CN111668941A - 用于无线电力接收器的过电压保护电路*** - Google Patents

用于无线电力接收器的过电压保护电路*** Download PDF

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Abstract

本公开涉及用于无线电力接收器的过电压保护电路***。无线电力接收器具有过电压保护(OVP)电路，该OVP电路针对不同的过电压状况执行不同的技术。OVP电路包括可控的电阻钳位电路(与电阻器控制开关串联的电阻器)和可控的电容钳位电路(与电容器控制开关串联的电容器)。根据基于输出的反馈信号、和参考信号，比较电路生成比较信号，基于该比较信号，控制器选择性地启用(i)电阻钳位电路间歇地用于相对低的过电压状况并且持续地用于更高的过电压状况和(ii)电容钳位电路***以使接收器失谐，以降低经整流的输出电压。

Description

用于无线电力接收器的过电压保护电路***
技术领域
本发明一般涉及无线电力传输***，并且更具体地，涉及用于处理无线电力接收器***中的过电压状况的电路***。
背景技术
图1是具有无线电力发送器(TX)110和无线电力接收器(RX)130的传统无线电力传输***100的简化示意框图。无线电力发送器110包括电力模块112、TX谐振网络114以及TX电感器线圈116，而无线电力接收器130包括RX电感器线圈132、RX谐振网络134、同步整流器136、通信控制器138和通信处理器140。TX和RX电感器线圈116和132形成电感接口120，用于无线地(即，磁性地)传输(i)从电力发送器110到电力接收器130的电力和(ii)电力发送器110和电力接收器120之间的通信信号。谐振网络114和134被设计成确保电力发送器110的输出阻抗匹配电力接收器130的输入阻抗，以提供有效的无线电力传输。
对于电力传输，电力模块112经由TX谐振网络114将AC电力信号113施加到TX电感器线圈116。AC电力信号113在RX电感器线圈132中感应AC电力信号135，该AC电力信号135经由RX谐振网络134被施加到整流器136。整流器136将AC电力信号135整流成DC电力信号VRECT，该DC电力信号VRECT被施加以对***负载供电。
通信控制器138生成通信信号，该通信信号由通信处理器140通过电感接口120发送到电力发送器110。具体地，通信控制器138监测从电力发送器110接收的电力。可以通过在给定的负载电流下测量VRECT来容易地估计接收的电力。因此，通信控制器138测量VRECT，并且如果适当的话，使用电感接口120发送通信信号以(i)如果VRECT太低则指示电力发送器110增加电力传输电平；以及(ii)如果VRECT太高则指示电力发送器110降低电力传输电平。本领域技术人员将理解，在其它无线电力传输***中，无线电力传输路径与无线数据通信路径是分开的并且不同。
在一些无线电力传输***中，电力接收器130是诸如蜂窝电话之类的消费者设备的一部分，通过将消费者设备放置在包括电力发送器110的无线充电器上来对消费者设备无线地充电。在无线充电过程期间，如果消费者设备移动并且当消费者设备移动时，TX电感器线圈116和RX电感器线圈132之间的磁耦合可能显着改变，这可能导致经整流的输出电压VRECT快速增加到可能损坏消费者设备的下游电子器件(未示出)的电压电平。使用涉及通信控制器138将电力控制消息发送回电力发送器110的传统控制回路可能不能有效地处理这样的电压跳跃。
图2是图1的电力接收器130的一部分的示意框图，具有用于执行传统类型的过电压保护的电路。如图2中所示，除了RX电感器线圈132、RX谐振网络134和整流器136之外，电力接收器130还包括电阻器分压器电路240、比较器260和电容钳位电路290，电容钳位电路290包括分别与电容器控制(例如，n型晶体管)开关S1和S2串联的钳位电容器C1和C2。
电阻器分压器电路240将输出电压Vrect除以合适的因数，以在比较器260的一个输入处提供较低的电压反馈信号Vfb，比较器260还接收合适的参考电压Vref。如果Vfb的电压电平小于Vref的电压电平，则由比较器260产生的开关控制信号262为低，开关S1和S2断开，并且RX谐振网络134的阻抗将继续匹配图1的TX谐振网络114的阻抗。
