用于低损失无线功率发射的系统和方法
【专利摘要】本文描述用于低损失无线功率发射的系统和方法。在一个方面中，用于发射无线功率的发射线圈包括第一和第二螺旋线圈。每一螺旋线圈包括多个匝。所述第一螺旋线圈的中心到所述第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面，且所述第二螺旋线圈的中心到所述第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面。沿着所述第一横截面的所述第一螺旋线圈和沿着所述第二横截面的所述第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着所述第一和第二横截面的最大互感的65％。所述第二螺旋线圈相对于所述第一螺旋线圈相反缠绕。
【专利说明】用于低损失无线功率发射的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及无线功率。更特定来说，本发明针对用于低损失无线功率发射的发射线圈。
【背景技术】
[0002]经由可再充电电池对增加数目和种类的电子装置供电。此类装置包含移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器等。虽然电池技术已改进，但电池供电的电子装置愈加需要且消耗更大量功率。如此，这些装置一直需要再充电。
[0003]可再充电装置通常经由通过实体上连接到电源的电缆或其它类似连接器的有线连接而充电。电缆和类似连接器可有时不方便或麻烦且具有其它缺点。能够在待用于对可再充电电子装置充电或向电子装置提供功率的自由空间中转移功率的无线充电系统可克服有线充电解决方案的一些缺陷。如此，有效且安全地将功率转移到电子装置的无线功率转移系统和方法是合乎需要的。
【发明内容】
[0004]所附权利要求书的范围内的系统、方法和装置的各个实施方案各自具有若干方面，其中任何单一者均不仅仅负责本文描述的合乎需要的属性。在不限制所附权利要求书的范围的情况下，本文描述一些显著特征。
[0005]本说明书中描述的标的物的一个或一个以上实施方案的细节在附图和下文的描述中陈述。从描述内容、图式和权利要求书将了解其它特征、方面和优点。注意，以下图式的相对尺寸可能未按比例绘制。
[0006]本发明的一个方面提供一种用于发射无线功率的发射线圈，其包括第一螺旋线圈和第二螺旋线圈。所述第一螺旋线圈包含多个匝。第一螺旋线圈的中心到第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面。第二螺旋线圈包含多个匝。第二螺旋线圈的中心到第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面。沿着第一横截面的第一螺旋线圈和沿着第二横截面的第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着第一和第二横截面的最大互感的65%。第二螺旋线圈相对于第一螺旋线圈相反缠绕。
[0007]本发明的另一方面提供一种用于发射无线功率的方法。所述方法包含用电流驱动包含多个匝的第一螺旋线圈。第一螺旋线圈的中心到第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面。所述方法进一步包含用电流驱动包含多个匝的第二螺旋线圈。第二螺旋线圈的中心到第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面。沿着第一横截面的第一螺旋线圈和沿着第二横截面的第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着第一和第二横截面的最大互感的65%。第二螺旋线圈相对于第一螺旋线圈相反缠绕。
【专利附图】
【附图说明】[0008]图1是根据示范性实施例的示范性无线功率转移系统的功能框图。
[0009]图2是根据各个示范性实施例可在图1的无线功率转移系统中使用的示范性组件的功能框图。
[0010]图3是根据示范性实施例包含发射或接收线圈的图2的发射电路或接收电路的一部分的示意图。
[0011]图4是根据示范性实施例可在图1的无线功率转移系统中使用的发射器的功能框图。
[0012]图5是根据示范性实施例可在图1的无线功率转移系统中使用的接收器的功能框图。
[0013]图6是根据各个方面的单一开关装置差分驱动放大器的示意图。
[0014]图7说明根据各个方面的示范性驱动电路。
[0015]图8说明包含无线发射器和无线接收器的示范性无线功率系统。
[0016]图9和10说明根据各个方面用于平面电压协同定位的示范性双线圈布置。
[0017]图11说明根据各个方面的示范性线圈布局。
[0018]图12说明根据各个方面的另一示范性线圈布局。
[0019]图13说明示范性线圈布置的横截面。
[0020]图14是用于示范性线圈布置的正规化互感与位置的曲线图。
[0021]图15是用于另一示范性线圈布置的正规化互感与位置的曲线图。
[0022]图中说明的各个特征可能未按比例绘制。因此，各个特征的尺寸可为清晰起见任意扩大或缩小。另外，一些图式可能未描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后，贯穿说明书和图式，可使用相同参考数字表示相同特征。
【具体实施方式】
