本地计算环境中的无线功率使用
【专利说明】
[0001] 本申请是申请日为2011年11月23日、申请号为201110462933. 9,发明名称为"本 地计算环境中的无线功率使用"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 描述的实施例一般地涉及无线充电，更具体地涉及与向可位于无线功率系统中的 接收机设备分配功率有关的设备、系统和方法。
【背景技术】
[0003] 能量或者功率可以采用各种已知的辐射（或远场）以及非辐射（或近场）技术来 进行传送。例如，采用低定向性天线的辐射式无线信息传送（诸如在无线电和蜂窝通信系 统以及家庭计算机网络中使用的那些）可以被认为是无线能量传送。然而，这种类型的辐 射传送是非常低效的，因为所提供或辐射的功率中只有很小一部分（也就是朝着接收机方 向并且与接收机相重叠的那部分）被接收。绝大部分功率在所有其它方向上辐射掉而损失 在自由空间中。这样的低效功率传送对于数据传输来说是可接受的，但对于出于诸如为电 设备充电这种工作目的而传送有用的电能量来说是不切实际的。
[0004] 提高某些辐射能量传送方案的传送效率的一种方式是利用定向天线来限制辐射 能量以及优选地将辐射能量引向接收机。然而，这些定向辐射方案可能需要不中断的视线 以及在移动发射机和/或接收机的情况下可能会很复杂的跟踪和转向机制。此外，当中到 大功率量被传输时，这些方案可能对穿过或横过辐射束的物体或人带来危险。已知的非辐 射或近场无线能量传送方案一一通常被称为感应或传统感应一一不（有意地）辐射功率， 而是利用通过初级线圈的振荡电流来生成振荡磁近场，该振荡磁近场在附近的接收线圈 (或次级线圈）中感应出电流。传统感应方案已经证实了中到大功率量的传输，但仅仅是在 非常短的距离内，并且在初级供电单元和次级接收机单元之间具有非常小的偏移容限。变 压器和接近式充电器是采用这些已知的短距离近场能量传送方案的设备的一些例子。
[0005] 需要的是在无线供电的本地计算环境中在外围设备之间进行高效且用户友好的 交互的方法、系统和装置。
【发明内容】
[0006] 本文描述了涉及用于从无线供电器无线提供功率到多个外围设备中的任何一个 或多个的系统、方法和装置的多个实施例。
[0007] 描述了一种近场磁共振（NFMR)供电器，其被配置为利用共振信道传送能量到近 场距离D内的共振电路，该距离D定义了该NFMR供电器的最远范围。该NFMR供电器至少 包括：用于提供高频、正交带内功率的高频（HF)功率源，耦接到HF供电器并提供高频（HF) 功率的基底盘，以及被配置为从基底盘接收HF功率的至少两个"D"形共振器。该至少两个 "D"形共振器相互之间以180°异相被驱动，从而由该至少两个"D"形共振器产生的磁场在 共振频率处提供对称的磁场。
[0008] 在描述的实施例的一个方面，该对称的磁场是圆极化的。该圆极化磁场关于至少 两个轴在空间上对称，从而提供了在外围设备处的、与该外围设备和NFMR供电器之间的空 间关系无关的对称功率接收。
[0009] 在另一方面，至少通过利用例如压电整形技术改变NFMR的共振器的形状，NFMR供 电器的共振频率可动态调谐到任何频率。
[0010] 在另一个实施例中，公开了一种确定无线供电本地计算环境的共振频率的方法。 在描述的实施例中，该无线供电本地计算环境至少包括动态可调谐近场磁共振（NFMR)供 电器和通信机制，该NFMR供电器被配置为通过共振信道向位于该NFMR供电器的有效范围 D内的至少一个接收单元无线提供功率，该通信机制用于提供所述NFMR供电器和所述至少 一个接收单元之间的与所述共振信道分离的通信信道。
[0011] 该方法可通过至少执行以下操作来实施：由NFMR供电器在第一频率处提供磁场； 通过通信信道接收对在接收单元处通过共振信道从NFMR供电器接收到的无线功率量的指 示；如果接收到的指示小于最大功率，则通过动态调谐NFMR供电器将NFMR供电器的第一频 率更新为第二频率，否则将共振频率设置为第一频率。
[0012] 在另一个实施例中，公开了一种无线供电本地计算环境。该无线供电本地计算环 境至少包括包含第一对称磁共振器结构的近场磁共振（NFMR)供电器和至少一个外围设 备。所述外围设备又包括其形状根据第一对称磁共振器结构而定的第二对称磁共振器结 构。该NFMR供电器利用第一对称磁共振器结构来产生对称磁场和用于耦合NFMR供电器与 所述至少一个外围设备的的共振信道，用于从第一对称磁共振器结构和第二磁共振器结构 传送可用的能量。该无线供电本地计算环境还至少包括与NFMR供电器通信的中央处理单 元，该中央处理单元为该NFMR供电器提供处理资源。
