感应链路线圈失谐补偿和控制的制作方法
相关申请的交叉引用
根据35u.s.c.§119(e)，本申请主张2015年2月4日提交的美国临时申请no.62/112,066的权益；并且本申请是2015年7月30日提交的美国专利申请14/814,447的部分继续申请，根据35u.s.c.§119(e)，该部分继续申请主张2014年7月30日提交的美国临时申请系列号no.62/031,077的权益；通过引用的方式将上述全部的专利申请作为整体并入到本文中。
背景技术：
在无线功率传输领域，已经使用感应耦合在不进行电接触的情况下向设备提供功率并与该设备通信。该技术已经用于例如植入医疗设备。使用这种技术的系统具有外部单元和植入到患者体内的医疗设备，其中，该外部单元是功率传输器，该医疗设备是功率接收单元。线圈驱动器向外部单元中的初级线圈施加ac信号，产生磁场。功率传输器接近患者身体放置，使得磁场在植入医疗设备中的次级线圈上感应产生电流。植入物中的功率管理单元可以使用在次级线圈上感应的电流对电池充电或直接操作植入医疗设备。为了提供线圈之间的通信，次级线圈上的功率信号由调制器负载调制。该调制由附接到初级线圈的解调器拾取。使用该方法，系统在单个感应链路上同时进行通信和功率发射。
在这些感应功率传输和通信系统中，线圈容易受到寄生电容和寄生电导的影响。特别地，线圈附近存在的组织能够引入寄生变化，这是当手持外部单元时或当将其放置在目标植入物附近时，植入医疗设备经常出现的情况。寄生变化也可以由跨越初级线圈所产生的磁场的导电表面引入。这些寄生变化可以改变线圈之间的感应链路，从而降低功率传输的效率或干扰数据通信。为了解决由寄生变化引起的感应链路操作的变化，现有技术的系统已经使用频移或主动重调谐。参见troyk，us5,179,511；stover，u.s.7,190,153。这些方案可以处理寄生变化的问题，但是以非常固定的频率阻止系统的操作。出于管理的原因，某些兼容技术(例如，根据iso/iec18092规定的近场通信)的使用需要在非常固定的频率下运行。
感应功率传输和通信系统中的线圈通常以大电流和/或电压工作。因此，应用于这些线圈的调制元件和解调元件需要能够处理大电流、大电压或两者。这通常增加了用于调制功率信号的部件的尺寸并增加了部件上的应力水平，并且要求解调器容忍大输入信号。这可能会增加设备的重量和成本，并减少寿命的设备。
因此，正需要一种感应功率传输和通信系统，其能够抵抗外部引入的寄生变化或不受其影响，并且在对调制和解调部件要求较低的情况下即可完成调制和解调。
附图说明
图1a示出了根据本发明的线圈和屏蔽罩的示例性实施例。
图1b-f示出了图1a的线圈和屏蔽罩的示例性实施例的侧视图。
图1g示出了线圈和屏蔽罩的示例性实施例。
图2是无线功率传输和通信系统的示例性实施例的框图。
图3是具有上行链路通信的无线功率传输系统的示例性实施例的图。
图4示出了线圈和屏蔽罩的示例性实施例。
图5示出了线圈和屏蔽罩的示例性实施例。
图6是无线功率传输和通信系统的示例性实施例的框图。
图7是无线功率传输和通信系统的示例性实施例的框图。
图8是无线功率传输和通信系统的实施例的电路图。
图9是使用无线功率传输和通信系统的系统的示例性实施例的框图。
图10是无线功率传输和通信系统的实施例的电路图。
图11是解调器的示例性实施例的框图。
图12是示出了在两个线圈之间通信的方法的示例性实施例的流程图。
图13是示出了在两个线圈之间通信的方法的示例性实施例的流程图。
图14是示出了在两个线圈之间通信的方法的示例性实施例的流程图。
图15是示出了在两个线圈之间通信的方法的示例性实施例的流程图。
图16是具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的框图。
图17是具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的框图。
图18是使用模拟控制环路的具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的框图。
图19a-c是线圈上的电流的振幅的示例性曲线图。
图20是示出调谐感应耦合系统的方法的实施例的流程图。
图21是使用数字控制环路的具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的框图。
图22a-b是线圈上的电流的振幅的示例性曲线图。
图23是示出调谐感应耦合系统的方法的实施例的流程图。
图24是具有调谐能力的无线功率传输和通信系统的实施例的框图。
图25是示例性的时序图。
技术实现要素：
一种感应无线功率传输和通信系统，其包括用于线圈之一的静电屏蔽罩。静电屏蔽罩与线圈感应耦合并被构造成开路。一个或多个信号处理元件，特别是调制器或解调器，跨接静电屏蔽罩中的导电不连续性部分。因为静电屏蔽罩感应耦合到线圈，所以调制器或解调器可以对线圈上的信号进行操作。
具体实施方式
在该详细说明中、下面的权利要求中以及附图中，介绍了本发明的实施例的特定特征(包括方法步骤)。应当理解，本说明书中的本发明的公开内容包括这些特定特征的所有可能的组合。例如，在本发明的实施例或特定方面或特定权利要求的上下文中公开了特定特征的情况下，该特征也可以尽可能扩展地与本发明的其他特定实施例组合使用和/或用于本发明的其他实施例的上下文中，以及通常用于本发明中。
