用于便携式设备的感应充电的系统和方法

用于便携式设备的感应充电的系统和方法
【专利摘要】用于对便携式设备或电池进行感应式供电和充电的系统基座单元，包括：一个或更多个由非铁氧体材料构成、并且被制成平面螺旋形线圈的形状的初级线圈，所述初级线圈能够产生用于对多个设备或电池同时供电或充电的感应能量；接收器单元，包括也由非铁氧体材料构成、并且被制成平面螺旋形线圈的形状的接收器线圈，所述接收器线圈耦接至或并入至便携式设备或电池，其中次级线圈感应地接收来自初级线圈的能量并且使用该能量来对便携式设备或电池充电或供电；基座单元中的用于允许位于基座单元上的设备或电池的位置无关度并且选择性地激活一个或更多个初级线圈的装置；其中基座单元可同时对具有附加的次级线圈的附加的便携式设备或电池进行充电或供电。
【专利说明】用于便携式设备的感应充电的系统和方法
[0001] 本申请是申请日为2008年5月8日、申请号为200880023854. 4(国际申请号为 PCT/US2008/063084)、发明名称为"用于便携式设备的感应充电的系统和方法"的发明专利 申请的分案申请。
[0002] 版权申明
[0003] 本专利文件的一部分公开内容包含受到版权保护的内容。该版权所有者并不反对 任何人对出现在专利商标局的专利文献或收录中的该专利文件或专利公开进行复制再现， 但是对于其他所有情况保留全部版权。
[0004] 优先权的要求
[000引 本申请要求在2008年5月7日提交的、名称为"SYSTEM AND MET册D FOR INDUCTIVE CHARGING OF PORTABLE DEVICES"的美国专利申请 12/116, 876 的优先权， 该篇美国专利申请是在2007年1月30日提交的名称为"INDUCTIVE POWER SOURCE AND CHARGING SYSTEM"的美国专利申请11/669, 113的部分接续申请，美国专利申请 11/669, 113 要求了在 2006 年 1 月 31 日提交的名称为"PORTABLE INDUCTIVE POWER SOURCE"的美国临时专利申请60/763, 816、在2006年6月1日提交的名称为"MOBILE DEVICE, CHARGER, AND POWER SUPPLY"的美国临时专利申请 60/810, 262、在 2006 年 6 月 1 日提交的名称为"MOBILE DEVICE, BATTERY, CHARGING SYSTMEM, AND P0肥R SUPPLY"的 美国临时专利申请60/810, 298、W及在2006年12月5日提交的名称为"SYSTEM FOR PROVIDING A PORTABLE INDUCTIVE POWER SOURCE"的美国临时专利申请 60/868, 674 的 权益。本申请还要求在2007年5月8日提交的名称为"CHARGING AND POWERING MOBILE DEVICES, BATT邸lES"的美国临时专利申请60/916, 748、在2007年7月30日提交的名称 为 INDUCTIVE CHARGING OF PORTABLE DEVICES"的美国临时专利申请 60/952, 835、在 2007 年 12 月 12 日提交的名称为"WIRELESS CHARG邸 WITH POSITION INSENSITIVITY"的美国 临时专利申请61/012, 922、在2007年12月12日提交的名称为"CONTROL REGULATION, AND COMMUNICATION IN CHARGERS"的美国临时专利申请 61/012, 924、在 2007 年 12 月 20 日提 交的名称为"PORTABLE INDUCTIVE POWER SOURCE"的美国临时专利申请61/015, 606、W及 在 2008 年 4 月 7 日提交的名称为"INDUCTIVE POWER SOURCE AND CHARGING SYSTEM"的美 国临时专利申请61/043, 027的权益；本申请还与在2007年6月1日提交的名称为"POWER SOURCE, CHARGING SYSTEM, AND INDUCTIVE RECEIVER FOR MOBILE DEVICES"的共同待审的 美国专利申请11/757, 067相关，在此通过参考并入每一个上述申请。

【技术领域】
[0006] 本发明总的来说设及电源、功率源，并且具体地设及用于便携式设备的感应充电 的系统和方法。

【背景技术】
[0007] 现今，存在对用于商业、商务、个人、消费者W及其他应用的便携式或移动设备供 电需要。该样的设备的例子包括移动电话、个人数字助理（PDA)、笔记本计算机、移动电子邮 件设备、黑替设备、藍牙头戴式设备、助听器、音乐播放器（例如，MP3播放器）、收音机、压缩 磁盘播放器、视频游戏控制台、数码相机、步话机或其他通信设备、GI^S设备、膝上笔记本计 算机、电动剌须刀、W及电动牙刷。该些设备中的大多数包括可充电内部电池，在设备自身 可W被使用之前必须由外部电源或充电器首先对所述可充电内部电池进行充电。电源典型 地通过特殊连接器提供直流值C)电压给设备。然后电源可W断开连接并且设备将在短时 间段内持续运转直到电池耗尽。不同设备的电压和功率要求不同，而且至今该些设备没有 标准连接器。该导致每个移动设备总是与其自己的充电器捆绑而被出售或分发。与该些多 个不同类型和数量的充电器相关的成本通过并入移动设备所收取的价格而间接地由消费 者付费。
[000引移动产品的总数和多样性的快速增长已经意味着大多数人拥有多个上述设备。在 典型的一天中，使用者将不得不分别地将多个设备连接到它们合适的充电器W对每个设备 充电。另外，很多人发现需要在如办公室和车辆的不同地点对他们的设备进行充电。因此， 很多用户已经购买了用于他们的办公室和车辆的另外的充电器W用于在该些地方对他们 的移动电话、笔记本计算机和音乐播放器进行充电。
[0009] 很明显上述情况导致了典型的使用者拥有大量的不兼容设备（即电源和充电 器），上述设备实质上提供同样的对移动设备充电的功能，但是由于使用者必须持有的上述 设备数量和多样性，所W上述设备不便于使用。在很多情况中，使用者仅仅是忘记对他们的 设备充电或者在不能获得合适的充电器的情况中发现他们需要对他们的设备再次充电。该 导致了在期望或需要时失去设备的可用性。
[0010] 另外，当远离家旅行时，移动的使用者有他们需要打包或者携带用于他们的设备 的多个充电器的特定的问题。在很多情况中，该些充电器比设备本身更庞大和沉重，并且在 国外使用该些设备需要笨重的适配器，并且有时需要电压转换器。该导致了对于经常移动 的消费者极大的不便利。
[0011] 另外，通常低成本地制造用于移动设备的电力连接器，并且该是机械或电气故障 的源头。在很多应用中，如电动牙刷或设备暴露在于水并且需要被密封的应用中，不能使用 该样的物理连接。因此必须使用替代的对该类设备供电的方式。
[0012] 多种产品已经尝试解决该情况。一些公司提出使用由电源基座单元W及可更换的 尖端（tip)构成的通用充电器，所述尖端匹配进所述基座并且继而匹配不同的设备。所述 尖端包括定制的调节器，其设定特定设备所需要的电压。但是，使用者必须携带他或她所需 要W用于其拥有的多种设备的多个附加物，然后通过将该设备连接至电源来对每一个设备 顺序充电。虽然该产品减少了使用者必须携带的充电工具的整体重量，但使用者仍然需要 携带和更换尖端W连接至不同设备。另外，通常不可能W同时对多个设备充电。
[0013] 意识到电源典型地包含用于电压转换的变压器，另外一个方法是将变压器分割为 两个部分；第一部分可包含第一绕组和W恰当的操作频率驱动该绕组的电子装置，而第二 部分由接收电源并其后将其整流W获得DC电压的绕组构成。如果将该两个部分放置于彼 此物理上的邻近，则感应地，即通过感应，将功率从第一部分传递至第二部分，而无任何物 理电连接。在期望在潮湿的环境下使用的许多电动牙刷、剌须刀W及其他产品中使用该方 法。但是，该样的感应单元所具有的共同问题在于绕组庞大，其限制了它们在轻重量便携式 设备中的应用。更进一步，为了实现足量的功率传输，所述部分必须被设计为恰当的匹配在 一起W使得他们的绕组接近地对准。该典型地通过模制设备外壳（例如，电动牙刷）W及 其充电器/容纳器来实现，从而它们仅通过一个合适的方式匹配在一起。但是，模制基座和 便携式设备的形状意味着不能W统一方式使用它们W对其他设备供电。
[0014] 基于感应的概念，一些公司提出了垫形充电设备，但其也只是表面上允许用于需 要充电的不同类型的设备。该些垫典型地包括在X和y方向上的承载电流并且产生与垫表 面平行的均匀磁场的线网格。接收器线圈缠绕在位于垫表面的磁巧上并且拾取平行于该表 面的磁场，并且W该种方式可W传输能量。但是，该些方法中的每一种都遭受不良的功率传 输，该是由于初级的大部分功率并没有在接收器中被拾取，并且因此充电器的整体功率效 率很低。另外，用于初级和接收器的磁巧通常很庞大，增加了系统的整体成本和体积，并且 限制了将其并入许多设备中。
[0015] 需要注意的另一点是，虽然上述所有设备允许使用者对设备充电，但是它们还需 要充电设备或者基座单元电连接至电源，如电源插座或DC电源。在很多情况中，如在旅行、 宿营或在不能获得电源的地方工作时，使用者可能不能获得该样的电源。但是，至今，还没 有提供该样的设备，其便携并且允许对于多个具有不同功率要求的设备感应充电，并且它 本身可W通过外部电源或其他方式间歇的或偶尔的被充电，或者它是自供电的或者包括自 己的电源。


【发明内容】

[0016] 在此公开了一种用于对电气、电子、电池操作的、移动式及其他设备或可充电电池 供电或者充电的便携式感应电源、供电设备或单元。根据一实施例，该系统包括2个部分： 第一部分为垫或类似的基座单元，其包含通过施加交变电流至绕组、线圈或任何类型的载 流线来产生交变磁场的初级。系统的第二部分是接收器，其包括用于从来自垫的交变磁场 接收能量并且将之传输至移动或者其他设备或可充电电池的部件。接收器可包括能够感应 (sense)变化磁场并且对其整流W产生随后用于对设备充电和供电的直流值C)电压的线 圈、绕组或任何线。
[0017] 在一些实施例中，接收器还可包括电子元件或逻辑W将电压和电流设定为移动设 备或设备中的充电电路所需要的恰当等级，或W与垫交换信息。在另外的实施例中，充电或 供电系统可提供附加的功能，如存储在电子设备中的或者要传输给设备的数据的通信。一 些实施例还可并入效率措施，所述效率措施改进充电器与接收器之间、并且最终至移动设 备或电池的功率传输的效率。根据一实施例，充电器或电源包括用于自供电操作的内部电 池。根据其他实施例，充电器或电源可包括太阳能电池电源、手动曲柄、或其他用于临时自 供电操作的电源的装置。其他实施例可被并入充电亭、汽车、火车、飞机或其他交通工具和 其他应用。
[0018] 根据多种实施例，可向系统并入附加特征W提供更高的功率传输效率W及允许容 易地对系统进行改动W用于具有不同功率要求的应用。该些附加特征包括；对用于制造初 级和/或接收线圈的材料的改变；用于初级和/或次级侧上的修改的电路设计；W及执行 特殊任务的附加的电路和元件，所述特殊任务如移动设备识别，W及对于不同的设备自动 进行电压或功率设定。

