TW201737591A - 操作無線電源發射器的反相器的方法、裝置及無線電源發射器 - Google Patents
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Abstract
一種無線電源發射器,包括:反相器,該反相器的電壓根據諧振網路而改變;以及控制電路,用於測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示,根據該特徵指示確定該反相器的占空比,以及使用該確定的占空比切換該反相器。
Description
本發明有關於無線電源輸送技術領域,尤其有關於操作無線電源發射器的反相器的方法、無線電源發射器及非易失性電腦可讀介質。
作為不使用電線或連接器傳輸電源(power)的簡便方式,無線電源傳輸系統(Wireless Power Transfer Systems,WPTS)變得越來越受歡迎。當前在產業中發展的WPTS可分為兩種主要的類型:磁感應(Magnetic Induction,MI)系統和磁諧振(Magnetic Resonance,MR)系統。這兩種類型的系統均包括無線電源發射器和無線電源接收器。這兩種類型的系統可被用於為處於其他應用中的移動設備(例如,智慧型電話)供電或充電。
感應式WPTS系統通常操作在指定的幾百赫茲的頻率範圍,其使用頻率變化作為電源控制機制。磁諧振WPTS系統通常操作在單諧振頻率,其使用輸入電壓調節(regulation)
來控制輸出電源。在典型的應用中,磁諧振WPTS系統操作在6.78MHz的頻率。
許多產業委員會均已致力於為基於無線電源傳輸的消費產品推進國際標準。當前,由於操作頻率的不同,不同類型的WPTS系統無法交互操作。
E類放大器為基於開關模式的放大器,其使用電感電容網路(LC網路)的諧振來實現軟切換(soft switching)以獲得較高的效率。射頻應用中常使用E類放大器。
本發明提供操作無線電源發射器的反相器的方法、無線電源發射器及非易失性電腦可讀介質,可通過調整切換反相器的時間來提高效率。
本發明提供的一種操作無線電源發射器的反相器的方法,包括:測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示;根據該特徵指示確定該反相器的占空比;以及使用該確定的占空比切換該反相器;其中,該反相器的電壓根據諧振網路而改變。
本發明提供的一種無線電源發射器,可包括:反相器,該反相器的電壓根據諧振網路而改變;以及控制電路,用於測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示,根據該特徵指示確定該反相器的占空比,以及使用該確定的占空比切換該反相器。
本發明提供的一種非易失性電腦可讀介質,包括存儲在其中的指令,當處理器執行該指令時,將執行本發明中操
作無線電源發射器的反相器的方法,其中,該反相器的電壓根據諧振網路而改變。
由上可知,本發明所提供的所有技術方案中,根據測量的無線電源發射器能看到的負載的特徵指示確定反相器的占空比,並使用該確定的占空比切換該反相器,由此,本發明實施例可通過調整切換反相器的時間來提高效率。
100‧‧‧無線電源系統
1‧‧‧無線電源發射器
2‧‧‧穩壓源
7‧‧‧驅動電路
3‧‧‧反相器
6,13‧‧‧匹配網路
10‧‧‧發射線圈
9‧‧‧信號發生器
5‧‧‧控制器
11‧‧‧無線電源接收器
12‧‧‧接收器線圈
14‧‧‧整流器
15‧‧‧直流-直流轉換器
16‧‧‧測量電路
A‧‧‧電平(第1A圖中),線(第6圖中)
T0‧‧‧時間
C‧‧‧點
VIN‧‧‧輸入電壓
Vout‧‧‧輸出電壓
36a,36b‧‧‧閘極驅動器
32a,32b‧‧‧電晶體
33a,33b‧‧‧扼流電感器
31a,31b,35a,35b‧‧‧LC回路
C1,Cs*2,CM‧‧‧電容
LM/2,LTX/2‧‧‧電容
30‧‧‧E類放大器
S1-S4‧‧‧步驟
