TWI705639B - 無線電力電路、無線接收電力的方法及接收器電路 - Google Patents

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Abstract

根據本發明的各態樣，提出了一種無線電力電路。在某些實施方式中，無線電力電路包含一或更多高側電晶體；一或更多低側電晶體電與一或更多高側電晶體串聯耦接，其中一或更多低側電晶體可以被控制為電流源。

Description

無線電力電路、無線接收電力的方法及接收器電路
本揭露主張2018年7月2日申請之美國申請案第16/025,779號以及2017年7月6日申請之美國臨時申請案第62/529,391號，各以全文引用的方式併入本文中。
本發明的實施方式係有關一種無線電力接收器，並且具體地，尤其是一種無線電力接收器限流之操作。
行動裝置，例如智慧電話、平板電腦、可穿戴裝置和其他裝置越來越多地使用無線電力充電系統。無線傳輸電力有多種不同的標準，它們利用各種不同的傳輸頻率。使用的頻率可以廣泛變化，例如從小於100KHz到超過6.78MHz。
用於電力的無線傳輸之更常見的幾個標準包含無線電力聯盟(A4WP)標準與無線充電聯盟標準，Qi標準。在A4WP標準下，例如，上到50瓦的電力可以以大約6.78MHz的電力傳輸頻率來被電感式傳輸至在線圈附近的多個充電裝置。在無線電力聯盟下，Qi規格書中，諧振電感耦接系統被利用來以單一裝置的諧振頻率來充電該單一裝置。在Qi標準中，接收裝置線圈放置在發射線圈附近，而在A4WP標準中，接收裝置線圈放置在發射線圈附近， 可能與屬於其他充電裝置的其他接收線圈一起放置。
然而，在發射器/接收器無線電力傳輸系統中，接收器中可能出現的過電壓狀況會出現問題。這種過電壓條件會對接收器的組件造成電應力。此外，可以施行的有些過電壓保護電路干擾無線電力發射器與無線電力接收器之間的雙向或帶內通訊，這影響發射器/接收器電力傳輸系統的操作。
多件公開案對此類應用感興趣。Sandner等人的美國專利申請案公開號US 2015/0263511 A1描述了基於監視整流之電壓的過電壓保護電路，其判斷過電壓狀況是否存在，而操作鉗位或使用整流電路的電晶體以回應過電壓狀況。Luzzi等人的美國專利申請案公開號US 2011/0080152 A1描述了電壓調節調製電路，其包含可調整組抗電路以維持輸入電壓的振幅。Rapakko等人的美國專利申請案公開號US 2015/0222330 A1及美國專利申請案公開號US 2013/0130621 A1描述了通訊電路，其在無線電路傳輸時工作。然而上述的公開案皆未解決前述之問題。
因此，需要開發更好的無線接收器技術。
根據本發明的各態樣，提出了一種無線電力電路。在某些實施方式中，無線電力電路包含一或更多高側電晶體；一或更多低側電晶體電與一或更多高側電晶體串聯耦接，其中一或更多低側電晶體可以被控制為電流源。另外，可程式化電流源可用於控制通過用作電流源的電晶體之電流。
這些與其他實施方式進一步參考隨附圖式加以討論如下。
在以下說明中，特定細節係被揭露以描述本發明的某些實施方式。然而，應了解的是，對於熟習於本技藝者而言，某些實施方式可以在沒有部份或所有這些特定細節下加以實施。於此所揭露之特定實施方式係用為例示性而非限制性。熟習於本技藝者可以了解，雖然並未在此明確說明，但其他元件仍在本揭露的範圍與精神之內。
本說明與例示發明態樣與實施例之附圖不應被認定為限制，申請專利範圍界定所保護的發明。各種變化可以在不脫離本案說明書與申請專利範圍的精神與範圍下加以完成。在某些實例中，已知結構與技術並未被詳細顯示或描述，以避免模糊本發明。
參考一實施方式詳細描述的元件與其相關態樣只要可行就可以包含在其他並未被詳細顯示或描述的實施方式內。例如，如果一元件詳細參考一實施方式加以描述但並未參考第二實施方式加以描述，該元件仍可以被主張包含在該第二實施方式中。
圖1例示用於無線傳輸電力的系統100。如於圖1所例示，無線電力發射器102驅動線圈106，以產生磁場。電力供應器104提供電力給無線電力發射器102。電力供應器104可以例如為電池為主的供應器或者也可以為例如，120伏60Hz的交流電流所供電。無線電力發射器102典型依據無線電力標準之一，典型以一頻率範圍驅動線圈106。
