用于无线功率接收器的数字分流调节制造技术

接收器由来自线圈天线的无线功率供电。匹配网络将接收器调谐到谐振频率，桥和电容器产生输出电压。输出电压被分压并与参考电压进行比较。当比较结果为真时，异步数字控制器增加一个数字计数，但当比较结果为假时，减少所述数字计数。电流导向数模转换器(DAC)从输出端分流电流，其是所述数字计数的一个函数。异步数字控制器、比较器和DAC不使用系统时钟，因此到分流电流的数字反馈在达到目标输出电压时工作，在等待系统时钟开始脉冲时防止过压。将所述数字计数与一个数字阈值进行比较，以恢复发射的幅度移位键控(ASK)数据。

Digital shunt regulation for wireless power receiver

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于无线功率接收器的数字分流调节
本专利技术涉及无线功率接收器，特别涉及所接收的无线功率的数字分流调节(digitalshuntregulation)。
技术介绍
能量可以在没有电线的情况下传输，以激活低功率系统。远程系统中可以包括小型天线或线圈，电磁功率从附近发射器耦合到该天线，用于为系统供电或为小型电池充电。功率通过电磁感应而无线传输。称为射频识别(RFID)标签的小芯片已经通过电磁感应而供电。最近，充电垫已被用于在较大设备(如智能手机)上对电池进行无线充电。根据各种因素如发射器和接收器之间的距离，可以采用不同的物理机制。可以通过匹配发射器和接收器天线的阻抗并使用谐振频率来增强无线功率传输。这种谐振无线功率传输可以提供一个扩展范围。具有扩展范围可以实现新的应用，例如头戴式显示器(HMD)，其将3D立体图像投影到用户眼睛。当用户移动并倾斜他的头部时，3D视图会发生变化。为当前HMD供电的大量线缆会阻碍用户的移动。因此，非常期望能有无线供电的HMD。其他移动设备同样可以受益于无线功率传输。较小的物联网(IoT)设备或电器同样受益于无线功率传输。图1显示现有技术的谐振无线功率传输系统。无线功率接收器100从无线功率发射器110接收无线功率。在无线功率发射器110中，驱动单元116向放大器114供电，放大器114产生AC信号，由匹配单元112滤波，以驱动天线118。发射的信号可以通过控制器和通信单元122来调制。匹配单元112中的线圈、电容器或其他滤波器元件尝试匹配天线118的阻抗与自放大器114的输出功率，以获得接收器天线128被调谐的谐振频率。在接收器天线128上接收的无线信号由整流器102整流并由DC-DC转换器104调节。当接收到无线功率时，开关单元106将来自DC-DC转换器104的调节电压连接到功率负载单元108，但是当没有无线功率时断开负载单元108。控制器和通信单元120检测由接收器天线128接收的通信信号，其由无线功率发送器110中的控制器和通信单元122发送。图2显示一个假设的无线功率接收器中的启动延迟的波形图。当接收器的天线开始从发射器接收无线信号时，线圈电压V_COIL开始脉动。随着这些接收信号变强，调节器产生的电压V_OUT也会上升。V_OUT在5微秒(μs)时达到5伏的目标电源电压，但由于时钟振荡器电路或锁相环(PLL)的启动延迟，接收器的内部时钟CLK尚未开始脉冲。再过另一个5微秒后，内部时钟CLK开始脉冲。一旦内部时钟CLK开始脉冲，各种数字电路也变得可运行，例如任何数模转换器(DAC)。特别是，当10微秒后时钟开始脉冲时，控制功率分流器(powershunt)的DAC的数字输入DIN将开始工作。由DIN控制的这个功率分流器将开始调节电压V_OUT，其已经升高到高于5伏的目标，因为时钟直到10微秒才发出脉冲。一些功率调节器可能无法立即开始运行。一些调节器可能依赖于需要时钟的数字逻辑，例如采样电压或操作状态机或定序器/控制器。这些调节器在启动期间几乎不提供电压调节，直到时钟在10微秒时开始脉冲。在没有调节的情况下，线圈电压V_COIL和接收电压V_OUT会升高到5伏目标以上。在此时钟启动延迟期间，从5微秒到10微秒这个期间，可能发生过压。在模拟中，V_COIL和V_OUT可能高于5伏目标，高达8伏。常规晶体管在8伏电压时可能会受到损坏。这种初始过电压是不希望的，因为可能发生电路或器件损坏。需要专门的高压器件来防止这种过电压造成的损坏。这些高压器件是不希望的，因为它们往往需要比常规电压晶体管大得多的芯片面积。这些高压器件的大芯片面积增加了成本和电容延迟。由于高压保护器件引起的这些延迟可能限制高速性能并增加电路中的关键反馈和环路延迟。可能需要特殊的非标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺步骤来构造这些高压器件，这会进一步增加成本。图3显示当切换负载时串联调节器可以引起高电压的波形。在图1的电路中，DC-DC转换器104串联在整流器102和负载单元108之间。当由负载单元108驱动的负载突然改变时，例如当发生电路切换时，负载电流可能突然改变。