Xref‧‧‧負載阻抗
UL,UM,UR,ML,MM,MR,LL,LM,LR‧‧‧區域
Cs‧‧‧負載阻抗
B‧‧‧線
第1A圖示出硬切換的情形時電壓與時間變化的關係圖。
第1B圖示出零電壓切換情形時電壓與時間的關係圖。
第1C圖示出二極體導電情形時電壓與時間的關係圖。
第2圖示出無線電源系統100的框圖。
第3圖示出E類放大器30的一個實施例。
第4圖根據本發明的一些實施例示出操作無線電源發射器的方法。
第5圖示出阻抗Xref的範圍的一個實施例。
第6圖根據本發明的一個模擬示例示出對應不同阻抗情形的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的功率損耗的圖示。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些術語來指稱特定的元件。所屬領域技術人員應可理解,硬體製造商可能會用不同的名稱來稱呼同一個元件。本檔並不以名稱的差異來作為區分元件的方式,而是以元件在功能上的差異來
作為區分的準則。在接下來的說明書及申請專利範圍中,術語“包含”及“包括”為一開放式的用語,故應解釋成“包含但不限制於”。此外,“耦接”一詞在此包含直接及間接的電性連接手段。因此,如果一個裝置耦接於另一個裝置,則代表該一個裝置可直接電性連接於該另一個裝置,或通過其它裝置或連接手段間接地電性連接至該另一個裝置。
在WPTS系統中,無線電源發射器和無線電源接收器可彼此電感耦合。由於彼此之間的間隙、線圈幾何形狀和/或佈局位置的影響,無線電源發射器和無線電源接收器彼此鬆散地(loosely)耦合,也即,耦合係數(coefficient)相對較低。因為該間隙、該無線電源接收器的佈局位置、該無線電源接收器能看到的負載中的至少一個至少在耦合時改變,因此,該無線電源發射器能看到的負載阻抗可能在較大範圍內變化。例如,當複數個接收器靠近該發射器設置時,該無線電源發射器能看到的負載阻抗可能變化,或者,當有外部的金屬物體放置在該發射器附近,該無線電源發射器能看到的負載阻抗可能變化。當該無線電源發射器包括使用電感電容諧振的反相器時,例如,E類放大器,該無線電源發射器能看到的負載阻抗的變化將改變該反相器(inverter)的調諧。當該調諧被改變,該反相器中的電流波或電壓波的週期(timing)也將發生變化。因此,如第1A圖-第1C圖所示,硬切換(hard switching)或二極體導電(diode conduction)將導致效率的降低。
如第1A圖所示,當電晶體在跨越電晶體的電流或電壓下降到0之前切換狀態則發生硬切換,由此產生損耗功率
(wasted power)。例如,如第1A圖所示,在時間T0,當跨越電晶體的電壓仍為高(例如,為電平A)時,電晶體切換狀態。軟切換(soft switching)為一種可減小電源電子開關中的損失(loss)的方式。當電晶體的操作被控制以使電壓或電流限制為零或接近零時,電晶體切換狀態,則發生軟切換。如第1B圖所示,當跨越電晶體的電壓為零或接近零時切換電晶體,也即執行零電壓切換(為一種類型的軟切換),可能非常有益。例如,如第1B圖所示,在時間T0,當跨越電晶體的電壓約為零時電晶體切換狀態,這減小了電晶體切換時的功率損耗。但是,如第1C圖所示,如果跨越電晶體的電壓過早下降至0,將發生二極體導電,導致二極體電壓下降並降低效率。如第1C圖所示,在點C,跨越電晶體的電壓下降為0,但是電晶體並不在點C切換狀態而是等到時間T0才切換狀態。電晶體的體二極體的二極體導電發生在點C和時間T0之間,這降低了效率。
因此,期望操作無線電源發射器以獲得第1B圖所示的週期,以獲得零電壓切換。但是,當無線電源發射器能看到的負載阻抗發生變化時,反相器的調諧也被改變,因此,如第1A圖或第1C圖所示,調諧的改變將改變電壓波的週期,並使效率由於硬切換或二極體導電而降低。
目前存在針對E類放大器的失諧問題的一些解決方案,但是這些方案需要依賴放大器外部的器件,例如,可調的負載電容器,來改變反相器的LC網路中的電感或電容的效率值。改變電感或電容的效率值的機制可能需要額外的開關、
