减少了接收器120的加电时间。
图7B是示出了在一个实施例中可以以倍压器模式实现的电荷泵的细节的图。在图7B所示的示例中，电荷泵210可以接收电压V_AC1、VRECT和信号QP作为输入。参见图7A，当接收器120加电时，V_AC1和VRECT可以逐渐增加。当V_AC1和VRECT增加到非零电压电平(例如，1V，1.5V或其它预定电压阈值)时，控制器122(参见图2)可以启用电荷泵210。响应于接收到信号QP，电荷泵210中的栅极驱动器702可以接通晶体管212以将节点AC2短路到地，以便在VD模式下操作接收器120。在晶体管212被安装在接收器120中的实施例中，栅极驱动器702的输出可以连接到LS1的栅极端子，并且栅极驱动器702可以接通LS1以将节点AC2短路到地。如果VRECT增加到大于过电压阈值OV_THR(参见图2)的电压电平，则控制器122可以通过将信号QP设置为禁用值(例如，二进制0或1，取决于电荷泵210)来禁用电荷泵210。响应于电荷泵被禁用，接收器120可以在FBR模式下或在不是由电荷泵210触发的VD模式下操作。
图8是示出了在一个实施例中在无线功率应用中实现全桥整流器和倍压器的过程的流程图。过程800可以包括如框802、804、806和/或808中的一个或多个框所示的一个或多个操作、动作或功能。尽管被图示为离散的框，但是取决于期望的实现方式，各种框可以被划分成附加的框，可以被组合成更少的框，可以被消除，或者可以并行地执行，和/或以不同的顺序执行。
过程800可以由无线功率接收器(例如，本文所描述的接收器120)的控制器(例如，本文所描述的控制器122)执行。过程800可以在框802处开始。在框802处，控制器可以接收多个信号，该多个信号基于对跨功率整流器的多个晶体管的电压电平的测量结果。在一个实施例中，控制器可以从多个比较器接收多个信号。多个信号可以基于对跨功率整流器的第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管的电压电平的测量结果。
过程800可以从框802前进到框804。在框804处，基于多个信号，控制器可以选择性地切换功率放大器的多个晶体管中的一个或多个晶体管。在一个实施例中，控制器可以选择性地切换功率整流器的第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管中的一者或多者。在一个实施例中，控制器可以将多个信号输入到有限状态机。基于有限状态机的输出，控制器可以选择性地接通第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管中的一者或多者。
过程800可以从框804前进到框806或框808中的任一者，这取决于在框804处被接通的晶体管。在框806处，控制器可以在全桥整流器模式下操作无线功率接收器。在框808处，控制器可以在倍压器模式下操作无线功率接收器。在一个实施例中，控制器可以启用倍压器模式以对无线功率接收器加电。在一个实施例中，通过启用电荷泵来将第二高侧晶体管与第一低侧晶体管之间的节点短路到地，控制器可以启用倍压器模式。在一个实施例中，由电荷泵接通的晶体管可以是第一低侧晶体管。
在一个实施例中，响应于在第二高侧晶体管与第一低侧晶体管之间的节点处检测到零电压事件，并且响应于接通第一低侧晶体管的指示，控制器可以将无线功率接收器的操作模式从全桥整流器模式切换到倍压器模式。在一个实施例中，响应于在第一高侧晶体管与第二低侧晶体管之间的节点处检测到零电流事件，并且响应于关断第一低侧晶体管的指示，控制器可以将无线功率接收器的操作模式从倍压器模式切换到全桥整流器模式。
图中的流程图和框图示出了根据本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系结构、功能性和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示指令的模块、段或部分，其包括用于实现(多个)指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些备选实现方式中，框中所指出的功能可以不按照图中所指出的顺序发生。例如，根据所涉及的功能性，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。还将注意到，框图和/或流程图图示中的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作或实施专用硬件与计算机指令的组合的基于专用硬件的系统来实现。
本文所使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时具体说明了所述特征、整型、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整型、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。
以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件(如果有的话)的对应结构、材料、动作和等效方式旨在包括用于如具体要求保护的与其它要求保护的元件相结合地执行该功能的任何结构、材料或动作。对本发明的描述已经出于说明和描述的目的而呈现，但不旨在穷举或限于本发明所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员而言是明显的。选择和描述实施例是为了最好地说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。

Claims (20)

1.一种用于无线功率接收器的半导体装置，包括：
功率整流器，被配置为将交流(AC)功率整流成直流(DC)功率，所述功率整流器包括第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管；以及
控制器，被耦合到所述功率整流器，所述控制器被配置为选择性地接通所述第一高侧晶体管、所述第二高侧晶体管、所述第一低侧晶体管和所述第二低侧晶体管中的一者或多者，以在以下中的一种模式下操作无线功率接收器：