然而，当在输出Vrect处存在过电压状况，使得Vfb的电压电平超过Vref的电压电平时，则由比较器260产生的开关控制信号262将为高，并且开关S1和S2被接通，由此分别经由电容器C1和C2将PRX谐振网络134的节点AC1和AC2连接到地，使得RX谐振网络134的谐振频率将远离图1的TX谐振网络114的操作频率移动。由于新施加的谐振频率不匹配，在RX电感器线圈132处接收的电力量将急剧减小，从而降低输出Vrect处的电压电平，限制过电压状况的持续时间，并且希望防止对下游电路的永久性损坏。
用于限制过电压状况的其它传统技术涉及将电阻钳位电路连接在整流器136之前或之后，电阻钳位电路包括与电阻器控制开关串联的电阻器并且连接到地。在这种情况下，当比较器260检测到过电压状况时，电阻器控制开关被接通，以便从Vrect输出分流(shunt)电力。
具有用于无线电力传输***的综合过电压保护***将是有利的。
附图说明
通过示例的方式说明了本发明的实施例，并且本发明的实施例不受附图的限制，在附图中相同的附图标记指示类似的元件。为简单和清楚起见而说明图中的元件，并且元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，可以夸大层和区域的厚度。
图1是传统无线电力传输***的简化示意框图；
图2是图1的电力接收器的一部分的示意框图，具有用于执行一种传统类型的过电压保护的电路；和
图3-图5是根据本发明的三个不同实施例的具有过电压保护电路的无线电力接收器的一部分的示意框图，该过电压保护电路可以执行用于过电压保护的不同技术。
具体实施方式
在此公开了本发明的详细说明性实施例。然而，这里公开的具体结构和功能细节仅仅是为了描述本发明的示例实施例的目的。本发明的实施例可以以许多替换形式实施，并且不应该被解释为仅限于这里阐述的实施例。此外，这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限于本发明的示例实施例。
如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。还应理解，术语“包括”、“包括有”、“具有”、“有”、“包含”或“包含有”指定所述特征、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤或组件。还应注意，在一些替换实施方式中，所指出的功能/动作可能不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个图实际上可以基本上同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能/动作。除非另有说明，否则术语“或”应解释为包含性的。
用于处理无线电力接收器中的过电压状况的传统技术是静态的并且缺乏灵活性。当经整流的电压Vrect超过固定阈值时，接收器仅可以采取预定动作(例如，接通开关)。前面描述的传统电容钳位电路和传统电阻钳位电路通常被设计成为大多数过电压情况提供令人满意的结果，但对于所有情况不是最佳的。对某些无线电力发送器而言，保护甚至可能无效。
根据本发明的实施例，无线电力接收器具有过电压保护电路，其可以以不同方式处理不同类型的过电压状况，以提供更大的灵活性和更有效的结果。
在一个实施例中，本发明是无线电力接收器。接收器包括电感器线圈，该电感器线圈被配置为与无线电力发送器磁耦合以从无线电力发送器无线地接收电力。整流器在接收器的输出端口处生成经整流的输出电压。谐振网络连接在电感器线圈和整流器之间。连接到接收器中的其它电路的电阻钳位电路包括与电阻器控制开关串联连接的电阻器。比较电路将基于经整流的输出电压的反馈信号与至少一个参考信号进行比较，并且控制电路基于从比较电路接收的至少一个比较信号选择性地控制电阻钳位电路。如果反馈信号大于第一参考电压电平，则控制电路间歇地接通和关断电阻器控制开关，以便降低经整流的输出电压。
在另一个实施例中，本发明是无线电力接收器，包括：电感器线圈，被配置为与无线电力发送器磁耦合以从无线电力发送器无线地接收电力；整流器，在接收器的输出端口处生成经整流的输出电压；以及，谐振网络，连接在电感器线圈和整流器之间。钳位电路连接输出端口和谐振网络中的至少一个。比较电路将基于经整流的输出电压的反馈信号与至少一个参考信号进行比较，并且控制电路基于从比较电路接收的至少一个比较信号选择性地控制钳位电路。如果反馈信号大于第一参考电压电平，则控制电路控制钳位电路以执行第一操作以降低经整流的输出电压。如果反馈信号大于比第一参考电压电平大的第二参考电压电平，则控制电路控制钳位电路以执行与第一操作不同的第二操作，以降低经整流的输出电压。
