TWI759972B - 無線功率傳輸系統之快速異物檢測方法與相關之無線功率發送模組 - Google Patents

無線功率傳輸系統之快速異物檢測方法與相關之無線功率發送模組 Download PDF

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Abstract

本發明實施例提供一種無線功率發送模組，包含有一諧振電路、一直流穩態預設電路、以及一品質因子偵測器。該諧振電路具有一輸入端以及一偵測端。該直流穩態預設電路提供一DC偏壓至該輸入端，用以使該諧振電路處於一第一預設DC穩態。該品質因子偵測器使該諧振電路朝向一第二預設DC穩態前進；數算該偵測端上之一偵測訊號交越一預設值的次數；以及，依據該次數計算Q值，來決定是否供電給一無線功率接收模組。

Description

無線功率傳輸系統之快速異物檢測方法與相關之無線功率發送模組
本發明係關於無線功率傳輸系統，尤其關於可以快速計算無線功率傳輸系統中的品質因子來決定是否傳輸功率的相關裝置與方法。
無線功率傳輸系統作為一種無需電線或是連接器即可傳送電力的便捷方式，因而越來越受歡迎。無線功率傳輸系統中的無線功率發送模組，可以驅動供電線圈產生諧振，而發出射頻電磁波。無線功率接收模組中的線圈可以因為電磁感應而產生感應電流，轉換後形成直流電源供電給電子裝置。
只是，如果在無線功率發送模組與無線功率接收模組之間有異物，特別是金屬，那這異物可能吸收射頻電磁波，造成自身的溫度提高，嚴重者甚至會引發火災。因此，異物偵測為無線功率傳輸系統的重要功能之一。
無線充電聯盟(wireless power consortium，WPC)建議來偵測品質因子(Quality factor)，來判斷是否有無異物。
本發明實施例提供一種無線功率發送模組，包含有一諧振電路、一直流穩態預設電路、以及一品質因子偵測器。該諧振電路具有一輸入端以及一偵測端。該直流穩態預設電路提供一DC偏壓至該輸入端，用以使該諧振電路處於一第一預設DC穩態。驅動電路FBDG控制該諧振電路朝向一第二預設DC穩態前進；數算該偵測端上之一偵測訊號交越一預設值的次數；以及，依據該次數計算Q值，來決定是否供電給一無線功率接收模組。
本發明實施例提供一種適用於一無線功率發送模組的控制方法。該無線功率發送模組包含有一諧振電路。該控制方法包含有：使該諧振電路大致處於一第一預設DC穩態；使該諧振電路離開該第一預設DC穩態，朝一第二預設DC穩態前進；數算該諧振電路所提供之一偵測訊號交越一預設值的次數；以及，依據該次數，決定是否供電給一無線功率接收模組。
100:無線功率傳輸系統
200:控制方法
CM:比較器
CN:次數
CNTR:計數器
CT、CTC:電容
DVR:分壓器
FBDG:驅動電路
G1、G2、G3、G4:閘端
LT:發射線圈
LR:接收線圈
PCSR:處理器
PSC:直流穩態預設電路
Q1、Q2:上臂開關
Q3、Q4:下臂開關
QC:品質因子偵測器
RCV:無線功率接收模組
RNT:諧振電路
S1、S2、S3、S4:步驟
SW1:設定開關
t0:時間點
TMSR:計算時段
TQ:品質因子檢查時段
TRDY:穩定時段
TR:無線功率發送模組
VA:DC偏壓
VCT:電容跨壓
VDD:電壓
VDD:電源線
VDDR:代表訊號
VDR:輸入訊號
VDR:輸入端
VDRG:輸入端
VL:偵測訊號
VL:偵測端
VR:參考訊號
VSET:電壓
圖1顯示無線功率傳輸系統100；
圖2顯示適用於無線功率發送模組TR的控制方法200；
圖3顯示控制方法200操作下，圖1中輸入訊號VDR、電容跨壓VCT、代表訊號VDDR的訊號波形，以及次數CN；以及
圖4顯示在每一個固定長度的正常供電時段TPT之後，都接續了品質因子檢查時段TQ。
以下本發明實施例以一簡單的LC諧振電路，來做為無線功率傳輸中，發出射頻電磁波的諧振電路，但本發明並不限於此。本發明的 實施例可以採用是其他種類的諧振電路。此說明書所揭示的實施例並沒有要用來侷限本發明之權利範圍。
