无线充电器的电场屏蔽的制作方法
【专利摘要】一种用于当无线充电器用于车辆时防止AM无线电干扰的屏蔽装置具有对应于期望衰减的频率而彼此隔开某一距离设置的多个平行导体。互连装置包括固体导电结合部，且彼此连接导体而不形成回路并把导体连接到接地。所述导体是设置在PCB上的线路。另外的平行导体被设置在相对于所述第一导体沿正交方向的所述PCB的另一侧。所述导体之间的间隔对应于所述期望衰减的频率和例如移动电话信号期望传播通过的频率来决定。设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部导电且导热，例如，铜。
【专利说明】无线充电器的电场屏蔽
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及产生非期望的电磁场和热的电力系统，且更具体涉及特别适用于可充电设备的充电系统中的屏蔽装置，其中衰减电磁场和热的传播，但允许磁场在涡流损耗最小的情况下通过。本发明一般涉及产生非期望的电磁场和热的电力系统，且更具体涉及特别适用于可充电设备的充电系统中的屏蔽装置，其中衰减电磁场和热的传播，但允许磁场在润流损耗最小的情况下通过。
【背景技术】
[0002]无线充电系统通过在初级线圈中产生时变磁场来在初级和次级线圈之间传递能量。这个磁场也产生类似时变电场或E场。这个原始信号的基频可设计为低于AM无线电频带，以避免干扰车辆应用中的AM无线电接收。
[0003]然而，从电能利用的观点来看，消除外溢到AM频带中的原始信号的谐频和对AM无线电接收的干扰很昂贵且效率低。因此，本领域需要减小无线充电系统造成的AM频带干扰。
[0004]现有技术试图通过在一次及二次系统外体积周围提供磁屏蔽来解决与磁干扰相关的问题。然而，现有技术似乎不能解决无线充电的汽车应用和AM无线电接收干扰的特定问题。
[0005]无线充电固有的另一问题是接触可充电设备的充电器表面的温度上升。这个表面的过度温度上升将使可充电设备终止充电以免过热。从充电线圈去除废热的难处在于由于形成涡流而未在线圈上建立导电回路。因此，固体导电材料不能放在线圈上充当散热片。
[0006]因此，本领域需要一种无线充电装置，除了减小且较佳地消除AM频带干扰之外，所述无线充电装置不会使充电器表面产生过热。
[0007]因此，本发明的目的是提供一种不会使过热传递到手持设备的手持设备的无线充电装置。
[0008]本发明的另一目的是提供一种衰减源于电气设备的将以对信息传播感兴趣的频率范围造成干扰的电磁能量的系统。
[0009]本发明的另一目的是提供一种衰减将干扰无线电传输信号的电磁能量的系统。
[0010]本发明的又一目的是提供一种衰减将干扰预定频率范围的无线电传输信号但将允许不同频率范围的无线电信号基本上通过而不被衰减的电磁能量的系统。
【发明内容】
[0011]上述及其他目标由本发明达成，本发明根据第一设备方面提供一种具有彼此隔开第一预定横向距离设置的多个基本上平行导体的屏蔽装置。所述第一预定横向距离对应于当电磁能量传播通过所述屏蔽装置时期望衰减的所述电磁能量的频率。另外提供了把所述多个基本上平行导体连接到彼此的互连装置。
[0012]在本发明的这个第一设备方面的一个实施方案中，还提供印刷电路板，且所述多个基本上平行导体包括设置在所述印刷电路板的第一侧上的导电线路。
[0013]在另一实施方案中，所述互连装置包括设置在所述印刷电路板上的固体导电结合部。
[0014]在本发明的又一实施方案中，所述印刷电路板具有第二侧，且提供彼此隔开第二预定横向距离设置的另外多个基本上平行导体。所述另外多个基本上平行导体具有相对于所述多个基本上平行导体的预定角定位。在一些实施方案中，所述预定角定位是基本上正交角定位。
[0015]在本发明的一些实施方案中，第一和第二预定横向距离彼此相等。又，在一些实施方案中提供把所述另外多个基本上平行导体连接到彼此的另外互连装置。在有利的实施方案中，所述另外互连装置是上文所述的设置在所述印刷电路板上的固体导电结合部。
[0016]在本发明的又一有利的实施方案中，设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部经配置以导热。因此，设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部有利地由导电且导热的材料组成。达到这个目的的优质材料是含铜的金属材料。