【专利附图】

【附图说明】
[0019] 图1示出了根据一实施例的使用多个发射器或充电器线圈的垫。
[0020] 图2示出了根据一实施例的电路图。
[0021] 图3示出了根据一实施例的使用多个线圈的充电垫。
[0022] 图4示出了根据一实施例的使用多个重叠线圈层的充电垫。
[0023] 图5示出了根据一实施例的在重叠垫层中的多个线圈类型和尺寸的使用。
[0024] 图6示出了根据一实施例的具有集成电池的接收器。
[0025] 图7示出了根据一实施例的具有将被充电或供电的设备的接收器的禪接。
[0026] 图8示出了根据一实施例的允许模块化的（modular)或多个的连接的垫。
[0027] 图9示出了根据一实施例的电路图。
[002引图10示出了根据一实施例的电路图。
[0029] 图11示出了根据一实施例的电路图
[0030] 图12示出了根据一实施例的功率传输图。
[0031] 图13示出了根据一实施例的线圈布线图。
[0032] 图14示出了根据一实施例的线圈布线图。
[0033] 图15示出了根据一实施例的具有多个线圈的充电垫。
[0034] 图16示出了根据一实施例的具有可移动线圈的充电垫和两个接收功率或充电的 设备。
[0035] 图17示出了根据一实施例的电路图。
[0036] 图18示出了根据一实施例的堆叠线圈的装置的图示。
[0037] 图19示出了根据一实施例的用于识别验证的电路图。
[003引图20示出了根据一实施例的用于双向通信的电路图。
[0039] 图21示出了根据一实施例的用于输出控制器的电路图。
[0040] 图22示出了根据一实施例的用于具有调节器的接收器的电路图。
[0041] 图23示出了根据一实施例的用于MCU调节的电路图。
[0042] 图24示出了根据一实施例的用于单向通信的电路图。
[0043] 图25示出了根据一实施例的用于基于时间的调节的电路图。
[0044] 图26示出了根据一实施例的反激（flyback)电源结构的高层视图。
[0045] 图27示出了一实施例，其中监测向负载的输出电压并随着负载情况的改变，巧片 或微控制器单元（MCU)改变阳T驱动器的频率或占空比W获得最优操作。
[0046] 图28示出了根据一实施例的充电器的实现，其中初级与接收器级无线地通信。
[0047] 图29示出了包括零电压设定狂VS)的实施例。
[0048] 图30示出了一实施例，其中取代数字反馈电路，可W使用基于在发光二极管 (LED)和光检测器之间的禪合的模拟电路。
[0049] 图31示出了一实施例，其中由压控振荡器（VC0)和FET取代光禪 (opto-coupler)，并且在初级中发送信号W调节频率控制器从而提供最优输出电压。
[0050] 图32示出了一实施例，其中无线连接可W是模拟的或数字的或可W被集成在设 备中W利用设备中已有的无线连接。
[0051] 图33示出了根据一实施例的感应式单线圈充电系统的基本示意图。
[0052] 图34示出了根据一实施例的无线供电/充电系统的主要部件。
[0053] 图35示出了根据一实施例的用于所传输的功率和功率传输的典型实验曲线。
[0054] 图36示出了使用线圈镶嵌（coil mosaic)来覆盖垫的表面面积的实施例。
[0055] 图37示出了一实施例，其中可化围过使用电气或电子开关减少驱动（和感应）电 路的数量。
[0化6] 图38示出了一实施例，其中布置=线圈层PCB W提供在任何给定时间仅使用一个 被供电的线圈来在一区域内提供均匀功率的集簇
[0化7] 图39示出了一实施例，其中布置线圈W使得通过仅给集簇中的一个线圈供电，其 中屯、在有效区域中任何位置内而被放置的任何接收器线圈在恰当的充电线圈被激活的情 况下能够接收到特定的功率。
[005引图40示出了一实施例，其中减少了所需要的开关的数量。
[0化9] 图41示出了一多充电器垫的实施例，该多充电器垫并入多个充电集簇。
[0060] 图42示出了一实施例，其使用两层的S个线圈的集簇W及中屯、线圈W产生有效 区域。
[0061] 图43示出了每个线圈的中屯、端口（center port)被示出为圆形的六边形线圈的 镶嵌。
[0062] 图44示出了包括顶视图的MEMS垫的一实施例。
[0063] 图45示出了包括分割的MEMS充电垫的MEMS垫的一实施例
[0064] 图46示出了一实施例，其中一个或多个调节的电源与充电垫连接。
[00化]图47不出了根据一实施例的在垫的表面的触点阵列。
[0066] 图48示出了根据一实施例的MEMS感应充电垫的侧视图。
[0067] 图49示出了一实施例，其中多个调节电源给垫供电W允许同时对多个设备充电。
[0068] 图50示出了使用分割的表面的垫的替代的实施例。
[0069] 图51示出了用于测量从产品的发射的工业标准装置。
[0070] 图52示出了阐释通过铜层的吸收的实施例。
[0071] 图53不出了用于多个厚度的铜和侣层的畏减值。
[0072] 图54示出了对于IMHz的入射场来说通过具有变化的厚度的铜和侣层的所传输的 功率。
[0073] 图55示出了一实施例，其允许用于在充电器和接收器中的线圈之间获得局部对 准独立性。
[0074] 图56示出了一实施例，其中线圈磁体能够划分为各部分。
[00巧]图57示出了一实施例，其中在每个线圈后可使用一个或多个对准磁体。
[0076] 图58示出了根据一实施例的包括用于自供电操作的内部电池的、用于感应功率 充电的设备的图示。
[0077] 图59示出了根据一实施例的具有用于自供电操作的太阳能电池电源的感应充电 器单元的图示。
[007引图60示出了根据一实施例的具有所并入的通信和/或存储单元的感应充电器的 图示。
[0079] 图61示出了根据一实施例的并入感应充电单元的亭的图示。
[0080] 图62示出了根据一实施例的一些普通的规则（无充电器）的移动电话支座类型。
[0081] 图63示出了根据一实施例的包括外部可充电电池组的、用于音乐播放器的各种 产品。
[0082] 图64示出了根据一实施例的包括硬盘、可充电电池和无线连接的多功能设备。
[0083] 图65示出了根据一实施例的与充电盒一起使用W向移动设备感应供电或充电的 系统。
[0084] 图66示出了根据一实施例的使用多个接收器/增能器（energizer)线圈的垫。
[0085] 图67示出了根据一实施例、在使用了多个线圈的多充电器或电源中，该样的高热 传导层可W在每个线圈周围被重复放置或覆盖多个线圈之间的所有面积。
[0086] 图68示出了一个可用于为其他形状或类型的绕制线圈散热的相似方法。
[0087] 图69示出了一实施例，其中将层形成图样W提供热传导沟道，而不是连续的层。 [008引图70示出了根据一实施例的在与线圈的相同的PCB上制造的电路的图示，所述电 路用于PCB线圈感应充电器和/或电源或感应接收器。
[0089] 图71示出了一实施例，其中被放置在静止线圈或移动、浮置充电器和/或电源线 圈和接收器线圈的中屯、的磁体可提供用于对准线圈和实现该结果的方法。
[0090] 图72示出了一实施例，其中使用不横跨线圈中屯、的两个或多个磁体。
[0091] 图73为示出根据一实施例的磁体如何可W被放置在PCB线圈区域之外的图示。
[0092] 图74示出了一实施例，其中使用围绕圆形（circular)线圈的磁性弧形部分。
[0093] 图75图示了根据一实施例的在线圈上或周围的条形磁体的使用。

【具体实施方式】
[0094] 在该里公开了用于给电气、电子、电池操作的、移动的、可充电电池和其他设备供 电或充电的便携式感应电源、供电设备或单元。根据一实施例，该系统包括两个部分：第一 部分为垫或类似的基座单元，其包含通过施加交变电流至绕组、线圈或任何类型的载流线 来产生交变磁场的初级。在一些实施例中，该垫还可包括多种信令、和切换或通信电路、或 者识别将被充电或供电的设备和电池的存在的装置。在一些实施例中，该垫还可包含多个 线圈或部分W给各种设备充电或供电，或者允许给放置在垫上的任何位置的设备和电池充 电或供电。系统的第二部分是接收器，其包括用于从来自垫的交变磁场接收能量并且将其 传输至移动电池或者其他设备的部件。接收器可包括能够感应变化磁场并且对其整流W产 生随后用于对设备或电池充电或供电的直流值C)电压的线圈、绕组或任何线。
[0095] 在一些实施例中，接收器还可包括电子元件或逻辑W将电压和电流设定为移动设 备或电池所需要的恰当等级。在一些实施例中，接收器还可包括用于检测和确定将被充电 的电子设备或电池的状态、设备内部的电池或多种其他参数并且将该信息传送至垫的电 路。在另外的实施例中，系统可提供附加的功能，如将储存在电子设备中的数据（例如，储 存在相机中的数字图象，移动电话中的电话号码，MP3播放器中的歌曲）或数据传送至设 备。
[0096] 一些实施例还可并入效率措施，所述效率措施改进充电器或电源与接收器之间、 并且最终至移动设备或电池的功率传输的效率。根据一实施例，充电器或电源包括一个开 关（例如，MOSFET器件或另一开关机构），其队险当的频率开关，W产生横跨初级线圈的交 流（AC)电压并且产生AC磁场。该磁场然后在接收器中的线圈中产生电压，所述电压被整 流、然后被电容平滑化W给负载供电，结果是具有更高的效率。
[0097] 根据其他实施例，安装线圈W使得它们可W在垫中W及在它们的部分的区域中横 向移动，同时持续与放置在区域边缘的它们的驱动电子装置连接。浮置线圈和驱动电路被 夹置在作用为允许线圈横向运动而限制其垂直移动薄的上和下覆盖层之间。当接收器放置 在垫上时，垫检测接收器线圈的位置并且将线圈移动至正确的位置W最优化功率传输。磁 体可被用于更好的对线圈定位并且更大地改进功率传输效率。
[009引也在该里描述另外的实施例。例如，根据一实施例，充电/电源设备包括用于自供 电操作的内部电池。根据其他实施例，充电/电源设备还可包括太阳能电池电源、手动曲 柄、或其他用于临时自供电操作的电源的装置。其他实施例可被并入充电亭、汽车、计算机 包和其他电子设备和应用。
[0099] 感应充电系统
[0100] 虽然上述提及的工艺描述了感应充电的各个方面，但它们没有处理消费者和制造 商在该样的产品中所期望的基本需求。该些基本需求包括W下期望的特征：
[0101] ?垫应当能够对具有多种功率需求的多个设备或电池高效地充电或供电。典型的 数量可为一个至六个或者甚至于12个或更多设备或电池，所述数量中同时包括四个或更 多低功率（最高为5W)设备或电池。当多个设备或电池被充电时，仅给与该设备或电池邻 近的线圈施加电能的方法是优选的。
[0102] ?同样的垫应当能够给具有5W或更小功率要求的低功率设备（移动电话、PDA、相 机、游戏控制台等）或电池，W及如笔记本计算机的更高功率的设备（其通常具有60W或更 高功率要求）或高功率电池供电。
[0103] ?应当最大化初级线圈和接收器之间的功率传输效率。在功率传输中缺乏效率将 必定使得AC至DC电源更大且更重。该将增加成本并降低产品对用户的吸引力。该样给整 个垫供电的方法就不那么具有吸引力。
