CN111371189B - 在具有复杂谐振电路的无线充电系统中确定q因数 - Google Patents

Abstract

无线充电器包括逆变器、包括电感器的第一滤波器、谐振回路、以及包括开关的第二滤波器。逆变器从供电电源接收驱动信号，以及产生经逆变的信号。经逆变的信号由第一滤波器滤波，经滤波的信号提供给谐振回路，谐振回路谐振以无线地将电能提供给接收器。第二滤波器的开关与第一滤波器的电感器并联连接。在无线充电器确定谐振回路的功率因数的检测阶段，开关闭合以将电感器旁路。

Description

在具有复杂谐振电路的无线充电系统中确定Q因数

技术领域

本发明涉及无线充电器以及检测无线充电器的品质因数(Quality Factor，Q因数)的方法。具体地，本发明涉及具有复杂谐振回路的无线充电器，以及检测具有复杂谐振回路的无线充电器的Q因数的方法。

背景技术

在无线充电器中，品质因数(Q因数)被用来确定在其充电区域内是否存在不利的外部物体(例如，金属物体)，充电器可能将金属加热而导致外部物体的损伤。通常地，Q因数定义为在关注的频率范围内的极点。将具有扫频频率的信号施加到充电器的谐振回路上，以将Q因数确定为在该扫频频带内V_resonant/V_drive的最大比值，其中V_resonant是发射线圈上的信号电压，V_drive是施加到谐振回路的信号电压。尽管该方法在使用串联LC振荡回路的低功率充电系统中实施较为便利，在使用更为复杂的谐振回路的充电系统中，其并不易实施。例如，在汽车应用中，使用复杂的谐振回路来满足电磁兼容(Electro MagneticCompatibility，EMC)的要求。更为复杂的谐振回路导致系统中具有多个极点，使得Q因数的确定较为困难。因此，有利的是提供一种在具有复杂谐振回路的无线充电器中确定Q因数的装置。

发明内容

本发明内容被提供以介绍以下具体实施方式部分详述的概念中经选择的简化部分。本发明内容并不意欲确定权利要求中内容的关键或必要特征，亦不意欲使其限制权利要求的范围。

根据一种实施方式，提供一种无线充电器，其包括：

逆变器，自供电电源接收驱动信号，以及产生经逆变的信号；

滤波器，连接到逆变器以接收经逆变的信号，以及产生经滤波的信号，其中滤波器包括至少一个电感器；

谐振回路，连接到滤波器以接收经滤波的信号，其中谐振回路向位于无线充电器的充电区域内的接收器提供无线电能；以及

至少一个开关，与至少一个电感器并联，其中所述至少一个开关在无线充电器的品质因数确定阶段闭合。

示例地，滤波器的所述至少一个电感器具有连接到逆变器以接收经逆变的信号的第一端，以及配置为提供经滤波的信号的第二端。

示例地，所述至少一个开关具有第一端和第二端，所述至少一个开关的第一端连接到所述至少一个电感器的第一端，所述至少一个开关的第二端连接到所述至少一个电感器的第二端。

示例地，逆变器具有第一输出端和和第二输出端，配置为提供经逆变的信号，其中滤波器包括另一电感器，所述至少一个电感器连接到所述第一输出端，所述另一电感器连接到所述第二输出端。

示例地，所述另一电感器具有第一端和第二端，所述另一电感器的第一端连接到逆变器的第二输出端以接收经逆变的信号，所述另一电感器的第二端配置为提供经滤波的信号。

示例地，无线充电器进一步包括另一开关，所述另一开关与所述另一电感器并联连接，所述另一开关在品质因数确定阶段闭合，所述另一开关具有第一端和第二端，所述另一开关的第一端连接到所述另一电感器的第一端，所述另一开关的第二端连接到所述另一电感器的第二端。

