混合功率转换器
阅读说明：本技术 混合功率转换器 (Hybrid power converter ) 是由 陈俊晓 黄金彪 李锃 于 2018-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及混合功率转换器技术领域,具体公开了一种混合转换器设备的运行方法,包括响应于混合转换器的输入电压大于第一阈值,将混合转换器配置为在包括四个运行阶段的混合模式下运行,响应于混合转换器的所述输入电压小于第二阈值,将混合转换器配置为在包括两个运行阶段的降压模式下运行,以及响应于混合转换器的输入电压小于第一阈值并且大于第二阈值,将混合转换器配置为在包括两个运行阶段的电荷泵模式下运行。(The invention relates to the technical field of hybrid power converters, and particularly discloses an operation method of a hybrid converter device.)
技术领域
本发明涉及混合功率转换器，并且在特定实施例中，涉及无线电力传输系统的接收器中的混合功率转换器。
背景技术
随着技术进一步发展，无线电力传输作为一种用于为诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器等基于电池的移动设备供电或充电的高效且便利的机制出现。无线电力传输系统通常包括原边发射器和副边接收器。原边发射器通过磁耦合而磁耦合到副边接收器。该磁耦合可由松散耦合的变压器实现，该松散耦合的变压器具有在原边发射器中形成的原边线圈和在副边接收器中形成的副边线圈。
原边发射器可包括诸如功率转换器的原边的功率转换单元。功率转换单元耦合到电源，并且能够将电功率转换成无线功率信号。副边接收器能够通过松散耦合的变压器接收无线功率信号，并将接收到的无线功率信号转换成适合于负载的电功率。
随着无线电力传输系统的功率变得越来越高，可能需要在发射器和接收器之间实现高效率无线电力传输。更特别地，在各种输入和输出状况(例如，接收器的不同负载电流和/或不同额定输入电压)下实现高效率无线电力传输已经变成是显著问题，它对无线电力传输系统的系统设计带来挑战。
亟需一种具有在各种输入和输出状况下展现出诸如高效率的良好行为的高性能功率接收器。
发明内容
通过本发明的较佳实施例提供的在无线电力传输系统的接收器中的混合功率转换器，上述问题和其它问题通常可得到解决或规避，并且通常实现了技术优势。
根据一个实施例，一种设备包括：串联连接在输入电压源和输出滤波器之间的第一开关、电容器和第二开关；连接在第一开关和电容器的共同节点与第二开关和输出滤波器的共同节点之间的第三开关；以及连接在电容器和第二开关的共同节点与地之间的第四开关。
根据另一个实施例，一种方法包括：检测包括混合转换器的功率系统的负载电流、输入电压和输出电压；响应于不同操作状况，将混合转换器配置成以三种不同的操作模式操作；以及响应于一种操作状况变化，将混合转换器配置成离开第一操作模式并进入到第二操作模式。
根据又一个实施例，一种系统包括：配置成磁耦合到传送器线圈的接收器线圈；连接到接收器线圈的整流器；以及连接在整流器和负载之间的混合转换器，其中，响应于系统的不同负载电流和输出电压，混合转换器被配置成以三种不同的操作模式操作。
本发明的实施例的优点是，无线电力传输系统的接收器中的混合功率转换器以混合模式和电荷泵模式操作以便实现高效率。此外，混合模式、电荷泵模式和降压模式的组合有助于在不同操作状况中提供灵活性。
上文相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本发明的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点，它们形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更全面地了解本发明及其优点，现将下述说明与附图一并提出，其中：
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图；
图2示出根据本发明的各种实施例的混合转换器的示意图；
图3示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第一阶段的操作原理；
图4示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第二阶段的操作原理；
图5示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第三阶段的操作原理；
