用于替代电源无线充电的方法、系统和装置与流程

相关申请

本申请要求于2015年9月23日提交的题为“method，systemandapparatusforalternativepowerwirelesscharging”的美国专利申请第14/862,627号的权益，其全部内容通过引用并入本文并且用于所有目的。

本公开总体涉及向无线充电平台提供替代电力的方法、系统和装置。具体而言，本说明书涉及使用常规和替代电源中的一个或多个来对移动设备进行无线充电的方法、系统和装置。

背景技术：

无线充电或感应充电使用磁场在两个设备之间传输能量。可以在充电站上实施无线充电。两个领先的无线充电标准是qi和无线电力联盟(a4wp)。qi标准在设备之间的近距离(例如，大约4cm)范围内使用磁感应耦合以在设备之间提供近场无线传输。a4wp通过在设备之间使用磁共振耦合来提供更大的磁场。在这两个标准下，能量通过感应耦合从一个设备发送至另一设备。感应耦合用于对电池充电或运行接收设备。通过功率发送单元(ptu)将感应能量提供给功率接收单元(pru)。

a4wp定义了由pru共振器输出的最大功率参数化的五类pru。类别1涉及较低功率应用(例如，蓝牙耳机)。类别2涉及输出功率约为3.5w的设备，并且类别3设备具有约6.5w的输出。类别4和5涉及较高功率应用(例如，平板电脑、上网本和膝上型电脑)。

ptu使用感应线圈从充电基站内部生成磁场。pru(即，便携式设备)中的第二感应线圈从磁场获取功率并将功率转换回电流以对电池充电。以这种方式，两个近端感应线圈形成电力变压器。当感应式充电系统使用磁共振耦合时，可以实现发送器和接收器线圈之间的更大距离。磁共振耦合是被调谐为以相同频率共振的两个线圈之间的电能的近场无线传输。

无线充电对于包括智能电话、平板电脑和膝上型电脑的设备的快速充电尤为重要。常规无线充电器提供交流电(ac)或直流电(dc)以对ptu供电。需要改进的无线充电系统来扩展ptu输入功率以包括除常规ac/dc之外的电源。

附图说明

将参考下面的示例性和非限制性的说明来讨论本发明的这些和其它实施例，其中，相似的元件被类似地编号，并且其中：

图1a示出在充电面板和计算设备彼此远离的情况下用于对便携式设备充电的常规替代电源；

图1b示出在电源和计算设备共同放置的情况下用于对便携式设备充电的常规替代电源；

图2示出常规无线功率传输系统；

图3示意性地示出根据本发明的一个实施例的ptu；

图4示意性地示出根据本发明的另一实施例的无线充电器；

图5是根据本发明的一个实施例的混合发射器控制器的示例性表示；

图6示出用于实施本发明的实施例的示例性流程图；以及

图7示意性示出根据本发明的一个实施例的移动设备的无线充电。

具体实施方式

可以结合各种设备和系统来使用某些实施例，例如移动电话、智能电话、膝上型计算机、传感器设备、蓝牙(bt)设备、超极本tm、笔记本计算机、平板计算机、手持设备、个人数字助理(pda)设备、手持pda设备、板载设备、离板设备、混合设备、车辆设备、非车辆设备、移动或便携式设备、消费者设备、非移动或非便携式设备、无线通信站、无线通信设备、无线接入点(ap)、有线或无线路由器、有线或无线调制解调器、视频设备、音频设备、音频-视频(av)设备、有线或无线网络、无线区域网、无线视频区域网(wvan)、局域网(lan)、无线lan(wlan)、个域网(pan)、无线pan(wpan)等。

