专利名称：用于探测无线功率传输系统中的装置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及功 率传输技术。
背景技术：
为了对诸如蜂窝电话、PDA、遥控器、笔记本计算机等电池供电装置的电池进行供电，或者对诸如灯或厨房电器的装置直接供电，可以应用使能实现无线功率传递的感应功率系统。例如从W02008/050260知晓用于传递功率或者对移动装置充电的感应功率系统。 这种系统通常包括在下文中称为发射器的功率发射装置，其包括可以单独地被激励的多个发射线圈，由此生成交变磁场。感应功率系统还包括功率接收装置，该功率接收装置包括需要功率的负载。为了接收功率，功率接收装置设有接收线圈，由被激励的发射器线圈提供的交变磁场在该接收线圈中感应电流。这个电流可以驱动接收装置的负载，例如对电池充电或者将灯点亮。在下文中功率接收装置是指包括接收线圈和负载的接收器。使能实现低的，优选地(几乎)零的待机功率是非常重要的。例如，当无线功率发射器上没有装置时，功耗应几乎为零。美国专利申请US2008/0157909提供一种用于探测功率发射装置的发射器线圈和功率接收装置的接收线圈之间的耦合的系统。当激励发射器线圈时，电流传感器监测通过发射器线圈的电流以判定功率接收装置的接收线圈是否耦合到发射器线圈。该系统要求定期地激励发射器线圈并且导致功率发射装置太多的能耗，特别是当不存在功率接收装置时。如果所述美国专利申请的系统用于包括多个发射器线圈的功率发射装置中，每一个发射器线圈必须定期地被激励，引起功率使用的进一步增加。另外，发射器线圈的定期激励在定期的时间引入电磁场，该电磁场会导致例如电磁干扰，或者例如当银行卡偶然放置在功率发射装置上时，会擦除银行卡的磁条上的信息。
发明内容
提供在待机模式中具有低功耗的方法和发射器将是有利的。本发明的第一方面提供如权利要求1所述的一种利用发射器探测接收器的方法。 本发明的第二方面提供如权利要求8所述的一种用于探测接收器的发射器。本发明的第三方面提供如权利要求12所述的一种利用发射器探测接收器的方法。本发明的第四方面提供如权利要求13所述的一种用于探测接收器的发射器。有利实施例在从属权利要求中限定。依据本发明的第一方面，提供了一种利用发射器探测接收器的方法。该发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。发射器包括作为第一电极的第一发射线圈并且包括第二电极。第一电极和第二电极形成电容器。该方法包括应用电压到任何一个该电极的步骤， 并且包括探测电容器的电容变化的步骤。本发明提出一种用于通过电容探测来探测接收器是否安置在发射器的表面上的方法和装置，其是快速的且不干涉感应功率传递。因此，对无线充电垫上的装置的探测不受到在同一垫上已经被充电的另一装置干涉。再者，所提出的探测方法以很小(或者几乎没有)功耗起作用。该方法是基于这样的事实，安置在发射器的表面上的装置将改变位于发射器表面下方的两个电极之间，或者在一个电极与接地之间，或者在一个电极和接收器之间的电容。 将这种装置安置在发射器表面上改变存在于不同电极之间的电容器的电容。这是源于两个电极之间的空间的介电常数的感应变化，或者两个电极之间的介电 距离的感应变化，或者介电常数和介电距离的变化的组合。在本发明的上下文中，这种方法也称为"电容探测方法"。与感应探测相比，可以比较功率高效地执行电容变化的探测。只要电容不改变并且当DC电压被使用时，没有电流流自/流向电容器一只有当电容变化时少量电流流自或流向电容器。另外如果AC电压应用到电容器且AC电压可以恰当地设置大小，则比较少量电流流过电容器。因而，通过电容器的电流可以比较小或者基本上等于零，并且因此该电容探测方法的功耗比较低。例如借助低功耗集成电路，可以功率高效地执行探测。因而，探测接收器的方法是比较功率高效的。另外，电容探测不要求发射线圈的感应工作，并且因而无电磁场生成并且无电磁干扰产生。此外，使用第一发射线圈作为一个所述电极减小了构建使用电容探测来探测接收器的发射器所需要的部件的数目。