图6示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第四阶段的操作原理；
图7示出根据本发明的各种实施例的电荷泵模式的第一阶段的操作原理；
图8示出根据本发明的各种实施例的电荷泵模式的第二阶段的操作原理；
图9示出根据本发明的各种实施例的降压模式的第一阶段的操作原理；
图10示出根据本发明的各种实施例的降压模式的第二阶段的操作原理；
图11示出根据本发明的各种实施例以降压模式和自动模式操作的混合转换器的第一阶段的操作原理；
图12示出根据本发明的各种实施例以降压模式和自动模式操作的混合转换器的第二阶段的操作原理；
图13示出根据本发明的各种实施例的自动模式的操作原理；
图14示出根据本发明的各种实施例的模式转变原理；
图15示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第一控制机制的流程图；
图16示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第二控制机制的流程图；
图17示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第三控制机制的流程图；以及
图18示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第四控制机制的流程图。
除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号一般指对应部分。绘制附图是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，它们不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细论述目前较佳的实施例的制作和使用。但是，应明白，本发明提供可在各种各样的特定情境中实施的许多适用的发明概念。论述的特定实施例只是说明制作和使用本发明的特定方式，而不是限制本发明的范围。
将在特定情境(即，以不同操作模式操作以便增加无线电力传输系统的效率和性能的混合功率转换器)中关于较佳实施例描述本发明。但是，本发明也可适用于各种电力系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图。该无线电力传输系统100包括级联连接在输入电源102和负载114之间的功率转换器104和无线电力传输装置101。在一些实施例中，采用功率转换器104以便进一步改善无线电力传输系统100的性能。在备选实施例中，功率转换器104是可选元件。换句话说，无线电力传输装置101可直接连接到输入电源102。
无线电力传输装置101包括功率发射器110和功率接收器120。如图1所示，功率发射器110包括级联连接的发射器电路107和发射器线圈L1。发射器电路107的输入端耦合到功率转换器104的输出端。功率接收器120包括级联连接的接收器线圈L2、谐振电容器Cs、整流器112和混合转换器113。如图1所示，谐振电容器Cs与接收器线圈L2串联连接，并且进一步连接到整流器112的输入端。整流器112的输出端连接到混合转换器113的输入端。混合转换器113的输出端耦合到负载114。
当将功率接收器120放置在功率发射器110附近时，功率发射器110通过磁场磁耦合到功率接收器120。通过作为功率发射器110的一部分的发射器线圈L1和作为功率接收器120的一部分的接收器线圈L2形成松散耦合的变压器115。因此，可将电功率从功率发射器110传输到功率接收器120。
在一些实施例中，功率发射器110可在充电板内。发射器线圈L1放置在充电板的上表面下方。功率接收器120可嵌入在移动电话内。当将移动电话放在充电板附近时，可在发射器线圈L1和接收器线圈L2之间建立磁耦合。换句话说，发射器线圈L1和接收器线圈L2可形成松散耦合的变压器，通过该变压器，在功率发射器110和功率接收器120之间进行功率传输。发射器线圈L1和接收器线圈L2之间的耦合的强度可通过耦合系数k来量化。在一些实施例中，k在从约0.05到约0.9的范围中。
在一些实施例中，在发射器线圈L1和接收器线圈L2之间建立磁耦合之后，功率发射器110和功率接收器120可形成电力系统，通过该电力系统，将电力从输入电源102无线传输到负载114。
输入电源102可以是用于将公用线路电压转换成直流(dc)电压的电源适配器。备选地，输入电源102可以是诸如太阳能电池板阵列的可再生能源。此外，输入电源102可以是任何合适的能量储存装置，比如，可充电电池、燃料电池、其任意组合和/或类似装置。
