低远场下的磁感应充电的制作方法

专利名称：低远场下的磁感应充电的制作方法
低远场下的磁感应充电背景移动电子设备(MED)的流行度越来越广，每时每刻市场上都会出现新型的MED。另外，每一代新MED都会变得越来越小，越来越紧凑。MED通常包括存储被用来使MED运转的电能的一个或多个电池，其中，电池要求周期性更换或周期性的充电。一种用于对MED中的电池进行充电的常见的方法是使用有线充电适配器电缆将MED插入到电能插座中。另一种用于对MED中的电池进行充电的常见的方法是从MED中取出电池并在物理上将它们放置到电池充电设备中。在这两种方法中，电能都通过有线传导传输到电池。一种用于对MED中的电池进行充电的不太常见的，但是正在变得越来越流行的方法，是将MED无线地耦合到充电站，充电站使用电磁感应将电能无线地传送到电池。概述应该注意，提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此处所描述的磁感应充电(MIC)框架实施例一般涉及将电功率无线地传送到移动电子设备(MED)。在一个示例性实施例中，提供了将电功率无线地传送到MED的充电站。 充电站包括平面充电表面，偶数数量的串联的排(bank)A源线圈、偶数偶数的串联的排B源线圈，以及用于激励排A和排B源线圈的源电子器件。每一源线圈在垂直于充电表面的方向上产生交替的电磁通量场。排A和排B源线圈以重复占空比被交替地激励。另外，每一源线圈组都在不同的方向上交替地卷绕，以使得在远场环境中磁通场(flux field)彼此抵消。每当各自具有接收器线圈的一个或多个MED被置于极接近于充电表面时，磁通场中的一个或多个在接收器线圈中无线地感应电能。排A源线圈和排B源线圈被交错，以使得MED 可以相对于充电表面具有任何二维定向。在另一示例性实施例中，提供了从充电站无线地接收电功率的功率接收器。功率接收器包括具有平面形状的接收器线圈，以及跨接收器线圈并联连接的电容器。电容器用于使接收器线圈共振。每当功率接收器被置于极接近于充电站的平面充电表面时，由充电站所生成的磁通场中的一个或多个在接收器线圈中无线地感应电能。附图描述参考以下描述、所附权利要求书以及附图，将更好地理解此处所描述的磁感应充电(MIC)框架实施例具体特征、方面和优点，附图中

图1是以简化形式示出包括一个或多个移动电子设备(MED)和充电站的MIC框架的示例性实施例的图示。图2是以简化形式示出被包括在充电站中的源电子模块和源感应线圈模块的示例性实施例的图示。图3是以简化形式示出被包括在每一个MED中的接收器感应线圈模块和接收器电子模块的示例性实施例的示意图。
具体实施例方式在以下对磁感应充电(MIC)框架实施例的描述中，对附图进行了参考，附图构成了实施例的一部分且在其中作为说明示出了可在其中实践MIC框架的具体实施例。可以理解，可以使用其它实施例并且可以做出结构上的改变而不背离MIC框架实施例的范围。术语“功率”这里被用来表示电能。术语“移动电子设备(MED) ”这里被用来表示各种不同类型的便携式的电子设备，如蜂窝电话、MP3(运动图像专家组-1音频层- 音乐播放器、视频游戏控制器、照像机、PDA (个人数字助理)、笔记本/膝上型计算机、玩具、可佩带的设备，如健康监测传感器等等。术语“近场环境”这里被用来表示在由电子设备所生成的电磁场内的与该设备非常接近(即，靠近)的物理位置。相应地，术语“远场环境”这里被用来表示在由电子设备所生成的电磁场内的不与设备非常接近(即，远离)的物理位置。在下面所描述的MIC框架实施例的上下文中，近场环境可以被视为在与充电站相距1.5cm的半径内的物理位置，而远场环境可以被视为在与充电站相距2. 9m的半径之外的物理位置。1.0低远场下的磁感应充电(MIC)图1示出了 MIC框架的示例性实施例。一般而言，并如图1所示的，MIC框架包括一个或多个MED 102和电连接112到到交流电(AC)电源114的充电站100。充电站100包括平面充电表面124、源电子模块104，以及具有多个源线圈150/152/1M/156的源感应线圈 (SIC)模块106。如下文比较详细地描述的，每一个源线圈150/152/1M/156都具有平面形状，且源线圈沿着平面充电表面IM均勻分布，在相邻的源线圈之间有规定的中心-到-中心间隔S。源电子模块104处理AC功率114，且经过处理的功率被传输116到SIC模块106， 以使得源线圈150/152/1M/156在垂直于充电表面IM的方向上产生多个交替的电磁通量场 126/128/130/132o再次参考图1，每一个MED 102都包括具有接收器线圈(未示出，但是下面将比较详细地描述)的接收器感应线圈(RIC)模块110，接收器电子模块108以及电池充电电子模块122。接收器线圈具有平面形状。每当一个或多个MED在物理上或者被直接置于充电表面124的上面或者与其非常近时(这两种状态下面都简称为“极接近于充电表面”)，由源线圈150/152/1M/156所生成的交替的电磁通量场1沈/1观/130/132中的一个或多个将在每一个接收器线圈中无线地感应功率。换言之，当一个或多个接收器线圈在物理上被置于极接近于充电表面124时，每一个接收器线圈都电磁耦合到源线圈150/152/1M/156中的一个或多个，以形成电变压器，该电变压器用于将功率从源线圈无线地传送到每一个接收器线圈。