无线功率装置的封装和细节的制作方法

无线功率装置的封装和细节的制作方法
【专利摘要】本申请涉及无线功率装置的封装和细节。一种无线功率系统包含电源、功率接收器及其组件。所述系统还可包含可改进各种模式中到所述电源的耦合的寄生天线。所述天线可具有可变电容器和可变电感器两者，且其两者均可改变以便改变匹配的特性。
【专利说明】无线功率装置的封装和细节
[0001] 本案是一件分案申请。本案的母案是国际申请号为PCT/US2009/036090、申请日 为2009年3月5日、PCT申请进入中国国家阶段后申请号为200980107629. 3、发明名称为 "无线功率装置的封装和细节"的发明专利申请案。
[0002] 本申请案主张2008年3月5日申请的第61/034, 116号临时申请案的优先权，所 述临时申请案的整个内容以引用的方式并入本文中。

【技术领域】
[0003] 本申请关于描述无线功率的使用和应用。

【背景技术】
[0004] 日常生活中使用的电池加电电子装置和小配件的数目正稳定增长。重要的此类装 置包含：
[0005] ?通信手持机：移动电话、无绳电话
[0006] ?信息娱乐：音乐（MP3)播放器（diskman、ipod等）、移动TV、便携式音频广播接 收器
[0007] 籲照片/视频：数码/视频相机
[0008] ?无线外围设备：蓝牙手持机、无绳麦克风等
[0009] ?时间和导航：手表/计算机、GPS装置 [0010] · IT :PAD、膝上型计算机、无绳键盘和鼠标等
[0011] ?家用：电子钟、温度计、气象站、袖珍计算器等
[0012] ?医疗：助听器、心脏起搏器等
[0013] ?体育：停表、雪崩信标机、码表、车灯、袖珍灯、脉搏监视器等
[0014] 无线通信已带来从通信电线的某种程度的解放。然而，对那些装置再充电仍需要 电线。许多其它电子装置使用非可再充电电池，其需要频繁替换从而造成环境负担。使情 况更糟糕的是，不存在真正的标准充电接口。许多不同的可再充电装置需要其自身的壁式 充电器。
[0015] 电池技术已得到改进，但平均来说个人电子装置（PED)由于附加特征和增加的使 用率而正变得对功率更加渴求（例如，具有集成的数码相机、彩屏、游戏和MP3播放器的移 动电话），因此有效地导致缩短而不是延长的自主时间。
[0016] 将功率送至便携式装置一直是试图解决传统充电挫折的一系列新近产品的关注 点。这包含手摇式充电器（wind-up charger)、锌-空气电源组（zinc-air power pack)、 USB充电器和多接头通用充电器。这些形成利基市场（niche market)区段，但没有一个获 得普遍成功。
[0017] 我们先前的申请案和临时申请案，包含（但不限于）2008年1月22日申请的标题 为"无线设备和方法（Wireless Apparatus and Methods)"的第12/018, 069号美国专利申 请案（所述专利申请案的揭示内容以引用的方式并入本文中），描述无线功率传送。
[0018] 发射和接收天线优选为谐振天线，其实质上在例如10%谐振、15%谐振或20 %谐 振内谐振。所述天线优选为较小尺寸以允许其配合到其中天线的可用空间可能有限的移动 手持式装置中。一实施例描述一种针对正发射和接收的功率的针对特定特性和环境的高效 率天线。
[0019] 一个实施例通过将能量存储在发射天线的近场中而不是将能量以行进的电磁波 的形式发送到自由空间中而使用两个天线之间的有效功率传送。此实施例增加天线的质量 因数（q)。这可减小辐射电阻αυ和损耗电阻况）。
[0020] 在一个实施例中，两个高Q天线经放置以使得其类似于松散耦合的变压器而起作 用，其中一个天线将功率感应到另一天线中。所述天线优选地具有大于1000的Q。


【发明内容】

[0021] 本申请案描述无线功率的使用和应用。
[0022] 各方面包含无线天线的调谐和那些天线的封装。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1展示用于无线控制的能量发射器的框图；
[0024] 图2展示用于无线功率的能量接收器的框图；
[0025] 图3展示一般能量中继器、寄生天线和重发器；
[0026] 图4展示计算机的无线桌面；
[0027] 图5展示桌面装置之间的共面磁场耦合；
[0028] 图6展示无线充电站中的无线装置；
[0029] 图7展示无线充电站的第一实施例；
[0030] 图8说明第一实施例的原理。
[0031] 图9展示根据第二实施例的无线充电站和便携式装置；
[0032] 图10展示无线充电站的第三实施例；
[0033] 图11和12展示无线功率桥；
[0034] 图14展示无线功率装置中使用的天线；
[0035] 图13和15展示无线功率装置的发射和接收子系统；
[0036] 图16-18、19八、198、20、2认、218展示改变天线的调谐的不同方式；图22展示电子 电阻；
[0037] 图22Α-22Β展示天线环路中到封盖或键盘部分中的集成；
[0038] 图22C和22D展示分别集成到翻盖式和紧凑型装置中的铁氧体磁芯；以及
[0039] 图23展示多接收器情境。

【具体实施方式】
[0040] 人们通常只希望使用电子装置而不希望担心对其充电。对于大多数人来说，对电 池充电和替换电池已成为其日常事务中的另一零碎工作。
