TWI744659B - 提供恆定電壓或電流至電力負載之無線電力接收器電路及其方法 - Google Patents

Abstract

無線電力接收器電路及其方法，用於在無線電力傳輸系統中根據其所需而提供恆定電流或電壓給電力負載；當負載不需要電力而減少電力消耗以及避免不必要的熱量發散時，無線電力接收器電路配置來關閉接收器電路的諧振響應；此外，用來關閉諧振響應的無線電力接收器電路的開關裝置，可以在相對低頻運作且因此能用相對低速且相對便宜的元件來實現。

Description

提供恆定電壓或電流至電力負載之無線電力接收器電路及其方法

本創作係有關於一種接收器電路，尤指一種運用於無線電力傳輸系統中能無線地傳輸電力的接收器電路。本申請案具有與在2016年10月18日提交的標題為“跨可變區的多個接收器設備的無線電力傳輸”(Wireless Power Transfer To Multiple Receiver Devices Across A Variable-Sized Area,)的美國專利申請No.15/296,704中公開的主題有關，以及與在2017年7月9日提交的標題為“用於無線功率傳輸的集成功率發送器”(Integrated Power Transmitter for Wireless Power Transfer)的美國專利申請No.15/644,802中公開的主題有關，在此通過引用將其全部內容合併於此。

無線電力傳輸不需要人造導體來連接電源與電力負載就能從電源傳輸電能至電力負載。無線電力傳輸系統包括發射器和一個或多個接收器裝置。發射器與電力源電性耦合且將電力轉換至時變電磁場。一個或多個接收器裝置從電磁場接收電力並將接收到的電力轉換回電流，該電流被接受器裝置的一部份或是電性耦合至接收器裝置的電力負載所利用。

接收器裝置被配置在發射器正在操作的特徵頻率下諧振，以便從近電磁場接收電力。接收器裝置將從近電磁場接收到的電力轉換成電流，然後用來為接收器裝置的一部分的或與接收器設備電性耦合之負載供電。

與在無線電力傳輸系統中使用的電流接收器裝置相關的困難之一是確保提供所需的恆定電壓或電流至電力負載。與在無線電力傳輸系統使用的電流接收器裝置相關的另一個困難是當負載不需要電力時，缺少用於關閉接收器裝置的諧振響應之機制。當不需要電力時，如果諧振響應沒有被關閉，就算負載沒有在使用可用的電力中的大部分，接收器裝置都將會浪費電力且耗散發熱量。在提供用於關閉諧振響應的機制的已知接收器裝置中，機制通常包括使用昂貴的高速元件所實現的高速開關電路。

需要一種用於無線電力傳輸系統的接收器裝置以能提供負載其所需的恆電壓或電流。以及需要一種用於無線電力傳輸系統的接收器裝置以能在負載不需要電力時關閉諧振響應，得以減少功耗以及避免不必要的熱量耗散。

參考以下圖式可以更好理解本發明的許多方面。圖式中的元件不一定是按比例繪製，而是強調明確地說明本發明的原理。此外，在圖式中，貫穿幾個角度，相似的元件編號指出為對應的部分。

先前技術之元件符號表

1:無線電力接收器電路

11:二極體

12:能量儲存裝置

14:比較器

15:參考端

16:輸入端

2:負載

3-6:方塊

7:電容器

8:電感器

9:開關

本發明之元件符號表

100、110、120、130、140、150、160、170、180、190:接收器電路

11:二極體

12:能量儲存裝置

121:電池或電化學電池

131:限流電阻器

14:比較器

15:參考端

151:電感器

161:線性調節器

171:或閘

173:控制電路

181:保險絲

191:使用者可控開關

21:負載

22:電感器

23:RF電源

24:電容器

26:開關

27:二極體

29:電容器

3:LC諧振器電路

31、32:電阻器

33:比較器

4:整流器電路

40:接收器電路

41:電感器

42:整流器二極體

50:接收器電路

6:阻抗

60:接收器電路

70:接收器電路

80:接收器電路

9:電性可控開關

90:接收器電路

圖1是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的方塊圖； 圖2是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖；圖3是圖2所示的電容器C1兩端電壓的時間函數圖，時間函數圖說明了一旦電容器C1兩端的RF電壓達到一足夠高的大小以開始對圖1所示的接收器電路的整流二極體D1進行正向偏置，則接收器電路進入充電週期；圖4是圖2所示的接收器電路的負載的兩端電壓的時間函數圖；圖5是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的實施例的一無線電力接收器電路的示意圖；圖6是圖5中的電容器C1的兩端電壓的時間函數圖；圖7是根據另一實施例之在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的無線電力接收器電路的示意圖

圖8是根據提供一恆定直流電流至無線電力接收器電路的負載的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖；圖9是根據提供一恆定直流電流至無線電力接收器電路的負載的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖；圖10是根據提供一恆定直流電流至無線電力接收器電路的負載的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖；圖11是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其使用n通道MOSFET電晶體來作為電性可控開關以關閉接收器電路的諧振響應； 圖12是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其使用n通道MOSFET電晶體來作為電性可控開關以關閉接收器電路的諧振響應；圖13是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其使用n通道MOSFET電晶體來作為電性可控開關以關閉接收器電路的諧振響應；圖14是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一可充電池或電化學電池；圖15是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一可充電池或電化學電池；圖16是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一低通RC電路，低通RC電路包括電阻器R3及電容器C4而減小了負載電壓中的波紋；圖17是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一低通LC電路，低通LC電路包括電感器L2及電容器C4而減小了負載電壓中的波紋。