现在参考图3，示出了根据本发明的一个实施例的具有过电压保护电路的无线电力接收器300的一部分的示意框图，该过电压保护电路可以执行用于过电压保护的不同技术。除了可以与图1的电力接收器130的对应元件相同的RX电感器线圈332、RX谐振网络334、整流器336、电阻器分压器电路340和电容钳位电路390之外，电力接收器300还包括误差放大器360、电阻钳位电路380(其包括与电阻器控制开关S3串联的钳位电阻器R1)、参考电压生成器和Vrect过电压保护(OVP)控制器370，该Vrect过电压保护(OVP)控制器370生成电阻器控制信号372来控制电阻钳位电路380中的电阻器控制开关S3并生成电容器控制信号374来控制电容钳位电路390中的电容器控制开关S1和S2。
电阻器分压器电路340将输出电压Vrect除以合适的因数，以在误差放大器360的一个输入处提供较低的电压反馈信号Vfb，误差放大器360还接收由参考电压生成器350生成的参考电压Vref。
误差放大器360生成误差信号362，该误差信号362基于Vfb的电压电平和Vref的电压电平之间的差。取决于误差信号362的电压电平，Vrect OVP控制器370将生成用于电阻器控制信号372和电容器控制信号374的不同输出。
在示例实施方式中，在正常操作状况下(即，在输出Vrect处没有过电压状况)，误差信号362小于第一电压阈值电平Vth1，并且Vrect OVP控制器370生成电阻器控制信号372和电容器控制信号374，以保持所有三个开关S1-S3断开。在那种情况下，Vref输出处将不存在过电压状况，并且电力接收器300将以其正常模式操作。
如果并且当误差信号362大于Vth1但小于第二(即，更高)电压阈值电平Vth2时，则Vrect OVP控制器370生成电阻器控制信号372以作为脉冲宽度调制(PWM)控制信号，该信号重复地接通和关断电阻器控制开关S3，同时Vrect OVP控制器370生成电容器控制信号374以保持电容器控制开关S1和S2断开。结果，每当电阻器控制开关S3导通时，电力将通过钳位电阻器R1从输出Vrect分流。PWM控制信号372的占空比确定电力从输出Vrect分流的净速率，较高的占空比意味着较高的速率。
如果并且当误差信号362大于Vth2但小于第三(即，最高)电压阈值电平Vth3时，则Vrect OVP控制器370生成电阻器控制信号372以接通电阻器控制开关S3并保持电阻器控制开关S3导通，同时生成电容器控制信号374以保持电容器控制开关S1和S2断开。结果，通过钳位电阻器R1将电力持续地从输出Vrect分流。
如果并且当误差信号362大于Vth3时，则Vrect OVP控制器370生成电阻器控制信号372以接通电阻器控制开关S3并保持电阻器控制开关S3导通，并且还生成电容器控制信号374以接通电容器控制开关S1和S2并保持电容器控制开关S1和S2导通。结果，RX谐振网络334将被电容器C1和C2失谐，从而减少RX电感器线圈332无线地接收的电力量，同时仍然通过钳位电阻器R1持续地将电力从输出Vrect分流。
以这种方式，图3的过电压保护电路实现了用于处理Vrect输出节点处的越来越高的过电压状况的三种不同的技术。
图4是根据本发明的另一个实施例的具有过电压保护电路的无线电力接收器400的一部分的示意框图，该过电压保护电路可以执行用于过电压保护的不同技术。无线电力接收器400类似于图3的无线电力接收器300，其中使用类似标号标识类似元件，除了替代图3的误差放大器360和单个参考电压生成器350，无线电力接收器400具有三个比较器460(1)-460(3)和三个对应的参考电压生成器450(1)-450(3)之外，三个对应的参考电压生成器450(1)-450(3)生成三个不同的参考电压Vref1-Vref3，其中Vref1<Vref2<Vref3。
在示例实施方式中，在正常操作状况下，反馈信号Vfb小于Vref1，比较器输出信号462(1)-462(3)全部为低，并且Vrect OVP控制器470生成电阻器控制信号472和电容器控制信号474以保持所有三个开关S1-S3断开，这类似于当图3中的误差信号362小于Vth1时。