图1a示出了根据本发明的线圈和屏蔽罩的示例性实施例。初级线圈101被线圈保护装置102包围。初级线圈101和线圈保护装置102并不电接触。绝缘体可以放置在初级线圈101和线圈保护装置102之间，并且线圈保护装置102和/或初级线圈101可以是电绝缘的。线圈保护装置102是初级线圈101的静电屏蔽罩，其保护初级线圈101免受外部寄生效应的影响。由于静电屏蔽罩102被构造为与初级线圈101轴向对准的紧密接合的导电护套，所以当初级线圈101产生磁场时，静电屏蔽罩102与初级线圈101感应耦合。初级线圈101和静电屏蔽罩102以与变压器类似的方式活动的工作，其中静电屏蔽罩102是单匝次级线圈。如果静电屏蔽罩102完全环绕线圈101，则其将用作短路线匝，短路线匝使能量耗散并改变初级线圈101和目标线圈之间的感应链路的操作。为了避免这种情况，静电屏蔽罩102具有沿着所述静电屏蔽罩102的轴向长度延伸的间隙103，所述间隙103防止电流循环。静电屏蔽罩102被构造为开路，其中间隙103是导电不连续部分。间隙103不需要是处于静电屏蔽罩102的保护之下的间隙，它仅需要是防止感应电流在静电屏蔽罩102中循环的导电不连续部分。尽管静电屏蔽罩102屏蔽了初级线圈101不受寄生变化的影响，但是静电屏蔽罩102和初级线圈101之间的耦合导致静电屏蔽罩102的阻抗的变化表现为初级线圈101的阻抗的活动变化。
为了在初级线圈101的两端连接电气部件，在线圈的相对对端进行连接。为了在静电屏蔽罩102的两端连接电气部件，在间隙103的两个相对的侧边111和112进行连接。通过连接到基本上与间隙103相对的点113，静电屏蔽罩也可以是中心抽头的。可以在平衡或不平衡配置中对静电屏蔽罩进行配置。对于平衡配置来说，静电屏蔽罩可以在中心抽头点113处接地。在沿着静电屏蔽罩102的轴向长度的不同点处连接可以使静电屏蔽罩102产生易于测试和解释的不同的电特性。在优选实施例中，与间隙103的两个相对的侧边111和112以及中心抽头113的连接全部沿着静电屏蔽罩102的一个开口端进行，以便连接到相关联的电子系统。
图1b-f示出了图1a的线圈和屏蔽罩的侧视图。图1b示出了初级线圈101、静电屏蔽罩102、间隙103、间隙的相对的侧边111和112以及中心抽头113的位置。它还示出了在初级线圈101内产生的磁场120。这些元件存在于图1c-1f中，尽管在这些附图中可能没有对它们进行标记。
必须注意将静电屏蔽罩102连接到相关联的电子系统的导线。各个附图1c、1d、1e和1f中的第一导线131c、131d、131e和131f将点111连接到点114处的相关联的电子系统，并在各个附图1c、1d、1e和1f中的第二导线132c、132d、132e和132f将点112连接到点115处的相关联的电子系统。为了与初级线圈101感应耦合，静电屏蔽罩102和各个附图1c、1d、1e和1f中的每对导线131c-132c、131d-132d、131e-132e和131f-132f必须形成包围在初级线圈101内产生的磁场120的至少一部分的环路。在实施例中，耦接到静电屏蔽罩102的相关联的电子系统基本上与间隙103相对布置。如果如图1c所示，导线131c和132c远离间隙103并围绕静电屏蔽罩102的直径布线，则初级线圈101内的任何磁场120都不会被包围，所以静电屏蔽罩102和初级线圈101不会感应耦合。
在图1d中，将导线131d和132d布线为跨过间隙103并围绕静电屏蔽罩102的直径，以在点114和115处连接到相关联的电子系统。导线131d、导线132d和静电屏蔽罩102在点114和115之间形成包围磁场120的连续环路。因此，静电屏蔽罩102和初级线圈101感应耦合。由于导线131d、导线132d和静电屏蔽罩102实际上围绕磁场120两次，所以与如果仅围绕磁场120一次相比，点114和115之间的信号将会加倍，
在图1e中，将导线131e和132e布线为跨过间隙103并围绕静电屏蔽罩102的直径，以抵达点114和115处的相关联的电子系统。静电屏蔽罩102在中心抽头113处接地。点113和111之间的静电屏蔽罩102的部分和导线131e基本上包围磁场120。类似地，点113和112之间的静电屏蔽罩102的部分和导线132e基本上包围磁场120。因此，静电屏蔽罩102和初级线圈101感应耦合。
图1f示出了将导线131f和132f分别直接布线到点114和115而不绕过静电屏蔽罩102的圆周的实施例。点113和111之间的静电屏蔽罩102的部分和导线131f包围一部分磁场120，而不是整个磁场。点113和112之间的静电屏蔽罩102的部分和导线123f包围一部分磁场120，而不是整个磁场。因为包围至少一部分磁场120，所以初级线圈101和静电屏蔽罩102将仍然感应耦合。这可以适用于一些实施例。
图1g示出了根据本发明的屏蔽罩的替代实施例。在图1g中，保护初级线圈101的静电屏蔽罩102g绕初级线圈缠绕两次，但不与其自身电接触，因此点111g和点112g之间仍然存在间隙103。静电屏蔽罩102g在中心抽头113g处接地。点113g和111g之间的静电屏蔽罩102g的部分基本上包围磁场120。点113g和112g之间的静电屏蔽罩102g的部分基本上包围磁场120。因此，静电屏蔽罩102g和初级线圈101感应耦合。
图2显示了一个框图，该框图示出根据本发明的无线功率和通信系统的示例性实施例的元件如何相互作用。该实施例向一个或多个目标设备210提供功率并从一个或多个目标设备210接收上行链路数据。该系统包括功率传输单元200和一个或多个目标设备210。功率传输单元200包括初级线圈201和静电屏蔽罩203。初级线圈201连接到线圈驱动器202。初级线圈201通过感应链路220感应耦合到静电屏蔽罩203。解调器204连接到静电屏蔽罩203并具有数据输出端205。每个目标装置210都包括线圈211。功率传输单元200的初级线圈201通过感应链路221感应耦合到目标设备线圈211。优选地，在功率传输单元200的初级线圈201和目标设备线圈211之间的链路221是谐振感应链路。目标设备线圈211附接到具有数据输入端213的负载调制器212，其中这些数据输入端213可被配置为接收数字数据。