圖18是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一線性調節器IC2來減小負載電壓的波紋； 圖19是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一控制電路，配置來關閉接收器電路的LC共振腔，在某些時間或基於某些條件；圖20是根據在一無線電力傳輸系統中提供熱保護的另一實施例的無線電力PWM接收器電路180的示意圖，其包括一熱敏保險絲或開關，如果一溫度超過某個預定閾值時來避免接收器電路的LC共振腔接收到電力；以及圖21是根據在一無線電力傳輸系統中可來無線地接收電力的另一實施例的無線電力接收器電路的示意圖，其包括一使用者可控開關，可被使用者開啟或關閉來允許使用者去啟動或反啟動接收器電路。

根據本實施例所描述，用於無線電力傳輸系統的無線電力接收器電路設置來根據需求而提供一恆定電流或電壓至一電力負載。無線電力接收器電路配置為當負載不需要電力時會關闢諧振響應來減少供耗以及避免不必要的熱量耗散。此外，用於關閉諧振響應的無線電力接收器電路的開關裝置可以在相對低的頻率下運作。因此，開關裝置可以用相對較低的速度而以相對較低的花費，便宜的元件來實現。

現在將參考附圖描述示範或代表性的實施例，其中相同的參考元件符號表示相同的部件，元件或特徵。應當注意的是，附圖中的特徵，元件或組件並非旨在按比例繪製，而是著重於展示發明原理和概念。

在以下詳細描述中，出於解釋而非限制的目的，闡述公開具體細節代表性實施例便提供對發明原理和概念的透徹理解。然而，對於受 益於本公開的本領域的普通技術人員將明顯得是顯而易見的是，脫離于本文所公開的具體細節的根據本教導的其它實施例保留在隨附權利要求的範圍內。此外，可以省略習知設備和方法的描述，以免使示例性實施例的描述模糊。如本領域技術人員將理解的這些方法和設備顯然在教導的範圍內。還應該理解的是，本文所使用的詞語“示例”旨在本質上是非排他性和非限制性的。

在此使用的術語僅是用於描述特定實施例而非限制。所定義的專門名詞是在相關上下文中通常理解和接受的已定義術語的技術，科學或普通含義的補充。

除非上下文另外明確指出，否則用語「一」和「該」包括單數和複數指代物。因此，例如“一設備”包括一個設備和多個設備。如附圖所示，相對術語可以用來描述各種元素彼此之間的關係。這些相對用語旨在涵蓋除附圖中描繪的取向之外的設備和/或元件的不同取向。

如本文中所使用的術語“恆定電壓”，係指電壓是基本恆定的，因為其隨時間的變化與平均值相比變化不超過約10%。類似地，如本文所使用的術語“恆定電流”是指電流基本恆定，因為其隨時間的變化與平均值相比變化不超過約10%。本文所描述的代表性實施例係針對一種接收器設備，該接收器設備將恆定的電壓或恆定的電流(取決於所需或期望的)遞送至電耦合於該接收器設備的電負載。

在第一設備被稱為連接或耦合到第二設備的情況下，這涵蓋可以採用一個或多個中間設備將兩個設備彼此連接的示例。相反地，在說第一設備直接連接或直接耦合到第二設備的情況下，這涵蓋其中兩個設備連 接在一起而沒有除了電連接器(例如電線，結合用材料等)以外的任何中間設備的示例。本文中所使用的片語“電性耦合至”可以表示兩個設備之間的無線電磁耦合或兩個設備之間的有線連接，具有或不具有用於將兩個設備互連的中間設備。

圖1是無線電力接收器電路的方塊圖，該無線電力接收器電路可用來無線地接收在無線電力傳輸系統的電力，例如美國專利申請案申請號No.15/296,704(以下稱作704申請案)所揭露的無線電力傳輸系統100，從一無線電發射器無線地接收電力。在圖1中，無線電力接收器電路1是一個脈衝寬度調變(pulse-width-modulated,PWM)的無線電力接收器電路，是由4個功能方塊3-6所組成來表示，每個功能方塊都執行一個或多個功能並具有至少一個輸入及輸出。

方塊3是一電感電容(LC)諧振電路，包括至少一個相互並連接的電容器7及一個電感器8，以及一個電性可控開關9。電性可控開關9由方塊6中的一輸出訊號所驅動，將在下面詳細描述。根據本實施例，當電性可控開關9處於斷開狀態，LC諧振電路，從一環境磁場接收無線射頻(radio frequency,RF)電力且輸出RF電力。從方塊3饋入RF電力傳進方塊4的一輸入端，將其轉換成直流電力，方塊4為將RF電力整流的一RF整流電路。在圖1中，RF整流器電路是一二極體11。從方塊4輸出的直流電力饋入至方塊5的一輸入端，方塊5包括與直流負載2並連接的一能量儲存裝置12。為了說明目的，能量儲存裝置12由如圖1所示的單電容所表示。

方塊5在其一輸出端輸出一輸出訊號至方塊6。輸出訊號與想要調整的參數(電壓或電流)成比例以至於能保持基本恆定。下面將更詳細 描述，在一些例子中，無線電力接收器電路1配置來傳遞一基本恆定直流電電流至直流電負載2，而在其他例子中，無線電力接收器電路1配置來傳遞一基本恆定直流電壓至直流電負載2。

