具有外来对象检测的无线功率系统的制作方法

具有外来对象检测的无线功率系统
1.本专利申请要求2020年12月2日提交的美国专利申请第17/109793号、2019年12月3日提交的美国临时专利申请第62/943043号以及2020年4月20日提交的美国临时专利申请第63/012813号的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
2.本公开整体涉及功率系统，并且更具体地，涉及用于给电子设备充电的无线功率系统。


背景技术：

3.在无线充电系统中，无线功率传输设备诸如充电垫以无线方式向无线功率接收设备诸如便携式电子设备传输功率。该无线功率传输设备使用无线功率传输线圈向无线功率接收设备发射无线功率信号。无线功率接收设备具有线圈和整流器电路。该无线功率接收设备的线圈接收来自无线功率传输设备的交流无线功率信号。整流器电路将接收的信号转换为直流功率。


技术实现要素：

4.希望获悉无线功率接收设备接收到的或未接收到的无线功率传输设备所传输的功率的量。
5.在一些实施方案中，无线功率传输设备确定外部对象是否存在于无线功率传输线圈附近。外部对象可以是外来对象诸如纽扣或回形针，或者可以是无线功率接收设备。如果检测到外来对象，则可以采取合适的动作，诸如放弃无线功率传输。
6.在一些实施方案中，可以使用品质因数测量来检测外部对象。将当前品质因数测量与基线品数测量进行比较，以确定是否存在外部对象。可使用无线通信来对外来对象和无线功率接收设备进行区分。
7.品质因数测量可以通过以下方式来进行：向无线功率传输线圈施加脉冲并测量与线圈中的脉冲响应相关联的衰减包络；或直接测量无线功率传输线圈的阻抗并从测得阻抗确定当前品质因数。针对老化效应和温度效应，可以使用温度测量和基于频率和线圈电阻测量来补偿品质因数测量。
附图说明
8.图1为根据实施方案的例示性无线功率系统的示意图。
9.图2为根据实施方案的例示性无线功率系统的电路图。
10.图3为示出根据实施方案的可以分析无线功率传输线圈的脉冲响应以测量线圈的品质因数值的曲线图。
11.图4为根据实施方案的例示性无线功率发射器的电路图，其示出可用于进行品质因数测量的电路。
12.图5示出了根据实施方案的可用于基于阻抗测量来确定参数(诸如线圈品质因数)的公式。
13.图6为示出根据实施方案的可以应用于当前品质因数测量以确定经补偿品质因数值的补偿因数的公式。
14.图7和图8为示出根据实施方案的使用无线功率系统所涉及的例示性操作的图。
15.图9为示出根据实施方案的无线功率传输电路的脉冲响应的曲线图。
16.图10为根据实施方案的将品质因数的变化作为线圈电阻的函数进行绘制的曲线图。
具体实施方式
17.无线功率系统包括无线功率传输设备，诸如无线充电垫。无线功率传输设备将功率无线传输到无线功率接收设备。无线功率接收设备可以为以下设备：诸如腕表、蜂窝电话、平板电脑、膝上型计算机或其他电子装备。无线功率接收设备使用来自无线功率传输设备的功率来为设备供电以及为内部电池充电。
18.使用一个或多个无线功率传输线圈来将无线功率从无线功率传输设备传输到无线功率接收设备。无线功率接收设备具有耦接到整流器电路的一个或多个无线功率接收线圈，该整流器电路将所接收的无线功率信号转换为直流功率。
19.如果在无线功率传输设备的无线功率传输线圈附近存在外来对象诸如回形针、硬币或其他金属对象等，则可能存在在外来对象中产生涡电流的风险，该涡电流会使外来对象的温度升高。为了确定无线功率传输设备附近是否存在外来对象诸如回形针或硬币，无线功率传输设备测量无线功率传输线圈的品质因数并确定品质因数是否已经受到外来对象的存在的影响。通过检测是否存在外来对象，可以采取合适的动作(例如，每当检测到外来对象时，无线功率传输设备都会放弃无线功率传输操作)。
20.图1中示出了例示性无线功率系统(无线充电系统)。如图1所示，无线功率系统8包括无线功率传输设备(诸如无线功率传输设备12)，并且包括无线功率接收设备(诸如无线功率接收设备24)。无线功率传输设备12包括控制电路16。无线功率接收设备24包括控制电路30。在系统8中的控制电路，诸如控制电路16和控制电路30用于控制系统8的操作。此控制电路可包括与微处理器、功率管理单元、基带处理器、数字信号处理器、微控制器和/或具有处理电路的专用集成电路相关联的处理电路。处理电路在设备12和24中实现期望的控制和通信特征。例如，处理电路可用于选择线圈、确定功率传输水平、处理传感器数据和其他数据以检测外来对象并执行其他任务、处理用户输入、处置在设备12和24之间的协商、发送和接收带内和带外数据、进行测量，以及以其他方式控制系统8的操作。
21.系统8中的控制电路可被配置为使用硬件(例如，专用硬件或电路)、固件和/或软件在系统8中执行操作。用于在系统8中执行操作的软件代码存储在控制电路8中的非暂态计算机可读存储介质(例如，有形计算机可读存储介质)上。该软件代码可有时被称为软件、数据、程序指令、指令或代码。非暂态计算机可读存储介质可包括非易失性存储器诸如非易失性随机存取存储器(nvram)、一个或多个硬盘驱动器(例如，磁盘驱动器或固态驱动器)、一个或多个可移动闪存驱动器、或其他可移动介质等。存储在非暂态计算机可读存储介质上的软件可在控制电路16和/或30的处理电路上执行。处理电路可包括具有处理电路的专
用集成电路、一个或多个微处理器、中央处理单元(cpu)、或其他处理电路。
22.功率传输设备12可以是独立的功率适配器(例如，包括功率适配器电路的无线充电垫或充电座(puck))，可以是通过缆线耦接到功率适配器或其他装备的无线充电垫或座，可以是便携式设备，可以是已经结合到家具、交通工具或其他系统中的装备，可以是可移除电池盒或可以是其他无线功率传递装备。其中无线功率传输设备12是无线充电垫的例示性配置在本文中有时作为示例进行描述。
