功率放大器和電力輸送設備的制作方法
【專利摘要】根據一個實施例，一種功率放大器包括可變無源元件和比較器。所述可變無源元件直接或間接地連接到開關元件的第一端子，并且用來提高或降低放大器的諧振頻率。所述比較器把感興趣電壓與參考電壓進行比較，并且基于感興趣電壓與參考電壓之間的差異輸出用于可變無源元件的控制電壓。
【專利說明】功率放大器和電力輸送設備
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請基于2011年8月9日提交的日本專利申請號2011-173734并且要求其優先權,通過引用的方式將其全部內容合并于此。
【技術領域】
[0003]這里所描述的實施例總體上涉及E類放大器。
【背景技術】
[0004]已經提出了多種類型的功率放大器。E類功率放大器例如被合并在無線電力輸送系統中的電力輸送設備中，以便放大用于輸送的功率。一般來說，E類功率放大器通過被稱作過零開關的操作實現高放大效率。過零開關操作是通過根據一定開關頻率接通及斷開提供在E類功率放大器中的開關元件來實施的。
[0005]當E類功率放大器被合并在電力輸送設備中時，電力輸送條件并不總是恒定的。舉例來說，電力輸送設備與電力接收設備之間的距離可能會變化，在電力輸送和接收設備附近可能存在障礙物，或者電力接收設備的負載阻抗可能會變化。適用于過零開關操作的開關頻率根據輸送條件的變化而變化。也就是說，輸送條件的變化可能會干擾過零開關操作，從而增加開關元件中的傳導損耗并且降低放大效率。
[0006]為了抑制放大效率的降低，預期使用一種用以根據輸送條件的變化來校正開關頻率的技術。但是電力輸送頻率需要是可變的，以便允許應用這樣的技術。因此，在由于法律限制或類似限制而不允許改變電力輸送頻率的情況下無法應用這樣的技術。因此，避免放大效率的降低較為困難。
[0007]引用列表
[0008]非專利文獻
[0009]非專利文獻I:Philip R.Troyk 和 Martin A.K.Schwan 的“Closed-Loop Class ETranscutaneous Power and Data Link for MicroImplants (用于微型植入物的閉環 E 類經皮電力和數據鏈接)”，IEEE生物醫學工程匯刊，Vol.39，N0.6，1992年6月。
[0010]非專利文獻2:Steve C.Cripps 的 “RF Power Amplifiers for WirelessCommunications, Second Edition (用于無線通信的RF功率放大器,第二版)”,藝達大廈微波圖書館(Artech House Microwave Library)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是示出了包括根據第一實施例的功率放大器的無線電力輸送系統的方塊圖；
[0012]圖2是示出了圖1中的功率放大器的效果的曲線圖；
[0013]圖3是示出了根據第二實施例的功率放大器的圖示；
[0014]圖4是示出了根據第三實施例的功率放大器的圖示；
[0015]圖5是示出了根據第四實施例的功率放大器的圖示；[0016]圖6是示出了根據第五實施例的功率放大器的圖示；
[0017]圖7是示出了根據第六實施例的功率放大器的圖示；以及
[0018]圖8是示出了根據第七實施例的功率放大器的圖示。
【具體實施方式】
[0019]下面將參照附圖來描述各個實施例。
