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HINTERGRUND
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Die drahtlose Leistungsübertragung, bei der Leistung über magnetische/induktive Kopplung zwischen einem Leistungssender (PTx) und einem Leistungsempfänger (PRx) geliefert wird, ist für die Versorgung batteriebetriebener elektronischer Vorrichtungen nützlich. In einigen Anwendungen kann eine drahtlose Leistungsübertragung im Burstmodus bereitgestellt werden, um die Betriebseffizienz zu verbessern. Ein Burst-Betrieb von drahtlosen Leistungssendern kann zu unerwünschten elektromagnetischen Emissionen führen.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein drahtloser Leistungssender kann eine drahtlose Leistungsübertragungsspule, einen Wechselrichter, der mit der drahtlosen Leistungsübertragungsspule gekoppelt ist, und eine Steuerschaltung, die mit dem Wechselrichter gekoppelt ist, einschließen, die als Reaktion auf das Empfangen eines Burst-Anforderungsimpulses von einem drahtlosen Leistungsempfänger den Betrieb des Wechselrichters initiiert, um die drahtlose Leistungsübertragungsspule anzutreiben, wodurch Leistung an den drahtlosen Leistungsempfänger geliefert wird. Die Steuerschaltung kann eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Wechselrichters betreiben, um Leistung an den drahtlosen Leistungsempfänger zu liefern, derart, dass eine Bandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in einen spezifizierten Bandbreitenbereich fällt. Die Steuerschaltung kann eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Wechselrichters betreiben, um Leistung an den drahtlosen Leistungsempfänger zu liefern, derart, dass eine Bandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den spezifizierten Bandbreitenbereich fällt, indem eine minimale Ein-Zeit der Schalter verlängert wird. Die Steuerschaltung kann eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Wechselrichters betreiben, um Leistung an den drahtlosen Leistungsempfänger zu liefern, derart, dass die Bandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den spezifizierten Bandbreitenbereich fällt, indem Ansteuersignale modifiziert werden, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um eine Spulenstrom-Burst-Hüllkurve zu bilden. Die Steuerschaltung kann die Ansteuersignale modifizieren, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um die Spulenstrom-Burst-Hüllkurve unter Verwendung eines symmetrischen Pulsbreitenmodulationsschaltschemas zu bilden, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Impulse auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis in der Breite symmetrisch sind. Die Steuerschaltung kann die Ansteuersignale modifizieren, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um die Spulenstrom-Burst-Hüllkurve unter Verwendung eines komplementären Pulsbreitenmodulationsschaltschemas zu formen, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Impulse auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis komplementär sind. Die Steuerschaltung kann eine oder mehrere Schaltvorrichtungen des Wechselrichters betreiben, um Leistung an den drahtlosen Leistungsempfänger zu liefern, derart, dass die Bandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den spezifizierten Bandbreitenbereich fällt, indem eine Amplitude von Pulsbreitenmodulationssignalen modifiziert wird, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Leistungssenders in einem Burstmodus kann das Empfangen eines Burst-Anforderungsimpulses von einem drahtlosen Leistungsempfänger einschließen; als Reaktion auf den Burst-Anforderungsimpuls, das Betreiben einer oder mehrerer Schaltvorrichtungen des Senders während einer Ein-Zeit; und im Anschluss an die Ein-Zeit, das Leerlaufen der einen oder der mehreren Schaltvorrichtungen während einer Aus-Zeit. Das Betreiben einer oder mehrerer Schaltvorrichtungen des Senders während einer Ein-Zeit kann das Betreiben der einen oder der mehreren Schaltvorrichtungen einschließen, um elektromagnetische Emissionen von dem drahtlosen Leistungssender innerhalb eines spezifizierten Bandbreitenbereichs zu begrenzen. Das Betreiben der einen oder der mehreren Schaltvorrichtungen, um elektromagnetische Emissionen von dem drahtlosen Leistungssender innerhalb des spezifizierten Bandbreitenbereichs zu begrenzen, kann das Verlängern der Ein-Zeit einschließen. Das Betreiben der einen oder der mehreren Schaltvorrichtungen, um elektromagnetische Emissionen von dem drahtlosen Leistungssender innerhalb des spezifizierten Bandbreitenbereichs zu begrenzen, kann das Modifizieren von Ansteuersignalen einschließen, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um eine Spulenstrom-Burst-Hüllkurve zu formen. Das Modifizieren der Ansteuersignale, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um die Spulenstrom-Burst-Hüllkurve zu formen, kann das Verwenden eines symmetrischen Pulsbreitenmodulationsschaltschemas einschließen, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Impulse auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis in der Breite symmetrisch sind. Das Modifizieren der Ansteuersignale, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um die Spulenstrom-Burst-Hüllkurve zu formen, umfasst das Verwenden eines komplementären Pulsbreitenmodulationsschaltschemas, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Pulsbreiten auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis komplementär sind. Das Modifizieren der Ansteuersignale, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden, um eine Spulenstrom-Burst-Hüllkurve zu formen, kann das Modifizieren einer Amplitude von Pulsbreitenmodulationssignalen einschließen, die den Schaltvorrichtungen zugeführt werden.