[0023]下文结合附图陈述的详细描述希望作为本发明的示范性实施例的描述，且不希望表示其中可实践本发明的仅有实施例。贯穿本描述中使用的术语“示范性”表示“充当实例、例子或说明”，且不一定解释为与其它示范性实施例相比为优选或有利的。所述详细描述出于提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的而包含特定细节。可在没有这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些情况下，以框图形式展示众所周知的结构和装置以免混淆本文中所呈现的示范性实施例的新颖性。
[0024]以无线方式转移功率可指代在不使用物理电导体的情况下将与电场、磁场、电磁场或其它相关联的任何形式的能量从发射器转移到接收器(例如，可经由自由空间转移功率)输出到无线场(例如，磁场)中的功率可由“接收线圈”接收、俘获或耦合以实现功率转移。
[0025]图1是根据本发明的示范性实施例的示范性无线功率转移系统100的功能框图。输入功率102可从电源(未图示)提供到发射器104用于产生场105，以便在足以为装置(未图示)充电或供电的功率电平下提供能量转移。接收器108可耦合到场105且产生输出功率110，用于由耦合到输出功率110的装置存储或消耗。发射器104与接收器108两者隔开距离112。在一个示范性实施例中，发射器104和接收器108根据相互谐振关系配置。当接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率大体相同或非常接近时，发射器104与接收器108之间的发射损失最小。如此，可与可需要大线圈(要求线圈非常接近(例如，毫米))的纯感应解决方案相比，在较大距离上提供无线功率转移。谐振感应耦合技术可因此允许各种距离上以及利用多种感应线圈配置的情况下改进的效率和功率转移。
[0026]接收器108可在接收器108位于发射器104产生的能量场105中时接收功率。场105对应于其中发射器104输出的能量可由接收器105俘获的区。在一些情况下，场105可对应于发射器104的“近场”，如下文进一步描述。发射器104可包含用于输出能量发射的发射线圈114。接收器108进一步包含用于从能量发射接收或俘获能量的接收线圈118。近场可对应于其中存在源自发射线圈114中的电流和电荷的强反应场(其最小程度辐射功率离开发射线圈114)的区。在一些情况下，近场可对应于发射线圈114的约一个波长(或其分数)内的区。发射和接收线圈114和118根据待与之相关联的应用和装置设定大小。如上文描述，可通过将发射线圈114的场105中的能量的大部分耦合到接收线圈118而非将电磁波中的大部分能量传播到远场来发生有效能量转移。当定位在场105内时，可在发射线圈114与接收线圈118之间形成“耦合模式”。发射和接收线圈114和118周围的其中可发生此耦合的区域在本文中称为耦合模式区。
[0027]图2是根据本发明的各个示范性实施例可在图1的无线功率转移系统100中使用的示范性组件的功能框图。发射器204可包含发射电路206，其可包含振荡器222、驱动器电路224和滤波器与匹配电路226。振荡器222可经配置以在所要频率(例如，468.75KHz、6.78MHz或13.56MHz)下产生信号，所述所要频率可响应于频率控制信号223调整。振荡器信号可提供到驱动器电路224，驱动器电路224经配置以在例如发射线圈214的谐振频率下驱动发射线圈214。驱动器电路224可为经配置以从振荡器222接收方波且输出正弦波的开关放大器。举例来说，驱动器电路224可为类E放大器。还可包含滤波器与匹配电路226以滤出谐波或其它不想要的频率，且使发射器204的阻抗与发射线圈214匹配。
[0028]接收器208可包含接收电路210，其可包含匹配电路232和整流器与开关电路234以产生从AC功率输入输出的DC功率来为如图2所示的电池236充电或为耦合到接收器108的装置(未图示)供电。可包含匹配电路232以使接收电路210的阻抗与接收线圈218匹配。接收器208和发射器204可额外在单独通信信道219 (例如，蓝牙、zigbee、蜂窝等)上通信。接收器208和发射器204可或者使用无线场206的特性经由带内信令通信。
[0029]如下文更充分描述，可初始具有选择性可停用相关联负载(例如，电池236)的接收器208可经配置以确定发射器204发射和接收器208接收的功率量是否适于为电池236充电。此外，接收器208可经配置以在确定功率量适当后即可启用负载(例如，电池236)。在一些实施例中，接收器208可经配置以在不为电池236充电的情况下直接利用从无线功率转移场接收的功率。举例来说，例如近场通信(NFC)或射频识别装置(RFID)等通信装置可经配置以从无线功率转移场接收功率且通过与无线功率转移场交互而通信，且/或利用所接收功率与发射器204或其它装置通信。
[0030]图3是根据本发明的示范性实施例包含发射或接收线圈352的图2的发射电路206或接收电路210的一部分的示意图。如图3中说明，示范性实施例中使用的发射或接收电路350可包含线圈352。线圈也可称为或配置为“环形”线圈352。线圈352在本文中也可称为或配置为“磁性”天线或感应线圈。术语“线圈”既定指代可以无线方式输出或接收能量供耦合到另一“线圈”的组件。所述线圈还可称为经配置以用无线方式输出或接收功率的类型的“天线”。线圈352可经配置以包含空气芯或物理芯(例如，铁氧体芯(未图示))。空气芯环形线圈可能更能容忍放置在芯附近的外来物理装置。此外，空气芯环形线圈352允许将其它组件放置在芯区域内。另外，空气芯环形可更容易实现将接收线圈218 (图2)放置在发射线圈214(图2)的平面内，在所述平面中发射线圈214(图2)的耦合模式区
