RU2623095C2 - Wireless charging system and its application for charging mobile and portable devices - Google Patents
Wireless charging system and its application for charging mobile and portable devices Download PDFInfo
- Publication number
- RU2623095C2 RU2623095C2 RU2014150992A RU2014150992A RU2623095C2 RU 2623095 C2 RU2623095 C2 RU 2623095C2 RU 2014150992 A RU2014150992 A RU 2014150992A RU 2014150992 A RU2014150992 A RU 2014150992A RU 2623095 C2 RU2623095 C2 RU 2623095C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inductor
- transmitting
- receiving
- impedance matching
- inductance coil
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
Landscapes
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение, в целом, относится к технологии передачи электромагнитной энергии (WPT) и, в частности, к системе беспроводной зарядки, выполненной с возможностью осуществления одновременной зарядки множества мобильных устройств.The present invention, in General, relates to technology for the transfer of electromagnetic energy (WPT) and, in particular, to a wireless charging system configured to simultaneously charge multiple mobile devices.
Уровень техникиState of the art
Технология передачи электромагнитной энергии была разработана для мобильных и переносных электронных устройств с целью обеспечения удобного способа зарядки встроенных батарей устройств или подачи энергии на соединенные с ними устройства. Блоки беспроводной передачи энергии, как правило, работают в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц.The technology for transferring electromagnetic energy has been developed for mobile and portable electronic devices in order to provide a convenient way to charge the device’s internal batteries or to supply energy to devices connected to them. Wireless power transmission units typically operate in the frequency range from 100 kHz to 100 MHz.
Традиционное мобильное устройство с функцией беспроводной зарядки имеет батарейный блок и приемную катушку индуктивности, установленные внутри него. Его зарядка осуществляется при нахождении в непосредственной близости от передающей катушки индуктивности беспроводной передачи энергии. Индуцированная электродвижущая сила генерируется в приемной катушке индуктивности посредством электромагнитного поля, образованного посредством передающей катушки индуктивности, при этом электроэнергия, индуцированная из этой электродвижущей силы, осуществляет зарядку батарейного блока мобильного устройства.A traditional mobile device with a wireless charging function has a battery pack and a receiving inductor mounted inside it. Its charging is carried out while in the immediate vicinity of the transmitting inductance coil of the wireless energy transfer. An induced electromotive force is generated in the receiving inductor by means of an electromagnetic field generated by the transmitting inductor, while the electric energy induced from this electromotive force charges the battery pack of the mobile device.
Наиболее распространенной архитектурой устройства зарядки с использованием электромагнитной энергии является сеть с топологией типа «звезда». Блок беспроводной передачи энергии взаимодействует с одним или более мобильными устройствами с целью осуществления одновременной зарядки. Беспроводная связь достигается через резонатор передачи энергии (TX) и резонаторы приема энергии (RX): катушки индуктивности, состоящие в магнитной связи с цепями согласования импедансов. Источник энергии соединяется с резонатором передачи энергии (TX), а резонатор приема энергии (RX) соединяется с выпрямителем для преобразования энергии из переменного тока в постоянный ток на стороне приемника.The most common architecture for a charging device using electromagnetic energy is a network with a star topology. The wireless power transmission unit interacts with one or more mobile devices to perform simultaneous charging. Wireless communication is achieved through an energy transfer resonator (TX) and power reception resonators (RX): inductors, which are magnetically coupled to impedance matching circuits. An energy source is connected to a power transmission resonator (TX), and a power reception resonator (RX) is connected to a rectifier to convert energy from alternating current to direct current on the receiver side.
