用于无线功率的数字解调

技术领域

本公开总体涉及用于无线功率发射器与无线功率接收器之间的通信的装置和方法。

背景技术

无线功率系统通常包括功率发射器和功率接收器。当功率发射器的传输线圈和功率接收器的接收器线圈被定位成彼此靠近时，它们形成变压器，该变压器有助于交流电(AC)功率在功率发射器和功率接收器之间的感应传输。功率接收器通常包括整流器电路，整流器电路将AC功率转换成直流(DC)功率，直流(DC)功率可以被用于需要DC功率来操作的各种负载或组件。功率发射器和功率接收器还利用变压器来使用各种调制方案来交换信息或消息。例如，功率接收器可以包括具有一个或多个电容器的谐振电路，并且可以接通或断开谐振电路的不同数目的电容器以生成幅移键控(ASK)信号并且在ASK信号中编码消息。功率接收器可以将ASK信号传送到功率发射器，以经由变压器与功率发射器通信。功率发射器从自接收器接收的ASK信号解码消息，并且将响应消息编码在频移键控(FSK)信号中，该频移键控(FSK)信号可以经由变压器被传送回功率接收器。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种半导体设备，该半导体设备包括至少一个处理设备和具有动态解调引擎的固件。动态解调引擎在由至少一个处理设备执行时被配置成：获得数字信号波形；至少部分地基于数字信号波形的特性，动态地选择比特检测方法；使用所选择的比特检测方法，执行对数字信号波形的解调；以及至少部分地基于该解调，生成经解码的分组。

在另一个实施例中，公开了一种包括半导体设备的无线功率发射器。半导体设备包括被配置成检测从传输线圈接收的信号的特性的电路装置。该电路装置包括模数转换器，该模数转换器被配置成：至少部分地基于从传输线圈接收的信号和检测到的特性，生成数字信号波形。半导体设备还包括至少一个处理设备和具有动态解调引擎的固件。动态解调引擎在由至少一个处理设备执行时被配置成：从模数转换器获得数字信号波形；至少部分地基于数字信号波形的至少一个特性，动态地选择比特检测方法；使用所选择的比特检测方法，执行对数字信号波形的解调；以及至少部分地基于该解调，生成经解码的分组。

在另一个实施例中，公开了一种由包括硬件的至少一个处理设备执行的方法，该方法包括：获得数字信号波形；至少部分地基于数字信号波形的特性，动态地选择比特检测方法；使用所选择的比特检测方法，执行对数字信号波形的解调；以及至少部分地基于该解调，生成经解码的分组。

前述概述仅是说明性的并且不旨在以任何方式进行限制。除了上述说明性方面、实施例和特征之外，参考附图和以下详细描述，另外的方面、实施例和特征将变得明显。在附图中，相同的附图标记指示相同或功能相似的元件。

附图说明

图1是根据一个实施例的用于无线功率传输的示例系统的框图。

图2是图示了根据一个实施例的图1的系统的示例功率发射器的电路图。

图3是图示了根据另一个实施例的图1的系统的示例功率发射器的电路图。

图4是图示了根据另一个实施例的图1的系统的示例功率发射器的电路图。

图5是图示了根据另一个实施例的图1的系统的示例功率发射器的电路图。

图6是图示了根据一个实施例的图1的系统的示例整流波形的图。

图7是图示了根据一个实施例的图1的系统的另一个示例整流波形的图。

图8是根据一个实施例的图1的系统的示例动态数字解调引擎的框图。

具体实施方式

图1是示出了根据说明性实施例的示例系统100的图，示例系统100实现无线功率传输和通信。系统100包括功率发射器110和功率接收器120，功率发射器110和功率接收器120被配置成：经由感应耦合在它们之间无线传输功率和数据。虽然在本文中被描述为功率发射器110和功率接收器120，但是功率发射器110和功率接收器120中的每一者可以被配置成：经由感应耦合，在它们之间传送和接收功率或数据。

功率发射器110被配置成：从一个或多个电源接收功率，并且将AC功率无线地传送到功率接收器120。例如，功率发射器110可以被配置成连接到电源，诸如，例如AC电源或DC电源。功率发射器110包括控制器112和功率驱动器114。