可更具能量。
[0031]如所述，发射器104与接收器108之间的能量的有效转移可在发射器104与接收器108之间的匹配或近似匹配的谐振期间发生。然而，即使当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，也可转移能量，但效率可受影响。通过将来自发射线圈的场105的能量耦合到驻留在其中建立有此场105的相邻区域中的接收线圈而非将能量从发射线圈传播到自由空间中而发生能量的转移。
[0032]环形或磁性线圈的谐振频率基于电感和电容。电感可简单地为由线圈352产生的电感，而电容可被添加到线圈的电感以在所要谐振频率下产生谐振结构。作为非限制性实例，电容器352和电容器354可被添加到发射或接收电路350以产生在谐振频率下选择信号356的谐振电路。因此，对于较大直径线圈，维持谐振所需的电容的大小可随环形的直径或电感增加而减小。此外，随着线圈直径增加，近场的有效能量转移面积可增加。使用其它组件形成的其它谐振电路也是可能的。作为另一非限制性实例，电容器可并联放置在线圈350的两个端子之间。对于发射线圈，具有大体对应于线圈352的谐振频率的频率的信号358可以是线圈352的输入。
[0033]在一个实施例中，发射器104可经配置以输出具有对应于发射线圈114的谐振频率的频率的时变磁场。当接收器在场105内时，时变磁场可在接收线圈118中引起电流。如上文描述，如果接收线圈118经配置以在发射线圈118的频率下谐振，那么能量可有效转移。接收线圈118中引起的AC信号可如上文描述整流以产生可经提供以为负载充电或供电的DC信号。
[0034]图4是根据本发明的示范性实施例可在图1的无线功率转移系统中使用的发射器404的功能框图。发射器404可包含发射电路406和发射线圈414。发射线圈414可为如图3所示的线圈352。发射电路406可通过提供振荡信号将RF功率提供到发射线圈414，从而导致在发射线圈414周围产生能量(例如，磁通量)。发射器404可在任何适宜的频率下操作。举例来说，发射器404可在13.56MHz的ISM频带下操作。
[0035]发射电路406可包含用于将发射电路406的阻抗(例如，50欧姆)与发射线圈414匹配的固定阻抗匹配电路409，以及经配置以将谐振发射减小到防止耦合到接收器108 (图1)的装置的自干扰的水平的低通滤波器(LPF)408。其它示范性实施例可包含不同滤波器拓扑，包含(但不限于)陷波滤波器，其衰减特定频率同时使其它频率通过且可包含自适应阻抗匹配，所述自适应阻抗匹配可基于可测量发射量度(例如，到线圈414的输出功率或由驱动器电路424汲取的DC电流)变化。发射电路406进一步包含经配置以驱动如振荡器423确定的RF信号的驱动器电路424。发射电路406可包括离散装置或电路，或作为替代，可包括集成组合件。从发射线圈414输出的示范性RF功率可约为2.5瓦。
[0036]发射电路406可进一步包含控制器415，用于在特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间选择性启用振荡器423，用于调整振荡器423的频率或相位，以及用于调整用于实施用于经由其所附接接收器与相邻装置交互的通信协议的输出功率电平。应注意，控制器415在本文也可称为处理器415。振荡器相位和发射路径中的相关电路的调整可允许减少频带发射的输出，尤其当从一个频率转变到另一频率时。
[0037]发射电路406可进一步包含负载感测电路416，用于检测发射线圈414产生的近场附近有源接收器的存在与否。借助实例，负载感测电路416监视流动到驱动器电路424的电流，其可受发射线圈414产生的场附近有源接收器的存在与否影响，如下文将进一步描述。对驱动器电路424上的负载的改变的检测由控制器415监视以用于确定是否启用振荡器423来发射能量和与有源接收器通信。如下文更充分描述，驱动器电路424处测得的电流可用于确定无效装置是否定位在发射器404的无线功率转移区内。
[0038]发射线圈414可以李兹线实施或实施为具有经选择以保持电阻损失为低的厚度、宽度和金属类型的天线条带。在一个实施方案中，发射线圈414可通常经配置以与例如桌子、垫子、灯或其它不方便携带的配置等较大结构关联。因此，发射线圈414通常可不需要“匝”以具有可行尺寸。发射线圈414的示范性实施方案可“电学上较小”(即，波长的分数)且经调谐以通过使用电容器界定谐振频率而在较低可用频率下谐振。
[0039]发射器404可搜集和追踪关于可与发射器404相关联的接收器装置的行踪和状态的信息。因此，发射电路406可包含连接到控制器415 (本文也称为处理器)的存在检测器480、封围检测器460或其组合。控制器415可响应于来自存在检测器480和封围检测器460的存在信号调整驱动器电路424递送的功率量。发射器404可接收通过若干电源的功率，例如用以转换建筑物中存在的常规AC功率的AC-DC转换器(未图示)、用以将常规DC电源转换为适于发射器404的电压的DC-DC转换器(未图示)，或者直接从常规DC电源(未图示)接收功率、
[0040]作为非限制性实例，存在检测器480可为用于感测待充电的装置的初始存在的运动检测器，其插入到发射器404的覆盖区域中。在检测之后，发射器404可接通且装置接收的RF功率可用于以预定方式切换Rx装置上的开关，这又导致对发射器404的驱动点阻抗的改变。