Главной проблемой блоков беспроводной передачи энергии, нечувствительных к взаимному расположению приемника и передатчика и/или большой дальности, является высокий уровень излучения электромагнитных помех (EMI). Слабо индуктивно связанные крупноразмерные блоки беспроводной передачи энергии используют высокие напряжения переключения и большие токи в крупноразмерных первичных катушках индуктивности, вследствие чего электромагнитные помехи (EMI) оказывают паразитное воздействие на другие электронные приборы. Использование крупноразмерных неэкранированных передающих (ТХ) катушек индуктивности для передачи энергии на большие расстояния дополнительно подвергает окрестности влиянию возникающих электромагнитных помех (EMI).The main problem of wireless power transmission units, insensitive to the relative position of the receiver and transmitter and / or long-range, is the high level of electromagnetic interference (EMI). Weakly inductively coupled large-sized units for wireless energy transfer use high switching voltages and high currents in large-sized primary inductors, as a result of which electromagnetic interference (EMI) has a spurious effect on other electronic devices. The use of large-sized unshielded transmitting (TX) inductors for transmitting energy over long distances additionally exposes the surroundings to the effects of electromagnetic interference (EMI).
В документе US 2012/0228959 A1 раскрыт способ и система для передачи энергии на электронные устройства беспроводным способом посредством использования магнитной связи между двумя катушками индуктивности, находящимися в непосредственной близости, с целью передачи достаточного количества энергии для зарядки электронного устройства. Описываются плоские индукторы, имеющие характеристики, которые предоставляют возможность создания однородного магнитного поля. Управляющий дифференциальный усилитель включает в себя переключающее устройство, связанное с первым узлом вывода и вторым узлом вывода. Первый узел вывода и второй узел вывода приводят в действие цепь нагрузки, включающую в себя передающие катушки индуктивности. Первый и второй выходные сигналы могут быть практически равными по величине, при этом обратными по полярности, относительно эталонного напряжения. Приемник электромагнитной энергии может включать в себя схему приема, выполненную с возможностью связи с катушкой индуктивности приемника и нагрузкой. Приемник выполнен с возможностью настройки в соответствии с нагрузкой для получения импеданса, сохраняющегося практически постоянным после размещения приемника в пределах активной области зарядки передатчика. Однако в документе US 2012/0228959 A1 не рассматриваются проблемы фильтрации электромагнитных помех (EMI), подавления синфазных помех и изолирования индуктора от окружающих объектов, что приводит к снижению эффективности передачи энергии и нарушениям соответствия стандартам EMI.US 2012/0228959 A1 discloses a method and system for transmitting energy to electronic devices wirelessly by using magnetic coupling between two inductors in close proximity to transfer sufficient energy to charge an electronic device. Flat inducers having characteristics that provide the ability to create a uniform magnetic field are described. The differential control amplifier includes a switching device coupled to the first output node and the second output node. The first output node and the second output node drive a load circuit including transmitting inductors. The first and second output signals can be almost equal in magnitude, while reversing in polarity, relative to the reference voltage. The electromagnetic energy receiver may include a reception circuit configured to communicate with a receiver inductance coil and a load. The receiver is configured to match the load to obtain an impedance that remains almost constant after the receiver is placed within the active charging region of the transmitter. However, US 2012/0228959 A1 does not address the problems of electromagnetic interference filtering (EMI), common mode rejection and isolation of the inductor from surrounding objects, which leads to reduced energy transfer efficiency and violations of compliance with EMI standards.
В документе WO 2013142720 А раскрываются системы и способы для осуществления эффективной передачи электромагнитной энергии и зарядки устройств и батарей способом, который предоставляет свободу в отношении размещения устройств или батарей. В соответствии с различными вариантами осуществления области применения включают в себя индуктивную или магнитную зарядку, а также подачу энергии на различные устройства или приборы. В соответствии с различными вариантами осуществления системы и способы в общем случае также могут быть применены, например, к блокам питания или другим источникам энергии или системам зарядки, таким как, например, системы для передачи электромагнитной энергии на мобильное, электронное или электротехническое устройство, транспортное средство или другой прибор. Однако в документе WO 2013142720 А не рассматривается проблема фильтрации электромагнитных помех (EMI) и подавление синфазных помех, что приводит к снижению эффективности передачи энергии и нарушениям соответствия стандартам EMI.WO 2013142720 A discloses systems and methods for efficiently transferring electromagnetic energy and charging devices and batteries in a manner that provides freedom with respect to the placement of devices or batteries. In accordance with various embodiments, applications include inductive or magnetic charging, as well as supplying energy to various devices or appliances. In accordance with various embodiments, systems and methods can also generally be applied, for example, to power supplies or other energy sources or charging systems, such as, for example, systems for transmitting electromagnetic energy to a mobile, electronic or electrical device, vehicle or other device. However, WO 2013142720 A does not address the issue of electromagnetic interference filtering (EMI) and common mode rejection, which leads to reduced power transmission efficiency and violations of compliance with EMI standards.
