用于在电子设备间传输能量和交换数据的系统的制作方法

[0001]
本发明涉及电子领域。更具体而言，根据本发明的实施例的解决方案涉及用于在没有电接触或无线的情况下在设备之间传输能量的系统，该系统具有也适于允许这些设备之间的数据交换的功能。


背景技术：

[0002]
便携式和固定式电子设备的普及使得对于允许它们快速、可靠且实用地被供电或充电的能量传输系统的需求不断增长。在可能的供电模式中，一种特别方便且通用的供电模式为无线供电，它不需要物理电连接即可将能量从电源传输到用户设备。此外，用于产品或加工行业、车辆中或直接以由单个用户或一组用户拥有的消费品形式制造的这些设备的数量，以及也由于lot(internet of things，物联网)技术的发展而引起的电子设备之间数据共享和连接的趋势不断增长-致使用于在具有不同技术和不同目的的电子设备之间进行无线数据交换的系统的广泛发展。
[0003]
例如，可能需要接收电能和/或交换数据的设备包括用于消费者市场的设备，例如蜂窝电话、智能手机、平板计算机、固定式及便携式计算机、档案系统、nas(network attached storage，网络附属存储器)、调制解调器、路由器、交换机、接入点、瞄准系统、键盘、电子书阅读器、摄像机、照相机、卫星导航仪、传统或智能电视机、光学或磁性设备的阅读器等。例如电器、恒温器、照明系统等设备以及更一般的家庭自动化系统也可能需要无线能量传输和数据交换或者从中受益。类似地，例如位于工业设备或车辆内的恶劣环境中的传感器和致动器等特定装置(例如压力传感器、温度传感器、加速度传感器、变形传感器、按钮、屏幕等)，以及生物医学设备(例如起搏器、输注器、可植入式除颤器等)可在实施用于传输能量和交换数据的无线系统的状态下获得改进的性能、功能和效率。
[0004]
通过无线能量传输系统进行电能传输是本领域已知的。这些系统通常基于初级电路(或传输电路)与次级电路(或接收电路)之间的电感性或电容性耦合，初级电路集成在基于供电或电池的设备中，次级电路集成在与供电设备分离且独立的待供电/充电的用户设备中。
[0005]
关于数据交换，通常在已知系统中实施的解决方案利用无线射频连接(例如wi-fi、蓝牙、rf、nfc、rfid、zigbee、uwb、cwusb、wimax或其它连接方式)，这些射频无线连接在距离、成本、消耗和带宽方面具有不同的性能。然而，这些解决方案需要适于根据选定的传输标准进行收发的电路部分，该传输标准是相对于专用于无线功率传输的电路部分所附加的。并且，所实施的信息传输可能会受到干扰，或者干扰电能的同时传输。
[0006]
其它已知的解决方案采用无线能量传输系统(特别是基于电感性耦合的无线能量传输系统)，以在能量传输的同时或在没有发生能量传输时交换数据，从而将感应电路既用于功率传输也用于数据传输。用于借助电感性耦合来交换数据的已知方法包括对功率载波的频率调制(也称为频移)，该方法特别适用于在通过根据待传输位(通常是电容性或电阻性地)连接和断开与功率负载或功率变换级并联的负载从而改变视在负载而得到的振幅调
制过程中将数据从功率传输系统传输到接收系统，这种技术对于将数据从次级电路传输到初级电路特别有用。
[0007]
以此方式，可以传输简单的信息(即在时间单位内传输有限量的数据)，例如，有关充电状态和/或供电状态的信息、系统中包含的设备的标识号、用于启动/中断/调节充电和/或供电的信息。还可以交换更复杂的信息，例如从次级传输到初级和从初级传输到次级的例如用于制作数据备份副本、标识、多媒体内容的交换、付款、发送消息、进行软件更新等的用户数据。
[0008]
这些已知系统的主要缺点之一通常是由传输和/或接收电感的尺寸带来的。为了以典型的工作频率传输足够的功率，这些元件具有较高的电感值，这将导致极大减小相关带宽，相关带宽的极大减小会反映在较低的数据交换性能(即特别低的比特率，通常低于几kbps)中。这些问题在传输大尺寸(通常为mb或gb量级)用户数据的情况下会产生特别不利的缺点，这种传输需要较长或不切实际的时间。
[0009]
本发明的目的是在简单、合理、低成本的解决方案中克服现有技术的上述缺点，同时保持其有关近距离数据交换的优点。
[0010]
特别地，本发明的目的是提供能够同时且独立地传输能量和交换数据的系统。
[0011]
这些目的是通过在独立权利要求中阐述的本发明的特征来实现的。从属权利要求概述了本发明优选的和/或特别有利的方面。


技术实现要素：

[0012]
本发明提供一种用于传输电能和数据的系统，该系统包括初级电路和次级电路。所述初级电路包括：电能源模块；初级电感元件，其连接至所述源模块；初级收发模块，其被配置成将数据编码为电磁信号并将电磁信号解码为数据；以及一对(导电)初级收发电枢，其连接至所述初级收发模块。所述次级电路包括：电能转换模块；次级电感元件，其连接至所述转换模块；次级收发模块，其被配置成将数据编码为电磁信号并且将电磁信号解码为数据；以及一对(导电)次级收发电枢，其连接至所述次级收发模块。所述初级电感元件和所述次级电感元件被配置成彼此电感性耦合，从而允许电能从所述源模块传递到所述转换模块。并且，每一对所述初级收发电枢被配置成电容性耦合至相应的一对次级收发电枢，从而允许在所述初级收发模块与所述次级收发模块之间进行数据交换。
[0013]
得益于该解决方案，可以经济有效地将能量从初级电路传输到次级电路，并同时可通过两个不同且相互独立的物理信道在双向上交换数据。此外，可优化能量传输和数据交换而彼此不存在负面影响。特别地，可借助电容性信道的物理特性来基本随意地设定用于电容性数据交换的带宽大小，而不会改变能量传输的效率，也无需改变现有的标准。