示例地，滤波器包括PI滤波器。

示例地，逆变器为全桥逆变电路，其包括第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接的第一开关和第二开关，第二支路包括串联连接的第三开关和第四开关，其中第一开关和第二开关交替闭合，第三开关和第四开关交替闭合。

示例地，第一支路和第二支路各连接在供电电源与地之间。

示例地，在品质因数确定阶段，在第一支路或第二支路中连接到地的开关闭合。

示例地，逆变器为半桥逆变器。

根据另一实施方式，提供一种无线充电器，其包括：

逆变器，自供电电源接收驱动信号，以及产生经逆变的信号；

第一滤波器，连接到逆变器以接收经逆变的信号，以及产生经滤波的信号，其中第一滤波器包括至少一个电感器；

谐振回路，连接到第一滤波器以接收经滤波的信号，以及向位于无线充电器的充电区域内的接收器提供无线电能；以及

第二滤波器，连接到第一滤波器，以在无线充电器的品质因数确定阶段旁路所述至少一个电感器。

示例地，无线充电器进一步包括控制器，连接到逆变器和第二滤波器，其中逆变器包括全桥逆变电路，全桥逆变电路包括第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接的第一开关和第二开关，第二支路包括串联连接的第三开关和第四开关，其中第一支路和第二支路彼此并联连接在供电电源和地之间。

示例地，第一滤波器包括PI滤波器，PI滤波器包括所述至少一个电感器和另一电感器，以及其中第二滤波器包括第五开关和第六开关，第五开关与所述至少一个电感器并联，第六开关与所述另一电感器并联。

示例地，控制器控制第一至第六开关，以将无线充电器置于品质因数确定阶段和无线充电阶段之一。

示例地，在品质因数确定阶段，第五开关和第六开关闭合。

根据另一实施方式，提供一种确定无线充电器的品质因数的方法，无线充电器包括逆变器、第一滤波器和谐振回路，逆变器接收驱动信号以及产生经逆变的信号，第一滤波器包括至少一个电感器以及配置为接收经逆变的信号并产生经滤波的信号，谐振回路接收经滤波的信号，以及对位于无线充电器的充电区域内的接收器电路无线地充电，所述方法包括：

将第五开关跨第一滤波器的至少一个电感器连接；

在无线充电器的品质因数确定阶段，闭合第五开关；以及

在无线充电器的功率充电阶段，打开第五开关。

示例地，第一滤波器为PI滤波器，PI滤波器包括所述至少一个电感器和另一电感器，所述方法进一步包括：

将第六开关跨第一滤波器的另一电感器连接；

在品质因数确定阶段，闭合第六开关；以及

在无线充电阶段，打开第六开关。

示例地，逆变器为全桥逆变器电路，全桥逆变器电路包括第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接并交替闭合的第一开关和第二开关，第二支路包括串联连接并交替闭合的第三开关和第四开关，其中第一支路和第二支路连接在供电电源和地之间，所述方法进一步包括：

在品质因数确定阶段，将第一支路和第二支路的每一个中的一个开关闭合，以将第一支路和第二支路连接到地。

示例地，该方法进一步包括：

在品质因数确定阶段，将逆变器连接为半桥逆变器。

附图说明

为使本发明前述内容可以更具体的方式得以理解，本发明的进一步详细的描述可以参考实施方式而得到，其中部分由所附的图例而展示。所附图例仅展示本发明的典型实施方式，且因本发明可以具有其他相同地有效实施方式，所附图例不应理解为限制本发明的范围。附图是为便于理解而非测量本发明而绘制。对于本领域的技术人员而言，在阅读了本描述并结合所附图例，所要求的发明主题的益处将易于理解。在附图中，相似的标记数字被用来指示相似的元件，以及：

图1是根据本发明一种示例的实施方式的无线充电器的结构示意图；

图2是图1中的无线充电器在不包括第二滤波器时的扫频波形图；以及

图3是图1中的无线充电器在包括第二滤波器时的扫频波形图。

具体实施方式

图1是根据本发明一种示例的实施方式的无线充电器100的电路示意图。该无线充电器100包括供电电源102、逆变器104、滤波器106、谐振回路108、以及控制器110。