负载114表示由耦合到功率接收器120的移动装置(例如，移动电话)消耗的功率。备选地，负载114可以指串联/并联连接并且耦合到功率接收器120的输出端的一个和/或多个可充电电池。此外，负载114可以是诸如电池充电器的下游功率转换器。
根据一些实施例，发射器电路107可包括全桥转换器的原边开关。备选地，发射器电路107可包括诸如半桥转换器、推挽式转换器、其任意组合和/或类似装置的任何其它合适的功率转换器的原边开关。
应注意，上文描述的功率转换器只是示例。本领域技术人员将意识到，取决于设计需要和不同应用，可备选地使用诸如基于E类拓扑的功率转换器(例如，E类放大器)的其它合适的功率转换器。
发射器电路107还可包括谐振电容器(未示出)。谐振电容器和发射器线圈的磁电感可形成谐振回路。取决于设计需要和不同应用，该谐振回路还可包括谐振电感器。在一些实施例中，谐振电感器可作为外部电感器实现。在备选实施例中，谐振电感器可作为连接导线实现。
功率接收器120包括接收器线圈L2，在将功率接收器120放到功率发射器110附近之后，接收器线圈L2磁耦合到发射器线圈L1。因此，可将电力传输到接收器线圈，并通过整流器112进一步递送到负载114。功率接收器120可包括如图1所示的次级谐振电容器Cs。
整流器112将从接收器线圈L2的输出端接收到的交变极性波形转换成单极性波形。在一些实施例中，整流器112包括全波二极管桥和输出电容器。在备选实施例中，可以用由诸如n-型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的开关元件形成的全波桥取代全波二极管桥。
此外，整流器112可由其它类型的可控器件形成，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极结型晶体管(BJT)器件、超结晶体管(SJT)器件、绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。整流器112的详细操作和结构在本领域中众所周知，因此这里不再论述。
混合转换器113耦合在整流器112和负载114之间。混合转换器113是非隔离式功率转换器。通过控制混合转换器113的开关的打开/关闭，可将混合转换器113配置成降压转换器、电荷泵转换器或混合转换器。
取决于设计需要和不同应用，混合转换器113可在不同操作模式中操作。更特别地，当负载电流小于预定电流阈值和/或输入电压小于预定电压阈值时，混合转换器113可在降压模式中操作。在降压模式中，混合转换器113被配置为降压转换器。当输入电压大于预定电压阈值和/或负载电流大于预定电流阈值时，混合转换器113可在电荷泵模式或混合模式中操作。更特别地，在一些实施例中，当混合转换器的输出电压与混合转换器的输入电压之比小于0.5时，混合转换器113可在电荷泵模式或混合模式中操作。在电荷泵模式中，混合转换器113被配置为电荷泵转换器。在混合模式中，混合转换器113被配置为混合转换器。
下文将结合图2对混合转换器113的示意性结构进行描述。下文将结合图3-12对混合转换器113的详细配置(例如，不同操作模式和它们的对应转换器配置)进行描述。
在一些实施例中，混合转换器113的输入电压在从约18V到约22V的范围中。混合转换器113的输出电压为约9V。具有混合转换器113的一个有利特征是，可在整流器112的输出端实现更高的输出电压(例如，22V)。如此高的输出电压有助于降低流过接收器线圈L2的电流，从而提高功率接收器120的效率。
图2示出根据本发明的各种实施例的混合转换器的示意图。混合转换器113包括第一开关Q1、电容器CCP、第二开关Q2、第三开关Q3、第四开关Q4、输出电感器Lo和输出电容器Co。如图2所示，输出电感器Lo和输出电容器Co形成输出滤波器。第一开关Q1、电容器CCP和第二开关Q2串联连接在输入电压源VIN和输出滤波器之间。如图2所示，将第一开关Q1和电容器CCP的共同节点表示为CP+。同样地，将第二开关Q2和电容器CCP的共同节点表示为CP-。将第二开关Q2和输出滤波器的共同节点表示为VX。如图2所示，第三开关Q3连接在CP+和VX之间。第四开关Q4连接在CP-和地之间。
在一些实施例中，电容器CCP充当电荷泵电容器。在本通篇的描述中，电容器CCP备选地称为电荷泵电容器CCP。
根据实施例，开关(例如，开关Q1-Q4)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。备选地，开关元件可以是任何可控开关，比如，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件、集成门极换流晶闸管(IGCT)器件、门极关断晶闸管(GTO)器件、可控硅整流器(SCR)器件、结栅场效应晶体管(JFET)器件、MOS控制晶闸管(MCT)器件等。
