TW201713002A - 諧振式無線電源發送電路及其控制方法 - Google Patents

諧振式無線電源發送電路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提出一種諧振式無線電源發送電路，其具有一輸入阻抗，諧振式無線電源發送電路包含：一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關；一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率；一可調式阻抗匹配電路，與驅動電路耦接，可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)；一發送電路，與可調式阻抗匹配電路及驅動電路耦接，發送電路包含至少一發送線圈；以及一阻抗控制電路，與可調式阻抗匹配電路及驅動電路耦接，產生一阻抗控制訊號，用以控制可變電容器之電抗，使得諧振式無線電源發送電路之輸入阻抗在預設之諧振頻率下為匹配。

Description

諧振式無線電源發送電路及其控制方法
本發明係有關一種諧振式無線電源發送電路，特別是指一種包含具有可變電容器之可調式阻抗匹配電路的諧振式無線電源發送電路。本發明也有關於控制諧振式無線電源發送電路的控制電路與方法。
請參閱第1圖，先前技術揭露一種控制諧振式無線電源發送電路的方法，諧振式無線電源發送電路1包含電源VDD，兩個功率開關Q1 及Q2，發送線圈L1，阻抗匹配電容Cs，以及零電壓切換槽29(ZVS tank, zero voltage switching tank)，其包含一電感 Lzvs 及電容Czvs。零電壓切換槽29與Q1並聯，其諧振頻率設為低頻以便對諧振式無線電源發送電路1提供電感性負載。
上述先前技術會導致功率開關Q1, Q2具有較大的操作電流，並且在功率開關切換為不導通時，會造成較大的切換損失。
第2圖顯示另一先前技術美國專利US2011/0133570的架構，此先前技術中之諧振式無線電源發送電路2可降低所需的發送電路電源VTX_PWR，但是需要額外的電感及電容以達成此目的。
第3圖顯示又另一先前技術美國專利US2012/0267960的架構，包含諧振式無線電源發送電路3之發送電路24與接收電路41，發送電路24包含發送線圈，其具有電感值Lp，Rp代表發送電路24的雜散電阻，Cp係作為阻抗匹配之用的電容，Cd 及與之並聯的開關820則組成用以調整阻抗匹配的阻抗匹配電路23。接收電路包含接收線圈其具有電感值Ls，Rs代表接收電路41的雜散電阻，Cs係作為阻抗匹配之用的電容。上述先前技術使用一個或多個開關與電容之組合，以開關的切換獲得阻抗匹配電路之電抗值的改變，進而調整諧振式無線電源發送電路之諧振頻率。
上述先前技術之缺點在於，由於是以開關820切換調整電抗值，調整電抗值時，不可避免的會有量化誤差(quantization error)，因此仍會有功率耗損，若欲縮小量化誤差，又會需要較多的元件數目。
本發明相較於第1圖之先前技術，具有較高的操作效率，並且無需電感器。本發明相較於第2圖之先前技術，僅需要較少的元件數目，並且無需電感器。
本發明相較於第3圖之先前技術，可提供連續且為類比式的阻抗匹配調整，無量化誤差，功率損耗較低，具有較高的操作效率，並僅需要較少的元件數目。
本發明提供一種諧振式無線電源發送電路，其具有可自動調整的阻抗匹配能力、且其阻抗匹配調整無需電感器。
就其中一個觀點言，本發明提供了一種諧振式無線電源發送電路，其具有一輸入阻抗，諧振式無線電源發送電路包含：一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關；一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率；一可調式阻抗匹配電路，與驅動電路耦接，可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)；一發送電路，與可調式阻抗匹配電路及驅動電路耦接，發送電路包含至少一發送線圈，其中該驅動電路藉由其功率開關之切換而驅動該發送線圈；以及一阻抗控制電路，與可調式阻抗匹配電路及驅動電路耦接，產生一阻抗控制訊號，用以控制可變電容器之電抗，使得諧振式無線電源發送電路之輸入阻抗在預設之諧振頻率下為匹配。
在一較佳實施例中，該可調式阻抗匹配電路包含以下組合之一：(一)兩個或以上之可變電容器，該兩個或以上之可變電容器間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合；或(二)一個或以上之可變電容器，以及一個或以上之電容，其中該一個或以上之可變電容器與該一個或以上之電容之間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
在一較佳實施例中，該阻抗控制電路根據一與該發送線圈之電壓與電流相位差有關之訊號，產生該阻抗控制訊號。
在一較佳實施例中，該阻抗控制電路根據該功率開關之一切換時間訊號，以及一與該發送電路之電流或該功率開關之電流有關之訊號，產生該阻抗控制訊號。
在一較佳實施例中，該阻抗控制電路根據該功率開關之該切換時間訊號與該發送電路之電流或該功率開關之電流之相位差，產生該阻抗控制訊號。