[0041]作为另一非限制性实例，存在检测器480可为能够例如通过红外线检测、运动检测或其它适宜的手段检测人的检测器。在一些示范性实施例中，可存在限制发射线圈414可在特定频率下发射的功率量的规定。在一些情况下，这些规定有意保护人免受电磁辐射影响。然而，可存在其中发射线圈414放置在人未占据或人不经常占据的区域(例如，车库、工厂车间、商店等)中的环境。如果这些环境中没有人，那么可能可允许将发射线圈414的功率输出增加到正常功率限制规定以上。换句话说，控制器415可响应于人存在而将发射线圈414的功率输出调整到规定电平或更低，且当人在距发射线圈414的电磁场规定距离外时将发射线圈414的功率输出调整到规定电平以上的电平。
[0042]作为非限制性实例，封围检测器460 (本文也可称为封围隔间检测器或封围空间检测器)可为例如用于确定何时封围体处于关闭或打开状态的感测开关等装置。当发射器在处于封围状态的封围体中时，可增加发射器的功率电平。
[0043]在示范性实施例中，可使用使得发射器404不会无限期保持开启的方法。在此情况下，发射器404可经编程以在用户确定的时间量之后关闭。此特征防止发射器404 (特别是驱动器电路424)在其周界内的无线装置完全充电之后运行很长时间。此事件可能归因于用以检测从中继器或接收线圈发送的指示装置充满的信号的电路的故障。为了防止发射器404在另一装置放置于其周界内时自动停止运转，可仅在检测到其周界内缺少运动的设定周期后激活发射器404自动关闭特征。用户可能够确定不活动时间间隔，且在需要时改变所述不活动时间间隔。作为一非限制性实例，所述时间间隔可比在假定特定类型的无线装置最初完全放电的情况下充满所述装置所需的时间间隔长。
[0044]图5是根据本发明的示范性实施例可在图1的无线功率转移系统中使用的接收器508的功能框图。接收器508包含可包含接收线圈518的接收电路510。接收器508进一步耦合到装置550以向装置550提供所接收的功率。应注意，将接收器508说明为在装置550外部，但其可集成到装置550中。能量可以无线方式传播到接收线圈518，且接着经由接收电路510的其余部分耦合到装置550。借助实例，充电装置可包含例如移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器(其它医疗装置)等装置。
[0045]接收线圈518可经调谐以在与发射线圈414相同的频率下或在指定频率范围内谐振。接收线圈518可与发射线圈414类似地设定尺寸或可基于相关联装置550的尺寸不同地设定大小。借助实例，装置550可为具有小于发射线圈414的直径或长度的直径或长度尺寸的便携式电子装置。在此实例中，接收线圈518可实施为多匝线圈以便减小调谐电容器(未图示)的电容值并增加接收线圈的阻抗。借助实例，接收线圈518可放置在装置550的实质圆周周围以便使线圈直径最大化且减少接收线圈518的环形匝(即，绕组)数和绕组间电容。
[0046]接收电路510可向接收线圈518提供阻抗匹配。接收电路510包含用于将所接收RF能量源转换为充电功率以供装置550使用的功率转换电路506。功率转换电路506包含RF到DC转换器520且还可包含DC到DC转换器522。RF到DC转换器520将接收线圈518处接收的RF能量信号整流为非交流功率，其中输出电压由V,eet表示。DC到DC转换器522 (或其它功率调整器)将经整流RF能量信号转换为与装置550兼容的能量势(例如，电压)，其中输出电压和输出电流由Vwt和Iwt表示。预期各种RF到DC转换器，其包含部分和全整流器、调节器、桥接器、倍增器以及线性和开关转换器。
[0047]接收电路510可进一步包含开关电路512，其用于将接收线圈518连接到功率转换电路506或者用于将功率转换电路506断开连接。将接收线圈518从功率转换电路506断开连接不仅中止装置550的充电而且改变如发射器404 (图2)所“见”的“负载”。
[0048]如上文揭示，发射器404包含负载感测电路416，其可检测提供到发射器驱动器电路424的偏置电流中的波动。因此，发射器404具有用于确定何时接收器存在于发射器的近场中的机制。
[0049]当多个接收器508存在于发射器的近场中时，可能需要对一个或一个以上接收器的负载和卸载进行时分多工以使其它接收器能够更有效耦合到发射器。接收器508还可遮蔽以便排除耦合到其它附近接收器或减小附近发射器上的负载。接收器的此“卸载”在本文中也称为“遮蔽”。此外，接收器508控制且由发射器404检测的卸载与负载之间的此切换可提供从接收器508到发射器404的通信机制，如下文更充分阐释。另外，实现消息从接收器508到发射器404的发送的协议可与所述切换相关联。借助实例，切换速度可约为100 μ Sec0
[0050]在示范性实施例中，发射器404与接收器508之间的通信指代装置感测和充电控制机制，而非常规双向通信(即，使用耦合场的带内信令)。换句话说，发射器404可使用所发射信号的开/关键控来调整能量是否在近场中可用。接收器可将能量的这些改变解释为来自发射器404的消息。从接收器侧，接收器508可使用接收线圈518的调谐和解除调谐来调整正从场接受多少功率。在一些情况下，可经由开关电路512实现调谐和解除调谐。发射器404可检测来自所述场的所使用功率的此差异且将这些改变解释为来自接收器508的消息。应注意，可利用发射功率和负载行为的其它形式的调制。
[0051]接收电路510可进一步包含用于识别所接收能量波动的信令检测器与信标电路514，所述所接收能量波动可对应于从发射器到接收器的信息信令。此外，信令与信标电路514还可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射，并将所述减少的RF信号能量整流为标称功率，以用于唤醒接收电路510内的未供电或耗尽电的电路，以便配置接收电路510以进行无线充电。