[0014]
在一个实施例中，至少第一初级收发电枢由初级电路部分所限定，并且至少一个对应的第一次级收发电枢由次级电路部分所限定。优选地，所述初级电路部分和所述次级电路部分被配置成彼此耦合从而限定具有预定电容的电容器。
[0015]
以此方式，可以使用初级电路和次级电路的已具备主要功能的部分来获得具有期望电容的电容器。这于是使得可利用具有紧凑结构和使用有限数量的部件的系统来获得电容性数据传输。
[0016]
在一个实施例中，所述初级电感元件和次级电感元件中的每一个包括一对连接端
子。优选地，所述初级电路部分包括所述初级电感元件的一部分，该部分临近于所述初级电感元件的所述连接端子中的一个。并且，所述次级电路部分包括所述次级电感元件的一部分，该部分临近于所述次级电感元件的所述连接端子中的一个。
[0017]
以此方式，可获得特别紧凑的结构。特别地，电感性耦合和电容性耦合都是通过仅使初级电路和次级电路的一个相应部分彼此接近而发生的。
[0018]
在一个实施例中，所述初级收发模块连接至所述初级收发模块的连接端子，所述次级收发模块连接至所述次级电感元件的连接端子。
[0019]
得益于该解决方案，可通过简单的电路布局将每个电路的电感元件也用于电容性数据交换并且独立于电感性能量传输。
[0020]
在一个实施例中，所述初级电路部分包括容纳所述初级电路的第一壳体的一部分，所述次级电路部分包括容纳所述次级电路的第二壳体的一部分。有利地，所述第一壳体的所述部分和所述第二壳体的所述部分由导电材料制成。
[0021]
附加地或替代地，所述初级电路部分包括用于屏蔽所述初级电路的电磁干扰的元件，所述次级电路部分包括用于屏蔽所述次级电路的电磁干扰的元件。
[0022]
附加地或替代地，所述初级电路部分包括所述初级电路的接地层，所述次级电路部分包括所述次级电路的接地层。
[0023]
作为进一步附加或替代地，所述初级电路部分和所述次级电路部分中的一者包括屏蔽元件，所述屏蔽元件位于所述初级电感元件与所述次级电感元件之间。
[0024]
得益于这些解决方案，可使用初级电路和次级电路和/或包含该初级电路和次级电路的相应装置的一个或多个结构/电路元件作为电枢(或电枢的一部分)，以实现电容性连接从而允许数据交换。
[0025]
在一个实施例中，第二初级收发电枢由附加的初级电路部分所限定，并且第二次级收发电枢由附加的次级电路部分所限定。优选地，所述附加的初级电路部分和所述附加的次级电路部分被配置成彼此相互作用从而限定具有预定电容的附加电容器。
[0026]
以此方式，可提供一对彼此不同且适于实现允许在初级与次级电路之间进行有效数据交换的电容性耦合的电枢的初级电路和次级电路。
[0027]
在一个实施例中，至少一个所述初级收发电枢包括定位在由所述初级电感元件界定的区域内的导电元件，至少一个所述次级收发电枢包括定位在由所述次级电感元件界定的区域内的导电元件。
[0028]
优选但非必须地，在该实施例中，每个初级电感元件和次级电感元件可由平面结构形成，并且类似地，所述至少一个初级收发电枢和所述至少一个次级收发电枢的导电元件也可以是平面的。
[0029]
该解决方案使得可为该系统提供专门用于极为紧凑且有效的电容性耦合的电枢。
[0030]
在一个实施例中，每个所述初级收发电枢包括定位在由所述初级电感元件界定的区域内的相应的(例如平面的)导电元件，每个所述次级收发电枢包括定位在由所述次级电感元件界定的区域内的相应的(例如平面的)导电元件。
[0031]
以此方式，可获得比前述情况中更为紧凑的结构。
[0032]
在一个实施例中，每个所述初级收发电枢和每个所述次级收发电枢包括根据选自以下布置的布置进行定位的一个或多个(例如平面的)导电元件：同心；棋盘；以及并排。
[0033]
得益于该解决方案，可获得具有足够旋转或平移自由度(即基本上独立于初级电路与次级电路之间的相对取向)的电容性耦合。
[0034]
在一个实施例中，每个(例如平面的)所述导电元件具有开环形状。
[0035]
得益于该解决方案，可将由于渗入这些平面导电元件中的磁场的影响而引起的寄生电流消除或至少最小化，从而改善系统的性能。
[0036]
在一个实施例中，在同心、棋盘、并排方式布置的具有开环的(例如平面的)导电元件的情况中，以及在将这些元件组合在一起的其它布置中，每个(例如平面的)导电元件都可以通过允许获得十分之一或百分之一毫米量级厚度的标准印刷电路板生产技术而被经济地制造。
[0037]
这些尺寸使得可获得电容性电枢和电感性元件，以分别确保电容性耦合和电感性耦合，这些电容性耦合和电感性耦合是有效的并且同时能够消除或至少减少由于功率部件与数据部件之间的相互作用所引起的负面寄生效应的出现。
[0038]
本发明的另一个方面提供一种根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述初级电路被结合在第一电子设备中，所述次级电路被结合在第二电子设备中。优选地，所述第二电子设备相对于所述第一电子设备分离且可移动。
[0039]
在一个实施例中，所述第一电子设备包括至少一个初级处理模块，所述初级处理模块连接至所述初级收发模块并被配置为与所述初级收发模块以二进制格式交换数据。并且，所述第二电子设备包括次级处理模块，所述次级处理模块连接至所述次级收发模块并被配置为与所述次级收发模块以二进制格式交换数据。
[0040]
以此方式，该系统使得可以快速且可靠的方式传输经处理模块处理的数据。
[0041]