從方塊5輸出的輸出訊號作為一輸入訊號饋送至方塊6的一輸入端，方塊6包括一比較器14，比較器14具有一預選遲滯量及一參考端15。比較器14將輸入訊號與在參考端15接收的一參考訊號進行比較，並且輸出一控制訊號，其具有基於無論輸入訊號大於參考訊號、小於或等於參考訊號的一數值。從方塊6輸出的控制訊號饋送方塊3的一控制訊號輸入端16。如上述，電性可控開關9的狀態是基於方塊6所輸出的控制訊號的數值而被控制(例如被啟動或反啟動)。電性可控開關9可為任何電壓控制開關，例如金屬氧化半導體場效應晶體管(a metal oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)、繼電器、互補金屬氧化物半導體(a complementary metal oxide semiconductor,CMOS)、以及一RF開關等。

包括4個方塊3-6的閉迴路用於調節從方塊5所輸出的訊號測得的負載參數，以至於確保一基本恆定電流或電壓被傳遞至直流電負載2，就算是負載阻抗或環境磁場強度改變時也恆定。

根據電性可控開關9的狀態，包括閒置狀態(開關9處於一第一狀態，例如開關9是閉合的)，及啟動狀態(開關9處於一第二狀態，例如斷開的，電路1具有2個狀態。根據本實施例，開關9的第一狀態是閉合狀態且開關9的第二狀態是斷開狀態，而接收器電路1的閒置與啟動狀態分別對應於開關9的閉合或斷開狀態。應當注意的是，在其他實施例中相反的情況也可以是正確的。為了描述發明原理及概念，下面討論假設當開 關9處於斷開狀態時電路1處於啟動狀態，而當開關9處於閉合狀態時，電路1處於閒置狀態。

當電路1處於啟動狀態時，開關9是被關閉(斷開狀態)，LC諧振器電路3因為感應電壓Vind而接收電力，使一RF電壓出現在電容器7的兩端。當LC諧振器電路3累積能量時，將存在一初始響鈴期(ring-up period)。一旦電容器7兩端的RF電壓達到足夠高的幅度去開始對一整流器電路4進行正向偏置，則電路1進入一充電期。整流器電路4將電容器7兩端的RF電壓進行整流，並且對方塊5的電容12進行充電而使其直流電電壓緩慢上升。當比較器14的輸入端同相的電壓超過電壓參考(VREF)時，比較器14的輸出切換成最大輸出電壓(例如邏輯高電位)，這導致電性可控開關9打開(閉合狀態)。此時，電路1進入閒置狀態。

當開關9被開啟，使電容7接地短路而且電容7的兩端的RF電壓下降至一非常低的程度。整流器二極體11接著被反向偏置，並避免電容器12放電到電感器8。電容12透過負載21緩慢放電而導致電容12兩端的電壓下降。比較器14設計為具有一預選遲滯量以至於當與比較器14的輸入端同相的電壓開始下降時，不會立即改變狀態。一旦與電容器C3 29(示於圖2)的輸入端同相的電壓下降某一特定量△V，由遲滯量所設定，則比較器14改變狀態且輸出其最小輸出值(例如邏輯低電位)。此時，電性可控開關9被關閉。電路1重新進入啟動狀態，並且重複此循環。

從上述描述可以看出LC諧振器電路在閒置期間被關閉，而且不再接收電力或散發熱量。這允許接收器電路1在環境磁場強度的一寬動態範圍內運作。在弱磁場中，接收器電路1將在PWM周期的很大一部分 時間是處於啟動狀態。在強磁場中，接收器電路1將在PWM周期的很大一部分時間中處於閒置狀態。在閒置狀態中，LC諧振器電路是失諧或非諧振。因此，對環境磁場的共振響應非常弱且/或不足道的，並且不再接收電力或散發熱量。換句話說，在閒置期間接收器電路1的諧振響應被關閉以避免接收電力或散發熱量。在閒置期間不會散發熱量而可改善接收器電路1的安全性及效率。

無線電力接收器電路1的方塊3-6中的每一個可以有多種配置。無線電力接收器電路的數個執行功能以及具有前述圖1所描述的特徵的範例將參考圖2-21所描述。應當注意的是，本發明的原理和概念不受限於圖2-21所示，以及可以根據上述參照圖1所描述的特徵以及執行的功能在這裡未具體顯示或描述的各種無線電力接收器電路。還應當注意的是，本揭露的無線電力接收器裝置不限於與任何特定無線電力發射器一起使用，而是可以與任何適當的無線電力發射器一起使用，並且可以在任何合適的無線電力傳輸系統中使用。

圖2是根據本發明一實施例之一無線電力接收器電路20的示意圖，該無線電力接收器電路20可用來在無線電力傳輸系統中無線地接收電力，例如704申請案揭露的無線電力傳輸系統100。根據本發明一實施例，無線電力接收器電路20是一PWM無線電力接收器電路以提供一恆定電壓至一電力負載21。一環境磁場驅動電感器L1 22，而感應出電壓Vind，如圖2中由與電感器L1 22串聯的一RF電源23所示。假定B表示與電感器L1 22的偶極矩平行的環境環境磁場分量，則電容器C1 24與電感器L1 22結合形成一個諧振LC共振腔電路，經調整而以在環境磁場B的震盪頻率下諧振。