如果并且当反馈信号Vfb大于Vref1但小于Vref2时，则比较器输出信号462(1)为高，比较器输出信号462(2)和462(3)为低，并且Vrect OVP控制器470生成电阻器控制信号472作为PWM控制信号，该信号重复地接通和关断电阻器控制开关S3，同时Vrect OVP控制器470生成电容器控制信号474以保持电容器控制开关S1和S2断开，这类似于当图3中的误差信号362在Vth1和Vth2之间时。
如果并且当反馈信号Vfb大于Vref2但小于Vref3时，则比较器输出信号462(1)和462(2)为高，比较器输出信号462(3)为低，并且Vrect OVP控制器470生成电阻器控制信号472以接通电阻器控制开关S3并保持电阻器控制开关S3导通，同时生成电容器控制信号474以保持电容器控制开关S1和S2断开，这类似于当图3中的误差信号362在Vth2和Vth3之间时。
如果并且当反馈信号Vfb大于Vref3时，则比较器输出信号462(1)-462(3)全部为高，并且Vrect OVP控制器470生成电阻器控制信号472以接通电阻器控制开关S3并保持电阻器控制开关S3导通，并且还生成电容器控制信号474以接通电容器控制开关S1和S2并保持电容器控制开关S1和S2导通，这类似于当图3中的误差信号362大于Vth3时。
以这种方式，类似于图3的过电压保护电路，图4的过电压保护电路实现了用于处理Vrect输出节点处的越来越高的过电压状况的三种不同的技术。
图5是根据本发明的另一个实施例的具有过电压保护电路的无线电力接收器500的一部分的示意框图，该过电压保护电路可以执行用于过电压保护的不同技术。无线电力接收器500类似于无线电力接收器400，其中使用类似标号标识类似元件，除了代替三个比较器460(1)-460(3)和三个对应的参考电压生成器450(1)-450(3)，无线电力接收器500具有单个比较器560和可配置的数模转换器(DAC)550之外，可配置的数模转换器(DAC)550由来自Vrect OVP控制器570的DAC控制信号576控制以生成图4的三个不同参考电压Vref1-Vref3中的任何一个。
在示例实施方式中，Vrect OVP控制器570最初控制可配置的DAC 550以生成参考电压Vref1。在正常操作状况下，反馈信号Vfb小于Vref1，比较器输出信号562为低，并且Vrect OVP控制器570生成电阻器控制信号572和电容器控制信号574以保持所有三个开关S1-S3断开，这类似于当图4中的反馈信号Vfb小于Vref1时。
如果并且当反馈信号Vfb变得大于Vref1时，则比较器输出信号562为高，并且Vrect OVP控制器570生成电阻器控制信号572以作为PWM控制信号，该信号重复地接通和关断电阻器控制开关S3，同时Vrect OVP控制器570生成电容器控制信号574以保持电容器控制开关S1和S2断开，这类似于当图4中的反馈信号Vfb在Vref1和Vref2之间时。另外，VrectOVP控制器570生成DAC控制信号576以指示可配置的DAC 550生成参考电压Vref2。
如果并且当反馈信号Vfb变得大于Vref2时，则比较器输出信号562为高，并且Vrect OVP控制器570生成电阻器控制信号572以接通电阻器控制开关S3并保持电阻器控制开关S3导通，同时生成电容器控制信号574以保持电容器控制开关S1和S2断开，这类似于当图4中的反馈信号Vfb在Vref2和Vref3之间时。另外，Vrect OVP控制器570生成DAC控制信号576以指示可配置的DAC 550生成参考电压Vref3。
如果并且当反馈信号Vfb大于Vref3时，则比较器输出信号562为高，并且VrectOVP控制器570生成电阻器控制信号572以接通电阻器控制开关S3并保持电阻器控制开关S3导通，并且还生成电容器控制信号574以接通电容器控制开关S1和S2并保持电容器控制开关S1和S2导通，这类似于当图4中的反馈信号Vfb大于Vref3时。
以这种方式，类似于图3和图4的过电压保护电路，图5的过电压保护电路实现了用于处理Vrect输出节点处的越来越高的过电压状况的三种不同的技术。
本领域技术人员将理解，本发明的替换实施例可以通过实施不同的过电压保护技术和/或不同数量的过电压保护技术来处理过电压状况。