在一較佳實施例中，該阻抗控制電路根據該功率開關之一負向電流(current in negative direction)，產生該阻抗控制訊號。
在一較佳實施例中，該阻抗控制電路包含：一負向電流偵測電路，其包含：一第一比較器，將該功率開關之電流與一第一參考電壓相比較，產生一負向電流訊號；一延遲器，將該功率開關之該切換時間訊號延遲，產生一遞延切換時間訊號；一邏輯電路，以該遞延切換時間訊號做為遮罩，將該負向電流訊號做遮罩運算成為一負向電流脈波；以及一濾波器，將該負向電流脈波濾波，做為該阻抗控制訊號，用以控制該可變電容器之電抗，使得該諧振式無線電源發送電路之該輸入阻抗在該預設之諧振頻率下為匹配。
在一較佳實施例中，該發送電路之該發送線圈，與該可調式阻抗匹配電路之該可變電容器、及/或一個或以上之電容，並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
在一較佳實施例中，該驅動電路包含以下之型式之一：半橋式驅動電路或全橋式驅動電路或E類驅動電路。
在一較佳實施例中，該驅動電路為差動模式E類驅動電路；該發送電路包含一第一發送線圈以及一第二發送線圈，其中該第一發送線圈與該第二發送線圈串聯，該第一發送線圈及該第二發送線圈與該可調式阻抗匹配電路之該可變電容器、及/或一個或以上之電容，並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
就另一個觀點言，本發明也提供了一種阻抗控制電路，用以控制一諧振式無線電源發送電路，該諧振式無線電源發送電路具有一輸入阻抗，並包含一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關；一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率；一可調式阻抗匹配電路，與該驅動電路耦接，該可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)；一發送電路，與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該發送電路包含至少一發送線圈，其中該驅動電路藉由其功率開關之切換而驅動該發送線圈；該阻抗控制電路與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該阻抗控制電路包含：一相差判斷電路，根據與流過該功率開關之電流相關的訊號(電流相關訊號)、以及與該功率開關切換時間相關的訊號(開關切換時間相關訊號)，而判斷其間之相差；以及一控制訊號選擇輸出電路，與該相差判斷電路耦接，根據該相差判斷電路的判斷結果，而選擇輸出一阻抗控制訊號，用以控制該可變電容器之電抗，使得該諧振式無線電源發送電路之該輸入阻抗在該預設之諧振頻率下為匹配。
就再另一個觀點言，本發明提供了一種控制諧振式無線電源發送電路之方法，該諧振式無線電源發送電路具有一輸入阻抗，並包含一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關；一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率；一可調式阻抗匹配電路，與該驅動電路耦接，該可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)；一發送電路，與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該發送電路包含至少一發送線圈，其中該驅動電路藉由其功率開關之切換而驅動該發送線圈；該控制方法包含：產生一阻抗控制訊號；以及根據該阻抗控制訊號，控制該可變電容器之電抗，使得該諧振式無線電源發送電路之該輸入阻抗在該預設之諧振頻率下為匹配。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
第4圖所示為本發明之諧振式無線電源系統的一種實施例4，包含諧振式無線電源發送電路20，以及諧振式無線電源接收電路40。
第4圖中諧振式無線電源發送電路20包含驅動電路22，其與電源21耦接；可調式阻抗匹配電路23，其與驅動電路22耦接；發送電路24，其與可調式阻抗匹配電路23及驅動電路22耦接；阻抗控制電路25，與可調式阻抗匹配電路23及驅動電路22耦接，用以調整可調式阻抗匹配電路23；以及切換式諧振控制電路26，與驅動電路22耦接。電源21可為來自諧振式無線電源發送電路20外部的電源(例如交流電)或內部的電源(例如電池)。
第4圖中諧振式無線電源接收電路40包含接收電路41；阻抗匹配電路42，其與接收電路41耦接；整流電路43，其與阻抗匹配電路42耦接；及負載44，其與整流電路43耦接。
第4圖中，諧振式無線電源發送電路20，藉驅動電路22將直流或交流電源21切換至一諧振頻率，經由可調式阻抗匹配電路23及發送電路24之諧振作用，將電源功率發送至無線場(wireless field)30中(例如但不限於磁場，電場，電磁場)；發送至無線場30中的功率，由諧振式無線電源接收電路40在無線場30中藉由接收電路41以例如但不限於耦合、感應或捕捉的方式來接收無線場30中的功率，並經整流電路43整流後供應負載44，以達成無線功率傳輸。