可以结合以下设备和/或网络来使用一些实施例：根据现有电气和电子工程师协会(ieee)标准(ieee802.11-2012,ieeestandardforinformationtechnology-telecommunicationsandinformationexchangebetweensystemslocalandmetropolitanareanetworks-specificrequirementspart11:wirelesslanmediumaccesscontrol(mac)andphysicallayer(phy)specifications，2012年3月29日；ieee802.11任务组ac(tgac)(“ieee802.11-09/0308rl2-tgacchannelmodeladdendumdocument”)；ieee802.11任务组ad(tgad)(ieee802.11ad-2012,ieeestandardforinformationtechnologyandbroughttomarketunderthewigigbrand-telecommunicationsandinformationexchangebetweensystems-localandmetropolitanareanetworks-specificrequirements-part11:wirelesslanmediumaccesscontrol(mac)andphysicallayer(phy)specifications-amendment3:enhancementsforveryhighthroughputinthe60ghzband,2012年12月28日))和/或其未来版本和/或衍生进行操作的设备和/或网络；根据现有无线保真(wi-fi)联盟(wfa)点对点(p2p)规范(wifip2p技术规范，版本1.2，2012年)和/或其未来版本和/或衍生进行操作的设备和/或网络；根据现有蜂窝规范和/或协议(例如，第三代合作伙伴项目(3gpp)、3gpp长期演进(lte))和/或其未来版本和/或衍生进行操作的设备和/或网络；根据现有无线hdtm规范和/或其未来版本和/或衍生进行操作的设备和/或网络；作为以上网络的一部分的单元和/或设备；等。

可以结合bt和/或蓝牙低功耗(ble)标准来实施一些实施例。正如简要讨论的那样，bt和ble是工业、科学和医疗(ism)无线电频段(即，2400-2483.5mhz频段)中使用短波uhf无线电波在短距离内交换数据的无线技术标准。bt通过建立个域网(pan)连接固定和移动设备。蓝牙使用跳频扩频。传输的数据被分成分组，在79个指定的bt信道中的一个上传输每个分组。每个信道都具有1mhz的带宽。最近开发的bt实施方式，即蓝牙4.0，使用2mhz的间隔，这允许40个信道。

可以结合以下来使用一些实施例：单向和/或双向无线电通信系统、bt设备、ble设备、蜂窝无线电电话通信系统、移动电话、蜂窝电话、无线电话、个人通信系统(pcs)设备、包括无线通信设备的pda设备、移动或便携式全球定位系统(gps)设备、包括gps接收机或收发机或芯片的设备、包括rfid元件或芯片的设备、多入多出(mimo)收发机或设备、单入多出(simo)收发机或设备、多入单出(miso)收发机或设备、具有一个或多个内部天线和/或外部天线的设备、数字视频广播(dvb)设备或系统、多标准无线电设备或系统、有线或无线手持设备(例如，智能电话)、无线应用协议(wap)设备等。可以结合wlan使用一些示范性实施例。可以结合任何其它合适的无线通信网络(例如，无线区域网、“微微网”、wpan、wvan等)使用其它实施例。

本发明的各种实施例可以全部或部分地以软件和/或固件来实施。该软件和/或固件可以采取包含在非暂时性计算机可读存储介质中或上的指令的形式。然后那些指令可以被一个或多个处理器读取和执行，以实现本文所描述的操作的执行。指令可以是任何合适的形式，诸如但不限于源代码、编译代码、解译代码、可执行代码、静态代码、动态代码等。这样的计算机可读介质可以包括用于以可由一个或多个计算机可读的形式存储信息的任何有形的非暂时性介质，诸如但不限于只读存储器(rom))、随机存取存储器(ram)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存等。

移动设备上延长的电池使用时间不断推动产品设计和市场需求。常规系统依靠ac电网来对便携式设备供电或充电。包括g太阳能板或其它能量收集器的替代电源可以提供免费的电源。替代电源的特性不同于常规电源，这阻止了替代电源直接替换无线充电中的常规电源。