[0041] 人们需要记得更换其电池且还记得手边要有正确的充电器。其需要释放壁式插座 以供插入。放电的电池导致电话、鼠标和键盘的不可靠性。为了对多个装置充电，用户携带 不同的充电器和电缆。
[0042]
【发明者】认识到需要可作为标准普遍使用的可维持的基础结构。对便携式装置加电 的通用标准可对消费者以及对OEM均具有巨大益处，其中OEM可通过当其销售其产品时省 略充电器而降低价格。
[0043] 建立通用功率标准过去一直受到装置连接器或充电触点的机械学的部分约束。这 些机械学可在装置间不同。不同的装置还可能具有不同的功率要求。
[0044] 如本申请案界定的无线功率可回避这些问题中的许多问题。一实施例描述基于时 变（AC)磁场的电感性耦合。无线功率避免了加电站与装置之间的电线、连接器或触点。另 一优点在于，此系统提供密封（防水）的电子装置。此解决方案可同时对所有具有不同功 率要求的多个装置充电。
[0045] 无线功率技术可形成新的基础结构以使得人们拥有在共享位置中对其电子装置 再充电的机会。一区内的任何人均可再充电，而无需多个充电器。无线充电区可以在朋友 的住宅、咖啡馆、餐厅、宾馆或机场休息室中。不论人们去哪里，其均将知道其可对其所有装 置再加电。
[0046] 一般无线能量源由以下子系统零件和功能组成，如图1展示。电源100例如从壁 式插座接收功率源。这用于调制以指定RF频率产生功率的RF电源110上的功率。匹配电 路120匹配对谐振天线130的RF输出，以使阻抗失配最小化。天线可本身具有可控制发射 的特性的调谐140和定向控制150。
[0047] 控制系统160控制操作。无线接口 170可耦合无线功率。
[0048] 这些子系统中的每一者在本文中详细描述。
[0049] 电源100可通常为高效率开关模式电源以产生DC电压来驱动RF功率级110。可 实现非常高的转换效率（> 95 % )。依据应用，可使用AC/DC转换器或DC/DC转换器（例 如，对于汽车应用）。对于发射器的自身控制功能，还可使用恒定电压但低瓦特数，例如5v 或12V电源。
[0050] 在特殊解决方案/应用中，电源可省略或可仅为整流器。
[0051] 自适应系统可使用控制系统160自适应地控制此电压电平。
[0052] RF电源110可以是使用由方波振荡器驱动的功率开关（晶体管、FET等）的非线 性高效率功率级。对于以较高磁场强度操作的附近耦合系统，例如从晶体振荡器产生的频 率参考的使用可相对于频率调整问题为优选的。可基于针对此类应用的国际基准将共同频 率界定在例如
[0053] · HF 带中的 13. 56MHz(ISM 带）
[0054] · LF 带中的大约 135kHz (ISM 带）
[0055] 然而，频率产生可考虑作为控制系统的一部分。
[0056] 对于在VLF/LF范围内操作的发射器，通常使用功率有效的半桥'反相器'电路。此 级可通过具有矩形波形的低阻抗源（电压源）来建模，但此波形或者可为任何其它种类的 波形。
[0057] 如矩形电压波形产生的天线电流将由谐振天线电路平滑为正弦曲线。谐振电路可 本质上抑制谐波放射。
[0058] 然而，在某些情况下（例如，具有紧密接近度耦合的接收器），所负载的Q因数可变 得如此低而使得不存在显著的波形整形效应。此增加装置的带宽。然而，在此类情况下，将 预期较低的谐波辐射，因为发射器和接收器上的天线电流将降低到低电平（还部分地自身 补偿）。在某种程度上说，谐波辐射电位和波形整形效应是相关的，使得谐波辐射可始终保 持低于任何不希望的放射限制。
[0059] 可经由改变DC供电电源和/或信号（例如，方波）的工作循环从而驱动'反相器' 来实现功率和效率控制。
[0060] 在一个实施例中，使用天线匹配系统。
[0061] 在另一实施例中，发射器中可不需要特定天线匹配电路。假定环路/线圈天线，使 用电容器作为反电抗器来补偿环路/线圈的感抗可足以进行补偿。低阻抗RF电源的输出 可直接连接到谐振振荡电路（tank circuit)(串联谐振电路）。为了保持高效率，这需要 RF功率级的源阻抗（电阻）显著低于振荡电路的谐振电阻，使得仅小百分比的所产生功率 在源电阻中耗散。源-谐振电阻比率可在某种程度上经由天线设计参数（L/C比率）控制。
[0062] 所述系统还使用谐振天线130。在磁（电感性）耦合系统中，所述天线通常为多匝 环路（线圈）。在较高频率下，可使用单匝环路。天线线圈可经设计以承受当发射器子系统 未负载时（例如，当没有接收器在范围内时）产生的高电压和电流。其必须提供尽可能高 的Q因数，因为此Q因数将限制服务覆盖和范围的边缘处的传送效率。
[0063] 预期在实际系统实施方案中，高达300的Q因数在LF处可实现，且高达600的Q 因数在HF频率范围（13.6MHz)内可实现。在非集成实验室样本中，可能可实现两倍高的Q 因数。
[0064] 铜管或镀银铜管可能是建置HF环路的适当材料。在LF处，可使用薄的良好绝缘 电线或较厚的绞合线（利兹线），这取决于目标L/C比率和额定功率。在LF处，天线线圈可 提供用于匹配或调谐目的的分接头。在HF处，特殊耦合环路/线圈（充当升压变压器）的 使用可用于与天线的阻抗匹配并防止来自电路的负载效应。
[0065] 假定固定和经界定的操作频率，例如晶体控制的频率，谐振频率天线的调谐可补 偿由以下原因引起的去谐效应：
[0066] ?外来物体（LF处的金属物体，以及HF处的金属和电介质物体）
[0067] ?紧密接近的去谐功率接收器，和/或