依據電性可控開關S1 26的啟動狀態(開關S1 26關閉)及閒置狀態(開關S1 26開啟)，電路20具有2個狀態。開關S1 26可為任何電壓可控開關，例如一個或多個MOSFET電晶體、繼電器、一個或多個CMOS電晶體、RF開關等。當電路20處於啟動狀態時，開關S1 26被關閉，而且包括有L1 22和C1 24的共振腔電路因感應電壓Vind而接收電力，而在電容器C1 24的兩端產生一RF電壓。當LC共振腔電路累積能量時，將存在一初始響鈴期(ring-up period)。

圖3是電容器C1 24兩端電壓的時間函數圖。一旦電容器C1 24兩端的RF電壓達到一足夠高的大小以開始對整流二極體D1 27進行正向偏置，則電路20進入充電週期。整流器二極體D1 27對C1 24兩端的RF電壓進行整流，並且對一電容器C3 29進行充電而使其直流電壓緩慢上升。兩個電阻器R1 31與R2 32形成一個電阻分壓器，將電容器C3 29兩端的電壓的一部份提供給比較器IC1 33同相的輸入端。當比較器IC 33的同相輸入端上的電壓超過參考電壓VREF時，比較器IC1 33的輸出將切換為邏輯高電位。然後電性可控開關S1 26被開啟。此時，電路20進入閒置狀態。

當開關S1 26開啟時，其使電容器C1 24接地短路。開關S1 26較佳地具有低電阻以確保LC共振腔電路的Q非常低，並且電容器C1 24兩端的RF電壓降至非常低電位。然後整流器二極體D1 27被反向偏置，並防止電容器C3 29通過電感器L1 22而放電。電容器C3 29透過負載21緩慢放電而使其電壓下降。

根據本實施例，比較器IC1 33設計為具有一預選遲滯量，從而當比較器IC1 33的同相輸入端的電壓開始下降時不會立即進行充電。一旦電容器C3 29的同相輸入端的電壓下降一定量△V(由遲滯所設置)，比較器IC1 33就會改變狀態並輸出邏輯低電位，此時，電性可控開關S1 26被關閉。電路20重新進入啟動狀態，並且循環重複。

從上述描述可以看出，LC共振腔電路在閒置期間被關閉，而且不再接收電能或散發熱量。這允許接收器電路20在環境磁場強度的寬動態範圍內運作。在弱磁場中，接收器電路20將在PWM週期的大部分時間內處於啟動狀態。在閒置狀態時，諧振器，如LC共振腔會失諧或不諧振。因此，他對環境磁場的共振響應非常的弱且/或可以忽略，並且將不再接收電力或散發熱量。換句話說，在閒置期間，接收器電路20的諧振響應被關閉以防止接收器電路20接收電力和散發熱量。在閒置期間不會散發熱量而可改善接收器電路20的安全性及效率。

圖4是負載21兩端電壓的時間函數圖。負載21的兩端電壓被調節而具有小三角波波紋，且隨著時間而基本上為恆定。電壓隨時間變化僅在大約19.9v與21.7v之間變動。在此例中，平均電壓為20.8v。負載21兩端電壓與平均負載電壓之間的變化小於10%，通常小於5%。波紋的幅度由比較器IC1 33的遲滯所設置，並且可通過選擇具有較小的遲滯的比較器而減小。

如上所述，根據本實施例，比較器IC1 33設計成具有一預選遲滯量，以使當比較器IC1 33的同相輸入端的電壓開始下降時不會立即改變狀態。反而是，比較器IC1 33不會改變狀態，而且輸出一邏輯低電位直 到電容器C3 29的同相輸入端的電壓下降了一定的量△V(由遲滯所設置)之後。這特色允許接收器電路20在啟動狀態與閒置狀態之間切換頻率以顯著地低於環境磁場的振盪頻率。舉例來說，根據本發明原理與概念，接收器電路的切換頻率可以為低於環境磁場的10000或甚至是100000倍。因此，切換過程中所涉及到的接收器電路20的元件可以是相對比較低的速度、相對便宜的元件。

相反地，習知的PWM接收器電路沒有在比較器中包含足以使他們能以比環境磁場的震盪頻率低的多的基本頻率運作的一預選遲滯量。因此，他們以與環境磁場的震盪頻率相當的頻率進行切換。因為這頻率可能相對較高，所以切換過程中所涉及的電路元件也是相對高速的元件，通常都比低速元件更為複雜和昂貴。

圖5是根據可在無線電力傳輸系統中無線地接收電力的實施例的一無線電力PWM接收器電路40的示意圖。如圖4所示之無線電力PWM接收器電路40與圖2所示之PWM接收器電路20相同，除了圖5所示之接收器電路50包括與電感L1 22串聯接的一額外的電容器C0 41以及與電容C1 24並聯接的一額外整流器二極體D2 42。接收器電路40的運作與圖2所示之接收器電路20大部分都相同，除了預先選定C1 24與C0 40的比值以更有效地匹配包括C1 24、L1 22、及C0 41的LC共振腔電路與負載21之阻抗。

圖6是電容器C1 24兩端電壓的時間函數圖。整流器二極體D2 42的目的是為負載電流提供直流電路徑，因為電容器C0 41阻止了直流 電流經電感器L1 22。在啟動狀態期間，整流器二極體D2 42使直流電電荷在電容器C1 24累積，可以從如圖6所繪製的波形中所看到。

