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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf das Feld von drahtloser Leistungsübertragung und insbesondere auf einen drahtlosen Leistungsempfänger mit zwei Betriebsarten.
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Systeme zur drahtlosen Leistungsübertragung (WP-Übertragungssysteme) verwenden die wechselseitige Induktivität zwischen zwei magnetischen Spulen, um eine Leistung durch magnetische Induktion zu übertragen. Diese Systeme werden üblicherweise als entweder ”induktiv” oder ”resonant” klassifiziert. In einem rein induktiven System zur drahtlosen Leistungsübertragung wird die Quellenspule, welche als die Primärwicklung eines Transformators fungiert, durch eine Spannungs- oder Stromquelle gespeist. Die Empfangsspule, welche als Sekundärwicklung fungiert, ist entweder direkt oder über einen AC-Koppelkondensator mit einem Brückengleichrichter verbunden. Die Spannungen und Ströme in den zwei Wicklungen können durch die Verhältnisse bestimmt werden, die üblicherweise verwendet werden, um Transformatoren zu beschreiben.
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In einem resonanten System zur drahtlosen Leistungsübertragung sind die Quellenspule und die Empfangsspule mit Kondensatoren verbunden, um elektrische Schwingkreise zu bilden. Vom Standpunkt eines Schaltungsentwurfs gesehen ist die Funktion der Kondensatoren, einen Teil der Blindimpedanz der Spulen aufzuheben, um zu ermöglichen, dass bei einer gegebenen Spannung mehr Leistung übertragen werden kann. Die Impedanz der Spulen und Kondensatoren variiert in entgegengesetzten Richtungen mit der Betriebsfrequenz, daher ist die Aufhebung nur über einen kleinen Frequenzbereich wirksam. Mit anderen Worten verwenden resonante drahtlose Leistungssysteme Schaltungen, die für eine bestimmte Frequenz ausgelegt sind, bei der eine Leistung übertragen werden soll. Sie erlauben typischerweise keine Leistungsübertragung bei anderen Frequenzen.
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In den letzten Jahren haben sich zwei Standards für drahtlose Leistung herausgebildet. Das Wireless Power Consortium hat den Qi-Standard herausgegeben, der üblicherweise als ein induktiver Lade-Standard klassifiziert wird. Obwohl ein Resonanzkondensator verwendet wird, liegt der Qualitätsfaktor Q, der in dem Qi-Standard verwendet wird, im unteren einstelligen Bereich, implizierend, dass Resonanz im Wesentlichen nicht wirksam eingesetzt wird. Vorrichtungen, die den Qi-Standard erfüllen, übertragen eine Leistung in dem Frequenzbereich von 110–205 kHz. Qi-Vorrichtungen benötigen typischerweise eine relativ nahe Anpassung der Quellenspule und der Empfängerspule.