图1a示出在充电面板和计算设备彼此远离的情况下用于对便携式设备充电的常规替代电源。在图1a中，通过光伏(pv)电源110对设备100充电。pv源110被设置为用于接收直射的阳光。设备100放置在阴影中以减少阳光直射引起的屏幕眩光。设备100和pv源110通过引线连接。图1a的常规系统损害用户体验，因为pv110放置在直射的阳光下以便在设备100远离pv110以避免阳光直射的情况下收集最大能量。

相反，图1b示出在电源和计算设备共同放置的情况下用于对便携式设备充电的常规替代电源。这里，短引线连接两个设备。如图所示，在显示器100上存在显著的眩光，这损害了用户体验。图1b的系统还需要引线将功率传输至设备100，这进一步损害了用户体验。

常规无线充电技术实现无线充电。然而，这样的系统在ac和/或dc输入源上工作。例如，大多数常规无线充电台使用ac/dc适配器和规定的12vdc电源来进行操作。常规功率输送系统不支持来自替代电源的输入。这是由于与替代电源相关联的非线性功率特性。

图2示出常规无线功率传输系统。在图2中，ac/dc适配器212与ptu210通信。ac/dc适配器可以是任何常规电源供应器。ptu210包括逆变器214、发射器控制器216和共振器218。pru250包括共振器257、整流器254和稳压器258。pru250的控制器256与ptu210的控制器216通信。可以通过ble分组进行通信。通信包括使得ptu210能够生成用于对pru250充电的最佳磁场的信息。

在充电操作期间，逆变器214接收来自控制器216的输入并且调节由共振器218生成的磁场波形。由ptu210的共振器214生成的磁功率由pru250的共振器258接收。整流器254将在共振器254处接收到的磁信号转换为dc电压。稳压器258还将接收到的dc电压调节为恒定电压，然后对负载270供能。负载270可以限定为进行充电的设备(duc)。常规ptu不能有效地接收和转换来自替代电源的功率。

图3示意性地示出根据本发明的一个实施例的ptu。图3的ptu310可以从ac/dc适配器312或从替代电源313接收功率。替代电源313可以包括例如用于将太阳光转换为能量的光伏电源。电源312、313向逆变器和功率调节单元314供应能量。当所供应的能量来自ac/dc适配器时，逆变器和功率调节单元314用作逆变器。当ptu310由替代电源供电时，逆变器和功率调节单元314还调节输入能量。在本发明的一个实施例中，功率调节可以包括将可变输入电压或/和电流调节为输出端处的特定值的电压或/和电流。在另一实施例中，将非均匀输入功率分布转换成基本均匀的功率分布。在另一实施例中，功率调节可以包括将输入电力(源)的阻抗与可以是pru或duc的负载的阻抗相匹配。

混合发射器控制器319与pru350以及替代电源313通信。当替代电源313是输入源时，混合发射器控制器319可以引导逆变器和功率调节单元314以适当地对共振器318供能。

如同图2的pru，pru350包括共振器357、稳压器358、整流器354和电压控制器356。pru350支持负载370。ptu310生成磁场以对负载370进行无线充电，而不管ptu是由ac/dc适配器312供电还是由替代电源313供电。

图4示意性地示出根据本发明的另一实施例的无线充电器。具体而言，图4示出包括ac/dc适配器412、替代电源413、功率传感器420、ac/dc逆变器功率级430、混合发射器控制器440和功率传输lc共振器回路450的ptu400。虽然未在图4中示出，但是ptu400还可以包括附加的处理和存储器电路以及具有专用无线电装置和天线的一个或多个通信平台。ac/dc适配器可以与ptu400集成，或者可以定义用于将ac功率输入转换为dc输入功率以供ptu消耗的外部适配器。ac/dc适配器412的输出信号被示为信号a。

ptu400还包括替代电源413，替代电源可以包括太阳能板或收集天然能量的任何其它电源。替代电源413的功率输出被标识为a*以指示特定的电流和电压特性。例如，a*可以表示非线性电流-电压分布。功率传感器420接收功率信号a或a*并且可以确定输入功率是来自ac/dc适配器412还是来自替代电源413。一旦识别到电源，则功率传感器420可以将相关信息传送至混合发射器控制器440。