不是引入附加的第一电极和第二电极，本发明的方法仅仅要求引入第二电极，并且因此发射器具有较不复杂的设计并且节约成本。在一实施例中，发射器还包括第二发射线圈，其充当第二电极。也就是说，两个相邻发射线圈可以用作电容器的两个电极。对接收线圈的存在和位置的探测可以借助测量由两个发射线圈形成的电容器的电容变化来完成。第一发射线圈用作第一电容器电极，其连接到第一端子。相邻发射线圈用作第二电容器电极，其连接到第二端子。附近的另一线圈例如作为第三电容器电极，其连接到第三端子。相对于发射器线圈位置的接收线圈位置确定第一和第二端子之间，或者例如第一和第三端子之间的电容。换言之，发射器可具有多于一个发射线圈。发射器的每对发射线圈可形成电容器。 通过使用第一发射线圈作为第一电极以及使用第二发射线圈作为第二电极，实现了对发射器的部件的高效利用。无需在发射器的表面内引入附加电极，这防止发射器的发射线圈和附加电极之间的可能的相互作用。如果接收器安置在第一发射线圈的顶部上，在第二发射线圈的顶部上，或者部分地在第一发射线圈上和/或部分地在第二发射线圈上，由两个发射线圈形成的电容器的电容变化，该变化被探测电路系统探测到。因而，该探测揭示接收器安置在或靠近该第一发射线圈，和/或安置在或靠近该第二发射线圈。这个知识可以开始由发射器进行接收器确认的另一过程，或者可以由第一发射线圈和/或第二发射线圈开始功率传递到接收器。如果发射器具有多个发射线圈以及如果在每对相邻发射线圈的电容被监测以探测电容变化，则可以获得接收器位置相对于发射线圈位置的相当精确的估算。所探测的位置可以用于激活接收器确认的另一过程，或者利用靠近或最靠近所探测的接收器位置的发射线圈，开始功率传递到接收器。作为此实施例的示例，探测电路系统连接到第二线圈，并且电压应用到第一发射线圈，所述探测电路系统被用于监测由第一线圈和第二线圈形成的电容器之间的电容变化。
在另一实施例中，电容的第二电极定位在第一发射线圈的中心。实施例提出通过使用电容探测来局部化接收器。该方法将几乎不涉及任何功耗， 是快速的并且不干涉感应功率传递。在作为第一电极的初级线圈和定位在初级线圈中心的第二电极之间实现探测电容器。接收器的探测因此直接对应于功率发射器线圈的位置并且需要较不复杂的局部化算法。换言之，在第一发射线圈的中心提供电极允许更精确探测相对于第一发射线圈位置的接收器位置。特别地，发射器能够更精确地区分其中接收器恰好定位于第一发射线圈顶部上的情形和其中接收器部分地覆盖第一发射线圈的另一情形。如果接收器恰好定位于第一发射线圈顶部上，电容变化将大于接收器部分地定位于第一发射线圈顶部上的情形。另外，如果发射器包括多个发射线圈，每个发射线圈设有在发射线圈中心的电极， 每一个该发射线圈与其中心电极形成电容器。如果接收器安置在发射器的表面上，一个该电容器表现出其电容的最大变化。所述电容器为由发射线圈和最靠近接收器的其相应中心电极形成的电容器。因而，判定哪个发射器线圈最靠近接收器是比较简单的。第二电极可具有若干种形状，包括有可能具有狭缝以减小涡电流的圆形、椭圆形、 矩形金属板，线圈，在一侧彼此连接的一组细导体等等。第二电极可以恰好定位于第一发射线圈的中心，然而，为了在第一发射线圈和第二电极之间形成电容器，第二电极也可以偏离中心定位。仅仅要求将第二电极定位于第一发射线圈内。作为此实施例的示例，探测电路系统连接到电容器的任何一个该电极，并且电压应用到第一发射线圈，探测电路系统探测由第一发射线圈和在第一发射线圈中心的第二电极形成的电容器之间的电容变化。一种用于探测接收器装置的无线功率发射器，所述发射器包括作为电容器的第一电极的第一发射线圈以及定位在第一发射线圈中心的电容器的第二电极，该发射器还包括连接到电容器的任何一个该电极的探测电路系统，所述发射器包括
第一单元，其用于应用电压到第一发射线圈，
