专利名称：感应电源、通过感应电源供电的远程装置及其操作方法
技术领域：
本发明涉及感应电源，更具体地说，涉及用于基于负载的功率需 求对该负栽感应供电的配置。
背景技术：
以感应方式供电的远程装置很方便。感应电源在没有直接物理连 接的情况下向装置供电。在那些利用感应功率的装置中，通常将装置 和感应电源设计成使得装置只在某一特定类型的感应电源下工作。这 就需要每个装置具有唯一设计的感应电源。更好的是具有能够对多种不同的装置供电的感应电源。发明内容本发明的感应充电系统和方法解决了常规感应充电引起的前述 缺陷和其它问题。根据 一 个实施例，感应电源包括以某 一 频率工作的转换器(switch)、通过该转换器激励的初级线圈、用于从远程装置接收频率改 变信息的初级收发器和用于响应频率改变信息改变频率的控制器。根据第二个实施例，能够通过感应电源激励的远程装置包括次级 线圈、负载、用于确定负栽两端的实际电压的次级控制器和用于将频 率调节指令发送给感应电源的;欠级收发器。根据又一个实施例，操作感应电源的方法包括以初始频率激励 初级线圈；轮询远程装置；以及如果远程装置没有响应，则断开初级 线圈。根据再一个实施例， 一种远程装置具有用于从感应电源接收处于 工作频率的功率并对负载供电的次级线圈，操作该远程装置的方法包括将期望电压与实际电压进行比较；以及将校正实际电压的指令发 送给感应电源。
图1示出用于对远程装置感应供电的系统； 图2是供该系统使用的查找表； 图3是操作次级控制器的流程图； 图4是操作初级控制器的流程图。
具体实施方式
图1示出用于对远程装置感应供电的系统。AC (交流)电源10 向感应电源9供电。DC(直流)电源12将AC功率转换为DC功率。 而转换器14用于将DC功率转净奐为AC功率。然后，由转换器14提 供的AC功率对振荡电路(tank circuit)16供电。转换器14可以是许多类型的转换电路中的任何一种，如半桥式 逆变器、全桥式逆变器，或任何其它单晶体管、双晶体管或四晶体管 转换电路。图中将振荡电路16示为是串联谐振振荡电路，但是也可 以利用并联谐振振荡电路。振荡电路16包括初级线圏18。初级线圈 18激励次级线圏20，由此对负载22供电。初级线圈18优选是空心 或无芯的。功率监测器24感测由DC电源12提供给转换器14的电压和电流。 功率监测器24的输出提供给初级控制器26。初级控制器26控制转换 器14以及其它装置的操作。初级控制器26可以调节转4灸器14的工 作频率以便使转换器14可以在一定频率范围内工作。初级收发器28 是用于从次级收发器30接收数据通信的通信装置。次级控制器32感 测提供给负载22的电压和电流。初级收发器28可以是许多无线通信装置中的任何一种。它也可 以具有多于一种工作才莫式，以-使适应不同的次级收发器。例如，初级收发器28可以允许RFID、 IR、 802.11(b)、 802.11(g)、蜂窝或蓝牙通 信。初级控制器26执行几个不同的任务。它定期轮询功率监测器24 以便获得功率信息。初级控制器26还监测收发器28以便从次级收发 器28接收通信。如果控制器26没有从次级收发器30接收到通信， 那么控制器26定期地允许转换器14在短暂的时期内工作，以便向任 何次级线圈提供足以激励次级收发器30的功率。如果次级线圈正在 汲取功率，那么控制器26控制转换器14的操作以便确保将充足的功 率传送给负栽22，这将在下文更详细地描述。控制器26还负责通过 初级收发器28路由数据包，这将在下文更详细地描述。根据一个实 施例，控制器26指示转换器14在30-100千赫(kHz)供电。根据该 实施例，控制器26时钟设定在36.864兆赫(MHz)以便在执行上述 任务的同时可以提供可接收的频率分辨率。功率监测器24监测AC输入电流和电压。