再次参考图1，在RIC模块110的接收器线圈中无线地感应的功率(下面简称为 “感应的功率”)被传输118到接收器电子模块108。接收器电子模块108将感应的功率转换为经调节的直流电(DC)功率，然后，该经调节的直流电功率被传输120到电池充电电子模块122。电池充电电子模块122用于对MED 102中的一个或多个电池(未示出)进行充电(即，将DC功率存储在其中)。如此，感应的功率可以被立即用于运转MED 102，或者，它可以被存储在MED的电池中，以备将来使用。值得注意的是，多个MED 102可以由一个公共充电站100同时以无线方式充电。一般而言，且在电磁感应的技术中所理解的，接收器线圈和源线圈中的一个或多个之间的如前所述的相互电磁感应的效率基于各种因素，如它们之间的距离，由源线圈所生成的交替电磁通量场的强度、这些磁通场的频率，以及接收器线圈和源线圈之间互感量。 随着接收器线圈和源线圈之间的距离减小，它们的互感一般也将缩小，而它们之间的相互电磁感应将增大，如此，提高被无线地传送到MED的功率的量。随着由源线圈所生成的磁通场的频率增大，并随着流过源线圈的电流量增大，磁通场的强度将增大，且被无线地传送到 MED的功率的量被进一步增大。然而，事实而言，磁通场的容许强度受各种政府规章制度的限制，如由美国联邦通信委员会(FCC)及其他类似的管理机构规定的那些制度。由于种种原因，包括但不限于下列原因，此处所描述的MIC框架实施例是有利的。 用户可以以雅致的、可缩放的以及简单的方式对他们的MED进行充电，因为他们不必找到特定的有线充电适配器电缆并将此电缆插入到MED和AC电源插座中。当用户在对他们的 MED进行充电时触电的可能性大大地降低，因为在MED或者充电站上没有暴露的导电体，并且因为在MED和充电站之间没有有线传导。用户触电的可能性降低，还因为用户不必从MED 中取出电池并在物理上将它们放置到电池充电设备中。由于下列附加的原因，此处所描述的MIC框架实施例也是有利的。从随后的MIC 框架实施例的更详细的描述可以理解，源电子模块、SIC模块、RIC模块、接收器电子模块以及电池充电电子模块可以使用常规的现成的组件以及常规的印刷电路板(PCB)材料来很便宜地制造出来。PCB成本进一步降低，因为在任何一种PCB中不要求特殊的接地面或去除接地面。接收器线圈内部的PCB区域可以用于其他电路。也可从随后的比较详细的描述理解到，每一个MED以及其中包括的接收器线圈都可以具有相对于充电表面的任何二维平面定向。由于如下文所描述的由每一个源线圈所生成的交替电磁通量场的强度在近场环境中最大化，因此，在接收器线圈和源线圈之间允许较大的分离。这可以使得充电站和MED制造起来更加容易，且比较便宜。再次参考图1，现在将提供对充电站100中的源电子模块104和SIC模块106，以及每一个MED 102中的RIC模块110和接收器电子模块108的比较详细的描述。1. 1源电子模块和源感应线圈(SIC)模块图2示出了充电站中的如前所述的源电子模块和SIC模块的示例性实施例。如图 2所示并再次参考图1，源电子模块200包括下列元件。时钟电路204输出一对晶体-稳定化的AC时钟信号206和208，如从下面所提供的描述可以理解，时钟信号206和208为由 SIC模块106/202所生成的交替电磁通量场1沈/1观/130/132提供规定的稳定的高频。再次参考图1和2，尽管用在时钟电路204中的实际频率在某种程度上是任意的， 但是，在选择最佳频率时仍有多个事项要考虑。一般而言，并作为示例，但不作为限制，在时钟电路204中使用高频，并且使被包括在RIC模块110中的接收器线圈(未示出，但是下面将比较详细地描述)并联共振，导致在RIC模块在物理上被置于极接近于SIC模块106/202 时，具有少到两匝(即，环路)的接收器线圈中感应大的电压摆动(即，大的峰间电压)。如在共振RLC(电阻器/电感器/电容器)电子的技术中可理解的，接收器线圈一般作为电感器来操作。在较低的频率下，接收器线圈的阻抗低，这导致当RIC模块110被置于极接近于 SIC模块106/202时，在接收器线圈中感应较小的电压摆动；一般这是不希望有的。在较高频率下，接收器线圈的阻抗较大且感应的电压较大，由此导致当RIC模块110被置于极接近于SIC模块106/202时，在接收器线圈中感应较大的电压摆动；一般这是需要的。然而，值得注意的是，如果频率变得过大，则“表皮效应(skin effect)”和涡流损失(eddy currentloss)会在SIC模块106/202和RIC模块110PCB迹线中开始发展，这将降低SIC模块和RIC 模块之间的电磁耦合的效率，这是不希望有的。在MIC框架的一示例性实施例中，在时钟电路204中使用13. 56MHz的高频。13. 56MHz是有利的，因为FCC及其他类似的管理机构允许电子设备以此特定频率在远场环境中发射更强的电磁场。再次参考图2，由时钟电路204输出的第一时钟信号208被连接到第一驱动器放大器电路210，该电路210放大第一时钟信号，并将其电压和电流驱动电平增大到第一规定的电压和电流。第一驱动器放大器电路210输出被连接到第一输出级电路212的第一放大时钟信号211。第一输出级电路212进一步增大第一放大时钟信号211的电压和电流驱动电平，并输出第一对二次放大时钟信号214和M0，而该二次放大时钟信号214和240又按下列方式被连接到第一变压器216上的初级绕组。