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In letzter Zeit haben mehrere Organisationen begonnen, Systeme zur drahtlosen Leistungsübertragung einzuführen, die Schwingkreisschaltungen mit hohem Qualitätsfaktor verwenden, um den verwendbaren Bereich, in dem ein Laden stattfinden kann, zu vergrößern. Die verwendeten Frequenzen sind typischerweise viel höher als diejenigen, die in induktiven Ladegeräten verwendet werden, großenteils aufgrund der Tatsache, dass ein Qualitätsfaktor einer Spule proportional zur Frequenz ist. Ein Vorschlag für den entstehenden Standard für resonante, drahtlose Leistung empfiehlt eine Betriebsfrequenz in dem ISM-Band bei 6,78 MHz.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Empfänger mit zwei Betriebsarten zur Verfügung gestellt. Der Empfänger mit zwei Betriebsarten weist einen elektromagnetischen Schwingkreis auf, der ein oder mehr induktive Elemente, die angeordnet sind, eine Empfängerspule zu bilden, und ein Netzwerk aus passiven Komponenten, die angeordnet sind, ein Anpassnetzwerk zu bilden, aufweist. Der elektromagnetische Schwingkreis weist eine erste selektive Frequenz, die in einem niedrigen Frequenzbereich definiert ist, und eine zweite selektive Frequenz, die in einem hohen Frequenzbereich definiert ist, auf, was erlaubt, dass eine Gleichrichterschaltung in beiden, dem hohen Frequenzbereich und dem niedrigen Frequenzbereich, arbeitet, um aktive Schaltungen bestmöglich zu nutzen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein drahtloser Empfänger zur Verfügung gestellt. Der drahtlose Empfänger weist einen elektromagnetischen Schwingkreis auf, der ein oder mehr induktive Elemente, die angeordnet sind, eine Empfängerspule zu bilden, und ein Netzwerk aus passiven Komponenten, die angeordnet sind, ein Anpassnetzwerk zu bilden, aufweist. Der elektromagnetische Schwingkreis weist eine erste selektive Frequenz, die in einem niedrigen Frequenzbereich definiert ist, und eine zweite selektive Frequenz, die in einem hohen Frequenzbereich definiert ist, auf, was erlaubt, dass eine Gleichrichterschaltung in beiden, dem hohen Frequenzbereich und dem niedrigen Frequenzbereich, arbeitet, um aktive Schaltungen bestmöglich zu nutzen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ausführen des Betriebs eines drahtlosen Empfängers zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist ein Anordnen eines elektromagnetischen Schwingkreises auf, ein oder mehr induktive Elemente, die angeordnet sind, eine Empfängerspule zu bilden, und ein Netzwerk aus passiven Komponenten, die angeordnet sind, ein Anpassnetzwerk zu bilden, aufzuweisen. Ferner weist das Verfahren ein Bereitstellen des elektromagnetischen Schwingkreises auf, der eine erste selektive Frequenz, die in einem niedrigen Frequenzbereich definiert ist, und eine zweite selektive Frequenz, die in einem hohen Frequenzbereich definiert ist, aufweist, was erlaubt, dass eine Gleichrichterschaltung in beiden, dem hohen Frequenzbereich und dem niedrigen Frequenzbereich, arbeitet, um aktive Schaltungen bestmöglich zu nutzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung, die eine Anwendungsschaltung darstellt, die einen induktiven Low-Q-Ladeempfänger verwirklicht.
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2 ist eine schematische Darstellung, die eine zweite Anwendungsschaltung darstellt, die gemäß der Erfindung verwendet wird, die einen resonanten drahtlosen High-Q-Leistungsempfänger verwirklicht.
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3 ist eine schematische Darstellung, die den Schaltungsaufbau des erfindungsgemäßen Empfängers mit zwei Betriebsarten darstellt.
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4 ist eine schematische Darstellung, die eine Laständerung darstellt, die durch die Verwendung von geschalteten Kondensatoren Cc in Übereinstimmung mit der Erfindung implementiert wird.
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5 ist eine schematische Darstellung, die eine Spulenanordnung, wie sie in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird, darstellt.
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6 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, die einen synchronen Gleichrichter aufweist.
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Detaillierte Beschreibung
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Diese Erfindung bezieht den Entwurf eines drahtlosen Leistungsempfängers mit zwei Betriebsarten ein. Der drahtlose Leistungsempfänger mit zwei Betriebsarten kann eine Leistung von entweder einem induktiven Ladegerät, das in dem Bereich von hunderten von kHz arbeitet, oder einem resonanten Ladegerät, das bei einer Frequenz im MHz-Bereich arbeitet, empfangen. Der drahtlose Leistungsempfänger mit zwei Betriebsarten kann einen niederfrequenten Betriebsbereich von 110–205 kHz und eine hohe Betriebsfrequenz von 6,78 MHz aufweisen, aber die Erfindung kann allgemein für jegliche zwei Frequenzbänder verwendet werden, die mindestens durch einen Faktor 5 getrennt sind.