電容器或電感器來控制效率電感或效率電容。該額外的開關、電容器或電感器可能尺寸較大、成本較高或可能降低效率。
本發明所描述的方案可在無線電源發射器能看到的阻抗改變時,通過調整切換反相器的時間來提高效率。因此,可產生接近期望的零電壓切換的切換波形。在一些實施例中,在不需要調諧反相器的LC網路的效率電感或效率電容的情形下,便可產生上述接近期望的零電壓切換的切換波形。在描述本發明的方案之前,將參考第2圖描述整個的WPTS系統。
第2圖示出無線電源系統100的框圖,其包括無線電源發射器1和無線電源接收器11。無線電源發射器1包括驅動電路7,驅動電路7包括反相器3用於通過匹配網路6驅動發射線圈10。無線電源發射器1可包括穩壓源2(例如,電壓調節器)用於為反相器3提供調節後的直流(DC)電壓。穩壓源2根據控制器5輸出的控制激勵產生該調節後的直流電壓。在一些實施例中,驅動電路7可為軟切換電源轉換器,例如,E類放大器,用於將反相器3的輸入端的直流電壓轉換為交流(AC)輸出電壓以驅動發射線圈10。產生交流輸出電壓使無線電源通過電磁感應進行傳輸。控制器5可控制信號發生器9使用具有選擇的無線電源傳輸頻率的信號驅動反相器3。例如,反相器3可在頻率100kHZ-205kHZ的頻率範圍發生切換,以將電源傳輸至設計為根據品質指標(該品質指標為對應低電源品質指標(Qi)的接收器的品質指標)接收無線電源的無線電源接收器,而當無線電源接收器為中電源品質指標接收器時,反相器3可在頻率80kHZ-300kHZ的頻率範圍發生切
換。反相器也可在更高的頻率發生器和,例如,位於ISM頻率內的高於1MHz的頻率,例如,6.765MHz-6.795MHz的頻率範圍內的頻率,以將電源傳輸至設計為使用磁諧振技術接收無線電源的接收器。但是,需要說明的是,本發明所描述的頻率僅用於舉例說明,實際應用中,無線電源可在符合合適的規範的各種合適的頻率下進行傳輸。控制器5可為類比電路,數位電路或者它們的結合。控制器5可根據記憶體的程式指令被程式設計,並可命令信號發生器9在期望的傳輸頻率產生信號,以便反相器3在該期望的傳輸頻率切換。匹配網路6可通過為反相器3呈現合適的阻抗來幫助無線電源傳輸。匹配網路可包括一個或複數個電容性或電感性的元件,或者電容性和電感性的元件的任意適宜的組合。由於發射線圈10可具有電感性的阻抗,因此,在一些實施例中,匹配網路6可包括一個或複數個電容性的元件,當這些元件與發射線圈10的電感相結合時,在反相器3的輸出端呈現適合驅動發射線圈10的阻抗。在一些實施例中,在無線電源的傳輸過程中,匹配網路6的諧振頻率可等於或約等於反相器3的切換頻率。發射線圈10可通過任意適宜類型的導體實現。該導體可為導線(包括單線或絞合線)或圖案導體(例如,印刷電路板的圖案導體或積體電路的圖案導體)。
發射線圈10中的交流電流依照安培法則產生振盪磁場。該振盪磁場依照法拉第法則將交流電壓感應至無線電源接收器11的接收器線圈12。接收器線圈12上感應的交流電壓經過匹配網路13提供至整流器14,由整流器14產生未調節的
直流電壓。整流器14可為同步整流器或可通過二極體實現。使用直流-直流轉換器15調節該未調節的直流電壓。隨後,直流-直流轉換器15的輸出被濾波並作為輸出電壓Vout提供給負載。在可選的實施例中,可用線性穩壓器或電池充電器代替直流-直流轉換器15,或者,直流-直流轉換器15以及線性穩壓器或電池充電器均可從電路中去掉。
如前所述,反相器3可為E類放大器,用於將反相器3的輸入端的直流電壓轉換為交流輸出電壓以驅動發射線圈10。E類放大器可使用LC諧振使跨越開關的電壓在開關切換的時間變為零或近似為零,由此可獲得或近似獲得零電壓切換。但是,本發明並不限於使用E類放大器實現反相器3,其他合適的放大器也可被使用,例如其他類型的軟切換電源轉換器。反相器3可為單端放大器或差分放大器,對此,本發明並不嚴格限定。