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Ein drahtloser Leistungssender kann eine drahtlose Leistungsübertragungsspule, einen Wechselrichter, der eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen umfasst, die mit der drahtlosen Leistungsübertragungsspule gekoppelt sind, und eine Steuerschaltung einschließen, die der Vielzahl von Schaltvorrichtungen Ansteuersignale bereitstellt. Die Ansteuersignale können derart gesteuert werden, dass die Frequenzbandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in einen vorbestimmten Bereich fällt. Die Steuerschaltung kann eine minimale Ein-Zeit, während der die Vielzahl von Schaltvorrichtungen betrieben wird, verlängern, derart, dass die Frequenzbandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den vorbestimmten Bereich fällt. Die Steuerschaltung kann ein symmetrisches Pulsbreitenmodulationsschema verwenden, um eine Burst-Stromhüllkurve zu formen, derart, dass die Frequenzbandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den vorbestimmten Bereich fällt. Das symmetrische Pulsbreitenmodulationsschema kann das Erzeugen positiver und negativer Impulse einschließen, die auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis in der Breite symmetrisch sind. Die Steuerschaltlogik kann ein komplementäres Pulsbreitenmodulationsschema verwenden, um eine Burst-Stromhüllkurve zu formen, derart, dass die Frequenzbandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den vorbestimmten Bereich fällt. Das komplementäre Pulsbreitenmodulationsschema kann das Erzeugen positiver und negativer Impulse mit komplementären Breiten auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis einschließen. Die Steuerschaltung kann ein Amplitudenmodulationsschema verwenden, um eine Burst-Stromhüllkurve zu formen, derart, dass die Frequenzbandbreite des drahtlosen Leistungsübertragungssignals in den vorbestimmten Bereich fällt.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht ein High-Level-Schema eines drahtlosen Leistungsübertragungssystems.
- 2 veranschaulicht einen Burstmodus-Betrieb eines WPT-Systems, das die Gleichrichterausgangsspannung zeigt.
- 3 veranschaulicht eine beispielhafte Burst-Hüllkurve und ein entsprechendes Frequenzspektrum.
- 4 veranschaulicht eine beispielhafte verbesserte Burst-Hüllkurve und ein entsprechendes Frequenzspektrum.
- 5 veranschaulicht eine beispielhafte Burst-Hüllkurve mit weiter verbesserter Leistung.
- 6 veranschaulicht ein High-Level-Schema eines drahtlosen Leistungsübertragungssystems.
- 7 veranschaulicht eine erste Hüllkurvenformgebungstechnik zum Verbessern der Leistung.
- 8 veranschaulicht eine zweite Hüllkurvenformgebungstechnik zum Verbessern der Leistung.
- 9 veranschaulicht eine dritte Hüllkurvenformgebungstechnik zum Verbessern der Leistung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In der nachfolgenden Beschreibung werden zu Erläuterungszwecken zahlreiche konkrete Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der offenbarten Konzepte zu schaffen. Im Rahmen dieser Beschreibung werden in einigen Zeichnungen dieser Offenbarung der Einfachheit halber Strukturen und Vorrichtungen in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Der Klarheit halber werden in dieser Offenbarung nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung beschrieben. Darüber hinaus wurde die in dieser Offenbarung verwendete Sprache aus Gründen der Lesbarkeit und zu Lehrzwecken gewählt, und nicht um den offenbarten Gegenstand abzugrenzen oder einzuschränken. Vielmehr sind die beiliegenden Ansprüche für diesen Zweck vorgesehen.
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Verschiedene Ausführungsformen der offenbarten Konzepte sind in den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezüge gleiche Elemente angeben, in beispielhafter und nicht in einschränkender Art und Weise veranschaulicht. Der Einfachheit und Klarheit der Veranschaulichung halber wurden in den verschiedenen Figuren gegebenenfalls Bezugszeichen wiederholt, um entsprechende oder analoge Elemente anzuzeigen. Weiterhin werden zahlreiche, spezifische Details aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis der hierin beschriebenen Implementierungen bereitzustellen. In anderen Fällen wurden Verfahren, Prozeduren und Komponenten nicht im Detail beschrieben, um die damit verbundene relevante Funktion, die beschrieben wird, nicht zu verunklaren. Bezüge auf „eine“, „eine bestimmte“ oder „eine andere“ Ausführungsform in dieser Offenbarung beziehen sind nicht notwendigerweise auf die gleiche oder eine andere Ausführungsform, und sie meinen mindestens eine. Eine gegebene Figur kann verwendet werden, um die Merkmale von mehr als einer Ausführungsform oder mehr als einer Art der Offenbarung zu veranschaulichen, und nicht alle Elemente in der Figur können für eine gegebene Ausführungsform oder Art erforderlich sein. Ein Bezugszeichen bezieht sich, wenn es in einer gegebenen Zeichnung bereitgestellt wird, in allen der verschiedenen Zeichnungen auf das gleiche Element, obwohl es möglicherweise nicht in jeder Zeichnung wiederholt wird. Die Zeichnungen sind, sofern nicht anders angegeben, nicht maßstabsgetreu, und die Proportionen bestimmter Teile können zur besseren Veranschaulichung von Details und Merkmalen der vorliegenden Offenbarung übertrieben groß dargestellt sein.