Соответственно, известные системы беспроводной зарядки страдают от различных электромагнитных помех (EMI) и поэтому не могут достигнуть максимальной эффективности передачи энергии.Accordingly, known wireless charging systems suffer from various electromagnetic interference (EMI) and therefore cannot achieve maximum energy transfer efficiency.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков, характерных для решений, известных в предшествующем уровне техники.An object of the present invention is to overcome the aforementioned disadvantages characteristic of solutions known in the prior art.
Технический результат, обеспечиваемый посредством настоящего изобретения, заключается в повышении эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии на блоки беспроводного приема энергии, встроенные в электронные устройства, а также в подавлении электромагнитных помех (EMI) при помощи цепей согласования импедансов и экранирующего элемента.The technical result provided by the present invention is to increase the efficiency of energy transfer from the wireless power transmission unit to the wireless power reception units integrated in electronic devices, as well as to suppress electromagnetic interference (EMI) using impedance matching circuits and a shielding element.
В настоящем изобретении раскрывается система беспроводной зарядки. Система содержит блок беспроводной передачи энергии и блок беспроводного приема энергии.The present invention discloses a wireless charging system. The system comprises a wireless power transmission unit and a wireless power reception unit.
Блок беспроводной передачи энергии содержит источник энергии, передающую катушку индуктивности, первый экранирующий элемент и первую цепь согласования импедансов. Передающая катушка индуктивности соединяется с источником энергии через первую цепь согласования импедансов. В случае подачи питания посредством источника энергии передающая катушка индуктивности способна испускать электромагнитное излучение. Первая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов для передающей катушки индуктивности и источника энергии. Первый экранирующий элемент располагается под передающей катушкой индуктивности и конфигурируется таким образом, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавлялось за пределами активной области зарядки, определяемой структурой передающей катушки индуктивности.The wireless power transmission unit comprises an energy source transmitting an inductor, a first shielding element and a first impedance matching circuit. The transmitting inductor is connected to the energy source through the first impedance matching circuit. In the case of power supply by means of an energy source, the transmitting inductor is capable of emitting electromagnetic radiation. The first impedance matching circuit is configured to match the optimal impedances for the transmitter inductance and the energy source. The first shielding element is located under the transmitting inductor and is configured so that the electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor is suppressed outside the active charging region determined by the structure of the transmitting inductor.
Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. Приемная катушка индуктивности выполнена с возможностью индуктивной связи с передающей катушкой индуктивности, благодаря чему электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Нагрузка соединяется с приемной катушкой индуктивности через вторую цепь согласования импедансов. Нагрузка выполнена с возможностью зарядки посредством зарядных токов. Вторая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов для приемной катушки индуктивности и нагрузки.The wireless power receiving unit comprises a receiving inductor, a load, and a second impedance matching circuit. The receiving inductor is inductively coupled to the transmitting inductor, so that the electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor induces charging currents in the receiving inductor. The load is connected to the receiving inductor through a second impedance matching circuit. The load is configured to be charged by charging currents. The second impedance matching circuit is configured to match the optimal impedances for the receiving inductor and load.
Первая и вторая схемы согласования также выполнены с возможностью обеспечения резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, что также максимально повышает эффективность передачи энергии.The first and second matching circuits are also configured to provide resonance between the transmitting inductor and the receiving inductor, which also maximizes the efficiency of energy transfer.
Передающая катушка индуктивности имеет множество проводящих витков, отделенных друг от друга зазорами. Зазоры уменьшаются в направлении удаления от центральной области передающей катушки индуктивности.The transmitting inductor has many conductive turns, separated from each other by gaps. The gaps decrease in the direction of removal from the Central region of the transmitting inductor.
