用于控制功率传输的方法和功率传输器的制造方法
【专利摘要】提供了用于控制功率传输的方法和装置。从至少一个功率接收器接收在所述至少一个功率接收器处可接收的最小电压和和最大电压、用于分割在最小电压和最大电压之间的范围的参考电压、以及所述至少一个功率接收器期望的所要求的电压。从所述至少一个功率接收器接收关于功率接收条件的报告。所述报告包括在从功率传输器的功率传输期间，在所述至少一个功率接收器处测量的电压。确定所测量的电压是否在所述最小电压与所述参考电压之间。当所测量的电压不是在所述最小电压和所述参考电压之间时，调整和提供功率。
【专利说明】用于控制功率传输的方法和功率传输器
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及一种无线功率传输系统，并且更具体地，涉及一种用于控制功 率传输传输器的功率的方法。
【背景技术】
[0002] 最近已经开发出无线充电技术或非接触式充电技术，并且将其应用到许多不同的 电子设备。利用无线功率传输和接收的无线充电技术使得，例如，蜂窝电话机的电池能够通 过将蜂窝电话机放置在充电垫上来自动充电。无线充电技术不需要单独的充电连接器。无 线充电技术对电子产品进行无线充电，并且无需有线充电器，从而有利于电子产品的防水 和便携性。
[0003] 在基于谐振方法的充电中，当需要充电的功率接收器位于用于传输无线功率的功 率传输器中时，功率传输器可以对功率接收器充电。如果多个功率接收器位于单个功率传 输器的充电区域中，则每个功率接收器所要求的功率可以与单个功率传输器的传输功率不 同。因此，对每个功率接收器的充电需要有效地来进行。
【发明内容】
[0004] 【技术问题】
[0005] 常规的功率传输器建立了功率控制的电压参考，以有效地将功率提供给功率接收 器。然而，充电效率可以取决于各种充电条件，诸如，例如功率接收器的特征、硬件设计、功 率接收器和功率传输器之间的距离、充电位置等而变化。
[0006] 【解决方案】
[0007] 本发明是为了解决至少上述问题和/或缺点，并至少提供以下描述的优点。因此， 本发明的一个方面提供了用于在功率传输器中进行高效的功率传输的装置和方法。
[0008] 本发明的另一个方面提供用于确定功率接收器所要求的功率的装置和方法。
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了用于控制在功率传输器中的功率传输的方法。从 至少一个功率接收器接收在所述至少一个功率接收器处可接收的最小电压和和最大电压、 用于分割在最小电压和最大电压之间的范围的参考电压、以及至少一个功率接收器期望的 所要求的电压。从所述至少一个功率接收器接收关于功率接收条件的报告。所述报告包括 在从功率传输器的功率传输期间，在至少一个功率接收器处测量的电压。判断所测量的电 压是否在最小电压与参考电压之间。当所测量的电压不是在最小电压和参考电压之间时， 调整功率并且提供功率。
[0010] 按照本发明的另一个方面，提供一种用于控制功率传输的功率传输器。功率传输 器包括无线通信单元，用于从至少一个功率接收器接收在至少一个功率接收器处可接收的 最小电压和最大电压，被用于分割最小电压和最大电压之间的范围的参考电压，以及由所 述至少一个功率接收器期望的所要求电压，以及从至少一个功率接收器接收关于功率接收 条件的报告。所述报告包括在功率传输器的功率传输期间在至少一个功率接收器处测量的 电压。功率传输器还包括控制器，用于确定测量的电压是否在最小电压和参考电压之间，并 且在所测量的电压不在最小电压与参考电压之间时调整功率。功率传输器还包括谐振信号 发生器，用于在控制器的控制下将功率提供给所述功率接收器。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 结合附图，从以下的详细描述中，本发明的以上和其他方面、特征和优点将变得更 加明显，在附图中：
[0012] 图1是示出根据本发明实施例的功率传输器和功率接收器的框图；
[0013] 图2是示出根据本发明实施例的，设定的输入电压的范围的曲线图；
[0014] 图3是示出根据本发明实施例的，在功率接收器中的参考电压建立方法的流程 图；
[0015] 图4是示出根据本发明另一实施例的，在功率接收器中的参考电压和所要求电压 建立方法的流程图；