由於如第4圖所示之諧振式無線電源系統4係採用諧振之原理，在例如但不限於以下的情形之下，可能會發生偏離諧振(off resonance)：切換式諧振控制電路26送出之諧振頻率(未示出)偏移原設定的諧振頻率，或接收端耦合位置不同，或是多個諧振式無線電源接收電路同時耦合接收功率等等。偏離諧振若未做修正或控制，會導致功率耗損。若諧振式無線電源發送電路4發生偏離諧振，諧振迴路中的電抗元件(reactive component)(例如但不限於發送電路24中之發送線圈、可調式阻抗匹配電路23中之阻抗匹配電容等)之電流會超前或落後其電壓，亦即諧振電抗元件之電流與電壓具有相位差，則實際傳送出去的功率會因此下降。
請參考第5圖，所示為前述諧振式無線電源發送電路與諧振式無線電源接收電路耦合之等效電路模型11，諧振式無線電源發送電路20含有發送線圈，其具有電感值Lp；Rp代表諧振式無線電源發送電路的等效電阻，以及阻抗匹配之用的電容Cp。諧振式無線電源接收電路40包含接收線圈其具有電感值Ls，Rs代表接收電路的等效電阻，Cs係作為阻抗匹配之用的電容；RL 為等效負載電阻。
Zeq為發送端耦合自接收端之反射阻抗，如下式所示：其中ω為以弳度(rad)為單位之操作頻率，k為發送線圈與接收線圈之間的耦合因數。
ZTX_IN 為發送端之等效輸入阻抗，包含諧振式無線電源發送電路20之等效電感Lp、等效電阻Rp，以及阻抗匹配電容Cp，等效輸入阻抗ZTX_IN 更包含發送端耦合自接收端之反射阻抗Zeq，如下式所示：
在輸入電壓Vin 下，發送線圈的電流ITX_COIL 如下式所示：
因此，輸入功率可表示為：
當諧振式無線電源發送電路20之輸入阻抗為匹配時，其虛數項為零，諧振式無線電源發送電路20得以用較低之輸入電壓而獲得所需的功率及發送線圈電流。
若諧振式無線電源發送電路20之輸入阻抗不匹配，而造成偏離諧振，諧振迴路中的電抗元件(reactive component)(例如但不限於諧振式無線電源發送電路20中之發送線圈Lp、阻抗匹配電容Cp等)之電流會超前或落後其電壓，亦即諧振電抗元件之電流與電壓具有相位差，則實際傳送出去的功率會因此下降。為了提供相同的輸出功率，輸入電壓必須增加，在此情況下，由於較高的操作電壓以及未與之同相的電流，將導致較大的功率損失。
第6圖所示為本發明之諧振式無線電源發送電路的一種實施例(諧振式無線電源發送電路5)，包含電源21；驅動電路22；可調式阻抗匹配電路23；發送電路24，其包含有發送線圈L1；及阻抗控制電路25。其中驅動電路22為例如但不限於如圖所示之半橋式驅動電路，其包含有功率開關Q1, Q2，並操作在預設之諧振頻率下；其中可調式阻抗匹配電路23包含阻抗匹配電容C1及可變電容電路231；其中阻抗控制電路25根據開關切換時間訊號，例如但不限於Q1之開關切換時間訊號，以及與電流有關之訊號，例如但不限於Q1之電流訊號，測定諧振式無線電源發送電路5之諧振電抗元件之電流與電壓之相位差之程度，而產生阻抗控制訊號，用以控制阻抗匹配電路23中之可變電容電路231，以調整可調式阻抗匹配電路23之電抗，使得諧振式無線電源發送電路5之輸入阻抗，在預設之諧振頻率下為匹配。所述「預設」之諧振頻率可為一固定值、或可調整之可變動值，下同。
第7圖所示為本發明之諧振式無線電源發送電路的一種實施例(諧振式無線電源發送電路6)，其中可調式阻抗匹配電路23包含有阻抗匹配電容C1及可變電容電路231；可變電容電路231包含可變電容器D1，直流偏壓電阻RB，以及直流阻隔電容CDC。在一實施例中，舉例而言，可變電容器(varactor)可為一種電壓控制可變電容，藉由對其施加不同的反向偏壓(reverse bias)，可改變其電容值。阻抗控制電路25產生控制訊號，用以控制可變電容器D1之電容值，同時也改變其電抗，使得諧振式無線電源發送電路6之輸入阻抗，在預設之諧振頻率下為匹配。
第6, 7 圖中之阻抗控制電路25，其中顯示所根據的與電流有關之訊號是有關於Q1之電流，但此僅為其中一種實施方式，在其他實施方式中，並不限於Q1之電流，亦可藉由偵測Q2之電流訊號、或電感電流而得；又，第6, 7 圖中之阻抗控制電路25，其中顯示所根據的開關切換時間訊號是Q1之閘極訊號，但同樣地，此僅為其中一種實施方式，在其他實施方式中，並不限於Q1之開關切換時間訊號，也可以根據Q2之開關切換時間訊號，且也不限於為閘極訊號，例如但不限於可為Q1, Q2之VDS(汲源極壓差)等與開關切換時間訊號相關之其他訊號。
第6, 7 圖中之阻抗控制電路25，其中測定諧振式無線電源發送電路5, 6中，諧振電抗元件之電流與電壓之相位差之程度，亦不限於根據開關切換時間訊號，以及與電流有關之訊號而產生。
第8A圖，乃第6, 7 圖中之諧振式無線電源發送電路5, 6之波形，以接收端反射偏移造成之阻抗不匹配所造成的偏離諧振為例，在相同的輸入功率下，I(Q1)_a, I(Q1)_b 分別為阻抗匹配及阻抗不匹配之Q1 電流，I(L1)_a, I(L1)_b分別為阻抗匹配及阻抗不匹配情況下之發送線圈L1之電流。第6, 7 圖中之諧振式無線電源發送電路5, 6之Q1 負責諧振弦波的正半周之導通電流，在阻抗匹配的情況下，如I(Q1)_a所示，Q1電流會十分接近半波整流之半弦波；而由於阻抗不匹配而造成諧振式無線電源發送電路回路5, 6之諧振電抗元件之電流與電壓具有相位差，因此如I(Q1)_b所示，Q1電流為具有相位差的半波整流半弦波，亦即，在半弦波的前緣缺失了上半弦波的一部分，而在半弦波的後緣具有負電流而多出了下半弦波的一部分；從另一方面來說，Q1電流此時具有原應為半弦波的負向電流(current in negative direction)，此處負向電流僅代表Q1電流含有與原應有的電流方向相反的電流，並不意味著該電流為負值。