二次放大时钟信号A 214通过串联RC(电阻器和电容器)电路R1/C1被连接到第一变压器216上的初级绕组的一端M2。二次放大时钟信号B 240通过另一串联RC电路R2/C2被连接到第一变压器216上的初级绕组的另一端M4。第一变压器216上的初级绕组上的中心抽头230被连接到电路地线。再次参考图2，由时钟电路204输出的第二时钟信号206被连接到第二驱动器放大器电路213，该电路213放大第二时钟信号，并将其电压和电流驱动电平增大到如前所述的第一规定的电压和电流。第二驱动器放大器电路213输出被连接到第二输出级电路222 的第二放大时钟信号220。第二输出级电路222进一步增大第二放大时钟信号220的电压和电流驱动电平，并输出第二对二次放大时钟信号2 和M6，该二次放大时钟信号2 和 246按下列方式被连接到第二变压器2 上的初级绕组。二次放大时钟信号C 2M通过再一个串联RC电路R3/C3连接到第二变压器2 上的初级绕组的一端M8。二次放大时钟信号D 246通过再一个串联RC电路R4/C4连接到第二变压器2 上的初级绕组的另一端 228。第二变压器2 上的初级绕组上中心抽头249被连接到电路地线。再次参考图2，输出控制电路234被连接到第一输出级电路212和第二输出级电路222两者。输出控制电路234监视流过SIC排A线圈2M/256/258/260的电流，并根据需要动态地调整第一输出级电路212，以调节此电流，以使得它维持在规定的恒定水平。类似地，输出控制电路234监视流过SIC排B线圈255/257/259Λ61的电流，并根据需要动态地调整第二输出级电路222，以调节此电流，以使得它维持在规定的恒定水平。再次参考图2，C1-C4具有低的功率损失，以及可动态地变化的电容值。换言之， C1-C4部分地由规定的固定值电容以及部分地由第一自动调节电路232在微处理器控制下按如下方式动态地接通或断开的电容构成。第一自动调节电路232感测从Rl的输入端214 到电路地线的电压VI，以及流过Rl的电流II，并动态地调整Cl的电容值以在Vl和Il之间维持几乎零相位差。第一自动调节电路232还感测从R2的输入端240到电路地线的电压V2，以及流过R2的电流12，并动态地调整C2的电容值以在V2和12之间维持几乎零相位差。第一自动调节电路232还感测从R3的输入端2 到电路地线的电压V3，以及流过R3 的电流，并动态地调整C3的电容值以在V3和13之间维持几乎零相位差。第一自动调节电路232还感测从R4的输入端246到电路地线的电压V4，以及流过R4的电流，并动态地调整 C4的电容值以在V4和14之间维持几乎零相位差。因此，第一自动调节电路232用于允许第一和第二输出级电路212和222驱动主要是电阻性的负载，由此降低第一和第二输出级电路中的功率损失的级别。
一般而言，并再次参考图2，SIC模块202包括第一规定的偶数数量的排A源线圈 254/256/258Λ60，它们被串联地连接到第一变压器216上的第一次级绕组，以及第二规定的偶数数量的排B源线圈255/257/259Λ61，它们被串联地连接到第二变压器2 上的第一次级绕组。在此处所描述的MIC框架的一示例性实施例中，第一和第二规定的偶数数量是相同的。然而，其中第一和第二规定的偶数数量是不同的替换实施例也是可能的。排A源线圈2M/256/258/260和排B源线圈255/257/259/261中的每一个是通过专用串联RC电路来串联共振的。在如图2所示的SIC模块202中，使用了四个排A源线圈254/256/258Λ60 和四个排B源线圈255/257/259Λ61。然而，SIC模块202的一个替换实施例(未示出)也是可以的，其只使用两个排A源线圈(例如，2M/256)和两个排B源线圈(例如，255/257)。 SIC模块202的另一替换实施例(未示出)也是可能的，其使用四个以上(即，6个、8个等等)排A源线圈，四个以上(即，6个、8个等等)排B源线圈。在如图1和2所示的SIC模块202中，为每一个源线圈2M-261使用了两匝(即，环路)。SIC模块202的一个替换实施例(未示出)也是可能的，其对每一个源线圈254-261只使用一匝。SIC模块202的另一替换实施例(未示出)也是可以的，其中，如果源线圈2M-261具有小表面尺寸，则可以为每一个源线圈使用两个以上的匝数。一般而言，并再次参考图2，在不同的方向上交替地卷绕串联的排A源线圈 254/256/258Λ60(即，线圈绕组的方向被交替地颠倒)。更具体而言，并如图2所示的，第一变压器216上的第一次级绕组的一端262被连接到再一个串联RC电路RA1/CA1，而该串联RC电路RA1/CA1又被连接到按顺时针方向(CW)方式2Μ卷绕的排Al源线圈的输入端 270。排AlCW源线圈254的输出端272被连接到再一个串联RC电路RA2/CA2，该串联RC电路RA2/CA2随后被连接到按逆时针方向(CCW)方式256卷绕的排Α2源线圈的输入端274。 排A2CCW源线圈256的输出端276被连接到再一个串联RC电路RA3/CA3，该串联RC电路 RA3/CA3随后被连接到按CW方式258卷绕的排A3源线圈的输入端278。