[0020]一般來說，根據一個實施例，功率放大器包括開關元件、可變無源元件、采樣器和比較器。所述開關元件包括第一端子、第二端子和控制端子，其響應于提供到控制端子的輸入驅動脈沖的第一邊沿將第一端子與第二端子之間短路，并且響應于輸入驅動脈沖中的與第一邊沿交替出現的第二邊沿將第一端子與第二端子之間開路。所述可變無源元件直接或間接連接到第一端子，并且用來提高或降低放大器的諧振頻率。所述采樣器對感興趣電壓進行采樣。所述感興趣電壓基于第一端子與第二端子之間的第一電壓以及通過對來自放大器的輸出電流進行電流-電壓轉換而獲得的第二電壓的至少其中之一。所述比較器把感興趣電壓與參考電壓進行比較，并且基于感興趣電壓與參考電壓之間的差異輸出用于可變無源元件的控制電壓。
[0021]在后面的描述中，通過完全相同或類似的附圖標記來標示與之前已經描述過的那些組件完全相同或類似的組件，并且基本上省略重復描述。
[0022](第一實施例)
[0023]如圖1中所不,根據第一實施例的功率放大器100被合并在無線電力輸送系統中。所述無線電力輸送系統包括DC-DC轉換器20、功率放大器100、傳輸諧振器30、接收諧振器40和負載50。DC-DC轉換器20、功率放大器100和傳輸諧振器30被合并在電力輸送設備中。接收諧振器40和負載50被合并在電力接收設備中。
[0024]DC-DC轉換器20把用于功率放大器100的供電電壓轉換成所期望的數值。通過供電電壓的轉換來控制后面描述的傳輸功率。功率放大器100接收輸入驅動脈沖(其也可以被稱作傳輸脈沖)，以便生成在頻率上等于輸入驅動脈沖的傳輸功率。傳輸諧振器30基于給定的耦合系數(=k)磁性耦合到接收諧振器40以便傳輸電力。傳輸諧振器30可以由包括在功率放大器100中的諧振電路實現。
[0025]接收諧振器40接收來自傳輸諧振器30的電力并且將所述電力供應給負載50。負載50的實例包括主要消耗或者臨時存儲所述電力的電路(例如接收設備中的負載電路或者蓄電池)、整流器以及電壓轉換器。
[0026]舉例來說，當負載50的阻抗分量(=?)發生變化、耦合系數k發生改變或者有障礙物被置于傳輸諧振器30與接收諧振器40之間時，功率放大器100的諧振頻率發生變化，并且過零開關操作被阻止。
[0027]更具體來說，功率放大器100包括開關元件101、電感器102、電容器103、扼流圈104、采樣器111和電壓比較器112。
[0028]功率放大器100通常是E類功率放大器，但是不限于此。舉例來說，功率放大器100可以是能夠施行過零開關操作的另一種類型的功率放大器。此外，圖1中所示的各個元件之間的連接關系是說明性的，并且可以存在圖1中未示出的其他元件。也就是說，元件之間的連接可以意味著直接連接或間接連接。[0029]開關元件101包括第一端子、第二端子和控制端子。開關元件101例如可以由金屬氧化物半導體(MOS)晶體管或雙極型晶體管實施。開關元件101的第一端子連接到電感器102的第一端子、電容器103的第一端子和扼流圈104的第一端子。開關元件101的第二端子接地。
[0030]開關元件101的控制端子接收前面描述的輸入驅動脈沖。在輸入驅動脈沖中，上升或下降沿(第一邊沿)和下降或上升沿(第二邊沿)交替出現。開關元件101響應于第一邊沿將第一端子與第二端子之間短路(也就是說開關元件101被接通)。開關元件101響應于第二邊沿將第一端子與第二端子之間開路(也就是說開關元件101被斷開)。如果當第一邊沿出現時開關元件101的第一端子與第二端子之間的電壓等于零，則過零開關操作被正常施行。
[0031]來自功率放大器100的輸出電流流過電感器102。電感器102的第一端子連接到開關元件101的第一端子、電容器103的第一端子和扼流圈104的第一端子。此外，電感器102的第二端子連接到功率放大器100的輸出端子(附圖中未示出)。電感器102的電感用來提高及降低功率放大器100的諧振頻率。
[0032]電容器103與開關元件101并聯連接。也就是說，電容器103的第一端子連接到開關元件101的第一端子、電感器102的第一端子和扼流圈104的第一端子。此外，電容器103的第二端子接地。電容器103的電容用來提高及降低功率放大器100的諧振頻率。