23.功率接收设备24可以是便携式电子设备，诸如腕表、蜂窝电话、膝上型计算机、平板电脑、附件诸如耳塞，或其他电子装备。功率传输设备12可耦接到壁装插座(例如，交流功率源)，可具有用于供应功率的电池，和/或可具有另一个功率源。功率传输设备12可具有交流(ac)-直流(dc)功率转换器，诸如ac-dc功率转换器14，用于将来自壁装插座或其他功率源的ac功率转换成dc功率。dc功率可用于为控制电路16供电。在操作期间，控制电路16中的控制器使用功率传输电路52来向设备24的功率接收电路54传输无线功率。功率传输电路52可具有开关电路(例如，由晶体管形成的逆变器电路61)，该开关电路基于由控制电路16提供的控制信号而接通或关闭，以形成通过一个或多个无线功率传输线圈诸如无线功率传输线圈36的ac电流信号。这些线圈驱动信号使得线圈36传输无线功率。多个线圈36可被布置成平面线圈阵列(例如，在设备12为无线充电垫的配置中)或可被布置用于形成线圈簇(例如，在设备12为无线充电座的配置中)。在一些布置方式中，设备12(例如，充电垫、充电座等)可仅具有单个线圈。在其他布置方式中，无线充电设备可具有多个线圈(例如，两个或更多个线圈、5-10个线圈、至少10个线圈、10-30个线圈、少于35个线圈、少于25个线圈或其他合适数量的线圈)。
24.当ac电流通过一个或多个线圈36时，产生交流电磁(例如，磁)场(无线功率信号44)，这些交流电磁场由一个或多个对应的接收器线圈，诸如在功率接收设备24中的一个或多个线圈48接收。设备24可具有单个线圈48、至少两个线圈48、至少三个线圈48、至少四个线圈48、或其他合适数量的线圈48。当交流电磁场被线圈48接收时，在线圈48中感生出对应的交流电流。用于传输无线功率的ac信号可以具有任何合适的频率(例如，100khz-250khz等)。整流器电路诸如整流器电路50(其包括整流部件，诸如布置在桥式网络中的同步整流金属氧化物半导体晶体管)将从一个或多个线圈48接收的ac信号(与电磁信号44相关联的接收的交流信号)转换为dc电压信号以用于给设备24供电。
25.由整流器电路50产生的dc电压(有时称为整流器输出电压vrect)可用于对电池诸如电池58充电，并且可用于对设备24中的其他部件供电。例如，设备24可包括输入-输出设备56。输入-输出设备56可包括用于采集用户输入和/或进行环境测量的输入设备，并且可包括用于向用户提供输出的输出设备。例如，输入-输出设备56可包括用于创建视觉输出的显示器、用于将输出呈现为音频信号的扬声器、发光二极管状态指示灯以及用于发射向用户提供状态信息和/或其他信息的光的其他发光部件、用于生成振动和其他触觉输出的触觉设备，和/或其他输出设备。输入-输出设备56还可包括用于采集来自用户的输入和/或用于对系统8的周围环境进行测量的传感器。可包括在输入-输出设备56中的例示性传感器包括三维传感器(例如，三维图像传感器诸如结构光传感器，其发射光束并且使用二维数字图像传感器来从当光束照亮目标时产生的光斑采集用于三维图像的图像数据；双目三维图像传感器，其使用双目成像布置中的两个或更多个相机来采集三维图像；三维激光雷达(光检
测和测距)传感器；三维射频传感器；或采集三维图像数据的其他传感器)、相机(例如，具有相应的红外和/或可见数字图像传感器的红外和/或可见光相机，和/或紫外光相机)、注视跟踪传感器(例如，基于图像传感器并且(如果需要)基于发射一个或多个光束的光源的注视跟踪系统，其中在用户的眼睛反射光束之后，使用图像传感器来跟踪该一个或多个光束)、触摸传感器、按钮、电容式接近传感器、基于光的(光学)接近传感器诸如红外接近传感器、其他接近传感器、力传感器、传感器诸如基于开关的接触传感器、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器、音频传感器(麦克风)、环境光传感器、用于对目标对象进行光谱测量和其他测量(例如，通过发射光和测量所反射的光)的光学传感器、用于采集语音命令和其他音频输入的麦克风、距离传感器、被配置为采集关于运动、位置和/或取向的信息的运动、位置和/或方向传感器(例如，加速度计、陀螺仪、罗盘和/或包括所有这些传感器或这些传感器中的一者或两者的子集的惯性测量单元)、传感器诸如检测按钮按压输入的按钮、具有检测操纵杆运动的传感器的操纵杆、键盘，和/或其他传感器。设备12可具有一个或多个输入-输出设备70(例如，结合输入-输出设备56所述类型的输入设备和/或输出设备)。
26.设备12和/或设备24可使用带内或带外通信进行无线通信。设备12可例如具有无线收发器电路40，该无线收发器电路使用天线来向设备24无线地传输带外信号。无线收发器电路40可用于使用天线从设备24无线地接收带外信号。设备24可具有向设备12传输带外信号的无线收发器电路46。无线收发器46中的接收器电路可使用天线来从设备12接收带外信号。设备12和24之间的带内传输可使用线圈36和48来执行。在一种例示性配置的情况下，使用频移键控(fsk)来将带内数据从设备12传送至设备24，并且使用幅移键控(ask)来将带内数据从设备24传送至设备12。在这些fsk和ask传输期间，功率可从设备12无线地传送至设备24。
27.希望功率传输设备12和功率接收设备24能够传达诸如接收功率、电池充电状态等信息以控制无线功率传递。但是，上述技术无需涉及传输个人可识别信息即可发挥作用。出于充分的谨慎，需要注意的是在某种程度上，如果该充电技术的任何具体实施涉及使用个人可识别信息，则实施者应遵循通常被认为符合或超过行业或政府要求以维护用户隐私的隐私政策和实践。具体地，应管理和处理个人可识别信息数据，以使无意或未经授权的访问或使用的风险最小化，并应当向用户明确说明授权使用的性质。
28.控制电路16具有外部对象测量电路41，该外部对象测量电路可用于检测设备12的外壳的充电表面上是否存在外部对象(例如，检测充电垫的顶部上的对象，或者如果需要，检测与充电座的耦接表面相邻的对象)。设备12的外壳可具有聚合物壁、其他电介质的壁、金属结构、织物和/或包封设备12的线圈36和其他电路的其他外壳壁结构。充电表面可以是设备12的上部外壳壁的平坦外表面或具有其他形状(例如，凹形、凸形等)的外表面。电路41可检测外来对象诸如线圈、回形针和其他金属物体，并且可检测无线功率接收设备24的存在(例如，电路41可检测一个或多个线圈48的存在)。在对象检测和表征操作期间，外部对象测量电路41可用于在线圈36和/或其他线圈(例如设备12中的可选异物检测线圈)上进行测量以确定在设备12上是否存在任何设备24。