圖7是根據另一實施例之在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的無線電力PWM接收器電路50的示意圖。除了開關S1 26的位置改變了之外，PWM接收器電路50與圖5所示的PWM接收器電路40相同。接收器電路50的運作與圖2所示的接收器電路20的運作大部分相同。

如果C1 24/C0 41的電容比值太大，則當PWM電路40處於閒置狀態時，如圖5所示之接收器電路40將無法充分地使諧振共振腔電路失諧。如果LC共振腔電路無法被充分地失諧，則感應電壓Vind將產生較大的循環RF電流而散發熱量。這不僅浪費電力，而且也在接收器電路40中產生熱問題。如圖7所示之接收器電路50透過直接將電感器L1 22接電短路來解決這個問題，而不是只是透過將電容器C1 24接地短路。這保證了無論在C1與C0的比例如何，LC共振腔電路在閒置狀態下都會失諧。

參考圖2、5及7中個別所描述的3個PWM接收器電路20、40、50設計為向負載21提供恆定直流電電壓。然而，在某些情況下，負載需要恆定的直流電電流而不是直流電電壓。在實施例中，圖8、9及10顯示出無線電力PWM接收器電路個別地向負載21提供恆定直流電電流。

在如圖8、9及10分別所示之PWM接收器電路60、70、80中，負載21放置與電阻器R1 31串聯接。比較器IC1 33提供反饋，反饋使電阻器R1 31兩端的電壓保持非常接近參考電壓Vref。因為通過電阻R1 31 的電流等於通過負載21的電流，所以這些電路將迫使通過負載21的電流保持恆定。

圖2、5及7-10所示之電性可控開關S1 26可以用例如n-通道的MOSFET電晶體Q1 92所實現，如圖11、12及13所示。圖11、12及13個別是根據可用於一無線電力傳輸系統中無線地接收電力的一實施例的無線電力PWM接收器電路90、100及110的示意圖。PWM接收器電路90、100及110與圖2、5及7-10所示之PWM接收器電路非常相像，除了開關S1 26更換為n-通道的MOSFET電晶體Q1 92。PWM接收器電路90、100及110的運作與圖2所示之接收器電路20的運作基本相同以向負載21傳遞恆定直流電電壓。

在接受器電路90、100及110中，n-通道MOSFET電晶體Q1 92起到上述參考圖1的電性可控開關9的作用。然而，與理想開關不同，當其因MOSFET的內部二極體是從源極指向汲極時處於關閉狀態時，MOSFET電晶體Q1 92仍可以傳導電流。因此，為了將MOSFET Q1 92當開關運作，汲極的電壓不能比低於源極的二極體壓降更小。為了實現此條件，在圖11及13個別所示的接收器電路90及110中，將一額外電容器C2 91與MOSFETQ1 92串聯放置。當電路處於啟動狀態，電容器C2 91累積了直流電電荷，直流電電荷使MOSFETQ1 92相對於源極保持正電位。電容器C2 91的值應選擇足夠大以使其在LC諧振電路的諧振頻率下表現為RF短路。

如圖12所示的接收器電路100未使用電容器C2 91。在接收器電路100中，電容器C1 24累積了直流電電荷並起到其他兩個接收器電路90、110中的電容器C2 91的作用。

圖14是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力PWM接收器電路120的示意圖。PWM接收器電路120與圖2所示的PWM接收器電路20相同，不同之處在於接收器電路120包括一電池或電化學電池B1 121，如圖14所表示，接收器電路120的運作與圖2所示的接收器電路20大部分相同，不同處在於接收器電路120為電池或電化學電池B1 121進行充電。

電池或電化學電池B1 121與電容器C3 29並聯接，並且具有非常大的容量。因此，使接收器電路120可以具有非常低PWM頻率。當電池或電化學電池B1 121的電壓低的時候，接收器的電路120處於啟動狀態，並且電池或電化學電池B1 121用恆定的直流電電荷連續充電。恆定直流電電流的大小取決於Vind的大小，Vind的大小與環境磁場的強度成正比。在更強的場中，充電電流將更高，並且電池或電化學電池B1 121將能更快地充電。

一旦電池或電化學電池B1 121的電壓變成高到足以觸發比較器IC1 33，則電性可控開關S1 26被開啟且電路120進入閒置狀態。當接收器電路120處於閒置狀態時，電池或電化學電池B1 121通過負載21連續放電，導致電壓下降。一旦電池或電化學電池B1 121下降了由比較器IC1 33的遲滯決定的一定量，電性可控開關S1 26被停止，且電路120重新進入啟動狀態。

應當注意的是，如果在這些電路中將電池或電化學電池B1 121與電容器C3 29並聯放置，且如果電力水平被選擇為使直流電充電電流 無法超過電池或電化學電池B1 121可允許的最大充電電流，則圖2、5及7所示的恆定電壓PWM電路拓樸結構將與電池充電電路一樣好。

圖15是根據在一無線電力傳輸系統中用來無線地接收電力的另一實施例的無線電力PWM接收器電路130的示意圖。根據本實施例，接收器電路130以限流電阻器R3 131對電池或電化學電池B1 121進行充電。如果如圖14所示的接收器電路120的直流電充電電流超過電池或電化學電池B1 121的最大允許充電電流，一種選擇是通過增加與電池或電化學電池B1 121並聯接的限流電阻器R3 131來修改電路120，如圖15所示。

