一种无线充电电路、装置和系统的制作方法

1.本技术实施例涉及无线电能传输领域，尤指一种无线充电电路、装置和系统。


背景技术：

2.目前无线充电技术已经广泛应用于手机、手表、手环、蓝牙耳机甚至电动汽车等产品。无线充电技术可以分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采用电磁感应式，例如对手机进行充电；大功率无线充电常采用谐振式，例如对电动汽车进行充电。由于充电器与用电装置之间以磁场传送能力，两者之间不用电线连接，因此可以使得用电装置充电更为方便，也使得用电装置的外观设计更为优美。
3.由于无线充电的便利性以及智能设备使用的普及，无线充电设备在提供充电信号时，如何控制无线充电设备的功耗是亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述任一技术问题，本技术实施例提供了一种无线充电电路、装置和系统。
5.为了达到本技术实施例目的，本技术实施例提供了一种无线充电电路，包括：
6.移相器，用于对输入信号进行相位处理；
7.驱动放大器，与所述移相器相连，用于对相位处理后的输入信号进行放大；
8.功率控制单元，用于输出控制信号，其中所述控制信号包括充电信号的发射功率控制信息；
9.功率放大单元，所述功率放大单元具有输入端、输出端和第一控制端；其中所述输入端与所述驱动放大器相连，输出端与发射天线相连，所述第一控制端与所述功率控制单元相连，用于接收所述控制信号，根据所述控制信号中功率控制信息，对所述驱动放大器放大后的输入信号进行功率放大，得到所述充电信号，并通过发射天线发射出去，其中所述功率控制信息用于控制所述充电信号的发射功率位于所述功率放大单元的输出功率的饱和区。
10.一种无线充电装置，包括：
11.信号产生器，用于产生输入信号；
12.至少两个上述电路，其中每个电路均与所述信号产生器相连；
13.天线组件，与所述至少两个电路相连。
14.一种无线充电系统，包括待充电设备和上文所述的无线充电装置。
15.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
16.功率放大单元根据所述控制信号中功率控制信息，对所述驱动放大器放大后的输入信号进行功率放大，得到所述充电信号，使得所述充电信号的发射功率位于所述功率放大单元的输出功率的饱和区，提高功率放大单元的能量效率，达到降低无线充电装置的功耗的目的。
17.本技术实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术实施例而了解。本技术实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
18.附图用来提供对本技术实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术实施例的实施例一起用于解释本技术实施例的技术方案，并不构成对本技术实施例技术方案的限制。
19.图1(a)为信标信号的路径示意图；
20.图1(b)为充电信号的路径示意图；
21.图2为wtp source中无线充电电路20的结构示意图；
22.图3为rfpa的输出功率曲线和能量效率曲线的示意图；
23.图4为本技术实施例提供的无线充电电路20的示意图；
24.图5为图4所示电路的另一示意图；
25.图6为本技术实施例提供的增益可调的rfpa24’的增益曲线图；
26.图7为图4所示电路的又一个示意图；
27.图8为图7所示电路的另一示意图；
28.图9为图8所示电路的另一示意图；
29.图10为本技术实施例提供的无线充电电路20的应用示意图；
30.图11为本技术实施例提供的无线充电装置100的示意图；
31.图12为本技术实施例的提供的无线充电系统的示意图。
具体实施方式
32.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本技术实施例的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
33.无线电力传输(wireless power transfer，wpt)是将射频功率通过整流器转换成直流电流，然后再对电池进行充电，或者直接给电子设备的元器件供电。
34.wpt系统包括：wpt源端(source)，作为电力提供者(power provider)，用于提供射频功率；以及，wpt客户端(client)，作为电力提供者(power receiver)，用于接收射频功率。
35.wpt client内置有用于充电的天线，通过天线全向发射信标(beacon)信号，其中有一部分信号经过直射或反射之后到达wpt source，其中信号的路径如图1(a)所示。