[0068] ?源阻抗的变化。
[0069] 调谐还可补偿组件容限、老化等。
[0070] 在一个实施例中，根据所界定程序由发射器的控制系统自动执行调谐。约+/-10% 的分数调谐范围在大多数情境中可能是合乎需要的且也是足够的。
[0071] 调谐可为电容性或电感性的或两者。电容性调谐可通过使用例如由微型马达/致 动器驱动的机械可调谐电容器来实现。其可使用电可调谐电容器，所述电可调谐电容器使 用电介质电容率调谐或使用电压相依电容（例如，变容二极管）来调谐。其可为电容器组 和电子或机械开关（例如，RF中继器）。
[0072] 变容二极管调谐可限于高电压下，且可使天线Q因数恶化并导致谐波。
[0073] LF处的电感性调谐可经由分接天线线圈并使用机械或电子开关作为分接头选择 器来实现。使用由微型马达/致动器驱动的可移动铁氧体磁芯的可调谐电感器或使用DC 电流偏置的电容率调谐可用于精细调谐。
[0074] 精细调谐的另一实施例可引入第二环路/线圈，且使用所谓的变感器原理通过形 状或定向改变与主环路/线圈的耦合因数。
[0075] 另一实施例可以电子方式或某一其它方式改变铁氧体磁芯与电感器之间的f禹合， 而不物理地相对于铁氧体磁芯移动电感器。虽然物理移动可能是改变耦合的一种方式，但 可使用磁场或某一其它调节耦合的方式。
[0076] 还可使用电子仿真电抗调谐。此仿真正和负电抗，因此减小和增加振荡电路的谐 振频率。
[0077] 在某些应用中，可能需要控制发射环路的定向以使到任意定位或定向的接收器的 能量传送最大化。定向控制170可改变发射的物理或模拟定向。或者，可产生具有正交极 化的两个或三个磁场分量。场向量和旋转，从而防止任何接收器定向和位置处的接收最小 值。
[0078] 控制系统160处置以下操作中的全部：
[0079] ?天线调谐控制
[0080] ?功率和效率控制
[0081] ?频率产生
[0082] ?其它内务处理功能（例如，系统校准等）
[0083] ?辐射暴露控制
[0084] 在许多应用中，接收器的位置和定向（耦合因数）可改变。系统可因而适于不同情 境以便满足每一接收器的功率要求并使总体系统效率最大化。在单一接收器系统中，发射 器和接收器两者可独立适应，从而收敛最大传送效率。一个实施例可在没有来自接收器的 反馈信令的情况下操作以最佳地调节发射器参数。发射器控制系统可使用LC电路的本地 模型来模拟，且还可模拟或估计接收器电路的值。发射器控制系统可使用特定测量值（例 如，天线电流和电压、输入功率）和校准例程来确定模型参数。所述模型可用于优化传送效 率且/或满足接收器的某一最小功率要求。举例来说，通过感测发射天线中的电流流动，所 述模型可确定关于接收系统的信息。
[0085] 多接收器情境强制实行较复杂的系统。一个解决方案可包含来自接收器的反馈信 令。
[0086] 所述系统还可控制辐射暴露。举例来说，所述系统可控制当人正接近发射天线时 减少所发射功率。
[0087] 可提供无线接口 170,例如用于：
[0088] ?装置检测、识另IJ、验证，或
[0089] ?功率发射器与功率接收器（装置）之间的通信/信令
[0090] 能量接收装置的检测、识别和验证可用作例如RFID系统等远程感测系统的类似 物。通信可为双向或单向的。
[0091] 能量源与吸能装置之间的数据通信/信令可使用功率载体作为通信载体。较高的 Q因数信道将仅具有可用的有限带宽，其又将限制调制指数和/或发射速度。
[0092] 另一信令替代方法可使用例如蓝牙、Zigbee等在其它频带中操作的无线通信。许 多便携式装置已支持此类无线接口用于其自身的通信。在另一实施例中，除由便携式装置 用于通信外，这些接口还由能量传送系统使用以用于反馈。
[0093] 接收器一般在图2中展示且包含与图1的发射器的那些零件类似的零件（以基本 上相反的次序）。明确地说，接收器包含谐振天线210、调谐220、匹配240、整流器250、负载 260、控制系统270和无线接口 230。这些子系统中的每一者在本文中详细描述。
[0094] 在磁/电感耦合系统中，天线210通常为电线的多匝环路。在LF处，磁性天线可 包含铁磁或亚铁磁磁芯，例如铁氧体磁棒天线。在较高频率（HF)下可使用多匝环路。天线 线圈应承受当接收器子系统在最高负载Q下操作或在发射器的紧密接近处时产生的高电 压和电流。Q因数设定传送效率，且较高的Q因数改进了可接收功率的距离。接收天线的周 围的涡电流和电介质损耗将使其Q因数恶化。在天线集成到装置中的情况下尤其如此。
[0095] 高达150的Q因数在LF处可为典型的，且高达200的Q因数在HF频率范围 (13.6MHz)内可为典型的。在非集成实验室样本中，可能可实现两倍高的Q因数。
[0096] 可如上文描述使用类似材料。
[0097] 在LF处，天线线圈可提供用于匹配或调谐目的的分接头。在HF处，特殊耦合环路 /线圈的使用可用于与天线的阻抗匹配。
[0098] 假定由能量发射器界定的固定操作频率，天线的谐振频率的调谐可补偿由以下原 因引起的去谐效应：
[0099] ?外来物体（LF处的金属物体，以及HF处的金属和电介质物体）
[0100] ?紧密接近的去谐功率接收器
[0101] ?负载阻抗的变化
[0102] 调谐还可补偿组件容限、老化等。
[0103] 可根据所界定程序由接收器的控制系统自动执行调谐。
[0104] 约+/-10%的分数调谐范围在大多数情境中可能是合乎需要的且也是足够的。
