感应功率传输系统和用于同时传输数字消息的方法
【技术领域】
[0001] 本发明的目的是提供高效节能的感应功率传送。更具体地，本发明涉及结合激活 和终止机制的感应功率传送系统和方法。
【背景技术】
[0002] 可用能源的高效利用是非常重要的有许多原因。在全球范围内，越来越多的关注， 温室气体例如来自化石燃料燃烧的二氧化碳的排放可能加速了全球变暖。此外，能源资源 是有限的。遵循地缘政治学因素的全球能源资源的稀缺驱动能源成本向上。因此，能源的 有效利用对于能源消费国是越来越重要的预算考虑。
[0003] 在功率传输中能量损耗主要是由于载流导线的偶然加热。在许多情况下，这是不 可避免的，因为载流导线对电设备的供电是必不可少的且载流导线具有电阻。这是为了克 服在电线中产生热量的这个电阻。
[0004] 在其它情况下，能量损耗是不必要的。例如，电设备经常保持不必要地运行，并且 用于未被使用的功率设备的能量是真正浪费的。旨在减少由空闲设备浪费的能量的量的各 种措施已被提出。例如，能源之星是美国环境保护署和美国能源部的联合计划，其授予制造 商权利以在满足一定的能源消耗标准的产品上展示识别标签。能源之星试图通过更好的能 源管理减少能源消耗。
[0005] 高效的能源管理减少能源浪费。例如，笔记本电脑，其依赖于由板载电源电池供给 的有限量的能量，使用多种策略以保持功率消耗最少。因此，在计算机保持不活动显著长的 时间之后，屏幕和硬盘驱动器自动关闭，类似地，当计算机从电源或从网络断开连接时，网 卡可被禁用。这样的能源管理策略可用于增加设备可以通过其板载电池供电的时间长度。
[0006] 即使当连接到电源，然而，能源的有效利用也是必要的。许多常见的电子设备在低 电压DC上运行，且通常使用变压器与AC-DC的电源适配器来控制提供给它的电源。能源之 星估计有15亿这样的电源适配器在美国被单独用于诸如MP3播放器、个人数字助理（PDA)、 摄像机、数码相机、应急灯、无线和移动电话的设备。根据能源之星，这样的电源适配器每年 汲取约3000亿千瓦时的能量，其约为美国国家电费的11 %。
[0007] 如果多个设备可以由单个电源适配器来运行，这将大大地减少使用的电源适配器 的数量。然而，电通过单根电缆供给许多设备是不平凡的。越多的设备被连接到单个电源 剥离由条带汲取的电流越大。因此，通过将电源板连接到电源的单根电缆供给的电流增加。
[0008] 由于电缆热量的功率损耗根据电流的平方增加，其携带这样的来自电缆的能量损 耗可能会抛物线地增加。此外，不存在有效的能源管理，如果太多的设备从单一的电缆汲取 电流，那么提供的电流可能会超过允许的电平，从而切断断路器或吹保险丝。更为严重的 是，过大的电流可能会导致电缆过热，其是火灾的常见原因。
[0009] 能源的另一个不必要的用法是在有板载电源电池的设备供电。当具有可再充电电 池的电子设备，如笔记本电脑、电动剃须刀等，被连接到电源时，功率被汲取来操作设备，且 还来再充电电池。尽管电子电池需要周期性地再充电，但是即使部分充电的电池也足够给 设备供电。因此没有必要连续充电板载电池。
[0010] 另外，充电电子电池超出设备操作所必需的电平的不必要消耗的能量增加电费。 特别令人关注的是，其中大量的这种设备被同时使用。例如，对于主持会议或者很多个人笔 记本电脑被同时使用的讨论会的公司。
[0011] 感应功率耦合允许能量从电源被传送到电负载，而没有线连接在其间。振荡电势 被施加在初级电感器上。这在初级电感器的附近设置了振荡磁场。振荡磁场可在放置在靠 近初级电感器的次级电感器中引起二次振荡电势。这样，功率可通过电磁感应而不是电感 器之间的导电连接从初级电感器传输到次级电感器。