29.在示例性布置中，控制电路16的测量电路41包含信号发生器电路，诸如向逆变器61提供控制信号的脉冲发生器。这些控制信号使得逆变器61产生脉冲，使得脉冲响应可由电路41测量(例如，通过使用电压传感器、被配置为将模拟电压测量值转换成数字电压测量
值的模数转换器和/或其他感测电路)。测量电路还可具有交流源和用于在线圈36上进行测量的其他电路。
30.在一些实施方案中，在线圈36上进行质量因数测量，以确定是否存在异物。例如，可以分析直接阻抗测量和/或脉冲响应以对线圈36进行品质因数(q-因数)测量。可以在任何合适的时间，诸如在将无线功率从设备12传输到设备24之前，执行线圈36的q-因数的测量(包括q-因数值相对于基线值的变化的测量)。如果q-因数值偏离超过阈值量并且引起q-因数偏转的对象未对后续数字查验做出响应，则设备12可以断定在线圈36上存在外来对象，并且可以放弃无线功率传输和/或采取其他合适的动作(例如，通过在低于在存在检测到外来对象的情况下所允许的电平的受限电平下传输功率、通过停止功率传输等)。
31.图2示出了系统8中的允许对线圈36的q-因数(q)进行测量的例示性电路。图2的无线功率电路包括无线功率传输设备12中的无线功率传输电路52和无线功率接收设备24中的无线功率接收电路54。在操作期间，无线功率信号44由无线功率传输电路52传输并且由无线功率接收电路54接收。如图2所示，无线功率传输电路52包括逆变器电路61。
32.逆变器电路(逆变器)61可用于向线圈36提供信号。在无线功率传输期间，设备12的控制电路向逆变器电路61的控制输入82提供信号，该信号使逆变器61向线圈36提供交流驱动信号。如图2所示，电路部件诸如电容器70可与线圈36串联耦合。当向线圈36供应交流电流信号时，将对应的交流电磁信号(无线功率信号44)传输到附近线圈，诸如无线功率接收电路54中的例示性线圈48。这在线圈48中感应对应的交流(ac)电流信号。电容器诸如电容器72可与线圈48串联耦接。整流器50从线圈48接收ac电流并且在输出端子76处产生对应的直流功率(例如，直流电压vrect)。该功率可用于为负载供电。
33.设备12可以具有用于监测线圈36上的信号的测量电路。该电路可以包括例如电压传感器90(例如，耦接到和/或形成为模数转换器的一部分的电压感测电路等)。电流源92和/或逆变器61也可以用于在外来对象检测操作期间向线圈36供应信号(例如，使得可以针对线圈36测量q)。在一些实施方案中，使用利用ac电流源对线圈36的阻抗进行的直接测量来进行q-因数测量。q的测量可以在存在无线功率接收设备24和不存在任何无线功率接收设备的情况下进行(例如，可以在设备24不存在时进行周期性自由空气q测量)。通过监测q相对于其自由空气值的变化，可以检测外来对象的存在并采取适当的动作。
34.在第一例示性q-因数测量布置的情况下，设备12的控制电路使逆变器61向线圈36提供信号脉冲，并且使用测量电路诸如电压传感器90来测量对应的脉冲响应。由于图2的电路中的谐振，将信号脉冲施加到线圈36产生带有衰减包络(诸如图3的衰减包络94)的振荡信号。衰减包络具有由e-tπfr/q
给定的特性，其中fr是振荡信号的频率。通过测量fr和衰减包络94，可以确定q的值。
35.如果需要，可以使用可调节电容器布置(例如，具有切换电路和多个电容器的电容器电路，可以选择性地切换该多个电容器以在控制电路16的控制下进行使用，以调节谐振电路中的电容值并且由此调节谐振频率)来实现图2的电容器70。在电容器70具有可选值的布置中，当测量无线功率传输电路的脉冲响应以确定q时(如结合图3所描述)，可以使用第一值(例如，c1)，并且当无线功率传输电路发射无线功率信号44时，可以使用第二值(例如，c2)。
36.在第二例示性q-因数测量布置的情况下，从对线圈36的阻抗的直接测量获得q的
值。图4为图2的无线功率传输电路和测量电路的电路图，其示出寄生电阻r可如何与谐振电路相关联。在直接阻抗测量方法的情况下，将小电流从电流源92注入到线圈36中，同时使用电压传感器90进行电压测量。注入电流的量值可以足够低以允许在不使用大功率场效应晶体管的情况下注入电流。该电流可以是例如在诸如125khz、大于125khz或小于125khz的频率或其他合适频率(例如，可以在与无线功率传输电路相关联的谐振频率无关的情况下选择的频率)下的交流(ac)电流。然后在该频率下确定线圈36的复阻抗，并且从测得阻抗的角度θ反转q的值。图5示出了与以下相关联的公式：从复阻抗的角度以及可以从直接阻抗测量计算出的电感l和电阻r(ac阻抗的实部)的任选值确定q(线圈q-因数)。在图5的公式中，i是注入的ac电流，并且v是由电压传感器90测量的所得电压。
37.可以在制造期间校准设备12的测量电路41。例如，在设备12被制造的初始时间(使用第一例示性q-因数测量布置、第二例示性q-因数测量布置和/或附加q-因数测量技术)测量的q-因数(q0)的值可以作为基线值存储在设备12中以供稍后使用。如果需要，可以执行设备特定的校准操作，使得利用q的对应单独基线值单独地校准每个设备12。当在现场操作设备12时，设备12可以测量q的当前值并且可以将q的该测得值与来自工厂的q0的存储基线值进行比较。这样，可以确定q的变化量，其指示在设备12的充电表面上是否存在外来对象或其他外部对象。
38.如果需要，可以使用补偿技术来补偿可能诱发q的漂移的温度效应、老化效应和其他效应。温度变化可能影响部件诸如线圈36的寄生电阻。线圈电感l也可以取决于温度。频率变化和老化效应(例如，机械磨损)也可能影响部件值，并且因此也影响q的测得值。在将q与q0进行比较时补偿这些效应可以帮助增强外来对象检测测量的准确度。
39.在校准期间(例如，在制造期间的初始时间)测量的基线q-因数q0的值和谐振频率ω(2πfr)的值由公式1和公式2给定。
40.q0＝ω0l0/r0(ω0)
ꢀꢀꢀ
(1)
