用于以無線方式將電力供應(yīng)到負(fù)載的方法和設(shè)備與流程
分案申請的相關(guān)信息
本申請是國際申請?zhí)枮閜ct/us2013/062129、申請日為2013年9月27日、發(fā)明名稱為“用于感測所需發(fā)射電力以達(dá)到最優(yōu)效率的無線電力發(fā)射器的自動諧振驅(qū)動器”的pct申請進(jìn)入中國國家階段后申請?zhí)枮?01380051798.6的中國發(fā)明專利申請的分案申請。
本發(fā)明涉及例如用于給便攜式裝置或遠(yuǎn)程供電裝置中的電池再充電的電力到裝置的無線發(fā)射，且特定來說涉及使用自動諧振電力發(fā)射器的此系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
最近，對開發(fā)用以給從消費型電子器件(例如手機(jī))到重型工業(yè)設(shè)備(例如在起重機(jī)的端處的電動機(jī))的各種裝置供電的無線電力傳送系統(tǒng)越來越感興趣。此興趣背后的主要驅(qū)動力是此些無線電力傳送系統(tǒng)能夠移除在傳統(tǒng)線連接的系統(tǒng)中將電力從源遞送到負(fù)載所必需的直接電接觸。此電接觸的移除許諾許多優(yōu)點，包含便利性、經(jīng)減少維護(hù)成本及可靠性。
在圖1中所展示的典型無線電力傳送系統(tǒng)中，由電壓源13供電的發(fā)射器電路12使發(fā)射電感器l1通電以發(fā)射隨時間變化的磁場。接著將接收電感器l2放置于所產(chǎn)生的磁場中，從而誘發(fā)在接收電感器l2中流動的類似地隨時間變化的電流。此所誘發(fā)電流可用于在接收器電路14中產(chǎn)生ac電壓，所述ac電壓又可接著在接收器輸出處經(jīng)整流以產(chǎn)生能夠遞送dc電流以給接收器側(cè)上的負(fù)載rl供電的dc電壓。所述負(fù)載可為待再充電的電池或電路。接收器電路14可位于也容納負(fù)載的外殼(例如手機(jī)或其它手持式裝置)內(nèi)側(cè)。發(fā)射器電路12可位于支撐平臺中，手機(jī)(例如)通宵放置于所述支撐平臺上以用于給其電池再充電。
在最實際無線電力傳送系統(tǒng)中，到達(dá)接收器電感器l2的磁場量與傳統(tǒng)基于變壓器的孤立系統(tǒng)相比是相對小的。對由發(fā)射器電感器l1產(chǎn)生的磁場有多少到達(dá)接收器電感器l2的常用測量叫做由在0與1之間的耦合系數(shù)k表示的耦合。具有小于0.8的耦合系數(shù)的系統(tǒng)通常在發(fā)射器電路中采用諧振電路以在發(fā)射電感器l1中產(chǎn)生足夠電流。需要此相對大的發(fā)射電感器l1電流產(chǎn)生在接收電感器中誘發(fā)充足電流以給負(fù)載供電所需的強磁場。
注意，通常還在接收側(cè)上采用諧振電路。通過將接收側(cè)上的諧振電路調(diào)諧到與磁場發(fā)生改變的頻率相同的頻率，諧振電路為磁場提供閉合其回路的優(yōu)選路徑(注意，磁場線總是必須自身閉合回路，因為不存在磁單極子)。因此，接收器處的諧振電路幫助重塑圍繞接收電感器l2的局部磁場且增加場強度，使得可在電感器中誘發(fā)相對較大電流量。
在諧振接收器中，此ac電流在接收電感器l2與接收器電路14中的電容器之間來回流動，從而產(chǎn)生電壓。較大所誘發(fā)電流產(chǎn)生較大峰值電壓，所述較大峰值電壓可接著更容易地經(jīng)整流且可能經(jīng)調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生所要電壓以用于接收器負(fù)載。
在發(fā)射側(cè)上，圖2中展示用于在發(fā)射電感器中產(chǎn)生ac電流的常見諧振電路。圖2圖解說明驅(qū)動lc槽電路的半橋驅(qū)動器。以特定頻率且以特定工作循環(huán)驅(qū)動開關(guān)sw-a及sw-b。通常通過掃掠特定頻率范圍且監(jiān)視跨越發(fā)射電感器l(圖1中的發(fā)射電感器l1)產(chǎn)生的電壓vl來確定此頻率。當(dāng)電壓vl的振幅處于最大值時，接著將驅(qū)動頻率確定為等于lc槽的自然頻率。接著還可控制開關(guān)sw-a相對于開關(guān)sw-b的工作循環(huán)以調(diào)節(jié)在此lc槽自然頻率下對應(yīng)于的電流il的峰值振幅的vl的峰值振幅。注意，在正常操作中，開關(guān)sw-a及sw-b決不同時接通。然而，二極管d1及d2的存在允許所述兩個開關(guān)同時關(guān)斷，與此同時將sw節(jié)點電壓維持在供應(yīng)電壓vs或接地的二極體壓降內(nèi)。
注意，lc槽電路的自然頻率在電路操作的過程期間通常不保持固定在一個值。舉例來說，通常使用的電容器及發(fā)射電感器具有溫度系數(shù)，此意味槽的自然頻率將隨溫度變化而變動。且由于正在此電感器及電容器中發(fā)展相對大量的ac電流，因此此電容器及電感器中的20到30度的溫度增加是相對常見的。另一常見效應(yīng)是當(dāng)以不同或改變的耦合系數(shù)耦合接收器電感器時發(fā)生的自然頻率的變動。
所有這些變化的效應(yīng)需要必須以定期間隔重復(fù)用以找到自然頻率的頻率掃掠以確保以lc槽的自然頻率驅(qū)動開關(guān)sw-a及sw-b。對不斷地搜索此自然頻率及工作循環(huán)調(diào)制控制的需要通常意味涉及復(fù)雜數(shù)字電路。常常，此需要微處理器的使用以實施自定義算法。
需要一種用于以無線方式將電力發(fā)射到負(fù)載的發(fā)射技術(shù)，所述發(fā)射技術(shù)以更具成本效益方式設(shè)置槽電路的自然頻率。