用於電力的無線傳輸有幾個標準，包含無線電力聯盟(A4WP)標準與無線充電聯盟標準，Qi標準。在A4WP標準下，例如，上到50瓦的電力可以以大約6.78MHz的電力傳輸頻率而被電感式傳輸至在線圈106附近的多個充電裝置。在無線電力聯盟下，Qi規格書中，諧振電感耦接系統被利用來以單一裝置的諧振頻率來充電該單一裝置。在Qi標準中，線圈108被放置貼近線圈106，而在A4WP標準中，線圈108與屬於其他充電裝置的其他線圈被一起放置接近線圈106。圖1描繪一般化無線電力系統100，其操作在這些標準之任一者下。
如圖1所進一步例示，為線圈106所產生的磁場在線圈108中感應電流，這造成電力被接收在接收器110中。接收器110自線圈108接收電力並提供電力給負載112，其可代表行動裝置的電池充電器及/或其他組件。接收器110典型包含整流部，以將所接收交流電力轉換為直流電力給負載112。負載112可以代表行動裝置的其他組件，包含處理器、電池充電器、顯示器等。
在無線電力傳輸期間可能出現這種情況，其中由發射器(Tx)102傳遞到接收器(Rx)110的電力量可能導致Rx 110上的過電壓(OV)狀況，這反過來可能導致電過載(EOS)和Rx 110的損壞。再者，Rx 110可以包含反應調變(例如，反應基於振幅移位鍵(ASK)調變)，以便與發射器102進行帶內通訊。在輕電力傳輸級(輕負載)處，現有基於反應(電容性)的ASK調變技術通常具有差的信號雜訊比(SNR)，並且在一些操作條件下，表現出調變反轉。這些差的信號雜訊比和調變反轉可以防止Rx 110與提供電力的Tx 102可靠地通訊。由此導致的通訊損失可能給發射器/接收器充電系統帶來困難。
以前的過電壓保護(OVP)使用了兩種方法：(1)有源箝位(active clamp)或(2)將接收線圈短接到地極的機構。在第一種方法中，有源箝位(有時帶有分立外部電阻器以消耗電力)連接到整流器的輸出端(VRECT)。有源箝位可用於消耗發送到Rx 110的額外電力。額外電力的消耗主要集中在Rx 110的積體電路中及/或耦接到RX 110的積體電路的外部串聯電阻器中。同時，Rx 110使用例如帶內通訊與Tx 102通訊，以請求Tx 110提供更少的電力(或甚至在極端情況下終止電力傳輸)。然而，當電力消耗時，該技術可能導致接收器110的發熱，並且可能干擾帶內通訊。
在第二種方法中，接收器110的整流器(其包含低側和高側電晶體)可用於將接收線圈108短接到地極。特別地，可以同時完全增強(開啟)地極參考(低側) MOSFET，將Rx線圈108短接到地極。現在，在接收器110的積體電路與接收線圈108的直流電阻(DCR)之間分配額外電力的消耗。然而，該方法防止從RX 110到TX 102的帶內通訊，並且需要在Tx 102處的逾時、過電流保護(OCP)故障、或其他故障機制來終止從TX 102到RX 110的電力傳輸。該方法進一步防止任何傳輸到RX 110的整流器的輸出端之電力。此外，該方法可能在Rx 110/Tx 102系統中引起危險的大電流，這可能導致對Rx 110和Tx 102的災難性損壞。當RX 110的整流器恢復正常操作時，經常發生大電流。
先前的輕負載調變緩解技術可以包含藉由添加與主調變電容器並聯的附加外部電容器來增加RX 110中的反應調變深度。在其他實施方案中，可以將外部電阻器與調變電容器串聯添加以產生電阻性ASK調變路徑，其在輕負載時更有效並且不具有調變反轉問題。然而，由於為有效管理所產生的電力消耗而有電阻器必須的尺寸，外部電阻性調變在應用中是不希望的。
圖2例示接收器電路200的一部分的實施方式，根據本發明的某些實施方式。如圖2所例示，接收器線圈210和電容器212串聯耦接，並且在線圈210的一端部處界定電壓點AC1 222，並且在電容器212的與線圈210反向的端部處界定AC2 224。
全整流器橋由高側電晶體202和204以及低側電晶體208和206所形成。在某些實施方式中，電晶體202、204、206和208可以是MOSFET。如圖2所例示，高側電晶體202耦接在電壓線VRECT與AC1 222之間。高側電晶體204耦接在VRECT與AC2 224之間。低側電晶體208耦接在AC1 222與地極之間。低側電晶體206耦接在AC2 224與地極之間。高電晶體202、高電晶體204、低電晶體208和低電晶體206的閘極耦接到閘極控制器216。在正常操作期間，電晶體被驅動，使得切換電晶體206與電晶體202，切換電晶體204與電晶體208。結果是接收線圈210接收電力，並且由電晶體202、204、206和208所形成的全波整流器產生DC電壓VRECT。