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1 veranschaulicht ein High-Level-Schema eines drahtlosen Leistungsübertragungssystems 100. Die linke Seite der Figur veranschaulicht einen Leistungssender (PTx) 103, der eine Eingangsspannung Vin empfängt und Energie an einen Empfänger über magnetische Induktion, überträgt, d. h. durch das Koppeln zwischen Übertragungs- und Empfangsspulen, die durch die Induktoren L 1 beziehungsweise L2 dargestellt werden. (Jede Spule weist auch einen entsprechenden intrinsischen/parasitären Widerstand auf: R1/R2. Diese sind in der schematischen Darstellung von 1 veranschaulicht, sind jedoch keine separaten physischen Komponenten.) Die rechte Seite der Figur stellt einen Leistungsempfänger (PRx) 105 dar, der über die bereits erwähnte induktive Kopplung Leistung empfängt und Leistung an eine Last liefert, die von der Stromquelle ILast dargestellt wird. Eine Eingangsspannung Vin wird dem Wechselrichter 102 zugeführt. Der Wechselrichter 102 erzeugt einen AC-Ausgang mit einer vorbestimmten Frequenz und einer Größe, die durch die Eingangsspannung Vin bestimmt wird, die durch einen separaten Regler (nicht gezeigt) reguliert werden kann. Diese AC-Ausgangsspannung des Wechselrichters 102 wird der Übertragungsspule bereitgestellt, die durch die Induktor L1 dargestellt wird, der magnetisch mit einer entsprechenden Empfangsspule gekoppelt ist, die durch die Induktor L2 dargestellt wird. Dies führt zu einer Energieübertragung auf den PRx 105. Der PRx 105 schließt eine Empfangsspule ein, die durch den Induktor L2 dargestellt wird, der eine darin durch magnetische Induktion über die Spule L1 zum Übertragen induzierte Spannung aufweist. Diese AC-Spannung kann einem Gleichrichter 106 bereitgestellt werden, der nachstehend ausführlicher erörtert wird, der die empfangene AC-Spannung in eine Ausgangs-DC-Spannung (Vrect) umwandelt, die einer Last zugeführt werden kann. Das drahtlose Leistungsübertragungssystem 100 kann zusätzliche Komponenten einschließen, wie den Senderabstimmkondensator Cpri und den Empfängerabstimmkondensator C2, der verwendet werden kann, um die Resonanzfrequenz der Sende- und Empfangsschaltungen abzustimmen, um die Betriebseffizienz des Systems zu verbessern.
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In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Wechselrichter 102 ein Vollbrückenwechselrichter, der aus vier Schaltvorrichtungen Q1-Q4 hergestellt wird, obwohl andere Wechselrichtertopologien für eine gegebene Anwendung geeignet verwendet werden könnten. Ebenfalls auf einem hohen Pegel dargestellt ist die PWM-Steuerung 108, die Pulsbreitenmodulationssignale an die Schaltvorrichtungen Q1-Q4 bereitstellt, um eine gewünschte Ausgangsspannung und/oder einen gewünschten Ausgangsstrom zu erzeugen. Diese Schaltvorrichtungen sind als MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) veranschaulicht, obwohl andere Arten von Schaltvorrichtungen (einschließlich, zum Beispiel, IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode), Übergangsfeld-Feldeffekt-Transistoren (JFETs) usw. für eine gegebene Ausführungsform geeignet verwendet werden könnten. Ebenso könnte jede geeignete Halbleitertechnologie, wie Silicium, Siliciumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN), abhängig von der spezifischen Anwendung verwendet werden. Gleiches gilt für alle anderen Schaltvorrichtungen (einschließlich Dioden), die in der vorliegenden Anmeldung erörtert werden. Die Schaltvorrichtungen Q1-Q4 können abwechselnd geschaltet werden, um eine Eingangs-DC-Spannung (z. B. von dem Aufwärtsregler 108) mit der Übertragungswicklung L1 zu verbinden, wodurch eine AC-spannung erzeugt wird, die mit dem PRx gekoppelt werden kann, wie vorstehend beschrieben.
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Der Betrieb des Wechselrichters 102 induziert eine AC-Spannung in der magnetisch gekoppelten PRx-Empfängerspule L2. Diese AC-Spannung kann mit einem Gleichrichter 106 gekoppelt sein. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der Gleichrichter 106 ein Gleichrichter mit aktiver Brücke, der aus vier Schaltern Q5-Q7 hergestellt ist. Obwohl als MOSFET-Schalter veranschaulicht, könnten auch andere Gleichrichterarten verwendet werden, die unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Halbleitertechnologie konstruiert sind. Diese alternativen Konfigurationen können bei einigen Anwendungen eine erhöhte Betriebseffizienz bereitstellen.
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Das Betreiben eines drahtlosen Leistungsübertragungssystems in einem Burstmodus kann Ineffizienzen, die dem System unter bestimmten Ladebedingungen zugeordnet sind, angehen. In dem Burstmodus wird die Leistung in kurzen Bursts statt kontinuierlich übertragen. Somit kann ein Burst einen oder mehrere AC-Impulse von dem AC-Wechselrichter einschließen. Nach dem einen oder den mehreren Burstimpulsen kann ein steuernd eingreifender Zeitraum vorhanden sein, während dem keine AC-Leistung übertragen wird. Dieser steuernd eingreifende Zeitraum kann dann von einem anderen Burst eines oder mehrerer AC-Impulse gefolgt werden. Dies kann Lichtlastineffizienzen durch Verringern von Schaltverlusten und Ruhestromverlusten mildern. Zusätzlich kann eine sorgfältig gesteuerte Verwendung des Burstmodus ermöglichen, dass das System effektiv an seinem optimalen Ausgangswiderstand beladen wird, wodurch das AC/AC-System bei oder nahe seiner Spitzeneffizienz betrieben werden kann, unabhängig von der tatsächlichen Ausgangsleistung. Schließlich kann die Verwendung des Burstmodus verwendet werden, um die Spannungsverstärkung des Systems zu steuern, d. h. das Verhältnis der Ausgangsspannung Vret zu der Eingangsspannung Vin.