[0033]扼流圈104的第一端子連接到開關元件101的第一端子、電感器102的第一端子和電容器103的第一端子。此外，扼流圈104的第二端子連接到電源側(也就是DC-DC轉換器20的輸出端子)。
[0034]響應于輸入驅動脈沖的第一邊沿，采樣器111對感興趣電壓進行采樣。所述感興趣電壓基于開關元件101的第一端子與第二端子之間的第一電壓以及通過對來自功率放大器100的輸出電流(即流過電感器102的電流)進行電流-電壓轉換而獲得的第二電壓的其中之一。第一電壓和第二電壓的數值例如由檢測電路(附圖中未示出)檢測。采樣器111可以是采樣保持電路。
[0035]電壓比較器112把感興趣電壓與參考電壓(=Vref)進行比較，并且輸出對應于感興趣電壓與參考電壓之間的差異的控制電壓。所述參考電壓通常等于零。
[0036]控制電壓被提供到可變無源元件以控制該可變無源元件的電感或電容。所述可變無源元件可以是電感器102、電容器103、附圖中未示出的無源元件或者其組合。對可變無源元件的電感或電容進行反饋控制，從而使得感興趣電壓與參考電壓之間的差異逼近零。隨著所述差異逼近零，功率放大器100的操作變得更加類似于過零開關。也就是說，功率放大器100的放大效率得到改進。此外，即使功率放大器100的諧振頻率由于負載50的阻抗分量(=?)的變化、耦合系數k的改變或者置于傳輸諧振器30與接收諧振器40之間的障礙物而發生變化，功率放大器100的操作仍然通過反饋控制以階梯方式被規范化。
[0037]圖2示出了功率放大器100的操作的仿真結果。在該仿真中，為了與功率放大器100的操作進行比較，對于當功率放大器100不受反饋控制時由功率放大器100施行的操作也進行了仿真。在圖2中，縱坐標軸表示開關元件101的第一端子與第二端子之間的電壓。橫坐標軸表示時間。也就是說，圖2示出了開關元件101的第一端子與第二端子之間的電壓的時間變化。[0038]不管負載50的阻抗分量(=?)和耦合系數(=k)增大還是減小，功率放大器100都提供類似的波形。在圖2中，這樣的波形被標記為“受到反饋控制”。所述波形表明，當第一邊沿(在本例中是上升沿)出現時，在開關元件101的第一端子與第二端子之間生成的電壓基本上等于零。因此，功率放大器100正常施行過零開關操作以獲得高放大效率。
[0039]當未施行反饋控制時，所述波形關于負載50的阻抗分量(=?)或耦合系數(=k)的變化而變化。當負載50的阻抗分量(=?)或耦合系數(=k)的實部較大時，獲得被標記為“無反饋、輕負載”的波形。另一方面，當負載50的阻抗分量(=?)或耦合系數(=k)的實部較小時，獲得被標記為“無反饋、重負載”的波形。在任一種情況下，當第一邊沿(在本例中是上升沿)出現時，開關元件101的第一端子與第二端子之間的電壓具有正值或負值。當開關元件101被接通時，電壓被施加到第一端子與第二端子之間。因此，存儲在電感器102中的磁能和存儲在電容器中的電荷能的其中之一或全部二者被開關元件101消耗，從而降低了功率放大器100的放大效率。
[0040]如前所述，當第一邊沿出現時，根據第一實施例的功率放大器對感興趣電壓進行采樣，其中所述感興趣電壓基于開關元件的第一端子與第二端子之間的第一電壓以及通過對輸出電流進行電流-電壓轉換而獲得的第二電壓的其中之一。功率放大器隨后根據感興趣電壓與參考電壓之間的差異對可變無源元件進行反饋控制。因此，即使在輸送條件發生變化的情況下，功率放大器的操作仍然按照階梯方式變得類似于過零開關操作。這樣就允許在無需校正開關頻率的情況下抑制放大效率的降低。
[0041](第二實施例)
[0042]如圖3中所示，根據第二實施例的功率放大器包括開關元件101、電感器102、可變電容器203、扼流圈104和控制電路210。