图3是图2的示例性无线功率和通信系统的框图。其示出了功率传输单元300和一个目标设备310。将静电屏蔽罩和连接线表示为电感器303。上行链路解调器304跨接静电屏蔽罩303的间隙。静电屏蔽罩303、初级线圈302和目标设备线圈311感应耦合。
线圈驱动器301耦接到初级线圈302。线圈驱动器301向初级线圈302施加ac驱动信号。这导致在初级线圈302上产生载波信号。因为初级线圈302感应耦合到目标设备线圈311和静电屏蔽罩303，所以载波信号是所有三个电感器和它们之间的负载的特性的函数，并且载波信号存在于所有三个电感器上。
整流器和调节器313耦接到目标设备310，并且对在目标设备线圈311上接收的载波信号进行校正和调节以将其用作电能。上行链路调制器312耦接到目标设备线圈311，并在数据输入端314接收上行链路数据。为了通信，上行链路调制器312改变载波信号。例如，上行链路调制器312可以对载波信号进行振幅调制。优选地，上行链路调制器312改变存在于目标设备线圈311上的负载，从而导致载波信号的改变。因为载波信号存在于所有三个电感器302，303和311上，所以上行链路调制器312对目标设备线圈311上的载波信号的调制的改变出现在跨接静电屏蔽罩303的间隙的上行链路解调器304处。因此，上行链路解调器304可以解调载波信号，以在数据输出端305处恢复并输出上行链路数据。当使用多个目标设备310时，每个目标设备310中的整流器和调节器313可以对电力的载波信号进行连续的整流和调节，并且该系统可以使用时分复用来分别在上行链路调制器312和上行链路解调器304之间进行通信。
图4和5示出了根据本发明的线圈和屏蔽罩的替代实施例。在图4中，静电屏蔽罩402邻近线圈401的内表面，围绕线圈401的内表面周向延伸，并两端开口。在该构造中，静电屏蔽罩402保护线圈401免受线圈401内的物体所导致的寄生变化的影响。在图5中，线圈501具有与线圈501的内表面相适应的静电屏蔽罩部分502和与线圈的外表面相适应的静电屏蔽罩部分503，以防止从任一方向产生的寄生变化。外屏蔽罩503邻近线圈501的外表面并且周向地包围线圈501。内屏蔽罩502与线圈501的内表面相邻并且围绕线圈501的内表面周向地延伸。在实施例中，两个屏蔽罩502和503电耦合在一起，以使得它们用作单个感应元件。这可以通过如图5所示的将间隙的每一侧边连接到另一间隙的相应侧边来实现。两个静电屏蔽罩502和503的其他部分可以连接到一起，例如连接中心抽头端子。
根据本发明的线圈和屏蔽罩可以都是如图所示的圆柱形。它们也可以从一端到另一端逐渐变细，这可以产生截头圆锥形结构，或者可以形成其他不规则形状。在优选实施例中，线圈和屏蔽罩符合截肢的残余部分的形状。
图6是根据本发明的无线功率传输和通信系统的替代实施例的电路图。图6包括功率传输设备600和目标设备610。功率传输设备600包括保护初级线圈602的静电屏蔽罩603。该实施例使用了功率传输器信号处理器604和目标信号处理器612。目标信号处理器612附接到目标设备线圈611，并且功率传输器信号处理器604跨接静电屏蔽罩603的间隙。整流器和调节器613附接到目标设备线圈611以捕获功率。初级线圈602、目标设备线圈611和静电屏蔽罩603感应耦合。
线圈驱动器601耦接到初级线圈602，并且向初级线圈602施加ac驱动信号。这导致在初级线圈602上产生载波信号。因为初级线圈602感应耦合到目标设备线圈611和静电屏蔽罩603，所以载波信号是所有三个电感器和它们之间的负载的特性的函数，并且载波信号存在于所有三个电感器上。
如对于图3中的上行链路调制器312和解调器304所讨论的，功率传输器信号处理器604和目标信号处理器612可以通过调制和解调载波信号进行通信。为了提供上行链路通信，上行链路数据将被施加到目标信号处理器612的数据输入/输出端614。目标信号处理器612将利用上行链路数据对载波信号进行调制，优选地通过修改在目标设备线圈611上存在的阻抗，从而改变所有三个电感器上的载波信号。功率传输器信号处理器604将对静电屏蔽罩603上的载波信号进行解调，在其数据输入/输出端605输出上行链路数据。例如，调制可以是振幅调制。
为了提供下行链路通信，功率传输器信号处理器604将对载波信号进行调制，优选地通过改变静电屏蔽罩603的间隙上存在的阻抗。调制的载波信号然后可以由目标信号处理器612解调，并且目标信号处理器612将在其数据输入/输出端614输出下行链路数据。例如，调制可以是振幅调制。
还可以预期，通过使用本领域已知的复用技术可以在本实施例中实现半双工双向通信。功率传输设备600包括系统控制器606，并且目标设备610包括系统控制器615。系统控制器606和615可以被配置为控制它们各自的信号处理器604和612。在要执行上行链路通信的周期期间，系统控制器606可以控制信号处理器604作为解调器操作，并且系统控制器615可以控制信号处理器612作为调制器来操作。在要执行下行链路通信的周期期间，系统控制器606可以控制信号处理器604作为调制器操作，并且系统控制器615可以控制信号处理器612作为解调器操作。