[0013] 本发明的其它方面和优点将会从下面结合附图的详细说明中变得明显，其中附图 以例子的形式示例了描述的实施例的原理。
【附图说明】
[0014] 图1是例示出无线功率传递系统的框图，该无线功率传递系统包括功率发射单元 和目标电子设备，其中利用磁波将功率无线地传递到目标电子设备。
[0015] 图2示出无线功率传送系统的简化示意图。
[0016] 图3是依照一个实施例的发射机的简化框图。
[0017] 图4示意了示例的实施例中采用的天线，其可被配置为"环形"天线。
[0018] 图5示意了根据描述的实施例被配置为利用圆极化磁场传送功率的无线功率源。
[0019] 图6A-6E根据描述的实施例示意了无线系统的基本配置。
[0020] 图7示意了一个实施例，其中外围设备采取在无线供电器的有效范围D内的键盘 的形式。
[0021] 图8A和8B依照描述的实施例示意了磁地梳（ground comb)。
[0022] 图9依照描述的实施例示意了详细的处理流程图。
[0023] 图10依照描述的实施例示意了典型的无线本地计算环境。
【具体实施方式】
[0024] 在这一部分描述了基于本发明的装置和方法的示例应用。提供这些例子仅仅是为 了增加上下文环境和帮助理解本发明。因此，本发明可以在无需一些或全部这些具体细节 的情况下而实施，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在其它实例中，已知的流程步 骤没有进行详细描述是为了避免对本发明不必要的混淆。其它应用也是可以的，因此下面 的例子不是作为限制。
[0025] 下面涉及的是用于在无线充电环境内无线地向设备提供有用的功率量的技术和 装置。在一个实施例中，该无线充电环境可包括像桌上型计算机、膝上型计算机、上网本计 算机、平板计算机等各种计算设备。在一些情况下，无线供电器可以被用来无线地提供功率 给各种电子设备，诸如包括用于移动操作的便携式电源的智能电话（如由加州库珀蒂诺的 苹果公司制造的iPhone?)。由无线供电器提供的功率可以用于电子设备的操作、电子设备 内便携式供电器的充电、或其任意组合。
[0026] 在描述的实施例中，有效的无线非辐射能量传送可以利用长寿命的振荡共振电磁 模式来实现，其具有采用了已知的共振耦合原理（即，两个相同频率的共振物体趋于耦合， 而与其它非共振的环境物体的相互作用很弱）的局部化的缓慢渐消场模式。更具体地，并 且特别地，共振耦合是一种共振渐消耦合，其中通过两个物体的非辐射近场的重叠来实现 耦合机制。尽管已经知道能量可以在非常近的场内在耦合物体之间以无线方式有效地传输 (例如，在光波导或空腔耦合器中以及在共振感应变压器中），但在目前描述的实施例中， 能量可以在中等距离上被有效传送，该中等距离比能量传送涉及的两个物体的最大尺寸要 大几倍（以下称为有效距离d)。特别地，通过建立强耦合，很少能量被浪费到其它非共振物 体上。在描述的实施例中，物体之间的强耦合可以根据等式（1)来定义：
[0028] 其中，
[0029] r 12是物体的本征（吸收、辐射等）损耗造成的共振宽度，并且
[0030] IC是耦合系数。
[0031]因此，对于表征渐消（无损）固定近场的低（即，慢）本征损耗率r，有效的能量 传送需要高Q= ?/2r的共振模式。此外，比物体的特征尺寸大的距离需要强（牢固）耦 合率K，因此，由于近场延伸到环绕有限尺寸共振物体的空气中的程度典型地被设置为波 长，因此中等距离非辐射耦合可以利用具有亚波长大小并从而具有明显更长的渐消场尾部 的共振物体来实现。因此，近场的全向但固定（无损）特性使得该机制适合于移动无线接 收机，例如电子设备（便携的或固定的）、计算系统等等。
[0032] 相应地，高效的无线功率传送可以很好地适用于便携式应用。由于便携性的需求， 多数便携式电子设备基于由耦接的电池提供的功率来工作。这些设备中的电子电路消耗的 功率量决定了电池使用时间。这对于这些设备的使用带来了直接的限制，即需要经常对电 池再充电以保持设备处于可操作状态。为了这些设备的操作连续性，用户经常携带额外的 电池。电池