功率监测器24计算由 装置消耗的平均功率。这是通过将瞬时电压和电流样本相乘以便逼近 所消耗的功率来实现的。功率监测器24还计算RMS (均方根)电压 和电流、电流波峰因子和其它i會断值。因为电流是非正弦的，所以所 消耗的有效功率一般与视在功率(V*l s)不同。为了增加功率消耗计算的精确度，可以将电流样本和从电压样本 内插的值相乘。对每个电压/电流乘积积分，并保持一个完整的AC循 环。然后，将它除以样本率，,人而获得一个循环内的平均功率。在一 个循环之后，重复该过程。功率监测器24可以是特殊i殳计的芯片，或者功率监测器24可以 是具有附带支持电路的控制器。根据所示实施例，功率监测器24的地线参照AC输电线的中性侧， 而初级控制器26和转换器14的地线则基于它们各自的电源电路。结 果是，功率监测器24和初级控制器26之间的串联链路是双向光学隔 离的。次级控制器32由次级线圏20供电。次级线圈20优选是空心或 无芯的。次级控制器32的计算能力可能小于功率监测器24。次级控 制器32监测关于次级线圈20的电压和电流，并将监测的电压或电流 与负栽22所需的目标电压或电流进行比较。目标电压或电流存储在 存储器36中。存储器36优选是非易失性的，这样信息就不会在关机 时丢失。次级控制器32还通过次级收发器30请求次级控制器26适 当改变转换器14的工作频率。次级控制器32监测具有约40 KHz (千赫)频率的波形。次级控任务。如果这样，那么峰值检测器34可以^^任选的。峰值检测器34确定次级线圏20、负载22或远程装置11内的任 4可其它组件两端的峰值电压。如果次级控制器32的计算能力不足以执行瞬时电流和电压计算， 那么可以在存储器36中提供查找表。查找表包括校正因子，这些校 正因子由驱动频率索引并应用于由峰值检测器34观察到的电压以获 得次级线圈20两端的实际电压。存储器36可以是具有8位校正因子 的EEPROM存储器中的128字节阵列。校正因子由电流的频率索引。 次级控制器32通过初级RXTX 28从控制器26接收频率。或者，如 果次级控制器32具有更大的计算能力，那么它可以计算频率。存储 器36中还包含远程装置11的最小功率消耗信息。对于每个负载来说，校正因子都是唯一的。例如，充当远程装置 的MP3播放器的校正因子将不同于感应供电的灯或感应加热器。为了 获得校正因子，将对远程装置进行表征。表征由施加AC电压、然后 改变频率组成。接着，通过利用伏特计或示波器获得真实的RMS电 压。然后，将真实的RMS电压和峰值电压进行比较以便获得校正因 子。然后，将每个频率的校正因子存储在存储器36中。发现合适的 一种类型的校正因子是乘数。乘数是通过将真实的RMS电压与峰值 电压相除来找到的。图2是示出特定负栽的校正因子的表。当利用PIC18F微控制器 时，利用PR2寄存器来控制输出电压的周期，并由此控制输出电压的 频率。校正因子的范围可以从0到255。表中的校正因子是8位定点 小数。为了评价校正因子，读取PIC18F微控制器的PR2寄存器。丟 弃最低有效位，然后利用那个值来检索合适的校正因子。已发现，校正因子和周期匹配时是有效的。众所周知，周期是频 率的倒数。因为诸如PIC18F的i午多微控制器都具有PWM(脉宽调制) 输出，其中输出的周期由寄存器规定，所以查找表是由PWM输出的 周期索引的。次级收发器30可以是许多不同类型的无线收发器中的任何一种， 如RFID(射频标识)、IR(红外)、蓝牙、802.11(b)、 802.11(g)或蜂 窝。如果次级收发器30是RFID标签，那么次级收发器32本质上可 以是无源或有源的。图3示出操作次级控制器32的流程图。峰值检测器34读取峰值 电压(步骤IOO)。接着，次级控制器32通过从控制器26或通过自 身计算频率来获得电路的频率(步骤102)。