供电电源102产生驱动信号112，驱动信号112用来驱动谐振回路108。逆变器104将驱动信号112逆变，以及产生经逆变信号。在本优选的实施方式中，供电电源102提供直流电压，逆变器104将直流电压信号转换为交流信号，以及将交流信号提供给谐振回路108。

在本优选的实施方式中，逆变器104是全桥逆变电路，其包括第一支路116和第二支路118。第一和第二支路116、118并联连接在供电电源102的输出112和地114之间。具体地，第一支路116包括串联连接的第一和第二开关S1、S2，第一开关S1的第一端接收驱动信号112，第二开关S2的一端连接到地114。第二支路118包括串联连接的第三和第四开关S3、S4，第三开关S3的第一端接收驱动信号112，第四开关S4的一端连接到地114。逆变器104具有第一输出端120和第二输出端122，其向滤波器106提供经逆变的信号。第一输出端120连接到第一和第二开关S1、S2之间的节点，第二输出端122连接到第三和第四开关S3、S4之间的节点。

在运行时，在第一支路116中，第一和第二开关S1、S2被控制器110控制为交替地闭合。类似地，在第二支路118中，第三和第四开关S3、S4被控制器110控制为交替地闭合。开关S1和S2，或者开关S3和S4不同时闭合，以避免将供电电源102短路。

滤波器106连接到逆变器104以接收经过输出端120和122的经逆变的交流信号。滤波器106将经逆变的交流信号滤波，以及产生经滤波的信号。在本优选的实施方式中，滤波器106是PI滤波器(π滤波器)，其包括第一和第二电感器L1、L2，以及电容器C1。第一电感器L1连接到逆变器104的第二输出端122，第二电感器L2连接到逆变器104的第一输出端120。

第一电感器L1具有连接到逆变器104的第二输出端122的第一端124，以及连接到谐振回路108和电容器C1的第一端的第二端126。类似地，第二电感器L2具有连接到逆变器104的第一输出端120的第一端128和连接到谐振回路108和电容器C1的第二端的第二端130。从而，电容器C1连接在第一电感器L1的第二端126和第二电感器L2的第二端130之间。

PI滤波器106将来自逆变器104的经逆变信号滤波至所需的水平，以及将经滤波的信号提供给谐振回路108。在其他实施方式中，滤波器可以包括更多或更少的电感器，以及可以实施为L型滤波器或者T型滤波器。

谐振回路108连接到滤波器106以接收经滤波的信号。谐振回路包括电感线圈L3，其使用经滤波的信号来发射功率。所发射的功率可以用来对位于无线充电器100的充电范围内的接收器设备充电。无线充电器100还可以利用谐振回路108的电感线圈L3来与接收器设备进行通信，例如使用根据Qi标准数据包格式。谐振回路108的电感线圈L3具有耦接到滤波器106的第一电感器L1的第二端126的第一端132，以及连接到滤波器106的第二电感器L2的第二端130的第二端134。谐振回路108还包括连接在滤波器106的第一电感器L1的第二端126和电感线圈L3的第一端132之间的电容器C2。

可以理解的是，Q因数是检测在无线充电器100的充电范围内的外部物体(ForeignObject，FO)的存在与否的方法。典型地，Q因数定义为在振荡的谐振器中存储的能量与驱动能量的比值。为简单起见，谐振回路108的Q因数通过Q＝V_r/V_s计算，其中V_r是电感线圈L3上或者电容器C2上的谐振电压，而V_s是来自供电电源102的供电电压。如果存在FO，则谐振电压将出现波动，从而Q因数出现滤波。Q因数的波动被用来检测FO的存在。

可以理解的是，Q因数还反映谐振回路108上的能量损失。在无线充电器100中，存在有多个谐振元件，例如第一、第二和第三电感器L1、L2、L3。从而，无线充电器具有多个谐振频率，亦称为“极点”。

