减少感应能量传输系统中的电力消耗

摘要

本公开涉及减少感应能量传输系统中的电力消耗。在感应能量传输系统中，当能量从发射器设备传输到接收器设备时，调整应用于发射器线圈以传输能量的信号的相位。通过将DC-AC转换器的状态从转换状态变为非转换状态来调整信号的相位。当DC-AC转换器处于转换状态时，DC-AC转换器输出应用于发射器线圈的信号。当DC-AC转换器处于非转换状态时，信号不被应用于发射器线圈。

说明书

技术领域

本发明通常涉及电子设备，更具体地涉及电子设备中的感应能量传输 系统。

背景技术

许多电子设备包括一个或多个可再充电电池，要求外部电力有时对其 再充电。这些设备可包括蜂窝电话、智能电话、平板计算机、膝上型计算机、 可穿设备、导航设备、运动设备、健康设备、辅助设备等等。通常，通过将充 电线连接到电子设备和外部电源(例如墙上插座)为这些设备充电。充电线可 以是具有连接器的电缆，该电缆具有能够与电子设备的相应的导电触头相匹配 的导电触头。在一些实例中，电子设备可用接收的电力补充内部电池的充电。

在一些情况中，充电线可被专门用于电力传输。在其他情况中，充电 线可被用于与数据一起传输电力。这种连接器实例可包括通用串行总线 (“USB”)、火线、外围设备互联高速接口(“PCIe”)或其他类似的数据接口。

在许多实例中，用户可喜欢并且定期操作具有内部电池的多个电子设 备。这些多个设备经常要求具有不同电力输出端和不同连接器类型的各自的充 电线。多个充电线对于使用、存放和从一个地方到另一地方的运输都是繁重的。 结果设备的便携优势被大大限制了。

此外，充电线在某些环境中使用可能不安全。例如，车辆的驾驶员可 能分心试图将电子设备插入到车辆充电器中。在其他实例中，如果不留意充电 线可能存在绊倒的风险。

考虑这些或其他缺点，一些电子设备可包括感应充电系统。用户可简 单地将电子设备放在感应充电表面以为内部电池充电。感应充电表面内的电磁 发射器线圈可与便携式电子设备内的电磁接收器线圈感应耦合。通过发射器线 圈中的周期性地切换或交替电流，在接收器线圈中可感应电流。在接收器线圈 中感应的电流可被用于为便携式电子设备中的内部电池充电。

然而，在一些情况中，发射器线圈中的电流和/或接收器线圈中的电 流会产生大量的电力或能量消耗。当传输相对少量的能量时，相对于传输的能 量，能量消耗是大的。能量消耗减少了能量传输的效率，并且使得为电池再充 电变得困难或耗时。

发明内容

在感应能量传输系统中，当能量从发射器设备传输到接收器设备时， 应用于发射器线圈以传输能量的信号的相位被调整。通过将DC-AC转换器的状 态从转换状态变为非转换状态来调整信号的相位。当DC-AC转换器处于转换状 态时，DC-AC转换器输出应用于发射器线圈的信号。当DC-AC转换器处于非 转换状态时，信号不被输入到发射器线圈。

一方面，在感应能量传输系统中的发射器设备可包括操作地连接到发 射器线圈的DC-AC转换器，和操作地连接到DC-AC转换器的控制器。当发射 器线圈传输能量时，控制器被配置为将一个或多个信号传输到DC-AC转换器以 在转换状态和非转换状态之间改变DC-AC转换器的状态。作为一个实例，非转 换状态可以是静止状态。作为另一实例，非转换状态可以是高阻抗状态。

另一方面，在感应能量传输系统中的发射器设备的操作方法包括：使 用在发射器设备中的发射器线圈传输能量，并且在能量传输过程中周期性地在 转换状态和非转换状态之间改变操作地连接到发射器线圈的DC-AC转换器的 状态线圈。