36.wpt source按照接收到的信标信号，调整充电信号的发射参数，使得wpt source发射的充电信号能够按照wpt client的发射信号的路径反向发送，即图1(b)所示的路径。由于wpt source的发射信号能量，通过直射/反射之后，聚焦在wpt client的天线处，达到发射能量集中在wpt client的目的。其中，在wpt client的天线处能量聚集程度越高，wpt source的发射效率越高。
37.由于wpt source的发射信号的参数部分来自于wpt client的信标信号，因此会随
着其收到的信标信号的特征变化而发生变化，例如，如果wpt client的位置发生移动，那么wpt source将会更新发射信号的参数，使得wpt source的充电信号在wpt client的新的位置再次聚焦。
38.wtp source可以设置有多个无线充电电路实现信号的收发，每个无线充电电路可以结构相同，并采用阵列方式部署在wtp source，如3*3阵列，4*4阵列，8*8阵列等。
39.图2为wtp source中无线充电电路20的结构示意图。如图2所示，所述无线充电电路20的一端与信号产生器10相连，另一端与天线30相连；其中：
40.信号产生器10，用于产生正弦信号；
41.无线充电电路20，用于对产生的正弦信号进行处理，得到充电信号，并通过天线30发射出去；以及，通过天线30接收信标(beacon)信号，并利用beacon信号调整无线充电电路20中模块的工作参数。
42.进一步的，所述无线充电电路20包括如下模块：
43.移相器21，用于对输入信号进行移相处理；
44.驱动放大器22，用于将移相处理后的输入信号放大到适当的强度以满足下一级信号的要求；
45.可调衰减器23，用于对驱动放大器22处理后的信号进行衰减处理；
46.射频功率放大器(radio frequency power amplifier，rfpa)24，用于对衰减处理后的信号放大至系统要求的大小
47.开关器件28，用于实现收发信号共用天线；
48.功分器27，用于将接收的信标信号等分为两路；
49.幅度/相位提取器26，用于将输入信号的相位信息和幅度信息；
50.信号处理器25，用于根据幅度信息和相位信息，输出控制信号，控制对输入信号的处理。
51.下面对图2所示结构的处理方法进行说明：
52.步骤101、在接收wpt client发送的beacon信号时，开关器件28控制功分器27与天线30处于导通状态；
53.步骤102、功分器27将接收的发送至幅度/相位提取器26；
54.步骤103、幅度/相位提取器26提取beacon信号的幅度相位信息并输出给信号处理器25；
55.步骤104、信号处理器25根据接收到的幅度相位信号，输出相应的控制信号；
56.步骤105、信号处理器25将控制各种模块的工作状态：控制移相器21的相位偏移，控制驱动放大器22的进行功率放大，控制可调衰减器23工作在合适的衰减状态，控制rfpa24放大输入信号。
57.步骤106、在wpt source需要发射信号时，开关器件28控制rfpa24与天线30处于导通状态；
58.步骤107、移相器21从信号产生器10接收输入信号，并根据信号处理器25发出的控制信号，对输入信号进行移相处理输出移相处理后的信号；
59.步骤108、驱动放大器22根据信号处理器25的控制信号要求，放大移相处理后的信号的大小；
60.步骤109、可调衰减器23根据信号处理器25的控制信号，调整衰减值，对驱动放大器22处理后的信号进行衰减；
61.步骤110、rfpa24根据信号处理器25的控制信号，对可调衰减器23处理后的信号进行放大，得到充电信号，并通过开关器件28传输至天线30，由天线30发射出去。
62.在上述流程中，wtp source如果要调整充电信号的强度的大小，是通过调整rfpa24的输入功率，而rfpa24的输入功率信号强度是通过调整可变衰减器的衰减值来控制的。由于rfpa24为线性pa，增益是固定的。因此，rfpa24的输出功率越高，则rfpa24的能量利用率越高，反之，rfpa24的输出功率越低，则rfpa24的能量利用率越低。
63.图3为rfpa的输出功率曲线和能量效率曲线的示意图。如图3所示，pout为输出功率曲线，pae为能量效率曲线。从图3可知，输出功率pout与输入功率pin为正比例关系。在输入功率为40dbm时，rfpa具有最大能量效率，数值约60％；但是当工作在较小的功率状态(如，20dbm)，rfpa的能量效率要低很多，只有约5％。
64.由于能量效率越低，表示能量被浪费掉越多，从图3所示pae曲线可知，在输入功率在10dbm至40dbm范围内，只有在输入功率在36dbm至40dbm时，能量消耗在50％以上，其他输入功率值对应的能量效率相对较低，存在较为严重的能量浪费情况。
65.基于上述技术问题，本技术实施例提供如下解决方案：
66.图4为本技术实施例提供的无线充电电路20的示意图。如图4所示，所述无线充电电路包括移相器21、驱动放大器22、功率控制单元41和功率放大单元42，其中：