在一个实施例中，所述第一设备包括初级通信信道，所述初级通信信道连接至所述初级收发模块以与所述初级收发模块交换根据所述通信信道的标准进行编码的数据。并且，所述第二电子设备包括次级通信信道，所述次级通信信道连接至所述初级收发模块以与所述初级收发模块交换根据所述通信信道的标准进行编码的数据。有利地，所述初级通信信道和所述次级通信信道属于选自以下技术的相同技术：usb、i2c、spi、pci express、hdmi、display port、ethernet、can、lin、flexray或其它标准通信总线。
[0042]
得益于该解决方案，通过电容性耦合进行的数据传输创建了虚拟布线，该虚拟布线将设置在互不相同且独立的电子设备中的通信信道的两个部分连接。
[0043]
本发明的不同方面涉及一种用于通过前述系统进行全双工数据交换的方法。特别地，该方法包括：在所述初级收发模块或次级收发模块处分别接收待传输到所述次级收发模块或所述初级收发模块的第一二进制数据；在所述初级收发模块或所述次级收发模块处，通过所述初级收发电枢和相应的所述次级收发电枢之间的电容性耦合，分别接收由所述次级收发模块或所述初级收发模块传输的第二二进制数据，以及生成具有以下电压的多电平信号：如果所述第一二进制数据和所述第二二进制数据均表示逻辑值0，则生成第一电压值，如果所述第一二进制数据和所述第二二进制数据表示不同的逻辑值，则生成第二电压值，或者如果所述第一二进制数据和所述第二二进制数据均表示逻辑值1，则生成第三电压值。
[0044]
以此方式，可使用用于数据传输和接收的单个电容性耦合实现全双工数据交换。
附图说明
[0045]
本发明的其它特征和优点将通过借助于所附图标中所示的附图阅读以下以非限制性示例方式提供的描述而变得明了。
[0046]
图1是根据本发明的实施例的用于传输能量和交换数据的系统的框图。
[0047]
图2a至图2d是根据本发明的实施例的电感元件和由这些电感元件限制的电容性电枢的示意图。
[0048]
图3a和图3b是根据本发明的不同实施例的电感元件和由这些电感元件限制的电容性电枢的示意图。
[0049]
图4a是根据本发明的另一实施例的系统的初级电路和次级电路的框图。
[0050]
图4b是在图4a的初级电路中实现的电感元件的示意图。
[0051]
图5是替代图4a的初级电路和次级电路的初级电路和次级电路的框图。
[0052]
图6a和图6b分别是根据本发明的另外两个实施例的初级电路和次级电路的框图，其中，将该系统的第一设备和第二设备的电路部分用作耦合电枢。
[0053]
图7a和图7b分别是根据本发明的另外两个实施例的初级电路和次级电路的框图，其中，将屏蔽元件用作耦合电枢。
具体实施方式
[0054]
特别参照附图，数字1整体上表示根据本发明实施例的用于传输电能和数据的系统。
[0055]
系统1包括初级电路10和次级电路20。电路10和电路20在物理上是分离的并且彼此独立。特别地，初级电路10适于传输电能并且适于在两个电路之间具有直接电连接的情况下与次级电路20交换数据。例如，初级电路10可包括在第一固定式电子设备30(例如坞站)中，而次级电路20可包括在第二便携式电子设备40(例如移动电话、智能手机、平板计算机、个人计算机、照相机/摄像机等)中。
[0056]
在下文中，形容词“初级”用于指示其所指的元件属于初级电路10。类似地，形容词“次级”用于指示其所指的元件属于次级电路20。
[0057]
在第一实施例中，初级电路10包括电能源模块(以下表示为源模块11)、初级电感元件12(例如传输电感器或电感线圈)、初级收发模块13、以及一对初级收发电枢(或更简单而言为初级电枢14a和14b)。
[0058]
在一个实施例中，源模块11连接至第一设备的供电模块31。例如，供电模块31包括电池、供电电路和/或连接至供电网的布线，或者，供电模块31可转而在没有电连接的情况下从另一传输系统摄取能量。优选地，源模块11包括dc/ac或ac/ac转换电路(例如开关转换电路)。
[0059]
初级收发模块13包括适于将(例如二进制格式的)数据转换或编码为电信号的电路。有利地，初级收发模块13的电路也适于执行相反的操作，即将电信号转换或解码为数据。
[0060]
初级电感元件12通过相应的端子对连接至源模块11。初级收发模块13连接至两个初级电枢14a和14b。在图1的示例中，第一初级电枢14a连接至初级收发模块13的第一输出端子，而第二初级电枢14b连接至初级收发模块13的第二输出端子，该第二初级电枢也连接
至初级电路10的参考端子。有利地，初级收发模块13连接至第一设备30的处理模块33和/或连接至(易失性和/或非易失性)存储模块35。
[0061]
次级电路20包括电能转换模块(以下称为转换模块21)、次级电感元件22(例如接收电感器或电感线圈)、次级收发模块23、以及一对次级收发电枢(或更简单而言为次级电枢24a和24b)。
[0062]
转换模块21包括适于将可随时间变化的电压波(ac)转换为另一电压(例如直流(dc))以向负载41(例如电池43)供电的电路、一个或多个处理模块45、一个或多个存储模块47、或者任何其它电负载(包括传感器、致动器或其它电气设备)。在另一实施例中，转换模块21可以将可随时间变化的电压波(ac)转换为具有不同幅度或频率特性的随时间变化的另一种波(ac)，以向利用交流电工作的任何类型的电气负载(包括电阻元件、电动机或其它电气设备)供电。
[0063]
次级收发模块23具有与初级收发模块13大致对应的结构(或具有必要的变更)，为简洁起见将不重复其描述。
[0064]
次级电感元件22通过相应的端子对连接至转换模块21。次级收发模块23连接至两个次级电枢24a和24b。
[0065]
在此情况下，第一次级收发电枢(以下称为第一次级电枢24a)连接至次级收发模块23的第一输出端子，而第二次级收发电枢(以下称为第二次级电枢24b)连接至次级收发模块23的第二输出端子，该第二次级收发电枢也连接至次级电路20的参考端子。