另一方面，感应能量传输系统可包括发射器设备和接收器设备。发射 器设备可包括操作地连接到发射器线圈的DC-AC转换器，和操作地连接到 DC-AC转换器的控制器。接收器设备可包括操作地连接到接收器线圈的负载， 和操作地连接到负载以测量负载的操作条件(例如负载上的信号水平)的传感 电路。当发射器线圈向接收器线圈传输能量时，控制器被配置为将一个或多个 信号传输到DC-AC转换器以在转换状态和非转换状态之间改变DC-AC转换器 的状态。另外地或可供选择地，当负载上的信号水平等于或超出(例如超过或 小于)阈值时，传感电路可向控制器传输控制信号。然后，基于从传感电路接 收的控制信号，控制器可使DC-AC转换器处于非转换状态。作为一个实例，当 负载上的电压电平等于或小于阈值时，传感电路可传输控制信号，并且基于从 传感电路接收的控制信号，控制器可使DC-AC转换器处于静止状态。

又另一方面，感应能量传输系统的操作方法可包括：从发射器设备向 接收器设备传输能量并且在能量传输过程中测量接收器设备中负载上的信号水 平。然后确定测量的信号水平是否等于或超出(例如超过或小于)阈值。如果 信号水平等于或超出阈值，那么从接收器设备向发射器设备传输指示信号水平 等于或超出阈值的信号。基于接收的信号，发射器设备中的控制器改变DC-AC 转换器的状态为非转换状态。

附图说明

参考下列附图，本发明的实施例更易理解。附图元件不需要相对于彼 此成比例。在可能的地方，同样的参考标记被使用指定附图中共有的相同特征。

附图1是相控感应能量传输系统的简化框图；

附图2是适用于用作附图1中所示的DC-AC转换器106的H桥的简 化图；

附图3是附图1中所示的感应能量传输系统的操作方法的流程图；

附图4是具有脉冲跳跃的相控感应能量传输系统的简化框图；

附图5是附图4中所示的相控感应能量传输系统的示例电路图；以及

附图6是附图4中所示的感应能量传输系统的操作方法的流程图。

具体实施方式

这里描述的实施例能够在感应能量传输系统中从发射器设备到接收 器设备更高效地传输能量。调整应用于发射器线圈上的信号的相位能减少能量 损耗。典型地，DC-AC转换器操作在转换状态中(即电流流过DC-AC转换器 106)，在转换状态中DC信号被转换为AC信号。本发明不断地(例如按周期) 和/或在选择的时间将DC-AC转换器的状态从转换状态变为非转换状态。当 DC-AC转换器处于转换状态时，DC-AC转换器输出应用于发射器线圈的信号。 在非转换状态时，DC-AC转换器不产生应用于发射器线圈的信号。

在一个示例性实施例中，相移全桥(PSFB)相控可被用于将DC-AC 转换器的状态从转换状态变为静止状态。在静止状态中，由于相同的电势被应 用于发射器线圈，所以能量未被传输到接收器设备。静止状态允许环流持续， 但不给系统增加能量。

在另一示例性实施例中，零电压开关(ZVS)可被用于将DC-AC转 换器的状态从转换状态变为高阻抗状态。在高阻抗状态中，发射器线圈的寄生 电容吸收发射器线圈中的能量。

在另一实施例中，脉冲跳跃与相控相结合被用于更高效传输能量。利 用脉冲跳跃，接收器设备中的负载的操作条件(例如信号水平)被测量或被检 测，并且如果信号不是特殊的值或在给定操作范围内(例如高于第一值或低于 第二值)DC-AC转换器的状态变为静止状态。作为一个实例，如果负载上的电 压低于阈值，DC-AC转换器处于静止状态，这又减少发射器和接收器线圈中的 损耗。

现参考附图1，这显示了第一相控感应能量传输系统的简化框图。当 能量传输的相位被调整时，附图1所示的实施例在固定频率操作。短语“相控” 是指控制在变压器的发射器线圈上应用信号的相位的过程。感应能量传输系统 100包括操作地连接到控制器104的时钟电路102和DC-AC转换器106。时钟 电路102可产生用于在感应能量传输系统100中的发射器设备的定时信号。

控制器104可控制DC-AC转换器106的状态。在一个实施例中，时 钟电路102产生周期信号，该周期信号被控制器104用来按周期激活和去激活 DC-AC转换器106中的开关。任何合适的DC-AC转换器106都可被用于感应 能量传输系统100。例如，在一个实施例中，H桥被用作DC-AC转换器。

DC-AC转换器106产生的AC信号被输出到变压器108。变压器108 通过发射器线圈110和接收器线圈112之间的感应耦合来传输能量。实质上， 发射器线圈110中的AC信号产生可变磁场，其在接收器线圈112中感应电流。 接收器线圈112产生的AC信号被将AC信号转换为DC信号的AC-DC转换器 114接收。任何合适的AC-DC转换器114都可被用于感应能量传输系统100。 例如，在一个实施例中，整流器被用作AC-DC转换器。