图7是根据本发明的无线功率传输和通信系统的替代实施例的电路图。图7包括功率传输设备700和目标设备710。在该实施例中，静电屏蔽罩711正屏蔽目标设备线圈。具有数据输入/输出端715的目标信号处理器714跨接静电屏蔽罩711的间隙。整流器和调节器713附接到目标设备线圈712以捕获功率。目标设备710包括系统控制器716。初级线圈702、目标设备线圈712和静电屏蔽罩711感应耦合。
功率传输设备700包括系统控制器705。线圈驱动器701和具有数据输入/输出端704的功率传输器信号处理器703耦接到初级线圈702。线圈驱动器701将ac驱动信号施加到初级线圈。这导致在初级线圈702上产生载波信号。因为初级线圈702感应耦合到目标设备线圈712和静电屏蔽罩711，所以载波信号是所有三个电感器和和它们之间的负载的特性的函数，并且载波信号存在于所有三个电感器上。因此，功率传输器信号处理器703和目标信号处理器714可以如讨论的图6的系统那样执行上行链路、下行链路或半双工双向通信，但是其中静电屏蔽罩711保护目标线圈712而不是初级线圈702。还可以预期，可以将静电屏蔽罩应用到初级线圈和目标设备线圈，并将单独的信号处理器应用到在静电屏蔽的间隙。
图8是根据本发明的经皮的功率传输和通信系统的示例性实施例的电路图。该实施例包括外部单元800和一个或多个植入医疗设备810。植入医疗设备810优选地植入到患者的肢体中。外部单元800包括初级线圈801和屏蔽初级线圈801的静电屏蔽罩802。
外部单元800的尺寸优选地适于将初级线圈801和静电屏蔽罩802围绕患者的肢体装配。如图9所示，肢体可以是截肢的残留部分901，并且外部单元800可以是仿生假体903的控制器902。该系统可以是
如图4所示，静电屏蔽罩802可以在线圈801内，以保护线圈801免受肢体引入的寄生变化。如图1所示，静电屏蔽罩802可以在线圈801的外部，以保护线圈801免受通过手持外部单元而引入的寄生变化。优选地，如图5所示，在内部和外部都对线圈进行屏蔽，以解决两种情况的问题。线圈801和静电屏蔽罩802可以是圆柱形，或者可以成形为大体上符合肢体的形状。
静电屏蔽罩802通过将与间隙相对的端子接地而中心抽头。整流器805跨接静电屏蔽802的间隙，其中上行链路解调器806耦接到整流器805的输出端。电容器804附接到初级线圈801以形成功率传输器lc谐振电路。备选地，初级线圈801可以不具有电容器，但是可以在初级线圈801的自谐振频率或其附近驱动。线圈驱动器803向初级线圈801施加ac驱动信号，从而在初级线圈801上产生载波信号。在优选实施例中，工作频率为根据iso/iec18092的nfc设备标准的13.56mhz±7khz频带。初级线圈801上的载波信号产生将为肢体内的植入物810供电并与其通信的磁场。
一个或多个植入医疗设备810各自都具有目标设备线圈811。电容器812与目标设备线圈811并联以形成接收器lc谐振电路。功率传输器lc电路和接收器lc谐振电路感应耦合并调谐以形成谐振感应链路。整流器813附接到接收器lc谐振电路的两端。整流器813的输出端将整流后的载波信号传送到调节器814以为植入物810的电池供电或充电。上行链路调制器815在数据输入端817接收上行链路数据信号(例如，指示检测到肌肉收缩的信号)，并通过将负载调制电阻器816耦接到接收器线圈811，利用上行链路数据来对载波信号进行负载调制。调制的载波信号由静电屏蔽罩802上的上行链路解调器806解调，并且上行链路解调器806在数据输出端807输出上行链路数据信号。该数据输出端可以耦接到假体控制器902。
图10是根据本发明的经皮的功率传输和通信系统的示例性实施例的电路图。该实施例包括外部单元1000和一个或多个目标设备1020。外部单元1000包括初级线圈1001和保护初级线圈1001的静电屏蔽罩1002。
静电屏蔽罩1002具有如图5所示的保护初级线圈1001的内部的部分和保护初级线圈1001的外部的部分，这两个部分在间隙的每一侧边和中心抽头处耦接到一起。可以将该布置建模为单个等效电感器1002a，或者两个并联电感器1002a和1002b。中心抽头端子接地。整流器1005跨接在静电屏蔽罩1002的间隙。上行链路解调器1006耦接到整流器1005的输出端。具有负载调制电阻器1009的下行链路调制器1008也耦接到整流器1005的输出端。
电容器1004附接到初级线圈1001以形成功率传输器lc谐振电路。备选地，初级线圈可以不具有电容器，但是可以在初级线圈1001的自谐振频率或其附近驱动。线圈驱动器1003向初级线圈1001施加ac驱动信号，从而在初级线圈上产生载波信号。初级线圈1001上的载波信号产生将为目标设备1020供电并与目标设备1020通信的磁场。
一个或多个目标设备1020各自都具有目标设备线圈1021。电容器1022与目标设备线圈1021并联以形成接收器lc谐振电路。功率传输器lc电路和接收器lc谐振电路感应耦合调谐以形成谐振感应链路。整流器1023附接到接收器lc谐振电路的两端。整流器1023的输出端将整流后的载波信号传送到调节器1024以为目标设备1020的电池供电或充电。下行链路解调器1025耦接到整流器1023的输出端。具有负载调制电阻器1028的上行链路调制器1027也耦接到整流器1023的输出端。
在上行链路周期期间，上行链路调制器1027在上行链路数据输入端1029接收上行链路数据信号，并通过将负载调制电阻器1028耦接到目标设备线圈1021，利用上行链路数据来对载波信号进行负载调制。在优选实施例中，传感器1031耦接到上行链路数据输入端1029，并且上行链路数据调制器1027利用从传感器1031接收到的传感器数据对载波信号进行调制。传感器1031可以被配置为检测肌肉收缩，例如通过监测肌电图信号来检测。备选地，传感器1031可以是电、机械、化学或光学传感器。