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1 ist eine schematische Darstellung, die eine induktive drahtlose Leistungsempfängerschaltung
2 darstellt, die einen induktiven Low-Q-Ladeempfänger implementiert. Eine Induktivität L3 repräsentiert die Empfängerspule (Rx-Spule), die mit einer Quellenspule gekoppelt ist. Eine AC-Leistung, die in L3 induziert wird, wird durch einen Brückengleichrichter
4 gleichgerichtet, um eine Gleichspannung Vrect zu erzeugen. Der Brückengleichrichter
4 ist eine Anordnung aus vier (oder mehr) Dioden in einer Brückenschaltungsanordnung, welche die gleiche Ausgangspolarität für beide Polaritäten eines Eingangssignals bereitstellt. Ein Brückengleichrichter stellt eine Vollwellen-Gleichrichtung von einem Zweidraht-AC-Eingangssignal bereit, was verglichen mit einem 3-Draht-Eingangssignal von einem Transformator mit einer Mittenabgriff-Sekundärwicklung geringere Kosten und ein geringeres Gewicht erreicht. Ein Kondensator C2q und eine Induktivität L3 bilden einen elektromagnetischen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz um die drahtlose Leistungsbetriebsfrequenz. Diese Frequenz liegt typischerweise in dem Bereich von hunderten von kHz. Die Serien-Resonanzschaltung, die L2 und C2q aufweist, enthält auch die Impedanz des Brückengleichrichters
4. Dies schließt die Schaltung ein, welche drahtlos Leistung bezieht, so dass diese relativ hoch sein kann. Der Qualitätsfaktor des elektromagnetischen Schwingkreises ist gegeben durch
wobei ω
i die Betriebskreisfrequenz des induktiven WP-Systems ist und R
l der äquivalente Widerstand des Diodenbrückengleichrichters
4 ist. Der Widerstand R
l kann relativ groß sein, so dass der Qualitätsfaktor dieser Schaltung typischerweise in einem niedrigen einstelligen Bereich liegt. Ein Wert von C
s wird so gewählt, dass die Resonanzfrequenz des elektromagnetischen Schwingkreises gleich der Betriebsfrequenz des induktiven drahtlosen Leistungssystems ist, wobei die Gleichung
verwendet wird.
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2 ist eine schematische Darstellung, die eine resonante Leistungsempfängerschaltung 8 darstellt, wie sie in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet wird, die einen drahtlosen resonanten High-Q-Leistungsempfänger implementiert. Eine Induktivität L2 repräsentiert die Empfängerspule (Rx-Spule). Kondensatoren C2a und C2b bilden ein resonantes Anpassnetzwerk zwischen L2 und dem Brückengleichrichter 10. Dieses Anpassnetzwerk ist seriell/parallel, da C2a in Serie mit der Last liegt und C2b parallel zu ihr liegt. Die Induktivität L2 und die Kondensatoren C2a und C2b bilden einen elektromagnetischen Schwingkreis. Da ein Teil des Induktivitätsstroms in einem Kreis zirkulieren kann, der nur L2, C2a und C2b (zuzüglich eines parasitären Widerstands) enthält, kann der Qualitätsfaktor dieses elektromagnetischen Schwingkreises relativ hoch sein, wohl größer als 100. Um die Werte für C2a und C2b zu wählen, muss sichergestellt sein, dass ihre serielle Kombination mit L2 bei der gewünschten Betriebsfrequenz ωr resonant ist.
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In einigen Fällen wird es vorgezogen, den resonanten Empfänger bei einer relativ hohen Frequenz zu betreiben, um den Qualitätsfaktor des Schwingkreises zu maximieren. In anderen Ausführungsformen wird eine Betriebsfrequenz von 6,78 MHz verwendet.