Первый экранирующий элемент может быть изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов.The first shielding element may be made of conductive and / or ferrite materials.
Первая цепь согласования импедансов также выполнена с возможностью шунтирования (отвода) синфазных токов к первому экранирующему элементу, что подавляет паразитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности.The first impedance matching circuit is also configured to bypass common-mode currents to the first shielding element, which suppresses spurious radiation emitted by a transmitting inductor.
Первая цепь согласования импедансов блока беспроводной передачи энергии содержит, по меньшей мере, два шунтирующих конденсатора, соединенных параллельно передающей катушке индуктивности и, по меньшей мере, два последовательных конденсатора, соединяющие контакты передающей катушки индуктивности с соответствующими выводами источника энергии. Шунтирующие конденсаторы соединяют передающую катушку индуктивности с первым экранирующим элементом и заземлением источника энергии, вследствие чего обеспечивается упомянутое шунтирование синфазных токов.The first impedance matching circuit of the wireless power transmission unit comprises at least two shunt capacitors connected in parallel with the transmitting inductor and at least two series capacitors connecting the contacts of the transmitting inductor with the corresponding terminals of the power source. Shunt capacitors connect the transmitting inductor to the first shielding element and ground the power source, whereby the aforementioned common mode current shunting is provided.
Конденсаторы первой цепи согласования импедансов также выбираются таким образом, чтобы осуществлять преобразование импеданса передающей катушки индуктивности в оптимальный импеданс для источника энергии, вследствие чего обеспечивается упомянутое согласование оптимальных импедансов для передающей катушки индуктивности и источника энергии.The capacitors of the first impedance matching circuit are also selected in such a way as to convert the impedance of the transmitting inductor to the optimal impedance for the energy source, whereby said matching of the optimal impedances for the transmitting inductor and the energy source is ensured.
Активная область зарядки, определяемая структурой передающей катушки индуктивности, обеспечивает практически постоянный импеданс, независимо от позиции и ориентации нагрузки в ней.The active charging region, determined by the structure of the transmitting inductor, provides an almost constant impedance, regardless of the position and orientation of the load in it.
Передающая катушка индуктивности может являться плоской катушкой индуктивности, изготовленной на однослойной или многослойной плате PCB. Плоская катушка индуктивности может быть изготовлена из групп слоев. Каждый слой одной группы имеет одинаковую структуру витков. Все слои одной группы соединяются друг с другом посредством множества межслойных соединений и реализовываются в качестве непрерывной проводящей катушки индуктивности, имеющей толщину, равную толщине упомянутой одной группы.The transmitting inductor may be a flat inductor made on a single or multi-layer PCB. A flat inductor can be made of groups of layers. Each layer of one group has the same structure of turns. All layers of the same group are connected to each other through multiple interlayer connections and are implemented as a continuous conductive inductor having a thickness equal to the thickness of the said one group.
Первая цепь согласования импедансов балансируется относительно вывода источника энергии, при этом центральная точка первой цепи согласования импедансов соединяется с заземлением источника энергии.The first impedance matching circuit is balanced with respect to the output of the energy source, while the center point of the first impedance matching circuit is connected to the ground of the energy source.
Блок беспроводной передачи энергии также может содержать поглощающие резонансные элементы, которые располагаются под передающей катушкой индуктивности и используются для ослабления электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности. Резонансные частоты поглощающих резонансных элементов настраиваются равными частотам пиков электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности, вследствие чего поглощающие резонансные элементы способны поглощать пики электромагнитного излучения на этих резонансных частотах. Поглощающие резонансные элементы могут быть изготовлены в качестве резонаторов в форме разрезных колец, резонаторов в форме комплементарных разрезных колец, резонансных спиралей, комплементарных резонансных спиралей или метаматериальных структур других типов.The wireless power transmission unit may also contain absorbing resonant elements that are located under the transmitting inductor and are used to attenuate the electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor. The resonant frequencies of the absorbing resonant elements are set equal to the frequencies of the peaks of electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor, as a result of which the absorbing resonant elements are capable of absorbing the peaks of electromagnetic radiation at these resonant frequencies. Absorbing resonant elements can be made as resonators in the form of split rings, resonators in the form of complementary split rings, resonant spirals, complementary resonant spirals or other types of metamaterial structures.