[0016] 图5是示出根据本发明实施例的，在功率传输器与功率接收器之间的信号传输和 接收的图；
[0017] 图6是示出根据本发明实施例的功率控制方法的曲线图；以及
[0018] 图7是示出根据本发明实施例的对功率控制方法进行分类的方法的图。
【具体实施方式】
[0019] 参考附图来对本发明的实施例进行详细说明。相同或相似组件可以被分配有相同 或类似的附图标记，尽管其被示出在不同的附图中。本领域中已经公知的结构或过程的详 细描述可被省略，以避免模糊本发明的主题。
[0020] 本发明的实施例提出一种功率传输器中控制有效的功率传输的方法。在本发明的 实施例中，功率接收器向功率传输器通知在功率接收器处可接收的最小电压和最大电压， 用作用于确定具有良好充电效率的区域的参考的参考电压，以及在功率接收器处所要求的 电压。功率传输器基于参考电压来确定具有良好效率的最佳有效电压区域，并且根据从由 传输功率来供电的功率接收器处接收的功率接收条件来调整传输功率。因此，通过基于功 率接收条件来自适应地调整传输功率来完成有效的功率控制，以保证在功率接收器处的最 佳的充电效率。
[0021] 在下面更详细地描述所要求的电压与参考电压。当功率接收器从功率传输器接收 功率时，存在具有最佳的充电效率的输入电压Vin。然而，在功率接收器中，具有最好的充电 效率的所期望的最佳输入电压Vin根据各种情况，诸如，例如，硬件设计、充电条件、温度等 而变化。因此，当只使用在功率传输器处的最小电压和最大电压来进行功率传输时，传输功 率被确定为在最小电压和最大电压之间的范围内。然而，由于对于确定其中的传输功率而 言，最小电压和最大电压之间的范围太宽，所以功率接收器的充电效率可能在该范围内发 生明显的变化。因此，如果能够为功率接收器确定在最小电压和最大电压之间的范围内具 有最佳的充电效率的部分，则将会实现更高效的功率传输。
[0022] 本发明的实施例提出一种用于从最小电压和最大电压之间的范围内确定具有最 佳充电效率的范围的方法。在以下的说明中，用于确定具有最佳充电效率的范围，即，功率 接收效率大于一定的效率的电压被定义为参考电压v_high，并且功率接收器所期望的最佳 输入电压Vin被定义为所要求的电压V_opt。具体地，参考电压是用来将最小电压和最大电 压之间的范围分割成预定的各部分的电压。当与其他范围相比时，参考电压和最小电压之 间的范围具有相对高的功率接收效率。
[0023] 将参考图1来更详细地描述在功率接收器中确定参考电压和所要求的电压的方 法。图1是示出根据本发明的实施例的，构成无线功率传输系统的功率传输器100和功率接 收器110的框图。在图1中，功率传输器100和功率接收器110被示为以一对一的关系来 连接，但是，本发明实施例的无线功率传输系统还可以包括一个或多个功率传输器100和 一个或多个功率接收器110。功率接收器可以被实现为，例如，蜂窝电话机、个人数字助理 (PDA)、运动图像专家组（MPEG)-I或MPEG-2音频层III (MP3)设备、膝上型计算机、照相机、 或者任何类型的电子设备。
[0024] 参照图1，功率传输器100被配置为包括电源10,其具有，例如用于供电的电压控 制振荡器（VCO)，以产生由控制器18确定的谐振频率信号。功率传输器100还包括放大器 12,以用于根据从电源10提供的功率来放大由电源10产生的信号。功率传输器100还包 括谐振信号发生器14,以用于根据由放大器12所产生的高幅度信号来在无线谐振信号中 传输来自电源10的功率。功率传输器100还包括电压/电流测量单元16,以用于测量由电 源10产生的电压和电流，以及控制器18,用于控制功率传输器100的一般的无线功率传输 操作。具体地，控制器18根据在电压/电流测量单元16处检测的电压和电流来监测无线 传输的谐振信号的电压和电流，并且控制电源10和放大器12的操作，以将谐振信号的电压 和电流维持在预设的正常范围内。功率传输器100还包括被配置成采用多种无线短距离通 信方案中的一种（诸如，例如蓝牙）来在控制器18的控制下，相对于无线功率传输的操作 来与功率接收器110进行通信的无线通信单元19。谐振信号发生器14包括充电基板，在其 上将功率接收器Il 0定位在谐振信号发生器14的上部。