[0104] ?应当根据需要支持用于验证接收器制造商W及可能地验证关于功率需求的信息 的简单方法，W确保产品的兼容性并且W提供产品注册和授权的手段。
[01化]?来自系统的EMI福射应当最小化，并且理想地，当没有设备存在时，系统应当福 射极少的Effl或者不福射EMI。充电器应当优选地不发射任何功率，直到合适的设备或电池 被放置在充电器或电源自身的附近。通过该种方式，电力功率不被浪费，并且电磁能量不会 无必要的发射。另外，对于磁敏感的设备，例如信用卡、磁盘驱动器等的设备，其意外效应被 最小化。
[0106] ?垫和接收器应当能够合理容易的被构建并且在成本方面是高效的。由于两个部 件都可W集成在移动设备或电池中，所W其整体尺寸、重量和形成因数（form factor)应当 被最小化。
[0107] 如在该里使用的那样，术语"充电器"可指用于给移动或静止设备提供电力W实现 对其电池充电或在该时刻及时操作该设备的目的、或实现该两个目的的目的的设备。例如， 如便携式计算机中常见的，电源可W操作便携式计算机，或者对其电池充电，或同时完成该 两个任务。充电器可包括用于恰当地驱动线圈W产生AC磁场的电路、功率或电流检测或调 节电路、微控制器，w及与接收器、电池或设备通信的装置。它还能与设备或电池通信数据 或执行其他功能。如该里使用的那样，术语"接收器"意为一个或多个感应线圈W及用于整 流和平滑所接收的电流的电路、任何可能的用于与充电器通信和调节功率的控制或通信电 路、W及任何可能的用于管理充电或对将被充电或供电的电池或设备的状态进行测量的电 路（如充电管理电路，燃料计（化el gauge),电流、电压或温度传感器等）。该接收器还可 并入适合的电路W用于设备或电池与充电器之间的数据传输。根据一实施例，移动设备充 电器和/或电源可具有任何合适的配置，如扁平垫的配置。由移动设备接收到的来自移动 设备充电器/电源（如移动设备充电器的初级）的功率可在连接至可充电电池之前在接收 器中被整流并且通过电容平滑，该可充电电池在附图中由负载来表示。为了确保电池的恰 当的充电，可在整流/电容级的输出和电池之间放置调节器或充电管理电路。该调节器或 充电管理电路可检测电池的合适的参数（电压、电流、电容），并且恰当的调节从接收器汲 取的电流。电池可包含具有关于其特性的信息的巧片，所述信息能够由调节器或充电管理 电路读取。可替代地，该样的信息可被储存在调节器或充电管理电路中W用于将被充电的 移动设备，并且可将合适的充电档案（profile)编程入调节器或充电管理电路中。
[0108] 图1示出了根据一实施例的使用多个接收器/增能器线圈的垫。在其最简单的形 式中，优选地，移动设备或电池充电器或电源具有基本扁平的配置，如垫100的配置，并且 包括多个线圈或线组104。该些线圈或线可具有与移动设备或电池中的线圈或线同样的尺 寸或者更大，并且可具有相似或不同的形状，包括例如螺旋形状。例如，对于设计为对多达 四个具有相似功率（每个最大至10W)的移动设备（如移动电话、MP3播放器、电池等）充 电或提供功率的移动设备充电器或电源，理想地，在移动设备或电池充电器中将存在四个 或更多的线圈或线。该充电器或电源垫可通过插接入如墙壁插座的电源而被供电、或它本 身被感应地供电或充电。垫还可由另一个电子设备供电，如垫通过膝上计算机的USB接口 或通过膝上计算机在底部具有的用于与巧站（docking station)连接或对其他设备供电的 连接器而被供电。垫还可被并入巧站，所述巧站如可由笔记本计算机使用或被内建在桌中 或其他表面中。
[0109] 根据一实施例，移动设备可包括接收器，该接收器可包括一个或多个线圈或线W 接收来自移动设备充电器或电源的电力。如将在下面更详细地描述的那样，接收器可被制 造为移动设备中的电池的一部分或移动设备的外壳的一部分。当它是移动设备外壳中的 一部分时，接收器可是移动设备外壳内侧表面的一部分或者移动设备外壳外侧表面的一部 分。接收器可与移动设备的功率输入插口连接或可W绕过输入插口而直接与移动设备内部 的电池或充电管理电路连接。在该些配置中的任一个中，接收器包括一个或多个合适的线 圈或线结构，其能够在其被放置于邻近移动设备充电器或电源的位置时接收来自移动设备 充电器或电源的功率。根据一实施例，移动设备充电器或电源中的线圈和/或移动设备或 电池中的线圈可W是印刷电路板（PCB)线圈，并且PCB线圈可被放置在一层或多层PCB中。
[0110] 在一些实施例中，充电器或电源本身也可被内建在移动设备或电池中。例如，膝上 型计算机或其他便携式或移动设备可并入充电器或电源部分W使得其他移动设备可W如 上所述被充电或供电。可替代地，使用同一线圈或线的组，或独立的线圈或线的组，任何移 动设备或电池本身可被用作感应充电器或电源W对其他移动设备或电池供电或充电。
[0111] 根据一实施例，移动设备充电器/电源或垫，W及多种移动设备或电池，可W彼此 通信w传输数据。在一实施例中，移动设备充电器/电源中用w对移动设备供电或充电的 线圈，或在同一 PCB层中或独立的层中的另一组线圈，可被用于在移动设备充电器/电源和 将被充电或供电的移动设备或电池之间直接传输数据。可使用在无线电和网络通信中采 用的技术，如射频识别（RFID)，藍牙，WiFi,无线USB等。在一实施例中，可使用连接至天线 (例如，接收器线圈或独立的数据天线）的巧片或其他传输信息的装置W提供如关于移动 设备或电池的存在、它的真实性（例如它的制造商代码）W及设备的充电/供电需求（例 如需要的电压、电池容量W及充电算法档案）的信息。
[0112] 根据一实施例，用于充电器/电源操作的典型顺序为W下：
[0113] ?通常移动设备充电器或电源可处于低功率状态，从而最小化使用的功率。
[0114] ?周期性的，每个线圈（或在另一个PCB层中的独立的数据线圈）循环地被一如短 射频（R巧信号的短信号加电，所述短信号可W激活接收器中的如RF ID标签的信号接收器 或连接至接收器线圈的电路。
[0115] ?然后移动设备充电器或电源试着识别来自任何附近的移动设备、电池（或任何 接收器）的返回信号。
[0116] ?一旦检测到移动设备或电池（或接收器），移动设备充电器或电源和移动设备或 电池进行交换信息。
[0117] ?该信息可包括能够验证充电器或电源和移动设备或电池的真实性和制造商、电 池或移动设备的电压需求、W及电池的容量的唯一的ID代码。为了安全目的或为了避免伪 造的设备或垫制造商，如在一些RFID标签或其他验证系统中常用的那样，该样的信息可被 加密。
[0118] 根据各种实施例，可使用其他协议，如近距离无线通信（NFC)或化lica，其中包含 ID W及必要的信息的电路由移动设备或电池供电，或由移动设备充电器或电源远程供电。 取决于特定的实施需求，可使用藍牙，WiFi,无线USB和其他信息传送过程。也可交换关于 用于电池的充电档案的附加信息，该附加信息可包括在存储于移动设备或电池充电器中的 预编程充电档案中使用的参数。但是，所交换的信息也向应答信号那样简单，所述应答信号 对移动设备充电器指示移动设备或可充电电池存在。充电器或电源也可包括用于检测和比 较充电器或电源上不同位置的信号的强度的装置。通过该种方式，可W确定移动设备或电 池在充电器或电源上的位置，并且开始激活用于充电或供电的恰当的区域。
[0119] 在一些需要更大的简洁性的实施例中，在移动设备充电器或电源与移动设备或电 池之间不需要发生通信。在一些实施例中，当移动设备或电池被置于邻近位置时，移动设备 充电器或电源可通过检测在移动设备充电器或电源中的谐振电路的情况的变化，来检测移 动设备或电池。在其他实施例中，移动设备或电池可通过多个确定移动设备或电池出现在 移动设备或电池充电器或电源中的线圈附近的接近传感器（proximity sensor)(如电容、 重量、磁性、光学或其他传感器）而被检测。一旦检测到移动设备或电池邻近移动设备或电 池充电器或电源的初级线圈或部分，移动设备充电器或电源可接着激活初级线圈或部分W 给移动设备的电池、外壳、接收器模块、电池或设备本身中的接收线圈提供功率。
[0120] 感应充电电路
[0121] 每个移动设备或它的电池具有特定的特性（电压、容量等）。为了利用单个通用的 移动设备充电器或电源W服务该些不同的设备或电池，多种电路架构是可能的，在下面更 详细地描述其中的一些。
[0122] 图2示出了典型的感应式功率传输系统110的主要元件。所图示的电路被用于阐 释感应功率传输的原理而并非意图为对实施例的限制。根据一实施例，充电器112包括电 源118, W及W恰当的频率被切换从而横跨初级线圈Lpll6产生AC电压W及产生AC磁场的 开关T126(其可为MOS阳T或其他开关机构）。该磁场随后在接收器114中的线圈120中产 生电压，该电压被整流并且接着通过电容被平滑，W给负载RI124提供功率122。为了使用 的简便，接收器可与移动设备集成，例如在制造期间被集成在移动设备内部或者被附着在 移动设备的表面，W使设备能够从移动设备充电器感应地接收功率，或被集成在它的电池 内部或上面。
[0123] 根据一实施例，图2中示出的电路可接收从电源向它馈送的能量，在电感和计时 电容（timing capacitor)中交替地储存能量（就像罐储存液体），并且接着产生作为连续 交流（AC)波形的输出。当电压被施加在初级侧，储能电路（tank circuit)给接收器提供 能量，该样设计的一个好处在于电路中的计时电容可被容易地替换。例如，如果使用相对 更高的电容（在一些情况中被称作计时电容）的值，那么操作的频率被降低。该增加电路 的导通时间（on-time)，并且提供更长的功率传输和通过变压器的电流，从而提供更大的功 率。因此对于高功率应用可W使用较高的电容值。反之，如果使用相对低的电容值，那么操 作的频率升高。该减少了导通时间并且提供较小的功率传输和通过变压器的电流，从而提 供较少的功率。因此，对于低功率应用可W使用较低的电容值。在制造期间可W容易地处 理计时电容的替换，W在宏观等级上调节功率需求，即对于所选择的应用使输出位于恰当 的范围中。其后可使用附加的技术来在更精确的基准上设置电压输出。
[0124] 移动设备或它的电池典型的可包括附加的（多个）整流器和（多个）电容W将AC 感应电压改变为DC电压。其随后被馈送至包括用于电池和/或移动设备的恰当的信息的调 节器/充电管理巧片。移动设备充电器提供功率并且由移动设备提供调节。在与移动设备 或电池交换信息之后，移动设备或电池充电器或电源确定对于移动设备合适的充电/供电 条件。接着其进行给具有合适的所需求的参数的移动设备供电。例如，为了将移动设备电 压设定为所需求的正确的值，可设定对移动设备充电器的电压值。可替代地，可改变充电器 开关电路的占空比或其频率W改变移动设备或电池中的电压。可替代地，可遵循上述两种 方法的组合，其中该调节由充电器或电源部分地提供，并且由接收器中的电路部分地提供。
[0125] 感应充电垫
[01%] 为了允许移动设备或电池充电器或电源的操作而不必考虑移动设备或电池的位 置，移动设备或电池充电器或电源的整个面积可由线圈或另一产生磁场的线结构来覆盖。
[0127] 图3示出了根据一实施例的使用多个线圈的充电垫。如图3中所示，根据一实施 例，垫140由各个接收线圈144大部分地覆盖。