Витки передающей катушки индуктивности могут иметь максимальные радиусы кривизны на внешних краях передающей катушки индуктивности и минимальные радиусы кривизны в центральной области передающей катушки индуктивности.The turns of the transmitting inductor can have maximum radii of curvature at the outer edges of the transmitting inductor and minimum radii of curvature in the central region of the transmitting inductor.
Передающая катушка индуктивности может иметь центральный отвод, соединенный с первым экранирующим элементом. Центральный отвод используется для шунтирования синфазных токов к первому экранирующему элементу. Центральный отвод может быть соединен с первым экранирующим элементом через гальванические или емкостные соединения. Упомянутое емкостное соединение формируется в качестве сосредоточенных емкостных элементов или взаимной емкости между центральным отводом и первым экранирующим элементом.The transmitter inductance may have a central tap connected to the first shield element. A central tap is used to bypass common-mode currents to the first shielding element. The central tap can be connected to the first shielding element through galvanic or capacitive connections. Said capacitive connection is formed as lumped capacitive elements or mutual capacitance between the central outlet and the first shielding element.
Кроме того, между передающей катушкой индуктивности и первым экранирующим элементом может быть сформировано множество соединительных отводов посредством емкостных соединений.In addition, between the transmitting inductor and the first shielding element can be formed many connecting taps through capacitive connections.
Структура передающей катушки индуктивности определяется следующим образом:The structure of the transmitting inductor is determined as follows:
где lxN, lyN и lx1, lyN являются внешними и внутренними размерами передающей катушки индуктивности соответственно, N является количеством витков, ri является радиусом кривизны i-го витка, а α является параметром отношения витков.where lxN, lyN and lx1, lyN are the external and internal dimensions of the transmitting inductor, respectively, N is the number of turns, ri is the radius of curvature of the ith coil, and α is a parameter of the ratio of the turns.
Блок беспроводного приема энергии встраивается в электронное устройство, и в данном случае нагрузкой является батарея или батарейный блок электронного устройства. Электронное устройство может являться мобильным и переносным устройством, выбранным из группы, состоящей из смартфонов, интеллектуальных часов, интеллектуальных очков, планшетных компьютеров и ноутбуков. Структура передающей катушки индуктивности может поддерживать зарядку одного или более электронных устройств в пределах активной области зарядки.The wireless power reception unit is integrated into the electronic device, and in this case, the load is the battery or battery pack of the electronic device. An electronic device may be a mobile and portable device selected from the group consisting of smartphones, smart watches, smart glasses, tablet computers and laptops. The structure of the transmitting inductor can support the charging of one or more electronic devices within the active charging region.
Вторая цепь согласования импедансов блока беспроводного приема энергии содержит, по меньшей мере, два шунтирующих конденсатора, соединенных параллельно приемной катушке индуктивности, и, по меньшей мере, два последовательных конденсатора, соединяющих приемную катушку индуктивности с выводами нагрузки. Конденсаторы второй цепи согласования импедансов выполнены с возможностью обеспечения, совместно с конденсаторами первой цепи согласования импедансов, резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, что также максимально повышает эффективность передачи энергии. Конденсаторы второй цепи согласования импедансов также выбираются таким образом, чтобы осуществлять преобразование импеданса приемной катушки индуктивности в оптимальный импеданс для нагрузки.The second impedance matching circuit of the wireless power receiving unit comprises at least two shunt capacitors connected in parallel with the receiving inductor, and at least two series capacitors connecting the receiving inductor to the load terminals. The capacitors of the second impedance matching circuit are configured to provide, together with the capacitors of the first impedance matching circuit, resonance between the transmitting inductor and the receiving inductor, which also maximizes the efficiency of energy transfer. The capacitors of the second impedance matching circuit are also selected so as to convert the impedance of the receiving inductor to the optimal impedance for the load.
