用于電壓限制的諧振無線電源接收器的開路阻抗控制的制作方法
【專利說明】用于電壓限制的諧振無線電源接收器的開路阻抗控制
[0001] 優先權信息
[0002] 本發明主張在2012年9月28日提交的臨時專利申請No. 61/706, 932的優先權, 該臨時專利申請因此在全文中被引用。
【背景技術】
[0003] 本發明關于諧振無線電源(resonant wireless power,RWP)領域,尤其關于用于 電壓限制的諧振無線電源接收器的開路阻抗控制。
[0004] 諧振無線電源接收器包含被設計為在功率轉移(power transfer)的頻率處諧振 的匹配網絡。此饋入半導體整流器,接著饋入dc/dc轉換器,以便將交流電源轉換為穩定的 (regulated)直流。如果交流電壓的幅度超過整流器的工作電壓,或者如果已整流的電壓超 過該dc/dc轉換器的工作電壓,則這些電路可能被損壞。
【發明內容】
[0005] 依據本發明一方面,提供一種諧振無線電源接收器。該諧振無線電源接收器包含: 電感元件,親接于諧振無線電源;以及電容結構,親接到該電感元件,改變(altering)該諧 振無線電源接收器的開路阻抗以減少特定情況下的交流電壓,該電容結構包含多個被調諧 的電容以在該諧振無線電源接收器中控制交流電壓。
[0006] 依據本發明另一方面,提供一種諧振無線電源系統。該諧振無線電源系統包含: 源電路,包含與源線圈串聯的反射阻抗;以及接收器電路,使用電感元件耦接于該源電路, 并包含與該電感元件耦接的電容結構,該電容結構改變該接收器電路的開路阻抗以減少特 定情況下的交流電壓,該電容結構包含多個被調諧的電容以在該接收器電路中控制交流電 壓。
【附圖說明】
[0007] 圖1為依據本發明使用的諧振無線電源(RWP)系統的示意圖;
[0008] 圖2為具有Zoc調整電容的串聯-并聯接收器電路的電路圖;
[0009] 圖3為具有Zoc調整電容的并聯-串聯接收器電路的電路圖;
[0010] 圖4為具有二極管整流器的諧振無線電源接收器的電路圖;以及 [0011]圖5為具有被切換至接地的調制電容的串聯-并聯接收器的電路圖。
【具體實施方式】
[0012] 本發明提供了新穎的方法,用于自適應地改變諧振接收器的開路阻抗,以減少在 某些特定情況下的交流電壓。
[0013] 圖1示出諧振無線電源(RWP)系統。有兩種復數阻抗可以用來描述RWP系統的大 部分重要方面:開路阻抗Zoc和反射阻抗Zref。源線圈L1和接收線圈L2之間的互感或互 親可用若干不同的方式來建模。
[0014] 在這種情況下,耦合k被建模為與接收線圈L2串聯的電流控制電壓源Voc。從電 壓源Voc看到的阻抗為Zoc,Zoc包含線圈L2、匹配網絡6和負載R1 (例如,整流器,DC/DC, 負載電流)。在源端,當耦合存在時,可以將耦合的效果建模為與源線圈L1串聯的阻抗,稱 為反射阻抗Zref。開路阻抗和反射阻抗兩個都是復數數量時,它們具有實部(電阻)和虛 部(電抗)分量。對于1 :1的RWP系統,反射阻抗與開路阻抗的關系由該式表示:
[0015]
(等式 1)
[0016] 在圖2所示的串聯并聯諧振電路中,電容器Cd可以切換進電路或切換出電路。以 開路阻抗被改變作為結果。如果開關打開,則開路阻抗Zoc由下式給出:
[0020] 可被切換進來以調整開路阻抗Zoc的電容被定義為Zoc調整電容,如在這個例子 中的Cd。
[0021] 上述兩種開路阻抗在復數阻抗平面10可以表示為符號"X"和"0",如圖2所示。 變化的幅度取決于諧振電路8的電感L2和電容C2a、C2b、Cd的相對值。改變開路阻抗也改 變了由源端看到的反射阻抗。依賴系統的調諧(tuning),一方(either one)可以在整流器 輸入端給予較高的交流電壓。因此,有可能以兩種方式之一設計RWP接收器:
[0022] 1.開關打開,調諧(tune)接收器為正常運行,并在過量的功率狀態下關閉開關, 以在整流器輸入端減少交流電壓。
[0023] 2.開關關閉,調諧接收器為正常運行,并在過量的功率狀態下打開開關,以在整流 器輸入端減少交流電壓。
[0024] 如果C2a和C2b的電容值相當,則圖2的電路具有的特別優點是與線圈電壓相比, 橫跨開關9的電壓被降低。這對于可能具有有限耐受電壓的半導體工藝中的開關實施是有 利的。
[0025] 圖3示出包含Zoc調整電容的接收器電路12的并聯-串聯拓撲。正如在串聯并 聯接收器中,Zoc調整電容Cd -般也可以在電路內或電路外。圖3中的電路12還具有有 利的特性是,橫跨開關13的電壓可以比線圈電壓低,其前提是C2b不大于C2a太多。