關(guān)于用于以無線方式將電力發(fā)射到負(fù)載的現(xiàn)有技術(shù)發(fā)射系統(tǒng)的另一問題是：通常針對更糟糕情形負(fù)載情況設(shè)置發(fā)射電力。因此，如果接收器側(cè)上的負(fù)載不需要太多電力，那么發(fā)射電力是過多的且浪費的。因此，還需要一種將發(fā)射電力量高效地控制到僅實際需要用于負(fù)載的量的技術(shù)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明揭示一種用于以無線方式將電力供應(yīng)到負(fù)載的高效發(fā)射及接收系統(tǒng)。發(fā)射電路包含以其自然頻率操作以達(dá)到最大所發(fā)射電力及效率的lc槽電路。
本發(fā)明自動檢測lc槽電路的自然頻率且在逐循環(huán)基礎(chǔ)上調(diào)整其開關(guān)的驅(qū)動頻率，使得其總是追蹤所述槽電路的所述自然頻率。本發(fā)明還提供展示此方法與工作循環(huán)調(diào)制兼容的實例性電路。
換句話說，諧振電力發(fā)射器將其驅(qū)動頻率鎖定到諧振槽的所述自然頻率上以形成自動諧振電路。所述方法及電路還允許驅(qū)動波形的脈沖寬度的調(diào)制以控制諧振槽中的循環(huán)電流量。
除此方法及電路之外，本發(fā)明還揭示一種允許對所發(fā)射電力的控制以減少常備電力且優(yōu)化總體系統(tǒng)效率的新檢測方法。因此，發(fā)射器電路在負(fù)載不需要其時不必以全功率操作。所述方法調(diào)制自動諧振電路的驅(qū)動波形的脈沖寬度或振幅且在監(jiān)視發(fā)射器諧振槽中產(chǎn)生的峰值電壓的遞增改變。接著將峰值電壓調(diào)節(jié)到遞增改變剛剛開始增加之處。此峰值電壓反映諧振電力傳送系統(tǒng)的總體質(zhì)量(q)因數(shù)。一旦接收電路中的電壓調(diào)節(jié)器(將dc電力提供給負(fù)載)實現(xiàn)調(diào)節(jié)，q因數(shù)便改變，因為從接收器電路到發(fā)射器電路的經(jīng)反射阻抗在存在調(diào)節(jié)時改變。發(fā)射器電力不必為大于接收器電路中的電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)調(diào)節(jié)所需要的最小值的任何電力。此質(zhì)量因數(shù)檢測方法可經(jīng)延伸以包含具有次級側(cè)調(diào)節(jié)的任何電力傳送系統(tǒng)且其中從次級側(cè)到初級側(cè)的直接電連接并非合意的。
附圖說明
圖1圖解說明用于以無線方式將電力提供到負(fù)載的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)。
圖2圖解說明用于驅(qū)動發(fā)射器電感器的現(xiàn)有技術(shù)半橋電路。
圖3將圖2中的開關(guān)圖解說明為產(chǎn)生脈沖序列的電壓源。
圖4圖解說明在諧振穩(wěn)定狀態(tài)下穿過圖3的電感器的電流。
圖5圖解說明驅(qū)動槽電路的經(jīng)簡化發(fā)射器電路。
圖6圖解說明在包含諧振頻率的頻率范圍內(nèi)的槽電路的阻抗。
圖7圖解說明在圖3的槽電路中響應(yīng)于單個電壓脈沖而產(chǎn)生的電流。
圖8圖解說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的以其諧振頻率驅(qū)動槽電路的控制電路。
圖9圖解說明在添加用于起始切換的振蕩器的情況下圖8的控制電路。
圖10圖解說明發(fā)射器電感器與接收器電感器的耦合。
圖11圖解說明在一頻率范圍內(nèi)的圖10的槽電路的阻抗。
圖12類似于圖3，但根據(jù)本發(fā)明經(jīng)控制。
圖13圖解說明在諧振穩(wěn)定狀態(tài)下穿過圖12的電感器的電流波形。
圖14a、14b及14c圖解說明在開關(guān)的操作期間的三個相位。
圖15將脈沖寬度控制添加到圖9的電路以控制峰值電感器電流。
圖16圖解說明在穩(wěn)定狀態(tài)下的圖15的受控脈沖寬度及所得電感器電流。
圖17圖解說明控制穿過電感器的電流的全橋。
圖18圖解說明控制圖17的全橋的圖9的控制電路。
圖19將脈沖寬度控制添加到圖18的電路以控制峰值電感器電流。
圖20圖解說明在穩(wěn)定狀態(tài)下的圖19的電路中的受控脈沖寬度及所得電感器電流。
圖21a、21b、21c及21d圖解說明在圖19中的開關(guān)的操作期間的四個相位。
圖22及23圖解說明當(dāng)接收器中的電壓調(diào)節(jié)器在使用于驅(qū)動發(fā)射器電感器的驅(qū)動脈沖寬度(或供應(yīng)電壓)線性斜升時實現(xiàn)調(diào)節(jié)(工作循環(huán)小于100％)時峰值電感器電壓的迅速增加。
圖24圖解說明電力發(fā)射系統(tǒng)的實施例，其中展示基于在使用于驅(qū)動發(fā)射器電感器的驅(qū)動脈沖寬度(或供應(yīng)電壓)斜升時在發(fā)射器電感器上檢測到的峰值電壓而以最優(yōu)方式驅(qū)動發(fā)射器電感器以實現(xiàn)最大效率的重要元件。
圖25是圖24的發(fā)射器電路的可能實施例。
以相同編號標(biāo)示相同或等效的元件。
具體實施方式
簡單諧振電路
圖3展示電壓源16產(chǎn)生以lc自然頻率(fn＝1/2π√lc)驅(qū)動簡單lc諧振電路18的方波。電壓源16并有圖2中的開關(guān)sw-a及sw-b的理想版本。在穩(wěn)定狀態(tài)下且在每一開關(guān)的50％工作循環(huán)(以用于最大電流)下，圖4中展示sw節(jié)點處的電壓及穿過電感器l的電流。從波形清楚的一個特性是：在穩(wěn)定狀態(tài)下，sw節(jié)點處的切換波形及穿過電感器l的正弦電流的基本原則為同相。