[0052]接收电路510进一步包含用于协调本文所描述的接收器508的处理(包含对本文所描述的开关电路512的控制)的处理器516。接收器508的遮蔽也可在其它事件(包含检测到向装置550提供充电功率的外部有线充电源(例如，壁式/USB电力))的发生之后即刻发生。除控制接收器的遮蔽外处理器516还可监视信标电路514以确定信标状态且提取从发射器404发送的消息。处理器516还可调整DC到DC转换器522以实现改进的性能。
[0053]图6描绘根据一些方面的示范性单一开关装置差分驱动放大器624的示意图。在某些方面中，差分驱动放大器624可对应于图2的驱动器电路224。放大器624包含连接到供应电压(+Vcc)的上部RLC(电阻器/电感器/电容器)网络670，和连接到接地的下部RLC网络672。上部网络670和下部网络672共享开关装置671，其在两个网络之间浮动。开关装置671可接收可控制开关装置671的开关操作的控制或驱动信号。开关装置671还可界定两个输出节点nl和n2，其中分别存在差分输出信号。控制或驱动信号可致使开关装置更改其传导状态。以此方式，可在节点nl和节点n2处产生彼此大体相等且相反的差分输出信号。
[0054]上部RLC网络670可与下部RLC网络672匹配，使得网络的组件的特性(例如，电阻、电容、电感等)大体相同。根据一些实例实施例，开关装置671可连接在电感器(也称为绕组或线圈)LI与L2之间(其可匹配且紧密耦合)。电感器L3与L4也可匹配且紧密耦
入
口 ο
[0055]如本文使用，术语“浮动”可用于指示装置不连接到固定电位(例如，+Vcc或接地)。举例来说，如果经由非零阻抗组件(例如，电感器或电容器)连接到固定电位，那么装置可在浮动。如此，浮动组件的端子处的电位可趋向于相对于固定电位徘徊或浮动。
[0056]可体现为晶体管(例如，场效晶体管等)的开关装置671可响应于控制或驱动信号(例如，图6中描绘的方波)切换为断开或闭合。根据各个实例实施例，上部和下部网络中的电流Il和12在相应网络中在相反方向上。由于开关装置671执行的开关操作以及电流Il和12的缘故，可在节点nl和n2处产生差分输出信号。归因于L3电感器与L4电感器的耦合效应，节点nl和π2处产生的差分输出信号可交互以排除输入信号中存在的噪声。如此，负载RL可接收具有所传导和所辐射噪声两者中的相关联减少的信号。
[0057]如上所述，电感器L3与L4之间的耦合可促进放大器提供的噪声的减小。为使噪声消除最大化，电感器L3与L4可定位成尽可能靠近在一起使得电感器强有力地耦合。在实践中，设计者可能希望接近完全噪声消除的假设情况，同时仍避免信号的完全消除。根据一些实例实施例，可使用一对强有力稱合的电感器，其组合在单一封装中，例如CoiltronixDRQ127-470-R，这导致电感器尽可能紧密耦合。由于强耦合的缘故，电感器的每一者中的电流的值可被迫几乎相等，从而促进相反定向信号的产生。根据其中电感器不包含在同一封装(例如，无线功率系统)中的实例实施例，电感器L3和L4可为用于将无线功率发射到一个或一个以上次级线圈的互缠绕线圈，且可通过维持电感器在紧密近程中而利用强耦合。
[0058]图7说明根据一些实例实施例的驱动电路722。在某些方面中，驱动器电路722可对应于图2的振荡器222。驱动电路722可接收781处的输入信号且将784处的驱动信号提供到开关装置771的栅极。784处的驱动信号可经由栅极驱动变压器782和h桥网络783产生。根据一些实例实施例，为产生784处的用于开关装置的驱动信号，可使用变压器782实施隔离的驱动方案。根据一些实例实施例，变压器782可为脉冲变压器。变压器782可感测其输入端子上的电压差且在其输出端子上应用相同电压。通过在开关装置771的栅极和源极上连接变压器782的输出端子，可执行开关，尽管源极和漏极正在nl与n2之间浮动。
[0059]在一些实例实施例中，开关装置771可经设计以快速开关，这可能需要开关装置的栅极处的快速改变的驱动信号。为实现快速改变的驱动信号，可利用h桥电路783。参看图6，h桥电路783可包含二极管Dl和D2，以及双极结晶体管(BJT)Bl和B2。所述二极管以及电容器Cl和C2可形成电压倍增器电路，其可用于在节点n4和n2上产生直流(DC)电压。可在推拉配置中设定BJT以使用此DC电压驱动开关装置771的栅极。推拉配置可依赖于BJT的若干固有特性。BI可为PNP晶体管且充当集极(连接到节点n4)与发射极(连接到节点ng)之间的闭合开关,而BJT基极电压(连接到节点n3)可高于发射极处的电压。另一方面，B2可为NPN晶体管且充当其集极(连接到节点n2)与发射极(连接到节点ng)之间的闭合开关，而其基极电压(连接到节点n3)可低于发射极处的电压。当不作为闭合开关操作时，BI和B2两者可充当断开开关。
[0060]当变压器迫使节点n3的电压高于节点n2处的电压时，BI可感测其基极与发射极端子之间的正电压从而产生从电容器Cl流动到开关装置771的栅极的电流。同样，B2可感测其基极与其发射极之间的较低电压从而致使开关装置71的栅极向节点n2放电。因此，h桥783提供开关装置771的栅极处的信号的电压的快速斜坡上升和斜坡下降(相对于源)，借此允许快速切换。