67.移相器21，用于对输入信号进行相位处理；
68.驱动放大器22，与所述移相器相连，用于对相位处理后的输入信号进行放大；
69.上述移相器21和驱动放大器的工作原理与现有技术相同，此处不再赘述。
70.功率控制单元41，用于输出控制信号，其中所述控制信号包括充电信号的发射功率控制信息；
71.功率放大单元42，具有输入端、输出端和第一控制端；其中：
72.所述输入端与所述驱动放大器22相连，用于接收所述驱动放大器22放大后的输入信号；
73.所述输出端与发射天线31相连，用于输出充电信号，以使得该充电信号能够通过发射天线31发射出去；
74.所述第一控制端与所述功率控制单元41相连，用于接收所述控制信号；
75.具体的，所述功率放大单元42根据所述控制信号中功率控制信息，对所述驱动放大器22放大后的输入信号进行功率放大，得到所述充电信号，并通过发射天线31发射出去，其中所述功率控制信息用于控制所述充电信号的发射功率位于所述功率放大单元42的输出功率的饱和区。
76.由于功率放大单42元输出的充电信号的发射功率始终位于功率放大单元42的输出功率的饱和区，因此，功率放大单元42的能量效率高。
77.与图3所示能量效率相比，在输入功率较低时，对应的输出功率不在输出功率的饱和区相比，本技术实施例提供的电路中充电信号的发射功率始终位于功率放大单元42的输出功率的饱和区，因此，功率放大单元42的能量效率得到提升。
78.图5为图4所示电路的另一示意图。如图5所示，所述电路还包括：
79.供电控制单元43，与所述功率放大单元42相连，用于根据所述充电信号的发射功率调整所述功率放大单元的供电电压。
80.其中，该供电电压随着功率放大单元42的输出功率增大而增大，随着功率放大单元42的输出功率减小而减小。
81.利用可变的供电电压，进一步降低功率放大单元42的功耗，提升能量效率的目的，从而有效控制无线充电装置的功耗。
82.在一个示例性实施例中，所述功率放大单元42为增益可调的rfpa 24’；
83.所述功率控制信息为rfpa 24’当前的增益值。
84.与图2所示该rfpa24的连接方式不同的是，该rfpa24’的一端与所述驱动放大器22相连，另一端与发射天线31相连；且，与图2中rfpa 24’的增益固定不同，该rfpa 24’的增益可调，通过接收控制信号，使得rfpa24’根据所述控制信号中的功率控制信息确定当前所需的增益大小，按照所需的增益大小对驱动放大器22输出的信号进行放大，无需利用可调衰减器23控制进入rfpa24’的输入信号的功率值，从而使得rfpa24’能够直接与驱动放大器22相连。
85.本技术实施例提供的电路，利用增益可调的rfpa24’对驱动放大器输出的信号进行放大，得到充电信号，使得增益可调的rfpa24’能够按照所需的增益大小对驱动放大器22输出的信号进行放大，无需利用可调衰减器23控制进入增益可调的rfpa24’的输入信号的功率值，从而使得rfpa24’能够直接与驱动放大器22相连，无需设置可调衰减器23，减少了电路中元器件总数，便于电路设计和电路集成。
86.在一个示例性实施例中，rfpa24’当前的增益值是根据rfpa24’当前输入功率确定的。
87.本技术实施例提供的增益可调的rfpa24’的增益曲线如图6所示，在所述rfpa24’的输入功率小于预设门限值时，rfpa24’当前的增益值随输入功率增大而增大，在所述rfpa的输入功率大于或等于所述门限值时，rfpa当前的增益值随输入功率增大而减小。
88.在图6所示增益曲线中，该门限值约为36dbm。
89.图7为图4所示电路的又一个示意图。如图7所示，所述功率控制单元41包括幅度提取单元411和处理单元412；其中：
90.幅度提取单元411，与接收天线32相连，用于从接收天线32接收信标信号，并根据所述信标信号确定幅度信息；
91.具体的，该幅度提取单元411还可以进一步包括功分器和相位/幅度提取器；其中功分器和相位/幅度提取器的功能与图2所示结构中功能相同，此处不再赘述。
92.其中，该信标信号为待充电设备发送的信号，用于指示无线充电设备调整充电信号的发射功率。
93.处理单元412，与所述幅度提取单元411相连，用于根据所述幅度信息，输出所述控制信号。
94.具体的，处理单元312根据幅度信息，确定所需调整的目标发射功率，根据所述目标发射功率，确定该目标发射功率对应的增益值，并通过控制信号发送该增益值。
95.图8为图7所示电路的另一示意图。如图8所示，所述发射天线31和所述接收天线32为同一天线30，使得功率控制单元41和功率放大单元42共用同一天线进行信号的传输，提
供电路的集成度。
96.图9为图8所示电路的另一示意图。如图9所示，所述电路还包括：
97.开关器件28，所述开关器件28具有两个第一端和一个第二端；其中一第一端与所述功率放大单元42相连，另一第一端与所述幅度提取单元411相连，第二端与天线30相连，用于控制任一第一端与第二端处于导通状态。
