TWI489729B

TWI489729B - 適用於無線電力系統的電力計算的方法

Info

Publication number: TWI489729B
Application number: TW102141882A
Authority: TW
Inventors: Wei Jen Huang; Shui Mu Lin
Original assignee: Richtek Technology Corp
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2015-06-21
Also published as: TW201521316A; KR20150057944A; KR101603420B1; US20150142348A1

Description

適用於無線電力系統的電力計算的方法

本發明係關於一種電力計算的方法，特別是一種適用於無線電力系統，用以進行異物偵測(foreign object detection，FOD)的電力計算的方法。

無線電力(wireless power)，或稱無線能量傳輸(wireless energy transmission)，是利用近場感應的方式，例如電感耦合(inductive coupling)，由供電設備將能量傳送至電力電子裝置的一種技術。例如在無線充電(wireless charging)的應用中，電子裝置經由無線電力接收能量，對其所包括的電池充電，並可同時供電子裝置本身運作之用。由於電子裝置與供電裝置之間以電感耦合傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此電子裝置與供電裝置都可以做到無導電接點外露。由於無導電接點設計，無線電力技術可以避免觸電的危險，且電力傳送元件無外露，因此不會被空氣中的水份、氧氣等侵蝕。另外，也由於無接點的存在，因此不會有在連接與分離時的機械磨損的損耗或是火花(spark)造成的可能危險性。

無線電力的技術發展在醫療應用以及消費性電子的使用方面帶來了很大的貢獻。無線電力的技術使醫療植入裝置較為安全，使用者可以在不損害身體組織的情況下，對植入人體內的醫療裝置進行充電，而不需要有電線穿過皮膚及其他自體組織，免去感染的風險。另外，無線充電也帶來了消費性電子裝置在使用上相當大的便利性，因為裝置充電時無需以電線連接，只要放到充電器附近即可；而且，技術上一個充電器可以對多個用電裝置進行進電，因此在有多個用電裝置的情況下可以省去多個充電器，不用佔用多個電源插座，而且也沒有多條電線互相纏繞的麻煩。

第1圖為習知的無線電力系統100的示意圖。無線電力系統100中以電源供應器110、供電端耦合電容120以及一次線圈130形成一無線電力發射端，並以二次線圈150、共振電容160以及共振電容165形成一無線電力接收端。無線電力發射端產生具有交流電態樣的無線電力140，並利用近場感應的方式，例如利用(但並不限於)一次線圈130以及二次線圈150的電感耦合，使得無線電力接收端得以接收無線電力140，並產生一交流電態樣的電力以輸入整流器170。另外，二次線圈150、共振電容160以及共振電容165形成的共振電路，可以產生帶通(bandpass)的效果，藉以使得無線電力接收端對電線電力140的交流頻率產生選擇性。整流器170係用以將接收的交流電轉成一直流電壓並輸出該直流電壓。無線電力系統100可以更進一步包括穩壓單元180，接收整流器170所輸出之直流電壓，並產生一穩定之輸出電壓以供後級的負載190使用，或是穩壓單元180產生一穩定之輸出電壓或輸出電流以對一電池進行充電，此即無線充電的應用。

然而，當無線電力發射端與無線電力接收端之間的無線電力路徑存在其他金屬異物(圖中未示)時，該金屬異物傾向於吸收無線電力140的能量，而造成無線電力系統100在電力傳輸上的損失，該金屬異物甚至會影響無線電力140的磁場分布，導致溫度不正常的變化，例如局部溫度異常升高，而可能產生危險。因此，無線電力系統中進行異物偵測的目的，便是在判斷無線電力路徑上是否存在造成電力傳輸損失的異物，以利系統排除此一異常之狀況，回復正常使用情形。目前在無線電力系統中的異物偵測的作法，係利用比較無線電力發射端所發射的電力大小與無線電力接收端所接收的電力大小之間的差異，當判斷兩者差異太大時，即判斷為無線電力路徑上可能存在異物的狀況，而必須進一步排除此一異常狀況方能保證繼續正常並且安全地使用無線電力系統。