[0061]图8描绘根据各个方面的实例无线功率系统800。图8的无线功率系统可包含无线功率发射器804和无线功率接收器808。无线功率发射器804可包含差分驱动放大器824，其又可包含单一开关装置871和驱动电路822。在某些方面中，驱动电路822和差分驱动放大器824可分别对应于图6和7的驱动器电路722和差分驱动放大器624。驱动电路822可接收输入信号802。无线功率发射器804还可包含供应网络825和初级线圈814。无线功率接收器808可包含次级线圈818、整流器834和负载850 (其可为动态负载)。在一些实例实施例中，负载850可为用于电子装置的可再充电电池。
[0062]根据各个方面，图8的无线功率系统实施开关操作以将供应网络825提供的DC电压转换为高频率信号。差分驱动放大器824可如上文描述操作以产生差分且大体上相等并相反的两个高频率输出信号。差分输出信号可递送到经定位以经由初级线圈814的耦合提供噪声消除的相应初级线圈。初级线圈814可经定向使得线圈中的电流在相同方向上流动，借此提供噪声消除，同时还具有对初级线圈814的磁场产生的最小影响。归因于电流方向，可产生具有相同极性的磁场。所述磁场可在无线功率接收器818的所述一个或一个以上次级线圈中引起电流。所述一个或一个以上次级线圈818可接收所引起的交流电(AC)信号，所述AC信号可接着经由整流器834整流且馈送到负载850。
[0063]根据一些方面，初级线圈814可经配置以通过在初级线圈814界定的平面表面上的任何位置处协同定位大体相等且相反电压而促进噪声消除。根据一些实例实施例，初级线圈814可经配置以在围绕初级线圈网络的三维空间中的任何位置处协同定位大体相等且相反电压。根据各个实例实施例，初级线圈814可由如上文描述的差分输出信号驱动。然而，根据一些实例实施例，本文描述的初级线圈布置和配置可结合任何类型的差分驱动放大器利用，包含(不限于)如本文描述的单一开关装置差分驱动放大器。举例来说，初级线圈布置和配置可与包含多个开关装置和/或晶体管的差分驱动放大器一起使用。
[0064]相对于初级线圈814的定位配置，每一初级线圈可作为螺旋缠绕在几何平面上。为促进电压的协同定位，线圈的每一匝之间的距离可随着螺旋配置朝向区域中心移动而增力口。第一线圈和第二线圈可因此具有大体上在共同平面内的螺旋配置，其实现在共同平面上的任何位置处分别协同定位第一和第二线圈内的大体相等且相反电压。根据一些实例实施例，可利用单一线圈，其盘旋到中心点或区域，且接着盘旋回去。如此，线圈布置可由在中心位置处连接以实现单一线圈实施例的两个线圈构成。
[0065]图9说明根据各个方面的示范性双线圈布置的透视图。图10说明根据各个实例方面的示范性双线圈布置的俯视图。图11说明仅描绘第一线圈的图10的方面的俯视图，且图12说明仅描绘第二线圈的图10的方面的俯视图。
[0066]在一些方面中，图8的初级线圈814可形成为图9和10的双线圈结构。每一线圈可由与驱动另一线圈的信号大体相等且相反的信号驱动。一个线圈可逆时针缠绕，而另一线圈可顺时针缠绕。一个线圈可大体上为另一线圈的反射且具有与另一线圈相同的总长度。两个线圈可通过将一个线圈放置在另一线圈上方、下方或与另一线圈交织而一起配置以产生单一线圈结构。图9和10的双线圈布置例如可形成其中线圈大体上在共同平面上且具有共同中心的单一线圈结构。在一些方面中，单一线圈结构可改为包含一个线圈或三个或三个以上线圈。在某些方面中，单一线圈结构可进一步用作例如图8的次级线圈818等接收器线圈。
[0067]单一线圈结构可在一些方面中为非平面的，且在其它方面中为平面的且具有柔性平面。单一线圈结构可为任何对称形状，包含例如矩形或圆形。单一线圈结构可在各个定向上定向，包含垂直、水平和对角以及其它可能性。此外，单一线圈结构可位于多种项目上或中，包含表面、墙壁、磁带和便携式电子元件以及其它可能性。
[0068]在一些方面中，单一线圈结构的用于在到每一线圈的信号中输入的部分可从除沿着单一线圈结构的边缘的隅角以外的位置馈入。举例来说，可沿着如图10中说明的顶部中心边缘垂直于单一线圈结构的顶侧输入信号。
[0069]单一线圈结构的每一隅角可具有最小匝半径。在特定方面中，最小匝半径可近似为5毫米。最小匝半径可在其它方面中更大或更小。
[0070]例如图8的次级线圈818等接收线圈可放置在单一线圈结构的周界或内部区域上方或下方。接收线圈可距单一线圈结构的一个线圈第一距离，且距单一线圈结构的另一线圈第二距离。在第二方面中，第一和第二距离可各自在3毫米到40毫米之间的范围之间。在其它方面中，第一和第二距离可小于3毫米或大于40毫米。另外，在一些方面中，第一距离可等于第二距离使得单一线圈结构的第一和第二线圈可紧密定位且大体上定位在共同平面上。
[0071]图13说明从单一线圈结构的中心1302到最外匝1312( 即，第五匝)的单一线圈结构的实例横截面1300的侧视图。单一线圈结构的连续匝之间的间隔可表示为变量且确定为沿着从中心1302到最外匝1312的单一线圈结构的横截面的距离的函数。所说明的单一线圈结构包含N匝(即，五匝)，包含第一匝1304、第二匝1306、第三匝1308、第四匝1310和最外匝1312。从中心1302到第i匝(例如，第三匝)的距离表示为屯，且从中心1302到最外匝1312的中心的距离表示为D/2。
[0072]在一些方面中，沿着从单一线圈结构的中心到第i匝的横截面的距离Cli由等式I的函数给出。
[0073]等式
【权利要求】