调制的载波信号由静电屏蔽罩1002上的上行链路解调器1006解调，并且上行链路解调器1006在上行链路数据输出端1007输出上行链路数据信号。
在下行链路周期期间，下行链路调制器1008在下行链路数据输入端1010接收下行链路数据信号，并且通过将负载调制电阻器1009耦接到整流器1005的输出端，利用下行链路数据对载波信号进行负载调制，其中整流器1005跨接静电屏蔽罩1002的间隙。调制的载波信号由目标设备线圈1021上的下行链路解调器1025解调，并且下行链路解调器在下行链路数据输出端1026输出下行链路数据信号。
功率传输设备1000包括系统控制器1011，并且目标设备1020包括系统控制器1030。系统控制器1011可以被配置为控制下行链路调制器1008和上行链路解调器1006。系统控制器1030可以被配置为控制上行链路调制器1027和下行链路解调器2015。在要执行上行链路通信的周期期间，系统控制器1011可以将上行链路解调器1006控制为活动，将下行链路调制器1008控制为不活动，并且系统控制器1030可以将上行链路调制器1027控制为活动并将下行链路解调器1025控制为不活动。如果使用了多个目标设备1020，则系统控制器1030可以在其指定的传输窗口期间控制上行链路调制器1027为活动。在要执行下行链路通信的周期期间，系统控制器1011可以将下行链路调制器1008控制为活动，并将上行链路解调器1006控制为不活动，并且系统控制器1030可以将下行链路解调器1025控制为活动，并将上行链路调制器1027控制为不活动。
图11是与上面讨论的示例性无线功率传输和通信系统一起使用的示例性解调器的框图。解调器在其输入端1101接收调制信号。调制的信号被施加到包络检波器1102，优选地具有全波整流器。然后，包络信号通过低通滤波器1103。低通滤波器1103的输出端耦接到均衡器1104。在一些应用中，可能希望使用高q线圈作为初级线圈，例如以降低功耗。该高q线圈可能在调制到线圈上的载体上的信号中引入符号间干扰。均衡器1104被配置为消除该干扰。均衡器1104的输出端耦接到比较器电路1105。比较器电路1105可以是零交叉检测器或数据分割器。比较器电路将解调的数据信号输出到解调器输出端1106。
图12是示出根据本发明的两个线圈之间的通信方法的示例性实施例的流程图。在块1201，在初级线圈上产生载波信号。这可以通过将来自信号驱动器电路的ac驱动信号施加到初级线圈来实现。驱动信号将在初级线圈上产生载波信号，该载波信号取决于初级线圈和感应耦合到初级线圈的任何线圈的特性和线圈上的负载，并且将存在于感应耦合到初级线圈的任何线圈上。
在块1202，在耦接到目标线圈的信号处理器接收数据。目标线圈感应耦合到初级线圈。
在块1203，将在块1202接收的数据调制到载波信号上。如上所述，在初级线圈上产生的载波信号是感应耦合到初级线圈(例如，目标线圈)的线圈的特性和线圈上的负载的函数。因此，耦接到目标线圈的信号处理器可以通过改变目标线圈产生的负载来调制载波信号。
在块1204，在耦接到保护初级线圈的静电屏蔽罩的信号处理器对载波信号进行解调。静电屏蔽罩感应耦合到初级线圈。如上所述，现在利用在块1202接收的数据进行调制的、在初级线圈上产生的载波信号将存在于静电屏蔽罩上，以允许耦接到静电屏蔽罩的信号处理器解调载波信号。
在块1205，从对静电屏蔽罩上的信号进行解调的信号处理器输出在块1204恢复的数据。
图13是示出根据本发明的两个线圈之间的通信方法的示例性实施例的流程图。在块1301，在初级线圈上产生载波信号。这可以通过将来自信号驱动器电路的ac驱动信号施加到初级线圈来实现。驱动信号将在初级线圈上产生载波信号，该载波信号将取决于初级线圈和感应耦合到初级线圈的任何线圈的特性和线圈上的负载，并且将存在于感应耦合到初级线圈的任何线圈上。
在块1302，在耦接到保护初级线圈的静电屏蔽罩的信号处理器接收数据。静电屏蔽罩感应耦合到初级线圈。
在块1303，将在块1302接收的数据调制到载波信号上。如上所述，在初级线圈上产生的载波信号是感应耦合到初级线圈(例如，静电屏蔽罩)的线圈的特性和线圈上的负载的函数。因此，耦接到静电屏蔽罩的信号处理器可以通过改变静电屏蔽罩产生的负载来调制载波信号。
在块1304，在耦接到目标设备线圈的信号处理器对载波信号进行解调。目标设备线圈感应耦合到初级线圈。如上所述，现在利用在块1302接收的数据进行调制的、在初级线圈上产生的载波信号将存在于目标线圈上，以允许耦接到目标线圈的信号处理器解调载波信号。
在块1305，从对静电屏蔽罩上的信号进行解调的信号处理器输出在块1304恢复的数据。
图14是示出根据本发明的两个线圈之间的通信方法的示例性实施例的流程图。在块1401，在初级线圈上产生载波信号。这可以通过将来自信号驱动器电路的ac驱动信号施加到初级线圈来实现。驱动信号将在初级线圈上产生载波信号，该载波信号将取决于初级线圈和感应耦合到初级线圈的任何线圈的特性和线圈上的负载，并且将存在于感应耦合到初级线圈的任何线圈上。
在块1402，在耦接到保护目标线圈的静电屏蔽罩的信号处理器接收数据。静电屏蔽罩感应耦合到目标线圈，并且目标线圈和静电屏蔽罩两者感应耦合到初级线圈。
在块1403，将在块1402接收的数据调制到载波信号上。如上所述，在初级线圈上产生的载波信号是感应耦合到初级线圈(例如，静电屏蔽罩)的线圈的特性和线圈上的负载的函数。因此，耦接到静电屏蔽罩的信号处理器可以通过改变静电屏蔽罩产生的负载来调制载波信号。