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Es gäbe einen erheblichen Nutzen für einen drahtlosen Leistungsempfänger mit zwei Betriebsarten, der eine Leistung von entweder einem induktiven Ladegerät, welches in dem Bereich von 100ten von kHz arbeitet, oder einem resonanten Ladegerät, welches bei einer Frequenz im MHz-Bereich arbeitet, empfangen könnte. Das hier diskutierte Beispiel weist einen niederfrequenten Betriebsbereich von 110–205 kHz und eine hohe Betriebsfrequenz von 6,78 MHz auf, aber das Verfahren ist allgemein für jede zwei Frequenzbänder nützlich, die durch einen Faktor von mindestens 5 voneinander getrennt sind.
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Obwohl die Schaltungstopologien des induktiven Empfängers und des resonanten Empfängers ähnlich sind, sind die notwendigen Induktivitäts- und Kapazitätswerte typischerweise durch die unterschiedlichen Betriebsfrequenzen recht unterschiedlich. Für eine gegebene Anwendung gibt es einige Einschränkungen bezüglich des verwendbaren gleichgerichteten Spannungsbereichs. Zum Beispiel ist es für mobile Elektronikgeräte, die Lithium-Ionen-Batterien verwenden, erwünscht, eine geregelte 5 V Versorgung zu erzeugen, um die Batterie bei 3,0–4,2 V zu laden. Somit sollte die gleichgerichtete Spannung in einem Bereich von 5 V–15 V gewählt werden, so dass ein Abwärts-Regler wie ein Buck-Regler oder ein linearer Dropout-Regler gewählt werden kann, um die geregelte 5 V Versorgung effizient zu erzeugen. Für einen Empfänger mit zwei Betriebsarten sollte dieser Spannungsbereich in beiden Betriebsarten beachtet werden. Für den gleichen Wert der Empfangsspuleninduktivität wird jedoch bei 6,78 MHz eine viel höhere Spannung erzeugt als bei 100 kHz, aufgrund der Tatsache, dass eine induzierte Spannung ausgedrückt wird durch Vind = ωMI1 Gl. 4 wobei Vind die induzierte Spannung ist, M die wechselseitige Induktivität ist, I1 der Quellenspulenstrom ist und ω die Betriebskreisfrequenz ist. Die wechselseitige Induktivität M ist proportional zu der Quadratwurzel aus dem Produkt der Quellenspuleninduktivität und der Empfängerspuleninduktivität. Somit wäre es für den Empfänger mit zwei Betriebsarten vorteilhaft, wenn die effektive Induktivität des elektromagnetischen Schwingkreises bei niedrigeren Frequenzen größer wäre als bei hohen Frequenzen.
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3 zeigt die Schaltungstopologie 14 des Empfängers mit zwei Betriebsarten. Sie besitzt die Eigenschaft, dass die effektive Induktivität des elektromagnetischen Schwingkreises bei niedrigen Frequenzen viel größer ist als bei hohen Frequenzen. Dies tritt auf, weil bei hohen Frequenzen der Kondensator C2a eine viel geringere Impedanz aufweist als die Induktivität L3, somit überbrückt er L3. Bei niedrigen Frequenzen erscheinen die zwei Induktivitäten in Reihe, um so den notwendigen hohen Induktivitätswert zu ergeben.
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Es ist möglich, einige grobe Annäherungen zu machen, um den Betrieb des Empfängers mit zwei Betriebsarten besser zu verstehen. Es sei angenommen, dass die Induktivität von L3 10× die Induktivität von L2 ist. Weiter sei angenommen, dass die Kapazität von C2q ungefähr 100× die Kapazität von C2a oder C2b ist. Schließlich sei angenommen, dass die Kondensatoren so gewählt sind, dass die Impedanz von C2q bei 6,78 MHz vernachlässigbar klein ist und dass die Impedanzen von C2a und C2b bei 100 kHz vernachlässigbar groß sind. Es kann dadurch beurteilt werden, ob die Kapazitäten vernachlässigbar sind, dass sie mit der Impedanz der Induktivitäten verglichen werden.
