用于无线电力输送的高级过电压保护策略

摘要

本公开的实施例涉及用于无线电力输送的高级过电压保护策略。一种无线电力接收电路，包括接收AC输入电压的基于晶体管的整流器和接收过电压信号的控制逻辑。控制逻辑基于过电压信号来生成用于控制在基于晶体管的整流器内的晶体管的接通的控制信号，以便使基于晶体管的整流器从AC输入电压产生经整流的输出电压。比较器将经整流的输出电压与参考电压进行比较，并且在经整流的输出电压大于参考电压的情况下确立过电压信号。响应于过电压信号的确立，控制逻辑确立控制信号以同时接通基于晶体管的整流器的所有晶体管。

说明书

本申请要求于2019年9月23日提交的美国临时专利申请62/904,115的优先权，该申请的内容在法律允许的最大范围内以全文引用的方式并入。

技术领域

本申请涉及无线电力发射领域，并且具体地涉及用于保护无线地接收电力的设备免受因接收到无线电力而引起的过电压情况的电路和技术。

背景技术

在诸如图1中所示出的典型无线充电系统10中，发射器系统12利用交流电向初级线圈13供电，从而在初级线圈13处产生振荡磁场。在接近于该初级线圈13放置的接收器18中的次级线圈19将由于在初级线圈13与次级线圈19之间的磁耦合而与场共振，从而根据法拉第感应定律而在次级线圈19中产生对应的交流电。通过使用在电力拾取单元20内的整流电路对在次级线圈19中的交流电进行整流，输出电力DC电力可以被产生以用于向负载21供电。

这种典型无线充电系统10引起的问题是，如果输出电力(例如输出电压)超过安全操作电压，那么在接收器18内的设备可能会损坏。因此，监测输出电压并且采取动作以帮助确保电压不超过安全操作电压。

试图确保输出电压不超过安全操作电压的一种常规技术是，当输出电压超过安全操作电压时停止对次级线圈中所感应的交流电的整流。该技术通过使整流电路的输入对接地短路，从而改变接收器的阻抗来工作，其结果是整流器从接收器接收更少的电力。

虽然该技术在一些应用中按照预期工作，但这对于来自超过20W的发射器的电力输送的情况而言是不足的，这是因为通过使整流电路的输入短路而提供的阻抗降低是不足的。具体地，在整流器处接收到的电力在用于使整流电路的输入对接地短路的开关中被耗散，并且因此，接收器的阻抗修改是开关的开启电阻的函数。由于在接收器中耗散的电量是在整流器的输入处的阻抗的函数，因此在来自发射器的电力输送超过20W的情况下由该技术提供的不足的阻抗修改会导致过高的设备操作温度。该过高的设备操作温度接着可以导致在接收器内的其他设备发生故障，并且因为接收器可以被包含在诸如智能电话、智能手表或无线耳塞系统的设备内，所以可以存在许多此类设备。

发明内容

本文公开了一种无线电力接收电路，包括：基于晶体管的整流器，接收AC输入电压；控制逻辑，接收过电压信号、并且基于过电压信号来为基于晶体管的整流器的晶体管生成控制信号，以使基于晶体管的整流器从AC输入电压产生经整流的输出电压；比较器，将经整流的输出电压与参考电压进行比较、并且在经整流的输出电压大于参考电压的情况下确立过电压信号；以及其中，控制逻辑响应于过电压信号的确立而确立控制信号，以接通基于晶体管的整流器的每个晶体管。

基于晶体管的整流器可以是具有四个晶体管的基于晶体管的单相全波整流器。在这种情况下，控制逻辑响应于过电压信号的确立(通过同时接通所有的四个晶体管或异步地接通四个晶体管，但结果是所有的四个晶体管最终在相同的时间处都是接通的)而确立控制信号，以接通基于晶体管的单相全波整流器的四个晶体管；并且控制逻辑确立控制信号中的两个控制信号以在不存在过电压信号的确立的情况下，一次性切换地接通基于晶体管的单相全波整流器的四个晶体管中的两个晶体管。