探测电路系统，其用于探测由第一和第二电极形成的电容器的电容变化。在一实施例中，第一发射线圈的绕组包括绕组的内部分和绕组的外部分。绕组的内部分为第一电极并且绕组的外部分为第二电极。例如在发射装置的待机模式中，如果内绕组和外绕组彼此断开，该布置变为电容布置，其中内部分和外部分用作电极。如果具有电容属性的装置安置在该布置顶部上，这些电极之间的容量增大。通过使用所描述的方法其中之一测量电容，可以探测到装置。如果装置被探测到，内绕组和外绕组可以被连接从而使该发射器线圈用作感应功率发射器。不必在发射器的表面中提供附加电极。使用内绕组和外绕组允许精确探测相对于第一发射线圈位置的接收器位置。在另一实施例中，所探测的电容变化表明接收器邻近发射器。该方法还包括步骤 激活发射器，使得发射器开始与接收器交流(communicate)或发射功率到接收器。
该实施例允许发射器进入低功率休眠状态，在探测到与无线功率接收器有关的事件时发射器从该休眠状态被唤醒。这种事件可以是探测到电容变化。换言之，当没有接收器被探测到时，发射器处于待机模式，这意味着没有发射线圈被激活从而发射功率或者与接收器交流。如果电容变化被探测到，最有可能的是接收器安置在发射器上。因而，发射器被唤醒，这意味着待机模式结束并且发射器进入工作模式。在工作模式中，发射器可以以感应方式提供功率到接收器，或者可以首先以附加交流过程启动以进一步确认接收器。在工作模式中，发射器的一个或多个发射线圈被用于以感应方式传递功率到接收器，或者以感应方式与接收器交流。 在一实施例中，所应用的电压为AC电压，或者DC电压，或者电压脉冲，或者阶梯函数。如果应用到电容器的一个电极的电压为AC电压，与电容器的电容成比例的电流流过该电容器。通过正确地调整AC电压的值和频率，电流可以比较小，使得少量功率耗散。 电流变化涉及接收器可能安置在发射器上。例如通过探测电流是否超过预定义值，和/或通过探测电流是否减小低于预定义值，探测电流变化是比较简单的并且可以功率高效地执行。如果所应用的电压为电压脉冲或阶梯函数，电容器在时域中的响应可以由探测电路系统分析。取决于电容器的电容，特定响应可以被探测到。如果接收器安置在发射器上， 响应不同于接收器不安置在无线功率装置上的情形。可以通过将电阻与电容器串联耦合并且应用电压脉冲或阶梯函数到该串联布置， 完成响应特性的测量。当电压从中性变化到预定义值时，电容两端的电压上升，并且取决于电压的预定义值和电容器的电容，比上升(specific raise)可以被测量。当装置被安置时电容增大，并且因此如果装置被安置，上升时间更长。当定义长度的电压脉冲应用到该串联布置时，在所应用的电压从预定义电压下降到中性电压时，电容器两端的电压逐渐减小。衰变时间为对电容器的电容的度量。在另一实施例中，发射器包括由各第一和第二电极对形成的多个电容。该方法还包括探测每一个所述多个电容器的电容变化的步骤，并且包括依据哪个所述多个电容器的电容变化被探测到而确定接收器的位置的步骤。通过提供多个电极，每个相邻对的电极形成电容器。通过探测每一个这些电极对之间的电容变化，发射器能够比较精确地探测接收器定位于发射器上哪个位置。具有最大电容变化的电容靠近接收器。根据本发明的第二方面，提出了一种用于探测接收器的发射器。发射器旨在以感应方式发射到接收器。发射器包括作为第一电极的第一发射线圈和第二电极。第一电极和第二电极形成电容器。发射器还包括第一单元，其用于应用电压到任何一个该电极；以及探测电路系统，其连接到电容的任何一个该电极以用于探测电容器的电容变化。在一实施例中，该发射器还包括第二发射线圈，其为第二电极。在另一实施例中，第二电极定位在第一发射线圈的中心。在另一实施例中，电容变化的探测表明接收器邻近发射器，以及发射器包括用于激活发射器的第二单元，使得发射器可以启动与接收器交流或者发射功率到接收器。发射器以及发射器实施例提供与根据本发明第一方面的方法和根据本发明第一方面的方法的相应实施例相同的益处。发射器具有类似的实施例，所述实施例具有与方法的相应实施例相似的效果。根据本发明的第三方面，提供了另一种利用发射器探测接收器的方法。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。该发射器包括作为电极的第一发射线圈。