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Bei einer niedrigen Frequenz (100 kHz) können die Kondensatoren C2a und C2b als offene Schaltkreise angenähert werden. Somit kann die Empfängerschaltung auf eine reine Reihen-LC-Schaltung reduziert werden, in der L2, L3 und C2q die Reihenelemente sind. Die effektive Induktivität ist 11 × L2. Es kann gewählt werden, C2q mit dieser Induktivität zu kombinieren, um eine Serienresonanz bei 100 kHz zu erzeugen, wie es von der Qi-Spezifikation gefordert wird.
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Bei einer hohen Frequenz (6,78 MHz) kann der Kondensator C2q als ein Kurzschluss modelliert werden. Die parallele Kombination von C2a und L3 wird von C2a dominiert. Somit kann die Empfängerschaltung auf eine Serien-Parallel-Resonanzschaltung reduziert werden, in der L2, C2a und C2b die aktiven Elemente sind, ähnlich wie in 2. Diese Schaltung kann auf eine Resonanz bei 6,78 MHz abgestimmt werden. Die effektive Induktivität dieser Schaltung bei einer hohen Frequenz ist ungefähr gleich L2, obwohl auch ein kleiner Beitrag von L3 beobachtet werden kann.
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Ein drahtloser Leistungsempfänger, der diese Spulenanordnung und dieses Anpassnetzwerk verwendet, kann eine Leistung entweder von einem induktiven Ladegerät bei einer niedrigen Frequenz (z. B. 100 kHz–200 kHz) oder bei einer hohen Frequenz (z. B. 6,78 MHz) empfangen. Die gleiche Gleichrichtung und Regulierung, die von dem Brückengleichrichter 4 erzeugt wird, kann verwendet werden und somit kann die aktive Schaltung bestmöglich genutzt werden. Die Frequenz der AC-Leistung kann erfasst und verwendet werden, um zu bestimmen, wenn überhaupt, welches Kommunikationsprotokoll verwendet werden soll.
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Die Schaltung aus 3 kann ebenso verwendet werden, um einen Empfänger mit zwei Betriebsarten zu implementieren, in welchem High-Q-Resonanzen bei beiden, bei der ersten selektiven Frequenz und bei der zweiten selektiven Frequenz, auftreten. Dies erfordert ein anderes Verfahren, um die Werte der Komponenten auszuwählen. Zum Beispiel sei angenommen, dass der Empfänger vorgesehen ist, eine resonante drahtlose Leistungsübertragung bei 200 kHz und bei 6,78 MHz zu unterstützen. Es sei angenommen, dass die Induktivität von L3 viel größer ist als die von L2, wie in dem ersten Beispiel. Die Kapazitätswerte von C2a und C2q können so gewählt werden, dass L3, C2a und C2q einen Parallel-Serien-Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz von 200 kHz bilden. Bei 6,78 MHz wird L3 gewissermaßen von C2a überbrückt. Somit kann der Wert von C2b so gewählt werden, dass L3, C2a, C2q und C2b einen Serien-Parallel-Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz von 6,78 MHz bilden. Beide Schwingkreise weisen einen hohen intrinsischen Qualitätsfaktor auf, da anders als in der induktiven Empfängerschaltung ein Pfad für einen Umlaufstrom existiert, der nur passive Elemente aufweist.
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In einigen induktiven drahtlosen Leistungsstandards kann eine Lastmodulation für In-Band-Kommunikationen verwendet werden. Die Lastmodulation kann durch Verwendung von geschalteten Kondensatoren Cc implementiert werden, wie in 4 gezeigt. Diese Kondensatoren Cc bewirken eine Verstimmung, wenn sie zugeschaltet werden, indem sie Veränderungen der von dem Quellenverstärker gesehenen Impedanz darstellen, welche zum Zurückgewinnen von Informationen decodiert werden können. Der Wert der Kondensatoren Cc liegt typischerweise in der Größenordnung des Kondensators C2q. In der hochfrequenten Resonanzbetriebsart können diese Kondensatoren als Spannungsklemmen verwendet werden. Ein Zuschalten der Kondensatoren Cc koppelt die Eingangsanschlüsse des Gleichrichters mit einer niedrigen AC-Impedanz zur Masse. Dies kann als ein Schutzmechanismus verwendet werden, um die AC-Spannung zu begrenzen, die an die Anschlüsse eines ICs mit einer maximalen Spannungstoleranz angelegt wird.