此外，如第8A圖所示，在相同的輸入功率之下，阻抗未匹配之發送線圈電流I(L1)_b (虛線波形)比阻抗未匹配之發送線圈電流I(L1)_a (實線波形)小，二者之間並且具有相位差。如第8B圖所示，功率開關Q1需要較大的電流，即, I(Q1)_b ＞ I(Q1)_a，發送線圈L1才能得到相同大小的電流，即I(L1)_a =  I(L1)_b。上述皆表示在阻抗不匹配的情況下，諧振式無線電源發送電路5, 6會有較大的功率損失，亦即較低的發送效率。
請參閱第9A圖，為本發明之阻抗控制電路25的一種實施例，阻抗控制電路25包含相差判斷電路258、以及控制訊號選擇輸出電路259。相差判斷電路258根據電流相關訊號(以第6, 7 圖中為例，電流相關訊號可以是有關於Q1之電流，但亦可藉由偵測Q2之電流訊號、或電感電流而得)、以及開關切換時間的相關訊號(以第6, 7 圖中為例，可以是Q1之開關切換時間訊號也可以是Q2之開關切換時間訊號、例如閘極訊號或汲源極壓差訊號)，而判斷其間之相差；又，控制訊號選擇輸出電路259根據相差判斷電路258的判斷結果，而選擇輸出阻抗控制訊號VCTRL。阻抗控制訊號VCTRL可以是類比或數位訊號；在一較佳實施例中，為類比訊號。
請參閱第9B圖，為本發明之阻抗控制電路25的一種更具體實施例，阻抗控制電路25包含負向電流偵測電路251，濾波器252，比較器253，以及多工器254。其中負向電流偵測電路251接收例如但不限於第6, 7 圖中之Q1之開關切換時間訊號VGS，以及與電流有關之訊號，例如但不限於Q1之電流訊號VIDS，產生負向電流脈波VREV，濾波器252將負向電流脈波VREV濾波，比較器253將負向電流脈波VREV濾波後的訊號與參考電壓VREF1相比較，多工器254根據比較器的輸出，選擇濾波器252之輸出訊號或參考電壓VREF1做為阻抗控制訊號VCTRL。本實施例中的負向電流偵測電路251對應於前述的相差判斷電路258，而濾波器252、比較器253及多工器254對應於前述的控制訊號選擇輸出電路259。
上述實施例中，以參考電壓VREF1既作為比較器253之輸入(負向電流脈波VREV之比較對象)，也作為多工器254的輸出選項之一。在另一實施例中，可使用另一參考電壓(未示出)作為輸出選項，即，比較器253將負向電流脈波VREV和參考電壓VREF1比較，但根據比較結果，而選擇輸出濾波器252之輸出訊號、或前述另一參考電壓。
請參閱第9C圖，251為本發明之負向電流偵測電路251的一種實施例，負向電流偵測電路251包含比較器2511，延遲器2512，以及邏輯電路2513。比較器2511將電流訊號VIDS與參考電壓VREF2相比較，產生一負向電流訊號；延遲器2512將前述功率開關之切換時間訊號VGS延遲，產生遞延切換時間訊號VGS_D；邏輯電路2513以遞延切換時間訊號VGS_D做為遮罩，將該負向電流訊號做遮罩運算成為負向電流脈波VREV。
需說明的是，阻抗控制電路25的具體實施方式不限於第9B圖；舉例而言，濾波器252、比較器253及多工器254可以改換為一個查表電路(mapping circuit)，根據輸入訊號而映射產生一個輸出訊號。
第10圖所示為第6, 7, 9B, 9C圖之波形，以例如但不限於接收端反射偏移造成之阻抗不匹配所導致的偏離諧振為例，一開始，由於阻抗不匹配的關係，VIDS(即，與Q1電流I(Q1)相關之訊號)，為具有相位差的半弦波(亦即，在半弦波的前緣缺失了上半弦波的一部分，而在半弦波的後緣具有負電流而多出了下半弦波的一部分)，VIDS與遞延切換時間訊號VGS_D做遮罩運算成為負向電流脈波VREV，如第6, 7, 9A, 9B圖中之阻抗控制電路25根據VREV產生阻抗控制訊號VCTRL，如第7圖中之阻抗匹配電路23根據VCTRL調整可變電容器之電容值（並因而調整了阻抗匹配電路23之電抗，亦調整了諧振式無線電源發送電路之阻抗），上述所有訊號形成一負回授回路，使得諧振式無線電源發送電路之輸入阻抗，可在發送功率的同時，連續且為類比式地自動調整成為匹配，因此如第10圖所示，在數個周期之後，VCRTL 自動調整，使得VIDS成為無相位差的半弦波，負向電流脈波VREV亦無脈波發生；這代表著原來處於偏離諧振狀態的諧振式無線電源發送電路，自動調整成了較佳的諧振狀態，亦即，諧振式無線電源發送電路之輸入阻抗，在發送功率的同時，連續且為類比式地自動調整成為匹配，諧振電抗元件(例如但不限於發送線圈)之電流與電壓之相位差趨近零，使得諧振式無線電源發送電路具有較高的傳送效率，較低的功率損失。
上述之阻抗匹配自動調整，是以接收端反射偏移造成之阻抗不匹配做為示範說明，但是由於本發明之偏離諧振偵測方式並非單純的以系統電流量，或是單純的電流變化，作為自動調整的依據，而是根據與諧振式無線電源發送電路諧振電抗元件(例如但不限於發送線圈、阻抗匹配電容)之電流與電壓之相位差有關的訊息(上述所舉例為根據開關切換時間訊號，以及與電流有關之訊號而產生，但不限於此)做為調整依據，因此，本發明之應用並不限於調整接收端反射偏移造成之阻抗不匹配，對於發送端之驅動電路的操作諧振頻率偏移，例如但不限於來自第4圖所示之切換式諧振控制電路26中的諧振頻率震盪器(未示出)所造成之操作頻率偏移，亦可具有將諧振式無線電源發送電路自動調整成較佳的諧振狀態的功能。