应注意，尽管图2示出，将开关Q1-Q4作为单个n-型晶体管实现，但是本领域技术人员将意识到，可存在许多改变、修改和备选。例如，取决于不同应用和设计需要，开关Q1-Q4可作为p-型晶体管实现。此外，图2中示出的每个开关可作为并联连接的多个开关实现。而且，电容器可与一个开关并联连接以便实现零电压切换(ZVS)/零电流切换(ZCS)。
混合转换器113包括三种不同的操作模式，即，混合模式、电荷泵模式和降压模式。在一些实施例中，当无线电力系统的输出功率支持5W基带功率分布(BPP)和5-15W扩展功率分布(EPP)时，混合转换器113以降压模式操作。当无线电力系统的输出功率支持5-15W BPP和15-20 W EPP时，混合转换器113以混合模式或电荷泵模式操作。此外，混合转换器113可在混合模式和电荷泵模式的组合模式中操作。换句话说，混合转换器113可在混合模式和电荷泵模式之间具有模式转变。
应注意，选择在之前示例中使用的功率范围纯粹是为了论证的目的，而不是要将本发明的各种实施例局限于任何特定功率范围。
在混合模式中，混合转换器113在四个不同阶段中操作。在每个阶段中，取决于输入电压VIN、电荷泵电容器CCP两端的电压和输出电压VOUT的不同组合，流过输出电感器Lo的电流可斜升或斜降。在混合模式中，可将混合转换器113的电压调节至预定电压。由于混合模式下的混合转换器113具有严格电压调节，所以可将任何负载(例如，电池充电器)连接到混合转换器113的输出端。下文将结合图3-6描述混合模式的详细操作原理。
在电荷泵模式中，混合转换器113在两个不同阶段中操作。在电荷泵模式中，不调节混合转换器113的电压。由于电荷泵模式下的混合转换器113可在广泛范围中变化，所以只有一些负载(例如，具有良好瞬态性能的电池充电器)可连接到混合转换器113的输出端。下文将结合图7-8描述电荷泵模式的详细操作原理。
在降压模式中，混合转换器113在两个不同阶段中操作。第二开关Q2和第三开关Q3总是打开。因此，电荷泵电容器CCP短路，并且不是降压模式的操作的一部分。在每个阶段中，取决于输入电压VIN和输出电压VOUT的不同组合，流过输出电感器Lo的电流可斜升或斜降。下文将结合图9-10描述降压模式的详细操作原理。此外，为了在降压模式和电荷泵模式之间具有平稳转变，混合转换器113可在自动模式中操作。在自动模式中，当降压模式可适用于混合转换器113时，电荷泵电容器浮空。下文将结合图11-12描述降压模式和自动模式的详细操作原理。
为了改善图1中示出的无线电力传输系统100的性能，混合转换器113可被配置成在混合模式中操作。混合模式包括四个不同阶段。图3-6示出根据本发明的各种实施例的混合模式的这四个阶段的操作原理。
图3示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第一阶段的操作原理。在混合模式的第一阶段期间，开关Q3关闭，如位于开关Q3的符号上方的箭头所指示。同样地，开关Q4关闭，如位于开关Q4的符号上方的箭头所指示。由于如图3所示，开关Q1和Q2打开，所以建立如虚线302所指示的导电路径。该导电路径由开关Q1、电荷泵电容器CCP、开关Q2和输出电感器Lo形成。电流通过图3中示出的导电路径从输入电源VIN流到输出电压VOUT。
在混合模式的第一阶段期间，对电荷泵电容器CCP充电，并且相应地将能量存储在电荷泵电容器CCP中。取决于在电感器Lo两端施加的电压，流过电感器Lo的电流可斜升或斜降。在一些实施例中，当输入电压VIN大于电荷泵电容器CCP两端的电压和输出电压VOUT之和时，流过电感器Lo的电流可斜升，并且存储在电感器Lo中的能量相应增加。电感器Lo的电流斜率S满足以下等式：
其中VCS是电荷泵电容器CCP两端的电压。
图4示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第二阶段的操作原理。在混合模式的第二阶段期间，开关Q1和Q3关闭，如位于它们的符号上的箭头所指示。由于开关Q2和Q4打开，所以建立如图4中示出的虚线402所指示的导电路径。该导电路径由开关Q4、开关Q2和输出电感器Lo形成。在一些实施例中，开关Q4为流过输出电感器Lo的电流提供续流路径。
在混合模式的第二阶段期间，电荷泵电容器CCP被关闭的开关Q1和Q3隔离。流过电感器Lo的电流斜降，并且存储在电感器Lo中的能量相应减少。电感器Lo的电流斜率S满足以下等式：