排A3CW源线圈 258的输出端280被连接到再一个串联RC电路RA4/CA4，该串联RC电路RA4/CA4随后被连接到按CCW方式260卷绕的排Α4源线圈的输入端观2。最后，排A4CCW源线圈260的输出端284被连接到第一变压器216上的第一次级绕组的另一端沈4。第一变压器216上的第一次级绕组上的中心抽头263被连接到电路地线。一般而言，并再次参考图2，串联的排B源线圈255/257/259/261也交替地在不同的方向卷绕。更具体而言，并如图2所示的，第二变压器2 上的第二次级绕组的一端266 被连接到再一个串联RC电路RB1/CB1，该串联RC电路RB1/CB1随后被连接到按CW方式255 卷绕的排Bl源线圈的输入端观6。排Bl CW源线圈255的输出端288被连接到再一个串联 RC电路RB2/CB2，该串联RC电路RB2/CB2随后被连接到按CCW方式257卷绕的排B2源线圈的输入端四0。排B2 CCW源线圈257的输出端292被连接到再一个串联RC电路RB3/CB3， 该串联RC电路RB3/CB3随后被连接到按CW方式259卷绕的排B3源线圈的输入端四4。排 B3 CW源线圈259的输出端296被连接到再一个串联RC电路RB4/CB4，该串联RC电路RB4/ CB4随后被连接到按CCW方式261卷绕的排B4源线圈的输入端四8。最后，排B4CCW源线圈261的输出端299被连接到第二变压器2 上的第二次级绕组的另一端沈8。第二变压器2 上的第一次级绕组上的中心抽头267被连接到电路地线。如迄今为止所描述的，并再次参考图1和2，每一个MED 102以及其中包括的接收器线圈都可以具有相对于充电表面124的任何二维平面定向。如下文比较详细地描述的， 这一般是通过使用单独的排A和排B源线圈来实现的，其中，排A线圈和排B线圈沿着充电表面1 交错，而排A线圈和排B线圈由源电子模块200以重复占空比交替地激励。串联的排A源线圈2M/256/258/260和串联的排B源线圈255/257/259/261沿着充电表面124以图1的SIC模块106中所示的交替的方式交错。更具体而言，图1 一般性地例示了排AlCW 源线圈150/254、排Bl CW源线圈152/255、排A2 CCW源线圈154/256，以及排B2 CCW源线圈156/257的沿着图2的线Z-Z截取的截面图。附图元素134和135表示排Al CW源线圈 150/254的顶部两个绕组的PCB迹线，而附图元素136和137表示排Al CW源线圈的底部两个绕组的的PCB迹线。附图元素138和139表示排Bl CW源线圈152/255的顶部两个绕组的PCB迹线，而附图元素140和141表示排Bl CW源线圈的底部两个绕组的的PCB迹线。附图元素142和143表示排A2 CCW源线圈154/256的顶部两个绕组的PCB迹线，而附图元素 144和145表示排A2 CCW源线圈的底部两个绕组的PCB迹线。附图元素146和147表示排 B2 CCW源线圈156/257的顶部两个绕组的PCB迹线，而附图元素148和149表示排B2 CCff 源线圈的底部两个绕组的PCB迹线。值得注意的是，如果使用附加的源线圈，则它们将在物理上沿着充电表面124以类似的交替方式交错至排B2CCW源线圈156的右边。换言之，根据需要，排A3 CW线圈258将被定位紧靠在组B2 CCW源线圈156/257的右边，接下来是排 B3CW线圈259，接下来是排A4 CCW线圈沈0，接下来是排B4 CCW线圈沈1，依次类推。再次参考图2，输出控制电路234用于与第二输出级电路222以顺序的、重复占空比的方式操作第一输出级电路212，以使得第一变压器216和第二变压器2 以重复占空比交替地激励。在此处所描述的MIC框架的一示例性实施例中，使用50%的占空比。然而，使用其他占空比的替换实施例也是可能的。换言之，在任何给定时间点都只激励两个变压器 216和226中的一个。因此，排A源线圈254/256/258/260和排B源线圈255/257/259/261 被以重复占空比交替地激励(即，在任何给定时间点只有排A线圈或排B线圈被激励)。结果，由排A源线圈2M/256/258/260和排B源线圈255/257/259/261所生成的交替的电磁通量场在近场环境中彼此不会干扰。一般而言，此占空比的周期可以是变化的，一般被设置为最佳地对用于MED中的特定电池进行充电的规定值。在此处所描述的MIC框架的一示例性实施例中，使用一分钟的占空比周期。对于在物理上被置于极接近于平面充电表面的MED，刚刚所描述的对排A和排B源线圈的交错和交替的激励一般用于最大化在MED中感应的功率(并相应地最小化MED的电池充电时间)，而不用管MED的相对于充电表面的二维平面定向。更具体而言，在其中MED 的接收器线圈的中心驻留在源线圈中的任何一个(无论是排A还是排B源线圈)的中心的正上方的一种情况下，接收器线圈将最佳地电磁耦合到源线圈。在此情况下，在接收器线圈中将感应功率，且MED的电池将被以最高速率被充电。在其中MED的接收器线圈的中心并非驻留在源线圈的中心的正上方而是驻留在排A源线圈中的任一个的中心和同排A线圈相邻的排B源线圈的中心之间的任何地方的另一情况下，接收器线圈将交替地电磁耦合到排 A和排B线圈。在此情况下，将由排A和排B线圈两者在接收器线圈中交替地感应功率，而 MED的电池仍将被充电(虽然以稍微小于最高速率的速率)。再次参考图1，每一个源线圈150/152/1M/156都具有共同的平面形状和共同的表面尺寸。另外，在相邻的源线圈之间使用共同的中心-到-中心间隔S。此共同的形状、