[0012] 当功率从初级电感器传送到次级电感器时，电感器可以说被感应耦合。与这样的 次级电感器串联有线连接的电负载可以从有线连接到初级电感器的电源汲取能量，当次级 电感器感应耦合于此。
[0013] 在次级电感器中感应电压的强度根据提供到初级电感器的电势的振荡频率变化。 当振荡频率等于系统的谐振频率时，感应电压最强。谐振频率&取决于各种因素，诸如电 感L和系统的电容C，根据等式
[0014] 已知的感应功率传送系统通常在感应耦合的谐振频率上传输功率。这可能难以维 持，因为系统的谐振频率可以在功率传输期间波动，例如在初级和次级线圈之间的对准中 响应于改变环境条件或变化。
[0015] 除其它外，与谐振传输相关的一个问题是参与的高传输电压。在高工作电压，大量 的热量可以通过导致高功率损耗以及损害热敏元件的系统产生。因此，在谐振电路中，电容 器和晶体管可能需要相当大。
[0016] 因此仍需要高效节能的感应功率传送系统，其可在工作期间引起低功率损耗。当 前公开解决了这一需要。
【发明内容】
[0017] 根据各种实施方案，感应功率接收器被引入，其被配置以从感应功率出口或发射 器汲取功率。感应功率接收器包括：包括被配置以与感应功率出口的初级线圈感应耦合的 次级线圈的谐振电路，该谐振电路在比感应功率出口的工作频率更低的频率上具有特征谐 振峰值，使得在更高频率上的工作减少功率传送的量；整流器、整流电流传感器、可操作以 通信功率控制指令至感应功率出口的通信和控制单元，包括：至少一个通信调制器可操作 以产生至少第一状态和第二状态，使得从第一状态到第二状态的转变在初级线圈产生可检 测的变化；且至少一个信号发生器可操作以产生包括一系列在特征频率f上产生的脉冲的 通信信号，每个脉冲包括高逻辑状态的固定持续时间、，之后为低逻辑状态的第二持续时 间（l/f_ts)，并且其中，通信和控制单元可操作以从一组通信信号的至少一个选择通信信 号包括：具有8kHz特征频率的P-D0WN信号、具有1kHz特征频率的P-UP信号、具有500Hz特 征频率的P-SAME信号、具有250Hz特征频率的END-SIG信号、具有6kHz特征频率的MsgBIT 信号和任选地具有4kHz特征频率的SPARE信号。任选地，特征谐振频率低于115千赫兹。
[0018] 不同地，感应功率接收器还可包括温度调节模块、对准机构、配置以触发感应功率 出口的检测机构。任选地，检测机构包括至少一种由霍尔效应传感器检测的磁性材料。任 选地，再次，检测机构包括至少一种可选的磁性材料，使得当感应功率接收器被邻近于表面 放置时，在磁场中的40高斯差由位于表面下2毫米且4毫米半径内的霍尔效应传感器检测 到。
[0019] 不同地，检测机构可操作以通过传输具有8kHz特征频率的P-D0WN信号响应数 字ping。另外地或可替代地，如果检测到充电结束的条件，检测机构可操作以通过传输 END-SIG信号响应数字ping。
[0020] 任选地，通信调制器从辅助电阻和辅助电容器的至少一个选择。
[0021] 根据本公开的一个方面，感应功率出口被提出用于传输功率到至少一个感应功率 接收器。感应功率出口包括至少一个有线连接到电源的初级电感器，该初级电感器用于与 与感应功率接收器相关联的至少一个次级感应线圈形成感应耦合；以及至少一个被配置以 提供在初级电感器上的振荡电压的驱动器。
[0022] 感应功率接收器可包括至少一个次级感应线圈；以及输出调节器可操作以监视在 次级感应线圈上的感应电压；来检测激活电压脉冲；来将感应电压与至少一个阈值进行比 较；来发送至少一个指令信号到感应功率出口；并来提供功率到电负载。