控制信号可以是第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号。基于晶体管的整流器可以包括：第一n沟道晶体管，具有耦合至第三节点的漏极、耦合至第一节点的源极以及耦合至第一控制信号的栅极；第三n沟道晶体管，具有耦合至第一节点的漏极、耦合至接地的源极以及耦合至第三控制信号的栅极；第二n沟道晶体管，具有耦合至第三节点的漏极、耦合至第二节点的源极以及耦合至第二控制信号的栅极；以及第四n沟道晶体管，具有耦合至第二节点的漏极、耦合至接地的源极以及耦合至第四控制信号的栅极。控制逻辑可以响应于过电压信号的确立而确立第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号以及第四控制信号，以接通第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管以及第四晶体管。此外，控制逻辑可以在不存在过电压信号的确立的情况下，在确立第一控制信号和第四控制信号与确立第二控制信号和第三控制信号之间进行切换。

电源电路可以从经整流的输出电压生成输出信号，并且负载可以由输出信号供电。负载可以是电池充电电路和/或电池。

低压差放大器可以生成用于向控制逻辑供电的低电压输出。

电力接收线圈可以无线地接收被发射的电力并且从该电力产生AC输入电压。

本文中还公开了一种方法方面。该方法包括：无线地接收电力；使用具有四个晶体管的单相全波整流器，通过在来自四个晶体管的不同晶体管对之间进行交替接通，对接收到的电力进行整流，以产生经整流的电压；将经整流的电压与参考电压进行比较，并且：a)如果经整流的电压大于参考电压，那么接通单相全波整流器的四个晶体管；以及b)如果经整流的电压小于参考电压，那么继续在来自四个晶体管的不同晶体管对之间进行交替接通。

该方法还可以包括：从经整流的电压生成电力信号，并且使用电力信号向电池充电电路供电。

该方法还可以包括：从经整流的电压生成逻辑电路电力信号，并且使用逻辑电路电力信号向执行a)和b)的控制逻辑供电。

附图说明

图1是现有技术的无线充电系统的框图。

图2是根据本公开的无线充电系统的接收器的示意性框图，在该无线充电系统中，存在过电压保护电路装置以保护接收器免受由接收到的无线电力产生的过电压的影响。

图3是示出了在针对如下操作条件的频率范围内输送的电力的曲线图：正常操作条件(未占用过电压保护)，针对采用了现有技术的过电压保护电路的过电压条件，以及针对采用了图2的过电压保护电路系统的过电压条件。

具体实施方式

以下公开内容使得本领域的技术人员能够制作和使用本文中所公开的主题。本文中所描述的一般原理可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下应用于除上文详述的那些实施例和应用之外的实施例和应用。本公开不旨在受限于所示出的实施例，相反，将根据本文中所公开或建议的原理和特征而符合最广泛的范围。

现在参考图2描述了电子设备90，诸如智能电话、平板式计算机、智能手表或无线耳塞系统。电子设备90包括用于无线地接收电力并且将电力提供给负载110(例如电池和/或电池充电电路)的接收器100。接收器包括用于从与发射器(未示出)相关联的初级线圈99(示意性地示出为电感器Lp和电容器Cp)无线地接收电力的次级线圈101(示意性地示出为电感器Ls和电容器Cs)。接收器100还包括单相全波整流器102，该单相全波整流器具有连接到次级线圈101的端部AC1_RX和AC2_RX的输入节点N1和N2，以便接收由发射器的初级线圈99发射到次级线圈101的AC信号。