[0128] 图4示出了根据一实施例的使用多个重叠的线圈层的充电垫。该实施例处理在多 个线圈之间的空隙的问题。如图4中所示，具有第一组线圈152之间的最小磁场的垫150 的任何区域可被第二组线圈154填充，从而该第二组线圈平铺W使得该线圈阵列的中屯、填 充第一组中的空隙。该第二组可位于同一 PCB的不同层中，或者位于不同PCB中。在该些 结构的每一个中，检测电路可采用扫描的（raster)、预定的或随机的方式来探测线圈的每 个位置。一旦检测到位于线圈之上或者邻近该线圈的移动设备或电池，该线圈被激活W给 适合的设备的接收单元接收器供电。
[0129] 从上述示例中可W看出，通过提供更多层的具有线圈的PCB，或者通过提供具有不 同结构或尺寸的线圈，可W获得如期望那样高的分辨率（resolution)或覆盖率。
[0130] 根据一实施例，为了给功率需求超过表面上的典型线圈可获得的最大功率的移动 设备或电池供电，移动设备或电池在其握手化and shake)和验证过程期间向移动设备或电 池充电器或电源指示它的功率/电压需求。用于实现来自移动设备或电池充电器或电源的 单一初级线圈所不能获得的功率/电压等级的多个结构是可能的。
[0131] 根据系统结构的一实施例，移动设备或电池的功率接收单元具有多个线圈或接收 单元，其被连接为使得来自移动设备或电池充电器或电源的多个初级线圈或线组的功率可 W相加W产生更高的总功率。例如，如果每个初级线圈最大可输出10瓦特，则通过使用六 个初级线圈和六个接收器线圈，可实现60瓦特的总输出功率。初级线圈和接收器线圈的数 量不必相同，并且能够捕获由6个或其他数量的初级线圈产生的磁通量的大部分的一个大 的接收器线圈（接收单元），或者给6个或其他数量的接收器线圈供电的一个大的初级线圈 也可得到相同效果。多个初级线圈和接收器线圈的尺寸和形状也可不必相同。而且，初级 线圈组和接收器线圈组都可不在同一平面或PCB层中。例如，上述示出的示例中的初级线 圈可分散W使得一些位于一个PCB平面而另一些位于另一平面。
[0132] 根据另一结构，移动设备或电池充电器或电源的PCB具有多层，其中具有特定尺 寸和功率范围的线圈或线图样可W被印制在一个或多个层上，而其他层可包括具有更大的 或更小的尺寸或功率能力的线圈或线图样。通过该种方式，例如，对于低功率设备，来自一 个层的初级将向移动设备或电池提供功率。如果具有更高的功率需求的设备或电池被放置 在垫上，则移动设备或电池充电器或电源可检测到其功率需求并且激活具有更高功率能量 的更大的线圈或线图样、或与更高功率电路连接的线圈或线图样。也可通过使用上述的不 同处理和结构的组合来实现相似的结果。
[0133] 图5示出了根据一实施例的在重叠的垫层中多个线圈类型和尺寸的使用。如图5 所示，移动设备或电池充电器或电源或垫160可包括两个重叠的层，其中第一层162包括低 功率线圈，而第二层164包括高功率线圈。
[0134] 感应充电接收器
[01巧]如上所述，感应充电或供电垫用于给接收器供电，该接收器进而用于给便携式或 移动设备或电池供电或充电。根据接收器的一个实施例，来自移动设备或电池充电器或电 源的功率在足W给任何可预见的移动设备或电池供电的量级（例如用于小型移动设备或 电池的5W或10W)发射。适于每个移动设备或电池的接收器具有功率接收部分，当其与移 动设备或电池充电器或电源匹配时，能够接收足够的功率W用于移动设备或电池。例如，用 于需求2. 5W的移动电话的接收器可为具有特定直径、圈数、线宽等的线圈，W允许接收恰 当的功率。该功率被整流、滤波然后供给至该设备的电池或功率插口中。如上所述的，可在 功率被提供给电池或移动设备之前使用调节器或充电管理电路。
[0136] 为了节省能量，由移动设备或电池充电器或电源发射的功率可被调节。期望对充 电器或电源发射的功率进行调节，该是因为如果充电器或电源发射10W的功率而接收器被 设计为用于接收5W，则剩下的所发射的功率被浪费了。在一个实施例中，接收器或移动设备 可通过电气的（例如RF)、机械的或光学的方法，将设备或电池的电压/电流特性通知给充 电器或电源。上面示出的电路图中的充电器或电源的初级则可随后被驱动w在接收器中产 生合适的电压/电流。例如，电路中的开关的占空比可利用微处理器编程W被改变，从而在 接收器中提供恰当的电平。
[0137] 根据一实施例，可通过连接至微处理器的存储器位置中的查找表、或通过使用预 编程入微处理器中的算法执行该编程。可替代地，开关的频率可被改变W将该电路移入和 移出谐振，从而在接收器中产生合适的电压。在可替代的结构中，进入初级中的电路的电压 可被改变，从而改变从接收器输出的电压。进一步地，移动设备中的感应的电压/电流可被 检测并且传送至充电器从而形成闭环，并且开关的占空比，频率，和/或电压能够被调节W 实现移动设备中的期望的电压/电流。
[0138] 根据一实施例，接收器被制造在用于移动设备的电池上或用于移动设备的电池 中。接收器可包括被成形为接收来自充电器或电源的功率的一个或多个线圈或线。所述一 个或多个线圈或线可被印制在一个或多个PCB上，或由普通的线（regular wire)形成。如 上所述，接收器还可包括（多个）整流器和（多个）电容W产生更纯净的DC电压。该输出 可直接或通过限流电阻连接至电池的触点之一。为了避免电池过充电，还可使用电池调节 器或充电管理巧片。该电路接着测量电池的各种参数（电压，充电的程度，温度等）并且使 用内部程序来调节从电路汲取的功率从而保证不会发生过充电。该电路还可包括示出接收 器位于来自充电器的磁场中的LED、充电完成L邸和/或可听信号。
[0139] 在典型的商业或终端用户应用中，如在移动电话、PDA化及MP3播放器中，可由原 始设备制造商（OEM)将该电池并入电池组或设备中，或者将该电池作为能够替换原始电池 组的具有销售后市场尺寸和形状的可兼容电池组。该些应用中的电池仓典型的位于设备的 底部。使用者可W打开电池仓、取出传统的电池、用根据一实施例修改的电池替换它、然后 替换电池盖。当移动设备被放置在移动设备充电器邻近时，该电池随后可被感应地充电。
[0140] 为了提高接收器接受功率的能力，可能期望最小化充电器的初级线圈和接收器线 圈或线之间的距离。为了实现该目标，根据一实施例，接收器线圈或线可被置于电池组的外 侧。
[0141] 图6示出了根据一实施例的具有集成接收器的电池。如图6中所示，接收器170 包括电池182, W及接收器线圈172、和任何整流器174,电容176,对于充电接收器的恰当操 作来说必须的调节器或充电管理巧片180。如果该设备的电池仓盖阻挡了功率接收发光二 极管（LED)可见，则该盖自身可被替换为可透视的盖或具有光导管的盖，其允许使用者在 移动设备被放置在充电器邻近时看见充电指示器LED。
[0142] 在可替代的实施例中，接收器电池可包括使充电器和移动设备的线圈或线对准W 实现最优功率传输的机械的、磁的或光学的方法。根据一实施例，充电器中的初级的中屯、 包括具有平行于充电器表面的磁极W及垂直于充电器表的磁场的、如圆柱形或盘形或环形 的磁体。接收器也可包括具有相似或不同形状的、位于线圈或线接收器之后或之前的磁体 或磁性金属部件。当移动设备或电池被置于充电器或电源之上或者邻近充电器或电源，磁 体吸引并且将两个部件拉为对准，其中两个线圈或线的中屯、对准。磁体并不需要特别地强 W主动进行该些。较弱的磁体可W向使用者的手提供导向并且在很大程度上实现意图的结 果。可替代地，可听的或可视的信号（例如当部件接近对准时L邸变得更亮）或机械装置 (微凹，突出等）也可用于对准。
[0143] 根据另一实施例，充电器或电源中线圈或线W及磁体机械地附着至充电器或电源 的主体，W使得当移动设备或电池被邻近充电器或电源放置时，线圈可移动W将其自身与 移动设备或电池恰当地对准。通过该种方式，可实现线圈或线图样的自动对准。
[0144] 在另一实施例中，上述的接收器电子装置优选地由可被形成为弯曲形状的柔性 PCB制造。该样的PCB可被置于电池组的表面上，该表面包含一个非扁平的表面或者为弯曲 形状的表面。电池上的或者移动设备电池盖的背面上的曲线可与移动设备或电池充电器或 电源的弯曲的初级匹配，并且被用于对准。该实施例的使用的一个示例可W是例如具有圆 形手柄的手电筒；电池可由圆形电池侧的或环绕圆柱形电池的线圈充电。类似的，移动设备 或电池充电器或电源可具有弯曲形状。例如，充电器或电源表面可为碗或一些类似物体的 形状。可具有扁平或弯曲的背部的移动设备或电池可被放置在碗中。可使碗的形状确保移 动设备或电池的线圈与初级线圈对准W接收功率。
[0145] 在另一实施例中，初级可被并入至如杯形的形状。移动设备可W端部直立而被放 置在杯中，并且接收器可内建在移动设备（如移动电话）或电池的端部、或该设备或电池的 背部或外围。接收器可从杯的底部或壁接收功率。
[0146] 在另一实施例中，充电器的初级可具有扁平的形状，并且移动设备或电池可直立 W接收功率。在该种情况中，接收器可内建在设备或电池的端部，并且在设备或电池被充电 时，可并入支座或某些机械装置W支撑该设备或电池。
[0147] 在另一实施例中，充电器或电源可被制造为竖直地或具有角度地被安装在壁上或 类似的表面上（如在车中的表面上），从而节省空间。充电器或电源可并入物理特征、磁体、 固定器（fastener)等W使将被充电的移动设备能够被附着或支持。将被充电或供电的设 备或电池也可并入保持器（retainer)，磁体或物理形状W使得它们能够W竖直、倾斜或其 他一些位置保持在充电器或电源上。通过该种方式，设备或电池在它邻近或位于初级上时 由初级充电或供电。
[0148] 在电池仓的盖或者移动设备的底部由金属制成的那些应用中，可使用替代的非金 属的盖或背部。可替代地，线圈可附着在金属表面的外侧。该允许电磁（EM)场抵达功率接 收线圈或线。接收器的剩下部分（即电路）可放置在金属之后W使接收器工作。在电池具 有金属部分的另一些应用中，该些部分可干扰EM场W及接收器中线圈的操作。在该些情况 下，期望在电池中的金属和线圈之间提供一距离。该可由较厚的PCB或电池顶面实现。可 替代地，为了提供附加的抗扰性（immunity)，可在接收器和电池之间使用铁氧体材料（如 由Ferrishield公司提供的那些）W使电池或设备与EM场屏蔽。可将该些材料制造得很 薄，并且然后在集成电池/接收器的构造期间使用所述材料。
[0149] 根据另一实施例，电池或移动设备中的接收器还包括用于向充电器提供关于电池 制造商、所需电压、容量、电流、充电状态、序列号、温度等的信息的装置。在简化的实施例 中，仅传送制造商，所需电压，和/或序列号。充电器或电源使用该信息W调节初级从而提 供恰当的充电或供电条件。接收器中的调节器或充电管理巧片随后可调节电流W及负载从 而恰当地对电池充电并且在结束时停止充电。在另一实施例中，接收器可完全取决于向其 提供的关于电池状态的时间相关（time dependent)信息而控制充电过程。可替代地，可由 充电器W类似的方式控制该充电过程。如上所述，在充电器和接收器之间的信息交换可通 过RF链路或光传输器/检测器、RFID技术、近距离无线通信（NFC)、Felica、藍牙、WiFi或 其他一些信息传输方法实现。类似地，接收器可发送可被充电器使用w确定接收器位置的 信号，W确定激活充电器或电源的哪一个线圈或部分。通信链路也可使用同一线圈或线来 作为用于数据传输的天线或使用独立的天线。在一些实施例中，接收器可使用移动设备的 实际的能力（例如，移动电话内建的藍牙或NFC能力）W与充电或电源垫通信。