然后，DC信号被负载116接收。在一个实施例中，负载是可编程负 载，包括并联连接的电流源和电阻。可供选择地，当负载是恒流负载的时，负 载可包括电源流。

时钟电路102、控制器104、DC-AC转换器106和发射器线圈110被 包含在发射器设备中。接收器线圈112、AC-DC转换器114和可编程负载116 被包含在接收器设备中。接收器设备中的通信电路118适于建立与发射器设备 中的通信电路122的通信通道120。通信通道120被用于从接收器设备向发射器 设备传输信息，反之亦然。在一个实施例中，通信通道120通过发射器和接收 器线圈之间的感应耦合被实现的。在另一实施例中，通信通道120作为分离的 有线链路或无线链路被实现。在一个实施例中，通信通道120可被配置作为任 何合适的无线通信通道，诸如，例如，蓝牙、Wi-Fi、蜂窝或近场通信通道。

接收器设备中的控制器124被操作地连接到负载116和通信电路118。 尽管没有在附图1中显示，控制器124可被操作地连接到接收器设备中的其他 部件。作为一个实例，控制器可被操作地连接到AC-DC转换器114、一个或多 个传感器(未示出)、显示器(未示出)和存储器(未示出)。控制器124可监 控和/或控制负载116的操作，并且通过通信通道120将负载的操作条件传输至 发射器设备。另外地或可供选择地，控制器124可通过通信通道120请求发射 器设备的操作的修改，诸如能量传输的增加或减少。

发射器设备中的控制环路126可产生用于调整时钟电路102的操作的 控制信号。如早先描述地，时钟电路102产生被控制器104用于激活和去激活 DC-AC转换器106中的开关的周期信号。控制信号能引起时钟电路102修改使 得控制器104激活和去激活DC-AC转换器106中的开关的周期信号的定时。

在一些实施例中，发射器和接收器线圈110、112中的电流能产生大 量的电力消耗。当传输相对少量的电力时，相对于传输的能量的量，能量消耗 是巨大的。另外地，损耗量与负载成比例。随着变压器上负载的增加损耗也增 加，并且随着变压器上负载的减少损耗也减少。典型地，当电力被传输时，损 耗下降到阈值水平。在一些实施例中，发射器线圈中的铜损耗能确定损耗的阈 值水平。

通过调整应用于发射器线圈的信号的相位，此处描述的实施例更高效 地传输能量。DC-AC转换器的状态从转换状态变为非转换状态，以为发射器线 圈引入信号的应用的延迟。在一些实施例中，相移全桥(PSFB)相控或零电压 开关(ZVS)能被用于调整应用于发射器线圈的信号的相位。在另一实施例中， 脉冲跳跃被单独或与相控结合用于调整应用于发射器线圈的信号的相位。

在一个实施例中，DC-AC转换器106作为H桥电路被实现。PSFB 或ZVS技术的说明与H桥电路结合来被描述。然而，其它实施例能不同地配置 DC-AC转换器。在这些实施例中，本领域技术人员将认识到交流技术可被用于 在转换和非转换状态之间改变DC-AC转换器的状态。

附图2是H桥200的简化图。H桥包括四个开关S1、S2、S3和S4。 开关S1和S2串联连接并且形成第一开关组。开关S3和S4串联连接并且形成 第二开关组。第一开关组和第二开关组并联连接。负载202在开关S1和S2之 间连接至第一开关组。负载还在开关S3和S4之间连接到第二开关组。任何合 适的开关类型被用作开关S1、S2、S3和S4。例如，开关S1和S3可以是p沟 道MOSFET晶体管或PNP双极晶体管，开关S2和S4可以是n沟道MOSFET 晶体管或NPN双极晶体管。

控制器104控制开关S1、S2、S3和S4的闭合与打开。当开关S1和 S4在给定的时间段闭合并且开关S2和S3打开时，电流通过负载202从正端子 流向负端子。类似地，当开关S2和S3在另一给定的时间段闭合而开关S1和 S4打开时，电流从负端子流向正端子。通过重复地使流过负载202的电流的方 向反向，开关的这种打开和关闭产生AC电流。