[0066]
有利地，次级收发模块23连接至第二设备40的处理模块45和/或存储模块47，以(例如以二进制格式)从所述数据模块进行接收/向所述数据模块进行发送。
[0067]
在根据本发明实施例的解决方案中，初级电路10适于通过电感性耦合将电能传输至次级电路20。另外，初级电路10和次级电路20适于通过电容性耦合交换数据。有利地，能量的传递和数据的交换是相互独立的，并且可以同时地进行或在不同时刻进行。
[0068]
在使用中，电能传输是以下述方式实现的。源模块11被配置以生成可随时间变化的初级电波s
e1
，该初级电波s
e1
具有预定的或包括在预定间隔内的第一频率f1，优选地，处于数百khz或数百mhz的量级。初级电波s
e1
激励初级电感元件12，使初级电感元件12产生可随时间变化的相应电磁场。该电磁场至少部分地被次级电感元件22收集，次级电感元件22继而产生次级电波s
e2
。换句话说，初级电感元件12和次级电感元件22彼此电感性耦合(即它们实质上作为变压器工作)，并且允许电能从初级电路10传递到次级电路20。次级电波s
e2
为转换模块21供电，转换模块21适于将次级电波s
e2
本身进行转换，并将其提供给经适当调节(例如被转换成不同的电压或被转换成适当的电流)的第二设备40的负载41。特别地，转换模块21适于将次级电压波s
e2
转换成适于为第二设备40的负载41供电的一对供电电压v
dd
和供电电流i
dd
，并因此通过该对电压v
dd
和供电电流i
dd
向负载41供应电能。
[0069]
而初级电路10与次级电路20之间的数据交换是通过以下方式实现的，其中考虑了从初级电路10到次级电路20的数据传输。初级收发模块13从第一设备30的处理模块33或存储模块35接收待向第二设备40发送的数据(例如二进制值的字符串或字符串序列)。于是，初级收发模块13将数据转换(编码)为具有预定的第二频率f2(例如包括在预定间隔内，优选处在若干mhz或若干ghz的量级)的可随时间变化的初级电信号s
d1
。优选地，第二频率f2高于第一频率f1；例如，第二频率f2比第一频率f1高至少一个量级，更优选地比第一频率f1高
两个量级。第二频率f2也可以在频率间隔或带宽内可变，该频率间隔或带宽例如由频率f
2_min
的最小值和频率f
2_max
的最大值界定，优选地，频率f
2_min
的最小值高于第一频率f1。
[0070]
初级电信号s
d1
适于改变在初级电枢14a和14b上累积的电荷，从而产生可变电场，该可变电场使得相反符号的电荷在次级电枢24a和24b上相应的累积，由此产生次级电信号s
d2
。换句话说，每个初级电枢14a和14b电容性耦合到相应的次级电枢24a和24b，以形成相应的电容器c1和c2。以此方式，形成了连接两个收发模块13和23的电路，该电路可以将电信号从初级电路10传输到次级电路20。
[0071]
根据需要，两个初级电枢中的一者和两个次级电枢中的一者(例如初级电枢14b和次级电枢24b)可连接至参考节点，从而连接至初级电路10的相应的初级参考电势(gndp)和次级电路20的相应的次级参考电势(gnds)，从而实际上将这两个参考电势耦合到数据信号传输的次级频率f2。
[0072]
第二次级电信号s
d2
被次级收发模块23接收，次级收发模块23将第二次级电信号s
d2
转换(解码)为最初被提供给初级收发模块13的数据。随后，次级收发模块23将数据提供给第二设备40的处理模块45和/或(易失性和/或非易失性)存储模块47。
[0073]
对于本领域技术人员而言明了的是，反向操作(即从次级电路20到初级电路10的数据传输)以大致对应的方式进行(或具有必要的变更)。
[0074]
在替代实施例中，初级电枢14a和14b与次级电枢24a和24b之间的电容性耦合可用作“桥”，以将初级通信信道与次级通信信道耦合，从而在初级电路10与次级电路20之间限定连续的(数据)通信信道。
[0075]
例如，电容性耦合可用作数据通信手段，以替代当前用于互连设备的识别和用于对次级上存在的负载的电感功率调节所需的反馈的数据通信手段。
[0076]
在另一实施例示例中，电容性耦合可用于限定初级电路10与次级电路20之间连续的通信信道，以在例如usb、pci express、hdmi、display port(显示接口)、ethernet(以太网)、can、lin、flexray类型或任何其它已知标准等有线连接中选择的通信信道之间交换数据。特别地，根据本发明实施例的电容性耦合创建了虚拟布线，该虚拟布线连接通信信道的分别包括在相应的设备30或40中并且连接至相应收发模块13或23的两个部分(例如usb电缆的两个部分)。在这种情况下，两个收发模块13和23被配置为接收根据所选择的通信信道标准编码的数据，将它们分别转换为初级电信号s
d1
和次级电信号s
d2
，并且根据所选择的通信信道标准将接收到的次级电信号s
d2
和初级电信号s
d1
分别解码，以重新对数据编码。
[0077]
有利地，该变形允许通过附加的电容性耦合和通过有线联接，在包括次级电路20的第二电子设备40与连接至包括初级电路10的第一电子设备30的一个或多个设备之间进行安全可靠的数据连接。换句话说，包括初级电路10的第一电子设备30可被配置为从中枢(hub)操作以用于在与该中枢连接的两个或更多个设备(如第二设备40)之间进行数据交换。
[0078]
在本发明的实施例中，如下文所描述，可以管理全双工数据交换。收发模块13和23都被配置用于管理全双工通信，即，收发模块13和23能够同时且独立地发送和接收数据流。
