具有可編程電源路徑的無(wú)線電源接收器的制造方法
【專利說(shuō)明】具有可編程電源路徑的無(wú)線電源接收器
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]根據(jù)35U.S.C.§ 119，本申請(qǐng)要求如下申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán):2014年1月8日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?61/924，762，標(biāo)題為「Wireless Power Receiver with Programmable Power PathMode」的美國(guó)臨時(shí)案，在此合并參考上述申請(qǐng)案的全部?jī)?nèi)容。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明通常涉及無(wú)線電源(Wireless power, WP)，更特別地，涉及具有可編程(programmable)電源路徑模式的無(wú)線電源接收器。
【背景技術(shù)】
[0004]無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)(wireless power transfer system)利用兩個(gè)磁性線圈之間的互感通過(guò)磁性感應(yīng)傳輸功率(power)。在接收器側(cè)，通常，接收線圈(receiver coil)連接至橋式整流器(bridge rectifier)，該橋式整流器之后跟隨著一穩(wěn)壓器(regulator)。橋式整流器將交流電信號(hào)(AC power signal)轉(zhuǎn)換為直流電源(DC power supply)，以及，穩(wěn)壓器將該直流電源調(diào)整至用于后續(xù)電路(如電池充電器)的合適的電壓電平。無(wú)線電源系統(tǒng)通常分為感應(yīng)(inductive)式或共振(resonant)式。在感應(yīng)式無(wú)線電源系統(tǒng)中，無(wú)線發(fā)射器(wireless transmitter)和接收器(receiver)像緊密親合的變壓器(tightlycoupling transformer) 一樣操作，以傳送能量。感應(yīng)式中的限制使得它僅適用于同時(shí)給單個(gè)接收器(single receiver)充電。另一方面，在共振式無(wú)線電源系統(tǒng)中，功率傳送是通過(guò)松親合線圈對(duì)(loosely coupled coil pairs)以及利用電氣共振來(lái)提高系統(tǒng)效率。接收器的數(shù)量可以增加且可以在相同領(lǐng)域中充電。
[0005]在無(wú)線電源接收器側(cè)，電壓調(diào)整(voltage regulat1n)用來(lái)將整流電壓(rectifier voltage)降壓(step-down)至用于后續(xù)的充電器電路的合適電壓。在感應(yīng)式的單個(gè)接收器無(wú)線電源系統(tǒng)中，此調(diào)整可以是低壓差穩(wěn)壓器(Low dropoutregulator, LD0) 0 LD0 的效率由其輸出輸入比(output-to-1nput rat1)限定(define)。在單個(gè)接收器無(wú)線系統(tǒng)中，LD0的輸入電壓(該整流電壓)可以被控制到非常接近于其輸出電壓，以及獲得更高的功率效率(power efficiency)。功率控制是通過(guò)帶內(nèi)(in band)或帶外(out-of-band)通信從接收器發(fā)送功率控制消息至發(fā)射器。
[0006]在共振式無(wú)線電源系統(tǒng)中，由于每個(gè)接收器具有不同耦合因子(couplingfactor)的線圈，因此，多個(gè)接收器不可能控制所有的整流電壓都接近于目標(biāo)充電電壓。因此，該整流電壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)壓器的輸出，這使得通過(guò)LD0的功率傳輸非常低效。因此，當(dāng)電壓降壓比較大(large)時(shí)，為了更好的效率，應(yīng)用開關(guān)式穩(wěn)壓器(SMPS)。
[0007]近年來(lái)，快速充電對(duì)于智能手機(jī)和平板應(yīng)用越來(lái)越重要。越來(lái)越多的產(chǎn)品采用具有較大的充電電流(例如，>1A)來(lái)減小充電時(shí)間，這些產(chǎn)品已經(jīng)在消費(fèi)市場(chǎng)中推出。在快速充電中，充電器電路可以在比穩(wěn)定電壓(例如，?5V)更高的輸入電壓(例如，?20V)上充電。因此，通過(guò)電源開關(guān)(power switch, PSW)，無(wú)線電源接收器可以將整流器的輸出直接連接至快速充電的充電器。該電源開關(guān)用以控制一些無(wú)線電源標(biāo)準(zhǔn)所需要的無(wú)線充電的啟動(dòng) / 停止(start/stop)。
[0008]在旨在支持具有快速充電功能的電感式和共振式的多模式(mult1-mode)無(wú)線接收器的集成電路(integrated circuit, 1C)中，這需要較大的芯片面積來(lái)分別實(shí)現(xiàn)LDO、SMPS和PSW的導(dǎo)通器件(pass device)，以及，使得該集成電路的實(shí)現(xiàn)成本很高。一種更具成本效益的方法是通過(guò)共享相同的導(dǎo)通器件來(lái)實(shí)現(xiàn)上述LDO、SMPS和PSW。此外，為了實(shí)現(xiàn)高功率傳輸效率的性能，使用NMOS (N-channel metal oxide semiconductor，N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)型場(chǎng)效應(yīng)管(Field Effect Transistor, FET)作為它的導(dǎo)通器件比PMOS (P-channel Metal Oxide Semiconductor, P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體)型場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通器件具有更好的效率和更小的芯片面積。