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2 zeigt einen Burstmodusbetrieb mit den Ein- und Ausschaltzeiten und zeigt die Gleichrichterausgangsspannung 210. Beginnend, zum Beispiel zum Zeitpunkt t1, kann eine Ein-Zeit des Wechselrichters, ausgelöst durch einen Burst-Anforderungsimpuls von dem Empfänger, beginnen. Während dieser Ein-Zeit kann das Einschalten der AC-Wechselrichterseite Leistung an die Empfängerseite übertragen, wodurch bewirkt wird, dass die Gleichrichterspannung Vret zu einem Spitzenwert zu dem Zeitpunkt t2 ansteigt, der dem Zeitpunkt entspricht, zu dem der Burst beendet wird, d. h. der Wechselrichter hört mit dem Schalten auf. Dann kann während der Aus-Zeit (von t2 bis t3), wenn der Wechselrichter nicht schaltet, die Gleichrichterspannung Vrect auf einen Talschwellenwert (Vth valley) abnehmen, was bewirkt, dass der Empfänger einen anderen Burst-Anforderungsimpuls zum Zeitpunkt t3 sendet, wobei der Zyklus wiederholt wird.
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In einer beispielhaften Implementierung von drahtloser Leistungsübertragung im Burstmodus kann die Leistungsempfangsvorrichtung mit der Leistungsübertragungsvorrichtung kommunizieren, dass Leistung benötigt wird, indem ein Burstanforderungsimpuls initiiert wird. Dieser Impuls kann durch den Empfänger erzeugt werden, indem der Gleichrichter verwendet wird, um ein vorbestimmtes Schaltmuster, eine Sequenz oder einen Zustand auf die Empfängerspule anzuwenden. Dieses vorbestimmte Schaltmuster, Sequenz oder Zustand verändert die reflektierte Impedanz, die magnetisch über die Sender- und Empfängerwicklungen mit dem Leistungssender/-wechselrichter gekoppelt ist. Bei Erkennen dieses Impulses leitet der Sender/Wechselrichter einen Burst von Impulsen ein, wie vorstehend beschrieben. Beispielhafte Implementierungen der Burstmodussteuerschaltlogik sind in den mitanhängigen U.S.-Patentanmeldungen 17/386.542 mit dem Titel „Efficient Wireless Power Transfer Control“, eingereicht am 28. Juli 2021 und 63/216.831, mit dem Titel „Wireless Power Transfer with Integrated Communications“, eingereicht am 30. Juni 2021, des Anmelders offenbart, die in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen sind.
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Der Burstmodusbetrieb kann teilweise durch eine Ein-Zeit charakterisiert werden, d. h. die Dauer, während der der Wechselrichter in dem Leistungssender schaltet, um dem Empfänger Strom bereitzustellen. Es gibt auch eine entsprechende Aus-Zeit, während der der Wechselrichter im Leistungssender nicht schaltet und keine Leistung an den Empfänger geliefert wird. In einigen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, dass eine Mindestdauer der Ein-Zeit relativ kurz ist. Dies kann zum Beispiel eine verbesserte Welligkeitsleistung in Bezug auf die gleichgerichtete DC-Spannung bereitstellen, die am Empfänger auftritt. Die Ein-Zeit entspricht einer Burst-Hüllkurve, wobei die Hüllkurve in Bezug auf den an die Übertragungsspule gelieferten Strom, der nicht Null ist, und in Bezug auf den Strom über dieses Intervall definiert ist. 3 veranschaulicht eine beispielhafte Burst-Hüllkurve 320. Die Burst-Hüllkurve 320 kann zum Beispiel eine Mindestdauer von 4 µs aufweisen, obwohl andere Mindestdauern möglich sind.
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Die veranschaulichte Burst-Hüllkurve 320 führt zu einem H-Feldspektrum 322, das ebenfalls in 3 dargestellt ist. Das von der Vorrichtung erzeugte H-Feld ist eine Funktion des Stroms, der während der Burst-Ein-Zeit an die Übertragungsspule geliefert wird, d. h., wenn der Wechselrichter umgeschaltet wird. In dem veranschaulichten Beispiel kann es wünschenswert sein, dass ein bestimmter Prozentsatz der gesamten H-Feldenergie die Bandbreite zwischen einem unteren Frequenzgrenzwert 324 und einem oberen Frequenzgrenzwert 326 einnimmt. In dem veranschaulichten Beispiel kann der untere Frequenzgrenzwert 1,7 MHz betragen und der obere Frequenzgrenzwert kann 1,8 MHz betragen, obwohl auch andere Werte möglich sind. Es kann vorteilhaft sein, dass die Emissionsenergie, die dem Betrieb des drahtlosen Leistungssenders zugeordnet ist, einschließlich des Burstmodus-Betriebs, in ein bestimmtes Band, d. h. zwischen den unteren und oberen Grenzen, fällt. Das in 3 gezeigte Spektrum 322 veranschaulicht eine beispielhafte Burst-Hüllkurve 320, ob eine relativ größere Menge an Emissionsenergie außerhalb des 1,7 bis 1,8 MHz-Bands fällt.