[0105] 谐振天线可通过改变反电抗（电容）或天线系统的电感性部分的电抗而改变。
[0106] 电容性调谐可通过以下操作实现
[0107] ?机械可调谐电容器（由微型马达/致动器驱动）
[0108] ?电可调谐电容器（电介质电容率调谐），或通过
[0109] ?电容器组（库）和电子或机械开关（RF中继器）
[0110] 电感性调谐也可如上文例如通过分接天线线圈并使用机械或电子开关（分接头 选择器）而使用。使用由微型马达/致动器驱动的可移动铁氧体磁芯的可调谐电感器或使 用DC电流偏置的电容率调谐可用于精细调谐。
[0111] 也可如上文使用电子仿真电抗调谐。
[0112] 也可如上文使用匹配。
[0113] 在高耦合因数条件下，整流器/负载可以与发射器类似的方式插入到串联振荡电 路中。然而，在低耦合因数条件下，使到达负载中的功率最大化的最佳负载电阻接近接收器 的振荡电路的谐振电阻。此值可能低至几欧姆，这取决于振荡电路的L/C比率。使用特殊 耦合环路和/或分接天线线圈和/或电容性分压器的特殊匹配可用于变换整流器/负载强 加的阻抗。
[0114] 整流器250将感应到接收器天线中的AC功率转换为DC功率。整流器使用具有低 阈值电压的例如二极管等电流整流电子组件，或同时切换到所接收AC的例如晶体管等电 子电路。
[0115] 整流器应耗散尽可能少量的功率。因此，可使用适当的天线匹配配置和负载阻抗 适应，尤其在使用简单的二极管整流器的情况下。
[0116] 同步整流可能较复杂，但提供低功率耗散的可能性，尤其在低整流器输入电压、低 阻抗情况下。
[0117] 负载包含
[0118] ?消耗所传送能量的目标负载（例如，装置的电池、装置电路）
[0119] ?由能量接收器自身供给强加的负载（控制功能）
[0120] ?负载阻抗适应和负载功率控制，例如使用DC/DC转换器，理想地具有最小功率 损耗。依据负载特性，此可充当下降或上升转换器。
[0121] 接收器的控制系统260实行：
[0122] ?天线调谐控制
[0123] ?功率和效率控制
[0124] ?频率产生，例如，如果负载需要不同于60Hz功率频率的频率，以及
[0125] ?其它内务处理功能，例如系统校准。
[0126] 在许多应用中，接收器的位置和定向（耦合因数）可改变。使接收器自动适于不同 条件以便将到达负载中的功率控制和维持在所需水平并使接收器效率最大化可存在优点。
[0127] 在单一接收器系统中，接收器可例如使用如上文描述的模型独立于发射器而适 应，所述模型使用特定测量值（例如，天线电流和电压、输入功率等）和校准例程来确定模 型参数。基于此本地模型，接收器的参数可经优化以使传送效率最大化并满足接收器的功 率要求。如果存在多个接收器，那么可使用以上模型技术，或能量接收器和/或发射器可向 彼此反馈数据。
[0128] 此外，所述系统可例如通过当人正接近寄生天线时减少其功率而实行辐射暴露控 制。与在发射器情况中一样，无线接口 270可省略，或可用于装置检测、识别、验证，或功率 发射器与功率接收器之间的通信/信令。
[0129] 能量接收装置的检测、识别和验证可使用当前RFID标准中的任一者类似于当前 RFID系统而使用。可使用针对发射器描述的技术中的任一者，包含使用功率载体作为通信 载体，或使用例如蓝牙、Zigbee等在其它ISM带中操作的无线标准。
[0130] 图3说明使用寄生天线在一区域中重发无线功率的能量中继系统。
[0131] 一般无线能量中继器使用以正重发的频率谐振的谐振寄生天线310。调谐电路 320可由电容器和电感器形成。所述系统使用匹配330、整流器340和（任选地）负载。控 制系统350控制操作。此能量中继器可用于扩展无线能量传送系统的覆盖/范围。其从能 量发射器接收能量并将所述能量中继到能量接收器。所述能量中继器还可视为局部放大场 强的寄生天线。
[0132] 在磁/电感耦合系统中，天线310通常为与电容器串联的多匝环路（线圈）。在较 高频率（HF)处，可使用单匝环路。天线线圈必须能够承受当能量中继子系统未负载（无接 收器在范围内）时和/或当中继器接近能量发射器时产生的高电压和电流。其必须提供尽 可能高的Q因数，因为此Q因数将限制扩展的服务覆盖和范围的边缘处的传送效率。
[0133] 在LF处可实现高达300的Q因数，且在HF频率范围（13. 6MHz)内可实现高达600 的Q因数。在非集成实验室样本中，Q因数可加倍。建置寄生天线所需的材料和组件可与 能量发射器中使用的那些材料和组件相同或类似。寄生天线310可以与上文论述的方式类 似的方式进行调谐。
[0134] 以类似方式，匹配330可使用上文描述的技术。整流器340用于提取例如由控制 系统和其它电路本地消耗的DC功率。这可使用与上文描述的结构类似的结构。控制系统 350可用于天线调谐控制和/或用于功率和效率控制。在一些应用中，中继器的位置和定向 (耦合因数）可改变。这可指示中继器应自动适于不同条件。
[0135] 在一实施例中，中继器可使用上文描述的技术中的任一者独立于能量发射器而适 应。
[0136] 还可使用无线接口（如上文描述）来检测、识别和验证能量中继器，以激活和减活 能量中继器和/或发射关于能量中继器的操作状态的信息
[0137] 无线功率系统可用于提供如图4所示的整个无线桌面IT环境。手持式通信终端 和IT外围装置经由无线能量传送从中央电源加电或再充电。用于无线能量传送的优选技 术是基于使用磁场天线的耦合磁共振，例如在LF或HF频率范围内操作的环路或线圈。