在块1404，在耦接到初级线圈的信号处理器对载波信号进行解调。现在利用在块1402接收的数据调制载波信号，以允许耦接到初级线圈的信号处理器解调载波信号。
在块1405，从耦接到初级线圈的信号处理器输出在块1404恢复的数据。
图15是示出根据本发明的两个线圈之间的通信方法的示例性实施例的流程图。在块1501，在初级线圈上产生载波信号。这可以通过将来自信号驱动器电路的ac驱动信号施加到初级线圈来实现。驱动信号将在初级线圈上产生载波信号，该载波信号将取决于初级线圈和感应耦合到初级线圈的任何线圈的特性和线圈上的负载，并且将存在于感应耦合到初级线圈的任何线圈上。
在块1502，在耦接到初级线圈的信号处理器接收数据。
在块1503，将在块1502传送的数据调制到载波信号上。
在块1504，在耦接到保护目标设备线圈的静电屏蔽罩的信号处理器对载波信号进行解调。静电屏蔽罩感应耦合到目标设备线圈，并且目标线圈和静电屏蔽罩都感应耦合到初级线圈。如上所述，现在利用在块1502接收的数据进行调制的、在初级线圈上产生的载波信号将存在于静电屏蔽罩上，以允许耦接到静电屏蔽罩的信号处理器解调载波信号。
在块1505，从耦接到静电屏蔽罩的信号处理器输出在块1504恢复的数据。
图16是具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的框图。其包括初级侧1600和次级侧1610。初级侧1600包括具有静电屏蔽罩的初级线圈1602，其中将静电屏蔽表示为电感器1603。在一些实施例中，如图1a、图4或图5所示那样实现初级线圈1602和静电屏蔽罩1603。次级侧1610包括次级线圈1611。静电屏蔽罩1603、初级线圈1602和次级线圈1611感应耦合。
线圈驱动器1601耦接到初级线圈1602。线圈驱动器1601将ac驱动信号施加到初级线圈1602。可变阻抗元件1604跨接静电屏蔽罩1603的间隙。因为初级线圈1602感应耦合到静电屏蔽罩1603和次级线圈1611，所以呈现给ac驱动信号的阻抗是初级线圈1602、静电屏蔽罩1603、次级线圈1611和跨接这三个元件的元件的阻抗的函数。因此，可以通过调整可变阻抗元件1604的阻抗来改变系统呈现给ac驱动信号的阻抗。
在一些实施例中，初级线圈1602和次级线圈1611之间以及静电屏蔽罩1603与次级线圈1611之间的耦合较弱。在这样的实施例中，呈现给ac驱动信号的阻抗主要由初级线圈1602、静电屏蔽罩1603以及跨接这两个元件的元件确定。
图17是具有调谐能力的感应功率传输系统的实施例的框图。它包括初级侧1700和次级侧1710。初级侧1700包括具有静电屏蔽罩的初级线圈，其中将静电屏蔽罩表示为电感器1703。在一些实施例中，如图1a、图4或图5所示那样实现初级线圈1702和静电屏蔽罩1703。次级侧1710包括次级线圈1711。静电屏蔽1703、初级线圈1702和次级线圈1711感应耦合。
线圈驱动器1701耦接到初级线圈1702。线圈驱动器1701以工作频率向初级线圈1702施加ac驱动信号，从而在初级线圈1702、次级线圈1711和静电屏蔽罩1703上产生信号。线圈驱动器1701包括电流传感器1705。电流传感器1705耦接到控制器1706。控制器1706耦接到可变阻抗元件1704。可变阻抗元件1704跨接静电屏蔽罩1703的间隙。电流传感器1705、控制器1706和可变阻抗1704形成反馈环路。
在一些实施例中，该反馈环路用于设置可变阻抗元件1704的阻抗，以使得在工作频率处的系统的阻抗最小。当系统处于最小阻抗时，初级线圈1702上的电流振幅最大。因此，电流传感器1705获取对应于初级线圈1702上的电流的信息并将该信息传送到控制器1706。控制器将可变阻抗元件1704的阻抗设置为使初级线圈1702上的电流的振幅最大的值。各种需要考虑的因素或外部因素可能导致系统的阻抗发生变化。该系统可以自动补偿这些阻抗变化。
注意，系统的谐振频率接近但不完全在系统阻抗最小的点处。谐振频率发生在反应元件的电抗抵消的点。这不考虑实际电路中存在的阻抗的电阻部分。该电阻部分可以很小，但仍然存在。当系统的阻抗在工作频率下被最小化时，谐振频率将基本上等于但不完全等于工作频率。因此，在一些实施例中，反馈环路用于设置可变阻抗元件1704的阻抗，以使系统的谐振频率基本上等于工作频率。
图18是具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的电路图，其利用模拟控制环路将初级线圈1802上的电流的振幅控制到最大值。它包括初级线圈1802和次级线圈1821。初级线圈1802具有静电屏蔽罩，并且初级线圈1802、静电屏蔽罩和次级线圈1821感应耦合。将静电屏蔽罩表示为电感器1803。变容二极管1804和1805以背对背的定向跨接静电屏蔽罩1803的间隙，形成可变阻抗元件。将控制电压vc施加到变容二极管1804和1805的阴极以设置它们的电容。
振荡器1812产生抖动信号vd。抖动信号vd是相对于vc具有小振幅的正弦信号。加法器1811将抖动信号vd加到控制电压vc上，从而引起用于控制变容二极管1804和1805的电容的电压的小的变化。
初级线圈1802上的电流的振幅取决于系统的阻抗，包括变容二极管1804和1805的电容。电流传感器1806输出变化信号vv。变化信号vv对应于由控制电压vc上的抖动信号vd引起的初级线圈1802上的电流的振幅的变化。在实施例中，变化信号vv以零伏为中心。