[0025] 功率传输器100的控制器18可以与被配置成，例如，微控制器单元（MCU)，其通过 确定对一个或多个功率接收器中的每个具有最佳充电效率的范围来控制功率传输，其在下 面将更加详细地描述。
[0026] 功率接收器110包括谐振器20,其用于接收从功率传输器100的谐振信号发生器 14传输的无线谐振信号。功率接收器110还包括整流器22,用于将通过匹配电路21以交 流电（AC) 21接收的功率整流为直流电（DC)形式。功率接收器110另外包括DC/DC转换器 23 (也称为恒定电压发生器），用于将从整流器22输出的功率转换为由例如，利用该功率接 收器建立的便携式终端所要求的操作功率（例如，+5V)。功率接收器110还包括充电器/ 电源管理集成电路（PMIC) 24,其以操作功率来充电，以及控制器25,用于测量从整流器22 输出的电压Vrect，即，输入电压Vin、输出电压Vout、以及从DC/DC转换器23输出的电流 lout。控制器25可以利用MCU来配置，并且基于所测量的电压/电流信息来确定功率接收 条件，并且提供关于功率接收条件的信息。
[0027] 具体而言，功率接收器110的控制器25可以根据由控制器25测量的电压/电流 的信息来改变参考电压V_high。具体而言，参考电压VJiigh可以基于输入电压Vin、输出 电压Vout、和输出电流Iout而变化。例如，功率接收器110确定参考电压VJiigh为7V，并 且向功率传输器100通知7V的参考电压V_high。如果充电期间输出电压Vout被测量为 4V，则功率接收器110将参考电压VJiigh改变为8V。因为由于功率接收器110预先知道输 出电压Vout在正常充电中可为5v5%，使得功率接收器110确定当前的电压输出Vout对于 充电而言不足，所以参考电压VJiigh被改变。如果参考电压VJiigh是7V，并且输出电压 Vout、输出电流lout、和输入电压Vin被分别测量为5V、100mA、和6V，功率接收器110的控 制器25可确定输入功率超过对于充电所期望的功率，并且可以将参考电SV_high改变为 6V。控制器25也可以除了参考电压V_high之外，改变所要求的电压V_opt。
[0028] 功率接收器110还包括无线通信单元26,以在控制器25的控制下，相对于无线功 率接收操作来与功率传输器100进行通信。无线通信单元26通过采用了各种短距离无线 通信方案中的一个来进行操作。无线通信单元26可在控制器25的控制下，通过短距离无 线通信来传输和接收在无线充电过程中所期望的各种信息和消息。
[0029] 在本发明中，功率传输器100的无线通信单元19在控制器18的控制下，在登记阶 段，从至少一个功率接收器接收该功率接收器可以接收的最小电压和最大电压，用于将最 小电压和最大电压之间的范围分割为预定部分的参考电压，以及由功率接收器期望的所要 求的电压。功率传输器100的无线通信单元19还接收关于功率接收条件的报告，包括在从 功率传输器100的功率传输期间在功率接收器110处测量的电压。控制器18确定测量的 电压是否在最小电压与参考电压之间的范围内。如果所测量的电压在最小电压与参考电压 之间的范围之外，则控制器18调整传输功率。
[0030] 当在充电区中存在多个功率接收器时，在本发明的实施例中，控制器18接收从多 个功率接收器接收最小电压和最大电压以及所要求的电压。控制器18在功率传输之后从 每个功率接收器接收关于充电条件的报告。如果确定所有的功率接收器的测量的电压属于 对各个功率接收器所确定的最佳效率的电压区域，则控制器18确定哪些功率接收器应作 为用于控制功率传输的基础。如果选择功率接收器中的任何一个，则功率传输器100根据 所选择的功率接收器的所要求的电压来调整传输功率。选择任何功率接收器的方法包括： 从多个功率接收器中选择具有最高的当前接收功率（current reception power)的功率接 收器的方法，从多个功率接收器中选择具有最高的最大接收功率的功率接收器的方法，以 及从多个功率接收器中选择具有最高的功率使用率的功率接收器的方法中的至少一个。如 果确定存在具有高使用率的两个或多个的功率接收器，则功率传输器100可根据从两个或 者多个的功率接收器中选择具有最高的当前接收功率的功率接收器的方法来控制功率传 输。