[0138] 图4展示使用具有屏幕400的个人计算机的无线桌面实施例。屏幕400具有底座 402,其中内嵌有天线404。所述底座可为盘状，且可内嵌圆形线环天线以产生大体垂直的极 化磁场。
[0139] 具有无线功率功能的装置可放置在桌面上且可从功率发射器单元接收功率。功率 发射器单元以及显示器400利用AC功率（例如，110VAC)操作。这可用于对桌面装置加电， 例如键盘410及其内部天线412、具有天线422的鼠标420,以及例如移动电话、音乐播放 器、PDA等其它个人电子装置。桌面上的这些项目的放置产生其内部天线（例如，412、422) 与发射环路天线404的优选共面定向。
[0140] 对于通常放置在再充电站上的例如无绳电话、数码相机等其它装置，无线功率接 收器及其天线可以是再充电站的一体部分（例如，430)。
[0141] 提供足够空间以集成更多有效天线的功率接收装置也可充当放置在那些装置附 近的其它低功率装置的功率中继器，如图5所示。
[0142] 其它实施例可用于低功率便携式电子装置的无线加电或充电站的变型。具有便携 式电子装置（例如，无绳电话）的无线加电或充电站的实例展示于图6和图7中。此实施 例可将寄生天线内嵌到充电底座中，所述充电底座将无线功率中继到便携式装置710中的 内部天线705。在此实施例中，内部天线705为铁氧体磁棒天线。由于装置710及其内部天 线705维持在相对于寄生天线700的指定位置，所以功率的中继可调谐到准确位置，且功率 传送可因此非常有效。
[0143] 一实施例使用磁耦合谐振将功率从源传送到接收器。与普通电感性耦合相比，松 散耦合的谐振环路/线圈天线（优选具有高质量因数）用于能量传送。操作频率优选在LF 或HF频率范围内。
[0144] 在变型1中（图7中描绘），无线充电站699和便携式装置720两者集成有谐振磁 性天线。充电站699优选容纳环路/线圈天线700,其有效利用站的插座中的空间，而便携 式装置使用集成的铁氧体磁棒天线或具有适宜的形状因数的另一环路/线圈结构。无线充 电站天线700为次级天线，其从功率基站初级天线（例如，800)接收电能。此电能接着中继 到便携式装置710的天线705,所述天线705为三级天线705。此原理在图8中说明。
[0145] 便携式装置710还可直接从功率基站800接收能量。集成在便携式装置710中的 天线705可能不如集成在充电站中的天线700有效。随着初级天线800与次级天线700之 间的距离增加，可直接接收较少功率。次级天线本质上局部放大充电站附近的磁场，从而增 加便携式装置中的接收天线的总体效率。因此，此实施例可用于增加无线加电和充电的距 离；然而，当单元放置成足够接近初级天线时，便携式装置也可直接从功率基站接收电能， 因此不需要特殊的充电站。此外，充电站与便携式装置之间的磁耦合可具有特殊优点-如 上文所论述，其可避免污染和氧化且可用于便携式装置的多种不同设计。
[0146] 另一实施例在图9中展示。在此实施例中，由无线充电站接收的电能使用经由触 点900、902的导电耦合转发到便携式装置。
[0147] 图10中所示的另一实施例经由有线连接例如在电线1010上直接从110/230V AC 源接收功率。然而，功率基于发射天线1020与接收天线1030之间的磁耦合谐振而转发到 便携式装置。
[0148] 无线功率的另一应用为无线功率桥，其认识到在某些情形中，可便利地经由墙壁 或窗户发射功率。
[0149] 第一实施例可使用此装置对膝上型PC或者在露台或阳台（那里没有AC插座）上 具有有限自主性的其它电池操作的装置加电。安装AC插座可能不是便利的，且唯一的替代 方法是延长绳路。在此实例中，可使用无线解决方案，其可促进经由墙壁或窗户传送功率。 此无线功率传送系统的室内组件可保持永久安装，且室外组件为可容易在运输袋中携带的 重量轻的附件或膝上型PC。
[0150] 另一实施例使用此系统以对安装到住宅的外壁的传感器（例如，防盗报警器系 统）加电，在住宅的外壁处原本可能难以对那些装置加电。
[0151] 无线功率桥可提供标准AC插座或DC电源出口（例如，12VDC)。无线功率桥的这 两个变型分别在图11和12中勾勒。发射子系统还可产生不可见的本地功率热点，其使得 能够容易使用兼容的接收装置从壁的另一侧接入电功率。
[0152] 无线功率桥是基于谐振发射天线与谐振接收天线之间的磁场电感性耦合。此使用 例如50Hz的非调制载波频率，其对于经由墙壁或窗户的无线发射是适当的。优选的频率在 从20kHz到135kHz (VLF、LF)的范围内。另一实施例直接使用AC功率频率（通常60Hz)进 行无线能量传送。一个实施例有效地经由几_到40厘米的范围内的厚度（还依据天线的 尺寸）的非金属壁传送功率。这是通过使用具有高Q因数（通常> 200)的施加耦合谐振 的两个谐振天线来实现。
[0153] 依据系统的尺寸设计和发射天线与接收天线的分离（发射距离），系统可能够传 送高达100W或类似的功率。这可用于向具有类似功率消耗的例如膝上型计算机或其它装 置供电。
[0154] 所述系统通常由以下组件组成：
[0155] ?电源线，其用以连接到标准AC插座（例如，110VAC/60HZ或220VAC/50HZ)。