第6圖中之可調式匹配電路23，並不限於第6圖中之舉例，如第11A, 11B, 11C, 11D圖所示，為本發明之可調式阻抗匹配電路與發送電路不同形式組合之可能實施例，此處發送電路24以單發送線圈為例，可調式阻抗匹配電路23之可變電容電路231與發送電路24可為串聯，並聯，或為串聯與並聯之組合；第11A圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24為串聯，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231與阻抗匹配電容C1，可變電容電路231與阻抗匹配電容C1並聯；第11B圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24串聯，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231；第11C圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24並聯，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231與阻抗匹配電容C1，可變電容電路231與阻抗匹配電容C1並聯；第11D圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24並聯，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231。
第12A圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24為串聯與並聯之組合，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231及232。第12B圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24為串聯與並聯之組合，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231及阻抗匹配電容C1，發送電路24與阻抗匹配電容C1並聯；第12C圖中所示之可調式阻抗匹配電路23與發送電路24為串聯與並聯之組合，其中可調式阻抗匹配電路23包含可變電容電路231及阻抗匹配電容C1，發送電路24與可變電容電路231並聯。
上述為可調式阻抗匹配電路23與發送電路24之數種可能之連結組合，此處所舉之組合僅為舉例而非限制。
請參閱第13A-13D圖，上述之可變電容器電路，可包含可變電容器(如第13A-13D圖中之D1)。可變電容器可為一種電壓控制可變電容器，藉由對其施加不同的反向偏壓(reverse bias)，可改變其電容值。由於可變電容器需要直流偏壓的操作控制，可變電容器電路可根據實際應用電路上之直流偏壓電壓耦接需求，可以包含直流偏壓電阻以直流阻隔電容，例如但不限於以下之不同形式：第13A圖中所示之可變電容器電路233，包含可變電容器D1，直流偏壓電阻RB以及直流阻隔電容CDC；第13B圖中所示之可變電容器電路234，包含可變電容器D1及直流偏壓電阻RB；第13C圖中所示之可變電容器電路235，包含可變電容器D1及直流阻隔電容CDC；第13D圖中所示之可變電容器電路236，包含可變電容器D1。
第4圖所示之諧振式無線電源發送電路20，其中驅動電路22之型式，除了如第6, 7圖中所示之半橋式驅動電路22外，亦可為其他型式之驅動電路，例如但不限於第14-16圖所示之驅動電路。第14圖之驅動電路22為全橋式驅動電路，其包含4 個功率開關Q1, Q2, Q3, Q4，發送電路24與可調式阻抗電路23所形成之半回路兩端，分別連接於Q1與Q3之接點，以及Q2與Q4之接點。第15圖之驅動電路22為E類功率放大器(class E power amplifier)，其包含一功率開關Q1，電感L2及L3，以及電容器C3。第16圖所示為諧振式無線電源發送電路之另一實施例8，其驅動電路22之型式為差動模式E類功率放大器(differential class E power amplifier)，驅動電路22包含兩組對稱之E類功率放大器，其包含兩個功率開關Q1, Q2, 兩個電感L3, L4，兩個電容C3, C4；其發送電路24為對稱之兩個發送線圈L1及 L2。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
1, 2, 5, 6, 7, 8, 9‧‧‧諧振式無線電源發送電路
3, 4, 11‧‧‧諧振式無線電源系統
20‧‧‧諧振式無線電源發送電路
21‧‧‧電源
22‧‧‧驅動電路
23‧‧‧可調式阻抗匹配電路
24‧‧‧發送電路
25‧‧‧阻抗控制電路
26‧‧‧切換式諧振控制電路
29‧‧‧零電壓切換槽
30‧‧‧無線場
40‧‧‧諧振式無線電源接收電路