41.ω0＝1/(l0c)
1/2
ꢀꢀꢀ
(2)
42.在运行时测量的q和ω(以及l和r)的值(有时称为电流q、电流ω、电流l和电流r)分别由公式3、4、5和6的q
fo
、ω
fo
、l
fo
和r
fo
给定。
43.q
fo
＝ω
fo
l
fo
/r
fo
(ω
fo
)
ꢀꢀꢀ
(3)
44.ω
fo
＝1/(l
f0
c)
1/2
ꢀꢀꢀ
(4)
45.l
fo
＝l0+δl
fo
ꢀꢀꢀ
(5)
46.r
fo
＝r0+δr
fo
ꢀꢀꢀ
(6)
47.在补偿操作期间，使用设备12的温度传感器60测量设备12的当前温度t(参见，例如，图1)。在制造期间的校准测量期间测量的温度δt相对于温度t0的变化由公式7给定。
48.δt＝t-t0
ꢀꢀꢀ
(7)
49.图6的公式示出了如何基于一个或多个补偿因数以当前测量的q-因数(图6的公式中的q')的函数来确定q的经补偿值(例如，qcomp的值)。
50.第一例示性补偿因数涉及频率补偿。如图6的公式所示，q'可以乘以补偿因数(ω0/ω)以补偿q'测量期间的谐振频率相对于在制造期间q0测量期间的谐振频率的变化。
51.第二例示性补偿因数涉及电感和电阻的温度相关性。如图6的公式所示，q'可以乘以补偿因数(1+κrδt)/(1+κlδt)，其中κr是电阻性温度变化系数，并且κl是感应性温度变
化系数。这些温度系数的值受到设备12的设计的影响，并且如果需要，可以通过在制造期间对无线功率传输设备12的一个或多个代表性单元执行测量来凭经验确定。
52.第三例示性补偿因数涉及补偿线圈36的ac电阻rac和线圈36的dc电阻rdc相对于基线值的偏移。在该电阻补偿技术的情况下，基于与无线功率传输线圈36相关联的整体(总)感应线圈电阻的经补偿值来补偿品质因数的当前值。线圈36的特征在于整体感应线圈电阻值具有直流部分和交流部分。在补偿操作期间，控制电路16通过以下方式来补偿整体感应线圈电阻的变化：从在初始时间测量的整体感应线圈电阻的基线直流部分和整体线圈电阻的当前交流部分的总和，计算整体感应线圈电阻的经补偿值。然后该经补偿的整体感应线圈电阻值被用于利用经补偿的整体感应线圈电阻来补偿当前品质因数。
53.如图6的公式所示，基于电阻的补偿因数基于：在制造期间的校准测量期间获得的测得基线dc电阻(r
dc,0
)；在制造期间的校准测量期间获得的基线ac电阻(r
ac
)；以及η的值，其为根据在制造期间的校准测量期间获得的谐振频率ω(例如，每100khz 50m-ω或其他合适值)的变化的ac电阻r
ac
的变化系数。参数r
meas
等于测得ac电阻r
ac
与测得dc电阻r
dc
的总和。
54.在图6的示例中，这些例示性补偿因数中的所有三个补偿因数已应用于测得q'值(例如，通过基于频率变化和频率变化诱发的效应并针对温度变化诱发的效应来补偿q'而确定qcomp)。一般来讲，可以使用这些补偿技术中的一种或两种补偿技术和/或其他补偿技术来基于测得温度、谐振频率和/或其他变量来校准q因数测量。
55.如前述示例中所阐述，可以基于对温度和频率的测量来产生经补偿q因数值qcomp。然后可以将该值与在制造期间测量并存储在设备12中以在稍后的比较期间使用的q的基线值进行比较。如果需要，可以对基线q-因数值执行补偿操作以产生经补偿基线q，而不是对q的现场测得值执行补偿操作。在本文中将对现场测得q值而不是基线q值执行补偿操作的方法作为示例进行描述。
56.在图7中示出了使用系统8来检测外来对象的例示性操作的流程图。在该实施方案中，如果检测到外来对象，则抑制功率传送。还可以简单地对检测到外来对象进行标记，以用作在功率传送阶段期间确定适当功率传送水平的附加信息。例如，响应于检测到外来对象的存在，在功率传送操作期间使用的最大功率电平可以降低到低于最大功率电平的预先确定的电平。
57.在框100的操作期间，设备12使用第一例示性q-因数测量布置(例如，使用逆变器61施加脉冲并从脉冲响应的包络94测量q)或第二例示性q-因数测量布置(例如，从通过使用ac电流源92将电流注入线圈36来执行的线圈36的直接阻抗测量得出q)来测量q的当前值。使用技术诸如这些或其他合适的q-因数测量技术来进行的q的测量有时可以称为低功率查验(lpp)或模拟查验操作。
58.在框102的操作期间，可以确定q的变化的值(例如，q-因数偏转值qdefl)。在框102的操作期间，可以应用补偿技术(诸如结合图6描述的补偿技术)来补偿q的测得值，或者可以补偿在制造期间储存在设备12中的q(q0)的基线值。例如，可以使用公式8来计算qdefl的值。
59.qdefl＝(q
0-qcomp)/q0＝1-(qcomp/q0)
ꢀꢀꢀ
(8)
60.在公式8的示例中，至少部分地基于经补偿测得q(qcomp)与基线q(q0)之间的差值
以及qcomp与q0之间的比率来计算qdefl。在公式8的情况下，如果q的当前值相对于基线q0降低5％，qdefl将为5％。一般来讲，qdefl可以仅基于测得q与基线q之间的差值，可以仅基于测得q和基线q之间的比率，可以基于测得q与基线q之间的差值以及测得q与基线q之间的比率两者，并且/或者可以基于测得q和基线q的其他函数。如结合图6的补偿技术所述，可以针对温度、频率和老化效应来补偿用于计算qdefl的q的测得值，并且/或者可以针对温度、频率和老化效应来补偿q的基线值。
61.在框103的操作期间，设备12的控制电路确定q是否已稳定。如果q急速变化(例如，由于随着进行测量，外部对象跨设备12的充电表面移动)，则qdefl的值尚未充分稳定，并且操作可以返回到框100。然后可以在框100的操作期间获得q的新测量结果。只要q尚未稳定，就可以每0.1秒(或以另一合适的采样率)以这种方式获得新q测量结果。一旦qdefl的连续值变化小于预先确定的阈值量(例如，1％)，就可以认为q已经充分稳定，以允许分析qdefl的值以确定是否存在外来对象，并且操作可以前进到框104。