控制器112被配置成控制和操作功率驱动器114。控制器112包括例如处理器、中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或被配置成控制和操作功率驱动器114的任何其他电路装置。在示例实施例中，控制器112被配置成：控制功率驱动器114以驱动功率驱动器114的线圈TX产生磁场。功率驱动器114被配置成：在由无线功率标准定义的频率范围和配置下驱动线圈TX，无线功率标准诸如是例如无线功率联盟(Wireless Power Consortium)(Qi)标准、功率事务联盟(Power Matters Alliance)(PMA)标准、针对无线功率的联盟(Alliance for Wireless Power)(针对WP的A，或Rezence)标准或任何其他无线功率标准。控制器112可以被配置为与功率驱动器114分离的组件，或者可以被包括为功率驱动器114的一部分。

功率接收器120被配置成：接收从功率发射器110传送的AC功率，并且将该功率提供给一个或多个负载126或目的地设备140的其他组件。目的地设备140可以包括例如计算设备、移动设备、移动电话、智能设备、平板、可穿戴设备或被配置成无线地接收功率的任何其他电子设备。在说明性实施例中，目的地设备140包括功率接收器120。在其他实施例中，功率接收器120可以与目的地设备140分离，并且经由导线或被配置成向目的地设备140提供功率的其他组件连接到目的地设备140。

功率接收器120包括控制器122和功率整流器124。控制器122包括例如处理器、中央处理单元(CPU)、现场可编程门阵列(FPGA)或可以被配置成控制和操作功率整流器124的任何其他电路装置。功率整流器124包括线圈RX，并且被配置成将经由线圈RX接收的功率整流为负载126所需的功率类型。例如，功率整流器124被配置成将从线圈RX接收的AC功率整流成DC功率，该DC功率然后可以被提供给负载126。

作为示例，当功率接收器120被放置在功率发射器110附近时，由功率驱动器114的线圈TX产生的磁场在功率整流器124的线圈RX中感应电流。感应的电流使AC功率130从功率驱动器114被感应地传送到功率整流器124。功率整流器124接收AC功率130，并且将AC功率130转换成DC功率132。然后，DC功率132通过功率整流器124被提供给负载126。例如，负载126可以包括：被配置成对目的地设备140的电池进行充电的电池充电器，被配置成向处理器、显示器或目的地设备140的其他电子组件提供功率的DC-DC转换器，或目的地设备140的任何其他负载。

功率发射器110和功率接收器120还被配置成：经由功率驱动器114和功率整流器124的感应耦合，来交换例如消息的信息或数据。例如，在功率发射器110开始将功率传输到功率接收器120之前，功率接收器120和功率发射器110之间可以商定和创建功率合约。例如，功率接收器120可以向功率发射器110发送通信分组或其他数据，该通信分组或其他数据指示功率传输信息，诸如，要被传输到功率接收器120的功率的量；增加、减小或维持AC功率130的功率水平的命令；停止功率传输的命令或其他功率传输信息。在另一个示例中，响应于使功率接收器120接近功率发射器110，例如足够近，使得可以由线圈TX和线圈RX形成变压器以促进功率传输，功率接收器120可以被配置成：通过向功率发射器110发送请求功率传输的信号来发起通信。在这种情况下，功率发射器110可以通过建立功率合约或开始对功率接收器120的功率传输(例如，如果功率合约已经就位)来响应功率接收器120的请求。

功率发射器110和功率接收器120可以经由线圈TX和线圈RX的感应耦合，来传送和接收通信分组、数据或其他信息。作为示例，从功率发射器110发送到功率接收器120的通信分组可以包括频移键控(frequency shift key，FSK)信号134。FSK信号134是使用载波的频率的变化来表示数字数据的频率调制信号。从功率接收器120发送到功率发射器110的通信分组可以包括幅移键控(amplitude shift key，ASK)信号136。ASK信号136是使用载波的幅度的变化来表示数字数据的幅度调制信号。虽然功率发射器110被描述为发送FSK信号134并且功率接收器120被描述为发送ASK信号136，但是在其他实施例中，功率接收器120可以备选地发送FSK信号，并且功率发射器110可以备选地发送ASK信号。可以备选地使用在功率发射器110和功率接收器120之间传送通信分组、数据或其他信息的任何其他方式。