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Eine Art und Weise, in der der Burstmodus-Betrieb sich zu fokussieren modifiziert werden kann, besteht darin, das Emissionsband zu erweitern, um die minimale Ein-Zeit zu verlängern, die dem Burstmodus-Betrieb zugeordnet ist. 4 veranschaulicht eine solche Anordnung. In 4 kann die minimale Ein-Zeit des Burstmodus so erweitert werden, dass sie ungefähr 30 µs, ungefähr 8 x länger als in 3, beträgt. Dies entspricht der verlängerten Burst-Hüllkurve 420. Die verlängerte Burst-Hüllkurve 420 kann einem H-Feldspektrum 422 entsprechen. Wie in der Frequenzbereichsdarstellung im unteren Abschnitt von 4 veranschaulicht, fällt mehr der mit der zeitverlängerten Burst-Hüllkurve verbundenen Energie in das Band zwischen dem unteren Frequenzgrenzwert 424 und dem oberen Frequenzgrenzwert 426. Das Erhöhen der minimalen Ein-Zeit kann bei einigen Anwendungen zu einer erhöhten Welligkeitsspannung der Vrect-Spannung führen, die am Ausgang des Gleichrichters im Leistungsempfänger auftritt. Zu einem gewissen Grad kann diese Welligkeit z. B. durch größere Ausgangskondensatoren oder andere Techniken abgemildert werden. Bei einigen dieser Anwendungen ist es jedoch möglicherweise nicht möglich, eine höhere Welligkeit zu tolerieren oder die Welligkeitsspannung anderweitig abzumildern.
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Ein zusätzlicher oder alternativer Ansatz, der verwendet werden kann, besteht darin, das Schalten des Wechselrichters zu modifizieren, um das vertikale Profil der Burst-Hüllkurve zu formen. Dies entspricht dem Ändern der Höhe, bei der der Übertragungsspulenstrom zu Beginn der Burst-Periode ansteigt und/oder am Ende der Burst-Periode abnimmt. Ein solches Beispiel ist in 5 veranschaulicht. In 5 wurde die Burst-Hüllkurve 520 im Vergleich zur Burst-Hüllkurve 320 von 3 zeitlich verlängert. Zusätzlich wurde die Burst-Hüllkurve so geformt, dass der Spulenstrom (und dementsprechend die übertragene Leistung) zu Beginn der Burst-Hüllkurve allmählich hochgefahren und am Ende der Burst-Hüllkurve allmählich heruntergefahren wird anstelle eines scharfen Ein/Aus-Übergangs, wie oben in den Burst-Hüllkurven 320 (3) und 420 (4) dargestellt ist. Das Spektrum 522 stellt die Wirkung einer solchen Hüllkurvenformgebung auf das H-Feld Spektrum dar. Infolge der Hüllkurvenformgebung ist in der Bandbreite zwischen dem unteren Frequenzgrenzwert 324 und dem oberen Frequenzgrenzwert 326 deutlich mehr der H-Feldenergie enthalten.
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Eine solche Hüllkurvenformgebung kann durch eine spezifische Steuerung der im Folgenden näher beschriebenen Wechselrichterschaltvorrichtungen erreicht werden. 6 zeigt ein vereinfachtes Schema des drahtlosen Leistungsübertragungssystems, das Spannungen und Anschlüsse identifiziert, die für die Diskussion relevant sind. Die nachstehend beschriebenen Techniken können auch in Systemen mit anderen als den hierin beschriebenen Schaltungskonfigurationen oder Topologien verwendet werden, die lediglich beispielhaft sind. Der Senderwechselrichter besteht aus vier Schaltvorrichtungen Q1-Q4. Die Eingangsanschlüsse des Wechselrichters entsprechen den Drain-Anschlüssen der Schalter Q1 und Q3 und den Source-Anschlüssen der Schalter Q2 und Q4. (Wie oben erwähnt, werden MOSFETs als beispielhafte Schaltvorrichtungen verwendet, aber andere Schaltvorrichtungstypen könnten als für eine gegebene Anwendung geeignet verwendet werden.) Die Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters entsprechen den Verbindungspunkten der Schalter Q1 und Q2 (mit Txac 1 gekennzeichnet) und den Verbindungspunkten der Schalter Q3 und Q4 (mit Txac2 gekennzeichnet). Die Wechselrichterausgangsspannung (eine AC-Spannung), die über diesen Anschlüssen auftritt, ist als Vinv_out gekennzeichnet. Diese Spannung wird an die Senderwicklung Ltx und den Abstimmkondensator Ctx angelegt. Es können auch andere Abstimmanordnungen und/oder Konfigurationen als für eine gegebene Ausführungsform geeignet verwendet werden.