41‧‧‧接收電路
42‧‧‧阻抗匹配電路
43‧‧‧整流電路
44‧‧‧負載
61-67‧‧‧諧振式無線電源發送電路
231, 233-236‧‧‧可變電容電路
251‧‧‧負向電流偵測電路
252‧‧‧濾波器
253, 2511‧‧‧比較器
254‧‧‧多工器
258‧‧‧相差判斷電路
259‧‧‧控制訊號選擇輸出電路
820‧‧‧阻抗切換開關
2512‧‧‧延遲器
2513‧‧‧邏輯電路
C1‧‧‧阻抗匹配電容
C3, C4‧‧‧電容
CDC‧‧‧直流阻隔電容
Cd, Cp, Cs‧‧‧阻抗匹配電容
Czvs‧‧‧零電壓切換電容
D1‧‧‧可變電容器
I(L1)_a, I(L1)_b‧‧‧L1電流
I(Q1)_a, I(Q1)_b‧‧‧Q1電流
Is‧‧‧接收線圈電流
ITX_COIL‧‧‧發送線圈電流
L1, L2, Lp‧‧‧發送線圈
L3, L4‧‧‧電感
Ls‧‧‧接收線圈
Lzvs‧‧‧零電壓切換電感
M‧‧‧發送線圈與接收線圈繞比
Q1, Q2, Q3, Q4‧‧‧功率開關
RB‧‧‧直流偏壓電阻
RL‧‧‧等效負載電阻
Rp, Rs‧‧‧雜散電阻
TX_OUT‧‧‧發送電路輸出
VCTRL‧‧‧阻抗控制訊號
VDD‧‧‧電源
VGSQ1‧‧‧之開關切換時間訊號
VGS_D‧‧‧遞延切換時間訊號
VIDQ1‧‧‧之電流訊號
VIDS‧‧‧電流訊號
Vin‧‧‧輸入電壓
Vo‧‧‧輸出電壓
VREF1, VREF2, VREF3‧‧‧參考電壓
VREV‧‧‧負向電流脈波
VTX_PWR‧‧‧發送電路電源
Zeq‧‧‧發送端耦合自接收端之反射阻抗
ZTX_IN‧‧‧發送端之等效輸入阻抗
第1圖顯示一種先前技術之諧振式無線電源發送電路及其相關電路的示意圖。 第2圖顯示另一種先前技術之諧振式無線電源發送電路。 第3圖顯示又一種先前技術之諧振式無線電源系統，包含諧振式無線電源發送電路及諧振式無線電源接收電路。 第4圖顯示本發明之諧振式無線電源系統實施例之方塊圖。 第5圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路與諧振式無線電源接收電路耦合之等效電路模型。 第6圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路的一個實施例。 第7圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路的另一個實施例。 第8A, 8B圖為對應於第6圖或第7圖電路的訊號波形示意圖。 第9A-9C圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路，其中阻抗控制電路及其負向電流偵測電路之實施例。 第10圖為對應於第9B, 9C圖電路的訊號波形示意圖。 第11A-11D圖及第12A-11C圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路的另外數個實施例。 第13A-13D圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路，其中可變電容電路的數個實施例。 第14-16圖顯示本發明之諧振式無線電源發送電路的另外數個實施例。
無
6‧‧‧諧振式無線電源發送電路
21‧‧‧電源
22‧‧‧驅動電路
23‧‧‧可調式阻抗匹配電路
24‧‧‧發送電路
25‧‧‧阻抗控制電路
231‧‧‧可變電容電路
C1‧‧‧阻抗匹配電容
CDC‧‧‧直流阻隔電容
D1‧‧‧可變電容器
L1‧‧‧發送線圈
Q1,Q2‧‧‧功率開關
RB‧‧‧直流偏壓電阻

Claims (28)

  1. 一種諧振式無線電源發送電路，其具有一輸入阻抗，該諧振式無線電源發送電路包含： 一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關； 一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率； 一可調式阻抗匹配電路，與該驅動電路耦接，該可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)； 一發送電路，與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該發送電路包含至少一發送線圈，其中該驅動電路藉由其功率開關之切換而驅動該發送線圈；以及 一阻抗控制電路，與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該阻抗控制電路產生一阻抗控制訊號，用以控制該可變電容器之電抗，使得該諧振式無線電源發送電路之該輸入阻抗在該預設之諧振頻率下為匹配。