[0156] ?发射功率转换器单元，其将电源AC电压和频率（例如，110VAC/60HZ或 220VAC/50HZ)转换为可更适于经由墙壁或窗户无线发射的另一电压并转换为另一频率 (通常> 50Hz)。在一个实施例中，发射功率转换器单元使用标准60Hz频率作为功率发射。
[0157] ?发射天线单元（平板），其在操作频率上谐振。
[0158] ?接收天线单元（平板），其集成多匝环路（线圈）和电容器以实现所需操作频率 下的谐振。
[0159] ?接收功率转换器单元，其集成AC/DC或AC/AC频率转换器，所述频率转换器将用 于无线发射的频率重新转换为所需DC电压或标准AC电源电压和频率。
[0160] 图11展示用以经由墙壁和经由窗户发射功率的布置。发射天线与接收天线之间 的距离可改变，因此改变耦合因数。在一个实施例中，所述系统自动适应实际条件以便满足 接收侧的功率要求并使传送效率最大化。
[0161] 此外，所述系统可提供自动天线调谐以补偿由环境或组件容限引起的去谐效应。
[0162] 发射和接收天线可同轴对准以获得最大传送效率。可使用建置到接收功率转换器 单元中的指示器（例如，较低功率LED)，其中LED在耦合改进时较亮。此技术可用于找到接 收天线的最佳位置，从而产生最大传送效率。
[0163] 图13展示可与本申请案中描述的无线功率实施例中的任一者一起使用的发射子 系统的框图。所述子系统包含发射功率转换器单元1300,以及发射天线单元1310。
[0164] 发射功率转换器单元1300具有若干子单元。整流器和滤波器组合件1320产生由 随后级使用的原始DC电压。此可由DC/DC转换器1330使用，所述DC/DC转换器1330提供 最终馈送到发射天线单元1310的功率。辅助DC/DC转换器1340可用于向频率产生和控制 子单元供应功率。还可对调谐网络1350加电，以便维持精确的谐振，从而使天线电流最大 化。天线电流感测1360可类似地基于来自转换器的功率依据量值和相位测量天线电流。
[0165] 频率产生和控制子单元1370实行许多不同的功能，包含：
[0166] -产生用于无线功率发射的频率，驱动功率级，例如半桥反相器1380，
[0167] -自动控制发射子系统的功能（如本文所描述）以控制无线功率桥的功率和效率。
[0168] -控制用于发射子系统的手动控制的人接口，此可包含例如激活/减活、功率控制 等。
[0169] 无线功率桥可经配置以传送达100W的功率，且可使用具有与用于为例如膝上型 计算机或其它类似功率装置供电的外部电源的形状因数和外观类似的形状因数和外观的 发射功率转换器单元。
[0170] 整流器和滤波器子单元1320可包含由频率产生和控制子单元经由控制接口 A控 制的功能。通常，DC/DC转换器1330是下降转换器，其提供低于其输入电压的输出DC电压。 一般来说，由DC/DC转换器1330产生的输出电压是可变的，且由频率产生和控制子单元经 由用于功率控制的控制接口 B控制并实现最大能量传送效率。
[0171] 在一个实施例中，此DC/DC转换器可省略，在所述情况下功率级（半桥反相器）直 接由整流器和滤波器子单元供电。在一个实施例中，可使用开关电源。
[0172] 辅助DC/DC转换器子单元1340提供固定DC输出电压以对频率产生和控制子单元 1370以及其它经加电单元供电。
[0173] 产生用于无线功率发射的功率载波的功率级优选为使用呈'推挽'配置的两个电 子功率开关（例如，FET或晶体管）的半桥反相器1380。功率级由频率产生和控制子单元 经由控制接口 B驱动和控制。通过修改功率级的DC电源电压以及由频率产生和控制子单 元产生的开关波形的工作循环/脉冲宽度来实现功率和传送效率控制。
[0174] 在其中DC/DC转换器提供固定DC输出电压的一个实施例中，功率和传送效率仅由 开关波形的工作循环控制。
[0175] 在其中标准AC电源频率直接用于无线功率发射的另一实施例中，功率级由通过 频率产生和控制子单元控制的相位受控调制器形成。
[0176] 调谐网络1350可用于调节参数以维持天线在谐振下操作。在一个实施例中，可使 用固定且晶体稳定的发射频率。这可辅助频率调整问题以减小对其它系统的有害电磁干扰 的风险。
[0177] 对于需要最大发射范围和效率因此以高'负载Q因数'操作的所有应用尤其如此。
[0178] 调谐网络还可补偿由发射天线附近的接收子系统和/或外来物体以及由功率级 的源阻抗中的电抗性分量引起的可能的去谐效应。
[0179] 调谐网络还可补偿发射天线单元及其馈电电缆的组件的容限（老化）。
[0180] 调谐网络还可由频率产生和控制子单元经由控制接口 C控制。
[0181] 某些实施例可仅需要有限发射范围（例如，发射天线与接收天线之间的高耦合因 数）。在所述情况下，可不需要调谐网络。
[0182] 天线电流感测由频率产生和控制子单元使用以依据量值和相位测量天线电流 (感测接口 D)。电流感测应以不会使天线系统的Q因数恶化的方式完成。在一个实施例中， 使用接收装置上的电压传感器，其将接收信息馈送到发射器。自适应功率发射器逐步斜升 功率并感测所激励的功率电平。
[0183] 频率产生和控制子单元产生用以驱动形成功率级的半桥反相器的频率和开关波 形。所述子单元还使用天线电流感测来测量发射天线电流，并调节发射功率转换器的操作 参数以满足接收器的功率要求（在指定限度内）。以此方式，功率转换器可实现最大能量传 送效率。在一个实施例中，可根据我们在2009年2月26日申请的第12/394, 033号共同待 决申请案中描述的技术实行最大操作，所述申请案的整个揭示内容以引用的方式并入本文 中。