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Der Empfänger schließt einen aktiven Gleichrichter ein, der aus den Schaltern Q5-Q8 besteht. Die Eingangsanschlüsse dieses Gleichrichters, RXac1 und RXac2, die den Verbindungspunkten der Schalter Q5/Q6 bzw. Q7/Q8 entsprechen, empfangen eine Eingangsspannung Vrect in, die in der Empfangsspule Lrx durch die Spannung induziert wird, die über die Übertragungsspule Ltx aufgrund des Betriebs des Wechselrichters auftritt. Die veranschaulichte empfängerseitige Schaltung schließt auch den Abstimmkondensator Crx ein, obwohl andere Abstimmanordnungen oder Konfigurationen als für eine gegebene Anwendung geeignet verwendet werden könnten. Die Ausgänge des Gleichrichters entsprechen den Drain-Anschlüssen der Schalter Q5 und Q7 und den Source-Anschlüssen der Schalter Q6 und Q8, wo die Spannung Vrect, die letztendlich der Last zugeführt wird, auftritt. (Es könnten auch andere Schaltvorrichtungen als MOSFETs als für eine gegebene Anwendung geeignet verwendet werden.
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Zurückkehrend auf die Senderseite können die Wechselrichterschalter Q1-Q4 durch geeignete Steuerschaltung betrieben werden, wie die vorstehend in 1 dargestellte PWM-Steuerschaltung 108. Diese PWM-Schaltung kann Steuer-/Gate-Ansteuersignale an die Wechselrichterschalter Q1-Q4 bereitstellen, um Impulse unterschiedlicher Breite zu erzeugen, die den durchschnittlichen Strom bestimmen, der an die Übertragungsspule Ltx geliefert wird. 7 veranschaulicht ein beispielhaftes Hüllkurvenformgebungsschema, einschließlich einer ersten Ein-Zeit, während der eine Impulsfolge 731 mit variierenden Pulsbreiten den Wechselrichterschaltvorrichtungen bereitgestellt wird, einer Aus-Zeit, während der die Wechselrichter-Schaltvorrichtungen inaktiv sind, und einer zweiten Ein-Zeit, während der die Schalter wieder mit variierenden Pulsbreiten betrieben werden. 7 stellt ein symmetrisches PWM-Schaltschema dar, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Impulse auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis in der Breite symmetrisch sind. Zusätzlich kann die Impulsamplitude konstant und gleich der Wechselrichtereingangsspannung sein. Positive Impulse entsprechen dem Einschalten der Schalter Q1 und Q4, um eine positive Spannung über die Übertragungswicklung Ltx anzulegen, während negative Impulse dem Einschalten der Schalter Q2 und Q3 entsprechen, um eine negative Spannung über die Übertragungswicklung Ltx anzulegen, was zu einem Wechselstrom führt, der durch die Wicklung fließt.
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Die Impulsfolge 731 beginnt mit relativ schmaleren Impulsen, wobei die angelegten Pulsbreiten im Laufe der Zeit zunehmen, bevor sie zum Ende des Ein-Zeitzyklus wieder abnehmen. Das Ergebnis dieses Pulsbreitenmodulationsschemas besteht darin, eine Burst-Hüllkurve 732 zu erzeugen. Die Burst-Hüllkurve 732 kann durch ihre Ein-Zeit, den Startschritt 733, eine flache Oberseite 735 und die Form der Kurve zwischen dem Startschritt und der flachen Oberseite gekennzeichnet sein. Der Startschritt ist die anfängliche Stromgröße, die von Null bis zum Vollstrom reichen kann, den der Wechselrichter liefern kann. Kleinere Startschritte können zu einer schmaleren Frequenzbandbreite führen, aber auch die dem Sender zugeführte Leistung reduzieren, so dass ein Gleichgewicht gefunden werden kann. Die flache Oberseite 735 entspricht dem Spitzenleistungspegel des Senders. Ähnlich dem Startschritt kann ein Gleichgewicht zwischen der Länge der flachen Oberseite gegenüber der durchschnittlichen Leistungsabgaberate gefunden werden. Längere flache Oberseiten können die Netto-Leistungsübertragungsstufe erhöhen, während auch die Frequenzbandbreite erhöht wird, wohingegen kürzere flache Oberseiten die Netto-Leistungsübertragungsstufe verringern können, während auch die Frequenzbandbreite abnimmt. Schließlich kann die Form der Kurve zwischen dem Startschritt und der flachen Oberseite auch die Leistungsübertragungsstufe und die Frequenzbandbreite beeinflussen. Die Kurve kann linear, sinusförmig oder in jeder anderen wünschenswerten Kurvenform geformt sein. Als allgemeines Prinzip führt eine sinusförmige Kurvenform (wie in 7 veranschaulicht, die eine Cosinus-Kurve zwischen dem Startschritt 733 und der flachen Oberseite 735 darstellt) zu einer niedrigeren Frequenzbandbreite, während eine lineare Form die belegte Bandbreite erhöhen kann. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Grundsätze kann ein System so ausgelegt werden, dass die Steuerschaltung eine Impulsfolge 731 erzeugt, die zu der gewünschten Form der Burst-Hüllkurve 732 und einem entsprechenden Frequenzbandbreitenspektrum führt, das einer anwendbaren Spezifikation oder Anforderung entspricht.