[0150] 如上所述，根据一些实施例，可将接收器集成入设备或电池自身的主体中的合适 并且能够暴露在来自外部的EM福射中的位置。接收器的输出可被内部地导引至在设备内 部的电池的电极，并且设备内部合适的电路可W检测和调节功率。该设备可包括向使用者 指示充电正在进行或完成、或者指示接受到的功率的强度（即，与充电器的初级的对准度） 或电池充电的程度的LED、消息等或可听信号。在其他实施例中，接收器被内建在最靠近充 电器的、作为移动设备或电池的外表面的一部分的组件的内表面或外表面中。该可作为原 始设备或作为销售后市场商品来实现。该部件可为电池组的盖或者移动设备的底部盖。在 另一些实施例中，接收器可被集成入电池仓的背部或前部或移动设备的可更换外壳W用于 销售后市场应用。例如，在移动电话应用中，后部电池盖或外壳可被移除并且由新的内建有 接收器的外壳或电池盖取代。
[0151] 图7示出了根据一实施例的接收器与将被充电或供电的设备的禪接。如图7所示， 原始的移动电话设置190包括具有外壳194的设备192和电源插口 196。销售后市场修改 方案200用包括必要的接收器线圈和电池禪合的组合外壳210来取代原始的外壳。来自该 电路的触点然后可直接与移动设备内部的电池电极接触、或与移动设备内部的一些触点接 触，如果该些触点存在或者由设备制造商在制造中提供。可替代地，接收器可W是具有插入 移动电话的输入功率插口或电池的电极的连接器的组件（如外壳）。接收器可固定至移动 设备或电池，或者可从移动设备或电池拆除。该可通过具有刚性地或通过线附着至接收器 (夕惊）的插头实现。可替代地，替换的接收器（夕惊）可比原始的夕惊大并且比原始的外 壳更向后延伸，并且包括该插头，从而当接收器（外壳）被附着时，同时建立与输入功率插 口的接触。可替代地，接收器（外壳）可具有贯穿性插头（pass-throu曲plug),从而当与 该输入功率连接器建立接触时，连接器允许也将外部普通电源插头用作替代物。可替代地， 取代贯穿性插头，该部分可在背部中的另一个位置包括功率插口 W使得可使用普通电源对 电池充电。在至设备的连接器执行如至设备的通信的其他功能的情况下，贯穿性连接器可 允许建立至设备的通信/连接性。
[0152] 根据另一实施例，替代的接收器（即替代的外壳）或单元中的插头，除了功率接收 器组件和电路，还可包括能够向移动设备提供进一步的功能的附加电路。该些可包括，例 如，通过藍牙，WiFi, NFC，^lica，WiMax，RFID或其他无线或光学机制交换数据的能力。它 还可提供延伸的功能，如全球定位系统（GP巧位置信息，闪光，手电筒或其他装饰性或电子 功能。如上所述，用于改进线圈对准的各种方法，或位置、电池制造商或电池状态信息的传 送也可被集成至接收器或替代的外壳中。
[0153] 在另一实施例中，W附着至移动设备或电池的输入插口的独立单元、或被集成至 用于移动设备的接收器保护性皮肤（skin)的形式提供接收器。已存在用于移动电话，照相 机W及MP3播放器的许多皮或塑料外套。该些外套的首要目的是保护设备W避免在日常使 用中受到机械划伤、震荡和冲击。但是，典型的，它们仅仅具有装饰性或广告性功能。根据 一实施例，接收器由具有形成在其上的电子装置的薄的PCB、和与上述外壳类似的附着在设 备的背部并且插入输入插口的接收器线圈或线形成。可替代地，它可通过导向至用于输入 功率插口的插头的柔性导线或柔性电路板连接。
[0154] 根据另一实施例，接收器可W是独立的部件，其在充电期间插入输入接口并且被 置于充电器之上，并且然后在充电完成后被拔出。
[0巧5] 在另一实施例中，接收器内建在用于移动设备的塑料、皮革、娃脂或布外套的内侧 或外侧表面或两层之间，并且插入设备上的触点或者与设备上的触点建立接触。
[0156] 应当注意，如笔记本计算机和一些音乐播放器的特定的设备具有金属底面。对于 该些应用，用于改变背面或使用移动设备或具有集成接收器的第二外层的中的插头上述方 法尤其有用。如先前所述，如果需要，也可通过增加接收器的线与金属表面之间的距离、或 者通过在接收器和金属底部之间放置铁氧体层而最小化金属表面的影响。
[0157] 还注意到，如上所述的，如使接收器弯曲或集成磁体、LED、音频信号或消息等用于 对准的方法，或用于位置、制造商或充电状态识别的方法，在上述的一实施例的所有体现中 是可能的。在上述的任何一种情况下，充电器或电源可包括灯、LED、显示屏或音频信号或消 息，W帮助引导使用者在初级线圈上放置移动设备或电池W实现最大接收、W示出充电正 在发生、W及示出设备被完全充满电。还可并入示出电池有多满或其他信息的显示屏。
[0158] 柔性/模块化充电垫
[0159] 根据一实施例，W可折叠或卷起W供携带的垫的形状来提供柔性移动设备充电器 或电源。在一实施例的实施中，充电器或电源的电子装置置于薄的柔性PCB上、或线圈由可 被卷起或改变形状的线制成。由娃巧片、电容、电阻等制成的电子元件部件可不为柔性的但 是占用很小的空间。该些刚性部件可安装在柔性或刚性电路板上，而包含用于能量传输的 线圈或线的垫的主要部分可制成为柔性的，W允许与一表面相一致或者被卷起。由此该垫 类似于薄鼠标垫等。
[0160] 在一些情况中，在功能方面可延伸的移动设备充电器或电源，对于使用者可能是 有利的。该些情况包括但不限于：
[0161] ?使用者可能购买用于给单一低功率设备或电池充电或供电的移动设备或电池充 电器或电源，但是，在后面的阶段，可能希望延伸功能W同时对更多的设备或电池充电或者 供电。
[0162] ?使用者可能购买用于给一个或多个低功率设备或电池充电或供电的移动设备或 电池充电器或电源，但是，可能希望对更多的低功率或高功率设备或电池充电或者供电。
[0163] ?使用者可能购买可W给一个或多个低功率或高功率设备或电池充电或供电的移 动设备或电池充电器或电源，而随后希望向充电器或电源增加通信或本地存储或可充电电 池或如太阳能板的功率产生装置或其他一些能力。
[0164] 在上述的所有情况和其他情况中，采用模块化方法W扩展移动设备或电池充电器 或电源的能力是有利的。
[01化]图8示出了根据允许模块化或多个连接的实施例的垫220。在该种情况下，使用者 可购买由电气插座224供电的第一单元222。但是，提供了用于功率和数据的连线226 W使 得附加单元228、230能够简单地直接或间接匹配或者插入该第一单元并且随着消费者的 需求的增长而扩展能力。数据通信和存储单元234也可W模块化的方式附着。该种方法将 使得消费者能够W低成本起点来使用该种技术，并且随时间增长他/她的能力。
[0166] 能从该些方法受益的电子设备中的一些包括：移动电话、无绳电话、个人数字助理 (PDA)、寻呼机、步话机、其他移动通信设备、移动电子邮件设备、黑替、MP3播放器、CD播放 器、DVD播放器、游戏控制台、头戴式设备、藍牙头戴式设备、助听器、头戴式显示器、GI^S单 元、手电筒、手表、磁带播放器、膝上型计算机、电子地址簿、手持式扫描仪、玩具、电子书、照 相机、摄像机、胶片摄像机、便携式打印机、便携式投影系统、IR观测仪、水下照相机或任何 防水设备、牙刷、剌须刀、医疗设施、科学设施、牙医设施、军事设施、咖啡杯、厨房应用、烹任 锅或平底锅、灯或任何电池、DC或AC操作设备。
[0167] 另外，感应功率传输可给目前为止不是W电池操作的设备供电。例如，放置在桌上 或厨房台上的形状为垫形的移动设备充电器或电源可被用于给灯或厨房用具供电。对于在 厨房中使用的一个实施例，放置在桌上或内建在桌中的如垫的扁平充电器或电源可允许厨 师在充电器或电源上放置设备从而在使用期间对其感应充电或供电，并且在使用后将它们 简单的移开。该些设备可为，例如，揽拌机、混合器、开罐器或者甚至为锅、平底锅或加热器。 该可消除对分离的烹任和工作区域的需求。应该注意，靠近感应垫的金属平底锅的放置能 够直接加热平底锅和容纳的物品，同时保持充电器或电源的表面冷。由于该原因，感应厨 房炉具系列已经商业化，并且比通过线圈的电阻加热而工作的电炉具系列显示出的效率更 局。
[0168] 在另一实施例中，不通过邻近的感应场直接加热金属平底锅，而烹任平底锅可包 括接收器和加热或甚至冷却元件。一旦被放置在充电器上，平底锅将通过平底锅上的控制 盘等按照期望被加热或者冷却，该允许对平底锅W及容纳的物品进行精确的温度控制。
[0169] 类似地，在办公室或工作区域环境，如果易于获得用于给移动设备或电池充电或 供电的充电器或电源，则它也可用来给用来照亮桌的灯供电，或者用于给办公用品，如传真 机，订书机，复印机，扫描仪，电话W及计算机供电或充电。在一个实施例中，接收器可内建 在台灯的底部并且接收到的功率被用于给白巧灯或L邸灯供电。
[0170] 在另一实施例中，缸，杯，玻璃杯或如盘的其他饮食器具，可在其底部装配接收器。 所接收的功率可用于加热具有加热线圈的缸等，由此对饮料或食物保温至任何期望的温 度。更进一步，根据一实施例，通过使用如热电冷却器的设备能够将容纳的物品如期望的那 样加热或冷却。
[0171] 类似地，由于长时间的使用或者仅仅是忘了将之关闭，很多孩子的玩具经常耗尽 电池电量。通常该些电池被包括在电池仓内，所述电池仓由于安全原因仅能由螺丝刀开启。 将接收器包含入玩具或电池中能够减少更换设备电池的需要并且允许采用简单得多的方 法进行再充电。
[0172] 在另一实施方案中，接收器可内建到植入或插入体内的医疗设备或其电池中。由 于该些设备中（如脉冲产生器（pace maker)、耳蜗植入物（cochlear implant)、助听器或 其他检测设备）的电池可能需要周期性的充电，所W感应功率传输可提供理想的非接触方 法W用于对设备进行充电或者检测其性能（即，检查）或下载设备已经记录的数据。
[0173] 在另一实施方案中，一些有源RFID标签包括能够发送关于包装或运输的状态或 位置的信息的电池。用于对该些标签进行充电的廉价的方法为每个标签包括接收器。从而， 充电器能够用于给该些RFID标签供电或充电。
[0174] 将注意到，感应充电器的有效的工作距离取决于源的功率和频率W及线圈的尺寸 和结构。取决于技术的应用，通过增加频率至若干MHz或几十MHz,可获得若干英寸或英尺 的工作距离。还将注意到，上述的消除了输入功率插口的任何实施例尤其重要，因为它们通 过去除机械或环境故障的源头从而提高了产品可靠性。另外，对于防水的应用和额外的安 全性，接口的消除是必要的。
[01巧]通过线圈电路而进行的效率提高