10尺寸、和间隔S是基于各种因素确定的，这些因素包括但不限于，每一个MED 102内的接收器线圈的表面尺寸和平面形状，并当MED被物理地置于极接近于充电表面124时最优化源线圈和接收器线圈之间的电磁感应。在此处所描述的MIC框架的一示例性实施例中，在接收器线圈的平面形状是矩形而其表面尺寸是20mm χ 16mm的情况下，相邻的源线圈之间的中心到中心间隔S是22mm。如此，甚至在用户将他们的MED 102置于充电表面IM上以使得接收器线圈的一半驻留在排A线圈(例如，排Al Cff 150)上方而接收器线圈的另一半驻留在排B线圈(例如，排Bl Cff 152)上方的非最优情况下，电磁感应将在排A线圈和接收器线圈之间，然后在排B线圈和接收器线圈之间交替地发生。再次参考图2，串联电容器CA1-CA4和CB1-CB4具有低的功率损失，以及可动态变化的电容值。换言之，CA1-CA4和CB1-CB4部分地由规定的固定值电容以及部分地由第二自动调节电路238在微处理器控制下按如下方式动态接通或断开的电容构成。第二自动调节电路238感测跨每一个源线圈(例如，排Al Cff 254)及其相关联的专用串联共振RC电路 (例如，RAl和CAl)的电压(例如，VAl)，并且还感测流过RC电路中的串联电阻器(例如， RAl)的电流，并动态地调整RC电路中的串联电容器(例如，CAl)的电容值，以在VAl和此电流之间维持可忽略的相位差。因此，第二自动调节电路238和刚刚所描述的用于使每一个源线圈2M-261动态地串联共振的过程用于使每一个源线圈中的电压保持得尽可能低， 以使得不会发生SIC模块202的PCB介电材料的击穿以及通过介电材料的相关的爬电电流 (creepage current)。因而，第二自动调节电路238以及刚刚所描述的用于动态地串联共振每一个源线圈254461的过程还用于使第一和第二变压器216以及2 两者上的电压保持得尽可能低，以使得不会发生变压器饱和。再次参考图1和2，每一个源线圈(例如，排Al Cff 150/254)的串联电阻器(例如， RAl)用于稍微降低源线圈的“选择性”和相关联的“品质因数”(Q)，以使得每当充电站100 在物理上被置于极接近于导电(例如，金属)表面(其可以改变源线圈150/152/154/156的有效电感)时，源线圈将不会被显著失调(detune)。另外，当源线圈的共振频率与时钟信号 206和208的频率稍微不同时，自动调节过程中的可能会存在的任何临时不准确性将对源线圈150/152/154/156中的电流具有较小的影响。每一个源线圈(例如，排Al Cff 150/254) 的专用串联电阻器(例如，RAl)的阻抗值被选择成最大化流过源线圈的电流，以及还稍微降低如刚刚所描述的源线圈的Q，从而进一步最大化在近场环境中由源线圈所生成的交替的电磁通量场(例如，1 )的强度。再次参考图1，虽然交替的电磁通量场126/128/130/132中的每一个在近场环境中各自较强，因为排A源线圈150/1M在不同的方向交替地卷绕，排B源线圈152/156也在不同的方向交替地卷绕，并且排A线圈和排B线圈如上文所描述的沿着充电表面IM交错，因此，这些磁通场在远场环境中彼此抵消。换言之，由于每一个源线圈150/152/154/156 都具有相对较小的表面尺寸，并且由于由每一个源线圈所生成的磁通场U6/U8/130/132 的频率都高(例如，如前所述的13. 56MHz)，因此，在远场环境中，每一个源线圈都表现为点源。由于串联的每一对排A源线圈150/1M都被分隔相对近的距离2S并且如上文所描述的在不同的方向交替地卷绕，因此，在远场环境中，由每一对排A源线圈所生成的磁通场 126/130彼此之间有180度的相位差，因此彼此抵消。类似地，由于串联的每一对排B源线圈152/156也都被分隔相对近的距离2S并且也如上文所描述的在不同的方向交替地卷绕，因此，在远场环境中，由每一对排B源线圈所生成的磁通场U8/132彼此之间也有180度的相位差，因此，也彼此抵消。这种远场抵消效应的最后结果是，在远场环境中由充电站100 所生成的电磁辐射被显著缩小为低级别，不管在近场环境中由充电站所生成的单个磁通场 126/128/130/132的最大化强度。这种远场抵消效应是有利的，因为诸如FCC等等之类的管理机构对于在远场环境中从电子设备准许的电磁辐射施加严格的低电平的限制。再次参考图2，电源转换器电路236将如前所述的AC电源253转换为适当的DC电源，DC电源被提供252到第一和第二输出级电路212和222。第一变压器216和第二变压器2 用于隔离具有电路地线的源电子模块200中的电子，电路地线几乎是来自SIC模块 202和第一自动调节电路232的AC电源253的接地(未示出)。第一电源电路218被连接到第一变压器216上的第二次级绕组，而第二电源电路250连接到第二变压器2 上的第二次级绕组。第一和第二电源电路218和250包括常规高压整流器设备和电压调节器设备的集合，它们用于根据需要向源电子模块200中的各种电子提供经调节的DC电压。1. 2(RIC)猶申孑猶图3示出了每一个MED中的如前所述的RIC模块和接收器电子模块的示例性实施例。