本發明之一實施例中，先使一LC諧振電路大致處於一第一預設DC(直流)穩態。接著，利用改變該LC諧振電路之一輸入端的輸入電壓，使得該LC諧振電路離開該第一預設DC穩態，其中LC諧振電路所存的能量隨著時間衰減，而朝向一第二預設DC穩態前進。在朝向該第二預設DC穩態前進的過程中，數算LC諧振電路所提供的一偵測訊號交越一預設值的次數。然後，依據該次數，來判斷是否有異物，並決定是否供電給一無線功率接收模組。
使該LC諧振電路離開該第一預設DC穩態，而朝向該第二DC穩態前進時，可以知道該偵測訊號朝向該第二DC穩態前進的起始條件。該偵測訊號從這起始條件到該偵測訊號不交越該預設值的時間，可以用來判斷品質因子。
舉例來說，如果該次數很少，表示偵測訊號在很短時間內就不交越該預設值了，那表示衰減(damping)的很快，品質因子很低，可能有異物在無線功率發送模組附近吸收能量，所以就不供電給該無線功率接收模組。
相反的，如果該次數很多，表示該LC諧振電路在諧振下所存的能量不太會衰減，表示品質因子很高，很可能沒有異物在附近。無線功率發送模組可以供電給該無線功率接收模組。
圖1顯示無線功率傳輸系統100，包含有無線功率發送模組TR以及無線功率接收模組RCV。無線功率發送模組TR可激勵(energize) 發射線圈(transmit coil)LT，以無線的方式，傳送功率給無線功率接收模組RCV中的接收線圈(receiver coil)LR。無線功率接收模組RCV將接收線圈LR上的感應電流整流後，可以提供無線功率接收模組RCV內部電路操作所需要的電源。
無線功率發送模組TR包含有諧振電路RNT、驅動電路FBDG、直流穩態預設電路PSC、以及品質因子偵測器QC。
諧振電路RNT具有串聯的電容CT以及發射線圈LT，構成一LC諧振電路，但本發明不限於此。舉例來說，在其他實施例中，諧振電路RNT可以具有其他的電容以及/或電感，用來調整諧振電路RNT的諧振頻率。圖1中，電容CT的兩端分別是輸入端VDR以及偵測端VL，而輸入端VDR以及偵測端VL上分別有輸入訊號VDR以及偵測訊號VL。
驅動電路FBDG可以激勵(energize)諧振電路RNT，使得諧振電路RNT諧振，透過發送線圈LT，發送電磁能。在圖1中，驅動電路FBDG是一全橋式驅動器(full-bridge driver)，具有上臂開關Q1、Q2、以及下臂開關Q3、Q4。上臂開關Q1與下臂開關Q3串接於提供電壓VDD的電源線VDD與接地線之間，其中的連接點電性連接到諧振電路RNT的輸入端VDRG。類似的，上臂開關Q2與下臂開關Q4串接於電源線VDD與接地線之間，其中的連接點電性連接到諧振電路RNT的輸入端VDR。電壓VDD跟接地線之0V都是電源電壓。只要給予適當信號於上臂開關Q1、Q2的閘端G1、G2以及下臂開關Q3、Q4的閘端G3、G4，諧振電路RNT就可以震盪於想要的頻率，來對無線功率接收模組RCV供電。一般來說，在驅動電路FBDG激勵諧振電路RNT時，閘端G1、G2、G3、與G4上的信號隨著時間而交替變換，閘端G1與G3 上的信號大致互補，而閘端G2與G4上的信號大致互補。
在其他實施例中，驅動電路FBDG可以不是全橋式驅動器。舉例來說，在一些實施例中，驅動電路FBDG是一半橋驅動器，其中沒有上臂開關Q1與下臂開關Q3，而輸入端VDRG電性連接到接地線。
直流穩態預設電路PSC包含有設定開關SW1以及提供DC偏壓VA的一電壓源。當設定開關SW1開啟(呈現電性短路狀態)，上臂開關Q1、Q2與下臂開關Q4關閉(呈現電性開路狀態)，下臂開關Q3開啟(呈現電性短路狀態)時，直流穩態預設電路PSC可以將DC偏壓VA提供給輸入端VDR。只要時間夠長，諧振電路RNT將會處於DC穩態STDY0。在此，一DC穩態指的是諧振電路RNT中的電壓電流大致都為常數，不隨著時間而改變，或是改變的非常少。舉例來說，當輸入端VDR上的輸入訊號VDR為DC偏壓VA，而輸入端VDRG接地時，諧振電路RNT最終所處的DC穩態STDY0將會是偵測端VL上的偵測訊號VL為0V(接地)，流經發射線圈LT的電流為0A，電容CT上的電容跨壓VCT是DC偏壓VA。