圖5展示呈半橋配置的圖3的等效物，其中開關(guān)sw-a及sw-b的接通電阻各自等于rs。如果在50％工作循環(huán)下以lc自然頻率驅(qū)動sw-a及sw-b，那么在穩(wěn)定狀態(tài)下sw節(jié)點處的電壓及穿過電感器l的電流與圖4中所展示的情形完全相同。解釋此情形的另一種方式是使用圖6的串聯(lián)lc阻抗曲線，圖6展示lc網(wǎng)絡(luò)跨越寬頻率范圍的阻抗變化。注意，通過以lc諧振頻率驅(qū)動開關(guān)sw-a及sw-b，迫使電路以其在點20處的最小實際阻抗(此時其相位等于零(即，僅存在電阻且不存在電抗))操作。
考慮到sw-a及sw-b決不會同時接通，圖7展示在短暫地接通開關(guān)sw-a達(dá)單個脈沖且接著接通開關(guān)sw-b時形成的波形。注意，脈沖持續(xù)時間并不重要(其可大于或小于lc槽的自然頻率的半周期)；僅sw節(jié)點處的電壓改變的存在是關(guān)鍵的。如所展示，產(chǎn)生電感器電流il且其繼續(xù)來回流動(變?yōu)檎柏?fù))直到由單個脈沖所產(chǎn)生的能量在開關(guān)sw-b(或兩個開關(guān))接通電阻中耗散。從圖7注意到兩個重要的事情。首先是電感器電流il以lc自然頻率改變方向(正到負(fù))的事實。其次是此相同電流流動到開關(guān)中的任一者中，且可使用這些相同開關(guān)的接通電阻來檢測此電流方向。
當(dāng)開關(guān)sw-a接通時，正電感器電流il將致使sw節(jié)點處的電壓稍微低于vs，且負(fù)電感器電流il將致使sw節(jié)點處的電壓稍微高于vs。類似地當(dāng)開關(guān)sw-b接通時，正電感器電流il將致使sw節(jié)點處的電壓稍微低于接地，且負(fù)電感器電流il將致使sw節(jié)點處的電壓稍微高于接地。
在典型現(xiàn)有技術(shù)諧振槽驅(qū)動器電路中，槽電路中的電感器磁性地耦合到以一個特定諧振頻率驅(qū)動開關(guān)的第二電感器。此諧振驅(qū)動電路對于無線電力傳送系統(tǒng)可能并不適合，因為接收器電感器與發(fā)射電感器之間的磁耦合以及接收器負(fù)載可影響總體系統(tǒng)的諧振頻率。因此，必須使用不同方法。
自動諧振電路
在本發(fā)明的一個實施例中，圖8展示包括檢測上文所描述的電感器電流il的方向改變的兩個比較器24及26的電路。借助rs鎖存器28及反相器29完成電路，因此電路驅(qū)動開關(guān)以確保sw節(jié)點處的波形與電感器電流il同相。舉例來說，開關(guān)可為mosfet或雙極晶體管。與開關(guān)并聯(lián)的二極管可為mosfet中的體-漏極二極體，其中源極短接到體。
在開關(guān)sw-b接通時的負(fù)到正電感器電流轉(zhuǎn)變時，sw節(jié)點從稍微正變?yōu)樯晕⒇?fù)。此時，設(shè)置rs鎖存器且接通sw-a。在sw-a接通時的正到負(fù)電感器電流轉(zhuǎn)變時，sw節(jié)點從稍微低于vs變?yōu)樯晕⒏哂趘s。此時，將rs鎖存器復(fù)位且接通sw-b。注意，可在不影響電路的操作的情況下將rs鎖存器復(fù)位或重定為主導(dǎo)的。只要lc槽中存儲有能量此循環(huán)就一直重復(fù)。
此電路允許sw節(jié)點以lc自然頻率被驅(qū)動為與電感器電流同相，其中
圖8的電路具有啟動問題，因為在電路操作開始時，lc槽中可能未存儲有任何能量。因此，添加啟動振蕩器以給予串聯(lián)lc網(wǎng)絡(luò)初始能量脈沖，如圖9中所展示。每當(dāng)rs鎖存器28產(chǎn)生邊緣(此處使用正邊緣，但也可使用負(fù)邊緣)時將振蕩器30復(fù)位，從而一旦lc槽中存儲有足夠初始能量便允許自動諧振電路取而代之。邊緣到單發(fā)電路32產(chǎn)生復(fù)位脈沖。
啟動振蕩器30經(jīng)編程而以低于lc槽的自然頻率的頻率(fstart)驅(qū)動開關(guān)sw-a及sw-b。振蕩器30輸出的工作循環(huán)及精確頻率并不重要。重點是開關(guān)sw-a及sw-b經(jīng)驅(qū)動以在sw節(jié)點處形成脈沖以便開始在lc槽處發(fā)展能量且電流開始在串聯(lián)lc網(wǎng)絡(luò)中流動。
一旦發(fā)展了電流，兩個比較器24及26便可開始它們檢測電感器電流il的方向的工作且開始將開關(guān)sw-a及sw-b驅(qū)動為與此電流同相。一旦兩個比較器24及26正在操作，啟動振蕩器30便不應(yīng)在其輸出處產(chǎn)生任何更多邊緣。因此，在rs鎖存器28的每一上升(或下降)邊緣輸出時，將復(fù)位脈沖發(fā)射到振蕩器30，此將阻止振蕩器30產(chǎn)生輸出達(dá)單個周期。因此，fstart需要經(jīng)編程為低于系統(tǒng)的自然頻率(fn)。rs鎖存器28接著經(jīng)由“或”門34及反相器29以自然頻率控制開關(guān)sw-a及sw-b。
注意，此配置還具有使啟動振蕩器30在lc槽中的能量出于任何原因被移除或耗散的情況下在短時間周期(小于自然頻率的單個周期)內(nèi)立即在其輸出處產(chǎn)生邊緣的優(yōu)點。
圖8及9中的自動諧振電路實施方案使用開關(guān)sw-a及sw-b的接通電阻來確定發(fā)射器tx電感器電流il方向?？珊唵蔚匦薷碾娐芬允褂闷渌椒▉頇z測此電感器電流il方向。這些其它方法的實例包含：與發(fā)射器電感器一起使用串聯(lián)傳感電阻器或使用耦合到初級發(fā)射器電感器的次級電感器。
電感耦合的系統(tǒng)中的自動諧振
圖10展示驅(qū)動其電感器l1磁性地耦合到與電容器c2及電阻器rl并聯(lián)的接收器電感器l2的串聯(lián)lc網(wǎng)絡(luò)(使用c1及l(fā)1)的半橋。圖10可表示在根據(jù)本發(fā)明經(jīng)控制時本發(fā)明的實施例。電感器l2電路可連同負(fù)載rl一起且與發(fā)射器電感器l1間隔開地經(jīng)容納，例如以用于以無線方式給手持式裝置中的電池再充電。負(fù)載rl將包含電池、調(diào)節(jié)器及其它控制電路。圖11中展示在sw節(jié)點處看向lc網(wǎng)絡(luò)中的阻抗曲線。