如圖15所示的接收器電路130具有額外的好處是電池或電化學電池B1 121和限流電阻器R3 131的組合起著如低通濾波器的效果，低通濾波器使負載21的電壓大致上平滑，而消除圖4所示中的在負載電壓上的三角波波紋。

應當被注意的是，如圖15所示的接收器電路130的PWM頻率是由電容器C3 29的值所決定，不同於圖14所示的接收器電路120的PWM頻率是由電池或電化學電池B1 121的容量所決定。

再次參考圖4，如上所述，接收器電路20的週期性切換在電容器C3 29兩端的電壓上引起小的三角波波紋。波紋的大小完全由比較器33的遲滯所設定，且可被選擇有相對較小或較大的遲滯的比較器來使其較小或較大。然而，遲滯是無法被消除的，因為遲滯的部份決定了PWM的頻率。如果負載21與電容器C3 29並聯接，則負載21的電壓也將具有相同的三角波波紋。

在某些應用中，波紋是不必要的。如圖15所示的接收器電路130具有電阻器R3 131與電池或電化學電池B1 121組合而有使負載21兩端的電壓平滑的低通濾波器的特性。使用無電池的低通RC或LC濾波器也能達到同樣效果，接著將參考圖16、17來描述。

圖16是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力PWM接收器電路140的示意圖。根據本實施例，接收器電路140包括一低通RC電路，低通RC電路包括電阻器R3 131及電容器C4 131。包括電阻器R3 131及電容器C4 131的低通RC電路減小了負載電壓中的波紋。

圖17是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力PWM接收器電路150的示意圖。根據本實施例，接收器電路150包括一低通LC電路，低通LC電路包括電感器L2 151及電容器C4 141。包括電感器L2 151及電容器C4 141的低通LC電路減小了負載電壓中的波紋。

如現在將參考圖18來描述，還可以使用線性調節器來向負載提供一恆定電壓。圖18是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力PWM接收器電路160的示意圖。在本實施例中，接收器電路160包括一線性調節器IC2 161，來減小負載電壓的波紋。

在某些應用中，在某些時間或基於某些條件下，有可能需要關閉接收器電路諧振的LC共振腔。現在將參考圖19來描述執行關閉接收器電路的LC共振腔的一個方法範例。

圖19是根據在一無線電力傳輸系統中可用來無線地接收電力的一實施例的無線電力PWM接收器電路170的示意圖。根據本實施例，接收器電路170是配置來關閉包括電感L1 22及電容器C1 24的LC共振腔以避免在某些時間或基於某些條件下接收器電路諧振。接收器電路170具有一或閘(OR-gate)IC2 171，每當比較器IC1 33或從控制電路IC3 173接收到邏輯高電位時啟動開關S1 26，例如可以是一微控制器集成電路晶片、一RF通訊晶片、一光通訊晶片、一基於溫度閾值的二進位輸出的溫度晶片等。

在某些情況下，有必要或會希望保護PWM接收器電路或負載避免遭受過多的熱。例如，在電路暴露在異常高的磁場強度的情況下或是比較器IC1 33故障的情況下，對於PWM接收器電路的LC共振腔吸收電力且產生過多的熱是有可能的。圖20是根據在一無線電力傳輸系統中提供熱保護的另一實施例的無線電力PWM接收器電路180的示意圖。一熱保險絲F1 181與包括電容器C1 24及電感L1 22的諧振LC共振腔串聯放置。當保險絲F1 181暴露在溫度超過某個預定閾值時，將變成開迴路(斷開狀態)，因此避免LC共振腔接收到任何電力。當保險絲F1 181處於斷開狀態時，諧振電路的諧振響應被關閉，使得接收器電路180僅接收到最小量的電力(如果有的話)。否則，保險絲F1 181處於PWM狀態。

在某些情況下，保險絲F1 181可由一旦溫度降至預定預定閾值以下即可回復正常運作的熱敏開關。因此，元件181代表熱保險絲或熱敏開關。應當注意的是，在以上參考圖2、5、及7-19描述的任何PWM拓樸結構中，熱保險絲或開關F1 181可以與LC共振腔電路串聯放置。

圖21是根據在一無線電力傳輸系統中用來無線地接收電力的另一實施例的無線電力PWM接收器電路190的示意圖，無線電力PWM接收器電路190包括一使用者可控開關S2 191，使用者可控開關S2 191可被使用者開啟或關閉而允許使用者啟動或反啟動接收器電路190。在所有其他方面，接收器電路190與圖2所示的接收器電路20相同。當開關S2 191斷開(置於關閉狀態)，接收器電路190的諧振響應被關閉，使得接收器電路190無論環境磁場的強度都不能接收任何電力。因此，當開關S2 191處於如圖21所示的斷開位置時，接收器電路190因此是安全而且受到保護，免於任何類型的過電壓或過熱故障。

應該強調的是，上述本發明的實施例僅僅是為了清楚地理解本發明的原理而提出的實施方式的可能示例。可以在基本上不脫離本發明的精神和原理的情況下對上述實施例進行許多變化和修改。而所有這些修改和變型皆在被包括在本公開的範圍內，並由所附權利要求保護。

21:負載

22:電感器

23:RF電源

24:電容器

26:開關

27:二極體

29:電容器

31、32:電阻器

33:比較器

40:接收器電路

42:整流器二極體

Claims (20)