[0031 ] 当在功率传输之后，存在其测量电压属于其各自的最小电压和各自的参考电压之 间的范围的多个功率接收器时，控制器18确定一种功率控制方法。所说功率控制方法包 括，例如，根据从多个功率接收器中选择的功率接收器的所要求的功率来调节功率的方法， 以及为多个功率接收器增加整体效率的方法。
[0032] 在本发明的实施例中，功率接收器110还包括温度测量单元27,用于测量整流器 22外部的温度，或者用于测量电池温度。功率接收器110的控制器25可以基于由控制器 25测量的温度信息来设置参考电压测V_high和所要求的电压V_opt。参考电压V_high比 最大电压V_max小，但是比所要求的电压V_opt大。所要求的电压V-opt比最小电压V_min 大，但小于参考电压V_high。参考电压V_high和所要求的电压V_opt可以通过考虑硬件设 计中的变化，通过使用预先在功率接收器110中确定的值来设置。例如，如果参考电压[ high为10V，所要求的电压V_opt可以被设置为7V。
[0033] 参考电压VJiigh和所要求的电SV_opt根据测量的温度而变化。具体地，如果测 量的温度达到特定温度，功率接收器110可减少参考电压V_high和所要求的电压V_opt。
[0034] 如果测量的温度高于特定温度时，参考电压V_high被减小到低于被通知给功率 传输器100的初始参考电SV_high。减少的程度可以与在当前温度和特定温度之间的差成 比例地调整。例如，如果初始参考电压VJiigh为10V，特定的温度为45度，测量的温度为 50度，并且采用每5度的差下降IV的方法，则参考电压VJiigh变为从10伏的初始参考电 压VJiigh减法IV而获得的9V。如果测量的温度低于特定温度时，则参考电压VJiigh增大 为大于初始参考电压V_high。例如，如果特定温度为45度，并且测量温度为30度，则参考 电压VJiigh变为从IOV的初始参考电压VJiigh加上3V而获得的13V。
[0035] 同样，如果测量的温度高于特定温度，所要求的电压V_opt可以减小到其变得小 于初始要求的电压V_opt的程度。例如，如果初始要求的电压V_opt是7伏，特定温度为45 度，测量温度为50度，并且采用每5度差降低0. 5V的方法，则改变的所要求的电压V_opt 变为从7V减去0. 5V的6. 5V。初始参考电压VJiigh与初始要求的电压V_opt指示在登记 阶段分别通知给功率传输器100的参考电压和所要求的电压。
[0036] 如果参考电压VJiigh和所要求的电压V_opt分别变为与初始/先前的参考电压 VJiigh和初始/先前的要求的电压V_opt不同，则功率接收器110在充电报告中将改变后 的参考电压VJiigh和改变的所要求的电压V_opt通知给功率传输器100。改变的参考电压 V_high和改变的所要求的电压V_opt可以定期/不定期地报告给功率传输器100。
[0037] 然而，如果对于特定的时间周期的温度增加超过特定温度时，参考电压V_high和 所要求的电压V_opt可能会降低。例如，如果参考电压V_high是7V并且温度在1分钟增 加5度，则参考电压VJiigh可能会降低。
[0038] 相应地，功率传输器100可以基于功率接收器110的参考电压V_high以及所要求 的电压V_opt的信息来控制功率，并且定期地传输功率接收器110的当前温度的信息。具 体地，利用所述信息，功率传输器100可以通过确定对于其温度比较高的功率接收器而言 充电效率低，以及基于其温度高的功率接收器的参考电压VJiigh来确定传输功率，来提供 功率。此外，如果从功率接收器110接收的温度的信息确定功率接收器110超过预定温度 阈值时，则功率传输器100可以通过传输关闭消息给无线通信单元19来停止传输功率，以 切断切换到功率接收器Iio的负载。
[0039] 然而，功率接收器110定期或非定期地向功率传输器100发送以上述方式确定的 参考电压 V_high和所要求的电压V_opt。在非定期传输的情况下，当由电源接收器110要 求的输入电压Vin改变时，功率接收器110可非定期地传输信息。与此相反，在定期传输的 情况下，功率接收器110可以通过将关于参考电压V_high和所要求的电压V_opt的信息插 入到要被传输到功率发射机100的报告帧中，来定期地传输信息。