注意，阻抗曲線中可存在相位為零的多個點(即，驅(qū)動其的電壓及電流為同相的點)。因此，當(dāng)使用自動諧振電路來驅(qū)動此系統(tǒng)時，可存在電路為驅(qū)動開關(guān)而將設(shè)置的數(shù)個有效頻率。
在圖11中所展示的經(jīng)簡化曲線中，由fn1及fn2指示兩個有效點。自動諧振驅(qū)動器將找到最低(而非最高)量值、零相位阻抗點，因為更多能量可在這些低阻抗點處積累于槽中。這些點的分離及質(zhì)量因數(shù)(銳度測量)受耦合因數(shù)、兩個槽的自電感及電容的相對值、電感器及電容器的寄生電阻以及接收器上的負(fù)載電阻影響。
自動諧振驅(qū)動器將找到這兩個點(fn1或fn2)中具有最低阻抗量值的一者。只要這兩個頻率彼此接近，接收器便將能夠吸收可從磁場獲得的最大實際電力量而無論自動諧振驅(qū)動設(shè)置為哪一頻率。
pwm自動諧振
在典型無線電力傳送系統(tǒng)中，可從發(fā)射器傳送到接收器的能量與由發(fā)射器產(chǎn)生的磁場強度成正比。此磁場強度又與在發(fā)射電感器中流動的電流的量值成比例。
如背景技術(shù)及自動諧振討論中所提及，當(dāng)以串聯(lián)lc的自然頻率(在阻抗曲線的零相位點處)驅(qū)動半橋開關(guān)時在發(fā)射電感器中發(fā)展最大電流。因此，調(diào)制在發(fā)射電感器中發(fā)展的峰值電流量的一種方式是調(diào)整驅(qū)動頻率。
調(diào)制發(fā)射電感器的峰值電流的另一方式是調(diào)整控制呈半橋結(jié)構(gòu)的開關(guān)sw-a及sw-b(例如圖10中的開關(guān)sw-a及sw-b)的驅(qū)動波形的脈沖寬度或工作循環(huán)。當(dāng)開關(guān)sw-a及sw-b各自以50％工作循環(huán)經(jīng)驅(qū)動時將發(fā)展最大峰值電流。此峰值電流將隨著工作循環(huán)從50％增加或減小而單調(diào)地下降。
圖12與圖3相同(惟驅(qū)動波形不同(脈沖寬度小于50％)除外)且可根據(jù)本發(fā)明。開關(guān)并入于電壓源16中。圖13展示當(dāng)以小于50％工作循環(huán)以諧振頻率驅(qū)動sw節(jié)點時sw節(jié)點及電感器l1電流il的穩(wěn)定狀態(tài)波形。注意，sw節(jié)點波形的基波分量與電感器l1電流波形仍處于同一頻率且完全同相。此外，電感器峰值電流的值小于在以50％驅(qū)動sw節(jié)點(圖4中所展示)時獲得的峰值電流。
當(dāng)脈沖寬度從0％增加到50％時，電感器l1電流的峰值單調(diào)地增加。因此，可使半橋中的sw節(jié)點的脈沖寬度變化以控制發(fā)射電感器l1中的峰值電流。
注意，在圖12中所展示的自由運行諧振電路中，sw節(jié)點脈沖的中心與電感器l1電流的峰值一致，且此sw節(jié)點脈沖可經(jīng)稍微相移為正及負(fù)同時維持其與電感器l1的峰值電流的比例性。維持此比例性的一個重要約束是：此正向脈沖必須在電感器電流為正時發(fā)生，其中此正電流相位被稱作電力遞送相位。
圖14a到c展示電路在穩(wěn)定狀態(tài)中在諧振頻率下經(jīng)歷的三個相位。圖14a中所展示的電力遞送相位經(jīng)定義為當(dāng)開關(guān)sw-a接通時開關(guān)sw-b關(guān)斷，且電感器l1電流從電力供應(yīng)器(vs)流出。此電力遞送相位的脈沖寬度可相對于其它兩個相位進(jìn)行調(diào)制以便控制電感器l1中的峰值電流。圖14b及14c中展示第二相位及第三相位，其中開關(guān)sw-a關(guān)斷且開關(guān)sw-b接通。
峰值電感器電流的此脈沖寬度控制可并入到自動諧振電路中。圖15展示來自圖9的包含此脈寬調(diào)制控制的經(jīng)修改自動諧振驅(qū)動器。所添加的新組件為“或”門36、邊緣到單發(fā)38(產(chǎn)生固定脈沖寬度)、反相器40、邊緣到單發(fā)42及“與”門44。
邊緣到單發(fā)42門控rs鎖存器28的輸出，從而將每一正向邊緣轉(zhuǎn)換為其寬度與邊緣到單發(fā)42的端子pth處的電壓成比例的單個正脈沖。因此，每當(dāng)設(shè)置rs鎖存器28時，接通開關(guān)sw-a達(dá)與v(pth)成比例的周期，且將開關(guān)sw-b驅(qū)動為與sw-a異相。參考關(guān)于sw節(jié)點處的電壓的變化(取決于開關(guān)sw-a及sw-b的狀態(tài)以及電感器電流波形的上升及下降)的圖8的討論。反饋sw節(jié)點處的電壓的此變化以將驅(qū)動器控制為以諧振頻率操作，同時外部施加的v(pth)控制脈沖寬度。
圖16展示由圖15的電路(使用通過控制v(pth)進(jìn)行的脈寬調(diào)制)產(chǎn)生的sw節(jié)點電壓及電感器l電流波形。注意，當(dāng)開關(guān)sw-a的接通工作循環(huán)小于50％時，決不會出現(xiàn)正常復(fù)位路徑(當(dāng)電感器電流在sw-a接通時開始變?yōu)樨?fù)時，檢測到sw節(jié)點高于vs電平)。因此，由邊緣到單發(fā)38引入的自復(fù)位路徑是必要的。當(dāng)電感器電流波形形狀在開關(guān)sw-b接通時從負(fù)變?yōu)檎龝r，邊緣到單發(fā)38產(chǎn)生到rs鎖存器28的復(fù)位脈沖。