利用相控，PSFB和ZVS技术可通过H桥电路中的开关的激活和去 激活被实现。在一个实施例中，按周期进行开关的激活和去激活。在PSFB技 术中，附图1中的控制器104可使DC-AC转换器106处于四个状态，以替代结 合附图2描述的两个状态(两个转换状态)。开关以两个状态之间为静止状态的 顺序被激活，所述状态与被发射器线圈110接收的流过DC-AC转换器106的电 流相关联。表1列出了附图2中所显示的H桥的开关S1、S2、S3和S4的状态， 以及作为结果的转换器106的四个状态(在实例顺序中所显示的状态)。

表1

S1 S2 S3 S4 DC-AC转换器的状态 闭合 打开 打开 闭合 电流从正流向负(转换状态) 闭合 打开 闭合 打开 静止状态(非转换状态) 打开 闭合 闭合 打开 电流从负流向正(转换状态) 打开 闭合 打开 闭合 静止状态(非转换状态)

当由于相同电势被连接到发射器线圈的两端DC-AC转换器106处于 静止状态时，能量没有传输到接收器线圈，并且因此没有输入到负载116。如早 先描述地，静止状态允许环流持续，但不给系统增加能量。

当开关被激活或去激活时静止状态引入延迟或相移，当信号输入到发 射器线圈和变压器时其又引入延迟。在静止状态期间向变压器108应能量和不 应用于能量的占空比能确定输入到变压器和被负载接收的能量的多少。控制变 压器上的应用能量的相位可通过减少电力消耗来导致更高效能量的传输。

利用ZVS技术，控制器104可使DC-AC转换器106处于三个状态。 开关以两个状态之间为高阻抗状态的顺序被激活，这两个状态与转换状态相关 联(即电流流过DC-AC转换器106)。表2列出了附图2中所显示的H桥的开 关S1、S2、S3和S4的状态，以及作为结果的转换器106的状态(在实例顺序 中所显示的状态)

表2

S1 S2 S3 S4 DC-AC转换器的状态 闭合 打开 打开 闭合 电流从正流向负(转换状态) 打开 打开 打开 打开 高阻抗状态(非转换状态) 打开 闭合 闭合 打开 电流从负流向正(转换状态) 打开 打开 打开 打开 高阻抗状态(非转换状态)

当H桥处于高阻抗状态，H桥中的体二极管会保特电流流过接收器 线圈的漏感。在这个实施例中，ZVS涉及DC-AC转换器中的开关的延迟激活 (例如导通)，直到由于负载电感的作用电压从预先的电压水平转换为给定的电 压水平，代替使用开关自身以强迫电压的转换。这样，在开关激活前，能量被 传递到漏感(部分能量)和负载(部分能量)，并且在开关激活后，能量从漏感 释放并且至少一部分能量被传递回H桥的直流电源。

参考附图3，这显示了附图1中所示的感应能量传输系统的操作方法 的流程图。开始，如方框300所示，DC-AC转换器106的状态被设定为转换状 态，并且信号被传输到发射器线圈110以从发射器线圈向接收器线圈传输能量。 例如，DC-AC转换器的状态可被设定为使得电流从正端子流向负端子。然后 AC-DC转换器的状态变为非转换状态，以在应用于发射器线圈110的信号中产 生延迟(方框302)。AC-DC转换器的状态能变为静止状态(见表1)或者高阻 抗状态(见表2)。

在一些实施例中，当能量从发射器线圈110传输到接收器线圈112时， 附图3所示的过程连续操作。每次执行该方法，在方框300中流过发射器线圈 110的电流改变方向。特别是，在一个操作中电流从正流向负，然后在下个操作 中电流从负流向正。静止或高阻抗状态在电流流动状态的每次变化之间发生。 例如，开关可以按照在表1或表2中所示的顺序被激活或去激活。

其它实施例可不同地实现该方法。作为一个实例，可在选择时间执行 过程，诸如当少量的能量从发射器设备传输到接收器设备。

在一些实施例中脉冲跳跃甚至还能增加更多的能量传输效率。附图4 显示了具有脉冲跳跃的相控感应能量传输系统的的简化框图。感应能量传输系 统400包括与附图1中所示的感应能量传输系统100中的部件类似的部件，并 且同样的参考标记被用于这些部件。为了简单和清晰，这些部件将不被重复描 述。