[0043]控制電路210例如對應于前面所描述的采樣器111與電壓比較器112的組合。控制電路210生成用于可變電容器203的控制電壓，從而使得感興趣電壓與參考電壓之間的差異逼近零；所述感興趣電壓基于在前面描述的第一邊沿出現時獲得的第一電壓和第二電壓的至少其中之一。
[0044]可變電容器203具有根據來自控制電路210的控制電壓而變化的電容。可變電容器203的電容用于提高及降低圖3中的功率放大器的諧振頻率。可變電容器203的電容受到反饋控制，從而使得在第一邊沿出現時獲得的感興趣電壓與參考電壓之間的差異逼近零。具體來說，可變電容器203的電容在所述差異為正的情況下根據控制電壓減小，并且在所述差異為負的情況下根據控制電壓增大。
[0045]可變電容器203與開關元件101并聯連接。可變電容器203的第一端子連接到開關元件101的第一端子、電感器102的第一端子和扼流圈104的第一端子。此外，可變電容器203的第二端子接地。
[0046]如前所述，當 第一邊沿出現時，根據第二實施例的功率放大器對感興趣電壓進行采樣，其中所述感興趣電壓基于開關元件的第一端子與第二端子之間的第一電壓以及通過對輸出電流進行電流-電壓轉換而獲得的第二電壓的其中之一。功率放大器隨后根據感興趣電壓與參考電壓之間的差異對可變電容器進行反饋控制。因此，即使在輸送條件發生變化的情況下，功率放大器的操作仍然按照階梯方式變得類似于過零開關操作。這樣就允許在無需校正開關頻率的情況下抑制放大效率的降低。此外，本實施例的功率放大器的控制目標被限制到可變電容器。因此與其中需要控制多個元件的情況相比，本實施例允許簡化控制。
[0047](第三實施例)
[0048]如圖4中所示，根據第三實施例的功率放大器包括開關元件101、可變電感器302、電容器103、扼流圈104和控制電路310。
[0049]控制電路310例如對應于前面所描述的采樣器111與電壓比較器112的組合。控制電路310生成用于可變電感器302的控制電壓，從而使得感興趣電壓與參考電壓之間的差異逼近零；所述感興趣電壓基于在前面描述的第一邊沿出現時獲得的第一電壓和第二電壓的至少其中之一。
[0050]可變電感器302具有根據來自控制電路310的控制電壓而變化的電感。可變電感器302的電感用于提高及降低圖4中的功率放大器的諧振頻率。可變電感器302的電感受到反饋控制，從而使得在第一邊沿出現時獲得的感興趣電壓與參考電壓之間的差異逼近零。具體來說，可變電感器302的電感在所述差異為正的情況下根據控制電壓減小，并且在所述差異為負的情況下根據控制電壓增大。
[0051]來自圖4中的功率放大器的輸出電流流過可變電感器302。可變電感器302的第一端子連接到開關元件101的第一端子、電容器103的第一端子和扼流圈104的第一端子。此外，可變電感器302的第二端子連接到圖4中的功率放大器的輸出端子(圖中未示出)。
[0052]如前所述，當第一邊沿出現時，根據第三實施例的功率放大器對感興趣電壓進行采樣，其中所述感興趣電壓基于開關元件的第一端子與第二端子之間的第一電壓以及通過對輸出電流進行電流-電壓轉換而獲得的第二電壓的其中之一。功率放大器隨后根據感興趣電壓與參考電壓之間的差異對可變電感器進行反饋控制。因此，即使在輸送條件發生變化的情況下，功率放大器的操作仍然按照階梯方式變得類似于過零開關操作。這樣就允許在無需校正開關頻率的情況下抑制放大效率的降低。此外，本實施例的功率放大器的控制目標被限制到可變電感器。因此與其中需要控制多個元件的情況相比，本實施例允許簡化控制。
[0053](第四實施例)
[0054]如圖5中所示，根據第四實施例的功率放大器包括開關元件101、可變電感器402、可變電容器403、扼流圈104和控制電路410。
[0055]可變電感器402具有根據來自控制電路410的控制電壓而變化的電感。可變電感器402的電感用于提高及降低圖5中的功率放大器的諧振頻率。也就是說，可變電感器402的電感受到反饋控制。這樣的控制將在后面詳細描述。