图5示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第三阶段的操作原理。在混合模式的第三阶段期间，开关Q1和Q2关闭，如位于它们的符号上的箭头所指示。由于开关Q3和Q4打开，所以建立如图5中示出的虚线502所指示的导电路径。该导电路径由开关Q4、电荷泵电容器CCP、开关Q3和输出电感器Lo形成。
在混合模式的第三阶段期间，电流使电荷泵电容器CCP放电，并且存储在电荷泵电容器CCP中的能量相应减少。在一些实施例中，流过电感器Lo的电流可斜升，并且存储在电感器Lo中的能量相应减少。在混合模式的第三阶段中，电感器Lo的电流斜率S满足以下等式：
图6示出根据本发明的各种实施例的混合模式的第四阶段的操作原理。在混合模式的第四阶段期间，开关Q1和Q3关闭，如位于它们的符号上的箭头所指示。由于开关Q2和Q4打开，所以建立如图6中示出的虚线602所指示的导电路径。该导电路径由开关Q4、开关Q2和输出电感器Lo形成。在一些实施例中，开关Q4为流过输出电感器Lo的电流提供续流路径。
在混合模式的第四阶段期间，电荷泵电容器CCP被关闭的开关Q1和Q3隔离。流过电感器Lo的电流斜降，并且存储在电感器Lo中的能量相应减少。在混合模式的第四阶段中，电感器Lo的电流斜率S满足以下等式：
应注意，在混合模式期间，混合转换器113可在上文结合图3-6描述的四个阶段中操作。更特别地，混合转换器113可按如阶段编号所指示的顺序次序在四个阶段中操作。另外，可通过控制器(未示出)确定每个阶段的操作时间。控制器检测各个操作参数(例如，输入电压、输出电压、负载电流以及其任意组合等)。基于检测到的操作参数，控制器设置每个阶段的操作时间。
图7示出根据本发明的各种实施例的电荷泵模式的第一阶段的操作原理。在电荷泵模式的第一阶段期间，开关Q3关闭，如位于开关Q3的符号上方的箭头所指示。同样地，开关Q4关闭，如位于开关Q4的符号上方的箭头所指示。由于开关Q1和Q2打开，所以建立如图7中示出的虚线702所指示的导电路径。该导电路径由开关Q1、电荷泵电容器CCP、开关Q2和输出电感器Lo形成。电流通过图7中示出的导电路径从输入电源VIN流到输出电压VOUT。在电荷泵模式的第一阶段期间，对电荷泵电容器CCP充电，并且相应地将能量存储在电荷泵电容器CCP中。
图8示出根据本发明的各种实施例的电荷泵模式的第二阶段的操作原理。在电荷泵模式的第二阶段期间，开关Q1和Q2关闭，如位于它们的符号上的箭头所指示。由于开关Q3和Q4打开，所以建立如图8中示出的虚线802所指示的导电路径。该导电路径由开关Q4、电荷泵电容器CCP、开关Q3和输出电感器Lo形成。在电荷泵模式的第二阶段期间，电流使电荷泵电容器CCP放电，并且存储在电荷泵电容器CCP中的能量相应减少。
应注意，在电荷泵模式期间，输出电感器Lo是可选元件。取决于不同应用和设计需要，可去除输出电感器Lo以便进一步降低混合转换器113的成本。
图9示出根据本发明的各种实施例的降压模式的第一阶段的操作原理。在降压模式期间，开关Q2和Q3始终打开。在降压模式的第一阶段中，开关Q4关闭，如位于开关Q4的符号上方的箭头所指示。由于开关Q1、Q2和Q3打开，所以通过打开的开关Q2和Q3使电荷泵电容器CCP短路，并且建立如图9中示出的虚线902所指示的导电路径。该导电路径由开关Q1、开关Q3和输出电感器Lo形成。电流通过图9中示出的导电路径从输入电源VIN流到输出电压VOUT。
在降压模式的第一阶段期间，流过电感器Lo的电流斜升，并且存储在电感器Lo中的能量相应增加。电感器Lo的电流斜率S满足以下等式：
图10示出根据本发明的各种实施例的降压模式的第二阶段的操作原理。在降压模式的第二阶段期间，开关Q1关闭，如位于它的符号上的箭头所指示。建立如图10中示出的虚线1002所指示的导电路径。该导电路径由开关Q4、开关Q2和输出电感器Lo形成。
在降压模式的第二阶段期间，流过电感器Lo的电流斜降，并且存储在电感器Lo中的能量相应减少。电感器Lo的电流斜率S满足以下等式：
图11示出根据本发明的各种实施例以降压模式和自动模式操作的混合转换器的第一阶段的操作原理。混合转换器113的降压模式操作原理与图9中示出的操作原理类似，不同之处在于，在第一阶段期间，开关Q2关闭。应注意，在图11中示出的第一阶段期间，电荷泵电容器CCP浮空。另外，电荷泵电容器CCP已经预先充电至近似等于混合转换器113的输出电压的两倍的电压电平。如此预先充电的电压有助于在降压模式和电荷泵模式之间实现平稳转变。特别地，如果需要，混合转换器113可离开降压模式并平稳地进入到电荷泵模式。