[0017]根据本发明的又一设备方面，提供一种手持设备的无线充电装置。根据本发明的这个另一方面，所述无线充电装置具有初级充电线圈，所述初级充电线圈具有接收输入电脉冲的电输入件。所述输入电脉冲激励所述初级充电线圈产生时变磁场和时变电场。两个所述场都对应于输入电脉冲。另外提供衰减所述时变电场的电场屏蔽。
[0018]在本发明的这个另一设备方面的一个实施方案中，所述时变电场含有将产生在AM无线电传输频带中干扰的频率分量。因此，所述电场屏蔽经配置以衰减时变电场的干扰频率分量。
[0019]在这个另一设备方面的有利的实施方案中，所述电场屏蔽经配置以防止在所述时变磁场中产生涡流。
[0020]在本发明的这个方面的又一有利实施方案中，所述电场屏蔽经配置以允许频率高于所述AM无线电传输频带的频率的电磁信号传播通过。电场屏蔽的这个特征尤其适用于所述电场屏蔽经配置以环绕所述无线充电装置的本发明的实施方案。然而，在其他实施方案中，所述电场屏蔽插入于所述初级充电线圈和所述手持设备之间。
[0021]根据本发明的方法方面，提供一种减小使用无线充电装置充电手持设备的内置电池时的AM无线电干扰的方法。所述方法包括把电场屏蔽插入所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间的步骤。
[0022]在这个方法方面的一个实施方案中，把电场屏蔽插入所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间的步骤包括插入彼此隔开第一预定横向距离设置的第一多个基本上平行导体的步骤，所述第一预定横向距离对应于当电磁能量传播通过所述屏蔽装置时期望衰减的所述电磁能量的频率。
[0023]在另一实施方案中，把电场屏蔽插入所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间的步骤包括以下步骤:在所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间插入彼此隔开所述第一预定横向距离设置的另外多个基本上平行导体，所述另外多个基本上平行导体具有相对于所述第一多个基本上平行导体的预定角定位。
[0024]如所述，根据本发明的一个实施方案的解决AM干扰问题的提议的解决方案是添加电场屏蔽，所述电场屏蔽设置在初级线圈上使得它衰减AM频带场但允许磁场通过而在屏蔽层未造成显著涡流损耗。涡流降低无线充电器实施方案中的效率。较佳地，屏蔽由导热材料制成，从而提供从线圈区域发散热的添加的益处。在线圈周围而非直接上方，在本发明的一些实施方案中，这个屏蔽是固体，从而改善散热能力。
[0025]在其他实施方案中，电场屏蔽设置在包括初级和次级元件的充电器系统的部分周围。在一些实施方案中，这采用完整六面外壳的形式，或者这可简单地是插入充电系统和受影响的AM无线电接收器的AM天线之间的单屏蔽平面。
[0026]根据本发明提议的解决方案成本有效，因为屏蔽可集成为印刷线路板(PWB)基初级线圈顶层，或者它可添加为放置在初级线圈顶部的次级PWB。在一些实施方案中，类似屏蔽概念可应用到线绕初级线圈，但是比起PWB基初级线圈实施，总体成本和结构优势并非如所宣传的。
[0027]本发明的电场屏蔽的一些重要特征是:
[0028]I)屏蔽厚度应尽可能小，使得不显著增大初级和次级线圈之间的标称间隙。较大标称间隙减小无线充电器应用中有用气隙范围；
[0029]2)电场屏蔽的导电图形中必须没有闭合回路，因为闭合回路支持导致充电效率低下且产生充电器外壳中非期望的温度上升的涡流；
[0030]3)电场屏蔽图形中导体的宽度应足够窄以减少个别线路中的涡流；
[0031]4)电场屏蔽线路的间隔应足够靠近以屏蔽AM信号，但在全系统屏蔽的情况下，应足够远离来允许手机信号通过；
[0032]5)屏蔽线路应导电，但磁中性；和
[0033]6)屏蔽线路应连接到车辆的负电压参考。
[0034]在本发明的一些实施方案中，电场屏蔽通过在不直接在线圈上方的屏蔽区域提供固体铜图形来协助发散充电器线圈废热。如果电场屏蔽由高度导电的材料制成，那么电场屏蔽图形的有效性就得以增强。另外，如果材料高度导热，那么就达成增强散热功能的显著优势。对于两种参数，铜都是优越的材料，因为铜是优良的导电和导热导体。用以使屏蔽导体接地的所述通孔也可充当也处于接地电位的充电器的接地铝散热片的热通孔。