[0079]
例如，一个实施例(本文中未示出)包括附加的初级电枢和附加的次级电枢，该附加的初级电枢和附加的次级电枢能够相互耦合，从而定义第三电容器。以此方式，可限定附加的数据交换通道，然后与从初级电路10向次级电路20(反之亦然)的数据接收并行地进行
数据传输。
[0080]
替代地，可通过仅利用图1电路中与两个次级电枢24a和24b耦合的两个初级电枢14a和14b来确保全双工通信的比特率，从而简化地提供这样的系统：该系统具有适当尺寸及配置的缓存器以临时存储待传输数据的一部分、以及用于在电容性通道中协调数据传输的机制。对于本领域技术人员而言将明了的是，这在图1所示系统用作两个全双工系统之间的接口的情况下特别有用，因为其使用最少数量的电枢和半双工方案确保了全双工系统的带宽(并因此确保所需的比特率)。
[0081]
该解决方案使得可以避免电枢数量的增加(这在具有特别减小的尺寸的实施方式中特别有利)和/或抑制生产成本和系统1的复杂性。
[0082]
申请人已发现，可通过提供被配置为对待发送的(二进制)数据以及在能够假设多个电平或电压值的单个多电平信号m中以确定的时间间隔接收到的(二进制)数据进行编码的收发模块13和23来实现全双工通信。
[0083]
收发模块13对将要通过(例如由处理模块33提供的)初级电信号s
d1
发送的(二进制)数据、以及在多电平信号m1中接收到的次级电信号s
d2
中包含的(二进制)数据进行编码。
[0084]
对于本领域技术人员而言将明了的是，反向操作(即通过收发模块23进行的次级中的数据发送和接收)以整体上类似的方式进行的(或具有必要的变更)。
[0085]
更详细来说，初级收发模块13(或等效地，次级收发模块23)被配置成(在相应的通信时间间隔内)生成处于第一电压值的相应的初级多电平信号m1或次级多电平信号m2，所述第一电压值例如为0v，以表示逻辑0是待发送的，并且同时，分别从另一个次级收发模块23或初级收发模块13接收到逻辑0。如果逻辑1是待发送的，并且同时，接收到逻辑0，或者在相反情况下，逻辑0是待发送的，并且同时，接收到逻辑1，初级收发模块13(或等效地，次级收发模块23)被配置为向相应的初级多电平信号m1或次级多电平信号m2施加第二电压值，例如3.3v的第二电压值。有利地，在考虑初级收发模块13或次级收发模块23中的仅一者发送逻辑1的情况下，由于每个收发模块13和23都知道是否正在以确定的通信间隔发送逻辑1，因此不必区分哪个收发器正在发送逻辑值1。最后，如果逻辑1是待发送的且同时接收到逻辑1，则初级收发模块13(或等效地，次级收发模块23)被配置为生成处于第三电压值(例如5v)的相应的初级多电平信号m1(或次级多电平信号m2)。
[0086]
得益于以上描述的配置，可避免对用于存储被发送和被接收数据的缓存器的需要，并同时仍然确保通过收发模块13和23实现全双工通信的能力，而又不会使所需电枢的数量增加，从而有效地实现全双工数据交换。此外，根据本发明对初级多电平信号m1和次级多电平信号m2进行的编码，使得可以仅用三个电平来表示被发送/接收的二进制数据的四种可能的组合。有利地，所使用的电平或电压值数量的减少，使得通过选择第一电压值(0v)、第二电压值(3.3v)及第三电压值(5v)并且它们相对于可用供电动态(例如，在上面提供的数字示例的情况下为5v的供电电压)而言彼此间的距离尽可能大，来确保抵抗数据传输系统干扰的稳定性。
[0087]
可选地，为提高数据传输的可靠性，可将不同于0v的电压值(例如1v)与逻辑0关联，以便通过检测0v的电压值来识别传输/接收错误或问题。
[0088]
在替代实施例中，可配置收发模块13和23以生成相应的初级多电平信号m1或次级多电平信号m2，以便将被接收和被发送数据的逻辑值信息与从一个电压值进行的转变相关
联或者与另一个电压值相关联，而不是与这些值本身相关联。换句话说，被接收和被发送数据的逻辑值信息包含在由收发模块13和23生成的初级多电平信号m1或次级多电平信号m2的波前(wavefront)中。
[0089]
另外，可发送补充二进制数据(例如奇偶校验位)和/或实施对验证和确保由收发模块13和23交换的数据的完整性有用的算法。
[0090]
申请人已经发现，可利用适于保持初级电路10和次级电路的结构紧凑的解决方案来形成初级电枢14a和14b中的一者或两者、以及次级电枢24a和24b中的一者或两者，同时保持能量传输和数据交换的高效性和有效性，并使成本可与单独的电感能量传输系统的典型成本相比。
[0091]
在一个实施例中，初级电枢14a和14b以及次级电枢24a和24b包括导电元件，该导电元件具有相对于第三维度而言的两个优势维度(例如为平面的)。优选地，每个初级电枢14a和14b以及每个次级电枢24a和24b包括设置在支撑表面上的导电材料(例如铜)焊盘。该支撑表面可例如为独立的绝缘材料-聚合物或陶瓷、或者印刷电路板-或者其上分别安装有初级电路10和次级电路20的组件的电路板。
[0092]
如果导电材料的厚度足以赋予导电材料焊盘足够的强度和刚度，则可避免使用支撑材料。例如，可以有利地使用铜板或铝板或金属框架作为适于制造该初级电枢14a和14b以及次级电枢24a和24b的导电材料，而无需专门的支撑表面。
[0093]
有利地，如果电感元件12和22是绘制在印刷电路板上的电感器，而不是通过绕线方式得到的传统电感器，则可以用与形成电感元件12和22相同的技术和材料来制造该平面导电元件。
[0094]