[0026] 圖4示出接收器電路14的實施方式,其中交流電源是利用二極管整流器16來 調整(rectify)以產生直流供電電壓VRECT。該電路可以表示為圖2的電路的交流分 析。整流器的任何設計都可以使用,其中包含同步整流器。請注意,調制電容(modulation capacitor) Cm類似于如圖2A中所示的電容Cd。
[0027] 圖5示出調制電路(modulation circuit) 18的一種可替代的實現方式,其電性等 價于圖4。調制電容被分割為兩個值為2Cm的電容。這兩個電容的串聯組合具有電容Cm。 切換這些電容接地而不是橫跨整個交流端子,減少了對開關20,22上的電壓壓力(voltage stress),使此實現方式更適合于集成電路的實施。
[0028] 本文描述的技術自適應地改變任何諧振接收器的開路阻抗以降低交流電壓。本發 明通過調諧系統允許開路阻抗被改變,這也改變了由源端看到的反射阻抗,以在整流器輸 入端產生更高的交流電壓。此外,本發明展示了 RWP接收器的幾種設計,可以通過打開開 關調諧接收器為正常操作,并在過量的功率狀態下關閉開關以減少整流器輸入端的交流電 壓。而且,接收器能夠被調諧成閉合開關為正常操作,并在過量的功率狀態下打開開關以在 整流器輸入端減少交流電壓。
[0029] 本發明雖以數個優選實施例揭露如上,然而可以在其中對該形式和細節作出各種 變化、刪減和添加,而不脫離本發明的精神和范圍。
【主權項】
1. 一種諧振無線電源接收器,其特征在于,包含: 電感元件,耦接于諧振無線電源;以及 電容結構,親接到該電感元件,改變該諧振無線電源接收器的開路阻抗以減少特定情 況下的交流電壓,該電容結構包含多個被調諧的電容以在該諧振無線電源接收器中控制該 交流電壓。2. 如權利要求1所述諧振無線電源接收器,其特征在于,該電容結構包含串聯-并聯電 路,該串聯-并聯電路具有可被切入的電容以調整該開源阻抗Zoc。3. 如權利要求1所述諧振無線電源接收器,其特征在于,該電容結構包含具有Zoc調整 電容的并聯-串聯電路。4. 如權利要求1所述諧振無線電源接收器,其特征在于,還包含整流器。5. 如權利要求4所述諧振無線電源接收器,其特征在于,該電容結構包含一個或多個 被切換至接地的Zoc調整電容。6. 如權利要求1所述諧振無線電源接收器,其特征在于,該電容結構使用一個或多個 至該交流電壓的開關。7. 如權利要求1所述諧振無線電源接收器,其特征在于,該整流器包含同步整流器或 二極管整流器。8. -種諧振無線電源系統,其特征在于,包含: 源電路,包含與源線圈串聯的反射阻抗;以及 接收器電路,使用電感元件與該源電路耦接,并包含與該電感元件耦接的電容結構,該 電容結構改變該接收器電路的開路阻抗以減少特定情況下的交流電壓,該電容結構包含多 個被調諧的電容以在該接收器電路中控制該交流電壓。9. 如權利要求8所述諧振無線電源系統,其特征在于,該電容結構包含串聯-并聯電 路,該串聯-并聯電路具有可被切入的電容以調整該開源阻抗Zoc。10. 如權利要求8所述諧振無線電源系統,其特征在于,該電容結構包含具有Zoc調整 電容的并聯-串聯電路。11. 如權利要求8所述諧振無線電源系統,其特征在于,還包含整流器。12. 如權利要求11所述諧振無線電源系統,其特征在于,該電容結構包含一個或多個 被切換至接地的Zoc調整電容。13. 如權利要求8所述諧振無線電源系統,其特征在于,該電容結構使用一個或多個至 該交流電壓的開關。14. 如權利要求8所述諧振無線電源系統,其特征在于,該整流器包含同步整流器或二 極管整流器。
【專利摘要】本發明提供一種諧振無線電源接收器,包含:電感元件,耦接于諧振無線電源;以及電容結構,耦接到該電感元件,改變該諧振無線電源接收器的開路阻抗以減少特定情況下的交流電壓,該電容結構包含多個被調諧的電容以在該諧振無線電源接收器中控制該交流電壓。
【IPC分類】H01F27/42
【公開號】CN105074848
【申請號】CN201380051118
【發明人】派翠克·史丹利·里爾, 阿南德·薩慕斯, 哈斯南·阿克拉姆
【申請人】聯發科技(新加坡)私人有限公司
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2013年9月27日
【公告號】US20140246923, WO2014052686A2, WO2014052686A3