在图3的过电压保护电路的一种可能的实施方式中，维持由Vrect OVP控制器370生成的最后一组的控制信号372和374以用于处理过电压状况，直到误差信号362下降到低于第一阈值电压电平Vth1，并且过电压状况不再存在。在另一种可能的实施方式中，当误差信号362从Vth2以上或Vth3以上下降到最终低于Vth1时，Vrect OVP控制器370基于误差信号362的当前电平多次修改控制信号372和374。无论哪种方式，图3的过电压保护方案将以不同的方式处理不同的过电压状况，对越来越高的过电压电平采取越来越激烈的措施。对于图4和图5的过电压保护电路存在类似的实施方式。
在一些实施方式中，当误差信号362在Vth1和Vth2之间时，由OVP控制器生成的PWM控制信号的占空比是误差信号362的大小的动态函数，使得占空比随着误差信号362增加(和减小)而增加(和减小)。对于图4和图5的过电压保护电路存在类似的实施方式。
尽管已经在电阻钳位电路380/480/580位于整流器336/436/536下游的背景下描述了本发明，但是在替换实施例中，电阻钳位电路380/480/580可以位于整流器336/436/536上游，但是这样的解决方案可能不那么有效。
尽管这里参考具体实施例描述了本发明，但是在不脱离如下面的权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种无线电力接收器，包括：
电感器线圈，被配置为与无线电力发送器磁耦合，以从所述无线电力发送器无线地接收电力；
整流器，在接收器的输出端口处生成经整流的输出电压；
谐振网络，连接在所述电感器线圈和所述整流器之间；
钳位电路，连接所述输出端口和所述谐振网络中的至少一个；
比较电路，将基于所述经整流的输出电压的反馈信号与至少一个参考信号进行比较；和
控制电路，基于从所述比较电路接收的至少一个比较信号来选择性地控制所述钳位电路，其中：
如果所述反馈信号大于第一参考电压电平，则所述控制电路控制所述钳位电路执行第一操作以降低所述经整流的输出电压；和
如果所述反馈信号大于比所述第一参考电压电平大的第二参考电压电平，则所述控制电路控制所述钳位电路执行与所述第一操作不同的第二操作，以降低所述经整流的输出电压。
2.根据权利要求1所述的无线电力接收器，其中：
所述钳位电路包括连接到接收器中的其它电路的电阻钳位电路，所述电阻钳位电路包括与电阻器控制开关串联连接的电阻器；
如果所述反馈信号大于所述第一参考电压电平，则所述控制电路间歇地接通和关断所述电阻器控制开关，以降低所述经整流的输出电压；以及
如果所述反馈信号大于所述第二参考电压电平，则所述控制电路接通所述电阻器控制开关并保持所述电阻器控制开关导通，以降低所述经整流的输出电压。
3.根据权利要求2所述的无线电力接收器，其中所述控制电路施加脉冲宽度调制PWM控制信号以间歇地接通和关断所述电阻器控制开关。
4.根据权利要求3所述的无线电力接收器，其中所述控制电路取决于所述经整流的输出电压生成所述PWM控制信号的占空比。
5.根据权利要求2所述的无线电力接收器，其中所述电阻钳位电路连接在所述输出端口和地之间。
6.根据权利要求1所述的无线电力接收器，其中：
所述控制电路还包括连接到所述谐振网络的电容钳位电路，所述电容钳位电路包括与至少一个电容器控制开关串联连接的至少一个电容器；
如果所述反馈信号大于比所述第二参考电压电平大的第三参考电压电平，则所述控制电路接通所述电容器控制开关并保持所述电容器控制开关导通，以使所述谐振网络失谐以降低所述经整流的输出电压。
7.根据权利要求1所述的无线电力接收器，其中：
所述比较电路将所述反馈信号与多个不同的参考信号进行比较，并生成多个对应的比较信号，每个比较信号指示所述反馈信号是否大于对应的参考信号；以及
所述控制电路基于从所述比较电路接收的所述多个比较信号来选择性地控制所述钳位电路。
8.根据权利要求1所述的无线电力接收器，其中：
所述比较电路将所述反馈信号与参考信号进行比较，并生成误差信号，所述误差信号的大小是所述反馈信号与所述参考信号之间的差值的函数；以及
所述控制电路基于所述误差信号的大小选择性地控制所述钳位电路。
9.根据权利要求1所述的无线电力接收器，还包括被配置为基于所述经整流的输出电压生成所述反馈信号的电阻器分压器。
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