[0023] 感应功率出口可被操作以在感应功率接收器的次级感应线圈上引起激活电压脉 冲，从而启动感应功率接收器来发送识别信号到感应功率出口，并开始从其中汲取功率。
[0024] 任选地，感应功率接收器还包括可操作以产生至少一个指令信号的信号传输电 路。该传输电路可以包括至少一个通过开关单元选择性地连接到次级电感器的辅助负载， 其中开关单元被配置以连接辅助负载到具有特征频率的次级电感器，从而在具有特征频率 的初级电压或初级电流产生可检测的峰值脉冲。
[0025] 任选地，至少一个包括脉冲的指令信号可以在初级电压或初级电流中具有峰值的 特征频率，其中，感应功率出口还包括：至少一个被配置以检测峰值的峰值检测器；以及至 少一个可操作以确定峰值的特征频率的处理器。
[0026] ?在其它实施方案中，出口还包括可操作以检测指令信号的信号检测器，以及可操 作以执行从由以下构成的组中选出的至少一种功能的驱动器：
[0027] ?如果信号检测器检测到第一指令信号，选择第一工作功率；
[0028] ?如果信号检测器检测到第二指令信号，选择第二工作功率；
[0029] ?如果信号检测器检测到第三指令信号，通过第一增量增加工作功率；
[0030] ?如果信号检测器检测到第四指令信号，通过第二增量增加工作功率；
[0031] ?如果信号检测器检测到第五指令信号，通过第一增量减少工作功率；
[0032] ?如果信号检测器检测到第六指令信号，通过第二增量减少工作功率；
[0033] ?如果信号检测器检测到第七指令信号，继续以相同功率提供在初级电感器上的 振荡电压；和
[0034] ?如果信号检测器检测到第八指令信号，停止提供在初级电感器上的振荡电压。
[0035] 感应功率出口还可包括配置以检测指示可能的感应功率接收器的附近的释放信 号的触发传感器。
[0036] 任选地，激活电压脉冲包括在至少8伏的次级感应线圈上的感应电压。在适当情 况下，激活电压脉冲产生至少3毫安的电流。
[0037] 根据本公开的另一个方面，感应功率接收器被提出用于从至少一个感应功率出口 接收功率。感应功率接收器可包括至少一个次级电感器用于与至少一个初级感应线圈形成 感应耦合；以及至少一个信号传输电路，被配置以产生至少一个指令信号，该指令信号通过 与感应功率出口相关联的信号检测器被检测为具有在初级电压或初级电流中的峰值的特 征频率的脉冲。在需要时，感应功率出口可被配置以驱动在初级感应线圈上的振荡电压有 限的持续时间，且如果在持续时间期间没有接收到指令信号，那么停止驱动振荡电压；且传 输电路可以在每个持续时间期间被操作以发送至少一个指令信号给感应功率出口。
[0038] 任选地，持续时间在5毫秒和10毫秒之间。
[0039] 在一些实施方案中，至少一个指令信号包括终止信号，且当检测到终止信号时，感 应功率出口可被操作以停止驱动初级感应线圈。
[0040] 在适当情况下，传输电路可包括信号发生器，可操作以产生至少一个具有从由250 赫兹、500赫兹、1千赫兹、从1. 5千赫兹到5千赫兹和8千赫组成的组中的至少一个选择的 特征频率的指令信号。
[0041] 任选地，感应功率接收器还包括输出调节器，可操作以监视在次级电感器上的感 应电压；将感应电压与至少一个阈值进行比较；并提供功率给电负载。输出调节器还可被 操作以产生至少一个从由以下构成的组中选出的指令信号：
[0042] ?大约1千赫兹的初始脉冲，以指示感应功率出口在第一工作功率上来驱动初级 感应线圈；
[0043] ?大约8千赫兹的初始脉冲，以指示感应功率出口在第二工作功率上来驱动初级 感应线圈；
[0044] ?大约1千赫兹的脉冲，以指示感应功率出口通过第一增量来增加工作功率；