在示例性实施例中，功率传感器420包括与存储器电路(未示出)通信的一个或多个处理器(未示出)。处理器和/或存储器电路可以限定为硬件、软件或硬件和软件的组合。如将在下面更详细讨论的，存储器电路可以包括可以在处理器中实施的用于源确定的指令和/或算法。处理器可以识别可应用的电源并将信息传送至混合发射器控制器440。

如果功率传感器420的输入来自适配器412，则功率传感器420可以将功率引导至ac/dc逆变器功率级430。另外，功率传感器420可以将输入功率传送至混合发射器控制器440，使得可以通过混合发射器控制器440生成适当的驱动信号以驱动ac/dc逆变器功率级430。

相反地，功率传感器420可以将输入功率信号a*引导至ac/dc逆变器功率级430，并且指示替代输入源的信号可以被发送至混合发射器控制器440。除常规操作之外，可能还需要不同的控制动作来实现功率调节。在本实施例中，ac/dc逆变器功率级430从混合发射器控制器440接收适当的驱动信号。在一个实施例中，源a和源a*中只有一个可以在任何时间都是活动的。

另一方面，如果从替代电源413供电，则功率传感器420可以实施不同的路径。这里，可以通过功率传感器420以及引导至混合发射器控制器440的输入功率信号来检测输入功率(例如，非线性电流-电压分布)的特性。在一个实施例中，功率传感器420感测一个或多个输入电压、电流或功率特性，并且确定将功率引导至ac/dc逆变器功率级430(通过常规控制方法或针对替代电源的不同控制方案)或经由混合发射器控制器440来引导功率。如将在下面讨论的，混合发射器控制器440提供功率阻抗匹配和功率调节以从输入功率信号(a*)收集最大可用能量。

dc/ac逆变器功率级430接收从混合发射器控制器440输出的功率并将其输送至lc共振器回路450。共振器回路450向pru(未示出)提供磁场。共振器450可以包括一个或多个共振器线圈。虽然未示出，但是ptu400也可以通过广播分组的ble或其它常规通信方法与pru通信。图4的示例性实施例使得能够无缝地使用常规ac/dc电源以及替代电源来进行无线充电。ptu400可以随着输入源的改变而在用户不参与的情况下在各种电源之间切换。

图5是根据本发明的一个实施例的混合发射器控制器的示例性表示。当使用替代电源时，混合发射器控制器500可以用于功率调节和阻抗匹配。替代电源可以包括任何收集的能源。示例性控制器500包括源确定控制器510、最大功率跟踪(mppt)阻抗匹配电路530、逆变器驱动控制器520和发射器q调谐电路540。

源确定控制器510可以包括一个或多个微处理器(电路和操作算法)，用于确定为输入功率选择两种控制机制中的哪一种。如果输入功率来自dc源(例如，来自图4的ac/dc适配器412)，则输入电压基本恒定，并且将被路由至逆变器驱动控制器520，如路径511所示。如果从替代电源收集输入功率，则源确定控制器510将输入功率信号经由路径512引导至mppt530。

由替代电源(例如，图4的电源413)提供的功率可能具有非线性电流/电压分布。为了提供最佳的无线充电功率，可以对这样的输入进行调节和阻抗匹配。在一个实施例中，mppt530操纵和调节输入功率以具有基本恒定的电压。mppt530还可以将源的阻抗与负载的阻抗相匹配，以便提供最佳的充电环境。

逆变器驱动控制器520从源确定控制器510(如果输入功率具有恒定电压)或从mppt电路530(如果收集到电源)接收功率输入。逆变器控制器520可以包括常规dc/ac逆变器和用于向逆变器或共振器提供适当驱动信号的其它电路。调谐电路540向逆变器驱动器电路520提供附加的调谐输入，用于调整传送至共振器的功率的量。