单相全波整流器102由串联连接在节点N3与接地之间的n沟道晶体管Q1和Q3，以及串联连接在节点N3与接地之间的n沟道晶体管Q2和Q4组成。特定地，Q1具有的漏极耦合到节点N3，Q1的源极连接到节点N1，并且Q1的栅极连接到Gate_Q1信号；Q3具有的漏极耦合到节点N1，Q3的源极连接到接地，并且Q3的栅极连接到Gate_Q3信号；Q2具有的漏极连接到节点N3，Q2的源极连接到节点N2，并且Q2的栅极连接到Gate_Q2信号；以及，Q4具有的漏极连接到节点N2，Q4的源极连接到接地，并且Q4的栅极连接到Gate_Q4信号。此外，二极管D1具有的阴极连接到Q1的漏极，并且二极管D1的阳极连接到Q1的源极；二极管D3具有的阴极连接到Q3的漏极，并且二极管D3的阳极连接到Q3的源极；二极管D2具有的阴极连接到Q2的漏极，并且二极管D2的阳极连接到Q2的源极；以及二极管D4具有的阴极连接到Q4的漏极，并且二极管D4的阳极连接到Q4的源极。在一些情况下，这些二极管可以是晶体管Q1至Q4固有的，例如由晶体管中的结产生。

接收器100还包括比较器104，比较器具有的非反相端子连接到节点N3，该比较器的反相端子连接到参考电压Vref，并且该比较器的输出OVP(例如代表过电压保护)被连接到控制逻辑电路装置106。电容器C1被耦合在比较器104的非反相输入与接地之间。控制逻辑电路装置106接收比较器104的输出OVP作为输入，控制逻辑电路装置106由来自低压差放大器(LDO)108的5V电压V5V供电，并且控制逻辑电路装置106输出控制信号Gate_Q1、Gate_Q2、Gate_Q3以及Gate_Q4。

LDO 108被连接到节点N3以用于供电，并且通过开关S1切换地连接到电容器C2的第一端子以产生5V5电压。电容器C2的第二端子连接到接地。

应注意，LDO 108是用于向控制逻辑10供电的低电压放大器。第二放大器(诸如DC-DC转换器或LDO 10)从经整流的电压Vrect产生调节输出电压Vout，并且使用该输出电压来向负载110供电，以便诸如对包含到设备90(在该设备中包含有接收器100)中的电池或电池充电电路进行充电。Iload是负载电流(例如流向电池或电池充电电路的电流)，而Vout*Iload产生提供给负载的总电力。Vout在幅度上小于Vrect。

在操作中，单相全波整流器102对输入AC信号进行整流，以在节点N3处产生经整流的电压Vrect，由比较器104将该经整流的电压与参考电压Vref进行持续的比较。如果经整流的电压Vrect不超过参考电压Vref，则由比较器104输出的过电压信号OVP保持解除确立，并且因此，如本领域的技术人员所理解的，控制逻辑106继续适当地切换晶体管Q1至Q4(例如一侧的一个高侧晶体管和另一侧的一个低侧晶体管同时接通，诸如Q1和Q4或Q2和Q3)，以用于对输入AC电压进行整流以产生经整流的电压Vrect。

然而，如果经整流的电压Vrect超过参考电压Vref，那么比较器104确立在其输出处的过电压信号OVP，该过电压信号OVP被传递给控制逻辑106。当控制逻辑106接收到所确立的过电压信号OVP时，控制逻辑106确立Gate_Q1、Gate_Q2、Gate_Q3以及Gate_Q4以同时接通晶体管Q1至Q4(Q1至Q4的这种接通可以是同时的，或可以逐渐地进行，直到所有晶体管Q1至Q4在相同的时间都接通为止)，这与单相全波整流器102的正常切换是异步的。

由于所有晶体管Q1至Q4都接通，因此在接收器100处的反射阻抗增加，从发射器的初级线圈接收更少的电力，并且减小Vrect。应注意，在这一点处，开关S1将断开，并且电容器C2将保持电压5V5，以便使控制逻辑106维持所确立的控制信号Gate_Q1、Gate_Q2、Gate_Q3以及Gate_Q4，以便将晶体管Q1至Q4保持为接通。

由接收器100提供的鲁棒过电压保护在图3中可见，在图3中可看出的是，与在操作期间接收到的电力相比，图2的实施例大幅度地降低了接收到的电力，并且与现有技术的设计相比，图2的实施例将接收到的电力降低了大约6dB。

虽然已经相对于有限数量的实施例描述了本公开，但受益于本公开的本领域的技术人员应了解，可以设想其他实施例，这些实施例不脱离如本文中所公开的本公开的范围。因此，本公开的范围应仅由随附权利要求书限定。