在一些实施例中，线圈驱动器1801和初级线圈1802用作d类开关放大器。电流传感器1806包括与d类放大器电源串联的电阻器和输出该电阻器两端的电压的放大器。对放大器的输出进行高通滤波，或通过串联电容器简单地应用放大器的输出，以阻止产生变化信号vv的信号的dc部分。
图19a-c示出了变化信号vv和抖动信号vd之间的关系。所有三个曲线图示出了初级线圈1802上的电流振幅相对于施加到变容二极管1804和1805的电压的曲线图。
在图19a中，控制电压vc低于使初级线圈1802上的电流振幅最大的电压。施加到变容二极管的电压由于抖动信号vd而变化。当vd将电压降低到vc以下时，vv减小。当vd将电压增加到vc以上时，vv增加。因此，vv与vd同相并且频率相同。
在图19b中，控制电压vc高于使初级线圈1802上的电流振幅最大的电压。当vd使电压降低到vc以下时，vv增加。当vd将电压增加到vc以上时，vv减小。因此，vv与vd异相并具有相同的频率。
在图19c中，控制电压vc在使初级线圈1802上的电流振幅最大的点处。当vd将电压降低到vc以下时，vv减小。当vd将电压增加到vc以上时，vv也会降低。因此，vv的频率是vd的频率的两倍。
返回到图18，模拟乘法器1808(例如，吉尔伯特(gilbert)单元)将抖动信号vd与变化信号vv相乘。低通滤波器1809对来自乘法器1808的信号输出进行平滑处理，并且积分器1810对平滑信号进行积分以输出控制电压vc。当vd和vv同相时，vd的正部分与vv的正部分相乘并且vd的负部分和vv的负部分相乘；因此，得到的信号都是正的。当正信号被平滑和积分时，控制电压vc增加。当两个信号异相时，vd的正部分与vv的负部分相乘，vd的负部分与vv的正部分相乘；因此，得到的信号都是负的。当负信号被平滑和积分时，控制电压vc减小。当vv的频率是vd的频率的两倍时，平滑的信号大约为零，因此对平滑的信号进行积分会将vc的值保持在相同的水平。
图20是根据一些实施例的调谐感应耦合系统的方法的流程图。在对调谐感应耦合系统的方法的实施例的整个描述中，使用图18中出现的附图标记。附图标记是说明性的，并不意图限制使用该系统的方法。
感应耦合系统包括初级线圈1802和用于初级线圈的静电屏蔽罩1803。静电屏蔽罩1803感应耦合到初级线圈1802，并且具有沿着所述静电屏蔽罩的轴向长度延伸的间隙。
首先，提供(2001)跨接静电屏蔽罩1803的间隙的可变阻抗元件。在一些实施例中，可变阻抗元件是以背对背配置布置的多个变容二极管1804和1805。
提供(2002)控制电压vc。将抖动信号vd施加(2003)到控制电压vc。在一些实施例中，抖动信号vd是相对于控制电压vc的振幅较小的正弦信号。施加(2004)受抖动信号vd抖动的控制电压vc以控制可变阻抗元件的阻抗。
检测(2005)变化信号vv。变化信号是由控制可变阻抗元件的阻抗的电压上的抖动信号vd引起的初级线圈1802上的电流的振幅的变化。
在块2006，将变化信号vv与抖动信号vd进行比较。如果变化信号vv与抖动信号vd同相，则增加(2007)控制电压vc。如果变化信号vv与抖动信号vd异相，则减小(2008)控制电压vc。在一些实施例中，该方法然后返回到块2102，其中提供增加或减小的vc。
图21是具有调谐能力的感应耦合系统的实施例的电路图，其利用数字控制环路将初级线圈2102上的电流的振幅控制到最大值。它包括初级线圈2102和次级线圈2111。初级线圈2102具有静电屏蔽罩，并且初级线圈、静电屏蔽罩和次级线圈2111感应耦合。将静电屏蔽罩表示为电感器2103。变容二极管2104和2105以背对背的定向跨接静电屏蔽罩2103的间隙，形成可变阻抗元件。
初级线圈2102上的电流的振幅取决于系统的阻抗，包括变容二极管2104和2105的电容。电流传感器2106输出对应于初级线圈2102上的电流振幅的信号。在一些实施例中，线圈驱动器2101和初级线圈2102用作d类开关放大器。在这些实施例中，电流传感器2106包括与d类放大器电源串联的电阻器和输出该电阻器两端的电压的放大器。
电流传感器2106连接到微控制器2107。微控制器2107包括处理器2121、模数转换器2122和数模转换器2123。微控制器2107接收对应于初级线圈2102上的电流的振幅的信号并将控制电压vc输出到变容二极管2104和2105的阴极以设置它们的电容。在一些实施例中，微控制器2107控制变容二极管2104和2105的电容以使初级线圈2102上的电流的振幅最大。
图22a-b解释了一些实施例的微控制器2107的操作。两个曲线图示出了初级线圈2102上的电流振幅相对于施加到变容二极管2104和2105的电压。微控制器2107在vc+和vc-之间交替地设置控制电压vc。vc+是高于标称控制电压(以下称为“vcn”)的电压，vc-是低于vcn的电压。在实施例中，vcn和vc+之间的差值以及vcn和vc-之间的差值相对于vcn的振幅较小，并且随着vcn的值的变化，这些差值保持恒定。
微控制器2107将控制电压vc设置为vc-。微控制器2107然后获取初级线圈2102上的电流振幅的测量值m1。接下来，微控制器2107将控制电压vc设置为vc+，并获取初级线圈2102上的电流振幅的测量值m2。微控制器2107然后将测量值m1与测量值m2进行比较。
图22a示出了vcn低于使初级线圈2102上的电流振幅最大的电压的情况。在该范围内，较低的vc对应于初级线圈上的电流的较低振幅，反之亦然。因此，m1将低于m2。图22b示出了vcn高于使初级线圈2102上的电流的振幅最大的电压的情况。在该范围内，较低的vc对应于初级线圈上的电流的较高振幅，反之亦然。因此，m1将高于m2。