[0176] 根据一实施例，为了最大化功率效率W及最小化线圈中的损耗，线圈应当被制造 为具有尽可能低的电阻。该可通过使用如金，银等更好的导电材料实现。但是，该些材料的 成本有时是不能允许的。实际上，通过使用更厚的包铜（clad-copper)PCB或者更宽的线轨 (track)可W获得减少的电阻。最普遍的PCB使用1 - 2oz铜PCB。根据一些实施例，用于 无线充电器的线圈PCB由具有2至4或者甚至是60Z的包铜PCB制成。PCB的制造工艺也可 被最优化W实现更高的导电性。例如，瓣射（sputter)的铜比轴制（roll)的铜具有更高的 导电性并且典型的对本应用来说更优。在操作中，线圈和电路在由线圈的设计参数（例如， 绕线的数量，线圈厚度，宽度等）确定的频率处呈现谐振。先前的工作集中在利用M0SFET 由方波驱动的电路上。该方法具有W下缺陷；由于方波不为纯正弦，所W它产生谐波。该些 谐波是不期望的，因为：
[0177] ? PCB线圈在特定的频率产生最优的功率传输效率。初级信号中的谐波不能被如 此有效地传输并且降低了整体系统效率。
[0178] ?在方波的上升和下降沿中快速的电压变化导致振荡，所述振荡产生导致更多EMI 的更多谐波。
[0179] ?由初级福射的谐波产生更高频的分量，其对更具有福射性的EMI有贡献（由于较 高频率）。在保持系统的其他需求（例如足够的工作距离等）的同时，期望将整个系统的操 作的频率范围限制为尽可能低的频率，因此必须避免该些谐波。
[0180] ?在开关导通和关断的瞬间，线圈的涌入电流（in-rush current)的变化导致在 短的一段时间内横跨线圈的巨大的电压摆动。在该些很短的时间期间向接收器传送所有功 率。
[0181] 先前利用PCB线圈初级和接收器实现90%传输效率的尝试使用了实验室电源来 驱动其电路。虽然该方法展示了利用在线圈上施加正弦电压能够实现更高的效率，但该 样的电源复杂、成本高并且太大而不能用于任何实际充电器应用。根据一实施例，加入与 M0SFET的漏/源极触点并联的电容。
[0182] 图9示出了根据一实施例的电路图240。当接收器存在时，通过W电路的谐振 频率切换FET来驱动无线充电器系统中的线圈。在没有接收器邻近时，电路从谐振失谐 (detune)并且福射最小的EMI。电容244用作能量的储存器，其在开关关断时间放电并且 增强能量传输。对于上述的示例来说，改变电容值允许基于低功率/高功率来调谐功率和 效率等级，并且附加的特征和技术可用于对特定的设备的功率输出进行精确调谐。
[018引图2和图9中所图示的电路设计使用过零（zero - crossing)电源。简单来说，在 过零电源中，当初级线圈中的晶体管首先被导通时，电流经过初级线圈和晶体管流至地。当 晶体管随后被关断时，晶体管处的电压电平摆高（例如，如果输入电压为5V，那么电压电平 可能摆动至10V或者甚至100V)。非过零电路在周期重新开始之前允许电流降低至零。正 向模式（forward mode)电路接着可使用与负载串联的电感来再次提高（revive)该电流并 且对该电感充电，而二极管允许向两个方向充电（当使用全相AC时）。
[0184] 在传统的变压器设计中，不使用过零，该是由于至少在具有高功率或者铁氧体巧 时，相对于非零设计它总是导致低效率。该主要是由于传统的铁氧体铁巧作用为电容并且 储存能量，该继而减少了电路效率。如上所述，根据一实施例，当为非铁氧体线圈时，不存在 磁通，因此效率不会被影响至同样的程度。
[01化]进一步，由于系统不使用铁氧体或铁磁体巧，因此可W减少设备的整体尺寸和重 量。根据一些实施例，线圈可形成在印刷电路板（PCB)上，而不具有沉重的铁氧体线圈、在 线圈上没有焊接W及没有绕线。根据一些实施例，在接收器的次级中不需要磁巧。由于磁 巧通常大和重，该将产生可观的尺寸节省。
[0186] 通过示例，根据使用IRFR0220巧片作为阳T并且使用具有9应和1. 25"直径的 4oz铜线圈的实施例，上面的图2中的电路，可具有lOOhm的负载化并且被调谐W工作在 1. 3MHz。在初级和次级中的线圈匹配、且不具有电容C时，包括时钟和FET驱动电路的电路 的总电路效率接近48%。向FET添加并联的leOOpF电容将整体电路效率增加至75% (比 效率增加50%更好），同时减少了横跨FET的电压W及电路中的谐波。具有与FET并联放 置的电容的线圈至线圈传输效率估计大约为90%。该方法的优势包括：
[0187] ?高效率（?90%线圈至线圈）
[0188] ?低阻巧振荡W及EMI
[0189] ?简洁性W及低成本
[0190] ?较低的阳T源漏极电压摆动，其允许使用更多阳T的选择
[0191] 在很多应用中，还期望垫和接收器被布置W使得除非接收器邻近，垫不发射功率。 [01巧图10和图11示出了根据一实施例的电路图。除了高效率，用于最小化EMI W及 保持高的整体效率所需要的一种方法为；识别邻近的接收器的存在并且随后仅当合适时导 通垫的能力。下面将描述用于此的两种方法。
[0193] 如图10中所示，根据一实施例，垫电路260并入能够激活或者禁用阳T驱动器268 的微控制单元（MCU1)266。MCU1接收来自将提供信息的另一传感器机构的输入，随后使用 该信息确定设备是否在附近，设备需要什么电压，和/或鉴别该将被充电或供电的设备。
[0194] 用于该信息的传感器机构中的一个是通过使用能够检测电路的RFID标签的RFID 读取器280 W及接收器（即将被充电或供电的设备或电池）中的天线。标签上的信息能够 被检测W识别所需的接收器中的电压并且鉴别该电路是真实的或者是授权的。标签上的信 息可W被加密W提供进一步的安全性。一旦包含标签的设备或电池邻近垫，RFID读取器即 可被激活、可读取标签存储器上的信息、并且与表格比较从而确定所需的真实性/电压或 其他信息。该信息表也可位于MCU1存储器上。一旦信息被读取并且被验证，MCU1即能够 激活阳T驱动器W开始驱动垫上的线圈并且给接收器提供能量。
[01巧]在另一实施例中，MCU1取决于时钟270 W周期性地启动阳T驱动器。通过电流传 感器264来监测流经阳T驱动器的电流。对于该实施方案来说，可实施多种方法，例如包 括：
[0196] ?可将小电阻放置为与FET至地的接触串联。横跨电阻的电压可通过电流传感器 巧片（如线性技术电流检测放大器，零件编号LT1787)测量。
[0197] ?霍尔传感器，如Sentron CSA-1A，其测量来自走线于其下的线的电流，其能够被 放置在从FET至地的PCB线的顶部W测量电流，而不需要与电路的任何电连接。该方法的 优点在于：没有额外的与电路的该部分串联的电阻对于减小阻抗是必要的。
[019引 ?其他可用于测量电流的技术。
[0199] ?霍尔传感器或Reed开关可检测磁场。如果在系统的接收器单元内放置小的磁 体，则霍尔传感器或Reed开关可用于检测该磁体的存在并且可用作启动阳T的信号。
[0200] ?可并入其他电容，光学，磁性或重量等传感器W用于检测次级或接收器的存在并 且开始能量传输过程。
[0201] 图11示出了根据一实施例的电路图290。根据一实施例，MCU1可周期性的启动 阳T驱动器。如果附近存在接收器，则它可给电路供电。调节器296或者电路中的另一存储 器巧片可被编程W使得在通电时，它W预编程的方式汲取电流。一个示例是RFID转发器巧 片在通路中的集成，所述RFID转发器巧片例如为ATMEL e5530或另一廉价的微控制器（此 处示出为MCU2294)，其在通电时调制接收器中的电流，然后所述电流可被检测为初级中的 电流调制。对于先前的示例来说，其他传感器（如RFID天线292)也可用于提供位置和其 他信息。
[0202] 图12示出了根据一实施例的功率传输图表300,其图示了作为线圈之间的偏移的 函数的传输功率。
[0203] 线圈布局的效率提高
[0204] 功率传输效率的一个重要的方面与线圈相对于彼此的对准相关。
[0205] 图13和图14示出了根据一实施例的线圈布局的图。如果需要与位置无关，则可 W具有覆盖整个面积的线圈图样来构造垫PCB。图13示出了包括具有线圈之间最小空隙 314的线圈312的层的垫类型的充电器或电源310。每个线圈具有与其相关的中屯、316。根 据一实施例，用于1.25"直径线圈的功率传输，其接收器的中屯、与初级的中屯、偏移，当两个 线圈偏移一个线圈半径时功率降低至最大值的25%。如上所述，为了更好地保持线圈对准， 使用布置在初级和接收器线圈的中屯、的磁体能够提供将两个部件对准的自动方法。
[0206] 为了产生均匀的场，典型地需要导通接收器线圈周围的数个线圈W产生场。但是， 利用该样的图样，如果接收器线圈放置在两个初级线圈之间，电压仍不是最优的。研究显 示；为了获得均匀的场，需要相对于彼此偏移的=层线圈图样。
[0207] 图14示出了需要具有S层中的两层322,324的垫类型的充电器320 W实现位置 无关磁场图样。对于放置在圆形中屯、的接收器，所有邻近的线圈（在圆328之中或周围） 将需要被导通W实现在期望位置326中的均匀场。虽然该方法解决了偏移的问题并且可用 于提供位置无关性，但它不能产生高的传输效率。其原因在于接收器中屯、附近的十个或更 多线圈必须被导通W在该区域中产生均匀的磁场，该导致了低效的功率传输。
[0208] 通过独立线圈运动而进行的效率提高
[0209] 根据一些实施例，包括在维持位置无关性的同时提供高的传输效率的技术。
[0210] 图15示出了根据一实施例的具有多个线圈的充电垫。垫330的面积被划分为数 个或多个区块332,其被壁或物理障碍、或简单的不具有物理壁但是用其他方式将移动限制 在区块内的限位（tether)装置而限定336。线圈334被安装为使得它们可在其区块的区域 内横向移动或浮置，但继续与放置于区域边缘的驱动电子部分连接。根据一实施例，浮置线 圈和驱动电路被夹置在作用为允许线圈横向移动同时限制垂直移动的上和下覆盖层之间。 当接收器线圈置于垫上时，垫检测到接收器线圈的位置并且将线圈移动至恰当位置w使功 率传输最优化。
[0211] 图16示出了根据一实施例的具有可移动线圈的充电垫。当移动设备，例如移动电 话340,或电池被放置在垫330上时，最近的线圈在其区块内移动342 W更好的将其自身与 移动设备或电池对齐。根据一实施例，用于实现该目的的方法是通过在垫中的每个线圈的 底部中屯、附着磁体。位于接收器线圈中屯、的匹配磁体吸引邻近的初级磁体并且自动使其相 对接收器线圈而居于中屯、。
[0212] 根据一实施例，在该配置中的每个线圈可W通过将功率传输至线圈的线或通过独 立的线/弹黃或通过另一机构悬置，从而每个线圈在可W从单独的或者共享的驱动电路接 收功率的同时，在垫的平面中可W自由的移动。为了使移动便利，通过使用低摩擦材料，附 着低摩擦材料或者润滑来使线圈的表面或基座单元（线圈紧靠着移动的区域）的顶层的下 表面或上述两层光滑。上述的线/弹黃或载流机构也可用于使区域内的每个线圈居中于每 个线圈所期望的移动区域的中屯、。通过该种方式，当附近没有接收器线圈时，基座单元中的 每个线圈保持在它的区块的中屯、位置，而当设备或电池被放置在邻近时，基座单元中的每 个线圈响应并且移动W匹配接收器线圈。可W通过限制载流线至线圈的长度、布置悬置或 弹黃、或放置分隔区块、柱、或通过任何其他机构来限制移动W控制邻近的充电器或电源线 圈之间的移动的重叠。
[0213] 在另一实施例中，垫将包括用于检测移动设备、电池/接收器的存在W及执行合 适的动作W导通线圈和/或驱动具有恰当的图样的线圈从而产生接收器中所需的电压的 方法。该可通过并入RFID、接近传感器、电流传感器等来实现。使得能够实现位置无关性W 及自动垫导通的事件的序列可W是：