全桥整流器模式；以及
倍压器模式。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中在所述倍压器模式下，所述控制器被配置为：
关断所述第二高侧晶体管；
接通所述第一低侧晶体管；以及
交替地接通所述第一高侧晶体管和所述第二低侧晶体管。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，还包括多个比较器，所述多个比较器被配置为：
测量跨所述第一高侧晶体管、所述第二高侧晶体管、所述第一低侧晶体管和所述第二低侧晶体管的电压电平；以及
输出多个信号，
其中所述控制器被配置为：
将所述多个信号输入到有限状态机；以及
基于所述有限状态机的输出，选择性地接通所述第一高侧晶体管、所述第二高侧晶体管、所述第一低侧晶体管和所述第二低侧晶体管中的一者或多者。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述控制器被配置为响应于以下操作而将所述无线功率接收器的操作模式从所述全桥整流器模式切换到所述倍压器模式：
在所述第二高侧晶体管与所述第一低侧晶体管之间的节点处，检测到零电压事件。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述控制器被配置为响应于以下操作而将所述无线功率接收器的操作模式从所述倍压器模式切换到所述全桥整流器模式：
在连接到地并连接到所述第一高侧晶体管与所述第二低侧晶体管之间的节点的比较器处，检测到零电流事件。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述控制器被配置为通过启用所述倍压器模式来对所述无线功率接收器加电。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述控制器被配置为通过启用电荷泵来启用所述倍压器模式，并且所述电荷泵被配置为接通用以将所述第二高侧晶体管与所述第一低侧晶体管之间的节点短路到地的晶体管。
8.根据权利要求7所述的半导体装置，其中由所述电荷泵接通的所述晶体管是所述第一低侧晶体管。
9.一种设备，包括：
多个比较器，被配置为：
测量跨功率整流器的第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管的电压电平；以及
输出多个信号；以及
控制器，被耦合到所述功率整流器和所述多个比较器，所述控制器被配置为：基于由所述多个比较器输出的所述多个信号，选择性地接通所述第一高侧晶体管、所述第二高侧晶体管、所述第一低侧晶体管和所述第二低侧晶体管中的一者或多者，以在以下中的一种模式下操作无线功率接收器：
全桥整流器模式；以及
倍压器模式。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制器被配置为通过启用所述倍压器模式来对所述无线功率接收器加电。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括电荷泵，其中所述控制器被配置为：通过启用所述电荷泵以接通用以将所述第二高侧晶体管与所述第一低侧晶体管之间的节点短路到地的晶体管，来启用所述倍压器模式。
12.根据权利要求11所述的设备，其中由所述电荷泵接通的所述晶体管是所述第一低侧晶体管。
13.根据权利要求9所述的设备，其中在所述倍压器模式下，所述控制器被配置为：
关断所述第二高侧晶体管；
接通所述第一低侧晶体管；以及
交替地接通所述第一高侧晶体管和所述第二低侧晶体管。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制器被配置为：
将所述多个信号输入到有限状态机；以及
基于所述有限状态机的输出，选择性地接通所述第一高侧晶体管、所述第二高侧晶体管、所述第一低侧晶体管和所述第二低侧晶体管中的一者或多者。
15.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制器被配置为响应于以下操作而将所述无线功率接收器的操作模式从所述全桥整流器模式切换到所述倍压器模式：
在所述第二高侧晶体管与所述第一低侧晶体管之间的节点处，检测到零电压事件。
16.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制器被配置为响应于以下操作而将所述无线功率接收器的操作模式从所述倍压器模式切换到所述全桥整流器模式：
在连接到地并连接到所述第一高侧晶体管与所述第二低侧晶体管之间的节点的比较器处，检测到零电流事件。
17.一种用于操作无线功率接收器的方法，所述方法包括：
由控制器从多个比较器接收多个信号，其中所述多个信号基于对跨功率整流器的第一高侧晶体管、第二高侧晶体管、第一低侧晶体管和第二低侧晶体管的电压电平的测量结果；以及
基于所述多个信号，由所述控制器选择性地切换所述第一高侧晶体管、所述第二高侧晶体管、所述第一低侧晶体管和所述第二低侧晶体管中的一者或多者，以在以下中的一种模式下操作无线功率接收器：
全桥整流器模式；以及
倍压器模式。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：启用所述倍压器模式，以对所述无线功率接收器加电。
19.根据权利要求18所述的方法，其中启用所述倍压器模式包括：启用电荷泵以将所述第二高侧晶体管与所述第一低侧晶体管之间的节点短路到地。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：
由所述控制器响应于以下操作而将所述无线功率接收器的操作模式从所述全桥整流器模式切换到所述倍压器模式：
在所述第二高侧晶体管与所述第一低侧晶体管之间的节点处，检测到零电压事件；以及
由所述控制器响应于以下操作而将所述无线功率接收器的所述操作模式从所述倍压器模式切换到所述全桥整流器模式：
在连接到地并连接到所述第一高侧晶体管与所述第二低侧晶体管之间的节点的比较器处，检测到零电流事件。
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