参考图2，图1中的无线充电器100的扫频波形图在所关注的频带内具有多个峰值，其代表多个Q因数，并与多个极点相对应，这使得为检测FO的存在而确定Q因数变得困难。

无线充电器100进一步包括第二滤波器136，其跨滤波器106的电感器L1和L2连接。第二滤波器136配置为通过在无线充电器100检测品质因数的检测阶段将电感器L1和L2短路而从谐振回路108中移除多余的极点。

图3是无线充电器100在第二滤波器136运行时的扫频滤波图，其中只示出一个极点，从而Q因数的确定得以执行。

第二滤波器136包括分别跨接在滤波器106的第一和第二电感器L1和L2上的第五开关S5和第六开关S6。具体地，第五开关S5具有连接到第一电感器L1的第一端124和逆变器104的第二输出端122的第一端138，以及连接到第一电感器L1的第二端126的第二端140。第六开关S6具有连接到第二电感器L2的第一端128和逆变器104的第一输出端120的第一端142，以及连接到滤波器106的第二电感器L2第二端130的第二端144。

控制器110控制第一至第六开关，以将无线充电器100配置处于Q因数确定阶段和无线充电阶段。在运行中，在无线充电器100确定Q因数的检测阶段，第五和第六开关S5、S6闭合以旁路第一和第二电感器L1、L2，这将减少谐振元件，以及从谐振信号中去除多余的极点。

第二滤波器142的第五和第六开关S5、S6由控制器110控制，在无线充电器100的检测阶段被闭合，在正常运行中被打开。在一种实施方式中，在检测阶段，控制器110将第一支路116中的开关S2或者第二支路118中的开关S4中的一者闭合，以将逆变器104配置为半桥逆变器。由于第一支路116中的开关S2和第二支路118中的开关S4连接到地，在检测阶段闭合开关S2或者开关S4则将逆变器104的第一输出端120或第二输出端122接地。在另一支路中，开关被以所需的频率交替地闭合，以运行为半桥逆变器。

在此参考了特定的所示的例子对于各种示例的实施方式进行了描述。所述示例的例子被选择为辅助本领域的技术人员来形成对于各实施方式的清晰理解并得实施。然而，可以构建为包括一个或多个实施方式的系统、结构和器件的范围，以及根据一个或多个实施方式实施的方法的范围，并不为所展示的示例性例子所限制。相反地，所属技术领域的技术人员基于本说明书可以理解：可以根据各实施方式来实施出很多其他的配置、结构和方法。

应当理解的是，就于本发明在前描述中所使用的各种位置指示来说，例如顶、底、上、下，彼等指示仅是参考了相应的附图而给出，并且当器件的朝向在制造或工作中发生变化时，可以代替地具有其他位置关系。如上所述，那些位置关系只是为清楚起见而描述，并非限制。

本说明的前述描述是参考特定的实施方式和特定的附图，但本发明不应当限制于此，而应当由权利要求书所给出。所描述的各附图都是示例性的而非限制性的。在附图中，为示例的目的，各元件的尺寸可能被放大，且可能没有绘制为特定的比例尺。本说明也应当包括各元件、工作方式在容限和属性上的不连续的变换。还应当包括本发明的各种弱化实施。

本说明及权利要求书中所使用的词汇“包括”并不排除其他元件或步骤。除非特别指出，在使用单数形式如“一”、“一个”指代确定或不确定的元件时，应当包括该元件的复数。从而，词汇“包括”不应当被理解为限于在其后所列出的条目，不应当理解为不包括其他元件或步骤；描述“器件包括项目A和B”的范围不应当限制为只包括元件A和B的器件。该描述表示，就于本说明而言，只有器件的元件A和B是相关的。“连接”、“耦接”、“耦合”均表示在相耦接或相连接的元件之间存在电学的联系，且不意味着其间没有中间元件。在描述晶体管及其连接时，词语栅、漏、和源与栅极、漏极、源极以及栅极端、漏极端、源极端是可互换的。