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Der untere Abschnitt von 7 stellt die Gleichrichterspannung Vrect dar, die dem Burstmodus-Betrieb entspricht. Während der Ein-Zeit (d. h. wenn die Schalter Q1-Q4 aktiv sind), nimmt Vrect zu, wie durch den ansteigenden Abschnitt 737 dargestellt. Während der Aus-Zeit (d. h. wenn die Schalter Q1-Q4 inaktiv sind), nimmt Vrect ab, wie durch den abfallenden Abschnitt 739 dargestellt. Diese Welligkeit in der Vrect-Spannung ist eine Charakteristik des Burstmodus-Betriebs und kann innerhalb von gewünschten Grenzen durch Schaltungsdesign gesteuert werden (z. B. die Steuerung der Systemkapazität und anderer Parameter) oder durch den Schaltungsbetrieb (z. B. durch Steuerung der Ein-Zeit, der Aus-Zeit und des Arbeitszyklus).
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8 veranschaulicht ein alternatives beispielhaftes Hüllkurvenformgebungsschema einschließlich einer ersten Ein-Zeit, während der eine Impulsfolge 831 mit variierenden Pulsbreiten den Wechselrichterschaltvorrichtungen bereitgestellt wird, einer Aus-Zeit, während der die Wechselrichter-Schaltvorrichtungen inaktiv sind, und einer zweiten Ein-Zeit, während der die Schalter wieder mit variierenden Pulsbreiten betrieben werden. 8 zeigt ein komplementäres PWM-Schaltschema, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Pulsbreiten auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis komplementär sind. Zusätzlich kann die Impulsamplitude konstant und gleich der Wechselrichtereingangsspannung sein. Positive Impulse entsprechen dem Einschalten der Schalter Q1 und Q4, um eine positive Spannung über die Übertragungswicklung Ltx anzulegen, während negative Impulse dem Einschalten der Schalter Q2 und Q3 entsprechen, um eine negative Spannung über die Übertragungswicklung Ltx anzulegen, was zu einem Wechselstrom führt, der durch die Wicklung fließt.
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Die Impulsfolge 831 beginnt mit relativ schmaleren positiven Impulsen, wobei sich die angelegten Pulsbreiten im Laufe der Zeit erhöhen. Dementsprechend beginnen die negativen Impulse mit einer breiteren Breite, die durch den Ein-Zeitzyklus auf eine schmalere Breite abnimmt. Das Ergebnis dieses Pulsbreitenmodulationsschemas besteht darin, eine Burst-Hüllkurve 832 zu erzeugen. Wie bei der vorstehend beschriebenen Burst-Hüllkurve 732 kann die Burst-Hüllkurve 832 durch ihre Ein-Zeit, den Startschritt 833, eine flache Oberseite 835 und die Form der Kurve zwischen dem Startschritt und der flachen Oberseite gekennzeichnet sein. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Grundsätze kann ein System so ausgelegt werden, dass die Steuerschaltung eine Impulsfolge 831 erzeugt, die zu der gewünschten Form der Burst-Hüllkurve 832 und einem entsprechenden Bandbreitenspektrum führt.
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Der untere Abschnitt von 8 stellt die Gleichrichterspannung Vrect dar, die dem Burstmodus-Betrieb entspricht. Während der Ein-Zeit (d. h. wenn die Schalter Q1-Q4 aktiv sind), nimmt Vrect zu, wie durch den ansteigenden Abschnitt 837 dargestellt. Während der Aus-Zeit (d. h. wenn die Schalter Q1-Q4 inaktiv sind), nimmt Vrect ab, wie durch den abfallenden Abschnitt 739 dargestellt. Diese Welligkeit in der Vrect-Spannung ist eine Charakteristik des Burstmodus-Betriebs und kann innerhalb von gewünschten Grenzen durch Schaltungsdesign gesteuert werden (z. B. die Steuerung der Systemkapazität und anderer Parameter) oder durch den Schaltungsbetrieb (z. B. durch Steuerung der Ein-Zeit, der Aus-Zeit und des Arbeitszyklus).
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9 veranschaulicht ein alternatives beispielhaftes Hüllkurvenformgebungsschema, einschließlich einer ersten Ein-Zeit, während der eine Impulsfolge 931 mit variierenden Pulsamplituden den Wechselrichterschaltvorrichtungen bereitgestellt wird, einer Aus-Zeit, während der die Wechselrichter-Schaltvorrichtungen inaktiv sind, und einer zweiten Ein-Zeit, während der die Schalter wieder mit variierenden Pulsamplituden betrieben werden. (Pulsbreiten können optional auch mit diesem Schaltschema moduliert werden). 9 stellt ein Eingangsspannungsmodulationsschema dar, bei dem die wechselrichtergenerierten positiven und negativen Pulsbreiten in der Breite symmetrisch sind und die Impulsamplituden auf einer Zyklus-um-Zyklus-Basis variiert werden, um die gewünschte Fensterform zu erzeugen. Positive Impulse entsprechen dem Einschalten der Schalter Q1 und Q4, um eine positive Spannung über die Übertragungswicklung Ltx anzulegen, während negative Impulse dem Einschalten der Schalter Q2 und Q3 entsprechen, um eine negative Spannung über die Übertragungswicklung Ltx anzulegen, was zu einem Wechselstrom führt, der durch die Wicklung fließt.