注意，將sw節(jié)點與供應(yīng)電壓v(vs)進(jìn)行比較的復(fù)位比較器24的存在對于圖15中的電路仍是必要的以確保開關(guān)sw-a的最大工作循環(huán)為50％。在50％之上，將存在除圖14a到c中所展示的三個相位以外的額外非電力遞送相位，其中電流將被驅(qū)動到供應(yīng)(vs)中。此額外相位不增加或減小結(jié)構(gòu)或總體系統(tǒng)的有效性，但可產(chǎn)生關(guān)于許多可容易獲得的單向電力供應(yīng)的不合意行為。
全橋
對自動諧振及具有脈寬調(diào)制的自動諧振的所有前述討論已使用具有串聯(lián)lc的半橋來展示可如何理解及實施方法。然而，可使用如圖17中所展示的具有串聯(lián)lc的全橋驅(qū)動器容易地實施這些方法。開關(guān)sw-a、sw-b、sw-c及sw-d經(jīng)同步以實現(xiàn)諧振頻率切換及選定脈寬調(diào)制。所述開關(guān)經(jīng)控制使得開關(guān)sw-a及sw-c一起接通或關(guān)斷，且開關(guān)sw-b及sw-d一起接通或關(guān)斷但與開關(guān)sw-a及sw-c相反。
圖18展示驅(qū)動圖17的全橋的來自圖9的自動諧振電路。反相器29、46及47致使開關(guān)sw-a與sw-b相反地切換且致使開關(guān)sw-c與sw-d相反地切換以形成從vs到接地的交變路徑。注意，僅對sw節(jié)點但不對sw1節(jié)點進(jìn)行感測。將sw-c驅(qū)動為與sw-a同相，且將sw-d驅(qū)動為與sw-b同相。觀看此的一種實際方式是：替代在半橋情形中跨越串聯(lián)lc網(wǎng)絡(luò)以50％工作循環(huán)強加等于v(vs)及0v的電壓，現(xiàn)在電路跨越串聯(lián)lc網(wǎng)絡(luò)以50％工作循環(huán)強加等于v(vs)及–v(vs)的電壓。
為了關(guān)于全橋自動諧振驅(qū)動器包含圖15的脈寬調(diào)制能力，修改圖18的電路，如圖19中所展示。在圖19中，需要額外邊緣到單發(fā)50以便調(diào)制開關(guān)sw-d接通的脈沖持續(xù)時間。邊緣到單發(fā)50與邊緣到單發(fā)42的組合確保開關(guān)sw-a的接通脈沖寬度與開關(guān)sw-d的接通脈沖寬度完全相同。反相器47及“與”門54致使開關(guān)sw-c及sw-d在“或”門34輸出變低之后以特定脈沖寬度(由v(pth2)設(shè)置)切換，而開關(guān)sw-a及sw-b在“或”門34輸出變高之后以特定脈沖寬度(由v(pth1)設(shè)置)切換。邊緣到單發(fā)42及50電路可經(jīng)組合且另一邏輯配置可用于針對開關(guān)產(chǎn)生相同驅(qū)動信號。
借助此修改，圖20中展示節(jié)點sw及sw1處的穩(wěn)定狀態(tài)電壓(即，v(sw、sw1))及電感器電流波形，其中任意脈沖寬度由相同量值的v(pth1)及v(pth2)(來自圖19)設(shè)置。注意，與圖14a到c中展示的三個相位相比，引入圖21c中所展示的額外電力遞送相位。圖21a到21d中展示四個開關(guān)狀態(tài)組合。此額外電力遞送相位(圖21c)不更改脈沖寬度與電感器中的峰值電流的比例性。
在圖21a中，電感器電流為正且斜升。在圖21b中，電感器電流為正且斜降。在圖21c中，電感器電流為負(fù)且斜降。在圖21d中，電感器電流為負(fù)且斜升。圖21a及21c中展示電力遞送相位。頻率處于諧振，且脈沖寬度(由v(pth1)及v(pth2)設(shè)置)確定發(fā)射器電感器電流的峰值量值。穿過發(fā)射器電感器電流的峰值電流控制可在接收器處獲得的電力量。因此接收器側(cè)上的較輕負(fù)載應(yīng)伴隨有發(fā)射器側(cè)上的較小脈沖寬度以便不供應(yīng)穿過發(fā)射器電感器的過剩電流。
注意，為了簡單，已將圖20的實例中的開關(guān)sw-a及sw-d的脈沖寬度選擇為相同的。然而，此并非要求。開關(guān)sw-a及sw-d接通狀態(tài)脈沖寬度可彼此獨立，且電感器中的峰值電流將與兩個脈沖寬度的和成比例。
由發(fā)射器側(cè)進(jìn)行對接收側(cè)負(fù)載電流的檢測以優(yōu)化脈沖寬度
在例如圖1中所展示的無線電力系統(tǒng)中，接收器側(cè)通常采用整流器及dc-dc調(diào)節(jié)來控制遞送到負(fù)載的電力量。此調(diào)節(jié)器可為切換dc-dc轉(zhuǎn)換器或調(diào)節(jié)其輸出電壓的低壓降(ldo)調(diào)節(jié)器。針對固定電阻負(fù)載，輸出電壓將控制負(fù)載中的電流量及因此遞送到負(fù)載的總電力量。
然而，注意，不存在從接收器到發(fā)射器電路的直接反饋。在不具有此反饋的情況下，發(fā)射電路需要針對最糟糕情形操作條件使發(fā)射電感器以最大電平通電。此最糟糕情形操作條件通常涉及最大負(fù)載電流及發(fā)射器與接收器電感器之間的最低耦合。使發(fā)射器電感器以所述最大電平通電由于必然存在于任何實際電路中的非理想因素而導(dǎo)致發(fā)射器電路以及發(fā)射電感器中的大電力耗散。最顯著的非理想因素為發(fā)射器電感器自身的寄生串聯(lián)電阻。
因此，如果接收器側(cè)(或次級側(cè))不花費其操作的大部分將最大電力遞送到負(fù)載，那么使發(fā)射器電感器以其最大電平通電并非合意的。舉例來說，如果負(fù)載為裝置的電池，那么裝置電池僅需要在每一充電循環(huán)開始時在短周期期間以其全電流充電。其它實例包含間歇性電動機(jī)驅(qū)動或突發(fā)模式無線傳感器節(jié)點。
為了優(yōu)化從初級側(cè)到次級側(cè)的電力發(fā)射的總體效率，顯然從次級到初級側(cè)的反饋是必要的。許多方法是可用的且已以各種形式使用。