该方法包括下述步骤应用电压到电极，以及探测由第一电极和接地形成或者由第一电极和接收器形成的电容器的电容变化。第一电极与接地或者与接收器形成电容。如果接收器变得邻近第一电极，电容变化并且电荷朝向第一电极或离开第一电极流动。通过探测流向或流自第一电极的电流，获得了用于探测接收器的有效和高效的方案，该方案不是一种复杂设计并且因此节约成本。根据本发明的第四方面，还提供了一种用于探测接收器的发射器。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。该发射器包括作为第一电极的第一发射线圈；第一单元，其用于应用电压到电极；以及探测电路系统，其连接到电极以用于探测由电极和接地或者电极和接收器形成的电容器的电容变化。在此文件的上下文中，应注意措词电容器的使用 并不指集总(lumped)电容器。另夕卜，发射器、功率发射器和无线功率发射器在本发明的上下文中是可互换的术语。发射器的特性在于发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。接收器、接收器装置和功率接收器装置在本发明上下文中是可互换的术语。接收器的特性在于接收器旨在以感应方式接收功率。另外，用于应用电压到任何一个该电极或者任何一个该发射线圈的第一单元可以是电压源。本发明的这些和其它方面通过下述实施例而显见，并且参考下述实施例将得以阐述。本领域技术人员将理解，两个或更多个上述本发明的实施例、实施方式和/或方面可以按照任何被认为是有用的方式组合。本领域技术人员可以基于本说明书来实施与系统的所述调整和变化对应的该系统和/或方法的调整和变化。
在图中
图1描述根据本发明的电容探测的原理，
图2a描述根据本发明的电容探测的基本结构，
图2b描述用于电容探测的多个不同电路拓扑，
图3描述根据本发明的自由位置发射器的示意性框图表示系统，
图4描述图3中的系统的示意性表示电路，
图5描述根据本发明第一实施例的电路，
图6描述图5的等效电路，
图7描述被多个线圈覆盖的发射器表面，
图8描述根据实施例的电容探测系统，
图9描述根据实施例的电容探测系统，
图10描述根据另一实施例的具有局部化的电容探测系统，图11描述当应用DC电压 时探测电路系统的第一示例， 图12描述当应用DC电压时探测电路系统的第二示例， 图13描述当应用DC电压时探测电路系统的第三示例， 图14描述当应用AC电压时探测电路系统的第四示例， 图15描述在初级线圈的中心具有星形电极的示例， 图16描述具有由Ll代表的单个线圈和探测电容器的发射器， 图17描述探测单元测量电压而不是电流的实施例， 图18描述两个线圈之间的电容测量电路的概述(outline)， 图19描述线圈和中心的电极之间的电容测量电路的基本概述， 图20a描述具有实施的电容的机械概述， 图20b描述所描述的测量方法的等效电路， 图20c描述该测量方法的所描述的第二实施例的等效电路，
图21描述在宽的频率范围上介电常数谱的曲线图。介电常数的实部和虚部被示出，并且描述了各种过程离子和偶极弛豫，以及在更高能量的原子和电子谐振， 图22描述低待机功率架构， 图23示意性示出本发明的方法的流程图。应注意，在不同图中用相同附图标记表示的项具有相同结构特征和相同功能，或者为相同信号。在已经解释这一项的功能和/或结构的情况下，无需在详细描述中对其重复解释。各图纯粹是图解性的且未按比例绘制。特别是为了清楚，一些尺寸被强烈夸大。
具体实施例方式图1描述根据本发明的探测安置在发射器表面102上的装置106的方法的原理。 发射器表面下方的电极108、110、112、114用于探测安置在发射器表面102上待充电的装置 106。该方法是基于这样的事实安置在发射器表面102上的装置106将改变位于发射器顶表面102下的两个电极108、110、112、114之间的电容。将这种装置106安置在发射器表面102上改变存在于不同电极108、110、112、114之间电容的值。这起因于由电极108、110、 112、114形成的两个电容器极板之间空间的一部分的介电常数的感应变化，两个电极的介电距离的感应变化，或者其组合。电容变化在图1中由被覆盖和未被覆盖的表面之间的电场线104模式差异来表示。对于平行板电容器，两个电极之间的电容由下式给出 C=^(1)