第2圖為習知之無線電力系統中電力計算的方法的示意圖，係配合第1圖之無線電力系統100作說明。無線電力系統100中的穩壓器係為一線性穩壓器，在一般操作情況下，線性穩壓器的輸入電流與輸出電流幾乎相等。在無線電力系統100中，係利用偵測線性穩壓器的瞬間輸入電壓以及瞬間輸出電流，以得到如第2圖中所示的偵測電壓以及偵測電流；將偵測電壓以及偵測電流相乘後，可得到一接收電力值；接著更將接收電力值傳送至電力發射端進行利用，例如進行異物偵測等等。此一習知技術至少有下面的缺點，導致在應用上的不準確性：第一、第2圖中所計算的接收電力值係為一瞬間電力值，其隨著時間所組成的數列具有較劇烈的變化，因此需要較大的頻寬將資料傳送回電力發射端；第二、所計算出的接收電力值並未考慮無線電力接收端的前端以及整流器所造成的功率損耗，因而與實際上無線電力接收端所接收到的電力大小相比，可能具有一不算小的誤差量。

鑒於以上的問題，本發明係提供一種電力計算的方法，特別是一種適用於無線電力系統，用以進行異物偵測的電力計算的方法。

本發明提出一種電力計算的方法，適用於一無線電力系統之一電力接收端，用以進行無線電力系統的異物偵測，電力計算的方法包含以下步驟：首先，對電力接收端中所包含的一穩壓單元的輸入電流或輸出電流進行多點取樣，並就電流的多點取樣的結果進行方均根的計算，以得到一電流方均根值。接著，對穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓進行多點取樣，並就電壓的多點取樣的結果進行方均根的計算，以得到一電壓方均根值。然後，將電壓方均根值乘以電流方均根值，並又乘上一夾角的餘弦值，以得到一穩壓單元電力值，其中所述夾角相關於所取樣的穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓，以及所取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流之間的訊號相位差。再者，將穩壓單元電力值除以一電力接收端效率值，以得到一接收電力值，其中電力接收端效率值係為電流方均根值的一函數。最後，將接收電力值傳送至無線電力系統之一電力發射端，以進行異物偵測。。

本發明更提出一種電力計算的方法，適用於一無線電力系統之一電力接收端，用以進行無線電力系統的異物偵測，電力計算的方法包含以下步驟：首先，對電力接收端中所包含的一穩壓單元的輸入電流或輸出電流進行電流取樣，並同時對穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓進行電壓取樣，以分別得到一電流取樣值以及一電壓取樣值。接著，將電流取樣值以及電壓取樣值相乘，並除以一電力接收端效率值，以得到一瞬間接收電力值，其中電力接收端效率值係為電流取樣值的一函數。然後，重覆進行電流取樣以及電壓取樣若干次，並得到對應的若干個瞬間接收電力值後，計算若干個瞬間接收電力值之平均值，以得到一接收電力值。最後，將接收電力值傳送至無線電力系統之一電力發射端，以進行異物偵測。

本發明的功效在於，本發明所揭露的電力計算的方法，能夠在適用的無線電力系統中得到更為準確的電力計算結果，以利無線電力系統進行諸如異物偵測或是電力效率最佳化等等工作。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作最佳實施例詳細說明如下。