图12示出根据本发明的各种实施例以降压模式和自动模式操作的混合转换器的第二阶段的操作原理。图12中示出的混合转换器113的降压模式操作原理与图10中示出的操作原理类似，不同之处在于，在第二阶段期间，开关Q3关闭。应注意，在第二阶段期间，电荷泵电容器CCP浮空。另外，电荷泵电容器CCP已经预先充电至近似等于混合转换器113的输出电压的两倍的电压电平。如此预先充电的电压有助于在降压模式和电荷泵模式之间实现平稳转变，因为电荷泵电容器CCP具有准备好进行电荷泵模式操作的电压。本描述通篇中，将在降压模式和电荷泵模式之间的这种平稳转变称为自动模式。
图13示出根据本发明的各种实施例的自动模式的操作原理。取决于不同的输入和输出电压，当对混合转换器113运用自动模式时，混合转换器113能够在这三种操作模式之一中操作。如图13所示，可存在两个电压阈值，即VTH1和VTH2。如图13所示，VTH1大于VTH2。在一些实施例中，VTH1近似等于混合转换器113的输出电压的两倍加上滞后电压(VHYST)。VTH2近似等于混合转换器113的输出电压的两倍减去滞后电压(VHYST)。在一些实施例中，滞后电压(VHYST)是混合转换器113的输出电压的约5％。应注意，输出电压的5％只是一个示例。本领域技术人员将了解，滞后电压(VHYST)的值可根据不同的应用和设计需要相应改变。
在操作中，当混合转换器113的输入电压大于VTH1时，混合转换器113被配置成以混合模式操作。上文结合图3-6详细描述了混合模式的操作原理，因此不再赘述。在一些操作状况下，混合转换器113的输入电压落到介于VTH1和VTH2之间的范围中，混合转换器113离开混合模式，并进入到电荷泵模式。上文结合图7-8详细描述了电荷泵模式的操作原理。此外，混合转换器113的输入电压可下降为低于VTH2。如图13所示，混合转换器113离开电荷泵模式，并进入到降压模式。上文结合图10-11详细描述了降压模式的操作原理。
应注意，在输入电压增大过程中，模式转变以类似方式进行。例如，当输入电压增大并超过VTH2时，混合转换器113离开降压模式，并进入到电荷泵模式。同样地，当输入电压增大并超过VTH1时，混合转换器113离开电荷泵模式，并进入到混合模式。下文将结合图14论述详细的模式转变过程。
图14示出根据本发明的各种实施例的模式转变原理。如图14所示，在特定阶段进行混合模式和电荷泵模式之间的模式转变。当混合转换器113具有从混合模式到电荷泵模式的模式转变时，混合转换器113在混合模式的第四阶段结束时离开，并进入到电荷泵模式的第一阶段中。另一方面，当混合转换器113具有从电荷泵模式到混合模式的模式转变时，混合转换器113在电荷泵模式的第二阶段结束时离开，并进入到混合模式的第一阶段。
图14进一步示出在电荷泵模式和降压模式之间的模式转变。如图14所示，当混合转换器113具有从电荷泵模式到降压模式的模式转变时，混合转换器113在电荷泵模式的第二阶段结束时离开，并进入到降压模式的第一阶段中。另一方面，当混合转换器113具有从降压模式到电荷泵模式的模式转变时，混合转换器113在降压模式的第二阶段结束时离开，并进入到电荷泵模式的第一阶段。
图15示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第一控制机制的流程图。图15中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图15中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
返回参考图2，混合转换器113包括四个开关Q1、Q2、Q3和Q4。取决于不同操作参数，混合转换器113可在三种不同操作模式(即，混合模式、电荷泵模式和降压模式)中操作。混合模式包括四个操作阶段；电荷泵模式包括两个操作阶段；并且降压模式包括两个操作阶段。在操作中，取决于设计需要和不同应用，混合转换器113可离开一个操作模式，并进入到一个不同的操作模式。例如，混合转换器113可首先以电荷泵模式操作，然后在操作参数发生改变之后进入到混合模式。
在一些实施例中，当混合转换器113的输出电压大于预定电压阈值或位于预定输出电压范围之外时，混合转换器113可自动从电荷泵模式切换到混合模式。例如，混合转换器113可在电荷泵模式的第一阶段结束时离开电荷泵模式，并在混合模式的第二阶段开始时进入到混合模式中。通过以下步骤来实现电荷泵模式和混合模式之间的操作模式转变。
在步骤1502，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的负载和输出电压。通过控制器处理检测到的负载和电压。特别地，将检测到的负载电流和/或输出电压与预定电流和/或电压阈值或范围进行比较。在一些实施例中，控制器可以是数字控制器。
在步骤1504，在输出电压在预定输出电压范围内并且负载电流大于预定电流阈值时，将混合转换器113配置成以电荷泵模式操作。上文结合图7-8详细描述了电荷泵模式的操作。