α
其中ε为极板之间的介质的介电常数，A为极板的面积以及d为极板之间的距离。因此，电容线性地依赖于极板之间的介质的介电常数。对于同一平面内的两个极板，存在更复杂的关系。然而，仍存在对介电常数的依存性。对于在发射器表面102下的两个电极108、 110、112、114之间形成的电容器，当装置106安置在发射器顶表面102上时，介电常数将改变(增大)。可以通过若干方式探测到得到的电容变化。图2a描述根据一实施例的探测方法。采用电压源216应用电压到一个电极204(代表一个电容器极板)，该电压源可以是幅值大于或等于零的AC或DC电压。连接到另一电极206 (代表第二电容器极板)的探测电路系统212用于监测形成电容器202的两个电极 204,206之间的电容。电容变化表示装置214安置并且这个事件将借助探测信号208而发出信号。线210代表电容器202的电极204、206之间的电场线。当在电容器202两端应用DC电压时以及当装置214随后安置于发射器上时，电荷重新分布导致小的电流，该电流可以作为检测电阻两端的电压被探测到。存储在电容器极板上的电荷的变化由下式给出
权利要求
1.一种利用发射器(800)探测接收器(106，214，2311，2521)的方法(2600)，其中该发射器(800)旨在以感应方式发射功率到该接收器(106，214，2311，2521)，该发射器(800) 包括作为第一电极(204，704，810，904，1504)的第一发射线圈(218，704，810，1504)和第二电极(206，702，812，906，1506)，第一电极(204，704，810，904，1504)和第二电极(206，702， 812,906,1506)形成电容器(202，802)，该方法(2600)包括下述步骤应用(2602)电压到任何一个该电极(204，206，702，704,810,812,904,906,1504， 1506)，探测(2604)该电容器(202，802)的电容变化。
2.根据权利要求1的方法(2600)，其中该发射器(800)还包括第二发射线圈(702， 812)，其中该第二发射线圈(702，812)为该第二电极(206，702，812，906，1506)。
3.根据权利要求1的方法(2600)，其中该电容器(202，802)的第二电极(206，702， 812,906,1506)定位在该第一发射线圈(218，704，810，1504)的中心。
4.根据权利要求1的方法(2600)，其中该第一发射线圈(218，704，810，1504)的绕组包括绕组的内部分和绕组的外部分，其中该绕组的内部分为该第一电极(204，704，810， 904，1504)并且该绕组的外部分为该第二电极(206，702，812，906，1506)。
5.根据权利要求1至4中任意一项的方法(2600)，其中该发射器(800)包括由多个该第一电极和该第二电极对形成的多个电容器，该方法(2600)还包括下述步骤探测每一个所述多个电容器的电容变化，依据哪个所述多个电容器的电容变化被探测到，确定该接收器(106，214，2311，2521) 的位置。
6.根据权利要求1至4中任意一项的方法(2600)，其中所探测的电容变化表明该接收器(106，214，2311，2521)邻近该发射器(800)，以及其中该方法还包括下述步骤激活(2606)该发射器(800)，使得该发射器(800)开始与该接收器(106，214，2311， 2521)交流或者发射功率到该接收器(106，214，2311，2521 )。
7.根据权利要求5的方法(2600)，其中所探测的电容变化表明该接收器(106，214， 2311,2521)邻近该发射器(800)，以及其中该方法还包括下述步骤激活(2606)该发射器(800)，使得该发射器(800)开始与该接收器(106，214，2311， 2521)交流或者发射功率到该接收器(106，214，2311，2521)。