[0214] ?使用多个可移动线圈来覆盖垫的表面面积。
[0215] ?垫中的线圈通常为关断状态并且周期性地顺序地的通电W通过测量流经初级线 圈的电流来检测接收器是否位于邻近。可替代地，每个区块下的接近传感器可检测磁体的 存在或电容或其他参数的改变W知晓是否放置了设备。也可使用具有每个区块下的局部天 线的RFID技术等。
[0216] ?一旦识别到设备被放置在该区块中，垫可通过先前所述的过程中的一个来询问 该设备W进行鉴别W及理解其电压/功率等需求。
[0217] -MCU1单元使用上述接收到的信息来设置它将用来驱动阳T驱动器W在接收器中 产生合适的电压的PWM模式。
[0218] ?板通过扫描线圈或者使用RFID系统等来继续"捜索"垫上的其他设备，并且然后 在恰当时导通其他线圈。
[0219] ?垫还使用监测W找出第一移动设备何时W及是否从垫上移走，或何时达到充电 的结束。
[0220] 线圈注册（registration)和切换的效率提高
[0221] 根据一实施例，可使用可识别移动设备向垫的接近的全局RFID系统妒'唤醒"板。 随后可进行单独线圈的顺序的轮询（polling)来W类似上述的方式辨别设备被放置在何 处。可使用其他实施例W提供防止对被放置在基座单元上的物体错误充电的安全措施。已 知置于线圈上的金属物体，如在充电器或电源系统的基座中的那些，将导致电流在初级中 流动并且传输功率作为热耗散至金属物体。在实际情况中，该将导致钥匙w及其他金属物 体放置在基座单元上触发启动，并且从基座单元线圈不必要地汲取电流，并可能引起由于 过热的故障。为了避免该情况，在如上所述的实施例中，除非具有可验证的RFID标签的电 子设备邻近从而触发事件的序列W辨别要导通和操作的合适的线圈，供至线圈的电压的切 换将不会启动。在可替代的结构中，监测整个系统电流或单独的线圈电流，并且，如果发现 突然的不期望的所汲取的电流，则采取措施来进一步调查、或者无限期的或在一段时间内 关闭合适的线圈、或指示警告。
[0222] 在另一实施例中，移动设备或电池中的调节器或电池充电电路、或接收器电子装 置中的调节器典型地具有启动充电过程所需的启动电压（如5V)。一旦电池充电器电路检 测到该电压的存在，它导通并且然后进行W预设速率从输入端汲取电流W供给电池用于充 电。电池充电器电路操作W使得低于或者超过启动电压都将阻止启动。一旦启动发生，在电 池充电器输出端处的电压典型地为电池的电压并且取决于充电的状态，但例如为4. 4V至 3. 7V，或更低W用于裡离子电池。对于如在此所述那样的无线充电系统来说，接收器上的电 压高度取决于如图5所示的初级和接收器线圈的相对位置。由于典型地电池充电器的启动 电压位于具有特定电压的窄的范围内，所W由于没有对准或其他变动导致的接收器线圈的 欠电压W及过电压将导致电池充电电路的关闭。
[0223] 通过线圈电压猜位而进行的效率提高
[0224] 图17示出了根据一实施例的电路图350。如图17中所示，根据一个实施例，并入 齐纳二极管352 W于在调节器或电池充电电路之前在接收器的输出端处猜制最大电压。使 用齐纳二极管允许对初级和接收器线圈之间的放置的更高的不敏感性，同时保持对设备充 电或供电的功能。例如，可设置初级上的驱动模式W使得当初级和接收器线圈对准时，接收 器上的电压高于用于电池充电器启动的标称电压。例如，对于5V启动来说，中屯、处的电压 可被设置为6或7V。通过该种方式，在线圈中屯、居中或者没有对准时，可将齐纳管选择为具 有合适值巧V)的并且在电池充电器单元的输入端处将电压猜制于该值。一旦在输入端处 检测到合适的电压之后电池充电器开始操作，电池充电器电路将在此点的电压拉至预编程 的电压或电池的电压。通过该种方式，齐纳二极管的使用使得能够实现对无线充电器或电 源中的位置W及其他操作参数的更高的不敏感性，并且极为有用。
[02巧]通过线圈堆叠而进行的效率提高
[0226] 图18示出了根据一实施例的堆叠线圈的装置的图示。根据一实施例，为了实现更 高的磁通密度，用两层或更多层来构造线圈，例如通过使用两层或更多层的印刷电路板。可 使用多层板W允许高磁通密度线圈的紧凑的制造。通过在每层中改变线圈的尺寸（包括厚 度、宽度W及应数）W及通过堆叠多个层，可调整线圈的电阻、电感、磁通密度W及禪合效 率W对于特定应用最优化。
[0227] 根据一实施例，包括W-距离分离的两个PCB线圈的变压器具有由线圈的设计定 义的多个参数，包括：
[022引 R1为初级绕组电阻，
[0229] R' 2为折合到初级的次级（接收器中）绕组电阻，
[0230] 化为阻性负载，
[0231] LIkl为初级漏感，
[0232] L' Ik2为折合到初级的次级漏感，
[023引 LM1为初级互感，
[0234] C1为初级绕组电容，
[02巧]C' 2为折合到初级的次级绕组中的电容，
[0236] C12为在初级和次级绕组之间的电容，W及
[0237] n为应数比。
[023引根据图18中所示的实施例，在独立的PCB层357中生成多层PCB线圈356,所述独 立的PCB层357接着连接358,并且经由PCB制造中所使用的普通技术（例如通过使用通孔 (via)或触点）制造在一起。获得的整个堆叠物是包含线圈的许多应的薄的多层PCB。通 过该种方式，可使用宽线圈（低电阻），而线圈的整体宽度并不增加。对于在期望小的x-y 线圈尺寸的情况来说该技术尤其有用，并且该技术能够用于产成更高的磁通密度W及更高 效的功率传输。
[0239] 通过线圈形状和材料而进行的效率提高
[0240] 根据一实施例，系统可对于初级和次级（接收器）线圈均使用非铁氧体材料。例 如，如上所述，线圈可由被瓣射、沉积或形成在印刷电路板（PCB)上的铜材料制造。同样如 上所述，线圈可被形成为多个不同形状，所述多个形状例如包括扁平或平面六边形、或螺旋 型。线圈也可分布在具有线圈、螺旋型或其他多种形状的层中。
[0241] 对于初级和次级（接收器）使用非铁氧体或非铁磁体材料的一个优点在于；相比 于铁氧体线圈，线圈可被制造得扁平得多和薄得多。另外，非铁氧体线圈可被制造为比由铁 氧体材料制成的可比较的线圈具有更低的电感（电感为1微亨的数量级，虽然实际值将取 决于施加至线圈的电压频率而改变）。非铁氧体性质有效的消除了线圈中的磁滞，并且允许 系统更快地导通W及关断，并且具有更少的能量储存缺陷。 悦创线圈电路的变体
[0243] 根据一些实施例，可使用一个电感-电容（通常称为LC或"储能电容"）电路W提 供近似的适合预期的应用的功率输出范围。例如，可W最优化电路W适合低功率应用或高 功率应用中的一个。
[0244] 取决于特定的预期的应用，可移除电路设计中的原始电容（在此处称为十时电 容")，和/或将它替换为具有不同值的电容，W获得不同的总功率输出等级。从制造观点来 看，该是相对简单并且廉价的步骤。也可使用该技术，W对于不同的终端用户应用简单地制 造不同的充电器或垫实施例，因为对每个垫设计，垫组件中的大部分可被设计为相同的，其 中主要的不同在于单个电容的值。该单个电容然后可在制造过程中被指定或改变。虽然计 时电容可用于调节系统W用于，例如，高功率应用或低功率应用，但可使用另外的如在下面 将更详细地描述的那些的附加技术和特征来精确调节在移动设备处接收到的最终的功率 输出。
[0245] 线圈波形的发生
[0246] 根据一实施例，使用半相化alf-phase)电波形W对储能电路充电，并且随后提供 感应功率至移动设备中的接收器线圈。不同于全相波形，半相波形可与过零电源一起使用。 根据该实施例，当初级线圈中的晶体管首先导通时，电流经过初级线圈与晶体管而流至地。 当晶体管关断时，在晶体管处的电压电平摆高（从输入电压值的两倍到输入电压的多倍的 任何值）。该是电感的标准振荡行为。当电流降低至零时，晶体管再次导通，并且重复该过 程。
[0247] 很多传统的变压器设计不使用半相波形，而替代地使用非过零设计，该是因为它 们的铁氧体巧像电容那样作用并且在关断相中储存能量，如果使用过零该将导致功率效率 的极大损失。但是，根据一实施例，使用与低功率（2瓦特的级别）禪合的非铁氧体线圈，允 许与半相W及过零电路一起的合适的效率。
[0248] 进一步地，根据一些实施例，半相波形可被设计为具有指数或曲线的波形，而不是 睹峭的波形，从而减少较高频率发射。否则该些较高频率发射可能导致便携式和其他设备 的问题，或与禁止消费者电子设备中的高频发射的联邦通信法规冲突。
[0249] 自动电压设定
[0巧0] 根据一些实施例，系统可包括执行如移动设备识别、和对于不同设备进行自动电 压或功率设定的特殊的任务的额外的电路、组件、特征和技术。如上所述，虽然可更换计时 电容W修改电路的频率W及生成的系统输出电压，但该不是允许消费者修改电压、或者修 改电压W适合单独的移动设备的特定需求的符合实际的解决方法。实际上，计时电容可用 于提供输出功率的特定范围（即，高功率应用，或低功率应用）。然后可W使用附加的技术 W为特定的设备调节功率。当充电器或垫被设计用于给多个不同设备同时供电或充电时， 该点尤其重要，该是由于该些不同设备中的每个可具有不同的功率和电压需求。根据各种 实施例，可使用不同特征W支持该目的，所述不同特征包括： 悦51] ?硬连接化ardwire)接收器线圈W考虑到其设备的电压需求，W及对于该设备使 用合适的尺寸W接收恰当的电压。但是，虽然该方法对用于该设备的电压的调节是成功的， 它本质上是硬连接的，不能为了不同的设备和不同的充电器或电源之间的互用性而提供调 节电压的很多灵活性。
[0252] ?使用动态编程W获得不同的电压。根据该实施例，如果已知计时电容，那么可调 节电路的频率W产生所需的输出电压。
[0253] ?在零切换电路中，可使用限幅（clipping)来调谐电压。该可包括导通电路，接着 在允许其在提前对波形限幅的情况下关断，然后再次导通。然后重复该过程。限幅可能比 不限幅切换低效，但是可W用于调谐电压。
[0254] 当与上述的基于电容的技术一同使用时，计时电容的选择可被用于确定充电器、 电源或垫的整体范围（例如，它最适合低功率还是最适合高功率应用）。该附加的特征随后 可被用于精确调制频率和输出电压。根据一些实施例，附加的特征可被用于改进效率W及 增加功能。
[0255] 如上所述，根据一实施例，垫电路260并入能够激活或禁用阳T驱动器268的微控 制单元（MCU) 266。MCU接收来自另一将提供信息的传感器机构的输入，该信息随后可被用 于确定设备是否在附近、设备需要什么电压、和/或鉴别将被充电设备。使用上述的频率/ 输出特性，初级可使用从接收器至初级的所传输的反馈W用于，例如，调节频率，或者否则 改变输出至接收器的输出电压。一些传统的变压器设计使用第=线圈W用于提供反馈的测 量。但是如此处所述的MCU的使用消除了对该样的额外的线圈反馈设备的需要。