62.在框104的操作期间，设备12将qdefl的值与预先确定的阈值th(例如，3％或其他合适的值)进行比较。如果qdefl不超过阈值(例如，如果q的测得值尚未相对于基线q减小超过3％)，则设备12可以断定不存在外部对象(例如，不存在无线功率接收设备24，并且不存在硬币或其他外来对象)。然后，可以在框100处继续进行测量操作。然而，如果在框104的操作期间确定qdefl超过阈值，则设备12可以断定测得q已经相对于基线q0减小超过阈值量(例如，q比q0低至少3％)，并且因此存在某种类型的外部对象(硬币等外来对象或无线功率接收设备24中的任一者)。操作然后前进到框106以区分这两种可能性。
63.在框106的操作期间，设备12可以尝试与无线功率接收设备24无线通信。例如，设备12可以使用带内通信来传输无线数字请求。无线数字请求被用来请求设备24通过使用带内通信来向设备12无线传输对应的数字响应以确认其存在。该数字通信请求过程有时可以称为数字查验。在框108的操作期间，设备12确定是否已从设备24接收到对数字查验的响应以指示存在设备24。
64.如果设备12的充电表面上存在设备24，则设备24将利用无线数字响应来对数字查验做出响应。该响应可以包括信息，诸如对应于存在的设备24的类型的数字标识等。响应于在框108的操作期间存在蜂窝电话、腕表或其他无线功率接收设备24，设备12将向设备24发射无线功率信号44(例如，在框110的操作期间)。
65.如果设备12的充电表面上不存在设备24，则设备12将不接收来自设备24的任何确认。响应于确定在框108的操作期间，设备24不存在，设备12可以断定在设备12的充电表面处存在外来对象，并且操作可以前进到框112。
66.在框112期间，设备12监测q以确定何时移除了存在的外来对象。特别地，在框114的操作期间测量q，如结合框100的q测量所述。在框116处计算qdefl的值。框118的操作涉及将qdefl与阈值th或另一阈值进行比较。如果外来对象保持存在，则qdefl将保持为超过阈值的值，并且在框114处可执行附加测量。然而，如果移除外来对象，则处理将返回到框100，使得设备12可以确定是否存在设备24，并且如果存在，则可以开始向设备24传送无线功率。
67.在确定qdefl时，设备12执行测得q与在制造期间获得的并且存储在设备12中以供将来使用的q的基线值的比较。温度变化、频率变化、线圈电阻变化和其他变化可能影响q基线，因此如果需要，可以持续更新q基线。在例示性布置的情况下，在每次确定在设备12的充
电表面处不存在外部对象时，都使用滤波器基于新测量的q读数来更新q基线。例如，在每次设备12在框104的操作期间确定qdefl不大于阈值时，设备12都可以断定不存在外来对象并且充电表面上不存在无线功率传输设备。因此，设备12可以断定来自框100的q的最近测量结果实际上是可以至少部分地用于更新q基线的更新的值(例如，可以用作滤波器输入的当前q值)。
68.在该实施方案的情况下，在图7的流程图的点p1处，在每次确定qdefl不大于阈值th时，q基线的更新的值因此都可以存储在设备12中。在更新q基线时，可以使用合适的滤波方案(例如，使用加权历史平均值，使用去强调噪声数据的平均方案，或者其他滤波布置)将q的当前值(在最近访问框100期间所测量)结合到q基线中。通过以这种方式利用当前测量数据来更新q基线，可以减少老化对基线q值的影响。
69.在例示性配置的情况下，设备12使用低通滤波器利用测得q的当前值来更新q基线。令q[n]为有效q偏转样本。用于q的低通滤波器的示例是单极滤波器(参见例如，公式9)，其中α∈[0，1]并且接近1。
[0070]qfilt
[n]＝αq
filt
[n-l]+(1-α)q
defl
[n]q
filt
[0]＝0
ꢀꢀꢀ
(9)
[0071]
另一个示例是公式10中给定的滑动窗口平均值。
[0072][0073]
如这些示例所示，存在多种可能的布置，用于将来自框100的当前q测量数据结合到保留在设备12中并且随后用于计算qdefl的基线q值中。在这些更新操作中，控制电路16基于历史的当前品质因数测量使用滤波操作来周期性地更新基线品质因数，从而确保针对可能导致品质因数测量随时间漂移的老化效应和其他效应来对基线品质因数的值进行调节。
[0074]
在点p1处更新基线q值涉及在框100处在每次测量q之后执行独立滤波操作。如果需要，可以通过在点p2而不是点p1处执行滤波操作来减少每单位时间的滤波操作的数量(并且因此减少q基线的更新的值被计算和每单位时间存储在设备12中的次数)。在这种类型的布置的情况下，在每次到达点p1时(例如，在每次确定不存在外来对象时)，在框100的操作期间测量的q的值都由控制电路16存储(缓存)。如果框104的操作确定最新q值超过阈值th，则处理前进到执行数字查验的框106。在框108的操作期间，控制电路16确定：a)对应于数字查验，是否尚未接收到响应(在这种情况下，存在外来对象并且处理前进到框112)；或b)是否已从设备24接收到无线数字响应。在该点(例如，点p2)处，设备12知悉设备24刚刚放置在设备12的充电表面上。在框110处启动功率传送之前，设备12检索在点p1处缓存的q的最后一个值(并且当设备12上不存在外来对象或其他外部对象时该值表示q因数测量)并且使用该检索到的q的当前值来更新q基线的值。
[0075]
在该方法的情况下，仅在确定无线功率接收设备是新近存在的(并且不存在外来对象)时才执行用于更新q基线的滤波操作。当不存在外部对象时，使用最近获得的q的值(例如，在点p1处缓存的q的无外部对象存在值)来执行滤波操作。在每次到达点p1时，仍然存在q值存储操作，但是使用滤波器进行的更新的基线q值的计算以较低的频度执行(例如，仅当到达p2时)。仅当确定不存在无线功率接收设备并且不存在外来对象时才更新基线q
值，这确保针对可能导致品质因数测量随时间推移而漂移的老化效应和其他效应来对基线品质因数的值进行调节，但是不涉及数量与在点p1处执行滤波操作时一样的独立滤波操作。
[0076]