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Die Impulsfolge 931 beginnt mit relativ kürzeren Pulsamplituden, sowohl für positive als auch negative Pulsbreiten, wobei die angelegten Pulsamplituden im Laufe der Zeit zunehmen. Obwohl in 9 nicht gezeigt, könnten zusätzlich zu den Amplituden auch Pulsbreiten moduliert werden. Das Ergebnis dieses Pulsmodulationsschemas besteht darin, eine Burst-Hüllkurve 932 zu erzeugen. Wie bei den vorstehend beschriebenen Burst-Hüllkurven 732 und 832 kann die Burst-Hüllkurve 932 durch ihre Ein-Zeit, den Startschritt 933, eine flache Oberseite 835 und die Form der Kurve zwischen dem Startschritt und der flachen Oberseite gekennzeichnet sein. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Grundsätze kann ein System so ausgelegt werden, dass die Steuerschaltung eine Impulsfolge 931 erzeugt, die zu der gewünschten Form der Burst-Hüllkurve 932 und einem entsprechenden Frequenzbandbreitenspektrum führt.
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Die Impulsamplitude kann auf unterschiedliche Weise variiert werden. In einigen Ausführungsformen kann ein Spannungsvorregler stromaufwärts von den Wechselrichterleistungsschienen eingefügt werden, und der Spannungsvorregler kann gesteuert werden, um einen Schienenspannungseingang am Wechselrichter zu erzeugen, der der gewünschten Impulsamplitude entspricht. Dieser Spannungsvorregler könnte ein Schaltwandler, wie ein Abwärtswandler, oder eine Form von Linearregler sein. Ein Schaltwandler wäre jedoch in solchen Konfigurationen in der Regel effizienter.
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Der untere Abschnitt von 9 stellt die Gleichrichterspannung Vrect dar, die dem Burstmodus-Betrieb entspricht. Während der Ein-Zeit (d. h. während die Schalter Q1-Q4 aktiv sind), nimmt Vrect zu, wie durch den ansteigenden Abschnitt 937 dargestellt. Während der Aus-Zeit (d. h. während die Schalter Q1-Q4 inaktiv sind), nimmt Vrect ab, wie durch den abfallenden Abschnitt 939 dargestellt. Diese Welligkeit in der Vrect-Spannung ist eine Charakteristik des Burstmodus-Betriebs und kann innerhalb von gewünschten Grenzen durch Schaltungsdesign gesteuert werden (z. B. die Steuerung der Systemkapazität und anderer Parameter) oder durch den Schaltungsbetrieb (z. B. durch Steuerung der Ein-Zeit, der Aus-Zeit und des Arbeitszyklus).
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Die vorstehenden beispielhaften Wechselrichterimpulsmodulationstechniken ermöglichen das Formen des vom Wechselrichter an die Übertragungsspule angelegten Stromfensters während der Ein-Zeit des Burst-Betriebsmodus. Die besondere Fensterform kann aus einer Vielzahl von Fensterformen ausgewählt werden, einschließlich quadratischer, trapezförmiger, sinusförmiger, Gaußscher, Sine (d. h. sin(x)/x), Tukey, Kaiser, Hamming, Hannn, DPSS und anderer geeigneter Fensterformen, die denen bekannt sind, die mit der Signalverarbeitungsindustrie vertraut sind. Wie vorstehend erörtert, können die Fensterformen, die fließendere Übergänge aufweisen (z. B. sinusförmige, Hamming-Fenster), zu einer besseren Leistung mit kürzerem minimalen Ein-Zeiten führen, im Gegensatz zu Fensterformen mit schärferen Übergängen (z. B. quadratische, trapezförmige oder Kaiser-Fenster). Trotzdem kann jede geeignete Fensterform für ein gegebenes System verwendet werden, um die Designanforderungen zu erfüllen.
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Das Vorstehende beschreibt beispielhafte Ausführungsformen von drahtlosen Leistungsübertragungssendern, -empfängern und -systemen unter Verwendung von Burstmodus-basierten Kommunikationen, bei denen Burst-Hüllkurvenformgebung verwendet wird. Solche Systeme können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, können jedoch besonders vorteilhaft sein, wenn sie in Verbindung mit drahtlosen Leistungsübertragungssystemen von persönlichen elektronischen Vorrichtungen, wie Mobiltelefone, intelligente Uhren und/oder Tablet-Computer, einschließlich Zubehörteile für solche Vorrichtungen wie drahtlose Ohrhörer, Eingabestifte und dergleichen, verwendet werden. Jedoch kann jedes drahtlose Leistungsübertragungssystem, für das eine erhöhte Gesamteffizienz erwünscht ist, die hierin beschriebenen Techniken vorteilhafterweise einsetzen. Es versteht sich, dass, wenngleich zahlreiche spezifische Merkmale und verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, sofern nicht anders als sich gegenseitig ausschließend angegeben, die verschiedenen Merkmale und Ausführungsformen in einer bestimmten Implementierung in verschiedenen Umsetzungen kombiniert werden können. Daher werden die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur als Veranschaulichung bereitgestellt und sollten nicht als den Schutzumfang der Offenbarung einschränkend verstanden werden. An den hierin enthaltenen Grundsätzen und Ausführungsformen können verschiedene Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen und ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen.