100‧‧‧無線電力系統

110‧‧‧電源供應器

120‧‧‧供電端耦合電容

130‧‧‧一次線圈

140‧‧‧無線電力

150‧‧‧二次線圈

160、165‧‧‧共振電容

170‧‧‧整流器

180‧‧‧穩壓單元

190‧‧‧負載

510、530、550、570、590‧‧‧步驟

810、830、850、870‧‧‧步驟

第1圖為習知的無線電力系統之示意圖。

第2圖為習知之無線電力系統中電力計算的方法的示意圖。

第3圖為本發明所揭露之第一實施例之電力計算的方法的示意圖。

第4圖為本發明所揭露之第二實施例之電力計算的方法的示意圖。

第5圖為對應於本發明所揭露之第一實施例而歸納出的步驟流程圖。

第6圖為本發明所揭露之第三實施例之電力計算的方法的示意圖。

第7圖為本發明所揭露之第四實施例之電力計算的方法的示意圖。

第8圖為對應於本發明所揭露之第三實施例而歸納出的步驟流程圖。

第3圖為本發明所揭露之第一實施例之電力計算的方法的示意圖，適用於無線電力系統，例如第1圖所示之無線電力系統100之電力接收端。本發明所揭露之電力計算的方法可用以進行無線電力系統100的異物偵測，或是效率最佳化等等工作。進行電力計算的方法，首先是分別對穩壓器的輸入電流或輸出電流，以及穩壓器的輸入電壓或輸出電壓進行多點取樣。值得注意的是，對輸入電流(電壓)或是輸出電流(電壓)進行取樣的決定，是取決於在應用上的各種考量，例如取樣電路所能承受的電性規格、輸入電流(電壓)或是輸出電流(電壓)的訊號何者較為穩定、或是電路元件在實體的配置上是否能達到最小化等等。在本實施例中，係分別針對穩壓器的輸入電壓以及輸出電流進行多點取樣，此態樣係用以說明本發明之精神，並非用以限制本發明的範圍。至於電壓以及電流訊號的取樣技術，係為本領域具有通常知識者所習知，在得知本發明所揭露的精神以及相關說明之後，皆可依照其應用上的差異性而從習知技術中選取適合的電路態樣以進行應用，故在此不另贅述。

在進行多點取樣而分別得到偵測電壓以及偵測電流的數列之後，接著分別針對偵測電壓的數列以及偵測電流的數列，計算其方均根(root-mean-square，RMS)值，以分別得到電壓方均根值以及電流方均根值。值得注意的是，由於方均根值的計算並未涉及所取樣的電流訊號或是電壓訊號的初始相位，因此在本實施例中分別對電壓以及電流進行多點取樣時，兩者的取樣動作可以是不同步(asynchronous)的，亦即可以是在不同的時間點進行取樣的動作。

然後，將電壓方均根值乘以該電流方均根值，並又乘上一夾角的餘弦(cosine)值，以得到穩壓單元電力值，其中所述之夾角相關於所取樣的穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓，以及所取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流之間的訊號相位差，這是由於當所取樣的電壓以及電流在進行一次多點取樣的區間中係為一週期性訊號時，電力的計算將相關於電壓與電流之間的訊號相位差。然而當所取樣的電壓或是電流係為一直流電之態樣時，所述夾角等效為0度，亦即其餘弦值為1。

再者，將前一段所得到的穩壓單元電力值除以一電力接收端效率值，以得到一接收電力值。電力接收端效率值係為無線電力系統100中的某一級與穩壓器180之間的電力效率參數(亦即輸入電力與輸出電力之間的轉換效率)，其可根據應用上的需求進行調整。例如電力接收端效率可以是二次線圈150至穩壓器180之間的電力效率參數，以此所得的接收電力值即為二次線圈150之處所接收之無線電力值。而當整流器170與穩壓器180係為以半導體製程形成的積體電路時，且本發明所揭露之電力計算的方法係整合於所述之積體電路時，由於外部元件的二次線圈150等等係根據不同應用而可能使用不同的部件，此時電力接收端效率的定義也可以是整流器170之輸入至穩壓器180之間的電力效率參數，以此所得的接收電力值即為整流器170之輸入之處所接收之無線電力值。另外，當無線電力接收端可以得知無線電力路徑的正常的電力效率參數時，電力接收端效率也可能是一次線圈130至穩壓器180之間的電力效率參數，因而可以反推出無線電力發射端在一次線圈130處所發射的無線電力大小。再者，當所取樣的電壓以及電流並非同時為穩壓器的輸入電壓以及輸入電流時，電力接收端效率更必須進一步包含穩壓器本身的電力效率參數。