[0040] 在从功率接收器110接收到关于参考电压VJiigh和所要求的电压V_opt的信息 之后，功率传输器100可使用关于参考电压v_high和所要求的电压V_opt的所接收的信息 来作为功率传输控制信息。具体而言，根据本发明的实施例，以下将参考图2来更加详细地 描述建立输入电压的范围。
[0041] 参照图2,最小电压V_min指示在充电状态中充电截止的电压，并且指示在其下的 电压可能出现在功率接收器110的输出（VOUT)或PMIC24处的电压。最小电压可以是，例 如，4. 5V〇
[0042] 最大电压V_max指示功率接收器110的功率传输线上的电路可能被损坏的电压。 最大电压可以是，例如，25V。
[0043] 当最小电压V_min和最大电压V_max之间的范围是100时，参考电压VJiigh指示 将所述范围分割成一定百分比的两个范围的电压。因此，最小电压V_min和最大电压V_max 之间的范围被划分成在最小电压V_min和参考电压VJiigh之间的第一电压范围，以及在参 考电压V_high和最大电压V_max之间的第二电压范围。第一电压范围被定义为有效电压 范围220,其具有高于一定的效率的较高的功率接收效率。第二电压范围被定义为高电压范 围210,其指示比功率接收器110所期望的更高的功率被接收。过电压范围200被定义为最 大电压V_max之上，并且低电压范围230被定义在最小电压V_min之下。
[0044] 例如，参考电压VJiigh(用于确定最佳有效电压范围的参考）被如公式⑴中所 述地进行计算。
[0045] 【数学式1】
[0046] V_high = V_min+0. 3*(V_max-V_min)
[0047] 在公式（1)，如果最小电压V_min是4. 5V，并且最大电压V_max为25V，则参考电 压VJiigh变为4. 5+0. 3*(25-4. 5)，即，10. 65V。每个范围的大小可以是根据设备的效率，诸 如，例如谐振器20的效率、功率放大器（PA)效率、整流器22的效率、开关模式电源（SMPS) 的效率等而动态地改变。
[0048] 以下将参考图3来更加详细地说明功率接收器110的操作。功率接收器110搜索 并且配对功率传输器100,登记在功率传输器100中，并且在待机模式中开始被充电。完成 登记后，功率传输器100可以知道功率接收器110所要求的功率。在这方面，功率接收器 110在登记阶段向功率传输器100发送预订请求帧，以预订由功率传输器100控制的无线功 率网络。预订请求帧在以下的表1中表示。
[0049] 【表1】
【权利要求】
1. 一种控制在功率传输器中的功率传输的方法，所述方法包括w下步骤： 从至少一个功率接收器接收在所述至少一个功率接收器处可接收的最小电压和和最 大电压、用于分割在最小电压和最大电压之间的范围的参考电压、W及所述至少一个功率 接收器期望的所要求的电压； 从所述至少一个功率接收器接收关于功率接收条件的报告，其中，所述报告包括在从 功率传输器的功率传输期间，在所述至少一个功率接收器处测量的电压； 确定所测量的电压是否在所述最小电压与所述参考电压之间；W及 当所测量的电压不是在所述最小电压和所述参考电压之间时，调整和提供功率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，调整和提供功率包括： 当所述测量的电压在所述参考电压和所述最大电压之间时，减小和提供功率。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，调整和提供功率包括： 当所述测量的电压在所述最小电压之下时，增加和提供功率。
4. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括当所述测量的电压在所述最大电压之上 时，停止功率传输。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，当所述至少一个功率接收器包括多个功率接收 器，并且在多个功率接收器的每个处的测量的电压在最小电压和参考电压之间时，进一步 包括： 选择多个功率接收器的任何一个；W及 基于所选择的功率接收器的功率控制偏好或者所要求的电压来调整功率。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述功率控制偏好是所选择的功率接收器对于 功率传输器所期望的功率控制方法，其中，所述功率控制方法包括调整功率W对应于所选 择的功率接收器的所要求的电压的方法，或者针对所述多个功率接收器来增加整体效率的 方法。