现在参考图2至图5，现在将描述功率驱动器114的说明性实施例。

功率驱动器114包括功率驱动器电路装置116，功率驱动器电路装置116包括例如传输线圈PTx

功率驱动器114包括外部电路装置118的一个或多个组件和半导体设备200。图2图示了外部电路装置118的各种实施例，包括例如包括外部电路装置118

利用外部电路装置118的每个实施例，基于功率驱动器电路116的输出LC和SW_CP中的一者或两者来输出电压V

作为一个示例，外部电路装置118

半导体设备200(例如，印刷电路板(PCB)、集成电路(IC)或其他电路装置)包括模数仪器滤波器和模数转换器(ADC)，并且被配置成将从传输线圈PTx

参考图3，现在将描述包括半导体设备200

参考图4，现在将描述包括半导体设备200

参考图5，现在将描述包括半导体设备200

参考图6，示出了对两倍采样速率的峰值和谷值两者的捕获的示例图被图示。如图6中所示，对跨电容器C

参考图7，在另一个示例图中，输出LC上的电压的电压波形V

在所描述的实施例中，半导体设备200

参考图8，将描述根据说明性实施例的功率驱动器114的动态数字解调(D3)引擎300。在一些实施例中，D3引擎300包括被安装在半导体设备200的存储器(诸如SRAM)中的软件或固件，并且可由半导体设备200的至少一个处理设备或其他处理电路装置执行。在一些实施例中，D3引擎300可以由控制器112或由功率驱动器114的其他处理电路装置执行。

D3引擎300包括一种或多种算法，这些算法被优化以用于对无线功率通信(WPC)标准分组(例如，诸如ASK和FSK分组)进行解调和解码。在一个说明性实施例中，D3引擎300包括基于固件的解调器，该解调器利用来自信道条件的信息(例如，诸如信号质量和噪声水平)以及来自字节解码器的反馈信息，来动态启用或禁用各种解调信号处理块，以及选择对由ADC 206输出的波形执行的一种或多种比特解码方法。通过动态启用或禁用解调信号处理块，可以针对无线功率传输期间出现的可变信道条件，实时优化用于获得ASK或FSK分组的对解调信号的滤波和处理。

例如，如图8中所示，D3引擎300包括信号解调处理块，信号解调处理块包括例如移动平均块302、软件滤波器块304、边缘检测器块306、自适应阈值块308、边缘到边缘定时器块310、水平交叉检测器块312、交叉定时器块314、峰值检测器块316、峰值-峰值定时器块318、位宽比较器块320、字节解码器块322、解调信道优化器块324，以及可以被用来解调信号并且生成经解码的ASK或FSK分组的任何其他信号解调处理块或算法。

与在无线功率系统中遇到阻抗限制的外部模拟滤波器相比，数字滤波允许明显更高的滤波器阶数。例如，在单端设计中，LC节点电压可以是例如100V，而外部包络跟踪器电路装置的电阻不能太低，因为这样输入电阻器会消耗太多功率。外部包络跟踪器电路装置的一个示例电阻可以是例如2kOhm。此外，对于外部模拟滤波器，每一个后面模拟滤波器通常应当具有比先前滤波器高5倍到10倍的阻抗。由于PCB制造限制实际上将滤波器组件的尺寸限制在大约500kOhm的最大电阻，因此在达到该限制之前，存在三个到四个模拟滤波器级的实际限制。例如，如果所有滤波器时间常数近似相等并且利用10倍的增加，则三级系统可以包括例如具有2kOhm电阻的第一级、具有20kOhm电阻的第二级和具有200kOhm电阻的第三级。可以使用5倍的增加来提供具有2kOhm电阻的第一级、具有10kOhm电阻的第二级、具有50kOhm电阻的第三级和具有250kOhm电阻的第四级，但四级滤波器可能没有三级滤波器那么精确。

与外部模拟滤波器不同，固件或软件中的数字滤波器可以基于系统的操作状态(例如，待机模式、恒压(CV)模式、恒流(CC)模式或其他操作模式)进行修改，或者基于系统的其他特性(例如，诸如信噪比(SNR)、斜率、峰值-峰值振幅等)进行修改。具有不同解码要求的两个示例状态是待机操作模式和CV操作模式。

在待机操作模式(有时也被称为数字ping)中，SNR通常良好，例如，具有足以允许以最少的信号滤波和处理进行分组解码的SNR值，但系统通常需要消耗很少的功率来遵守监管要求。利用待机操作模式来检测目的地设备140是否接近功率发射器110。在说明性实施例中，D3引擎300的数字滤波器被配置成在处于待机操作模式时使用更少的样本，利用减少的噪声滤波来限制CPU功耗。