進一步說明，電力效率參數通常並非一個固定值，而是電流的函數。例如在第3圖中所示，本實施例的電力接收端效率值係為電流方均根值的函數。因此，在電流進行多點取樣並計算其方均根值後，即可據以得知其對應之電力接收端效率值而進一步處理，得到接收電力值。假設進行N點之多點取樣的偵測電壓分別為V₁ 、V₂ 、…、V_N ，進行N點之多點取樣的偵測電流分別為I₁ 、I₂ 、…、I_N ，電流方均根值對應的電力接收端效率值為E，前述之夾角為θ，則可得到如下列之第(1)式以得到接收電力值P：

最後，將得到的接收電力值傳送至無線電力系統100之電力發射端，以進行異物偵測的判斷或是效率最佳化等等。至於傳輸的方式，係以無線傳輸的方式為主，其具體實施方式則為本領域具有通常知識者所習之，在此不另贅述。

第4圖為本發明所揭露之第二實施例之電力計算的方法的示意圖。第4圖所揭露之第二實施例與第3圖所揭露之第一實施例之不同之處，在於第二實施例中增加了電壓漂移補償以及電流漂移補償的功能，其他的部分則可以直接參考第一實施例的相關說明。

如第4圖所示，在進行電流和電壓的多點取樣，而得到偵測電流和偵測電壓的數列之後，由於進行取樣的電路可能存在漂移(offset)，因此可以將電流和電壓的多點取樣的值分別加上電流漂移補償值以及電壓漂移補償值後，再進行方均根的計算，以得到更為準確的電流方均根值以及電流方均根值。其中由實作中發現，電流漂移補償值以及電壓漂移補償值可以歸納為偵測電流的函數，以得到最佳的補償效果。因此，實施上可以如圖所示，根據該函數而以偵測電流的大小進行不同程度的補償。當然電流漂移補償值以及電壓漂移補償值也可以是一個定值，或是其他參數的函數值。本領域具有通常知識者，皆可以依照其應用的不同，而依照本發明所揭露的精神作最佳化的設計。

進一步說明，假設對應於偵測電壓V₁ 、V₂ 、…、V_N 之電壓漂移補償值分別為V_os1 、V_os2 、…、V_osN ，且對應於偵測電流I₁ 、I₂ 、…、I_N 之電流漂移補償值分別為I_os1 、I_os2 、…、I_osN ，電流方均根值對應的電力接收端效率值為E，前述之夾角為θ，則可得到如下列之第(2)式以得到接收電力值P：

第5圖為對應於第3圖所揭露之本發明之第一實施例而歸納出的步驟流程圖，包含下列步驟：

如步驟510所示，對電力接收端中所包含的一穩壓單元的輸入電流或輸出電流進行多點取樣，並就電流的多點取樣的結果進行方均根的計算，以得到電流方均根值。

如步驟530所示，對穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓進行多點取樣，並就電壓的多點取樣的結果進行方均根的計算，以得到電壓方均根值。

如步驟550所示，將電壓方均根值乘以電流方均根值，並又乘上一夾角的餘弦值，以得到一穩壓單元電力值，其中夾角相關於所取樣的穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓，以及所取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流之間的訊號相位差。

如步驟570所示，將穩壓單元電力值除以一電力接收端效率值，以得到一接收電力值，其中電力接收端效率值係為電流方均根值的一函數。

如步驟590所示，將接收電力值傳送至該無線電力系統之一電力發射端，以進行異物偵測。

另外，在步驟510中，更可以包括將電流的多點取樣的值分別加上一電流漂移補償值後，再進行方均根的計算，以得到該電流方均根值。其中，電流漂移補償值可以是被取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。