在图3的模拟中，I_LOAD在1毫秒(ms)时从50mA变为20mA，然后在2毫秒时变回50mA。尽管有这种电流开关，DC-DC转换器104仍能够以相当稳定的电压保持其输出V_OUT到开关单元106和负载单元108。但是，随着负载电流的变化，DC-DC转换器104的输入VBRIDGE突然上升。这是因为通过接收器天线128的电流的突然下降产生了一个反馈电压以进行补偿，因为接收器天线128是电感器。接收器天线128的电感产生一个电压上升以补偿电流的突然变化。因此，负载电流I_LOAD的突然下降导致接收器天线128上的电压V_COIL由于其电感而上升，上升的V_COIL通过整流器102，也增加整流器102与DC-DC转换器104输入之间的VBRIDGE。V_COIL和VBRIDGE的电压升高可能很大，例如升高30-60伏。这些大电压将需要高压器件，这需要更大的芯片面积和可能的额外工艺步骤，从而推高了成本。因此，不希望有如图1所示的串联调节器。期望有一个功率分流器以避免由串联调节引起的高电压。期望有一个由反馈控制的功率分流器。期望在功率分流器(不需要高压器件)反馈回路中使用数字逻辑。希望反馈回路中的这个数字逻辑是异步的，这样在等待时钟开始脉冲时没有初始启动延迟。期望有通过线圈或天线无线地接收功率的一种无线功率接收器，并使用异步数字反馈的功率分流器来调节无线接收的功率。【附图说明】图1显示现有技术的谐振无线功率传输系统。图2是一个假设的无线功率接收器的启动延迟的波形图。图3是显示当切换负载时串联调节器可以引起高电压的波形。图4是具有异步数字反馈到功率分流器的一个无线功率接收器示意图。图5是数字反馈回路的异步运行流程图。图6是图4的无线功率接收器的启动运行的波形。图7是图4的无线功率接收器的负载切换性能的波形。图8是在数字反馈路径中使用双向移位寄存器的一个无线功率接收器。图9是使用比例积分器进行数字反馈的一个无线功率接收器。图10是具有异步数字分流器的一个无线功率接收器示意图，该异步数字分流器被修改为接收发射数据。图11显示从调制的无线功率传输中恢复数据的波形。图12是一个可重置比较器的示意图。【具体实施方式】本专利技术涉及无线功率接收器的调节器的改进。以下描述以使本领域普通技术人员能够制造和使用在特定应用及其要求的上下文中所提供的本专利技术。对本领域技术人员而言，对优选实施例的各种修改将是显而易见的，本专利技术定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本专利技术并非旨在限于所示和所述的特定实施例，而是应被赋予与本专利技术披露的原理和新颖特征一致的最宽范围。图4是具有异步数字反馈到功率分流器的一个无线功率接收器的示意图。线圈32用作从发射器接收电磁信号的天线。匹配网络22有一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线功率接收器，包括：/n天线，其用于接收发射功率；/n匹配网络，其连接到所述天线以匹配阻抗；/n桥，其用于整流所述天线接收的所述发射功率，所述桥有来自所述匹配网络的两个输入、一个输出端和一个接地端；/n其中所述发射功率为一个负载提供能量，所述负载连接在所述输出端和所述接地端之间；/n数模转换器(DAC)，其接收一个数字值，用于产生一个从所述输出端到所述接地端的分流电流，其中所述分流电流是所述数字值的一个函数；/n反馈分压器，其接收所述输出端的一个输出电压，并将所述输出电压除以一个比率以产生一个反馈电压；/n比较器，其比较所述反馈电压和一个参考电压，以产生一个比较输出；/n异步数字控制器，其由所述比较输出激活，所述异步数字控制器在所述比较输出处于第一逻辑状态时增加所述数字值，所述异步数字控制器在所述比较输出处于第二逻辑状态时减小所述数字值，/n由此，所述输出电压由控制所述分流电流的数字反馈来调节。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190507 US 16/404,8641.一种无线功率接收器，包括：
天线，其用于接收发射功率；
匹配网络，其连接到所述天线以匹配阻抗；
桥，其用于整流所述天线接收的所述发射功率，所述桥有来自所述匹配网络的两个输入、一个输出端和一个接地端；
其中所述发射功率为一个负载提供能量，所述负载连接在所述输出端和所述接地端之间；
数模转换器(DAC)，其接收一个数字值，用于产生一个从所述输出端到所述接地端的分流电流，其中所述分流电流是所述数字值的一个函数；
反馈分压器，其接收所述输出端的一个输出电压，并将所述输出电压除以一个比率以产生一个反馈电压；
比较器，其比较所述反馈电压和一个参考电压，以产生一个比较输出；
异步数字控制器，其由所述比较输出激活，所述异步数字控制器在所述比较输出处于第一逻辑状态时增加所述数字值，所述异步数字控制器在所述比较输出处于第二逻辑状态时减小所述数字值，
由此，所述输出电压由控制所述分流电流的数字反馈来调节。