在CV操作模式中，由于功率发射器110和目的地设备140之间的主动功率传输，大量系统噪声可能被注入到ASK信号中，导致非常低的SNR。在一些实施例中，非常低的SNR可以包括小于或等于约5的SNR，例如大约14分贝(dB)。在一些实施例中，非常低的SNR可以包括大约1的SNR，例如0dB。也可以或备选地利用非常低SNR的其他SNR值。当由系统100充电的电池接近完全充电时，经常利用CV操作模式。在一些实施例中，例如，当电池电量水平大于或等于最大电池电量的预定阈值量或百分比(例如，最大电池电量的大约65％至大约80％或任何其他百分比)时，利用CV操作模式。在一些实施例中，当充电电压达到预定阈值电压时，利用CV操作模式。例如，如果电池以恒定电流充电(例如在下面描述的CC模式中)，充电电压会随着电池充电而缓慢升高。如果充电电压超过预定的阈值电压，则可能出现对电池的损坏。在一些实施例中，例如，在3A的恒定电流下，预定阈值电压可以包括4.2V。在其他实施例中，根据系统的特定配置和组件，可以备选地利用更大或更小的预定阈值电压和恒定电流。

在CV操作模式中，在恒定电压下(例如，在预定阈值电压或另一电压下)执行充电，同时电流缓慢衰减到零以确保电压不会增加和损坏电池。当控制器112或另一个处理设备窃取电量时，信号回滚并且有时可能表现为ASK信号。由于该效应，由于信号上的额外噪声和可能导致通信中断的非常低的NR，ASK分组可能难以标识。由于大量的系统噪声，需要额外的功耗来滤除噪声以及从非常低SNR的信号对ASK分组进行解码。

在CC操作模式中，SNR通常良好，例如，具有足以允许以最少的信号滤波和处理进行分组解码的SNR值，并且可以通过利用更简单的数字滤波和比特检测方法，来减小由D3引擎300使用的处理功率。当电池正在充电，但低于电量的预定阈值量或百分比或CV操作模式的预定阈值电压时，利用CC操作模式并且提供恒定电流以对电池充电。

在诸如由D3引擎300实现的数字系统中，噪声基底也可以由解调信道优化器块324动态地表征，并且用于设置滤波器系数以改进解码速率。在一些实施例中，例如，系统100可以被配置成在ASK信号的传输之间包括静默窗口，解调信道优化器块324可以利用该静默窗口来标识信号的噪声基底。例如，解调信道优化器块324被配置成监测信号水平，以表征在静默窗口期间ASK通信分组之间的噪声强度，例如峰值-峰值(peak-to-peak)和噪声基底，例如平均噪声。解调信道优化器块324可以进一步使用该信息来计算SNR，例如在接收ASK通信分组期间的信号强度与在没有接收ASK通信分组的静默窗口期间的信号强度之比，并且选择适当的噪声滤波器，例如，级联低通滤波器、高通滤波器、低通和高通组合滤波器或任何其他噪声滤波器。

从ADC 206接收的数字信号波形的诸如差分特性(例如，斜率和边缘)的信号特性可以被解调信道优化器块324利用，来确定启用或选择哪些比特解码方法。例如，与由峰值检测器块316执行的峰值检测相比，由边缘检测器块306执行的边缘检测可以在边缘-边缘定时器块310处，为具有快速衰减信号(例如，尖峰的序列)的数字信号波形提供更准确的比特定时。类似地，与边缘检测相比，由峰值检测器块316执行的峰值检测可以在峰值-峰值定时器块318处，为具有缓慢衰减的信号(例如，与快速衰减信号相比具有更浅斜率的脉冲序列)的数字信号波形提供更准确的比特定时。解调信道优化器块324被配置成：表征数字信号波形，并且基于系统100的应用特定标准或特性(例如，诸如信号衰减速率、测量的噪声或其他特性或标准)，将所利用的检测方法改变为例如由边缘检测器块306进行的边缘检测，由峰值检测器块316进行的峰值检测，或其他比特检测方法。在一些实施例中，可以由解调信道优化器块324同时激活或选择多于一种的检测方法。例如，在一些实施例中，例如，当ADC 206输出的数字信号波形具有介于快速衰减信号和缓慢衰减信号之间的适度衰减信号时，边缘检测器块306和峰值检测器块316两者可以被解调信道优化器块324选择，并且被用来同时执行边缘检测和峰值检测两者。