如圖2所例示，調變214耦接到VRECT，並且可以藉由調變耦接到VRECT的負載來提供ASK調變。調變214可以是反應調變器，並且可以利用調變的電阻或電容性類型。在某些實施方式中，調變214可以耦接到AC1 222及/或AC2 224，以包含與AC1 222和AC2 224中的一者或更多者耦接的反應電容器，以針對帶內通訊提供最大效果。
如圖2中進一步所例示，高側電晶體202的閘極由電路226所驅動，電路226接收電晶體206的閘極電壓G1和信號Dis_hs。電路226根據電晶體206的閘極電壓G1驅動電晶體202的閘極，除非信號Dis_hs被落實(asserted)，在這種情況下電晶體202保持在關閉狀態。類似地，高側電晶體204的閘極由電路228所驅動，電路228接收電晶體208的閘極電壓G0和信號Dis_hs。電路228根據電晶體208的閘極電壓G0驅動電晶體204的閘極，除非信號Dis_hs被落實，在這種情況下電晶體204保持在關閉狀態。
另外，過電壓保護電路220耦接在AC1 222與地極之間，並且可以檢測在AC1 222處的過電壓狀況。相似地，過電壓保護電路218耦接在AC2 224與地極之間，並且可以檢測在AC2 224處的過電壓狀況。在某些實施方式中，不使用OVP電路220和218中的一者或另一者。
在某些實施方式中，當在OVP 220或OVP 218中檢測到過電壓保護條件時，Dis_hs被落實以關閉電晶體202和204兩者，並且電晶體208和206被驅動。在那種情況下，低側電晶體208和206用作電流源以將過量電荷轉移到地極。關閉電晶體202和204以避免從VRECT到地極的貫通電流。
在過電壓事件期間，圖2的實施方式中所例示的配置消耗了接收器200的整流器電路內的過量電力。可以藉由調節通過OVP電路218和220中的電晶體206和208的電流來控制消耗的電力量。此外，在管理過電壓事件的同時，能量可以繼續被發送到接收器200的整流器電路。另外，允許與對應的發射器102通訊的調變214可以在過電壓事件期間繼續。
此外，OVP 218和OVP 220作為電流源，具有顯著的輕負載調變優勢。系統影響是分散的，因此不受調變反轉的影響。再者，可以在事件期間和正常操作期間精確地調整調變深度，以優化電力傳輸效率與通訊通道的信號雜訊比。
圖3例示接收器200的實施例，根據本發明。如圖3所例示，如上所述的控制器216的實施例可以包含比較器CMP1 302，其被耦接以將地極與AC1 222進行比較並將閘極信號G0提供給電晶體208，以及比較器CMP2 304，其被耦接以將地極與AC2 224進行比較並提供閘極信號G1到電晶體206。
如圖3所例示並且如上所述，電晶體202、204、206、和208(其可以是MOSFET)形成接收器200的整流器電路。在正常操作中，根據閘極信號G1切換電晶體202與電晶體206，並且根據閘極信號G0切換電晶體204與電晶體208。比較器cmp1 302和cmp2 304是用於正常整流器切換操作的驅動器。
在圖3所例示的實施例中，過電壓保護電路220包含可程式化電流源I1 306和串聯耦接在I1 306與地極之間的電晶體308和310。運算放大器312驅動電晶體308的閘極，而電晶體310的閘極由cmp1 302所驅動。運算放大器312接收來自cmp1 302的閘極信號G0以及AC1 222的輸入。
相似地，過電壓保護電路218包含可程式化電流源I2 316和串聯耦接在I2 316與地極之間的電晶體318和320。運算放大器322驅動電晶體318的閘極，而電晶體320的閘極由cmp2 304所驅動。運算放大器322接收來自cmp2 304的閘極信號G1以及AC2 224的輸入。
可程式化電流源I1 306和I2 316可以是數位可程式化電流源。這樣，可以經由在解調器中從對應的發射器接收的通訊來無線地程式化他們，分別由OVP 220和218程式化，或者可以由其他控制算法控制。如圖3中進一步所例示，OVP 220的電流控制電路由來自cmp1 302的輸出信號G0啟用，而OVP 218的電流控制電路由來自comp2 304的輸出信號G1啟用。