Приемная катушка индуктивности блока беспроводного приема энергии имеет множество проводящих витков. Плотность и геометрия упомянутых витков зависят от геометрии и энергопотребления блока беспроводного приема энергии.The receiving inductor of the wireless power receiving unit has a plurality of conductive turns. The density and geometry of the said turns depend on the geometry and power consumption of the wireless power receiving unit.
В одном варианте осуществления блок беспроводного приема энергии также может содержать второй экранирующий элемент, установленный под приемной катушкой индуктивности. При этом второй экранирующий элемент изолирует внутренние компоненты электронного устройства, внутри которого встроен блок беспроводного приема энергии, от электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности.In one embodiment, the wireless power reception unit may also comprise a second shielding element mounted beneath the receiving inductor. In this case, the second shielding element isolates the internal components of the electronic device, inside which the unit for wireless energy reception is built-in, from electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor and the receiving inductor.
В другом варианте осуществления батарея или батарейный блок электронного устройства обеспечивает изоляцию внутренних компонентов электронного устройства.In another embodiment, a battery or battery pack of an electronic device insulates the internal components of the electronic device.
Электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, является практически однородным в пределах активной области зарядки.The electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor is almost uniform within the active charging region.
Передающая катушка индуктивности также выполнена с возможностью обеспечения практически постоянной взаимной индуктивности и собственной индуктивности передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности всякий раз, когда блок беспроводного приема энергии случайным образом располагается в пределах активной области зарядки.The transmitting inductor is also configured to provide an almost constant mutual inductance and intrinsic inductance of the transmitting inductor and the receiving inductor whenever the wireless power receiving unit is randomly located within the active charging area.
Первая цепь согласования импедансов также выполнена с возможностью изменения импеданса передающей катушки индуктивности, в зависимости от нагрузки блока беспроводного приема энергии.The first impedance matching circuit is also configured to change the impedance of the transmitting inductor, depending on the load of the wireless power receiving unit.
Блок беспроводного приема энергии также может содержать выпрямитель, который располагается перед нагрузкой и выполнен с возможностью осуществления преобразования переменного тока в постоянный ток, относительно индуцированных зарядных токов.The wireless power receiving unit may also include a rectifier that is located in front of the load and is configured to convert AC to DC, relative to the induced charging currents.
Система, которая была предложена выше, может работать в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц.The system that was proposed above can operate in the frequency range from 100 kHz to 100 MHz.
Настоящее изобретение обеспечивает следующие главные усовершенствования:The present invention provides the following major improvements:
- блок беспроводной передачи энергии снабжен экранирующим элементом и цепью согласования импедансов. Таким образом, электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавляется за пределами активной области зарядки блока беспроводной передачи энергии, при этом паразитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, минимизируется и не оказывает влияния на электронные устройства.- the wireless power transmission unit is equipped with a shielding element and an impedance matching circuit. Thus, the electromagnetic radiation emitted by the transmitting inductor is suppressed outside the active charging area of the wireless power transmission unit, while spurious radiation emitted by the transmitting inductor is minimized and does not affect electronic devices.