除了周期性地更新q的基线值(在点p1或点p2处)之外，控制电路16还可以周期性地更新在框104的比较操作期间使用的阈值th的值(例如，可以使用可调节阈值th而不使用固定的预先确定的值)。例如，可以使用低通滤波操作或其他滤波操作基于历史的q因数测量或其他测量(例如，当不存在外部对象时进行的并且在点p1处缓存的q因数测量)来更新th的值。可以在点p2处(例如，在确定不存在外来对象时)，使用测量(诸如当不存在无线功率接收设备或外来对象时进行的一次或多次缓存的q因数测量)来执行更新th的值的该滤波操作。
[0077]
如果需要，可以将qdefl的值与多个不同阈值进行比较(例如，以确定存在小的外来对象还是大的外来对象)。然后，设备12可以根据存在小的外来对象还是大的外来对象来采取不同的动作。例如，如果在无线功率接收设备的存在下检测到小的外来对象，则无线功率可以在受限功率电平下传输，但可以在大的外来对象的存在下完全放弃。
[0078]
例如，考虑图8的图，其示出设备12在具有多个外来对象检测阈值的系统中的操作。在图8的示例中，系统8具有较低的第一阈值thair(例如，3％或任何其他合适的值诸如小于3％的值或大于3％的值)和较高的第二阈值thfo(例如，6％、高于或低于6％的值、或高于第一阈值的任何其他合适的值)。设备12在状态120、122、124和126下操作。根据转变规则128，在这些状态之间进行转变。阈值thair和thfo的值可以适当地调节以对中度外来对象(例如，具有相对少量的金属和/或中等传导性的金属的对象)和强外来对象(例如，具有更多金属和/或更大传导性的金属的对象)进行区分。在强外来对象的情况下，功率将被抑制，直到观察到自由空气。然而，通过将阈值设置得足够高，具体实施可易于避免使用“强外来对象”状态。
[0079]
如图8所示，在框122中，设备12将qdefl与第一阈值和第二阈值进行比较，并且确定qdefl低于第一阈值。在该场景中，设备12可以断定不存在外来对象，并且因此可以将无线功率信号44的功率传送水平设置在相对较高的功率电平(功率电平2)下。然后可以在框126的功率传送操作期间将功率从设备12无线传输到设备24。
[0080]
在框120中，已确定存在外来对象，因为qdefl大于第一阈值。还确定qdefl小于第二阈值。因此，设备12可以断定，尽管存在外来对象，但其不是大的外来对象。因此，在框126的操作期间，设备12可以继续向设备24无线地传送功率。因为功率是在小的外来对象的存在下被传送到设备24，所以功率被无线传输的电平(例如，最大电平)降低到相对低的功率电平(例如，功率电平1，其小于功率电平2)。这有助于防止小的外来对象过热。
[0081]
在框124中，已确定存在大的外来对象，因为qdefl大于第二阈值。在这种情况下，设备12不传输无线功率。
[0082]
以下部分进一步描述了前述实施方案。
[0083]
本部分描述了准确的、无线功率传输外来对象预检测(fod)技术，其可用于在设备24(例如，便携式设备或有时称为prx的其他功率接收设备)到达之前检测放置在设备10(例如，ptx垫，有时称为ptx)上的外来对象。
[0084]
该技术解决了若干挑战：
[0085]
1.mated-q外来对象检测(fod)难以对外来对象(fo)进行区分并且难以应对
[0086]
prx与ptx之间的对准偏移。这是由于：基准q是作为在预先确定的(例如，五个)不同位置处的mated-q的平均值进行计算，而不是作为在运行时不易确定的位置的函数进行存储。mated-q还存在其他可能性挑战：
[0087]
a.它依赖于在100khz下测量的q的基准测量。系统内频率可能不同。由于电感l是频率的函数，因此与校准的qref相比，该频率的差值可能导致在运行时测量的q的偏差。
[0088]
b.它未考虑使用非cog电容器时的电容器esr、pcb迹线电阻以及fet rds(on)电阻。
[0089]
c.它未考虑温度漂移或频率漂移。
[0090]
d.针对tpr测量基准q，该基准q可能具有与其他发射器不同的q上的偏转。
[0091]
在图7中示出了传达一般概念的开放空气q测试的一般流程。在启动阶段(框100)期间，ptx使用模拟查验来检测放置在垫上的对象。查验用于测量到q的偏转，定义为：
[0092][0093]
其中q0是在制造时测量的开放空气q的校准值并且在运行时(参见例如，在框102处的q偏转计算和框103的等待q稳定的操作)通过模拟查验进行测量。需注意，如果不存在fo，则δq≈0，但由于效应诸如温度漂移，它通常不是精确的零。部件衰老也会导致δq≠0。
[0094]
当对象放置在垫上时，q会偏转一定量。如果δq(有时称为qdefl)超过阈值，则检测到某物。在一些具体实施中，将绝对值(|δq|)与阈值(框104)进行比较，以说明放置在ptx垫上的极高q接收器的存在。为了确定某物是fo还是接收器，等待来自数字查验的响应(框106)。在确认数字查验的情况下，系统可以继续进行协商。如果未确认，则假定对象是fo并且阻止功率传送直到从垫移除fo并且再次得出δq≈0。
[0095]
存在许多用于测量q的方法，诸如：
[0096]
1.执行频率扫描以查找谐振频率，然后在谐振频率下将q作为槽电压与逆变器电压的比率进行计算。
[0097]
2.在特定频率下使用直接连接到线圈的lcr测量仪来测量特定的l和q。
[0098]
也可以以其他方式执行q测量。
[0099]
作为第一示例，可以从振荡响应的衰减估算q。在这种方法中，将能量脉冲注入线圈中并且测量振荡响应的衰减，如图3所示。然后从衰减包络估算q。
[0100]
估算q需要对波形峰进行准确采样以获得其包络。为了消除dc偏移的影响，根据衰减估算，推荐将包络幅值作为峰-谷差值进行测量，如图9所示。
[0101]
即，定义
[0102][0103]
那么
[0104][0105]
其中n为第二样本与第一样本之间的间距(就峰的数量而言(n＝1表示峰是相邻的)。
[0106]
该方法受到频率漂移(主要是因存在fo而引起的变化所导致)的影响。
[0107]
作为第二示例，从线圈阻抗测量计算q。在这种方法中，如图4所示，在固定频率下直接测量线圈q。该方法具有消除来自q测量的频率漂移的优点，但是需要防止正极线圈节点处的高电压。
[0108]
将ac电流i注入线圈中并且测量复电压：
[0109]
v＝(jωl+r)i
ꢀꢀꢀ
(14)
[0110]