一個實例涉及使用光耦合器來提供從次級側(cè)到初級側(cè)的直接反饋信息。另一實例使用具有無線通信協(xié)議的專用無線電鏈路來提供此反饋信息。其它方法采用通過對次級諧振電容器的稍微調(diào)制進(jìn)行對初級側(cè)交流波形的間接觀察。此調(diào)制可接著用作低帶寬無線電鏈路以將反饋信息從次級側(cè)發(fā)送到初級側(cè)。
對次級諧振電容器或電感器的更劇烈調(diào)制還可用于提供次級側(cè)輸出電壓的狀態(tài)的更直接信息。
用以將反饋提供到發(fā)射側(cè)的現(xiàn)有技術(shù)給電路添加實質(zhì)成本及復(fù)雜度。
本發(fā)明使用完全不同的方法來建立從次級側(cè)到初級側(cè)的反饋(此避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點)。所述方法調(diào)制發(fā)射器電感器中的峰值電流(使用脈沖寬度或電力供應(yīng)電壓調(diào)制)且監(jiān)視電感器自身發(fā)展的峰值電壓的遞增改變。接著將發(fā)射器電感器電流調(diào)節(jié)到電感器峰值電壓的遞增改變剛剛開始增加之處。如下文所描述，在調(diào)節(jié)發(fā)射器電感器電流時，接收側(cè)電壓調(diào)節(jié)器剛剛能夠?qū)⒛繕?biāo)電壓供應(yīng)到負(fù)載。
在例如本文所描述的無線系統(tǒng)的電感耦合的系統(tǒng)中，來自接收器側(cè)的阻抗經(jīng)反射到發(fā)射器側(cè)。當(dāng)接收器側(cè)采用某種調(diào)節(jié)(如在dc/dc轉(zhuǎn)換器的情形中–線性或切換)時，經(jīng)反射阻抗的遞增電阻分量從簡單電阻器到電流源(在ldo的情形中)或甚至負(fù)電阻(在切換dc/dc轉(zhuǎn)換器的情形中)改變。
經(jīng)反射阻抗的此改變影響發(fā)射器電感器端口處的總體質(zhì)量因數(shù)(q)。具體來說，使用先前所討論的pwm自動諧振驅(qū)動器，當(dāng)脈沖寬度緩慢地變化時，可通過監(jiān)視在發(fā)射器電感器上的電壓積累的遞增改變而檢測接收器側(cè)調(diào)節(jié)。使用另一方式，脈沖寬度可固定在特定值，且諧振驅(qū)動器的供應(yīng)電壓緩慢地變化。再次，可通過監(jiān)視在發(fā)射器電感器上的電壓積累的遞增改變而檢測接收器側(cè)調(diào)節(jié)。
注意，通過增加pwm自動諧振驅(qū)動器的脈沖寬度或供應(yīng)電壓，驅(qū)動器有效地嘗試增加發(fā)射器電感器中的電流。如前文所提及，由發(fā)射器電感器產(chǎn)生的磁場強度與發(fā)射器電感器中的電流成正比。推論得出，接收器側(cè)上可用的總電力量與接收器電感器放置于其中的磁場的強度成正比。
在接收器電路實現(xiàn)任何調(diào)節(jié)之前，負(fù)載的經(jīng)反射阻抗看起來像影響自動諧振驅(qū)動器嘗試鎖定到的系統(tǒng)的總體q的簡單電阻。這是因為到接收器的電壓轉(zhuǎn)換器中的輸入電壓低于目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓，且轉(zhuǎn)換器的電力開關(guān)(假定切換降壓類型調(diào)節(jié)器)實際上100％的時間僅接通以嘗試實現(xiàn)目標(biāo)電壓。因此，任何遞增脈沖寬度或遞增供應(yīng)電壓將僅增加在受此總體q限制的發(fā)射器串聯(lián)lc槽中的電壓(及電流)積累。
另一方面，接收器電路一實現(xiàn)調(diào)節(jié)，從接收器到發(fā)射器的經(jīng)反射阻抗就顯著地改變。與其中經(jīng)反射遞增電阻從某一正電阻改變?yōu)楦箅娮柚档膌do相比較，在dc/dc切換轉(zhuǎn)換器的情形中，經(jīng)反射遞增電阻從正電阻改變?yōu)樨?fù)電阻。在降壓調(diào)節(jié)器的情形中，輸入電壓一上升到目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓以上，電力開關(guān)的pwm切換就啟動且工作循環(huán)將開始降到100％以下。因此，存在轉(zhuǎn)換器的電力開關(guān)關(guān)斷且在轉(zhuǎn)換器輸入處所見的有效電阻連同到發(fā)射器的經(jīng)反射值一起增加的時候。因此，此時及此后，脈沖寬度或供應(yīng)電壓的任何增加將使在初級lc槽中的電壓(及電流)積累增加總體系統(tǒng)的新的較高q所允許的實質(zhì)上較大量。
關(guān)于此過程存在的固有正反饋使此效應(yīng)甚至更強烈。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓開始上升到目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓以上時，經(jīng)反射電阻增長，這允許發(fā)射器電感器上的電壓隨著發(fā)射器驅(qū)動器處的相同脈沖寬度增長到更高。當(dāng)發(fā)射器電感器上的電壓增長時，到接收器的轉(zhuǎn)換器中的輸入電壓也增長，此進(jìn)一步致使轉(zhuǎn)換器減小其工作循環(huán)且因此致使電阻進(jìn)一步增長。此效應(yīng)繼續(xù)，直到發(fā)射器上的電壓積累高達(dá)其可比得上現(xiàn)有脈沖寬度，且所有額外電力被與在發(fā)射器及接收器線圈上積累電壓及電流相關(guān)聯(lián)的寄生電阻消耗掉。
因此，此新方法尋求通過檢測總體系統(tǒng)的遞增q的改變而感測接收器側(cè)調(diào)節(jié)。且在pwm自動諧振驅(qū)動器系統(tǒng)的情形中，當(dāng)電力遞送相位的脈沖寬度或供應(yīng)電壓增加時通過監(jiān)視初級lc槽峰值電壓(或峰值電流)的遞增改變而進(jìn)行此操作。