2.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中所述异步数字控制器不由系统时钟控制，所述异步数字控制器由所述比较输出的变化来激活；
其中，所述异步数字控制器在上电期间所述系统时钟尚未发出脉冲时控制所述分流电流。


3.根据权利要求2所述的无线功率接收器，还包括：
带隙参考发生器，其产生所述参考电压，
其中，产生的所述参考电压对所述输出电压的波动相对不敏感。


4.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中所述反馈分压器包括：
第一电阻，其连接在所述输出端和所述比较器的第一输入之间；
第二电阻，其连接在所述比较器的第一输入和所述接地端之间；
其中所述反馈电压产生在所述比较器的第一输入上；
其中所述参考电压施加到所述比较器的第二输入上。


5.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中所述分流电流与所述数字值成比例。


6.根据权利要求1所述的无线功率接收器，其中所述数字值是一个二进制值；其中所述DAC包括产生二进制加权电流的多个电流源，其中所述数字值的连续较大比特控制所述多个电流源中具有连续较大二进制加权电流的电流源。


7.根据权利要求6所述的无线功率接收器，其中所述数字值是具有至少3个二进制比特的二进制值。


8.根据权利要求1所述的无线电功率接收器，其中所述匹配网络对所述天线设置一个阻抗，以将所述天线调谐到一个谐振频率，所述谐振频率由一个发射器使用，所述发射器产生所述发射功率，由所述天线接收，
由此在所述发射器和所述无线功率接收器之间发生谐振无线功率传输。


9.根据权利要求1所述的无线功率接收器，还包括：
重置信号，其在异步数字控制器增加或减少所述数字值后由所述异步数字控制器脉冲产生；
其中所述比较器接收所述重置信号，所述比较器根据由所述异步数字控制器脉冲产生的重置信号而重置所述比较输出。


10.根据权利要求9所述的无线功率接收器，其中所述比较器的所述比较输出还包括第一比较输出和第二比较输出；
其中当所述反馈电压大于所述参考电压时，所述比较器将所述第一比较输出设置为高逻辑状态；
其中当所述反馈电压小于所述参考电压时，所述比较器将所述第二比较输出设置为高逻辑状态；
其中所述比较器根据所述重置信号，将所述第一比较输出重置为低逻辑状态，并将所述第二比较输出重置为低逻辑状态。


11.根据权利要求10所述的无线功率接收器，还包括：
连接在所述输出端和所述接地端之间的电容器。


12.根据权利要求11所述的无线功率接收器，其中所述异步数字控制器还包括：
比例积分控制器，其积分所述比较输出以生成所述数字值。


13.根据权利要求11所述的无线功率接收器，其中所述异步数字控制器还包括：
双向移位寄存器，其根据所述比较输出处于第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈炽康，钟国栋，邱斌高，
申请(专利权)人：香港应用科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81