v与i之间的角度为
[0111][0112]
因此，
[0113][0114]
可以通过比较它们的峰或过零点的偏移或通过取波形的点积来确定v与i之间的相位角。
[0115]
fo的存在分别导致l和r的偏移δl和δr，以及：
[0116][0117][0118]
该偏移导致q的变化，
[0119][0120]
这产生可测量的q偏转，
[0121][0122]
由于fo引起的频率漂移，可能存在q偏转的加强。除了测量q之外，还可以准确地测量振荡响应的频率。通过(17c)，fo还使振荡响应发生偏转。我们可以利用这一事实来加强q的偏转：
[0123][0124]
这使得在主要存在不含铁fo的情况下q偏转增强，其导致l减小，
[0125][0126]
当δl
fo
《0时，公式(21)的结果大于(19)的结果。
[0127]
这种增强的q偏转并不适用于在固定频率下操作的q测量的第二示例的方法。
[0128]
可以针对漂移补偿q的值。在一些实施方案中，存在提高q偏转测量的可能性。公式(11)中的q偏转旨在将q的运行时间测量与q的制造校准测量进行比较。在运行时间期间，除了fo的存在之外，效应诸如温度和频率漂移可能导致q偏转。补偿这些效应提高了开放空气q测试的可靠性。
[0129]
可以分离dc电阻和ac电阻。在测量q时，电阻的dc部分发生各种漂移效应，而电阻本身不受fo的存在的影响。dc电阻包括来自pcb迹线的电阻、电容器esr和逆变器fet电阻。如果我们将dc电阻与总体电阻分离，则我们可以使用在制造时校准的dc电阻并去除
[0130]
dc电阻漂移的影响。具体的，令
[0131]
r＝r
dc
(t)+r
coil，ac
(t，ω)
ꢀꢀꢀ
(22)
[0132]
其中我们已指出rdc对温度敏感，同时r
coil，ac
对温度和频率
[0133]
敏感。
[0134]
使用(22)，q可以写为
[0135][0136]
总电阻也可以通过模拟查验振荡响应(或阻抗测量)来确定：
[0137][0138][0139]rcoil，ac
＝r-r
dc
ꢀꢀꢀ
(24c)
[0140]
当我们测量dc电阻时，我们可以在制造时存储其值rdc，0，然后在运行时将q计算为：
[0141][0142]
这有效地从q测量消除dc漂移，代价是电阻的额外测量误差。
[0143]
如(22)中所指示，线圈rac可以是频率的函数，
[0144]rcoil，ac
(ω)≈r
coil，ac，0
(1+ηδω)
ꢀꢀꢀ
(26)
[0145]
其中是与在制造时测量的频率相比频率的变化并且η是漂移的斜率。令，
[0146][0147]
则可以针对rac频率漂移进一步补偿(25)，如下：
[0148][0149]
如果ptx的设计对其进行指定，则也可以应用针对l的频率补偿，
[0150]
[0151]
如(22)中所指示，线圈rac可以是温度的函数，
[0152]rcoil，ac
≈r
coil，ac，0
(1+κrδt)
ꢀꢀꢀ
(30)
[0153]
其中δt＝t-to是与当设备在制造中被校准时的温度相比温度的变化，并且κr是线圈电阻温度系数。假设ptx具有用于测量线圈温度的装置，则可以针对温度t如下进一步补偿q测量：
[0154][0155][0156]
组合(20)、(28)和(32)，我们得到提高q准确度的以下选项。
[0157]
q测量方法1
[0158][0159]
q测量方法2
[0160][0161]
最后，我们将(11)替换为
[0162][0163]
也可以[使用例如公式(21)]对q偏转对fo的敏感度绘图以用于特定ptx具体实施。例如，假设δlfo＝0、δrfo＝22mω，我们可以看出δq是如何相对于图10中的线圈电阻变化的。
[0164]
图10指示为了实现15％的q偏转，ptx ac电阻应不超过125ω。如果ptx可以更准确地测量q，则ptx能够具有较高的ac电阻。
[0165]
根据实施方案，提供了一种无线功率传输设备，该无线功率传输设备包括：无线功率传输电路，该无线功率传输电路具有被配置为发射无线功率信号的无线功率传输线圈；以及控制电路，该控制电路耦接到无线功率传输电路并且被配置为：测量无线功率传输线圈的当前品质因数；将当前品质因数与基线品质因数进行比较；以及至少部分地基于确定当前品质因数是否比基线品质因数低至少阈值量来确定是否存在外来对象。
[0166]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为：响应于确定当前品质因数比基线品质因数低至少阈值量，无线地传输从无线功率接收设备请求对应无线数字响应的无线数字请求；以及响应于对应于无线数字请求，没有从无线功率接收设备接收到无线数字响应，确定存在外来对象。
[0167]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为至少部分地通过计算当前品质因数与基线品质因数之间的差值来将当前品质因数与基线品质因数进行比较。
[0168]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为至少部分地通过计算当前品质因数与基线品质因数之间的比率来将当前品质因数与基线品质因数进行比较。
[0169]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为在初始时间测量基线品质因数并且被配置为保存测得基线品质因数以便稍后与当前品质因数进行比较。
[0170]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为基于历史测量使用滤波操作来周期性地更新基线品质因数。
[0171]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为在确定存在无线功率接收设备并且不存在外来对象时执行滤波操作，并且被配置为使用在不存在无线功率接收设备并且不存在外来对象的情况下测量的当前品质因数值来执行滤波操作。