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中，选择功率接收器中的任何一个包括： 从多个功率接收器中选择具有最高的当前接收功率的功率接收器的方法、从多个功率 接收器中选择具有最高的最大接收功率的功率接收器的方法、W及从多个功率接收器中选 择具有最高的功率使用率的功率接收器的方法中的至少一个。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，选择功率接收器中的任何一个包括： 当两个或者更多个功率接收器具有更高的功率使用率时，从所述两个或者更多个功率 接收器中选择具有最高的当前接收功率的功率接收器的方法。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中，当所述至少一个功率接收器包括多个功率接收 器时，进一步包括当多个功率接收器的每个处测量的电压在最小电压和参考电压之间时， 控制功率传输W针对多个功率接收器来增加整体效率。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述最小电压、最大电压、参考电压、W及所要 求的电压被包括在；用于预订由功率传输器主持的无线功率网络的通过至少一个功率接收 器发送的预订请求帖；用于在所述至少一个功率接收器预订无线功率网络之后宣布功率接 收条件的通过至少一个功率接收器发送的报告帖；响应于功率传输器的信息请求的来自至 少一个功率接收器的答复消息；W及用于指示对于无线功率网络的预订已经完成的预订答 复帖的确认帖中的一个。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述关于功率接收条件的报告包括在在功率接 收期间在至少一个功率接收器处测量的输入电压、输出电压、W及输出电流、根据测量的温 度而变化的变化的参考电压和变化的所要求的电压、W及功率控制偏好中的至少一个。
12. -种用于控制功率传输的功率传输器，所述功率传输器包括： 无线通信单元，用于从至少一个功率接收器接收在所述至少一个功率接收器处可接收 的最小电压和最大电压、被用于分割最小电压和最大电压之间的范围的参考电压、W及由 所述至少一个功率接收器期望的所要求的电压，W及用于从所述至少一个功率接收器接收 关于功率接收条件的报告，其中，所述报告包括在功率传输器的功率传输期间在所述至少 一个功率接收器处测量的电压； 控制器，用于确定测量的电压是否在最小电压和参考电压之间，并且在所测量的电压 不在最小电压与参考电压之间时，调整功率；化及 谐振信号发生器，用于在所述控制器的控制下将功率提供给所述功率接收器。
13. 根据权利要求12所述的功率传输器，其中，当所述至少一个功率接收器包括多个 功率接收器时，所述控制器在所述多个功率接收器的每个处的测量的电压在最小电压和参 考电压之间时，选择所述多个功率接收器的任何一个；W及其中，所述控制器基于从多个功 率接收器中选择具有最高的当前接收功率的功率接收器的方法、从多个功率接收器中选择 具有最高的最大接收功率的功率接收器的方法、W及从多个功率接收器中选择具有最高的 功率使用率的功率接收器的方法中的至少一个来选择所述多个功率接收器中的任何一个。
14. 根据权利要求13所述的功率传输器，其中，所述控制器基于所选择的功率接收器 的功率控制偏好或者所要求的电压来调整功率，并且其中，所述功率控制偏好是功率接收 器对于功率传输器所期望的功率控制方法，其包括调整功率W适应所述多个功率接收器中 的任何一个的所要求的电压的方法，或者针对所述多个功率接收器来增加整体效率的方 法。
15. 根据权利要求13所述的功率传输器，其中，当在所述多个功率接收器的每个处的 巧幢的电压在最小电压和参考电压之间时，所述控制器控制功率传输，W针对所述多个功 率接收器来增加整体效率。
【文档编号】H02J17/00GK104471833SQ201380036670
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2012年7月10日
【发明者】边江虎, 朴世镐, 全海荣, 郑熙远 申请人:三星电子株式会社