图4和图5的示例性实施例有利地使得能够使用不同的电源来进行无线充电。在这些实施例中，可以利用mppt功率阻抗匹配来解决诸如非线性电流/电压分布的功率特性。从而，这确保最大程度收集的功率的可用性被提供至pru。更具体地，公开的实施例确保输入至txlc共振回路(即，图4的输入b)和pru的最佳功率。由于无论输入源如何，lc共振t450(图4)和无线功率耦合均通过同一功率级进行操作，所以提出的设计和控制方案对于在dc电源或替代电源下的应用具有灵活性和成本效益。替代电源可以包括收集到的能量。逆变器驱动控制单元520的控制可以以如下方式来配置，即在阻抗匹配、共振回路、q调谐540和功率传输耦合之中同时考虑多个需求。

在一个实施方式中，可以按照时间顺序或以优先级的方式完成ptu和pru之间的对应功率匹配。例如，首先可以调整lc共振器450(图4)的频率，使得可用功率从ptu的tx前端最有效地传输至pru的共振器。然后，通过改变逆变器(例如，图4的逆变器430)的驱动信号(例如，图5的逆变器驱动器520)的脉宽调制(“pwm”)占空比，可以经由阻抗调谐来最大化收集到的能量的量。

图6示出用于实施本发明的实施例的示例性流程图。图6的过程开始于步骤600，此时ptu与功率输入源接通。电源可以是例如电池、ac/dc适配器或提供收集到的功率的源。在步骤610中，测量输入源的功率特性值。测量的特性值可以包括电流、电压或功率。在一个实施例中，测量的特性值包括测量电流、电压和/或功率中的任何一个中的变化。在本发明的一个实施例中，在功率传感器(例如，图4中的功率传感器420)上实施对特性值的测量。在另一实施例中，在源确定电路(例如，图5的源确定控制器510)上实施对特性值的测量。在又一实施例中，结合功率传感器和源确定电路二者来确定测量的特性值。

基于测量的特性值，在步骤615中，确定ptu是否连接至源。如果ptu没有连接至源，则流程图重复步骤610。可以周期性地实施该循环。

如果测量的特性值指示ptu连接至dc源，则在步骤630中，接通dc电源控制路径。在步骤632中，针对给定负载来确定所需的共振功率传输调谐。该步骤可以例如通过驱动器控制电路(例如，图5的逆变器驱动控制器520)来实施。在步骤634中，通过对适当的共振器(例如，图4的lc共振器回路450)进行供电和引导来启用无线功率传输。

如果测量的特性值指示ptu连接至替代电源，则如步骤620所示，接通替代电源控制路径(例如，图5的路径512)。在步骤622中，执行共振功率传输调谐以调节输入功率，从而提供基本恒定的电压输出。在步骤624中，执行替代功率阻抗匹配，以使源阻抗与负载阻抗基本匹配。可以通过ble分组来从pru接收负载阻抗。

例如，步骤624可能需要将源阻抗调整为约250欧姆以匹配负载阻抗。可以在功率匹配电路(例如，图5的mppt功率阻抗匹配530)上执行步骤622和624。在步骤626中，确定是否达到最佳充电功率状态；即，共振功率是否被调谐并匹配到负载阻抗。如果没有达到期望的状态，则如箭头627所示重复循环。如果达到期望的状态，则启用无线功率传输并且开始pru的充电。可以在pru接通时连续地重复过程600。

图7示意性示出根据本发明的一个实施例的移动设备的无线充电。图7的环境700包括室内区域702和室外区域704。窗户730分隔室内区域702和室外区域704。太阳能板710收集太阳能并向ptu共振线圈725提供功率输入。由于线圈725、727被放置在窗户或遮挡框架的两侧，所以通过光伏单元710收集的太阳能通过共振线圈725无线传输至pru共振线圈727。因此，用户可以在室内使用计算机720，同时通过收集能量来对设备充电。图7示出的实施例解决了关于图1b所讨论的功率设备炫目的问题。