无论电感元件12和22的具体类型如何，都可根据具体应用而将初级电枢14a和14b以及次级电枢24a和24b分别形成为靠近或远离电感元件12和22。通常，适当且有利的是，将初级电枢14a和14b以及次级电枢24a和24b设置在电感元件12和22附近或集成在电感元件12和22中，以获得具有特别紧凑结构的初级电路10和次级电路20。
[0095]
优选地，初级电枢14a和14b、次级电枢24a和24b以及电感元件12和22是平面形的(尽管没有任何限制阻止将它们成形为适合于应用的任何形状)，例如用于智能手机的平面形，用于电动牙刷、移除控制器或其它电器等之类的物品的圆柱形。
[0096]
如图2a的示例所示，初级电枢14a或14b中的至少一者包括平面导电元件50，该平面导电元件50位于由初级电感元件12界定的区域内。类似地，次级收发电枢24a或24b中的至少一个包括平面导电元件(未示出)，该平面导电元件位于由次级电感元件22界定的区域内。优选地，在使用中被耦合以形成相应电容器c1的初级电枢14a和次级电枢24a或者在使用中被耦合以形成相应电容器c2的初级电枢14b和次级电枢24b包括形成在由相应电感元件12或22界定的区域中的该平面导电元件。更优选地，所述导电元件被成形为具有相同的表面积。有利地，平面导电元件50的布置确保初级电路10与次级电路20之间的旋转或平移对准自由度。换句话说，无论初级电路10和次级电路20的相对取向或位置如何，如上所述地成形的初级电枢14a和次级电枢24a都被耦合以形成电容器c1。有利地，无论初级电路10和次级电路20的相对取向或位置如何，电容器c1的电容都是大致均匀的(至少处于预定值范围内)。
[0097]
在替代实施例中，初级电枢14a和14b都可包括形成在由电感元件12界定的区域中
的相应的导电元件。自然地，次级电枢24a和24b也可包括以类似方式形成在由电感元件12界定的区域中的相应的导电元件。在图2b的示例中，每个初级电枢14a和14b都包括平面导电元件51a和51b，该平面导电元件51a和51b在由电感元件12界定的区域中彼此同心地成形。必须在相应的次级电枢24a和24b中提供类似的布置。以此方式，确保了次级元件相对于初级元件的角度定位的自由度。在图2c的示例中，每个初级电枢14a和14b都包括多个平面导电元件52a和52b。该多个平面导电元件52a和52b在由电感元件12界定的区域中成形为具有棋盘形状(即沿两个相互垂直的轴线交替布置)。必须在相应的次级电枢24a和24b中提供类似的布置。以此方式，确保了次级元件相对于初级元件沿两个笛卡尔坐标轴的平移定位的自由度。在图2d的示例中，每个初级电枢14a和14b包括多个平面导电元件53a和53b，该多个平面导电元件53a和53b在由电感元件12限定的区域中成形为具有并排布置(即沿预定且优选的方向交替布置)。必须在次级电枢24a和24b中提供类似的布置。与前述情况同样地，以此方式，也确保了次级元件相对于初级元件沿两个笛卡尔坐标轴的平移定位的自由度。有利地，平面导电元件50、51a和51b、52a和52b、以及53a和53b的布置确保了初级电路10与次级电路20之间的旋转或平移自由度。换句话说，如上所述地成形的初级电枢14a和14b以及电枢24a和24b以初级电路10和次级电路20的相对取向基本独立的方式被耦合以形成电容器c1和c2。有利地，无论初级电路10和次级电路20的相对取向如何，电容器c1和c2的电容都是大致均匀的(至少处于预定值范围内)。
[0098]
优选但非必须地，且在任何情况下均无限制性地，平面导电元件51a、52a和53a的总表面积分别与平面导电元件51b、52b和53b的总表面积对应，以在初级电枢14a和14b与电枢24a和24b耦合时限定具有大致相等电容的电容器c1和c2。
[0099]
初级电枢14a和14b以及电枢24a和24b的这些结构或(技术术语中的)布局允许获得这样的电容器c1和c2：具有适合于在高值f2频率下(例如在若干mhz与若干ghz之间)进行电容式数据传输的电容值。例如，可在无需对围绕上述平面导电元件的电感元件12和22的结构进行实质改变的情况下获得电容处于几pf(皮法)至上百pf或几nf(纳法)至上百nf量级范围的电容器c1和c2。
[0100]
另外，可以获得具有开环或梳状结构的平面导电元件。在图3a和图3b中所考虑的示例中，根据“多指(multifingered)”结构获得平面导电元件54和55。换句话说，每个平面导电元件54和55分别包括多个细长部分541和551或者说“指状物”，该多个细长部分541和551彼此间隔且分开，从而不形成环。这些多指状平面导电元件54和55允许保持因此获得的电枢14a、14b、24a或24b的总表面积较大，从而使耦合电容最大化，同时允许减小并将消除寄生电流的出现，特别是所谓的涡流(也称为傅科(foucault)电流)的出现，所述寄生电流是由电感元件12和22所产生且被用于能量传输的电流穿过的可变磁场在电枢14a、14b、24a或24b中产生的。以此方式，避免或限制了由于这些寄生电流的产生和功率交换系统相对于数据交换系统的任何干扰所引起的传输过程中的电能损失而导致的初级电路10与次级电路20之间的能量传输方面的效率降低。此外，由磁场感应出的寄生电流的减少避免或降低了通过(可被集成在初级电路10(或设备30)中的)保护/节能电路对干扰物体(即不同于或不包含次级电路20的导电物体)误检测(在本领域中称为异物检测(fod)，在此未详细描述)的可能性。
[0101]
优选地，每个导电元件-特别是多指形导电元件54和55以及导电元件51a、52a和
53a-都是用宽度为毫米或几十毫米量级的导电材料的轨道(tract)制成的。以此方式，导电元件中感应出的寄生电流大大减少，从而减少了电感性电能传输与电容性数据交换之间的冲突。同时，这种尺寸的轨道允许限定适合于形成具有适于在高值频率f2下进行电容性数据传输的电容值(优选具有从pf到nf电容值)的c1和c2的多指形导电元件54和55。