然后，利用频率从存储 器36中检索校正因子(步骤104)。接着，对从峰值检测器34输出 的峰值电压应用校正因子，以〗更确定实际电压(步骤106)。将实际电压和存储在存储器中的期望电压进行比较。如果实 际电压小于期望电压，那么向初级控制器发送减小频率的指令(步骤 110， 112)。如果实际电压大于期望电压，那么向,初级控制器发送增 大频率的指令(步骤114, 116)。频率的这种变化造成电路的功率输出的变化。如果频率减小以至 于使谐振电路往更靠近谐振的方向移动，那么电路的功率输出增大。 如果频率增大，那么谐振电路往远离谐振的方向移动，并且电路的输 出因而减小。接着，次级控制器32从初级控制器26获得实际功率消耗(步骤 117)。如果实际功率消耗小于负载的最小功率消耗，那么控制器禁用负载，并且组件进入静态模式(步骤118， 120)。图4是操作初级控制器26的流程图。以探头频率激励初级线圈 18 (步骤200)。探头频率可以预先设置，或者它可以基于和远程装 置的任何先前通信来确定。根据该实施例，负载32定期地将工作频 率写入到存储器36 + 。如果对次级线圈20去激励，并且随后再激励， 那么次级控制器从存储器36 ;^索最后记录的工作频率，并通过次级 RXTX 30和初级RXTX 28将该工作频率传送给初级控制器26。探头 频率应当使得可以激励次级收发器30。接着，轮询次级收发器30 (步骤202 )。然后，系统等待应答(步 骤204)。如果没有接收到应答，那么断开(tum off)初级线圈18 (步 骤206)。在预定时间之后，轮询远程装置的过程重新发生。如果从次级收发器30接收到应答，那么从次级控制器32接收工 作参数(步骤20'8)。工作参数包括但不限于初始工作频率、工作电 压、最大电压和工作电流、工作功率。然后，初级控制器26启用转 换器14以便以初始工作频率激^励初级线圈18 (步骤210)。初级控 制器26将功率信息发送给次级控制器32 (步骤212)。初级线圏18 激励次级线圈20。然后，初级控制器26轮询次级控制器32(步骤214 )。如果初级控制器26没有得到应答或者从次级控制器32接收到 "进入静态模式"的命令，那么关闭转换器14 (步骤206),并且过 程>^人该点继续。如果初级控制器26接收到应答，那么初级控制器26从次级控制 器32提取任何频率改变信息(步骤218)。然后，初级控制器26根 据来自次级控制器32的指令改变频率(步骤220)。在延迟(步骤 222)之后，过程重复，初级控制器26将信息发送给次级控制器32 (步骤212)。以上是对优选实施例的描述。在不偏离如随附权利要求限定的本 发明的精神和更宽方面的前提下，可以做出各种改变和变化，其中随 附权利要求根据专利法的原则应当解释为包含均等物的教导。任何地方提到单数形式的权利要求元件时，例如使用冠词"一 (a/an)"、 "该"或"所述，，时，都不应理解为将该元件限制为单数。
权利要求
1.一种感应电源，包括以某一频率工作的转换器；由所述转换器激励的初级线圈；用于从远程装置接收频率改变信息的初级收发器；以及用于响应所述频率改变信息而改变频率的控制器。
2. 如权利要求1所述的感应电源，还包括用于确定所述感应电源的功率消耗信息的功率监测器。
3. 如权利要求2所述的感应电源，其特征在于，所述初级收发器 将所述功率消耗信息发送给所述远程装置。
4. 如权利要求3所述的感应电源，还包括振荡电路，其中所述初 级线圏是所述振荡电路的 一部分。
5. 如权利要求4所述的感应电源，其特征在于，所述振荡电路是 串联谐振振荡电路。
6. 如权利要求4所述的感应电源，其特征在于，所述振荡电路是 并联谐振振荡电路。