第3圖示出E類放大器30的一個實施例。放大器30可包括位於電晶體32a與穩壓源2之間的扼流電感器Lchoke 33a和位於電晶體32b與穩壓源2之間的扼流電感器Lchoke 33b。放大器30還可包括分別用於電晶體32a和32b的閘極(gate)驅動器36a和36b、分別與電晶體32a和32b平行的電容器C1a和C1b、接地端以及通向輸出端的串聯的LC電路35a和35b,該串聯的LC電路至少包括Cs、Ltx以及Lccs。當電晶體導通(turn on)時,導通的電晶體在其扼流電感器33a或33b保存能量。當電晶體截止(switch off)時,其扼流電感器33a或33b將能量送至相應的LC回路31a或31b。在調整
好的E類放大器中,當跨越電晶體的電壓為高時,流經電晶體的電流較小,當跨越電晶體的電壓為低時,流經電晶體的電流較大。因此,當流經電晶體的電流較少時,跨越開關的電壓和電流也總是較小,由此產生較好的效率。
如上面所述,在一些實施例中,可根據無線電源發射器1能看到的負載阻抗調節反相器3的切換時間,由此提高效率。例如,在一些實施例中,根據無線電源發射器1能看到的負載阻抗調節反相器3的占空比(duty cycle)。
第4圖根據本發明的一些實施例示出操作無線電源發射器的方法。無線電源發射器1從步驟S1開始發射,具體的,在步驟S1,無線電源發射器以選擇的占空比切換反相器3。在一些實施例中,無線電源發射器可以已知的可安全進行發射的占空比開始發射。
在步驟S2,測量無線電源發射器能看到的負載的特徵指示(characteristic indicative)。作為舉例,在步驟S2,測量無線電源發射器1能看到的負載阻抗Xref。在一些實施例中,可使用測量電路16(如第2圖所示)測量Xref。測量電路16可耦接於驅動電路7,例如耦接於反相器3、匹配網路6、以及發射線圈10中至少一個。在一些實施例中,測量電路16可包括電壓感測器和/或電流感測器。測量電路16的測量結果可提供給控制器5進行分析。
可由有負載時發射線圈10的阻抗Zcoil和無負載下的發射線圈10的阻抗Zcoil0的差值確定Xref。其中,Zcoil0在設計階段便可知曉。Zcoil和Zcoil0均包括實部和虛部。該
實部為電阻成分,該虛部為電感(正值)或電容成分(負值)。在一些實施例中,可認為Zcoil的虛部大於實部。因此,可假設Zcoil僅為純粹的虛部。因此,Zcoil的虛部可近似為阻抗的大小,也即,Zcoil~=jωL+jXref;|Zcoil|=ωL+Xref=|Zcoil0|+Xref。
基於這樣的近似,Xref可按照如下方式進行計算:
基於這樣的近似,可通過Vcoil和Icoil測量Zcoil。作為舉例,可使用測量電路16的電壓感測器和電流感測器測量Vcoil和Icoil的大小。例如,可使用峰值或均方根檢測。但是,在一些實施例中,並未使用上述的近似,而有考慮相位,如此可獲得更精確的測量。在一些實施例中,可通過計算電壓駐波比(voltage standing wave ratio)確定Xref。測量電路16的測量結果可提供給控制器5,控制電路5可計算並確定無線電源發射器能看到的負載的特徵指示(例如,負載阻抗Xref)。
本發明不限於僅在步驟S2確定無線電源發射器1能看到的阻抗,其他無線電源發射器1能看到的負載的特徵指示,例如,無線電源發射器1能看到的電抗(reactance),也可被確定。
在步驟S3,根據無線電源發射器能看到的負載的特徵指示確定占空比。可將負載的特徵指示與合適的占空比進行映射,以提高效率。例如,在一些實施例中,可使用Xref確定反相器3的占空比。當Xref為負值,也即,有負載時的
線圈阻抗Zcoil小於無負載時的線圈阻抗Zcoi10,表示系統處於二極體導電狀態,因此,需要增加導通時間來提高效率。進而,需要選擇更大的占空比。當Xref為正值,表示系統處於硬切換狀態,因此,需要減小導通時間來提高效率。進而,需要選擇更小的占空比。當Xref為0,表示系統處於調諧狀態,因此,無需調整導通時間。