在一些实施例中，解调信道优化器块324可以使用数字信号波形特性(诸如，在水平轴上的相对对称性，例如，基于平均值到正峰值与平均值到负峰值的比较)，来选择比特检测方法。例如，解调信道优化器块324可以利用在水平轴上的相对对称性，来选择由水平交叉检测器块312和交叉定时器块314进行的水平交叉作为比特检测方法。也可以由解调信道优化器块324通过启用由软件滤波器块304中的一个或多个软件滤波器块进行的滤波，来去除这种相对对称信号的直流(DC)分量，来执行过零检测方法。

在一些实施例中，具有高的峰值与平均值的比率(peak to average ratio，PAR)的数字信号波形可以受益于移动平均的应用。作为示例，具有高PAR的信号波形可以包括2661的峰值、2603的平均值和2568的中间水平，使其具有93:35的PAR或相对于中间水平比平均值高256％的峰值。相比之下，具有通常PAR的信号波形可以包括1889的峰值、1826的平均值和1715的中间水平，使其具有174:111的PAR或相对于中间水平比平均值高156％的峰值。在一些实施例中，根据系统100的组件和配置，其他信号波形和PAR值也或备选地被认为是高PAR或通常PAR。

在高PAR的情况下，解调信道优化器块324可以使移动平均块302能够减少系统中的峰值，例如，减少20％、30％或任何其他百分比。此外，在一些实施例中，由移动平均块302应用的移动平均窗口大小，可以由解调信道优化器块324基于PAR水平来进行调整，以基于系统100的应用特定标准或其他特性(例如，诸如测量的噪声)来优化平均的效果。例如，移动平均窗口大小越大，峰值减少得越多。例如，对于较高的PAR值，可以利用较大的移动平均窗口来将PAR减少较大的量。

在一些实施例中，自适应阈值块308可以被D3引擎300用来动态调整任何比特检测方法的阈值，例如，由边缘检测器块306利用的边缘检测的阈值、由水平交叉检测器块312确定水平交叉的阈值、由峰值检测器块316检测峰值的阈值，或比特检测方法的任何其他阈值。在一些实施例中，如果峰值仅比平均值高5％，则自适应阈值块308可以利用80％的阈值，如果峰值比平均值高100％，则自适应阈值块308可以使用40％的阈值，等等。在一些实施例中，在执行平均以减少峰值且调节信号之后，自适应阈值块308计算自适应阈值。在一些实施例中，自适应阈值块308被配置成对经调节(峰值减小的)/平均的信号设置峰值到峰值的33％的阈值。可以备选地利用其他峰值和阈值。

所选择的比特检测方法的输出(例如，来自边缘-边缘定时器块310、交叉定时器块314、峰值-峰值定时器块318或任何其他比特检测方法的输出)由比特宽度比较器块320接收，该比特宽度比较器块320对比特定时进行比较，以确定位宽并且将位宽输出到字节解码器块322。字节解码器块322将该位宽与对应的预定消息位宽进行比较，以将信号解码并且生成经解码的分组。例如，ASK通信分组针对分组中的1值和0值可以具有一致的窗口大小，例如，针对1和0中的每个1和0的位宽应当始终相同。在一些实施例中，字节解码器块322还生成对分组成功率的指示，并且将对分组成功率的指示提供回解调信道优化器块324，以用于确定是否启用移动平均块302和一个或多个软件滤波器块304，并且还用于确定选择哪种比特检测方法。例如，通过分析先前成功的比特定时，解调信道优化器块324可以启用或选择D3引擎300中的特定块，以实现窗口滤波器，窗口滤波器仅查看特定时间范围内的边缘/阈值事件，并且抑制在目标定时窗口之外出现的噪声事件。作为示例，比特检测定时窗口可以具有软的窗口大小范围，例如，375μs-650μs或其他值，该范围可以基于先前成功的比特解码结果而不是精确的窗口大小(例如，对应于理想ASK通信分组信号的500μs)来进行调整，以便考虑噪声和对ASK通信分组的解调的其他问题。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。还应当理解，当在本说明书中被使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或它们的组的存在或添加。

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