[0045] ?大约1. 5千赫兹和大约5千赫兹之间的脉冲，以指示感应功率出口通过第二增量 来增加工作功率；
[0046] ?大约8千赫兹的脉冲，以指示感应功率出口通过第一增量来减少工作功率；
[0047] ?大约500赫兹的脉冲，以指示感应功率出口来继续在相同功率上驱动初级感应 线圈；和
[0048] ?大约250赫兹的脉冲，以指示感应功率出口来停止驱动初级感应线圈。
[0049] 在本公开的另一个方面，方法被教导用于传送感应功率，包括：获得包括：至少一 个初级电感器、至少一个驱动器和至少一个指令信号检测器的感应功率出口；获得包括： 至少一个次级电感器和至少一个指令信号发生器的感应功率接收器；驱动初级电感器有限 的持续时间；监视信号检测器；如果至少一个指令信号在持续时间期间通过指令信号检测 器被检测到，那么重复驱动初级电感器和监视信号检测器的步骤；并且如果在该持续时间 期间没有接收到指令信号，那么终止驱动器。任选地，持续时间在5毫秒和10毫秒之间。
[0050] 不同地，该方法还可包括以下中的至少一个：
[0051] ?如果指令信号检测器检测到终止信号，那么终止该驱动器；
[0052] ?如果指令信号检测器检测到继续存在的信号，那么继续用相同的功率驱动初级 电感器；
[0053] ?如果指令信号检测器检测到第一增加功率信号，那么通过第一增量值增加功 率；
[0054] ?如果指令信号检测器检测到第二增加功率信号，那么通过第二增量值增加功率； 和
[0055] ?如果指令信号检测器检测到减少功率信号，那么通过增量值减少功率。
[0056] 在适当情况下，指令信号发生器包括信号传输电路，可操作以从次级感应线圈汲 取额外的功率，从而在初级电压或初级电流中产生可检测的峰值。任选地，指令信号检测器 包括至少一个被配置以在初级电压或初级电流中检测峰值的峰值检测器；以及至少一个可 操作以确定峰值的特征频率的处理器；
[0057] 另外地或可替代地，该方法还可包括以下中的至少一个：
[0058] ?如果峰值检测器最初检测出在具有第一特征频率的初级电压或初级电流中的峰 值，那么驱动器工作在第一工作功率；
[0059] ?如果峰值检测器最初检测出在具有第二特性频率的初级电压或初级电流中的峰 值，那么驱动器工作在第二工作功率；
[0060] ?如果峰值检测器检测出在具有第三特征频率的初级电压或初级电流中的峰值， 那么驱动器通过第一增量增加工作功率；
[0061] ?如果峰值检测器检测出在具有第四特征频率的初级电压或初级电流中的峰值， 那么驱动器通过第二增量增加工作功率；
[0062] ?如果峰值检测器检测出在具有第五特征频率的初级电压或初级电流中的峰值， 那么驱动器通过第一增量减少工作功率；
[0063] ?如果峰值检测器检测出在具有第六特征频率的初级电压或初级电流中的峰值， 那么驱动器通过第二增量减少工作功率；
[0064] ?如果峰值检测器检测出在具有第七特征频率的初级电压或初级电流中的峰值， 那么驱动器继续在相同的功率上工作；和
[0065] ?如果峰值检测器检测出在具有第八特征频率的初级电压或初级电流中的峰值， 那么驱动器停止提供振荡电压。
[0066] 不同地，特征频率可从由250赫兹、500赫兹、1千赫兹、从1. 5千赫兹到5千赫兹、 8千赫等构成的组中的至少一个选择。
[0067] 本发明的其它实施方案目的是提供包括至少一个包括至少一个经由驱动器有线 连接到电源的初级感应线圈的感应功率出口的感应功率传输系统；初级感应线圈用于与至 少一个有线连接到电负载的次级感应线圈形成感应耦合，次级感应线圈与感应功率接收器 相关联，其中驱动器被配置以在初级感应线圈上提供驱动电压，驱动电压在显著不同于感 应耦合的谐振频率的传输频率上振荡。任选地，驱动器包括开关单元，用于间歇性地连接初 级感应线圈到电源。