- Обеспечивается максимальная эффективность передачи энергии для множества мобильных устройств, которые располагаются в любой позиции и ориентации, в непосредственной близости от блока беспроводной передачи энергии.- Provides maximum power transmission efficiency for a variety of mobile devices that are located in any position and orientation, in the immediate vicinity of the wireless power transmission unit.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения прояснятся после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра прилагаемых чертежей.Other features and advantages of the present invention will become apparent upon reading the following detailed description and viewing the accompanying drawings.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность настоящего изобретения разъясняется ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:The essence of the present invention is explained below with reference to the accompanying drawings, which depict the following:
фиг. 1 изображает эквивалентные схемы и компоненты блоков беспроводного приема и передачи энергии;FIG. 1 shows equivalent circuits and components of wireless power reception and transmission units;
фиг. 2 изображает параметрическую модель и размеры передающей катушки индуктивности блока беспроводной передачи энергии;FIG. 2 depicts a parametric model and dimensions of a transmitting inductor of a wireless power transmission unit;
фиг. 3 изображает вид сверху приемной катушки индуктивности, установленной в мобильный телефон;FIG. 3 is a plan view of a receiving inductor mounted in a mobile phone;
фиг. 4 изображает вид сбоку, демонстрирующий схему расположения передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности относительно друг друга;FIG. 4 is a side view showing an arrangement of a transmitting inductor and a receiving inductor relative to each other;
фиг. 5A-B изображают различные виды, демонстрирующие способ расположения различных элементов блоков беспроводного приема и передачи энергии, относительно друг друга, в частности, фиг. 5А изображает вид сверху, а фиг. 5 B изображает вид в поперечном разрезе, выполненном по линии A-A;FIG. 5A-B are various views showing a method of arranging various elements of wireless power reception and transmission units relative to each other, in particular FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line A-A;
фиг. 6A-B изображают распределение тока по корпусу блока беспроводного приема энергии, расположенного в различных позициях на блоке беспроводной передачи энергии;FIG. 6A-B show a current distribution over a housing of a wireless power reception unit located at various positions on a wireless power transmission unit;
фиг. 7A-B изображают способ сокращения общей толщины блока беспроводной передачи энергии с использованием экранирующего элемента раскрытым в настоящем изобретении способом: медного экранирующего элемента (фиг. 7А) и медно-ферритового экранирующего элемента (фиг. 7B);FIG. 7A-B depict a method for reducing the total thickness of a wireless power transmission unit using a shielding element as disclosed in the present invention: a copper shielding element (FIG. 7A) and a copper-ferrite shielding element (FIG. 7B);
фиг. 8 изображает схему расположения конденсаторов цепи согласования импедансов в блоке беспроводной передачи энергии;FIG. 8 shows an arrangement of capacitors of an impedance matching circuit in a wireless power transmission unit;
фиг. 9A-B изображают спектр синфазного напряжения на передающей катушке индуктивности для следующих контрольных примеров: конденсаторы не соединяются с заземлением источника энергии и экранирующим элементом (фиг. 9А), конденсаторы соединяются с заземлением источника энергии и экранирующим элементом (фиг. 9B);FIG. 9A-B depict the common-mode voltage spectrum of the transmitter inductor for the following test examples: capacitors are not connected to the ground of the power source and the shield element (Fig. 9A), capacitors are connected to the ground of the power source and the shield element (Fig. 9B);
фиг. 10A-D изображают эквивалентные схемы передающей катушки индуктивности, соединенной через центральный отвод с заземлением источника энергии при помощи гальванического соединения (фиг. 10А) и при помощи емкостного соединения (фиг. 10B); геометрии передающей катушки индуктивности: асимметричная (фиг. 10C) и симметричная (фиг. 10D);FIG. 10A-D depict equivalent circuits of a transmitter inductance coupled through a central tap to ground an energy source using a galvanic connection (FIG. 10A) and via a capacitive connection (FIG. 10B); geometry of the transmitting inductor: asymmetric (Fig. 10C) and symmetric (Fig. 10D);
фиг. 11 изображает сокращение уровня электромагнитного (ЕМ) излучения с использованием передающей катушки индуктивности, соединенной через центральный отвод;FIG. 11 shows a reduction in the level of electromagnetic (EM) radiation using a transmitting inductor connected through a central tap;
фиг. 12 изображает эквивалентную схему для соединения конденсаторов 2C2Р с заземлением нагрузки в блоке беспроводного приема энергии;FIG. 12 is an equivalent circuit for connecting 2C2P capacitors to a load ground in a wireless power receiving unit;