[0184] 在一个实施例中，频率产生和控制子单元不与接收子系统的其它实体通信。两个 子系统独立地起作用以确定如何满足连接到接收子系统的外部负载的功率要求，以用在最 大能量传送效率处收敛的方式优化发射和接收两侧上的操作参数。
[0185] 频率和控制子单元1370还可包含用于激活/减活发射功率转换器单元并手动修 改参数的用户接口。
[0186] 发射天线单元1310为纯无源装置，其由发射功率转换器单元经由天线馈电电缆 1309馈电。电缆1309可为通常lm的长度，且可具有一质量并具有与标准双线AC电缆的额 定电压类似的额定电压。
[0187] 发射天线单元包含多匝环路（线圈）和高电压电容器，从而形成串联振荡电路的 主要部分。多匝环路由良好绝缘的铜线制成，所述铜线经设定以承受可能在最差情况下发 生的天线电压。在典型的设计中，r.m.s.电压可高于1000V，这取决于系统实际额定功率和 指定的最大发射距离。
[0188] 假定20kHz与135kHz之间的范围内的操作频率，优选地可使用例如利兹线等适当 绞合线来减小来自集肤效应和邻近效应的涡电流损耗并使未负载Q因数最大化。
[0189] 在典型的设计中，电容器应经定尺寸以承受> 1000V的r.m.s.电压，这取决于系 统的实际额定功率、电路的实际Q因数，和指定的最大发射距离。
[0190] 平板发射天线单元的典型布局展示于图14中。天线1400由线圈部分1405和高 电压电容器1410形成。高电压电容器1410安装在环路的内部以节省空间并提供针对给定 外部轮廓形状因数的最大环路尺寸。由于HV电容器集成到天线单元中，所以由于以高Q因 数（高负载Q)谐振产生的高电压保持在其内部，且不出现在馈电电缆上也不出现在发射功 率转换器单元中。这因此简化设计并放松某些要求。
[0191] 发射天线单元100可提供特殊夹具，其简化平板天线到墙壁或窗户的永久安装或 临时悬置。图14展示吸盘1420和悬置把手1422。
[0192] 接收子系统展示于图15中。与发射子系统中一样，接收子系统由接收天线单元和 接收功率转换器单元1510形成。这些单元中的许多单元非常类似于那些上文论述的单元。
[0193] 接收天线单元1500可与发射天线单元1310相同。在另一实施例中，接收天线的 尺寸设计可在形状因数、组成和电特性方面不同，以便适合此装置。
[0194] 接收天线单元经由天线馈电电缆1501(类似于电缆1309)对接收功率转换器单元 馈电。
[0195] 接收功率转换器单元1510可包含以下各项中的任一者或全部：天线电流感测 1520 ;调谐和匹配网络1530,其用以通过使天线电流最大化而维持接收天线的精确谐振， 并将整流器与接收天线匹配；整流器1540,其产生随后的级所需的原始DC电压。
[0196] DC/DC或DC/AC转换器1550可用于分别产生DC或标准AC电源输出，其中电压和 电流满足连接到接收子系统的外部负载1599的要求。其还可包含辅助DC/DC转换器1555 以对频率产生和控制子单元以及其它功率消耗单元供电。
[0197] 电压感测1560和电流感测1565可用于测量进入外部负载1599中的输出电压和 输出电流。
[0198] 与发射单元中一样，存在频率产生和控制子单元1570,其自动控制发射子系统的 所有相关功能和参数以控制无线功率桥的功率和效率。这还可包含（例如）用户接口，其 经由人接口控制设置的手动控制和修改。这可包含激活/减活、额定功率、额定电压和电流 等。
[0199] 单元1570还可产生标准AC电源频率，如针对外部负载所指定。
[0200] 假定无线功率桥经尺寸设计以传送达100W的功率，接收功率转换器单元可能通 常具有与用于为例如膝上型计算机或其它具有类似额定功率的器具供电的外部电源的形 状因数和外观类似的形状因数和外观。
[0201] 天线电流感测由频率产生和控制子单元使用以经由感测接口 D测量接收天线电 流。电流感测优选地不应使天线系统的Q因数恶化。
[0202] 调谐和匹配网络通常用于确保接收天线在谐振下操作且整流器的输入阻抗与接 收天线最佳匹配。对于需要最大发射范围和效率的所有应用尤其如此。
[0203] 调谐和匹配网络如上所述补偿由发射子系统和/或接收天线附近的外来物体以 及由整流器的负载阻抗引起的可能的去谐效应。其补偿接收天线单元及其馈电电缆的组件 的容限（老化）。
[0204] 调谐和匹配网络由频率产生和控制子单元经由控制接口 C控制且还可由其重新 配置。
[0205] 无线功率桥的一个实施例仅需要有限的发射范围，例如针对发射天线与接收天线 之间的高耦合因数原本将发生的情况。在此情况下，可省略调谐和匹配网络。
[0206] 整流器对引入到接收天线中的AC电压进行整流和滤波，从而向随后的级提供原 始DC馈送。整流器和滤波器子单元可包含由频率产生和控制子单元经由控制接口 A (如上 所述）控制的功能。
[0207] DC/DC或DC/AC转换器可依据应用而为下降或上升转换器，从而提供满足连接到 接收子系统的外部负载的要求的输出电压和电流。一般来说，由DC/DC或DC/AC转换器产 生的输出电压或电流是可变的，且由频率产生和控制子单元经由控制接口 B控制。在一个 实施例中，此转换器可省略，且外部负载接着直接由整流器馈送。