[0068] 任选地，传输频率位于在其中感应电压随频率近似线性地变化的范围内。任选地， 驱动器被配置以调节传输频率响应于反馈信号。
[0069] 任选地，感应功率出口包括信号检测器，适于检测第一信号和第二信号，和驱动 器，被配置以：当第一信号由检测器检测到时，增加传输频率，并且当第二信号由检测器检 测到时，减小传输频率。反馈信号通常携带关于电负载的工作参数的数据。工作参数选自 包括以下的组：用于电负载所需的工作电压；用于电负载所需的工作电流；用于电负载所 需的工作温度；用于电负载所需的工作功率；用于电负载所测量的工作电压；用于电负载 所测得的工作电流；用于电负载所测得的工作温度；用于电负载所测量的工作功率；传递 到初级感应线圈的功率；由次级感应线圈和用户识别码接收的功率。任选地，检测器从包括 光检测器、无线电接收器、音频检测器和电压峰值检测器的列表中被选择。
[0070] 任选地，驱动器还包括电压监视器，用于监视在初级线圈上的初级电压的幅度。任 选地，电压监视器被配置以检测在初级电压中的显著增加。
[0071] 在其它实施方案中，驱动电压在高于感应耦合的谐振频率的传输频率上振荡，其 中，初级感应线圈还有线连接到包括用于监视在初级线圈上的初级电压的幅度的电压监视 器的接收电路，且次级感应线圈还有线连接到用于连接至少一个电元件到次级感应线圈的 传输电路，从而增加谐振频率，或调整品质因数，使得控制信号可从传输电路传送到接收电 路。任选地，次级感应线圈有线连接到桥式整流器的两个输入端，且电负载被有线连接到桥 式整流器的两个输出端，其中传输电路有线连接到桥式整流器的一个输入端和桥式整流器 的一个输出端。通常，该传输电路还包括用于随着输入信号调制比特率信号以产生调制的 信号的调制器，以及用于间歇性地根据调制信号连接电元件到次级感应线圈的开关。任选 地，电压监视器还包括相关器，用于互相关初级电压的幅度与用于产生输出信号的比特率 信号。
[0072] 在某些实施方案中，控制信号用于从次级感应线圈传送反馈信号到初级电感线 圈，用于调节在感应功率耦合上的功率传送。该驱动器可被配置以调整传输频率响应于反 馈信号。通常，本系统适于传送第一信号和第二信号，并且驱动器被配置以：当接收器接收 到第一信号时，增加传输频率，且当接收器接收到第二信号时，降低传输频率。
[0073] 不同地，本发明的实施方案可被并入至少一种从由以下构成的组中选出的应用： 感应充电器、感应电源适配器、电动工具、厨房用具、浴室用具、计算机、媒体播放器、办公设 备、植入设备、起搏器、跟踪器和RFID标签感应充电器、感应电源适配器。
[0074] 当前发明的另一个目的是教导用于调节从经由驱动器有线连接到电源的初级感 应线圈到有线连接到电负载的次级感应线圈的功率传输感应的方法，该方法包括以下步 骤：(a)-在基本上不同于系统谐振频率&的初始传输频率f ,上，提供振荡电压到初级感应 线圈；(b)_在次级感应线圈中引起次级电压；(c)-监视由电负荷接收的功率；(d)_当监视 的功率从预定的范围偏离时，发送反馈信号；(e)-驱动器接收反馈信号；（f)-驱动器调节 传输频率；以及（g)-重复步骤（b) - (f)。
[0075] 任选地，步骤（d)还包括：（dl)每当功率下降到低于预定下限阈值时，发送第一类 型1的反馈信号给驱动器，以及（d2)每当功率超过预定上限阈值时，发送第二类型Sb的反 馈信号给驱动器。
[0076] 根据优选的实施方案，初始