[0035]在本发明的特定说明性实施方案中，屏蔽垫的相邻导体之间的距离隔开期望衰减的频率的1/4波长。因此，电场屏蔽线路的间距足够靠近以屏蔽AM信号，且在使用全系统屏蔽的本发明的实施方案中，导电线路隔开足够远以允许手机信号通过。在所述实施方案中，期望衰减说明性地约150kHz到约1.71MHz的AM频带中的辐射。使用棒状天线的测量说明了本发明的屏蔽系统实现的衰减的有效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]通过结合附图阅读以下详细描述来促进对本发明的理解，在附图中:
[0037]图1是描述纵向设置的多个导电线路的根据本发明的原理构建的电场屏蔽的一侧的平面图表不;
[0038]图2是描述相对于图1示出的侧上导电线路基本上正交设置的多个导电线路的图1的电场屏蔽的另一侧的平面图表示；
[0039]图3是根据本发明的原理构建的电场屏蔽插入充电器基部和接收器之间的无线充电器装置的简化的示意图表示；[0040]图4是根据本发明的原理构建的电场屏蔽设置以环绕充电器基部和接收器的无线充电器装置的简化的示意图表示；
[0041]图5是在无线充电器装置的上下文中示出的本发明的特定说明性实施方案的高度简化的块和线表示，其中本发明的电场屏蔽用以限制平面充电器线圈的AM频带干扰；
[0042]图6是适用于使用本发明的电场屏蔽的无线充电器装置的单垫模块的电路板的简化的示意图表示；
[0043]图7是适用于使用本发明的电场屏蔽的无线充电器装置的单垫模块的散热片和初级线圈装置的简化的示意图表示；
[0044]图8是示出印刷电路板、Nomex?层、散热层、线圈层和形成无线充电器装置的两个磁铁的设置的部分爆炸表示；
[0045]图9是图8的设置的简化横断面表示；
[0046]图10是上覆印刷电路板的根据本发明构建的电场屏蔽的简化示意等距表示；和
[0047]图11 (a)和11 (b)是示出作为没有电场屏蔽的无线充电装置的AM干扰的频率分布的函数的量级和本发明的电场屏蔽达成的衰减的图示。
【具体实施方式】
[0048]图1是根据本发明的原理构建的电场屏蔽100的一侧的平面图表示，且描述了纵向设置在电路板104上的多个导电线路102。在本发明的这个特定说明性实施方案中，电路板104经配置以与手持设备(未示出)的无线充电器(未示出)连用。导电线路102在固体图形体110上彼此电耦接，且在这个实施方案中，未形成任何闭合回路。在这个实施方案中，固体图形体由铜形成，且设置成不位于靠近无线充电器的充电线圈(附图中未示出)的电路板104的区域(未特别指定)。
[0049]导电线路102彼此隔开在一些实施方案中对应于期望衰减的电能的频率的距离。在这个实施方案中，期望衰减将干扰AM无线电频带的电磁能量，如在旨在用于车辆的无线充电器装置的情况。如上文所述，在本发明的这个说明性实施方案中，期望衰减说明性地约150kHz到约1.71MHz的AM频带中的电磁福射的传播。线路间间隔因此必须小于期望衰减的最高频率的1/4波长。然而，在期望充电的手持设备(未示出)是手机的本发明的实施方案中，线路间间隔必须足够大以允许移动电话信号通过电场屏蔽，在手机设置在屏蔽区域的实施方案中，情况将如下所讨论。
[0050]图2是描述相对于电路板104上图1示出的侧上导电线路基本上正交设置的多个导电线路112的图1示出的电场屏蔽100的另一侧的平面图表示。类似地指定之前讨论的结构的元件。在图1和2中，固体图形体110充当接地点，因为期望导电线路处于接地电位。又，在这个实施方案中，固体图形体110用以导热离开设置将充电的手持设备的区域，如下文将描述。
[0051]图3是根据本发明的原理构建的电场屏蔽36插入充电器基部32和接收器34之间的无线充电器装置的简化的示意图表示。
[0052]图4是根据本发明的原理构建的电场屏蔽46设置以环绕充电器基部42和接收器44的无线充电器装置的简化的示意图表示。在这个实施方案中，期望充电(未特别指示)的手持设备(未示出)围绕接收器44且被装入电场屏蔽中，因此，电场屏蔽的线路间(或导体间)间隔必须足够大以使得移动电话信号能够通过。本领域技术人员可把线路间间隔配置得足够小以阻挡将干扰常规AM频带的电磁辐射的传播，但又足够大以使得手机通信信号的高得多的频率能够通过。因此，当用于车辆时，衰减了 AM无线电频带干扰，但手机保持有源且可用以接听电话。