[0056]來自圖5中的功率放大器的輸出電流流過可變電感器402。可變電感器402的第一端子連接到開關元件101的第一端子、可變電容器403的第一端子和扼流圈104的第一端子。此外，可變電感器402的第二端子連接到圖5中的功率放大器的輸出端子(圖中未示出)。
[0057]可變電容器403具有根據來自控制電路410的控制電壓而變化的電容。可變電容器403的電容用于提高及降低圖5中的功率放大器的諧振頻率。可變電容器403的電容受到控制電壓的反饋控制。后面將詳細描述這種控制。
[0058]可變電容器403與開關元件101并聯連接。也就是說，可變電容器403的第一端子連接到開關元件101的第一端子、可變電感器402的第一端子和扼流圈104的第一端子。此外，可變電容器403的第二端子接地。
[0059]控制電路410例如對應于前面所描述的采樣器111與電壓比較器112的組合。控制電路410生成用于可變電感器402和可變電容器403的控制電壓。具體來說，來自控制電路410的控制電壓控制可變電感器402和可變電容器403，從而使得:
【權利要求】
1.一種功率放大器，其包括: 被配置成包括第一端子、第二端子和控制端子的開關元件，其響應于被提供到控制端子的輸入驅動脈沖的第一邊沿將第一端子與第二端子之間短路，并且響應于與第一邊沿交替地出現在輸入驅動脈沖中的第二邊沿將第一端子與第二端子之間開路； 被配置成直接或間接地連接到第一端子并且用來提高或降低放大器的諧振頻率的可變無源元件；
被配置成對感興趣電壓進行采樣的采樣器，所述感興趣電壓基于第一端子與第二端子之間的第一電壓以及通過對來自放大器的輸出電流進行電流-電壓轉換而獲得的第二電壓中的至少一個；以及 被配置成把感興趣電壓與參考電壓進行比較的比較器，其基于感興趣電壓與參考電壓之間的差異輸出用于可變無源元件的控制電壓。
2.根據權利要求1的放大器，其中，所述可變無源元件包括與開關元件并聯連接的可變電容器，并且 所述可變電容器的電容在所述差異為正的情況下根據控制電壓減小，并且在所述差異為負的情況下根據控制電壓增大。
3.根據權利要求1的放大器，其中，所述可變無源元件包括以使得來自放大器的輸出電流流過可變電感器的方式直接或間接地連接到第一端子的可變電感器，并且 所述可變電感器的電感在所述差異為正的情況下根據控制電壓減小，并且在所述差異為負的情況下根據控制電壓增大。
4.根據權利要求1的放大器，其中，所述可變無源元件包括可變電容器和可變電感器中的至少一個，所述可變電容器與開關元件并聯連接，所述可變電感器以使得來自放大器的輸出電流流過可變電感器的方式直接或間接地連接到第一端子，并且 可變電容器的電容和可變電感器的電感中的至少一個被控制電壓控制，從而使得
5.根據權利要求1的放大器，其中，所述可變無源元件包括以使得來自放大器的輸出電流流過阻抗轉換器的方式間接地連接到第一端子的阻抗轉換器，并且 阻抗轉換器的輸入阻抗的虛部在所述差異為正的情況下根據控制電壓減小，并且在所述差異為負的情況下根據控制電壓增大。
6.根據權利要求1的放大器，其還包括被配置成把第一電壓和第二電壓相加在一起以獲得第三電壓的加法器，并且 其中，所述采樣器對第三電壓進行采樣以作為感興趣電壓。
7.根據權利要求1的放大器，其還包括被配置成把第一電壓與第二電壓相乘以獲得第四電壓的乘法器，并且 其中，所述采樣器對第四電壓進行采樣以作為感興趣電壓。
8.一種電力輸送設備，其包括: 根據權利要求1的放大器，其放大傳`輸功率。
【文檔編號】H03F1/56GK103797709SQ201280045312
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年6月26日 優先權日:2011年8月9日
【發明者】鬼塚浩平, 三枝茂人 申請人:株式會社東芝