再者，在步驟530中，更可以包括將電壓的多點取樣的值分別加上一電壓漂移補償值後，再進行方均根的計算，以得到該電壓方均根值。其中，電壓漂移補償值可以是被取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。

第6圖為本發明所揭露之第三實施例之電力計算的方法的示意圖，亦適用於如第1圖所示之無線電力系統100之電力接收端。本發明所揭露之電力計算的方法可用以進行無線電力系統100的異物偵測，或是效率最佳化等等工作。進行電力計算的方法，首先是分別對穩壓器的輸入電流或輸出電流，以及穩壓器的輸入電壓或輸出電壓同時進行取樣，以分別得到一電流取樣值以及一電壓取樣值。值得注意的是，對輸入電流(電壓)或是輸出電流(電壓)進行取樣的決定、在本實施例中的取樣方式、以及電壓和電流訊號的取樣技術，可以參考第3圖所示之第一實施例中的相關說明，故在此不另贅述。

然後，將電流取樣值以及電壓取樣值相乘，並除以一電力接收端效率值，以得到一瞬間接收電力值。電力接收端效率值的相關說明，可以參考第3圖所示之第一實施例中的相關說明，故在此不另贅述。

進一步說明，電力效率參數通常並非一個固定值，而是電流的函數。例如在第3圖中所示，本實施例的電力接收端效率值係為電流取樣值的函數。因此，在電流進行取樣後，即可據以得知其對應之電力接收端效率值而進一步處理，得到接收電力值。假設進行N點之多點取樣的偵測電壓分別為V₁ 、V₂ 、…、V_N ，進行N點之多點取樣的偵測電流分別為I₁ 、I₂ 、…、I_N ，其對應之電力接收端效率值分別為E₁ 、E₂ 、…、E_N ，則可得到如下列之第(3)式以得到接收電力值P：

第7圖為本發明所揭露之第四實施例之電力計算的方法的示意圖。第7圖所揭露之第四實施例與第6圖所揭露之第三實施例之不同之處，在於第四實施例中增加了電壓漂移補償以及電流漂移補償的功能，其他的部分則可以直接參考第三實施例的相關說明。

如第7圖所示，在進行電流和電壓的取樣之後，由於進行取樣的電路可能存在漂移，因此可以將電流和電壓的取樣值分別加上電流漂移補償值以及電壓漂移補償值，以得到更為準確的電流取樣值以及電壓取樣值。其中由實作中發現，電流漂移補償值以及電壓漂移補償值可以歸納為偵測電流的函數，以得到最佳的補償效果。因此，可以如圖所示，根據該函數而以偵測電流的大小進行不同程度的補償。當然電流漂移補償值以及電壓漂移補償值也可以是一個定值，或是其他參數的函數值。本領域具有通常知識者，皆可以依照其應用的不同，而依照本發明所揭露的精神作最佳化的設計。

進一步說明，假設對應於偵測電壓V₁ 、V₂ 、…、V_N 之電壓漂移補償值分別為V_os1 、V_os2 、…、V_osN ，且對應於偵測電流I₁ 、I₂ 、…、I_N 之電流漂移補償值分別為I_os1 、I_os2 、…、I_osN ，並分別對應於電力接收端效率值E₁ 、E₂ 、…、E_N ，則可得到如下列之第(4)式以得到接收電力值P：

第8圖為對應於第6圖所揭露之本發明之第三實施例而歸納出的步驟流程圖，包含下列步驟：

如步驟810所示，對電力接收端中所包含的一穩壓單元的輸入電流或輸出電流進行電流取樣，並同時對穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓進行電壓取樣，以分別得到電流取樣值以及電壓取樣值。