可使用多種方式確定占空比。例如,在一些實施例中,可使用查詢表格將Xref與占空比進行映射。在一些實施例中,可使用存儲的占空比函數VS和Xref確定占空比。在一些實施例中,可使用相應的演算法遞增地將占空比調整為最優值。這裡可使用任意合適的演算法,例如,爬山演算法,使用效率或另一個參數作為需要最大化的變數。該查詢表格、函數、以及演算法可存儲在控制器5的存儲單元中,或者無線電源發射系統的其他部位。在一些實施例中,步驟S2可由控制器5實施。
在步驟S4,應用步驟S3確定的占空比。例如,控制器5可確定該占空比並控制信號發生器9產生控制信號控制反相器3產生具有控制器5命令的占空比的切換波。方法再次回到步驟S2。
第5圖示出阻抗Zref的範圍的一個實施例。其中,縱軸示出Zref的虛部Xref,橫軸示出Zref的實部。Zref的典型的值位於圖框(圖中最大的正方形的虛線框)的中間(橢圓形的虛線框)。因此,當Zref位於圖框中間時,無線電源發射器的反相器可被調諧以獲得軟切換。但是,當Zref位於圖
框最上面的三分之一區域時,發生硬切換。而當Zref位於圖框最下面的三分之一區域時,發生二極體導電。本發明的實施例可提高效率,尤其當Zref位於圖框最上面的三分之一區域或最下面的三分之一區域時。該圖框可被劃分為下面的9個區域:UL(左上方)、UM(中上方)、UR(右上方)、ML(左中部)、MM(正中間)、MR(右中部)、LL(左下方)、LM(中下方)以及LR(右下方)。
第6圖根據本發明的一個模擬示例示出對應不同阻抗情形的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的功率損耗的圖示。在每個區間內,從左至右表示Xref下降。線A表示4/8的占空比,線B在UL(左上方)、UM(中上方)以及UR(右上方)區域具有4/8的占空比,在MM(正中間)、LL(左下方)、LM(中下方)以及LR(右下方)區域具有5/8占空比。線B示出占空比調整的效果,具體而言,通過調整硬切換和二極體導電區域的占空比,功率損耗下降,且最差的MOSFET損耗被改善28%。可以理解的是,這僅是舉例,可使用適合特定應用的任意適宜的占空比,而不限於4/8和5/8。此外,可供選擇的不同占空比的數量也不限於2個,可選擇任意適宜數量的占空比,例如,2個、10個或更多。
如前所述,可使用控制器5控制無線電源發射器,且可使用任意合適類型的電路實現控制器。例如,可使用硬體或硬體結合軟體的方式實現控制器5。當使用軟體實現控制器5,合適的軟體可在任意合適的單個處理器(例如,微處理器)或處理器組上執行。一個或複數個控制器可採用多種方式實
現,例如,使用專用的硬體實現,或使用通用的硬體(例如,一個或複數個處理器)實現,該通用的硬體由微指令或軟體程式設計以執行上述的功能。
為此,本發明所揭露的資料結構和所提及的代碼可全部或部分地存儲在一個電腦可讀存儲介質、硬體模組或硬體裝置中。該電腦可讀存儲介質包括,但不限於,易失性記憶體、非易失性記憶體,磁性或光學存放裝置(例如,硬碟、磁帶、光碟機,數位光碟機),或者其他現在已知或者將來會發展的有能力存儲代碼和/或資料的介質。本發明所揭露的硬體模組或硬體裝置包括,但不限於,專用積體電路(Application-Specific Integrated Circuits,ASICs)、現場可程式設計閘陣列(Field-Programmable Gate Arrays,FPGAs)、專用的或共用的處理器,以及其他當前已知或將來會發展的硬體模組或裝置。
申請專利範圍書中用以修飾元件的“第一”、“第二”等序數詞的使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間的先後次序、或所執行方法的時間次序,而僅用作標識來區分具有相同名稱(具有不同序數詞)的不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明的範圍,任何所屬領域技術人員,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可做些許的更動與潤飾,因此本發明的保護範圍當視申請專利範圍所界定者為准。