針對在存在接收器電感器的情況下驅(qū)動發(fā)射電感器的發(fā)射器電路的典型設(shè)置，圖22的圖表展示當(dāng)pwm自動諧振驅(qū)動器(諧振頻率為大約100khz)的電力遞送相位脈沖寬度從0微秒掃掠到3.5微秒且接收器含有降壓調(diào)節(jié)器(具有5v的目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓)從而給固定電阻負(fù)載供電時的峰值發(fā)射電感器電壓的變化。圖23展示當(dāng)同一pwm自動諧振驅(qū)動器的電力遞送相位脈沖寬度從0微秒掃掠到4微秒且接收器含有電壓調(diào)節(jié)器(具有5v的目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓)從而給各種電阻負(fù)載供電時的峰值發(fā)射電感器電壓的變化。注意，這些圖表對于采用某一類高效調(diào)節(jié)的任何接收器側(cè)電路是典型的。
在存在可從發(fā)射器電感器獲得的不斷增加的電力量的情況下，經(jīng)反射阻抗在實現(xiàn)調(diào)節(jié)時顯著增加。圖表的斜率的改變反映經(jīng)反射阻抗顯著增加時的點。因此，斜率在其處急劇增加的脈沖寬度(例如在圖22中具有3微秒脈沖寬度)為接收器側(cè)中的電壓調(diào)節(jié)器剛剛從接收器電感器接收充足電力以輸出目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)5v之處。在所述點之前，電壓調(diào)節(jié)器(甚至以大約100％的其最高工作循環(huán))不可產(chǎn)生目標(biāo)5v。經(jīng)反射阻抗的急劇增加歸因于一旦實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)器便突然具有小于100％的工作循環(huán)。經(jīng)反射阻抗的此改變的量值將取決于數(shù)個因素(例如發(fā)射器及接收器固有質(zhì)量因數(shù)、兩個電感器之間的耦合及處于調(diào)節(jié)的接收器輸出處的負(fù)載)而變化。但最重要的是總是存在梯度改變。注意，在圖23中，電壓調(diào)節(jié)器花費更寬驅(qū)動脈沖寬度來實現(xiàn)針對負(fù)載4的調(diào)節(jié)，這是因為負(fù)載4(具有小于負(fù)載1的電阻)需要更高電流來實現(xiàn)5v經(jīng)調(diào)節(jié)電壓。
因此，在拐點處或在拐點附近，實現(xiàn)電力的最高效使用(存在由發(fā)射電感器產(chǎn)生的過剩電力的最小值)。
本發(fā)明周期性地調(diào)制電力遞送相位的脈沖寬度(例如，使其下降接著斜升)以感測發(fā)生此梯度改變的點且在此點處或在此點附近調(diào)節(jié)pwm諧振驅(qū)動器的脈沖寬度。此方法實現(xiàn)對來自發(fā)射器側(cè)的次級電力消耗的直接感測，借此允許驅(qū)動器使電感器通電剛好足以實現(xiàn)接收器側(cè)調(diào)節(jié)。此減少初級電路中的任何常備損耗，從而優(yōu)化總體系統(tǒng)效率。由圖22及23的圖表中的點60指示這些最優(yōu)操作點。
圖24圖解說明本發(fā)明的一個實施例的高階描繪。發(fā)射器64含有例如圖19中所展示的自動諧振驅(qū)動器，其中驅(qū)動脈沖寬度由脈沖寬度控制電壓v(pth)設(shè)置。接收器66含有諧振電容器67、整流器68及以目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓給負(fù)載rl供電的電壓調(diào)節(jié)器70。平流電容器(未展示)或其它低通濾波器消除漣波以將實質(zhì)上dc輸入電壓提供到調(diào)節(jié)器70中。調(diào)節(jié)器70可為使用電力開關(guān)的任何類型的調(diào)節(jié)器，例如使用pwm的降壓切換調(diào)節(jié)器，其中感測調(diào)節(jié)器的輸出電壓以產(chǎn)生反饋電壓以控制調(diào)節(jié)器電力開關(guān)的工作循環(huán)，借此調(diào)節(jié)工作循環(huán)以致使反饋電壓匹配參考電壓以實現(xiàn)目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓。讓與本發(fā)明受讓人且以引用方式并入本文中的美國專利5,731,731中描述一種類型的調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器還可為ldo調(diào)節(jié)器，其中l(wèi)do調(diào)節(jié)器的串聯(lián)電力裝置在調(diào)節(jié)之前是完全導(dǎo)電的且在調(diào)節(jié)之后是部分導(dǎo)電的?？刂破?2周期性地掃掠v(pth)同時感測由峰值電壓檢測器74檢測到的電感器l1的峰值電壓。峰值電壓檢測器74可為接收ac電壓且產(chǎn)生對應(yīng)于峰值電壓的值的任何常規(guī)電路。當(dāng)由接收器電感器l2產(chǎn)生的電力足以使得調(diào)節(jié)器70能夠輸出目標(biāo)經(jīng)調(diào)節(jié)電壓時，控制器72感測到發(fā)射器電感器l1的峰值電壓的所得增加且停止掃掠v(pth)。此產(chǎn)生致使發(fā)射器電感器l1僅供應(yīng)足以實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)的電力的脈沖寬度。控制器72由于系統(tǒng)的參數(shù)可改變而周期性地執(zhí)行掃掠及檢測操作。