应注意，预定的输出电压范围只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，负载的输入电压容限可以是确定混合转换器113的操作模式的过程中的因素。
在步骤1506，在无线电力系统的输出电压在预定范围之外并且负载电流大于预定电流阈值时，将混合转换器配置成以混合模式操作。在一些实施例中，在操作模式转变期间，混合转换器113在完成电荷泵模式的第一阶段之后进入到混合模式的第二阶段。
图16示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第二控制机制的流程图。图16中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图16中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
图16中示出的操作模式转变控制机制与图15中示出的机制类似，不同之处在于，在不同时间进行操作模式转变。应注意，图15-16中示出的操作模式转变控制机制可个别地或组合地采取以便进一步提高混合转换器113的性能。
在步骤1602，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的负载和输出电压。通过控制器处理检测的负载和电压。特别地，将检测到的负载电流和/或输出电压与预定电流和/或电压阈值进行比较。
在步骤1604，在输出电压在预定范围内并且负载电流大于预定电流阈值时，将混合转换器113配置成以电荷泵模式操作。上文结合图7-8详细描述了电荷泵模式的操作。
在步骤1606，在无线电力系统的输出电压在预定范围之外并且负载大于预定电流阈值时，将混合转换器113配置成以混合模式操作。在一些实施例中，在操作模式转变期间，混合转换器113在完成电荷泵模式的第二阶段之后进入到混合模式的第四阶段。
图17示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第三控制机制的流程图。图17中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图17中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
在步骤1702，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的负载和输出电压。通过控制器处理检测的负载和电压。特别地，将检测到的负载电流和/或检测到的输出电压与预定电流和/或电压阈值进行比较。
在步骤1704，在负载电流小于预定电流阈值时，将混合转换器113配置成以降压模式操作。上文结合图9-10详细描述了降压模式的操作。
图18示出根据本发明的各种实施例对图2中示出的混合转换器运用第四控制机制的流程图。图18中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图18中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
在步骤1802，通过合适的感测设备或多个感测装置检测无线电力系统的负载和输出电压。通过控制器处理检测到的负载和电压。特别地，将检测到的负载电流和/或输出电压与预定电流和/或电压阈值进行比较。
在步骤1804，在混合转换器113的软启动过程中，将混合转换器113配置成以混合模式操作。上文结合图3-6详细描述了混合模式的操作。
在步骤1806，在软启动过程结束并且完全建立输出电压之后，将混合转换器113配置成以电荷泵模式操作。上文结合图14-16详细描述了混合模式和电荷泵模式之间的模式转变，因此不再赘述以免不必要的重复。
应注意，模式转变可在软启动过程中进行。例如，当输出电压超过预定值(例如，最终输出电压的80％)时，可进行从混合模式到电荷泵模式的模式转变。
尽管详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和备选。
而且，不希望本申请的范围局限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员将从本发明的公开内容容易地明白，根据本发明，可利用与本文中描述的相应实施例执行大体上相同的功能或实现大体上相同的结果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此，希望随附权利要求在它们的范围内包含此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。