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5 zeigt eine Spulenanordnung 18, die zwei getrennte Induktivitäten in der gleichen Ebene einer gedruckten Leiterplatte bilden kann, wodurch ermöglicht wird, Schaltungsplatz zu sparen. In dem Beispiel aus 5 sind die zwei Induktivitäten in einer ebenen konzentrischen Weise mit der Induktivität L3 auf der Innenseite und der Induktivität L2 auf der Außenseite angeordnet. Die Orientierung kann ebenso umgekehrt sein, so dass die Induktivität L3 auf der Außenseite liegt und die Induktivität L2 auf der Innenseite liegt. Ein Verwirklichen der induktiven Spulenelemente in einer ebenen Anordnung ist vorteilhaft, da die Dicke des Spulenaufbaus minimiert werden kann. Ein Verwirklichen der induktiven Spulenelemente in einer konzentrischen Weise ist vorteilhaft, weil eine begrenzte Fläche bestmöglich genutzt wird. Beides, Fläche und Dicke können in einem tragbaren elektronischen Gerät stark eingeschränkt sein. Die zwei Spulen weisen eine wechselseitige Induktivität zueinander auf, aber dieser Effekt kann in dem Anpassnetzwerk berücksichtigt werden. Andere Ausführungsformen können unterschiedliche Anordnungen verwenden, um die Anforderungen der Induktivitäten L2 und L3 zu erfüllen. Die Verbindungspunkte 1–3 stellen die Verbindungspunkte für die gesamte konzentrische Anordnung 18 dar. Zusätzlich zu einer gedruckten Leiterplatte kann jeder planare Massenproduktionsprozess verwendet werden, um die induktive Spulenanordnung zu implementieren.
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Der Dioden-Brückengleichrichter 4 kann in jeder der Empfängerschaltungen durch einen synchronen Gleichrichter 22 ersetzt werden, um ohmsche Verluste zu reduzieren, wie in 6 gezeigt. Der synchrone Gleichrichter 22 verbessert die Effizienz einer Gleichrichtung durch Ersetzen der Dioden durch aktiv gesteuerte Schalter wie Transistoren, üblicherweise Leistungs-MOSFETs oder Leistungs-BJTs. Historisch wurden vibrationsgetriebene Schalter oder motorgetriebene Kommutatoren für mechanische Gleichrichter und synchrone Gleichrichtung verwendet, welche ebenso in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden können.
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Im Wesentlichen beschreibt die Erfindung eine empfängerseitige Schaltung, die entweder in einem niederfrequenten induktiven Ladesystem wie Qi oder in einem höherfrequenten resonanten drahtlosen Leistungssystem arbeiten kann. Die Erfindung erlaubt die Verwendung von komplizierten Spulenanordnungen und einer passiven Komponente mehr als ein Empfänger mit einer Betriebsart. Weiter kann der drahtlose Leistungsempfänger mit zwei Betriebsarten einen niederfrequenten Betriebsbereich von 110–205 kHz und eine hohe Betriebsfrequenz von 6,78 MHz aufweisen, aber die Erfindung kann allgemein für jede zwei Frequenzbänder, die durch einen Faktor von mindestens 5 getrennt sind, verwendet werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf mehrere bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben worden ist, können darin verschiedene Änderungen, Auslassungen und Ergänzungen zu der Form und zu dem Detail davon vorgenommen werden, ohne von dem Geist und dem Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen.