[0172]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为基于在初始时间之后进行的品质因数测量使用滤波操作来周期性地更新基线品质因数。
[0173]
根据另一实施方案，该阈值量包括预先确定的阈值量。
[0174]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为基于历史测量使用滤波操作来更新阈值量。
[0175]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为在确定存在无线功率接收设备并且不存在外来对象时执行滤波操作以更新阈值量，并且被配置为使用在不存在无线功率接收设备并且不存在外来对象的情况下测量的当前品质因数值来执行滤波操作。
[0176]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为基于品质因数测量使用滤波操作来周期性地更新阈值量。
[0177]
根据另一实施方案，在第一频率下测量基线品质因数，在第二频率下测量当前品质因数，并且控制电路被配置为针对第二频率相对于第一频率的变化补偿当前品质因数测量。
[0178]
根据另一实施方案，该无线功率传输线圈具有取决于频率的感应线圈电阻，并且控制电路被配置为针对感应线圈电阻因频率变化而发生的变化来补偿当前品质因数测量。
[0179]
根据另一实施方案，该无线功率传输设备包括被配置为测量温度的温度传感器，控制电路被配置为基于该温度补偿当前品质因数测量。
[0180]
根据另一实施方案，该无线功率传输线圈具有带有直流部分和交流部分整体感应线圈电阻，并且控制电路被配置为通过以下方式来补偿整体感应线圈电阻的变化：从整体感应线圈电阻的基线直流部分与整体线圈电阻的当前交流部分的总和，确定整体感应线圈电阻的经补偿值；以及使用经补偿整体感应线圈电阻来补偿当前品质因数。
[0181]
根据另一实施方案，在初始时间测量该基线直流部分，并且在初始时间之后测量整体线圈电阻的当前测得交流部分。
[0182]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为通过以下中选定的一者来测量当前品质因数：a)向无线功率传输线圈施加脉冲并测量与无线功率传输线圈中由于所施加的脉冲而产生的振荡信号相关联的衰减包络；以及b)使用耦接到无线功率传输线圈的交流源来测量无线功率传输线圈的阻抗并从测得阻抗确定当前品质因数。
[0183]
根据实施方案，提供了一种无线功率传输设备，该无线功率传输设备包括：无线功率传输电路，该无线功率传输电路具有被配置为发射无线功率信号的无线功率传输线圈；以及控制电路，该控制电路耦接到无线功率传输线圈并且被配置为：通过向无线功率传输线圈施加脉冲并测量与无线功率传输线圈中由于所施加的脉冲而产生的振荡信号相关联的衰减包络来测量无线功率传输线圈的品质因数；针对频率诱发的变化补偿测得品质因
数；将经补偿测得品质因数与基线品质因数进行比较；以及至少部分地基于确定测得品质因数比基线品质因数低至少阈值量来确定是否存在外来对象。
[0184]
根据实施方案，提供了一种无线功率传输设备，该无线功率传输设备包括：无线功率传输电路，该无线功率传输电路具有被配置为发射无线功率信号的无线功率传输线圈；以及控制电路，该控制电路耦接到无线功率传输线圈并且被配置为：通过使用耦接到无线功率传输线圈的交流电流源来测量无线功率传输线圈的阻抗并从测得阻抗确定品质因数，测量无线功率传输线圈的品质因数；将测得品质因数与基线品质因数进行比较；以及至少部分地基于确定测得品质因数比基线品质因数低至少阈值量来确定是否存在外来对象。
[0185]
根据实施方案，提供了一种无线功率传输设备，该无线功率传输设备包括：无线功率传输电路，该无线功率传输电路具有被配置为发射无线功率信号的无线功率传输线圈；以及控制电路，该控制电路耦接到无线功率传输电路并且被配置为：测量无线功率传输线圈的当前品质因数；将当当前品质因数与基线品质因数进行比较；至少部分地基于将当前品质因数与基线品质因数之间的差值与至少一个阈值进行比较，确定是否存在外来对象；响应于确定不存在外来对象，使用无线功率传输电路在第一功率电平下无线地发射无线功率信号；以及响应于确定存在外来对象，使用无线功率传输电路来在低于所述第一功率电平的第二功率电平下无线地发射无线功率信号。
[0186]
根据另一实施方案，至少一个阈值包括第一阈值和第二阈值，并且控制电路被配置为：响应于确定当前品质因数与基线品质因数之间的差值低于第一阈值，确定不存在外来对象；响应于确定当前品质因数与基线品质因数之间的差值介于第一阈值与第二阈值之间，确定存在中度外来对象；以及响应于确定当前品质因数与基线品质因数之间的差值高于第二阈值，确定存在强外来对象。
[0187]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为响应于通过确定当前品质因数与基线品质因数之间的差值低于第一阈值而确定不存在外来对象，使用无线功率传输电路在第一无线功率电平下发射无线功率信号。
[0188]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为响应于确定存在中度外来对象，使用无线功率传输电路在第二无线功率电平下发射无线功率信号。
[0189]
根据另一实施方案，该控制电路被配置为响应于确定存在强外来对象，放弃使用无线功率传输电路来发射无线功率信号。
[0190]
根据另一实施方案，在第一频率下测量基线品质因数，在第二频率下测量当前品质因数，并且控制电路被配置为针对第二频率相对于第一频率的变化补偿当前品质因数测量。
[0191]
根据另一实施方案，无线功率传输线圈具有取决于频率的感应线圈电阻，并且控制电路被配置为针对感应线圈电阻因频率变化而发生的变化来补偿当前品质因数测量。
[0192]
根据另一实施方案，该无线功率传输设备包括被配置为测量温度的温度传感器，控制电路被配置为基于该温度补偿当前品质因数测量。
[0193]
前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。