品質因子偵測器QC，如同圖1所舉例的，具有電容CTC、分壓器DVR、比較器CM、計數器CNTR、以及處理器PCSR。圖1只是舉例說明，並非用於限制本發明。在其他實施例中，依據本發明所實施的品質因子偵測器QC可能具有不同的結構。
電容CTC將偵測訊號VL中的交流部分耦合給分壓器DVR。分壓器DVR將偵測訊號VL分壓，產生大約比例的代表訊號VDDR，來代表偵測訊號VL。比較器CM比較代表訊號VDDR與參考訊號VR。在一實施例中，比較器CM與分壓器DVR之間有一放大器(未顯示)，用來放大分壓器DVR 之連接點上的訊號，產生代表訊號VDDR送給比較器CM。分壓器DVR與比較器CM架構來偵測偵測訊號VL是否交越比例於參考訊號VR的一預設值。計數器CNTR依據比較器CM的輸出，來產生次數CN，用來數算偵測訊號VL交越該預設值的次數。圖1中的例子，次數CN是偵測訊號VL上升超過該預設值的次數CNUP，但在其他的實施例中，次數CN可以是偵測訊號VL下降低於該預設值的次數CNDN、或是次數CNUP與次數CNDN的和。
處理器PCSR可以是微處理器或是數位信號處理器，控制驅動電路FBDG、直流穩態預設電路PSC以及計數器CNTR。處理器PCSR可以依據次數CN，來決定是否供電給無線功率接收模組RCV。依據次數CN以及一預設計算公式，處理器PCSR可以計算出一品質因子Q，稍後將詳細解釋。當品質因子Q超過預設標準時，處理器PCSR可以關閉設定開關SW1(呈現電性開路狀態)，並提供適當的驅動訊號給驅動電路FBDG，來激勵諧振電路RNT，供電給無線功率接收模組RCV。相反的，當品質因子Q低於預設品質因子參考值，就禁止供電給無線功率接收模組RCV。
當直流穩態預設電路PSC禁能時，處理器PCSR也可以控制驅動電路FBDG，來提供跟DC偏壓VA不同的另一DC偏壓。舉例來說，在計算時段TMSR(稍後將解釋)內，處理器PCSR提供適當的訊號給閘端G1、G2、G3、G4，使得上臂開關Q1與下臂開關Q4關閉(呈現電性開路狀態)，上臂開關Q2與下臂開關Q3開啟(呈現電性短路狀態)。因此，在計算時段TMSR，輸入端VDR上的輸入訊號VDR為電壓VDD，輸入端VDRG接地，諧振電路RNT前進朝向的DC穩態STDYNEW將會是偵測端VL上的偵測訊號VL為0V(接地)，流經發射線圈LT的電流為0A，電容CT上的電容跨壓VCT是電壓VDD。
圖2顯示適用於無線功率發送模組TR的控制方法200，圖3顯示控制方法200操作下，圖1中輸入訊號VDR、電容跨壓VCT、代表訊號VDDR的訊號波形，以及次數CN。如同先前所解釋的，代表訊號VDDR可以代表偵測訊號VL，舉例來說，在圖3中，VDDR=K* VL，其中K為一常數，由分壓器DVR所決定。在其他實施例中，代表訊號VDDR跟偵測訊號VL之間的關係：常數K，是由其間的電路架構所決定。舉例來說，如果傳遞信號路徑中間有個放大器，這個常數K就需要考慮放大器的放大增益。
請參閱圖2與圖3。圖2中，步驟S1使諧振電路RNT大致處於DC穩態STDY0。圖3中，品質因子檢查時段TQ包含有，但是不限於，穩定時段TRDY以及接續在後的計算時段TMSR。在穩定時段TRDY，設定開關SW1開啟(呈現電性短路狀態)，上臂開關Q1、Q2與下臂開關Q4關閉(呈現電性開路狀態)，下臂開關Q3開啟(呈現電性短路狀態)，輸入端VDR上的輸入訊號VDR為DC偏壓VA，如同圖3所示。只要穩定時段TRDY夠長，諧振電路RNT最後大約會處於DC穩態STDY0，其中的狀態包含有，但不限於有，電容CT上的電容跨壓VCT是DC偏壓VA，以及代表訊號VDDR(代表偵測訊號VL)為0V，如同圖3所示。