Op1 312和op2 322是運算放大器。當啟用時，op1 312控制電晶體308，使得經由電晶體208的電流鏡像經由電晶體308和電晶體310的電流。當啟用時，op2控制電晶體318，使得經由電晶體206的電流鏡像經由電晶體318和320的電流。
在某些實施方式中，在正常整流器操作模式期間，電晶體308和318關閉，並且比較器cmp1 302和cmp2 304分別驅動電晶體208和206的閘極，以便交替地開啟電晶體208和206，如上所述。在某些實施方式中，可以使用電晶體308和318，只要可程式化電流源I1 306和I2 316被程式化為高於系統的自然電流水平。
當發生過電壓事件時，可以採取多種措施。這些動作包含，電晶體208和206兩者可以同時開啟，視需要覆蓋比較器cmp1 302和cmp2。op1 312和op2 322的電流限制功能分別設置經由電晶體208和206的電流，如分別在可程式化電流源306和316中程式化。當電晶體208和206都開啟時，預測沒有電流流到VRECT。在過電壓箝位操作期間，電晶體202和204可以被關閉以避免從VRECT到GND的貫通電流。在某些實施方式中，可以在正常操作的變化中一次開啟一側。
再者，可以針對調變214中的較大SNR增加調變深度。除了可程式化電流源I1 306或I2 316(視情況而定)將經由電晶體208或電晶體206的電流設置為略低於自然系統電流之外，發生正常操作。這導致電晶體308或電晶體206中的額外電力消耗，而因此可以提供期望的調變深度並且增加SNR。
總之，提出了一種無線電力接收器。無線電力接收器包含四(4)個開關，其中在接收器的正常操作期間可以將一或更多開關控制為電流源。這些電流源可用於增加調變深度、保證正調變、以及增加通訊SNR。在故障狀態期間，可以將一或更多開關控制為電流源。
在過電壓故障期間，這些電流源藉由消耗能量提供對電過載的保護。在過電壓故障期間，該些電流源藉由防止在該整流器輸出端上的過大電壓來提供保護免於電過載。在過電壓故障期間，這些電流源允許在整流器輸出端上調節定電壓。在OV事件期間使用這些電流源允許ASK通訊。其中，使用該電流源防止系統在該移除該過電壓故障後損壞。其中，該電流源中的一者或更多者可被同時啟動以增加該保護的該有效性。
以上詳細說明係提供以例示本發明之特定實施方式並不是想要作限定用。在本發明的範圍內的各種變化與修改仍有可能。本發明係被揭示於以下申請專利範圍中。
100‧‧‧系統102‧‧‧無線電力發射器104‧‧‧電力供應器106‧‧‧線圈108‧‧‧線圈110‧‧‧接收器112‧‧‧負載200‧‧‧接收器電路202‧‧‧高側電晶體204‧‧‧高側電晶體206‧‧‧低側電晶體208‧‧‧低側電晶體210‧‧‧接收器線圈212‧‧‧電容器214‧‧‧調變216‧‧‧閘極控制器218‧‧‧過電壓保護電路220‧‧‧過電壓保護電路222‧‧‧電壓點224‧‧‧電壓點226‧‧‧電路228‧‧‧電路302‧‧‧比較器304‧‧‧比較器306‧‧‧可程式化電流源308‧‧‧電晶體310‧‧‧電晶體312‧‧‧運算放大器316‧‧‧可程式化電流源318‧‧‧電晶體320‧‧‧電晶體322‧‧‧運算放大器AC1‧‧‧電壓點AC2‧‧‧電壓點C0‧‧‧電容器C1‧‧‧電容器OVP‧‧‧過電壓保護VRECT‧‧‧整流器的輸出端G0‧‧‧閘極電壓G1‧‧‧閘極電壓Dis_hs‧‧‧信號M0‧‧‧電晶體M1‧‧‧電晶體M3‧‧‧電晶體M4‧‧‧電晶體M5‧‧‧電晶體M6‧‧‧電晶體M7‧‧‧電晶體M8‧‧‧電晶體I1‧‧‧可程式化電流源I2‧‧‧可程式化電流源Rx‧‧‧接收器Op1‧‧‧運算放大器Op2‧‧‧運算放大器cmp1‧‧‧比較器cmp2‧‧‧比較器Programmable I source‧‧‧可程式化電流源
圖1例示無線電力傳輸系統。
圖2例示依據本發明之某些實施方式之接收器。
圖3例示依據本發明之某些實施方式之接收器。
200:接收器電路
202:高側電晶體
204:高側電晶體
206:低側電晶體
208:低側電晶體
210:接收器線圈
212:電容器
214:調變
216:閘極控制器
218:過電壓保護電路