1.一种用于将无线功率发射到接收线圈的发射线圈，所述发射线圈包括: 第一螺旋线圈，其包括多个匝，所述第一螺旋线圈的中心到所述第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面；以及 第二螺旋线圈，其包括多个匝，所述第二螺旋线圈的中心到所述第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面，沿着所述第一横截面的所述第一螺旋线圈和沿着所述第二横截面的所述第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着所述第一和第二横截面的最大互感的65%，所述第二螺旋线圈相对于所述第一螺旋线圈相反缠绕。
2.根据权利要求1所述的发射线圈，其中所述第二螺旋线圈位于所述第一螺旋线圈上方或下方。
3.根据权利要求1所述的发射线圈，其中所述第二螺旋线圈与所述第一螺旋线圈交织。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的发射线圈，其中所述第二螺旋线圈的总长度是与所述第一螺旋线圈的总长度相同的长度，且所述第二螺旋线圈大体上定形为所述第一螺旋线圈的反射。
5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的发射线圈，其中所述接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的发射线圈，其中所述第二螺旋线圈大体上位于与所述第一螺旋线圈共同的平面上且具有与所述第一螺旋线圈共同的中心， 所述第一和第二横截面大体上位于共同平面上，且 沿着所述第一或第二螺旋线圈的所述第一或第二横截面从所述共同中心到特定匝的中心的匝距离是以下各项的函数:从所述共同中心到所述第一或第二螺旋线圈的所述最外匝的距离、对应于所述第一或第二螺旋线圈的匝之间的间隔的第一值、所述第一和第二螺旋线圈的匝的总数之和，以及对应于所述特定匝的第一数目。
7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的发射线圈，其中所述第一和第二螺旋线圈电耦合到驱动器电路，大体上位于共同平面上且经配置以用无线方式在足以对接收器装置充电或供电的电平下发射功率。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的发射线圈，其中用于所述第一和第二螺旋线圈的输入信号经配置以处在6.5兆赫到7兆赫的频率范围内。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的发射线圈，其中所述第一和第二螺旋线圈的每一匝经配置以具有大于5毫米的最小匝半径的匝半径。
10.一种用于将无线功率发射到接收线圈的方法，所述方法包括: 用电流驱动包括多个匝的第一螺旋线圈，所述第一螺旋线圈的中心到所述第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面；以及 用电流驱动包括多个匝的第二螺旋线圈，所述第二螺旋线圈的中心到所述第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面，沿着所述第一横截面的所述第一螺旋线圈和沿着所述第二横截面的所述第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着所述第一和第二横截面的最大互感的65%，所述第二螺旋线圈相对于所述第一螺旋线圈相反缠绕。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二螺旋线圈位于所述第一螺旋线圈上方或下方。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二螺旋线圈与所述第一螺旋线圈交织。
13.根据权利要求10到12中任一权利要求所述的方法，其中所述第二螺旋线圈的总长度是与所述第一螺旋线圈的总长度相同的长度，且所述第二螺旋线圈大体上定形为所述第一螺旋线圈的反射。
14.根据权利要求10到13中任一权利要求所述的方法，其中所述接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈。
15.根据权利要求10到14中任一权利要求所述的方法，其中所述第二螺旋线圈大体上位于与所述第一螺旋线圈共同的平面上且具有与所述第一螺旋线圈共同的中心， 所述第一和第二横截面大体上位于共同平面上，且 沿着所述第一或第二螺旋线圈的所述第一或第二横截面从所述共同中心到特定匝的中心的匝距离是以下各项的函数:从所述共同中心到所述第一或第二螺旋线圈的所述最外匝的距离、对应于所述第一或第二螺旋线圈的匝之间的间隔的第一值、所述第一和第二螺旋线圈的匝的总数之和，以及对应于所述特定匝的第一数目。
16.根据权利要求10到15中任一权利要求所述的方法，其中所述第一和第二螺旋线圈电耦合到驱动器电路，大体上位于共同平面上且经配置以用无线方式在足以对接收器装置充电或供电的电平下发射功率。
17.根据权利要求10到16中任一权利要求所述的方法，其中用于所述第一和第二螺旋线圈的输入信号经配置以处在6.5兆赫到7兆赫的频率范围内。
18.根据权利要求10到17中任一权利要求所述的方法，其中所述第一和第二螺旋线圈的每一匝经配置以具有大于5毫米的最小匝半径的匝半径。