如图3所示，并再次参考图1，RIC模块300包括如前所述的接收器线圈302和并联地跨接收器线圈连接的非常低的损耗电容器CR，其中，电容器CR被用来共振接收器线圈。接收器线圈302的一端和电容器CR被连接到电路地线。接收器线圈302可以具有少量的匝数，因为高频被用于由源线圈150/152/1M/156所生成的交替的电磁通量场 126/128/130/132，并且因为近场环境中的每一个磁通场的强度通过最大化流过每一个源线圈的电流而被最大化。再次参考图3，接收器线圈302的每一匝都可被实现为沿着便宜的平的PCB的周边布线的PCB迹线的串联的集合。每一匝都可以在PCB的不同的层上实现，其中，相邻的PCB 层上的匝是使用PCB或通过等效的装置来互连的。值得注意的是，此同一 PCB还可以包括 RIC模块110/300、接收器电子模块108/308以及电池充电电子模块122此实现导致这样的接收器线圈302 该接收器线圈302非常小并且非常“薄的”并由此用于最小化与源线圈 150/152/154/156的互感，且还用于降低制造成本。制造成本被进一步降低，因为在RIC模块110/300或者接收器电子模块108/308中不要求高磁导率材料。再次参考图1和3，当接收器线圈302在物理上被置于极接近于充电表面124时， 如上文所描述的，由于接收器线圈具有小的表面尺寸以及少量匝数，因此，接收器线圈中感应的共振电压将很小(例如，大致几个mV)。然而，由于接收器线圈302通过极低损耗的电容器CR并联共振，因此，接收器线圈中感应的共振电流将很大(例如，大致几百mA)。此大的共振电流跨电容器CR产生具有足够大的峰峰值的交流电压VR，以使得可以使用简单的基于二极管的峰值整流器电路306(下面将比较详细地描述)来将VR转换为经调节的DC 电压310。再次参考图3，电容器CR的值被选择成基于用于接收器线圈的特定实现来使接收器线圈302最优地共振。在RIC模块300的一示例性实施例中，接收器线圈302的平面形状是矩形，其表面尺寸是20mm χ 16mm，它具有两匝，构成接收器线圈的串联的迹线的宽度是1mm，而电容器CR具有685pF的电容值。接收器线圈302的替换实施例也是可能的，其使用其他平面形状、其他表面尺寸，其他数量的匝数及其他迹线宽度。作为示例但不作为限制，接收器线圈302的平面形状可以是正方形，它可以具有三匝或者四匝，而构成线圈的串联的迹线的宽度可以大至2mm。值得注意的是，在接收器线圈中使用四匝以上会降低交流电压VR的峰峰值，这是不希望有的。再次参考图1和3，跨电容器CR的交流电压VR被连接到包括分流电路304和峰值整流器电路306的接收器电子模块108/308。由于用户可以将他们的MED 102置于充电表面IM上的任何随机位置，因此，接收器线圈302和同接收器线圈最靠近的源线圈 150/152/154/156之间的水平对准可以变化，如它们之间的垂直间隔的那样。如在电磁感应的技术中可以理解的，由每一源线圈150/152/1M/156所生成的交替的电磁通量场
126/128/130/132的强度一般在近场环境中以+变化，其中，d是与源线圈的中心相距的距
离。如此，接收器线圈302中感应的功率可以有显著差异，导致VR的峰峰值的显著并且在某种程度上不可预测的变化。如下文比较详细地描述的，分流电路304 —般调节VR的峰峰值的变化，如此，也用于调节从峰值整流器电路306输出的DC电压310，以使得此DC电压的值维持在规定的小电压范围内。此调节降低了 VR中的任何意外的瞬时浪涌，如此，防止这样的浪涌损坏MED 102中的其他电子器件。再次参考图3，峰值整流器电路306 —般对跨电容器CR的交流电压VR进行整流， 并输出DC电压310。由于如上文所描述的DC电压310由分流电路304维持在规定的小电压范围内，因此，它可以直接连接到常规的现成的电池充电集成电路(IC)(未示出)，而无需首先必须使用中间DC到DC转换器电子器件来处理DC电压。然后，电池充电IC操作以对一个或多个电池(未示出)进行充电。现在将更详细地描述分流电路304和峰值整流器电路306的操作。再次参考图3，分流电路304包括串联电阻器R4和具有N沟道MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)316和肖特基二极管318的IC312。交流电压VR被连接到肖特基二极管318的阳极A。肖特基二极管的阴极K被连接到MOSFET 316的漏极D，并且还通过串联电阻器R4连接到电路地线。MOSFET 316的源极S被直接连接到电路地线。在分流电路304的一示例性实施例中，ON Semiconductor (安森美半导体)NTLJF4156N设备被用于 IC 312，且电阻器R4具有84. 5k Ω。再次参考图3，峰值整流器电路306包括三个电阻器R1/R2/R3、两个二极管D1/D2、 一个电感器Ll和一个电容器Cl。肖特基二极管318的阳极A还被连接到电阻器Rl的第一端和二极管Dl的阳极Al。MOSFET 316的栅极G被连接到电阻器Rl的第二端、电阻器R3的第一端，以及电阻器R2的第一端。R2的第二端被连接到电路地线。二极管Dl的阴极⑶1 被连接到电感器Ll的第一端。电感器Ll的第二端被连接到电阻器R3的第二端、Cl的正极端，以及D2的阴极CD2。