[0208] 在其中标准AC干线频率直接用于无线功率发射的一实施例中，DC/DC或DC/AC转 换器可例如由控制进入外部负载中的输出电压和电流的相位受控调制器替代。
[0209] 辅助DC/DC转换器子单元提供固定DC输出电压以为频率产生和控制子单元供电。
[0210] 频率产生和控制子单元自动控制接收子系统的所有相关功能和参数以满足外部 负载的电压和电流要求并使能量传送效率最大化。如果需要，其产生外部负载所需的标准 AC频率并将此频率经由控制接口 A馈送到DC/AC转换器子单元。
[0211] 另外，此借助天线电流感测来测量天线电流，并分别借助电压和电流感测来测量 DC或AC输出电压和电流。这些测量可用于计算和/或调节接收功率转换器单元的相关操 作参数和配置以便满足接收器的功率要求（在指定限度内）并使能量传送效率最大化。
[0212] 接收子系统独立于发射子系统起作用以满足外部负载的要求，同时优化接收操作 参数以使传送效率最大化。
[0213] 频率和控制子单元还可提供人接口，其用于激活/减活接收功率转换器单元并手 动修改参数或配置。
[0214] 当使用在能量发射器和能量接收器两者中均具有最高可能质量因数的谐振天线 电路时，基于磁耦合谐振的有效无线能量传送可能更有效。
[0215] 高Q因数结合大约几瓦特的能量传送意味着LC振荡电路中的高无功功率，因为Q 因数可表达为：
[0216] 等式 5-1

【权利要求】
1. 一种经配置以经由磁场发送功率的设备，所述设备包括： 天线电路，其经配置以经由所述磁场在足以对接收器装置充电或供电的磁场强度级处 电感性地发送功率； 检测电路，其经配置以检测其中在所述磁场强度级处电感性地发送功率的所述磁场的 区域内的生物的存在；以及 控制器，其经配置以响应于检测所述磁场的所述区域内的所述生物的所述存在而调整 所述磁场强度级。
2. 根据权利要求1所述的设备，其进一步包括驱动器电路，其经配置以在大致等于所 述天线电路的谐振频率的频率处驱动所述天线电路。
3. 根据权利要求1所述的设备，其中所述检测电路经配置以基于微波检测而检测所述 生物的所述存在。
4. 根据权利要求1所述的设备，其中所述检测电路包含经配置以检测所述生物的所述 存在的红外传感器。
5. 根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器经配置以将所述磁场强度级减少到较 低磁场强度级或大致等于零中的至少一者。
6. 根据权利要求5所述的设备，其中所述较低磁场强度级对应于经配置以避免对所述 生物的生物伤害的级别。
7. 根据权利要求5所述的设备，其中所述较低磁场强度级基于比吸能率SAR。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中所述区域对应于所述天线电路的近场。
9. 一种经由磁场发送功率的方法，所述方法包括： 经由所述磁场在足以对接收器装置充电或供电的磁场强度级处电感性地发送功率； 检测电感性地发送功率的所述磁场的区域内的生物的存在；以及 响应于检测所述磁场的所述区域内的所述生物的所述存在而调整所述磁场强度级。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中调整所述磁场强度级包括将所述磁场强度级减 少到较低磁场强度级或大致等于零中的至少一者。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述较低磁场强度级对应于经配置以避免对所 述生物的生物伤害的级别。
12. 根据权利要求10所述的方法，其中所述较低磁场强度级基于比吸能率SAR。
13. 根据权利要求9所述的方法，其中检测所述生物的所述存在包括基于微波检测而 检测所述生物的所述存在。
14. 根据权利要求9所述的方法，其中检测所述生物的所述存在包括经由经配置以检 测所述生物的所述存在的红外传感器而检测所述生物的所述存在。
15. -种经配置以经由磁场发送功率的设备，所述设备包括： 用于经由所述磁场在足以对接收器装置充电或供电的磁场强度级处电感性地发送功 率的装置； 用于检测电感性地发送功率的所述磁场的区域内的生物的存在的装置；以及 用于响应于检测所述磁场的所述区域内的所述生物的所述存在而调整所述磁场强度 级的装置。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中所述用于调整所述磁场强度级的装置包括用于 将所述磁场强度级减少到较低磁场强度级或大致等于零中的至少一者的装置。
17. 根据权利要求16所述的设备，其中所述较低磁场强度级对应于经配置以避免对所 述生物的生物伤害的级别。
18. 根据权利要求16所述的设备，其中所述较低磁场强度级基于比吸能率SAR。
19. 根据权利要求15所述的设备，其中所述用于检测所述生物的所述存在的装置包括 用于基于微波检测而检测所述生物的所述存在的装置。
20. 根据权利要求15所述的设备，其中所述用于检测所述生物的所述存在的装置包括 经配置以检测所述生物的所述存在的红外传感器。
【文档编号】H02J7/02GK104242420SQ201410449601
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2009年3月5日 优先权日:2008年3月5日
【发明者】奈杰尔·P·库克, 卢卡斯·西贝尔, 汉斯彼得·威德默 申请人:高通股份有限公司