220:過電壓保護電路
222:電壓點
224:電壓點
226:電路
228:電路

Claims (20)

  1. 一種無線電力電路，包括：串聯耦接至介於AC1節點與AC2節點的接收線圈；整流電路，該整流電路包含：一或更多耦接至介於輸出電壓與該AC1節點或AC2節點的高側電晶體；及一或更多低側電晶體，與該一或更多耦接至介於該AC1節點或AC2節點與地極的高側電晶體串聯耦接；至少一過電壓保護電路，耦接至一或更多該AC1節點與AC2節點，每一該至少一過電壓保護電路包含耦接至介於可程式化電流源與地極間的串連耦接電晶體之該可程式化電流源；以及控制器，耦接至該至少一過電壓保護電路與該整流電路的該一或更多高側電晶體的閘極及該一或更多低側電晶體的閘極，該控制器配置成控制該一或更多高側電晶體及該一或更多低側電晶體以在正常操作中將介於該AC1節點與該AC2節點的電壓整流，且該控制器進一步配置成控制該一或更多低側電晶體，藉由控制來自該可程式化電流源的電流使得該一或更多低側電晶體可被控制為電流源。
  2. 如請求項1之無線電力電路，其中，該控制器及該至少一過電壓保護電路設定成控制通過該電流源的該一或更多低側電晶體的電流以增加通訊通道調變深度。
  3. 如請求項2之無線電力電路，其中，控制通過該一或更多低側電晶體的電流以提供正調變。
  4. 如請求項2之無線電力電路，其中，該通訊通道的信號雜訊比增加。
  5. 如請求項1之無線電力電路，其中，控制該電流源以回應故障。
  6. 如請求項5之無線電力電路，其中，該故障是過電壓故障。
  7. 如請求項6之無線電力電路，其中，控制該電流源以藉由消耗能量來提供保護免於電過載。
  8. 如請求項6之無線電力電路，其中，該電流源藉由防止在整流器輸出端上的過大電壓提供保護免於電過載。
  9. 如請求項6之無線電力電路，其中，該電流源允許在整流器輸出端上調節定電壓。
  10. 如請求項6之無線電力電路，其中，該電流源允許在過電壓事件期間進行ASK通訊。
  11. 如請求項6之無線電力電路，其中，該電流源防止系統在該移除該過電壓故障後損壞。
  12. 如請求項6之無線電力電路，其中，該電流源可被同時啟動以增加保護的有效性。
  13. 一種無線接收電力的方法，包括：操作具有複數電晶體之整流器，以從接收線圈接收電力，該複數電晶體包含耦接介於輸出電壓與該接收線圈的高側電晶體及耦接介於該接收線圈與地極的低側電晶體；以及控制該複數電晶體中的一者或更多可程式化電流源以控制通過該低側電晶體的電流作為電流源。
  14. 如請求項13之方法，進一步包含控制該複數電晶體的電流以增加調變器的調變深度。
  15. 如請求項13之方法，進一步包含控制該複數電晶體的電流，以提供調變器的正調變。
  16. 如請求項13之方法，其中，控制該複數電晶體中的一者或更多者包含控制該複數電晶體中的該一者或更多者，以提供過電壓保護。
  17. 一種接收器電路，包括：接收線圈，與電容串聯耦接以形成第一節點和第二節點；第一電晶體，耦接在該第一節點與電力線之間；第二電晶體，耦接在該第二節點與該電力線之間；第三電晶體，耦接在該第一節點與地極之間；第四電晶體，耦接在該第二節點與地極之間；控制器，耦接以驅動該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、和該第四電晶體的該閘極；以及過電壓保護電路，其包含耦接至該第三及第四電晶體之可程式化電流源以控制電流，其中，在正規操作期間，該控制器電路一起切換該第一電晶體和該第四電晶體以及一起切換該第二電晶體和該第三電晶體，以接收該電力線的電力，以及其中，在過電壓事件期間，該過電壓保護電路操作以控制該第三電晶體和該第四電晶體的電流且關閉該第一電晶體和該第二電晶體。
  18. 如請求項17之接收器電路，其中，該控制器包含比較器，以驅動該第一電晶體、該第二電晶體、該第三電晶體、和該第四電晶體的該閘極。
  19. 如請求項17之接收器電路，其中，在正常操作期間， 該可程式化電流源可控制通過該第三電晶體和該第四電晶體的該電流。
  20. 如請求項19之接收器電路，進一步包含調變器，其中，控制該電流以提供調變深度。
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