[0009]用于共享LD0、SMPS和PSW的NM0S導(dǎo)通器件的控制電路的實(shí)現(xiàn)需要不平凡的(non-trivial)偏置配置(biasing configurat1n)。自舉(Bootstrapping)技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)具有NM0S導(dǎo)通器件的SMPS的高端驅(qū)動(dòng)(high-side driver)是公知的。在PSW模式或近壓差操作的LD0模式中，需要一個(gè)用于給LD0和PSW的控制器供電的升壓(st印-up)電壓。此升壓電壓可以通過(guò)片上電荷栗電路(on-chip charge pump circuit)實(shí)現(xiàn)。
[0010]尋求一種用于提供多模式無(wú)線接收器集成電路的解決方案，該多模式無(wú)線接收器集成電路支持電感式和共振式，具有快速充電功能、減少的成本以及提高的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]在本發(fā)明中，提供了一種無(wú)線電源接收器集成電路，該無(wú)線接收器集成電路中的電源路徑可以被配置為低壓差穩(wěn)壓器(LD0)、開關(guān)式電源(switched-mode powersupply, SMPS)或電源開關(guān)(PSW)。所有的三種模式共享相同的導(dǎo)通器件，以減小芯片面積；以及共享相同的輸出端，以減少引腳。在感應(yīng)式無(wú)線接收器中，電源路徑可以被動(dòng)態(tài)地(onthe fly)編程為L(zhǎng)D0模式或PSW模式。在共振式或多模式無(wú)線接收器中，電源路徑可以被動(dòng)態(tài)地編程為SMPS模式或PSW模式。此更具成本效益的方法通過(guò)共享相同的導(dǎo)通器件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)LD0、SMPS和PSW。此外，為了實(shí)現(xiàn)高功率傳輸效率的性能，使用N溝道M0SFET作為其導(dǎo)通器件比P溝道M0SFET導(dǎo)通器件具有更好的效率和更小的芯片面積。
[0012]在一實(shí)施例中，無(wú)線電源接收器集成電路包括第一整流輸入端(AC1)、第二整流輸入端(AC2)、整流輸出端(VRECT)，同步整流電路從第一整流輸入端(AC1)和第二整流輸入端(AC2)接收輸入功率，以及輸出一整流電壓到整流輸出端(VRECT)上，以及，可編程電壓調(diào)節(jié)器耦接于整流輸出端(VRECT)，其中，可編程電壓調(diào)節(jié)器被配置為作為開關(guān)式電源SMPS、低壓差穩(wěn)壓器LD0和電源開關(guān)PSW中的其中一種操作，以及，該可編程電壓調(diào)節(jié)器包括將輸出電壓輸出到公共輸出端(V0UT)上的公共導(dǎo)通器件。
[0013]在其中一種電路實(shí)現(xiàn)中，電荷栗用以提供升壓(boosted)電壓，以給LD0/PSW控制器供電。在另一電路實(shí)現(xiàn)中，該升壓電壓供給來(lái)源于高端N溝道M0SFET同步整流器的自舉域。
[0014]在一新穎的方面中，在節(jié)電回路模式中，SMPS電壓調(diào)節(jié)器高效率產(chǎn)生的電壓輸出用以給電源路徑內(nèi)的內(nèi)部電路供電。在回路模式中，SMPS的輸出被路由回接收器集成電路的回路端子上，以提供內(nèi)部電源(internal power supply)。在一實(shí)施例中，回路開關(guān)嵌入在內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)和回路端子之間。在激活SMPS電壓調(diào)節(jié)器后，回路開關(guān)被接通(is turnedon)。由于此時(shí)的內(nèi)部電源是通過(guò)SMPS電壓調(diào)節(jié)器有效地提供，而不是由內(nèi)部的LDO提供，因此，這提高了系統(tǒng)效率。通常，當(dāng)電壓降壓比較大時(shí)，開關(guān)式調(diào)節(jié)器比LD0具有更好的效率。
[0015]在另一新穎的方面中，在僅使用N溝道器件的同步整流器中，使用低端比較器，低端開關(guān)(low-side switches)被有效地交叉親合(cross-coupled)，以及，高端開關(guān)(high-side switches)執(zhí)行精確地零電壓開關(guān)(zero-voltage-switching，ZVS)比較。每個(gè)自舉域的充電路徑是通過(guò)整流低端開關(guān)(rectifier low-side switches)完成的，該低端開關(guān)的每一個(gè)總是在獨(dú)立加載的每半個(gè)周期中接通。由于a)每個(gè)自舉域接收最大的充電時(shí)間；以及b)充電通過(guò)開關(guān)發(fā)生，而不是通過(guò)二極管發(fā)生，因此，此方案給出了整流效率增益。這些因素均確保了每個(gè)自舉域完全充電，從而降低通過(guò)整流開關(guān)的傳導(dǎo)損耗。此外，可以通常軟件調(diào)整設(shè)置，以優(yōu)化該整流器的電阻性或電容性損耗。利用芯片溫度和操作頻率