Ll的此第二端产生如前所述的DC电压310。Cl的负极端以及二极管D2的阳极Α2两者都连接到电路地线。在峰值整流器电路306的一示例性实施例中， 电阻器Rl具有值5. Ok Ω，电阻器R2具有值20. Ok Ω，电阻器R3具有值47. Ok Ω，电感器Ll 具有值 1. 0 μ H，电容器 Cl 具有值 0. 1 μ F, Renesas Technology Corporation (瑞萨技术公司)RKZ6. 2KL 器件被用于二极管 D2，而 Renesas Technology Corporation HSL278 器件被用于二极管D1。再次参考图1和3，每当跨电容器CR的交流电压VR的峰峰值超出规定的大值时，MOSFET 316导通(S卩，建立从MOSFET的漏极D到其源极S的分路电流路径)，这会降低接收器线圈302的Q。肖特基二极管318用于确保MOSFET 316只有VR超出规定的大级别的一半时间被导通。连接在肖特基二极管318的阳极A和MOSFET 316的栅极G之间电阻器Rl 用于通过允许VR中的正峰值快速地并且短暂地使接收器线圈302失调来调节VR的峰峰值的变化。换言之，Rl用于将接收器线圈302的共振点移动得远离由源线圈150/152/154/156 所生成的交替的电磁通量场126/128/130/132的频率。如上文所描述的串联地连接到DC电压310的电阻器R2和R3从电池充电电子模块转移少量的电流，并为MOSFET 316的栅极G 设置DC电压点。如此，电阻器R2和R3提供了用于控制M0SFET316传导的另一种机制，并因此调节从漏极D流向源极S的电流量。值得注意的是，随着MOSFET 316导通和关闭，它向RIC模块300提供的电容将改变，这也可以短暂地使接收器线圈302失调。电阻器R2和 R3用于通过控制MOSFET 316向RIC模块300提供的平均电容来最小化此失调影响。再次参考图3，二极管Dl对跨电容器CR的交流电压VR进行整流。电感器Ll隔离 DC电压310上的通过电池充电电子模块呈现的任何负载，并由此防止此负载对接收器线圈 302失调。电感器Ll还防止二极管切换瞬变在接收器线圈302上导致噪声，该噪声随后会导致接收器线圈产生不希望有的较高频率的电磁辐射。2.0附加的实施例尽管通过具体参考其实施例比较详细地描述了 MIC框架，但是，应该理解，在不偏离MIC框架的真正的精神和范围的情况下，可以进行其变化和修改。还应当注意，可以按所需的任何组合来使用上述实施例的任一个或全部以形成另外的混合实施例。尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了 MIC框架实施例，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。
权利要求
1.一种用于将电能无线地传送到移动电子设备(MED)的充电站装置，包括 平面充电表面(124)；第一规定的偶数数量的串联的排A源线圈(150/154)； 第二规定的偶数数量的串联的排B源线圈(152/156)；以及用于激励所述排A和排B源线圈(150/152/154/156)的源电子器件(104)，其中， 每当被激励时，每一源线圈都在垂直于所述充电表面(124)的方向产生交替的电磁通量场(126/128/130/132)，所述排A源线圈(150/154)和排B源线圈(152/156)被以重复占空比交替地激励， 所述排A源线圈和排B源线圈被交错，以使得所述MED(1(^)可以相对于所述充电表面具有任何二维定向，以及每当各自包括接收器线圈(302)的一个或多个MED被置于极接近于所述充电表面时， 所述磁通场中的一个或多个在所述接收器线圈中无线地感应电功率。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源线圈是通过在相邻的源线圈之间使用规定的中心-到-中心间隔S的情况下沿着所述充电表面均勻分布的，每一源线圈都具有共同的平面形状和共同的表面尺寸，以及每一源线圈的所述共同的平面形状和表面尺寸，以及所述间隔S是基于所述接收器线圈的平面形状和表面尺寸来确定的。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，由每一源线圈所生成的所述磁通场具有 13. 56MHz的频率。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述源电子器件包括用于生成第一放大时钟信号以及第二放大时钟信号的第一输出级电路； 包括第一初级绕组的第一变压器，其中所述第一放大时钟信号通过串联电阻器Rl和串联电容器Cl连接到所述第一初级绕组的一端，而所述第二放大时钟信号通过串联电阻器R2和串联电容器C2连接到所述第一初级绕组的另一端；用于生成第三放大时钟信号和第四放大时钟信号的第二输出级电路；以及包括第二初级绕组的第二变压器，其中所述第三放大时钟信号通过串联电阻器R3和串联电容器C3连接到所述第二初级绕组的一端，而所述第四放大时钟信号通过串联电阻器R4和串联电容器C4连接到所述第二初级绕组的另一端。