对于所属领域的技术人员而言，在不背离本发明的权利要求的范畴内可以作出多种具体变化。

Claims (10)

1.一种无线充电器，其特征在于，包括：

逆变器，自供电电源接收驱动信号，以及产生经逆变的信号；

滤波器，连接到逆变器以接收经逆变的信号，以及产生经滤波的信号，其中滤波器包括电感器；

谐振回路，连接到滤波器以接收经滤波的信号，其中谐振回路向位于无线充电器的充电区域内的接收器提供无线电能；以及

开关，与所述电感器并联，其中所述开关在无线充电器的品质因数确定阶段闭合。

2.根据权利要求1所述的无线充电器，其特征在于：滤波器的所述电感器具有连接到逆变器以接收经逆变的信号的第一端，以及配置为提供经滤波的信号的第二端。

3.根据权利要求1所述的无线充电器，其特征在于，逆变器具有第一输出端和和第二输出端，配置为提供经逆变的信号，其中滤波器包括另一电感器，所述电感器连接到所述第一输出端，所述另一电感器连接到所述第二输出端。

4.根据权利要求3所述的无线充电器，其特征在于：所述另一电感器具有第一端和第二端，所述另一电感器的第一端连接到逆变器的第二输出端以接收经逆变的信号，所述另一电感器的第二端配置为提供经滤波的信号。

5.根据权利要求4所述的无线充电器，其特征在于，进一步包括另一开关，所述另一开关与所述另一电感器并联连接，所述另一开关在品质因数确定阶段闭合，所述另一开关具有第一端和第二端，所述另一开关的第一端连接到所述另一电感器的第一端，所述另一开关的第二端连接到所述另一电感器的第二端。

6.一种无线充电器，其特征在于，包括：

逆变器，自供电电源接收驱动信号，以及产生经逆变的信号；

第一滤波器，连接到逆变器以接收经逆变的信号，以及产生经滤波的信号，其中第一滤波器包括电感器；

谐振回路，连接到第一滤波器以接收经滤波的信号，以及向位于无线充电器的充电区域内的接收器提供无线电能；以及

第二滤波器，连接到第一滤波器，以在无线充电器的品质因数确定阶段旁路所述电感器。

7.根据权利要求6所述的无线充电器，其特征在于，进一步包括控制器，连接到逆变器和第二滤波器，其中逆变器包括全桥逆变电路，全桥逆变电路包括第一支路和第二支路，第一支路包括串联连接的第一开关和第二开关，第二支路包括串联连接的第三开关和第四开关，其中第一支路和第二支路彼此并联连接在供电电源和地之间。

8.根据权利要求7所述的无线充电器，其特征在于，第一滤波器包括PI滤波器，PI滤波器包括所述电感器和另一电感器，以及其中第二滤波器包括第五开关和第六开关，第五开关与所述电感器并联，第六开关与所述另一电感器并联。

9.一种确定无线充电器的品质因数的方法，其特征在于：无线充电器包括逆变器、第一滤波器和谐振回路，逆变器接收驱动信号以及产生经逆变的信号，第一滤波器包括电感器以及配置为接收经逆变的信号并产生经滤波的信号，谐振回路接收经滤波的信号，以及对位于无线充电器的充电区域内的接收器电路无线地充电，所述方法包括：

将第五开关跨第一滤波器的电感器连接；

在无线充电器的品质因数确定阶段，闭合第五开关；以及

在无线充电器的功率充电阶段，打开第五开关。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，第一滤波器为PI滤波器，PI滤波器包括所述电感器和另一电感器，所述方法进一步包括：

将第六开关跨第一滤波器的另一电感器连接；

在品质因数确定阶段，闭合第六开关；以及

在无线充电阶段，打开第六开关。