在一個實施例中，供應(yīng)到發(fā)射器電感器l1的峰值電流剛好足以實現(xiàn)由電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行的調(diào)節(jié)。在另一實施例中，將供應(yīng)到發(fā)射器電感器l1的峰值電流設(shè)置為等于或高于電壓調(diào)節(jié)器實現(xiàn)調(diào)節(jié)所需要的電平的電平，但低于比調(diào)節(jié)所需要的電平大25％的電平以確保盡管發(fā)生特定參數(shù)的變化也能維持調(diào)節(jié)。
接收器66可完全位于接近于發(fā)射器電感器l1周期性地放置以用于給電池再充電的手持式裝置中。接收器電感器l2與發(fā)射器電感器l1之間的間隔應(yīng)為對于應(yīng)用來說實際的最小值，例如小于1cm。
圖25展示包含圖19的電路的用于以最優(yōu)方式控制脈沖寬度的另一可能設(shè)置。由輸出v(pth)的最優(yōu)電力傳送調(diào)節(jié)器(optr)模塊78調(diào)整電力遞送脈沖寬度。optr模塊78通過感測在發(fā)射器電感器l1上發(fā)展的峰值電壓且調(diào)制v(pth)而執(zhí)行梯度檢測及最優(yōu)點搜索。峰值電壓檢測器由二極體80、電容器82及電阻器r的組合形成。optr模塊78的電路是相當(dāng)簡單的且可由所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員容易地設(shè)計。定時器可接著在時間周期之后起始新測量循環(huán)。
可實施各種算法來執(zhí)行梯度檢測及脈寬調(diào)制以找到最優(yōu)點。
一個簡單算法如下：
1.在啟動時，以固定步長連續(xù)地增加脈沖寬度，從而在每一步階處對在發(fā)射電感器處發(fā)展的峰值電壓進(jìn)行取樣及存儲。
2.找到當(dāng)前峰值電壓值(v1)與前一步階處的值(v0)之間的差異，且因此在掃掠脈沖寬度時產(chǎn)生與峰值電壓的梯度成比例的值。
3.將此值與預(yù)編程值(δvref)進(jìn)行比較以確定是否已達(dá)到最優(yōu)脈沖寬度。
4.一旦達(dá)到最優(yōu)脈沖寬度，電壓步進(jìn)便暫停預(yù)編程時間(td)。
5.一旦td期滿，脈沖寬度便以與之前相同的步長連續(xù)地步降，直到梯度值減小到δvref以下。
6.接著使脈沖寬度再次步升一或兩個步階，直到梯度再次大于δvref。
借助此算法，將驅(qū)動器的脈沖寬度不斷地調(diào)整為最優(yōu)值以僅遞送對于接收器電路足以實現(xiàn)調(diào)節(jié)的電力?？赏ㄟ^增加供應(yīng)電壓而非脈沖寬度而執(zhí)行替代方法。
在上文的所提議算法中提及的δvref值可通過最初準(zhǔn)直系統(tǒng)并找出可靠且可接受分辨率來設(shè)置以達(dá)到最優(yōu)效率。
td可通過找到需要針對特定系統(tǒng)進(jìn)行此些調(diào)整的最小頻率來類似地設(shè)置以確保系統(tǒng)維持最優(yōu)電力效率。對td值的選擇需要考慮到接收器負(fù)載的改變有多快及為使初級側(cè)對此改變的負(fù)載做出反應(yīng)而可接受的延遲是多大延遲。需要考慮到發(fā)射器及接收器電路兩者的設(shè)置速度。
即使梯度改變的點指示最優(yōu)操作條件，在實際實施方案中通常也只是在此點以外調(diào)節(jié)脈沖寬度。此將確保負(fù)載電流的任何隨機(jī)偏移及稍微變化不致使接收器電路立即失去調(diào)節(jié)。
為使隨機(jī)偏移及系統(tǒng)的其它系統(tǒng)不準(zhǔn)確性并非影響因素，良好初級及次級自我效能是重要的。此將確保梯度的改變足夠顯著以用于檢測。假定此為合理的，因為在精心設(shè)計的系統(tǒng)中，最多電力在次級負(fù)載上經(jīng)遞送而非因系統(tǒng)的低效率被用光。
對于具有實際上弱耦合(小于0.1耦合因數(shù))或低功率(小于100mw)的系統(tǒng)，此檢測方法可并非適合的，因為在發(fā)射器側(cè)上反映的梯度改變可足夠小使得用以檢測此類小改變的系統(tǒng)開銷的成本就功率、電路復(fù)雜度及面積(realestate)來說將為太昂貴的。
可在具有調(diào)節(jié)電力遞送相位的脈沖寬度以優(yōu)化總體系統(tǒng)電力效率的同一最終目標(biāo)的情況下實施更復(fù)雜的算法來檢測此梯度改變。
所描述算法的簡單延伸將為以最小電壓供應(yīng)掃掠脈沖寬度。如果未找到脈沖寬度工作循環(huán)達(dá)到其最大值(50％)的最優(yōu)點，那么在使電壓供應(yīng)斜升時繼續(xù)搜索直到找到最優(yōu)點。
此外，此方法還容易地經(jīng)延伸以包含多個接收器電感器。只要接收器電路中的每一者調(diào)節(jié)其自身的電力消耗，相同方法便可在發(fā)射器側(cè)上用于檢測所有接收器電路在調(diào)節(jié)中的點。多個梯度改變將可見于發(fā)射器電感器峰值電壓上，且最后一梯度改變點指示所有接收器電路在調(diào)節(jié)中的時候。接著在此最后一點處調(diào)節(jié)驅(qū)動器脈沖寬度或供應(yīng)電壓。
盡管已展示及描述了本發(fā)明的特定實施例，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯而易見，可在不背離本發(fā)明的情況下對本發(fā)明的較寬廣方面做出改變及修改，且因此，所附權(quán)利要求書欲將屬于本發(fā)明的真正精神及范圍內(nèi)的所有此類改變及修改涵蓋于其范圍內(nèi)。
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