[0巧6] 也如上所述，根据一实施例，并入齐纳二极管352 W在调节器或电池充电器电路 之前猜制接收器输出端处的最大电压。在上述的每个反馈设计中，在接收器和初级之间的 关于电压需求的实际通信可为具有开环设计或闭环设计。在开环设计中，充电设备、垫或电 源给初级提供功率，所述功率随后被感应地传输至接收器W及将被充电的移动设备或电池 或其他设备。初级自身确定在接收器处应当接收多少功率。在闭环设计中，如在开关模式 电源中，设备/接收器将信息传输回至初级，随后初级确定应当给接收器发送多少功率。
[0巧7] 设备识别和验证
[0258] 图19示出了根据一实施例的用于识别验证的电路图400。根据一实施例，可使用 电路设计W确保设备是有效的，即被授权与充电器、电源或垫一起使用。该信息也可被用作 开环或闭环设计的一部分W设定设备的电压。在操作中，初级电路首先被导通。当电路在 接收器中产生电力时，生成初始信号。该信息迅速地被与储存在MCU中的数或值相比较，并 且被用于确定移动设备（或与该移动设备或电池相关联的接收器）对于与基座单元、充电 器、电源或充电垫一同的操作是否是有效的。除验证之外，该信息可类似地被用于设定用于 接收器、电池或移动设备的充电电压。
[0巧9] 图20示出了根据一实施例的用于双向通信的电路图420。如图20中所示，根据一 实施例，充电器或电源或初级可包括用于与接收器、电池或移动设备通信的装置，包括例如 射频（R巧或其他通信装置。
[0260] 图21示出了根据一实施例用于输出控制器的电路图440。如图21中所示，根据一 实施例，接收器中的输出控制器等待，直到功率足够，并且随后给移动设备或电池通电。
[0261] 图22示出了根据一实施例的用于具有调节器或充电管理电路的电路图480。如图 22所示，根据一实施例，接收器包括用于调节电压的调节器。
[0262] 图23示出了根据一实施例的用于MCU调节的电路图500。如图23中所示，根据一 实施例，MCU可提供电压调节。
[0263] 图24示出了根据一实施例的用于单向通信和数据传输的电路图540。如图24所 示。根据一实施例，接收器可包括向其所禪合的移动设备传输数据的装置。
[0264] 图25示出了根据一实施例的用于基于时间的调节的电路图560。
[0265] 零电压设定
[0%6] 根据一些实施例，系统可使用如零电压切换狂VS)的技术W提供更高效的功率传 输和电源控制。该些技术也可用于提供具有小感应值的线圈之间的功率传输的更高效的调 节，该些小感应值线圈例如通过PCB中的螺旋型图样生成的那些、冲压（stamp)的金属线 圈W及低应数绕制线圈。在今天所使用的开关模式电源中，所使用的通常的结构为升降压 化oost buck)、反激、升压化oost)或该些类型的变形。在该些结构的大部分中，由如阳T 的晶体管快速切换输入电压，并且能量经过变压器被传输至负载。根据一实施例，通过调节 开关电路的占空比，实现所传输的功率的调节。
[0%7] 图26示出了根据一实施例的反激式电源结构580的高层视图。在FET闭合的期 间，流经初级线圈的电流在该线圈中存储能量，并且在FET被断开的期间，将该能量传输给 次级（接收器）线圈并传输入负载。储存在线圈中的能量与线圈的电感直接成正比，并且 对于几十或几百瓦特的电源功率，几百亨的值是典型的。
[0268] 相反，印刷电路板线圈（PCBC)典型地为印制在刚性或柔性PCB材料上的、或从铜 板上冲压出的、或通过其他方法形成的螺旋圆形、矩形或其他形状的线圈，其中电源中的线 圈或变压器基本上扁平并且占用很小的空间。可使用在它们之间具有一定距离（如在PCB 材料的两侧）或具有空气或材料空隙（如在充电器将功率传输给可从该充电器分离或移走 的电子或电设备中的接收器的无线功率应用中）而放置的两个该样的线圈来形成变压器， 例如如图26中所示。在高频（?IMHz，取决于线圈的结构和尺寸）切换该些线圈，可横 跨空气或材料空隙来传输功率，由此可开发具有很小的变压器的高效的电源。已经描述了 在如移动电话和MP3播放器的移动设备的无线供电中使用该样的紧凑的线圈。但是，许多 现有技术使用实验室电源W向初级线圈用于提供正弦或类似的电压，并且研究所传输的功 率，而非用于电源的紧凑高效的电路。
[0269] 根据ZVS结构实施例，在电路中加入电容，W使得在开关OFF位置中，电容和线圈 电感构成谐振电路。在开关ON时间中，电流流经电感，同时横跨电容的电压为零。在开关被 关断的时段期间，横跨电容的电压升高至两倍于输入电压的最大值，并且随后谐振回到零。 该结构的特性为精确地在该电压回到零时闭合开关（因此称为零电压切换），从而最小化 功率使用并且实现高的效率。该结构的一些益处包括；高效率W及"无损"转换；由于软切 换W及使用正弦而非方波从而减少了 EMI/EMC ;峰值电流不高于方波切换；W及相对简单 的控制和调节。另外，该结构对于小电感值来说非常高效地工作，因此更适合用于PCBC的 应用。根据各种实施例，该结构可被配置W在各种拓扑中操作，所述各种拓扑例如为降压、 升压、降-升压W及反激。
[0270] 一些实施例提供了更高效的功率传输和电源控制和在小电感值线圈之间的功率 传输的调节，所述小感应值线圈例如由PCB中的螺旋型图样、冲压的金属线圈W及低应数 绕制线圈等生成。另外，典型的，如果线圈在高频被驱动，则不使用磁巧。对于螺旋型线圈， 线圈的电感由W下方程给出：
[0271]

【权利要求】
1. 一种用于对便携式设备或电池进行感应式供电和充电的系统，其包括： 基座单元，其包括一个或更多个由非铁氧体材料构成的、并且被制成平面螺旋形线圈 的形状的初级线圈，所述初级线圈能够产生用于对多个设备或电池同时供电或充电的感应 能量； 接收器单元，包括也由非铁氧体材料构成的、并且被制成平面螺旋形线圈的形状的接 收器线圈，所述接收器线圈禪接至便携式设备或电池，或者被并入至便携式设备或电池中， 其中次级线圈感应地接收来自所述初级线圈的能量并且使用所述能量来对便携式设备或 电池充电或供电； 基座单元中的用于允许位于基座单元上的设备或电池的位置无关度并且选择性地激 活一个或更多个初级线圈的装置；W及 其中基座单元可同时对具有附加的次级线圈的附加的便携式设备或电池进行充电或 供电。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中充电器或电源包括多个线圈，并且其中所述用于 选择性的充电和供电的装置被用于控制在便携式设备或电池邻近的线圈的导通关断操作。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中充电器和设备或电池中的接收器都包括微控制器 单元，其中充电器中的微控制器单元监测电流，并且其中便携式设备或电池中的微控制器 单元提供充电器和接收器之间的通信W用于控制充电。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中充电器或电源包括在激活充电之前的附加的验证 步骤W验证设备或电池的身份或许可。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中多个线圈被集成在垫状充电器或电源中，并且其 中所述线圈被用于形成线圈镶嵌、W及不覆盖多于约90%的垫表面的充电或供电的有效区 域。
6. 根据权利要求1所述的系统，其中多个线圈中的每个由单独的驱动电路驱动，W对 每个线圈提供功率并且选择性地激活一个或更多个线圈。
7. 根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个线圈包括开关元件，并且其中微 控制器单元周期性地启动开关元件、监测其中的电流、并且使用所述电流来检测接收器和 设备或电池接近至所述线圈、并激活该线圈中的充电或对该区域中的线圈的选择。
8. 根据权利要求1所述的系统，其中多个线圈层被叠置在彼此之上W产生有效区域， 并且从而对所述线圈中的任何一个或所述线圈中的所选择的部分的供电允许其中屯、位于 所述有效区域内的接收器被充电。
9. 一种能够被感应式地供电或充电的移动设备，其包括： 电池；化及 接收器，其用于W下中的一种；对设备感应式地供电、或对移动设备中的电池感应式地 充电；并且其中所述接收器为W下中的一种；附着于电池或移动设备、或被并入至电池或 移动设备中。
10. 根据权利要求9所述的移动设备充电器或电源，其中在印刷电路板PCB层内形成具 有至少两种不同的尺寸或形状的线圈或线。
11. 根据权利要求9所述的移动设备充电器或电源，其中充电器或电源与该移动设备 相互通信W传输数据。
12. 根据权利要求9所述的移动设备充电器或电源，其中数据传输包括关于邻近充电 器或电源的移动设备的存在的信息，并且/或者其中充电器或电源储存用于可由充电器或 电源充电或供电的移动设备的充电或供电需求。
13. -种与移动设备或电池一起使用的用于对移动设备或电池感应式地充电或供电的 系统，其包括： 基座单元，其包括其中的一个或更多个初级线圈，所述初级线圈具有基本上平坦的形 状W使得当电流流经初级线圈时，在实质上与初级线圈的平面垂直的方向上产生磁场；W 及 其中所述垂直的磁场感应地在位于与所述基座单元邻近并且对准放置的移动设备或 电池内的匹配的一个或多个接收器线圈中产生电流，W对移动设备或电池充电或供电。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中所述一个或更多个线圈被制造在印刷电路板上 并且被制造为具有低电阻。
15. 根据权利要求13所述的系统，进一步包括禪接至所述基座单元并且对所述基座单 元供电的电池，并且其中所述电池能够由外部电源不时地充电W保持足够对感应式充电器 或电源设备供电一段时间的电量。
16. 根据权利要求13所述的系统，其进一步包括W下中的一个；禪接至基座单元中的 电池的太阳能电池，W用于对基座单元中的电池充电；用于数据的存储的数据存储组件，W 用于后继的至移动设备或来自移动设备的数据传输；或基座单元或垫的外套表面，其包括 装饰性的或防滑的表面。
17. 如权利要求13所述的系统，其中多个模块化充电器或电源能够被连接W形成单个 单元。
18. 根据权利要求13所述的系统，其中将被充电或供电的移动设备包括充电电路，所 述充电电路具有；齐纳二极管，其中所述齐纳二极管将施加至移动设备或电池的电压错位 至预定的最大电压；W及包括MOSFET的开关装置；并且所述电路包括与所述MOSFET的源 端至漏端并联的电容；并且其中当基座单元检测到移动设备或电池被与初级线圈邻近或对 准地放置时，由MOSFET自动启动初级线圈中的交替切换。
19. 根据权利要求13所述的系统，其进一步包括基座单元中的用于提供控制调节、和/ 或充电和/或供电的验证的装置，所述装置包括用于在不同的负载条件下调节和/或控制 进入线圈的功率从而在不同的负载条件或充电阶段期间保持高效率的开关装置。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中所述开关装置为过零电压或过零电流切换结 构，并且其中通过改变操作的频率来实现输出功率的控制。
【文档编号】H02J7/02GK104467129SQ201410549288
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2008年5月8日 优先权日:2007年5月8日
【发明者】阿夫钦.帕托维, 迈克尔.西尔斯 申请人:莫琼移动股份有限公司