[0102]
有利地，尽管没有限制，可以获得具有厚度减小(例如等于或小于50μm，优选地小于1μm)的导电材料轨道的每个导电元件50、51a、52a和53a、54和55。另外，电感元件12和22也可用由导电材料制成的轨道来获得，该轨道可能但并不必须具有与导电元件50、51a、52a、53a、54和55相等或相似的厚度。这些尺寸允许进一步限制寄生电流的大小，在单一支撑下获得电感线圈和电容性电枢，并使其它寄生效应(例如趋肤效应(skin effect))最小化。
[0103]
替代地或附加地，初级电枢14a和14b和/或次级电枢24a和24b中的一个或多个可分别利用具有不同主要目的的初级电路10和次级电路20的电路部分-或第一设备30和第二设备40的一部分-来实现。换句话说，系统1的初级电枢14a或14b中的一个或两个由相应的初级电路部分所限定，相应的次级电枢中的一个或两个由相应的次级电路部分所限定。尽管每个初级电路部分和每个相应的次级电路部分具有不同的主要目的，但它们仍然也适于或被制造为适于彼此相互作用，从而定义具有预定电容的电容器c1或c2。
[0104]
以此方式，可获得初级电路10和次级电路20的特别紧凑的结构，该结构不需要额外的电枢或部件来实现对数据交换有用的耦合电容。因此，该解决方案通常需要减少的电路部件数量。
[0105]
在图4b的示例中，第一初级电路部分61a包括初级电感元件12的一部分，该部分临近于包括在初级电感元件12中的第一连接端子121并且(与第二端子122一起)设置用于与其它电路部件(例如源模块11)的连接。优选地，尽管没有限制，但还利用了第二初级电路部分61，该第二初级电路部分61包括初级电感元件12的临近于第二连接端子122的部分。初级电路部分61a和61b的延展取决于数据交换操作的工作频率，即第二频率f2，也取决于相应的电感元件12和22的电感。详细来说，电感元件12或22的中央部分63的行为类似于第二频率f2下的开路，从而将初级电路部分61彼此电隔离。类似地，在次级电路20中，也可利用一对次级电路部分62a和62b，该一对次级电路部分62a和62b中的每一个都临近于次级电感元件22的相应连接端子(未示出)。在电感元件12和22的耦合操作中，次级电路部分62a和62b的延展大致与初级电路部分61a和61b的延展对应。
[0106]
在图4a的示例中，初级电路部分61a和61b通过初级桥电容器71彼此连接，并通过初级尾端电容器71连接至参考端子。类似地，次级电路部分62a和62b通过次级桥电容器73彼此连接，并且通过次级尾端电容器74连接至参考端子。有利地，电容器71、72、73和74的尺寸被设计为在第二频率f2下基本上操作为短路，而在第一频率f1下基本上操作为开路。
[0107]
得益于该配置，在第二频率f2下，初级部分61a和61b限定了通过相应的参考端子串联到收发模块13的第二初级电枢14b，次级电路部分62a和62b限定了通过相应的参考端子串联到收发模块23的第二次级电枢24b。
[0108]
由电枢14b和24b之间的耦合形成的电容c2的实际电容取决于初级电路部分61a和62b以及次级电路部分62a和62b的延展、电枢14b和24b的距离、以及构成电感元件12和22的导电丝的尺寸。在图4b的情况下，电感元件12(以及类似地，未示出的电感元件22)具有平面
形式；因此，限定电感元件12的导电材料的轨道的宽度w有助于确定电容c2的电容。在任何方式下，在不需要对系统1的构造特别妥协的情况下，用已知技术形成的电感元件12和22都允许根据实施需要而限定具有处于几pf到若干nf量级的电容的电容器c2。
[0109]
在图5所示的实施例中，由电感器的中心部分在频率f2下产生的电隔离允许将电感元件12和22临近于相应端子的每个部段用作独立的电路部分。换句话说，初级电路部分61a和61b被彼此独立地使用，并且相应的两个次级电路部分62a和62b被彼此独立地使用。
[0110]
详细来说，第一初级部分61a通过桥电容器72连接至初级收发模块13，而第二初级部分61b通过尾端电容器71连接至参考端子。类似地，第一次级部分62a通过桥电容器77连接至次级收发模块23，而第二次级部分62b通过尾端电容器78连接至参考端子。有利地，电容器75、76、77和78的尺寸被设计成在第二频率f2下基本上操作为短路，并在第一频率f1下基本上操作为开路。
[0111]
在该构造中，第一初级部分61a限定了第一初级电枢14a，而第二初级部分61b限定了第二初级电枢14b。类似地，第一次级部分62a限定了第一次级电枢24a，而第二次级部分62b限定了第二次级电枢24b。得益于该配置，电容器c1和c2都是利用在电感元件12和22正常工作期间在电感元件12和22之间形成的寄生电容而获得的。这允许获得具有更紧凑结构的初级电路10和次级电路20，由于不需要形成用于数据交换的特定电枢，因此这种更紧凑的结构可通过较少的处理步骤来获得。特别地，可在无需改变电感部分(其同时还用作电容性耦合电枢)的情况下获得高速的数据交换。同样地，在这种情况下，在不需要对系统1的结构特别的妥协的情况下，利用已知技术形成的电感元件12和22允许根据实现需要来限定具有处于几pf至若干nf量级的相应电容的电容器c1和c2。
[0112]