100‧‧‧無線電源系統
1‧‧‧無線電源發射器
2‧‧‧穩壓源
7‧‧‧驅動電路
3‧‧‧反相器
6,13‧‧‧匹配網路
10‧‧‧發射線圈
9‧‧‧信號發生器
5‧‧‧控制器
11‧‧‧無線電源接收器
12‧‧‧接收器線圈
14‧‧‧整流器
15‧‧‧直流-直流轉換器
16‧‧‧測量電路
Vout‧‧‧輸出電壓
Claims (20)
- 一種操作無線電源發射器的反相器的方法,其中,該反相器的電壓根據諧振網路而改變,該方法包括:測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示;根據該特徵指示確定該反相器的占空比;以及使用該確定的占空比切換該反相器。
- 如申請專利範圍第1項的方法,該反相器包括E類放大器。
- 如申請專利範圍第1項的方法,該負載的該特徵指示包括阻抗或電抗。
- 如申請專利範圍第3項的方法,根據該無線電源發射器測量的信號的大小估計該負載的該特徵指示。
- 如申請專利範圍第4項的方法,根據測得的電壓和電流的大小估計該負載的該特徵指示。
- 如申請專利範圍第3項的方法,該根據該特徵指示確定該反相器的占空比的步驟,包括:當該阻抗的虛部下降時,增加該占空比。
- 如申請專利範圍第3項的方法,該根據該特徵指示確定該反相器的占空比的步驟,包括:當該阻抗的虛部增加時,減小該占空比。
- 一種無線電源發射器,包括:反相器,該反相器的電壓根據諧振網路而改變;以及控制電路,用於測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示,根據該特徵指示確定該反相器的占空比,以及使用該確定的占空比切換該反相器。
- 如申請專利範圍第8項的無線電源發射器,該反相器包括E類放大器。
- 如申請專利範圍第8項的無線電源發射器,該負載的該特徵指示包括阻抗或電抗。
- 如申請專利範圍第10項的無線電源發射器,該控制電路根據該無線電源發射器測量的信號的大小估計該負載的該特徵指示。
- 如申請專利範圍第11項的無線電源發射器,該控制電路根據測得的電壓和電流的大小估計該負載的該特徵指示。
- 如申請專利範圍第11項的無線電源發射器,當該阻抗的虛部下降時,該控制電路增加該占空比。
- 如申請專利範圍第11項的無線電源發射器,當該阻抗的虛部增加時,該控制電路減小該占空比。
- 如申請專利範圍第8項的無線電源發射器,該控制電路包括:測量電路,用於測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示;控制器,用於根據該測量電路測量的特徵指示確定該反相器的占空比;信號發生器,用於根據該控制器的控制產生控制信號,該控制信號用於控制該反相器產生具有該占空比的切換波形及根據該切換波形執行切換。
- 一種非易失性電腦可讀介質,包括存儲在其中的指令,當處理器執行該指令時,將執行操作無線電源發射器的反相 器的方法,其中,該反相器的電壓根據諧振網路而改變,該可讀介質包括:測量該無線電源發射器能看到的負載的特徵指示;根據該特徵指示確定該反相器的占空比;以及使用該確定的占空比切換該反相器。
- 如申請專利範圍第16項的非易失性電腦可讀介質,該負載的該特徵指示包括阻抗或電抗。
- 如申請專利範圍第17項的非易失性電腦可讀介質,根據該無線電源發射器測量的信號的大小估計該負載的該特徵指示。
- 如申請專利範圍第18項的非易失性電腦可讀介質,根據測得的電壓和電流的大小估計該負載的該特徵指示。
- 如申請專利範圍第19項的非易失性電腦可讀介質,該根據該特徵指示確定該反相器的占空比的步驟,包括:當該阻抗的虛部下降時,增加該占空比;當該阻抗的虛部增加時,減小該占空比。
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