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述源电子器件还包括输出控制电路，其中，所述输出控制电路，监视流过所述排A源线圈的第一电流，动态地调整所述第一输出级电路以将所述第一电流维持在规定的恒定水平， 监视流过所述排B源线圈的第二电流，以及动态地调整所述第二输出级电路以将所述第二电流维持在所述规定的恒定水平。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于， Cl、C2、C3和C4具有动态可变电容值，以及所述源电子器件还包括第一自动调节电路，其中所述第一自动调节电路，感测从Rl的输入端到电路地线的电压VI，感测流过Rl的电流II，并动态地调整Cl的电容值以在Vl和Il之间维持几乎零相位差，感测从R2的输入端到电路地线的电压V2，感测流过R2的电流12，并动态地调整C2的电容值以在V2和12之间维持几乎零相位差，感测从R3的输入端到电路地线的电压V3，感测流过R3的电流13，并动态地调整C3的电容值以在V3和13之间维持几乎零相位差，以及感测从R4的输入端到电路地线的电压V4，感测流过R4的电流14，并动态地调整C4的电容值以在V4和14之间维持几乎零相位差。
7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一变压器还包括所述排A源线圈连接到的次级绕组A， 所述第二变压器还包括所述排B源线圈连接到的次级绕组B， 所述源线圈各自通过专用串联电阻器和专用串联电容器来串联共振，所述电容器各自具有动态可变电容值，以及所述源电子器件还包括第二自动调节电路，其中对于每一个源线圈，所述第二自动调节电路，感测跨所述源线圈、所述源线圈的所述专用串联电阻器和所述专用串联电容器的电压，感测流过所述源线圈的所述专用串联电阻器的电流，以及动态地调整所述源线圈的所述专用串联电容器的所述电容值以在所感测的电压和所感测的电流之间维持可忽略的相位差。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，每一个源线圈的所述专用串联电阻器具有被选择成最大化流过所述源线圈的电流，并由此最大化由所述源线圈在近场环境中生成的所述磁通场的强度的阻抗值。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述排A源线圈在不同的方向上被交替地卷绕， 所述排B源线圈在不同的方向上被交替地卷绕，以及在远场环境中由所述排A和排B源线圈所生成的所述磁通场彼此抵消。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，或者每个源线圈包括一匝，或者每个源线圈包括两匝。
11.一种用于无线地接收来自充电站的电功率的功率接收器装置，包括 具有平面形状的接收器线圈(30 ；以及跨所述接收器线圈(302)并联连接的电容器CR，所述电容器用于使所述接收器线圈共振，其中，每当所述能量接收器装置被置于极接近于在垂直于所述充电表面的方向上产生多个交替的电磁通量场(U6/U8/130/132)的所述充电站(100)平面充电表面(124)时，所述磁通场中的一个或多个在所述接收器线圈(302)中无线地感应电功率。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于， 所述接收器线圈包括两匝、或者三匝、或者四匝，每一匝包括沿着平的PCB的周边布线的印刷电路板(PCB)迹线的串联集合， 每一匝是在所述PCB的不同的层上实现的，以及相邻的PCB层上的匝被电互连。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括基于二极管的峰值整流器电路，其中，所述接收器线圈中的感应的电功率包括跨电容器CR的交流电压VR， 所述整流电路对电压VR进行整流并输出DC电压，以及所述整流电路包括电感器，该电感器防止所述DC电压上的任何负载使所述接收器线圈失调。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，还包括分流电路，所述分流电路包括金属氧化物半导体场效应晶体管和肖特基二极管，其中所述分流电路调节电压VR的所述峰峰值变化，以使得所述DC电压的值被维持在规定的小电压范围内，且电压VR中的瞬时浪涌被降低。
15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述DC电压被直接连接到对一个或多个电池进行充电的电池充电集成电路。
全文摘要
充电站将功率无线地传送到移动电子设备(MED)，每一个移动电子设备都具有平面形状的接收器线圈(RC)和跨RC并联连接的电容器。站包括平面充电表面，数个串联的排A源线圈(SC)、数个串联的排B SC，以及用于激励SC的电子器件。每一SC都产生垂直于充电表面的磁通场。排A和排B SC被交错并以重复占空比被交替地激励。每一排中的线圈也在不同的方向上交替地卷绕，以使得在远场环境中磁场彼此抵消。只要MED被置于极接近于充电表面时，磁场在RC中无线感应功率。MED可以相对于充电表面具有任何二维定向。
文档编号H02J7/00GK102365803SQ201080015727
公开日2012年2月29日 申请日期2010年3月19日 优先权日2009年3月27日
发明者D·莫里斯, D·谭, J·特纳, S·萨波纳斯 申请人:微软公司