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該可調式阻抗匹配電路包含以下組合之一： (一)兩個或以上之可變電容器，該兩個或以上之可變電容器間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合；或 (二)一個或以上之可變電容器，以及一個或以上之電容，其中該一個或以上之可變電容器與該一個或以上之電容之間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該阻抗控制電路根據一與該發送線圈之電壓與電流相位差有關之訊號，產生該阻抗控制訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該阻抗控制電路根據該功率開關之一切換時間訊號，以及一與該發送電路之電流或該功率開關之電流有關之訊號，產生該阻抗控制訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該阻抗控制電路根據該功率開關之該切換時間訊號與該發送電路之電流或該功率開關之電流之相位差，產生該阻抗控制訊號。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該阻抗控制電路根據該功率開關之一負向電流(current in negative direction)，產生該阻抗控制訊號。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之諧振式無線電源發送電路， 其中該阻抗控制電路包含： 一負向電流偵測電路，包含： 一第一比較器，將該功率開關之電流與一第一參考電壓相比較，產生一負向電流訊號； 一延遲器，將該功率開關之該切換時間訊號延遲，產生一遞延切換時間訊號； 一邏輯電路，以該遞延切換時間訊號做為遮罩，將該負向電流訊號做遮罩運算成為一負向電流脈波；以及 一濾波器，將該負向電流脈波濾波，做為該阻抗控制訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之諧振式無線電源發送電路，更包含： 一第二比較器，將該濾波器之輸出訊號與一第二參考電壓比較，產生一選擇訊號；以及 一多工器，根據該選擇訊號，選擇該濾波器之輸出訊號或該第二參考電壓或一第三參考電壓，做為該阻抗控制訊號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該發送電路之該發送線圈，與該可調式阻抗匹配電路之該可變電容器、及/或一個或以上之電容，並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之諧振式無線電源發送電路，其中該驅動電路包含以下之型式之一：半橋式驅動電路或全橋式驅動電路或E類驅動電路。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之諧振式無線電源發送電路，其中： 該驅動電路為差動模式E類驅動電路； 該發送電路包含一第一發送線圈以及一第二發送線圈，其中該第一發送線圈與該第二發送線圈串聯，該第一發送線圈及該第二發送線圈與該可調式阻抗匹配電路之該可變電容器、及/或一個或以上之電容，並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  12. 一種控制諧振式無線電源發送電路之方法，該諧振式無線電源發送電路具有一輸入阻抗，並包含一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關；一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率；一可調式阻抗匹配電路，與該驅動電路耦接，該可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)；一發送電路，與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該發送電路包含至少一發送線圈，其中該驅動電路藉由其功率開關之切換而驅動該發送線圈；該控制方法包含： 產生一阻抗控制訊號；以及 根據該阻抗控制訊號，控制該可變電容器之電抗，使得該諧振式無線電源發送電路之該輸入阻抗在該預設之諧振頻率下為匹配。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中該可調式阻抗匹配電路包含以下之組合之一： (一) 兩個或以上之可變電容器，該兩個或以上之可變電容器間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合；或 (二) 一個或以上之可變電容器，以及一個或以上之電容，其中該一個或以上之可變電容器與該一個或以上之電容之間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中產生該阻抗控制訊號之步驟包含：根據一與該發送線圈之電壓與電流相位差有關之訊號，產生該阻抗控制訊號。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中產生該阻抗控制訊號之步驟包含：根據該功率開關之一切換時間訊號，以及一與該發送電路之電流或該功率開關之電流有關之訊號，產生該阻抗控制訊號。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中產生該阻抗控制訊號之步驟包含：根據該功率開關之該切換時間訊號與該發送電路之電流或該功率開關之電流之相位差，產生該阻抗控制訊號。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中產生該阻抗控制訊號之步驟包含：根據該功率開關之一負向電流(current in negative direction)，產生該阻抗控制訊號。