98.具体的，在一第一端与第二端之间处于导通状态时，所述功率放大单元通过天线30发射充电信号；在另一第一端与第二端之间处于导通状态时，所述幅度提取单元411通过天线30接收beacon信号，以便调整功率放大单元42当前的增益值。
99.进一步的，所述开关器件28的导通状态可以由外部进行控制。
100.具体的，所述开关器件28具有第二控制端，其中所述第二控制端用于接收导通信号，其中所述导通信号用于控制任一第一端与第二端处于导通状态。
101.其中，该导通信号可以有处理单元412输出。
102.图10为本技术实施例提供的无线充电电路20的应用示意图。如图10所示，所述无线充电电路20包括：
103.功分器27，用于将接收的信标信号等分为两路；
104.幅度/相位提取器26，集成有幅度提取单元411，用于将输入信号的相位信息和幅度信息；
105.信号处理器25，集成有处理单元412，用于根据幅度信息和相位信息，输出控制信号，控制对输入信号的处理，其中，对输入信号的处理操作包括控制增益可调的rfpa当前的增益值的设置；
106.开关器件28，用于实现收发信号共用天线；
107.移相器21，用于对输入信号进行移相处理；
108.驱动放大器22，用于将移相处理后的输入信号放大到适当的强度以满足下一级信号的要求；
109.增益可调的rfpa 24’，用于按照信号处理器25设置的增益值，执行放大操作。
110.在图10所示结构中，无线充电电路的处理流程如下：
111.步骤201、在接收wpt client的beacon信号时，开关器件28控制功分器27与天线30处于导通状态；
112.步骤202、功分器27将从天线30接收的beacon信号发送至幅度/相位提取器26；
113.步骤203、幅度/相位提取器26提取beacon信号的幅度相位信息并输出给信号处理器25；
114.步骤204、信号处理器25根据接收到的幅度相位信号，输出相应的控制信号，包括：控制移相器的相位偏移，控制驱动放大器的进行功率放大，控制增益可调的rfpa24’按照需求将输入信号放到到合适的大小。
115.步骤205、移相器21从信号产生器10接收输入信号，并根据信号处理器25发出的控制信号，对输入信号进行移相处理输出移相处理后的信号；
116.步骤206、驱动放大器22根据信号处理器25的控制信号要求，放大移相处理后的信号的大小；
117.步骤207、增益可调的rfpa24’根据信号处理器25的控制信号中当前增益值，对驱
动放大器22处理后的信号进行放大，得到充电信号，并通过开关器件28传输至天线30，由天线30发射出去。
118.在上述流程中，增益可调的rfpa24’根据所述控制信号中功率控制信息，对所述驱动放大器22放大后的输入信号进行功率放大，得到所述充电信号，并通过天线30发射出去，其中所述功率控制信息用于控制所述充电信号的发射功率位于所述功率放大单元的输出功率的饱和区。由于功率放大单元输出的充电信号的发射功率始终位于功率放大单元的输出功率的饱和区，因此，功率放大单元的能量效率高。与图3所示能量效率相比，在输入功率较低时，对应的输出功率不在输出功率的饱和区相比，本技术实施例提供的电路中充电信号的发射功率始终位于功率放大单元的输出功率的饱和区，因此，功率放大单元的能量效率得到提升。
119.另外，利用增益可调的rfpa24’对驱动放大器输出的信号进行放大，得到充电信号，使得增益可调的rfpa24’能够按照所需的增益大小对驱动放大器22输出的信号进行放大，无需利用可调衰减器23控制进入增益可调的rfpa24’的输入信号的功率值，从而使得增益可调的rfpa24’能够直接与驱动放大器22相连，无需设置可调衰减器23，减少了电路中元器件总数，便于电路设计和电路集成。
120.图11为本技术实施例提供的无线充电装置100的示意图。如图11所示，所述无线充电装置100包括：
121.信号产生器10，用于产生输入信号；
122.至少两个如权利要求1至8任一所述的电路20，其中每个电路均与所述信号产生器相连；
123.天线组件，与所述至少两个电路相连，包括一个或多个天线30。
124.图12为本技术实施例的提供的无线充电系统的示意图。如图12所示，所述系统包括上文所述的无线充电装置100和待充电设备200。其中：
125.无线充电装置100用于将电流转化为充电信号，并以射频信号的形式输出；以及，接收待充电设备全向发射的信标信号，并对信标信号进行处理；
126.待充电设备200用于将天线接收的充电信号转化为直流电流；以及，利用当前充电天线全向发射信标信号，以指示无线充电装置100调整充电信号的发射功率。
127.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此
外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。