根据一个替代实施例，初级电枢14a或14b中的一者及对应的次级电枢24a或24b(如图6a的示例中的第二初级电枢14b和第二次级电枢24b)是分别利用第一设备30的部分80和第二设备40的部分90形成的，特别是利用第一设备30和第二设备40的emi屏蔽元件或接地层的相应壳体或框架的由导电材料制成的一部分形成的。以此方式，可获得具有期望电容的第二电容器c2，而无需专用于初级电路10和次级电路20的附加组件。在图6a的示例中，第一设备30的部分80和第二设备40的部分90中的每一个都通过对应的桥电容器81和91连接至相应的收发模块13和23，而第一初级电枢14a和第一次级电枢14b如上所述(特别是关于图2a)地形成，其中，在由对应的电感元件12或21界定的区域中形成平面导电元件50；然而，并不排除根据不同技术形成第一初级电枢14a和第二初级电枢24a。
[0113]
替代地，如图6b的示例所示，可分别利用电感元件12和22的初级电路部分61和次级电路部分62如上所述地(例如关于图4a和图4b)获得第一初级电枢14a和第一次级电枢24a，以利用所述电路部分之间的电容性耦合来获得具有期望电容的对应的第一电容器c1。在此情况下，初级电路部分61a和61b彼此连接，并且通过相应的桥电容器82和83连接至初级收发模块13。类似地，次级电路部分62a和62b彼此连接，并且通过相应的桥电容器92和93连接至次级收发模块23。有利地，电容器81、82、83和电容器91、92、93的尺寸被设计为在第二频率f2下基本上操作为短路，而在第一频率f1下基本上操作为开路。
[0114]
以此方式，使用彼此不同的电路部分实现了具有期望电容的电容器c1和c2，通过仅引入较小数量的电容器使得结构复杂性降低。
[0115]
可以看出，并不排除利用例如每个电路10和20的供电平面作为相应的第一电枢
14a和14b，以及利用例如每个电路10和20的接地层作为相应的第二焊盘24a和24b以便获得适合于数据交换的电容性耦合，而无需提供专用于此目的的电枢。
[0116]
在这方面，申请人已经观察到，可优化第一设备30的部分80和第二设备40的部分90的(例如质量平面和/或供电平面的)尺寸以获得电容性耦合区域，该电容性耦合区域适于允许在初级电路10与次级电路20之间进行可靠且有效的数据交换，而不包括部分80和90的原始目的。
[0117]
在图7a所示的不同实施例中，可利用屏蔽元件100获得初级电枢(例如第一初级电枢14a)，该屏蔽元件100可包括在初级电路10中且被配置成衰减由电感元件12和22在所述电感元件没有在空间上重叠的区域中产生的磁场，以消除或至少减轻干扰现象。
[0118]
在图7a所考虑的示例中，屏蔽元件100通过桥电容器101连接至初级收发模块13，同时通过电感器102连接至参考节点。特别地，电容器101的尺寸被设计成在第二频率f2下基本上操作为短路，而在第一频率f1下基本上操作为开路。反之亦然，电感器102的尺寸被设计成在第一频率f1和低于f2的频率下基本上操作为短路，而在第二频率f2下基本上操作为开路。
[0119]
如图7b的替代实施例中所示，如果次级电路20也设置有屏蔽元件110，则类似于所考虑的示例中的第一次级电枢24a，也可利用屏蔽元件110获得次级电枢。详细来说，屏蔽元件110通过桥电容器111连接至次级收发模块23，同时通过电感器112连接至参考节点。特别地，电容器111的尺寸被设计成在第二频率f2下基本上操作为短路，而在第一频率f1下基本上操作为开路。反之亦然，电感器112的尺寸被设计成在第一频率f1和低于f2的频率下基本上操作为短路，而在第二频率f2下基本上操作为开路。
[0120]
如此构思的本发明可在不脱离本发明构思的范围的情况下做出多种修改和变形。例如，电感元件(以及因此，可相互耦合的任何电路部分)的形状、尺寸和布置可根据设计规范和/或实施要求而变化。类似地，由所述电感元件限定的任何焊盘的形状、尺寸和布置将根据设计规范和/或实施要求而变化。
[0121]
此外，除了或者替代由所述元件限定的焊盘之外，还可形成限定所述电感元件的电枢焊盘。或者说，并不排除形成具有与平面结构不同结构的电感元件和电枢，如包括导线绕组的电感元件和/或由导电材料制成的板形成的电枢。
[0122]
此外，可提供动态地连接至相应的收发模块的初级和次级电枢，从而使系统关于平移失准和旋转失准同时稳定。换句话说，系统1包括由多个如图2c或图2d所示的平面导电元件形成的初级电枢中的至少一个，并且被配置成对这些平面导电元件进行感测从而实现区分这些平面导电元件的适当方法(例如，通过配置为提供经适当校准的阻抗测量，或通过(优选根据专门的适当协议)在初级电路与次级电路之间的信息交换)。
[0123]
初级电路和次级电路的平面导电元件的相互位置一旦确定，系统就可配置初级电路的平面导电元件的一部分(例如一半)以激励第一次级电枢，并且配置初级电路的平面导电元件的另一部分(例如另一半)以用反相信号激励第二次级电枢，或者只是在参考端子处闭合数据电路。显然，要获得这种类型的架构，初级电枢的平面导电元件的数量必须大于次级电枢的平面导电元件的数量；此外，初级电枢的平面导电元件优选形成为具有比次级电枢的导电元件更小的尺寸。
[0124]
另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可将上述实施例全部组合。例如，由屏蔽
元件形成的电枢可与由电感元件或由与该电感元件关联的电路部分中的一个或两个界定的焊盘所限定的电枢耦合。此外，被耦合的电容器可由包括初级电路和次级电路在内的设备的对应元件形成，而另一个电容器可包括由屏蔽元件限定的电枢。
[0125]
此外，所有细节都可用技术上等效的其它元素所代替。
[0126]
在实践中，在不脱离以下权利要求的保护范围的情况下，所使用的材料及具体的形状和尺寸可根据需要而为任何材料。