[0053]图5是在无线充电器装置50的上下文中示出的本发明的特定说明性实施方案的高度简化的块和线表示。在这个实施方案中，本发明的电场屏蔽52 (简化地以幻影示出)用以衰减源自初级充电线圈54 (示意性地表示)的AM频带干扰信号(未示出)的传播。电场屏蔽在这个附图中示出为上覆初级充电线圈，在一些实施方案中，所述初级充电线圈是通过把对应的导电线路印刷到印刷线路板(这个附图中未示出)上来形成。
[0054]如这个附图中示出，微控制器56从也向脉冲电源模块58提供电能的电源57接收运行功率。微控制器管理通过脉冲电源模块进行的到初级充电线圈的系统功率脉冲(未示出)的传递。脉冲电源模块58发出的电脉冲含有被初级充电线圈54转换成含有干扰AM无线电传播的无线电频率分量的发射(未示出)的频率分量。因此，当所述无线充电器用于车辆(未示出)以使无线充电器靠近AM无线电(未示出)时，必需抑制所述干扰信号。在这方面，应注意，初级充电线圈54产生对应于输入电脉冲的时变磁场和时变电场,两个场都没有在附图中示出。本文描述的电场屏蔽52衰减了干扰信号的传播，同时如果产生就在时变磁场中产生最小涡流或者衰减时变磁场。
[0055]虽然在本发明的这个特定说明性实施方案中初级充电线圈54和电场屏蔽52示出为具有基本上平坦的配置，但是应理解，其他线圈和屏蔽配置也可用于实践本发明。如下文将讨论，在一些实施方案中，电场屏蔽可具有灵活的特点，从而允许应用所述屏蔽以衰减来自非平坦线圈的电场发射的决定的频率分量。又，如所述，电场屏蔽可经配置以在本发明的其他实施方案中环绕整个无线充电器单元，且在另外的实施方案中环绕整个无线充电器单兀和被充电的手持设备。
[0056]图6是适用于使用本发明的电场屏蔽(这个附图中未示出)的无线充电器装置的单垫模块(未不出)的电路板64的简化的不意图表不。在这个实施方案中，电路板64的厚度大约为1.0Omm,总体平面尺寸约为51.5mm (附图中垂直方向),且宽度约为52.50mm。半圆槽口区域66的半径尺寸大约为9.0Omm,且矩形槽口 67的深度约为6.5mm,且沿电路板64边缘的尺寸约为16mm。四个孔径61的直径约为4.4mm。
[0057]图7是适用于使用本发明的电场屏蔽的无线充电器装置的单垫模块的散热装置74的简化的示意图表示。散热装置74上设置有初级线圈72。在这个实施方案中，初级线圈12配置为由市售铁氧体和Nomex?制成的印刷电路板。
[0058]图8是示出印刷电路板64、Nomex?层82、散热层74、线圈层72和形成无线充电器装置(未特别指示)的两个永久磁铁84和86的设置的部分爆炸表亍。类似地指定之前讨论的结构的元件。如从这个附图可见，线圈层72和散热片74被TSomex?层82维持成与印刷电路板64分离。
[0059]图9是图8的设置的简化横断面表示。类似地指定之前讨论的结构的元件。这个附图中示出印刷电路板64、Nomex?层82、散热层74、线圈层72和永久磁铁84和86的堆叠设置。永久磁铁84和86适用于确保手持设备(未示出)保持处于初级线圈72上方中心位置。
[0060]图10是上覆印刷电路板1004的根据本发明构建的电场屏蔽1002的简化示意等距表示。如这个附图中示出，电场屏蔽1002具有多个导体1003，所述导体1003隔开为足够靠近以衰减将对AM频带无线电信号造成干扰的电磁能量。如之前所描述，导体不形成回路，以防止形成涡流，且所述导体电耦接到固体印刷区域1006。在例如电场屏蔽1002的看不见的侧上包括导电线路的一些实施方案中，那些导电线路也连接到固体印刷区域1006。
[0061]从图10看出，电场屏蔽1002设置以上覆印制板1004，印制板1004含有如果不被屏蔽将发出造成AM无线电频带干扰的电磁辐射的电路。另外，电场屏蔽1002示出为有点弹性，因此，本发明不限于非弹性衬底。虽然这个附图中不可见，但是在本发明的一些实施方案中，提供了直接在印刷电路板1004上的初级线圈。
[0062]图11 (a)和11 (b)是示出作为从没有电场屏蔽的无线充电装置发出的AM干扰信号的频率分布的函数的量级和本发明的电场屏蔽达成的衰减的图示。如图11 (a)示出，由未根据本发明屏蔽的无线充电器装置中测试棒状天线(未示出)接收的信号跟踪的量级在1.034000MHZ下为67.699dByV/m。相反，图11 (b)示出，在使用本发明的屏蔽系统的情况下，在1.034000MHZ下信号跟踪只有39.558dB μ V/m。因此，本发明的实施方案在衰减AM频带中发出的干扰信号方面是有效的。