感应能量传输系统400可通过减少变压器的电力消耗能更高效传输 能量。这对于小电力传输尤其是这样。例如，一些便携式或可穿计算设备传输 少于5瓦的电力。作为一个实例，电力传输量大约是500毫瓦。作为另一个实 例，电力传输量可大约是50毫瓦。

当变压器传输能量的相位被调整时，附图4中所示的实施例在固定 频率操作。另外地或可供选择地，控制器402产生的用于控制开关的激活和去 激活的一个或多个信号脉冲可被跳过。当信号脉冲被跳过时，DC-AC转换器106 处于静止状态，该状态允许环流持续，但不给系统增加能量。

在图示实施例中，负载116上的操作条件，诸如信号水平(例如电压 电平)被传感电路404感测。传感电路可以被包含在附图1中所示的控制器124 中。传感短路404可以被配置为确定信号水平是否处于给定值、或给定操作范 围内、等于或超过高阈值、或等于或小于低阈值。如果值不在给定操作范围内 (例如，等于或小于低阈值)，传感电路404可指示控制器402跳过一个或多个 控制信号。传感电路404可在通信通道122上向控制环路406传送指令。控制 环路120产生的控制信号被脉冲跳跃控制器406接收。响应于控制信号，脉冲 跳跃控制器406向控制器402传送跳跃信号，其指示控制器402使DC-AC转换 器106处于静止状态。作为一个实例，当负载上的电压减少到(或低于)低阈 值时，脉冲跳跃控制器406指示控制器402使DC-AC转换器处于静止状态。

附图5是附图4中所示的相控感应能量传输系统的示例电路图。图示 实施例为了简化省略了感应电路404和通信电路120、124。如早先描述，时钟 电路产生定时脉冲控制发射器设备的操作。控制器可包括门驱动逻辑或编程指 令(“门驱动逻辑”)，控制H桥电路的状态。时钟电路产生被控制器用以按周 期激活或去激活H桥电路中的开关的周期信号。

H桥电路可操作地连接在控制器和变压器的发射器(初级)线圈(“无 线耦合线圈”)之间。控制环路402可操作地连接到控制器402。控制器(“门驱 动电路”)包括用于控制从H桥电路输出的信号的相位(“相控”)的信号。脉 冲跳跃控制器包括跳跃逻辑或程序指令(“跳跃逻辑”)，其产生被控制器接收的 跳跃信号，其再使得控制器传送使H桥电路被设为静止状态的一个或多个信号。

现参考附图6，其显示了感应能量传输系统的操作方法的流程图。开 始，感应能量传输系统操作并且发射器线圈向接收器线圈传输能量(方框600)。 负载的操作条件，诸如信号电平(例如电压水平)，可在方框602中被测量。然 后在方框604中确定信号水平是否等于或超出(例如超出或小于)阈值并且 DC-AC转换器将处于静止状态。如早先描述，负载上的信号水平可被测量以确 定信号水平是否在给定操作范围内、大于高阈值、或小于低阈值。如果测量信 号等于或超出阈值(高阈值或低阈值)，则控制器402可使DC-AC转换器处于 静止状态。

如果DC-AC转换器不处于静止状态，过程转到方框600。如果DC-AC 转换器处于静止状态，方法转到方框606，这里，DC-AC转换器的状态被变为 静止状态。在一个实施例中，跳跃信号可被传送到控制器，其再使得控制器改 变DC-AC转换器的状态为静止状态。

然后在方框608中确定DC-AC转换器的状态是否从静止状态变为转 换状态。DC-AC转换器处于静止状态的时间量可以是固定时间量或者可变的时 间量。作为一个实例，在方框602中，静止状态的长度可至少部分基于负载上 测量的信号水平的大小。

在方框608中，如果DC-AC转换器的状态没有变换，则过程处于等 待。如果状态改变，则在方框610中方法继续，这里，DC-AC转换器的状态被 改变为转换状态并且能量从发射器线圈传输到接收器线圈。然后过程返回到方 框602。

详细参考其中的某些特征对不同的实施例进行了详尽地描述，但是可 以理解可在本发明的精神和范围内进行变形或修改。并且尽管在这里描述了特 别的实施例，但值得注意的是申请不限制于这些实施例。特别是，在适当时， 关于一个实施例的任何特征也可被用于其他实施例。类似的，在适当时，不同 实施例的特征也可被交换。