如步驟830所示，將電流取樣值以及電壓取樣值相乘，並除以一電力接收端效率值，以得到一瞬間接收電力值，其中電力接收端效率值係為該電流取樣值的一函數。

如步驟850所示，重覆進行電流取樣以及電壓取樣若干次，並計算得到若干個瞬間接收電力值後，計算若干個瞬間接收電力值之平均值，以得到一接收電力值。

如步驟870所示，將接收電力值傳送至該無線電力系統之一電力發射端，以進行異物偵測。

另外，在步驟810中，更可以包括將電流的取樣結果加上一電流漂移補償值後，以得到該電流取樣值。其中，電流漂移補償值可以是被取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。

再者，在步驟810中，更可以包括將電壓的取樣結果加上一電壓漂移補償值後，以得到該電壓取樣值。其中，電壓漂移補償值可以是被取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。

雖然本發明之實施例揭露如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及數量當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

510、530、550、570、590‧‧‧步驟

Claims

一種電力計算的方法，適用於一無線電力系統之一電力接收端，用以進行該無線電力系統的異物偵測，該電力計算的方法包含以下步驟：對該電力接收端中所包含的一穩壓單元的輸入電流或輸出電流進行多點取樣，並就電流的多點取樣的結果進行方均根的計算，以得到一電流方均根值；對該穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓進行多點取樣，並就電壓的多點取樣的結果進行方均根的計算，以得到一電壓方均根值；將該電壓方均根值乘以該電流方均根值，並又乘上一夾角的餘弦值，以得到一穩壓單元電力值，其中該夾角相關於所取樣的穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓，以及所取樣的穩壓單元的輸入電流或輸出電流之間的訊號相位差；將該穩壓單元電力值除以一電力接收端效率值，以得到一接收電力值，其中該電力接收端效率值係為該電流方均根值的一函數；以及將該接收電力值傳送至該無線電力系統之一電力發射端，以進行異物偵測。
如請求項第1項所述之電力計算的方法，其中得到該電流方均根值的步驟中，更包含將電流的多點取樣的值分別加上一電流漂移補償值後，再進行方均根的計算，以得到該電流方均根值。
如請求項第2項所述之電力計算的方法，其中該電流漂移補償值係為被取樣的該穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。
如請求項第1項所述之電力計算的方法，其中得到該電壓方均根值的步驟中，更包含將電壓的多點取樣的值分別加上一電壓漂移補償值後，再進行方均根的計算，以得到該電壓方均根值。
如請求項第4項所述之電力計算的方法，其中該電壓漂移補償值係為被取樣的該穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。
一種電力計算的方法，適用於一無線電力系統之一電力接收端，用以進行該無線電力系統的異物偵測，該電力計算的方法包含以下步驟：對該電力接收端中所包含的一穩壓單元的輸入電流或輸出電流進行電流取樣，並同時對該穩壓單元的輸入電壓或輸出電壓進行電壓取樣，以分別得到一電流取樣值以及一電壓取樣值；將該電流取樣值以及該電壓取樣值相乘，並除以一電力接收端效率值，以得到一瞬間接收電力值，其中該電力接收端效率值係為該電流取樣值的一函數；重覆進行電流取樣以及電壓取樣若干次，並得到對應的若干個瞬間接收電力值後，計算該若干個瞬間接收電力值之平均值，以得到一接收電力值；以及將該接收電力值傳送至該無線電力系統之一電力發射端，以進行異物偵測。
如請求項第6項所述之電力計算的方法，其中進行電流取樣的步驟中，更包含將電流的取樣結果加上一電流漂移補償值後，以得到該電流取樣值。
如請求項第7項所述之電力計算的方法，其中該電流漂移補償值係為被取樣的該穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。
如請求項第6項所述之電力計算的方法，其中進行電壓取樣的步驟中，更包含將電壓的取樣結果加上一電壓漂移補償值後，以得到該電壓取樣值。
如請求項第9項所述之電力計算的方法，其中該電壓漂移補償值係為被取樣的該穩壓單元的輸入電流或輸出電流的一函數。