[0063]虽然已参照特定实施方案和应用描述了本发明，但是本领域技术人员鉴于本文的教导可在不超过所请求的本发明的范围或不脱离本发明的精神的情况下产生另外的实施方案。因此，应理解，提供本揭露的附图和描述以促进对本发明的理解，而不应理解为对本发明的范围的限制。
【权利要求】
1.一种屏蔽装置，包括: 彼此隔开第一预定横向距离设置的多个基本上平行导体，所述第一预定横向距离对应于当电磁能量传播通过所述屏蔽装置时期望衰减的所述电磁能量的频率；和 把所述多个基本上平行导体连接到彼此的互连装置。
2.如权利要求1所述的屏蔽装置，其中还提供印刷电路板，且所述多个基本上平行导体包括设置在所述印刷电路板的第一侧上的导电线路。
3.如权利要求2所述的屏蔽装置，其中所述互连装置包括设置在所述印刷电路板上的固体导电结合部。
4.如权利要求3所述的屏蔽装置，其中所述印刷电路板具有第二侧，且提供彼此隔开第二预定横向距离设置的另外多个基本上平行导体，所述另外多个基本上平行导体具有相对于所述多个基本上平行导体的预定角定位。
5.如权利要求4所述的屏蔽装置，其中所述预定角定位是基本上正交角定位。
6.如权利要求4所述的屏蔽装置，其中所述第一和第二预定横向距离彼此相等。
7.如权利要求4所述的屏蔽装置， 其中还提供把所述另外多个基本上平行导体连接到彼此的另外互连装置。
8.如权利要求6所述的屏蔽装置，其中所述另外互连装置包括设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部。
9.如权利要求3所述的屏蔽装置，其中设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部经配置以导热。
10.如权利要求3所述的屏蔽装置，其中设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部由导电且导热的材料组成。
11.如权利要求10所述的屏蔽装置，其中设置在所述印刷电路板上的所述固体导电结合部由含铜的金属材料组成。
12.—种手持设备的无线充电装置，所述无线充电装置包括: 初级充电线圈，其具有接收输入电脉冲的电输入件，所述输入电脉冲激励所述初级充电线圈对应于所述输入电脉冲而产生时变磁场和时变电场；和 衰减所述时变电场的电场屏蔽。
13.如权利要求12所述的无线充电装置，其中所述时变电场含有所述AM无线电传输频带中的频率分量，且所述电场屏蔽经配置以衰减将产生在所述AM无线电传输频带中电磁信号干扰的所述时变电场的分量。
14.如权利要求13所述的无线充电装置，其中所述电场屏蔽经配置以防止在所述时变磁场中产生涡流。
15.如权利要求13所述的无线充电装置，其中所述电场屏蔽经配置以允许频率高于所述AM无线电传输频带的频率的电磁信号传播通过。
16.如权利要求15所述的无线充电装置，其中所述电场屏蔽经配置以环绕所述无线充电装置。
17.如权利要求14所述的无线充电装置，其中所述电场屏蔽插入于所述初级充电线圈和所述手持设备之间。
18.—种减小使用无线充电装置充电手持设备的内置电池时的AM无线电干扰的方法，所述方法包括把电场屏蔽插入所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中把电场屏蔽插入所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间的所述步骤包括插入彼此隔开第一预定横向距离设置的第一多个基本上平行导体的步骤，所述第一预定横向距离对应于当电磁能量传播通过所述屏蔽装置时期望衰减的所述电磁能量的频率。
20.如权利要求19所述的方法，其中把电场屏蔽插入所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间的所述步骤包括以下步骤:如果在所述无线充电装置和受影响的AM无线电接收器之间插入彼此隔开所述第一预定横向距离设置的另外多个基本上平行导体，所述另外多个基本上 平行导体具有相对于所述第一多个基本上平行导体的预定角定位。
【文档编号】H05K9/00GK103687461SQ201310416666
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2012年9月13日
【发明者】K·L·奇利斯, J·R·小巴林特, K·格雷迪, G·奥布莱恩, O·格林沃尔德 申请人:威斯通全球技术公司