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中產生該阻抗控制訊號之步驟包含： 將該功率開關之電流與一第一參考電壓相比較，產生一負向電流訊號； 將該功率開關之該切換時間訊號延遲，產生一遞延切換時間訊號； 以該遞延切換時間訊號做為遮罩，將該負向電流訊號做遮罩運算成為一負向電流脈波；以及 將該負向電流脈波濾波，做為該阻抗控制訊號。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中產生該阻抗控制訊號之步驟更包含： 將該濾波器之輸出訊號與一第二參考電壓比較，產生一選擇訊號；以及 根據該選擇訊號，選擇該濾波器之輸出訊號或該第二參考電壓或一第三參考電壓，做為該阻抗控制訊號。
  20. 如申請專利範圍第12項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中該發送電路之該發送線圈，與該可調式阻抗匹配電路之該可變電容器、及/或一個或以上之電容，並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  21. 如申請專利範圍第12項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中該驅動電路包含以下之型式之一：半橋式驅動電路或全橋式驅動電路或E類驅動電路。
  22. 如申請專利範圍第12項所述之控制諧振式無線電源發送電路之方法，其中： 該驅動電路為差動模式E類驅動電路； 該發送電路包含一第一發送線圈以及一第二發送線圈，其中該第一發送線圈與該第二發送線圈串聯，該第一發送線圈及該第二發送線圈與該可調式阻抗匹配電路之該可變電容器、及/或一個或以上之電容，並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  23. 一種阻抗控制電路，用以控制一諧振式無線電源發送電路，該諧振式無線電源發送電路具有一輸入阻抗，並包含一驅動電路，與一電源耦接，該驅動電路包含至少一功率開關；一切換式諧振控制電路，與該驅動電路耦接，使得該驅動電路操作於一預設之諧振頻率；一可調式阻抗匹配電路，與該驅動電路耦接，該可調式阻抗匹配電路包含至少一可變電容器(varactor)；一發送電路，與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該發送電路包含至少一發送線圈，其中該驅動電路藉由其功率開關之切換而驅動該發送線圈；該阻抗控制電路與該可調式阻抗匹配電路及該驅動電路耦接，該阻抗控制電路包含： 一相差判斷電路，根據與流過該功率開關之電流相關的訊號(電流相關訊號)、以及與該功率開關切換時間相關的訊號(開關切換時間相關訊號)，而判斷其間之相差；以及 一控制訊號選擇輸出電路，與該相差判斷電路耦接，根據該相差判斷電路的判斷結果，而選擇輸出一阻抗控制訊號，用以控制該可變電容器之電抗，使得該諧振式無線電源發送電路之該輸入阻抗在該預設之諧振頻率下為匹配。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之阻抗控制電路，其中該諧振式無線電源發送電路中之該可調式阻抗匹配電路包含以下之組合之一： (一) 兩個或以上之可變電容器，該兩個或以上之可變電容器間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合；或 (二) 一個或以上之可變電容器，以及一個或以上之電容，其中該一個或以上之可變電容器與該一個或以上之電容之間互相並聯或串聯，或並聯及串聯之組合。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之阻抗控制電路，其中該電流相關訊號與該開關切換時間相關訊號間之相差相關於該發送線圈之電壓與電流相位差。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之阻抗控制電路，其中該相差判斷電路根據該功率開關之一負向電流(current in negative direction)，而判斷該相差。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之阻抗控制電路，其中該相差判斷電路包含 一第一比較器，將該功率開關之電流與一第一參考電壓相比較，產生一負向電流訊號； 一延遲器，將該功率開關之該切換時間訊號延遲，產生一遞延切換時間訊號；以及 一邏輯電路，以該遞延切換時間訊號做為遮罩，將該負向電流訊號做遮罩運算成為一負向電流脈波，以顯示該相差判斷結果。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之阻抗控制電路，其中該控制訊號選擇輸出電路包含： 一第二比較器，將該濾波器之輸出訊號與一第二參考電壓比較，產生一選擇訊號；以及 一多工器，根據該選擇訊號，選擇該濾波器之輸出訊號或該第二參考電壓或一第三參考電壓，做為該阻抗控制訊號。
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