圖2中，步驟S2接續步驟S1，改變輸入訊號VDR，使得諧振電路RNT朝DC穩態STDYNEW前進。在圖3的時間點t0(穩定時段TRDY的終點，也是計算時段TMSR的起點)時，處理器PCSR使設定開關SW1轉成關閉(呈現電性開路狀態)，上臂開關Q2轉為開啟(呈現電性短路狀態)，其他開關狀態維持不變。因此，輸入訊號VDR的電壓從DC偏壓VA，突然被改變成為電源線VDD的電壓VDD，如同圖3中輸入訊號VDR的信號波形所示。因 為電容耦合效應，在時間點t0，偵測訊號VL的變化大約會等於輸入訊號VDR的變化，所以偵測訊號VL會增加有電壓VDD與DC偏壓VA的差(=VDD-VA)。因此，代表訊號VDDR在時間點t0，從0V轉變為電壓VSET，比例於電壓VDD與DC偏壓VA的差(K*(VDD-VA))，如同圖3所示。
在計算時段TMSR內，直流穩態預設電路PSC與驅動電路FBDG中的開關狀態維持不變。因此，輸入訊號VDR會一直維持在電壓VDD。時間點t0時，輸入訊號VDR的變化，等於使得諧振電路RNT離開了DC穩態STDY0，給予一個起始條件(initial condition)，朝向另一個DC穩態STDYNEW前進。這個起始條件是代表訊號VDDR大約等於電壓VSET。DC穩態STDYNEW包含有電容CT上的電容跨壓VCT為電壓VDD，以及代表訊號VDDR(代表偵測訊號VL)為0V。因此，隨著計算時段TMSR的過去，諧振電路RNT開始震盪，並依據當下諧振電路RNT的品質因子Q，釋放其所存放的電能，逐漸衰減而減少震盪幅度。因此，如同圖3所示，電容跨壓VCT與代表訊號VDDR都一邊震盪，其震幅一邊減少。如果計算時段TMSR夠久，電容跨壓VCT會收斂於電壓VDD，而代表訊號VDDR會收斂於0V。
圖2中的步驟S3中，圖1中處理器PCSR數算偵測訊號VL交越預設參考電壓VREF的次數CN。舉例來說，在圖3中，時間點ts之前，代表訊號VDDR上升交越了參考訊號VR(對應了預設參考電壓VREF)共有6次，而時間點ts之後的計算時段TMSR之內，代表訊號VDDR就不再交越參考訊號VR。因此，在計算時段TMSR之內，偵測訊號VL交越了預設參考電壓VREF共有6次。計算時段TMSR結束時，次數CN會是6。
圖2中的步驟S4中，處理器PCSR依據次數CN，計算品質因 子Q，據以決定是否透過諧振電路RNT來供電給無線功率接收器RCV。次數CN越大，表示衰減的比較慢，意味著品質因子Q比較大。因此，處理器PCSR可以從計算時段TMSR結束時的次數CN來推算出品質因子Q。以下公式I顯示品質因子Q的計算公式。
Q≒π *(CN-0.5)/[ln(VSET)-ln(VR)]=KQ *(CN-0.5).......(I)
其中，KQ為一個常數，等於π */[ln(VSET)-ln(VR)]，而電壓VSET與參考訊號VR都是預先設定。
處理器PCSR可以在計算時段TMSR結束後，依據次數CN以及計算公式(I)，來推算出品質因子Q。當品質因子Q太低，或是低於一個預設品質因子參考值時，意味著可能有異物的存在，處理器PCSR可以禁止供電給無線功率接收器RCV。
圖4顯示在每一個固定長度的正常供電時段TPT之後，都接續了品質因子檢查時段TQ。在正常供電時段TPT內，處理器PCSR提供適當的訊號給予驅動電路FBDG的閘端G1、G2、G3與G4，使得驅動電路FBDG激勵諧振電路RNT。因此，輸入端VDR上的輸入訊號VDR在0V與電壓VDD之間切換，如同圖4所示。品質因子檢查時段TQ中，如同先前所教導的，輸入訊號VDR先維持在DC偏壓VA一穩定時段TRDY，而後被改變成為電壓VDD，並維持有計算時段TMSR這麼久的時間。品質因子檢查時段TQ結束時，處理器PCSR依據次數CN來檢查當下品質因子Q是否夠高。當品質因子Q夠高時，處理器PCSR可以繼續供電給無線功率接收器RCV，才會繼續下一個正常供電時段TPT。
從以上圖1到圖4的實施例可知，無線功率發送模組TR採用了簡單的類比電路，透過處理器PCSR的計算，可以快速的計算品質因子Q。