当微控制器2107将测量值m1与测量值m2进行比较时，如果m1低于m2，则微控制器2107增加vcn(从而增加vc+和vc-)。如果m1不低于m2，则微控制器2107减小vcn。结果是vcn被控制到使初级线圈2102上的电流的振幅最大的点。
图23是根据一些实施例的调谐感应耦合系统的方法的流程图。在对调谐感应耦合系统的方法的实施例的整个描述中，使用了出现在附图21中的附图标记。附图标记是说明性的，并不意图限制使用该系统的方法。
感应耦合系统包括初级线圈2102和用于初级线圈的静电屏蔽罩2103。静电屏蔽罩2103感应耦合到初级线圈2102，并且具有沿着所述静电屏蔽罩的轴向长度延伸的间隙。
首先，提供(2301)跨接静电屏蔽罩2103的间隙的可变阻抗元件。在一些实施例中，可变阻抗元件是以背对背配置布置的多个变容二极管2104和2105。
施加(2302)控制电压vc以控制可变阻抗元件的阻抗。控制电压vc将被设置在vc-和vc+之间。vc-小于vc+。在实施例中，与vc振幅相比，vc-和vc+之间的差值很小。在实施例中，vc-和vc+之间的差值保持恒定。
将控制电压vc设置(2303)为vc-。当将控制电压vc设置为vc-时，获得(2304)对应于初级线圈2102上的电流振幅的第一测量值m1。
将控制电压vc设置(2305)为vc+。当将控制电压vc设置为vc+时，获得(2306)对应于初级线圈2102上的电流振幅的第二测量值m2。
比较(2307)第一测量值m1和第二测量值m2。如果第一测量值m1小于第二测量值m2，则增加(2308)vc+和vc-。如果第一测量值m1不小于第二测量值m2，则减小(2309)vc+和vc-。在一些实施例中，该方法然后返回到块2303，其中将控制电压vc设置为新增加或减小的vc-。
图24是具有线圈失谐补偿功能的无线功率传输和通信系统的实施例的电路图。在一些实施例中，该实施例相对于图10的实施例增加了调谐元件。线圈驱动器2401包括电流传感器2406。电流传感器2406获取与初级线圈1001上的电流的振幅相对应的信号，并将该信号输出到控制器2407。
可变阻抗元件2404跨接静电屏蔽罩1002中的间隙。在一些实施例中，可变阻抗元件2404包括以背对背配置方式布置的多个变容二极管。控制器2407施加控制电压vc以控制可变阻抗元件2404的阻抗。控制器2407基于从电流传感器接收到的信号设置控制电压vc。在一些实施例中，控制器2407控制可变阻抗元件2404的阻抗以使初级线圈1001上的电流的振幅最大。
与初级线圈产生的磁场线交叉的导电物体可以引入与初级线圈并联的漏电感，因而降低了明显的线圈电感，从而提高了系统的谐振频率。在一些实施例中，目标设备线圈1021与初级线圈1001和静电屏蔽罩1002微弱耦合。在这些实施例中，由于这些谐振频率偏移，上行链路通信容易受到数据丢失的影响。如上所述的包括与静电屏蔽罩1002并联的可变阻抗元件2404并且控制其阻抗以使初级线圈1001上的电流的振幅最大可以抵消这些泄漏电感，从而改进上行链路通信。因此，静电屏蔽罩1002可以屏蔽初级线圈1001免受放置在初级线圈1001附近的物体以及与初级线圈1001的磁通线交叉的导电物体引入的寄生变化的影响。
在目标设备线圈1021与初级线圈1101和静电屏蔽罩1002微弱耦合的实施例中，甚至由抖动控制电压vc而导致的谐振频率的偏移也可能干扰上行链路通信。因此，在一些实施例中，控制器2407如图25所示那样设置控制电压vc。
在图25中，控制器2407在vc+和vc-之间交替地设置控制电压vc。vc+是高于标称控制电压vcn的电压，vc-是低于vcn的电压。在实施例中，vcn和vc+之间的差值以及vcn和vc-之间的差值相对于vcn的振幅小。
每个通信帧都包括下行链路部分dl和上行链路部分ul。控制器2407在第一帧的下行链路部分期间将控制电压vc设置为vc-。然后，控制器2407获得初级线圈1001上的电流振幅的测量值m1。接下来，控制器2407在下一帧期间将控制电压vc设置为vc+。然后，控制器2407获得初级线圈1001上的电流振幅的测量值m2。然后，控制器2407将测量值m1与测量值m2进行比较。如果m1低于m2，则控制器2407增加vcn(从而增加vc+和vc-)。如果m1不低于m2，则控制器2407减小vcn。
通信帧的下行链路部分可能较少受到系统谐振频率变化导致的数据丢失的影响。通过在帧的下行链路部分期间将控制电压vc设置为在vc+和vc-之间，而在帧的上行链路部分期间将vc保持在恒定电平，系统可以在不干扰上行链路通信的情况下，将初级线圈1001上的电流的振幅控制为最大。
根据本发明的无线功率传输和通信系统的实施例的各种使用都是可以预期的，包括如上所述的与植入医疗装置的经皮相互作用；对诸如智能电话、笔记本电脑和平板电脑之类的消费者电子设备进行充电以及与其通信；以及对电动车辆进行充电以及与其通信，包括在车辆的运行期间对其进行充电以及与其通信。
在前面的描述中，可变阻抗元件和通信元件跨接在线圈护罩中的导电不连续部分上。然而，可以想到替代实施例，其中其他电气部件被配置为改变初级线圈和次级线圈之间的感应链路的特性是可以预期的。
为了解释的目的，已经参考具体实施方式对前面的说明进行了描述。然而，上面的示例性的讨论并不旨在穷举或将权利要求限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择和描述实施方案以便最好地解释工作原理和实际应用，从而使本领域其他技术人员能够实现。
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