1. 一種用於無線電力傳輸系統之無線電力接收器電路，該無線電力接收器電路，係包括有：一諧振器電路，配置為當無線電力接收器電路處於一啟動狀態且輸出一無線射頻輸出訊號時，在由該無線電力傳輸系統的一無線電力發射器所產生的一環境磁場的一頻率下諧振，該諧振器電路包括一電性可控開關，該電性可控開關係可由一控制訊號控制以使該諧振器電路從一第一狀態切換至一第二狀態，反之亦然；一交流-直流電整流電路，從該諧振器電路輸出的該無線射頻輸出訊號係輸入至該交流-直流電整流電路，該交流-直流電整流電路將該無線射頻輸出訊號轉換成一直流電力訊號且輸出一直流電力訊號；一直流電負載電路，具有一直流電負載、一電阻器網路及一能量儲存裝置，其中處於該啟動狀態時，由該交流-直流電整流電路輸出的該直流電力訊號將該能量儲存裝置進行充電，而根據該直流電負載所使用的電流或電壓將一基本恆定直流電流或電壓傳遞至該直流電負載，該電阻器網路與該直流電負載的一輸出節點連接，以及至少與該直流電負載及該能量儲存裝置中的一個連接，其中該直流電負載電路包括：一低通電阻-電容濾波器，與該直流電負載串聯接，和一低通電感-電容濾波器，與該直流電負載串聯接；以及一比較器電路，接收從該直流電負載電路輸出的一輸出訊號，將該接收的輸出訊號與一預選參考電壓訊號進行比較，並產生該控制訊號，該控制訊號係回饋給該諧振器電路以控制該電性可控開關之狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，其中該電性可控開關之第一及第二狀態分別為該電性可控開關之閉合及斷開狀態，將該諧振器電路從該閉合狀態切換至該斷開狀態，使該無線電力接收器電路從一閒置狀態切換至一啟動狀態，反之亦然，當該無線電力接收器電路處於該閒置狀態時，該諧振器電路的一諧振響應為關閉，而當該無線電力接收器電路處於該閒置狀態時，該無線電力接收器電路接收到該電力之最小量。
3. 如申請專利範圍第2項所述之無線電力接收器電路，其中當從該直流電負載輸出的該輸出訊號下降至一預定量低於該預選參考電壓訊號低之數值的時候，該比較器電路所產生的該控制訊號具有一低數值，使該電性可控開關將該閉合狀態切換至該斷開狀態，藉此將該無線電力接收器電路置於該啟動狀態。
4. 如申請專利範圍第3項所述之無線電力接收器電路，其中該比較器電路展示出一預選遲滯量，在該比較器電路輸出該控制訊號之前，該預選遲滯量決定出低於該直流電負載電路輸出的該輸出訊號下降的該預選參考電壓訊號之該預定量。
5. 如申請專利範圍第4項所述之無線電力接收器電路，其中該預選遲滯量是預選來延遲該無線電力接收器電路從該閒置狀態至該啟動狀態的切換，該延遲確保該無線電力接收器電路的切換的頻率係低於該環境磁場的頻率。
6. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，其中當該能量儲存裝置充滿電時，該無線電力接受器電路將該啟動狀態切換至一閒置狀態， 當該無線電力接收器電路處於該閒置狀態，該諧振器電路被關閉且對該環境磁場無諧振響應，當該能量儲存裝置的一電荷降低至低於一預定程度時，該無線電力接收器電流將該閒置狀態切換至該啟動狀態，以及當該無線電力接收器裝置處於啟動狀態時，該諧振器電路具有對該環境磁場的一諧振響應。
7. 如申請專利範圍第6項所述之無線電力接收器電路，其中該諧振器電路包括至少一個彼此相串聯接的一第一電容器及一第一電感器。
8. 如申請專利範圍第7項所述之無線電力接收器電路，其中該電性可控開關與該第一電容器並聯接。
9. 如申請專利範圍第6項所述之無線電力接收器電路，其中該諧振器電路包括至少一個彼此相串聯的一第一電容器及一第一電感器以及與該電性可控開關並聯接的一第二電容器。
10. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，其中該交流-直流電整流電路包括一第一整流器，該諧振器電路包括至少一個彼此相串聯接的一第一電容器及一第一電感器以及與該電性可控開關並聯接的一第二電容器，該無線電力接收器電路進一步包括：一第二整流器二極體，與該第二電容器及該電性可控開關並聯接。
11. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，其中該直流電負載電路進一步包括：一電池或電化學電池，與該直流電負載並聯接。
12. 如申請專利範圍第11項所述之無線電力接收器電路，其中該直流電負載電路進一步包括： 一電容器，與該直流電負載並聯接。
13. 如申請專利範圍第12項所述之無線電力接收器電路，其中該直流電負載電路進一步包括：一電阻器，與該電池或電化學電池串聯接。
14. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，其中該直流電負載電路進一步包括：一線性調節器，具有與該電阻器網路連接的一輸入端以及與該直流電負載連接的一輸出端。
15. 如申請專利範圍第14項所述之無線電力接收器電路，其中該直流電負載電路進一步包括：至少一個第一電容器，與該直流電負載並聯接。
16. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，進一步包括：一控制電路，與該電性可控開關電性耦合，該控制電路配置來偵測是否發生一預定事件或條件，而使該電性可控開關因偵測到該預定事件或條件發生時是置於該第一狀態。
17. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，進一步包括：一保險絲或開關，在該諧振器電路中串聯，其中如果一溫度超過一預定溫度，該保險絲或開關配置來在該諧振器電路中產生一開迴路以使該無線電力接收器電路從一脈衝寬度調變狀態切換成一關閉狀態，當該無線電力接收器電路處於該關閉狀態時該諧振器電路的一諧振響應被關閉，以及當該無線電力接受器電路處於關閉狀態時該無線電力接收器電路接收最小量的電力。
18. 如申請專利範圍第1項所述之無線電力接收器電路，進一步包括：一使用者可控開關，串聯在該諧振器電路中，其中該使用者可控開關可被使用者開啟和關閉以允許使用者將該無線電力接收器電路從一脈衝寬度調變狀態切換成一關閉狀態，反之亦然，當該無線電力接收器電路處於該關閉狀態時該諧振器電路之一諧振響應被關閉，當無線電力接收器電路處於該關閉狀態時該無線電力接收器電路接收最小量的電力。
19. 一種用於一無線電力傳輸系統的無線電力接收器電路，該無線電力接收器電路包含：一諧振器電路，配置為在由該無線電力傳輸系統的一無線電力發射器所產生的一環境磁場的頻率下諧振且輸出一無線射頻輸出訊號，該諧振器電路具有接收一控制訊號的一控制訊號輸出端以及具有輸出該無線射頻輸出訊號的一無線射頻電力輸出端，該諧振器電路包括一電性可控開關，該電性可控開關可由一控制訊號控制以使該諧振器電路從一閉合狀態切換至一斷開狀態，反之亦然，其中當該開關處於該閉合狀態時，該無線電力接收器電路處於一閒置狀態，在這期間該諧振器電路的一諧振響應被關閉以防止該無線電力接收器電路接收電力，當該開關處於該斷開狀態時，該無線電力接收器電路係處於一啟動狀態，在這期間該無線電路接收器電路接收電力；將該諧振器電路從該閉合狀態切換至該斷開狀態，使該無線電力接收器電路從一閒置狀態切換至一啟動狀態，反之亦然；當該無線電力接收器電路處於該閒置狀態時，該諧振器電路的一諧振響應為關閉； 當該無線電力接收器電路處於該閒置狀態時，該無線電力接收器電路接收到該電力之最小量；當從該直流電負載輸出的該輸出訊號下降至一預定量低於該預選參考電壓訊號低之數值的時候，該比較器電路所產生的該控制訊號具有一低數值，使該電性可控開關將該閉合狀態切換至該斷開狀態，藉此將該無線電力接收器電路置於該啟動狀態；一交流-直流電整流電路，從該諧振器電路輸出的該無線射頻輸出訊號藉由該交流-直流電整流電路的一輸入端輸入至該交流-直流電整流電路，該交流-直流電整流電路將該無線射頻輸出訊號轉換成一直流電力訊號且藉由該交流-直流電整流電路之一輸出端輸出一直流電力訊號；一直流電負載電路，該直流電負載電路具有一直流電負載以及一能量儲存裝置，該直流電負載電路在該直流電負載電路的一輸入端輸入該直流電力訊號並且透過該直流電負載電路的一輸出端輸出一輸出訊號；以及一比較器電路，具有第一及第二輸入端以及一輸出端，該比較器電路接收從該直流電負載電路的輸出端輸出的輸出訊號，將該接收到的輸出訊號與一預選參考電壓訊號進行比較以及根據該比較結果而產生所述的控制訊號，該比較器藉由該比較器電路的一輸出端輸出該控制訊號，該比較器電路之輸出端與該諧振器電路之控制訊號輸出端電性耦合，其中該比較器電路展示出一預選遲滯量，在該比較器電路輸出該控制訊號之前，該預選遲滯量決定出低於該直流電負載電路輸出的該輸出訊號下降的該預選參考電壓訊號之該預定量。
20. 一種在一無線電力傳輸系統中接收無線電力的方法，包含： 通過一無線電力接收器電路的一諧振器電路，經操作而處置於一啟動狀態或一閒置狀態，其中在該啟動狀態中，該諧振器電路在由該無線電力傳輸系統的一無線電力發射器所產生的一環境磁場的一頻率下諧振並且輸出一無線射頻輸出訊號，該諧振器電路包括一電性可控開關，該電性可控開關可由一控制訊號控制以使該諧振器電路從在該諧振器電路處於閒置狀態之期間的一第一狀態切換至在該諧振器電路運作於該啟動狀態的之期間的一第二狀態，反之亦然；通過一交流-直流電整流電路，將該無線射頻輸出訊號轉換成一直流電力訊號且輸出該直流電力訊號；通過具有一直流電負載、一電阻器網路及一能量儲存裝置的一直流電負載電路，當該諧振器電路處於該啟動狀態時，對該能量儲存裝置進行充電，而根據該直流電負載所使用的電流或電壓將一基本恆定直流電流或電壓傳遞至該直流電負載，該電阻器網路與該直流電負載的一輸出節點連接，以及至少與該直流電負載及該能量儲存裝置中的一個連接，其中該直流電負載電路包括：一低通電阻-電容濾波器，與該直流電負載串聯接，和一低通電感-電容濾波器，與該直流電負載串聯接；以及通過一比較器電路，接收從該直流電負載電路輸出的一輸出訊號，將該接收的輸出訊號與一預選參考電壓訊號進行比較，並產生該控制訊號，該控制訊號回饋給該諧振器電路以控制該電性可控開關之狀態。

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