19.一种用于将无线功率发射到接收线圈的设备，所述设备包括: 用于用电流驱动包括多个匝的第一螺旋线圈的装置，所述第一螺旋线圈的中心到所述第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面；以及 用于用电流驱动包括多个匝的第二螺旋线圈的装置，所述第二螺旋线圈的中心到所述第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面，沿着所述第一横截面的所述第一螺旋线圈和沿着所述第二横截面的所述第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着所述第一和第二横截面的最大互感的65%，所述第二螺旋线圈相对于所述第一螺旋线圈相反缠绕。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述第二螺旋线圈位于所述第一螺旋线圈上方或下方。
21.根据权利要求19所述的设备，其中所述第二螺旋线圈与所述第一螺旋线圈交织。
22.根据权利要求19到21中任一权利要求所述的设备，其中所述第二螺旋线圈的总长度是与所述第一螺旋线圈的总长度相同的长度，且所述第二螺旋线圈大体上定形为所述第一螺旋线圈的反射。
23.根据权利要求19到22中任一权利要求所述的设备，其中所述接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈。
24.根据权利要求19到23中任一权利要求所述的设备，其中所述第二螺旋线圈大体上位于与所述第一螺旋线圈共同的平面上且具有与所述第一螺旋线圈共同的中心， 所述第一和第二横截面大体上位于共同平面上，且沿着所述第一或第二螺旋线圈的所述第一或第二横截面从所述共同中心到特定匝的中心的匝距离是以下各项的函数:从所述共同中心到所述第一或第二螺旋线圈的所述最外匝的距离、对应于所述第一或第二螺旋线圈的匝之间的间隔的第一值、所述第一和第二螺旋线圈的匝的总数之和，以及对应于所述特定匝的第一数目。
25.根据权利要求19到24中任一权利要求所述的设备，其中所述第一螺旋线圈电耦合到所述用于驱动所述第一螺旋线圈的装置，且所述第二螺旋线圈电耦合到所述用于驱动所述第二螺旋线圈的装置，且 其中所述第一和第二螺旋线圈大体上位于共同平面上且经配置以用无线方式在足以对接收器装置充电或供电的电平下发射功率。
26.根据权利要求19到25中任一权利要求所述的设备，其中用于所述第一和第二螺旋线圈的输入信号经配置以处在6.5兆赫到7兆赫的频率范围内。
27.根据权利要求19到26中任一权利要求所述的设备，其中所述第一和第二螺旋线圈的每一匝经配置以具有大于5毫米的最小匝半径的匝半径。
28.一种存储可执行程序指令的非暂时性计算机存储装置，所述指令引导用于将无线功率发射到接收线圈的设备执行包括以下步骤的过程: 用电流驱动包括多个匝的第一螺旋线圈，所述第一螺旋线圈的中心到所述第一螺旋线圈的最外匝界定第一横截面；以及 用电流驱动包括多个匝的第二螺旋线圈，所述第二螺旋线圈的中心到所述第二螺旋线圈的最外匝界定第二横截面，沿着所述第一横截面的所述第一螺旋线圈和沿着所述第二横截面的所述第二螺旋线圈的部分具有相对于接收线圈的互感，其大于沿着所述第一和第二横截面的最大互感的65%，所述第二螺旋线圈相对于所述第一螺旋线圈相反缠绕。
29.根据权利要求28所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述第二螺旋线圈位于所述第一螺旋线圈上方或下方。
30.根据权利要求28所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述第二螺旋线圈与所述第一螺旋线圈交织。
31.根据权利要求28到30中任一权利要求所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述第二螺旋线圈的总长度是与所述第一螺旋线圈的总长度相同的长度，且所述第二螺旋线圈大体上定形为所述第一螺旋线圈的反射。
32.根据权利要求28到31中任一权利要求所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述接收线圈包括第一接收线圈和第二接收线圈。
33.根据权利要求28到32中任一权利要求所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述第二螺旋线圈大体上位于与所述第一螺旋线圈共同的平面上且具有与所述第一螺旋线圈共同的中心， 所述第一和第二横截面大体上位于共同平面上，且 沿着所述第一或第二螺旋线圈的所述第一或第二横截面从所述共同中心到特定匝的中心的匝距离是以下各项的函数:从所述共同中心到所述第一或第二螺旋线圈的所述最外匝的距离、对应于所述第一或第二螺旋线圈的匝之间的间隔的第一值、所述第一和第二螺旋线圈的匝的总数之和，以及对应于所述特定匝的第一数目。
34.根据权利要求28到33中任一权利要求所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述第一和第二螺旋线圈电耦合到驱动器电路，大体上位于共同平面上且经配置以用无线方式在足以对接收器装置充电或供电的电平下发射功率。
35.根据权利要求28到34中任一权利要求所述的非暂时性计算机存储装置，其中用于所述第一和第二螺旋线圈的输入信号经配置以处在6.5兆赫到7兆赫的频率范围内。
36.根据权利要 求28到35中任一权利要求所述的非暂时性计算机存储装置，其中所述第一和第二螺旋线圈的每一匝经配置以具有大于5毫米的最小匝半径的匝半径。
【文档编号】H04B5/00GK103999373SQ201280061702
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月16日
【发明者】斯里尼瓦·卡斯图里, 阿施施·古普塔, 迈克尔·K·麦克法兰 申请人:高通股份有限公司