在圖3中，DC偏壓VA雖然介於0V與電壓VDD之間，但本發明不限於此。在本發明的實施例中，DC偏壓VA可以是任何固定的電壓。DC穩態STDY0與DC穩態STDYNEW也不限於圖3與相關教導所揭示的，只要兩者是不同DC穩態就可以。這是因為當從諧振電路RNT從DC穩態STDY0離開，而開始往不同之DC穩態STDYNEW前進時，諧振電路RNT中的偵測訊號VL就會震盪，而其衰減速度就可以對應到品質因子Q。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:無線功率傳輸系統
CM:比較器
CN:次數
CNTR:計數器
CT、CTC:電容
DVR:分壓器
FBDG:驅動電路
G1、G2、G3、G4:閘端
LT:發射線圈
LR:接收線圈
PCSR:處理器
PSC:直流穩態預設電路
Q1、Q2:上臂開關
Q3、Q4:下臂開關
QC:品質因子偵測器
RCV:無線功率接收模組
RNT:諧振電路
SW1:設定開關
TR:無線功率發送模組
VA:DC偏壓
VDD:電壓
VDD:電源線
VDDR:代表訊號
VDR:輸入訊號
VDR:輸入端
VDRG:輸入端
VL:偵測訊號
VL:偵測端
VR:參考訊號

Claims (10)

  1. 一種無線功率發送模組，包含有：一諧振電路，具有一輸入端以及一偵測端；一直流穩態預設電路，提供一DC偏壓至該輸入端，用以使該諧振電路處於一第一預設DC穩態；以及一品質因子偵測器，架構來進行以下動作，包含有：使該諧振電路朝向一第二預設DC穩態前進；數算該偵測端上之一偵測訊號交越一預設值的次數；以及依據該次數的大小，來決定是否供電給一無線功率接收模組。
  2. 如申請專利範圍第1項之無線功率發送模組，包含有：一驅動電路，用以驅動該諧振電路，以供電給該無線功率接收模組，該驅動電路具有至少一開關，連接於該輸入端與一電源線之間；其中，該品質因子偵測器禁能該直流穩態預設電路，並開啟該開關，以使該諧振電路朝向該第二預設DC穩態。
  3. 如申請專利範圍第2項之無線功率發送模組，其中，該直流穩態預設電路包含有一設定開關，當該設定開關開啟時，該直流穩態預設電路大致將該輸入端設定為一第一預設電壓，該第一預設電壓不同於該電源線上之一電源電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項之無線功率發送模組，其中，該品質因子偵測器包含有：一分壓器(voltage divider)，電性耦接至該偵測端，用以提供一代表訊號； 一比較器，比較該代表訊號以及一參考訊號；以及一計數器，依據該比較器之一輸出，用以產生該次數。
  5. 如申請專利範圍第1項之無線功率發送模組，其中，該品質因子偵測器依據該次數，計算出一品質因子，且當該品質因子低於一預設品質因子參考值時，禁止供電給該無線功率接收模組。
  6. 一種適用於一無線功率發送模組的控制方法，其中，該無線功率發送模組包含有一諧振電路，該控制方法包含有：使該諧振電路大致處於一第一預設DC穩態；使該諧振電路離開該第一預設DC穩態，朝一第二預設DC穩態前進；數算該諧振電路所提供之一偵測訊號交越一預設值的次數；以及依據該次數的大小，決定是否供電給一無線功率接收模組。
  7. 如申請專利範圍第6項之控制方法，其中，該諧振電路具有一輸入端，該控制方法包含有：提供一第一預設電壓與該輸入端，以使該諧振電路處於該第一預設DC穩態；以及提供與該第一預設電壓不同之一第二預設電壓與該輸入端，以使諧振電路朝該第二預設DC穩態前進。
  8. 如申請專利範圍第7項之控制方法，其中，該第二預設電壓為一電源線之一電源電壓，且該無線功率發送模組具有一驅動電路，其具有一開關，連接於該電源線與該輸入端之間。
  9. 如申請專利範圍第7項之控制方法，包含有：提供該第一預設電壓與該輸入端，持續一穩定時段； 於該穩定時段結束後，提供該第二預設電壓與該輸入端；以及於一計算時段內，數算該偵測訊號交越該預設值的該次數。
  10. 如申請專利範圍第6項之控制方法，包含有：依據該次數以及一計算公式，計算出一品質因子；依據該品質因子的大小，決定是否供電給該無線功率接收模組。
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