7. —种能够通过感应电源激励的远程装置，包括 次级线圈；负载；用于确定所述负载两端的实际电压的次级控制器；以及 用于将频率调节指令发送给所述感应电源的次级收发器。
8. 如权利要求7所述的远程装置，还包括 峰值检测器。
9. 如权利要求8所述的远程装置，其特征在于，所述次级控制器 根据峰值检测器输出确定所述负载两端的实际电压。
10. 如权利要求9所述的远舉装置，还包括包含数据库的存储器，所迷数据库具有多个指示所述实际电压的值，所述数据库由所述峰值检测器输出索引。
11. 如权利要求IO所述的远程装置，其特征在于，所述数据库还由工作频率索引。
12. 如权利要求11所述的远程装置，其特征在于，所述存储器包 含最小功率消耗。
13. 如权利要求12所述的远程装置，还包括次级收发器。
14. 如权利要求13所述的远程装置，其特征在于，所述次级收发 器能够从所述感应电源接收功率消耗信息，并且所述次级控制器将所 述功率消耗信息和所述最小功率消耗进行比较。
15. —种操作感应电源的方法，包括 以初始频率激励初级线圈； 專仑询远程装置；以及如果没有来自所述远程装置的响应，则断开所述初级线圏。
16. 如权利要求15所述的操作感应电源的方法，还包括 如果有来自所述远程装置的响应，则从所述远程装置获得工作频率；以及以所述工作频率激励所述初级线圈。
17. 如权利要求16所述的才喿作感应电源的方法，还包括 从所述远程装置接收频率改变信息；以及 基于所述频率改变信息改变工作频率。
18. 如权利要求17所述的^t喿作感应电源的方法，还包括 从所述远程装置接收静态模式指令；以及 响应所述静态模式指令而断开所述初级线圈。
19. 如权利要求18所述的操作感应电源的方法，还包括 确定由所述初级线圏消耗的功率；以及 将所消耗的功率传送给所迷远程装置。
20. —种操作远程装置的方法，所述远程装置具有用于从感应电 源接收处于工作频率的功率并2于负载供电的次级线圈，所述方法包括将期望电压和实际电压进行比较；以及 将校正所述实际电庄的指令发送给所述感应电源。
21. 如权利要求20所述的操作远程装置的方法，其特征在于，所 述实际电压和期望电压是关于所述次级线圈两端的电压的。
22. 如权利要求21所述的操作远程装置的方法，其特征在于，所 述指令是发送给所述感应电源的改变工作频率的命令。
23. 如权利要求22所述的操作远程装置的方法，其特征在于，将 期望电压和实际电压进行比较的步骤还包括读取峰值电压。
24. 如权利要求22所述的操作远程装置的方法，其特征在于，将 期望电压和实际电压进行比较的步骤还包括从存储器检索校正因子；以及对所述峰值电压应用所述校正因子，以便获得所述实际电压。
25. 如权利要求22所述的^t喿作远程装置的方法，其特征在于，应 用所述校正因子的步骤包括将所述峰值电压和所述校正因子相乘。
26. 如权利要求23所述的纟喿作远程装置的方法，还包括 如果所述实际电压大于期望电压，则发送给所述感应电源的命令包括增大工作频率的指令。
27. 如权利要求23所述的操作远程装置的方法，还包括 如果所述实际电压小于期望电压，则发送给所述感应电源的命令包括减小工作频率的指令。
全文摘要
一种感应电源(9)包括用于在远程装置(11)和感应电源之间发送信息的收发器(28)。远程装置先确定实际电压，然后，如果实际电压与期望电压不相同，则向感应电源发送改变工作频率的命令。为了确定实际电压，远程装置先确定峰值电压(34)，然后应用校正因子。
文档编号H02J5/00GK101243591SQ200680029588
公开日2008年8月13日 申请日期2006年8月11日 优先权日2005年8月16日
发明者D·W·巴曼, J·J·洛德, N·P·斯蒂恩, W·J·巴赫曼 申请人:捷通国际有限公司