8.一种用于探测接收器(106，214，2311，2521)的发射器(800)，该发射器(800)旨在以感应方式发射功率到该接收器(106，214，2311，2521 )，该发射器(800)包括作为第一电极(204，704，810，904，1504)的第一发射线圈(218，704，810，1504)和第二电极(206，702，812，906，1506)，该第一电极(204，704，810，904，1504)和该第二电极(206， 702,812,906,1506)形成电容器(202，802)，第一单元(216)，其用于应用电压到任何一个该电极(204，206，702，704，810、812， 904,906,1504，1506)，探测电路系统(212)，其连接到该电容器(202，802)的任何一个该电极(204，206，702， 704，810、812，904、906，1504，1506)以用于探测该电容器(202，802)的电容变化。
9.根据权利要求8的发射器(800)，还包括第二发射线圈(702，812)，其中该第二发射线圈(702，812)为该第二电极(206，702，812，906，1506)。
10.根据权利要求8的发射器(800)，其中该第二电极(206，702，812，906，1506)定位在该第一发射线圈(218，704，810，1504)的中心。
11.根据权利要求8至10中任意一项的发射器(800)，其中所探测的电容变化表明该接收器(106，214，2311，2521)邻近该发射器(800)，并且该发射器(800)包括第二单元以用于激活该发射器，使得该发射器(800)开始与该接收器(106，214，2311，2521)交流或者发射功率到该接收器(106，214，2311，2521 )。
12.一种利用发射器(800)探测接收器的方法(2600)，其中该发射器(800)旨在以感应方式发射功率到该接收器(106，214，2311，2521)，该发射器(800)包括第一发射线圈 (218，704，810，1504)作为电极(220)，该方法包括下述步骤应用(2602)电压到该电极(220)，探测(2604 )由该电极(220 )和接地(222 )形成的或者由该电极(220 )和该接收器形成的电容器的电容变化。
13.一种用于探测接收器(106，214，2311，2521)的发射器(800)，该发射器(800)旨在以感应方式发射功率到该接收器(106，214，2311，2521 )，该发射器(800)包括第一发射线圈，其作为第一电极(220)，第一单元(216)，其用于应用电压到该电极(220)，探测电路系统(212)，其连接到该电极(220)以用于探测由该电极(220)和接地(222) 形成的或者由该电极(220)和该接收器形成的电容器的电容变化。
全文摘要
提供了利用发射器探测接收器(214)的方法和用于探测接收器的发射器。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器(214)。发射器包括作为第一电极(204)的第一发射线圈和第二电极(206)。第一电极(204)和第二电极(206)形成电容器(202)。该方法包括下述步骤应用电压(216)到任何一个该电极(204，206)并且探测电容器(202)的电容变化。
文档编号H02J7/02GK102449874SQ201080023051
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月14日 优先权日2009年5月25日
发明者范瓦格宁根 A., M. D. 博尔 B., 勒夫 C., 瓦芬施密特 E., 伊塞博特 L., a. 特雷弗斯 M. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司