提供以下非排他性和示例性实施例以进一步示出本发明的不同实施例。示例1涉及一种无线功率传输单元(ptu)，包括：控制器，用于从多个源中的一个接收输入功率，该控制器识别输入功率的源；匹配电路，用于从控制器接收输入功率，该匹配电路用于将输入功率调节为基本恒定的电压和将输入功率阻抗匹配为阻抗匹配的输出功率中的至少一个；以及共振器，用于接收阻抗匹配的功率输出并示出磁场以对外部负载供能。

示例2涉及示例1的ptu，还包括功率传感器，用于接收输入功率以检测输入功率的电压特性和电流特性中的一个或多个。

示例3涉及示例1的ptu，还包括发射器调谐电路，用于接收从mppt输出的功率，并调整输出功率等级以提供调谐的输出功率。

示例4涉及示例3的ptu，还包括逆变器驱动控制器，用于从发射器调谐电路接收调谐的输出功率并驱动共振器以对外部负载供能。

示例5涉及示例1的ptu，其中，控制器根据一个或多个输入功率特性来确定电源。

示例6涉及示例1的ptu，其中，匹配电路将输入功率调节为基本恒定的电压，并且将输入功率阻抗匹配至外部负载的阻抗。

示例7涉及一种对功率接收单元(pru)进行无线供能的方法，包括：从多个电源中的一个接收输入功率；将电源识别为基本线性的功率分布和非线性功率分布中的一个；如果功率分布是非线性的，则将输入功率调节为基本恒定的电压；对输入功率进行阻抗匹配以提供阻抗匹配的输出功率；以及根据基本恒定的电压和阻抗匹配的输出功率来生成磁场。

示例8涉及示例7的方法，还包括将电源识别为dc电源和替代收集的电源中的一个。

示例9涉及示例7的方法，其中，识别电源还包括检测输入功率电压或电流的变化。

示例10涉及示例7的方法，还包括调谐阻抗匹配的输出功率以提供调谐的输出功率。

示例11涉及示例10的方法，还包括接收调谐的输出功率并驱动共振器以对外部负载供能。

示例12涉及示例7的方法，还包括生成磁场以穿过通透物理屏障对外部负载充电。

示例13涉及示例7的方法，还包括重复调节和阻抗匹配的步骤以在生成磁场之前提供最佳输出功率。

示例14涉及示例13的方法，其中，在与外部设备的通信中确定最佳输出功率。

示例15涉及一种包括能够由处理器电路执行以实现用于对外部设备无线充电的步骤的指令的非暂时性机器可读介质，该指令使处理器电路驱动操作，该操作包括：从多个电源中的一个接收输入功率；将电源识别为基本线性的功率分布和非线性功率分布中的一个；如果功率分布是非线性的，则将输入功率调节为基本恒定的电压；对输入功率进行阻抗匹配以提供阻抗匹配的输出功率；以及根据基本恒定的电压和阻抗匹配的输出功率来生成磁场。

示例16涉及示例15的非暂时性机器可读介质，其中，操作还包括将电源识别为dc电源和替代收集的电源中的一个。

示例17涉及示例15的非暂时性机器可读介质，其中，操作还包括检测输入功率电压或电流的变化。

示例18涉及示例15的非暂时性机器可读介质，其中，操作还包括引起调谐阻抗匹配的输出功率以提供调谐的输出功率。

示例19涉及示例18的非暂时性机器可读介质，其中，操作还包括根据调谐的输出功率来对外部负载供能。

示例20涉及示例15的非暂时性机器可读介质，其中，操作还包括通过通信平台接收来自外部负载的通信，该通信包括外部负载的阻抗要求。

尽管已经关于本文所示的示例性实施例说明了本发明的原理，但是本发明的原理不限于此，并且包括其任何修改、变化或置换。