фиг. 13A-B изображают спектры напряжения и тока на приемной катушке индуктивности для следующих контрольных примеров: конденсаторы 2C2Р не соединяются с заземлением нагрузки (фиг. 13А), конденсаторы 2C2Р, C3P и ферритовое кольцо L2S соединяются с заземлением нагрузки (фиг. 13B);FIG. 13A-B depict the voltage and current spectra of the receiving inductor for the following test examples: capacitors 2C2P are not connected to the load ground (Fig. 13A), capacitors 2C2P, C3P and the ferrite ring L2S are connected to the load ground (Fig. 13B);
фиг. 14A-C изображают вид в перспективе, вид сверху и вид в разрезе соответственно поглощающих резонансных элементов, размещенных между передающей катушкой индуктивности и медным экранирующим элементом для сокращения уровня излучения электромагнитных помех (EMI);FIG. 14A-C depict a perspective view, a top view, and a sectional view of respectively absorbing resonant elements disposed between a transmitting inductor and a copper shielding element to reduce the level of electromagnetic interference emission (EMI);
фиг. 15 изображает сравнение излучения электромагнитных помех (EMI) для блока беспроводной передачи энергии с использованием и без использования поглощающих резонансных элементов;FIG. 15 is a comparison of electromagnetic interference emission (EMI) for a wireless power transmission unit with and without the use of absorbing resonant elements;
фиг. 16A-B изображают зависимость импеданса блока беспроводной передачи энергии для корректного (фиг. 16А) и некорректного (фиг. 16B) вариантов реализации гибридной цепи согласования импедансов;FIG. 16A-B depict the impedance dependence of the wireless power transmission unit for correct (Fig. 16A) and incorrect (Fig. 16B) embodiments of a hybrid impedance matching circuit;
фиг. 17A-F изображают результаты эксперимента для прототипов блоков беспроводного приема и передачи энергии.FIG. 17A-F depict experimental results for prototypes of wireless power reception and transmission units.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи будут подробно описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во множестве других форм, при этом не следует рассматривать в качестве ограничения какую-либо конкретную структуру или функцию, представленную в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления обеспечиваются для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения детализированным и полным. В соответствии с настоящим описанием специалистам в данной области техники будет понятно, что объем настоящего изобретения покрывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрывается в настоящем документе, независимо от того, реализуется ли этот вариант осуществления в независимой форме или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, система, раскрытая в настоящем документе, может быть реализована на практике посредством использования любого количества вариантов осуществления, обеспеченных в настоящем документе. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в прилагаемой формуле изобретения.Next, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention can be implemented in many other forms, and should not be construed as limiting any specific structure or function presented in the following description. On the contrary, these embodiments are provided in order to make the description of the present invention detailed and complete. In accordance with the present description, specialists in the art will understand that the scope of the present invention covers any embodiment of the present invention that is disclosed herein, regardless of whether this embodiment is implemented in independent form or in conjunction with any other embodiment of the present inventions. For example, the system disclosed herein may be practiced by using any of the number of embodiments provided herein. In addition, it should be understood that any embodiment of the present invention can be implemented using one or more of the elements presented in the attached claims.
Термин «иллюстративный» используется в настоящем документе в контексте «используемого в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в настоящем документе в качестве «иллюстративного», не должен в обязательном порядке интерпретироваться в качестве предпочтительного или имеющего преимущество перед другими вариантами осуществления.The term "illustrative" is used herein in the context of "used as an example or illustration." Any embodiment described herein as “illustrative” should not be necessarily interpreted as being preferred or taking precedence over other embodiments.
Для простоты термин «блок беспроводной передачи энергии» также упоминается как «передающий (TX) блок», а термин «блок беспроводного приема энергии» также упоминается как «приемный (RX) блок». Передающий (TX) блок может передавать энергию на приемный (RX) блок посредством индуктивной связи. Приемный (RX) блок может быть интегрирован в электронное устройство. Электронное устройство может являться мобильными и/или переносным устройством, выбранным из группы, состоящей из смартфонов, интеллектуальных часов, интеллектуальных очков, планшетных компьютеров и ноутбуков. Раскрытые конструкции передающего (TX) и приемного (RX) блоков обеспечивают эргономичное решение для зарядки всех переносных устройств в домашних или рабочих условиях, станций передачи электромагнитной энергии для общественных мест, таких как, например, рестораны, кафе, библиотеки и т.д.For simplicity, the term “wireless power transmitting unit” is also referred to as a “transmitting (TX) unit”, and the term “wireless power receiving unit” is also referred to as a “receiving (RX) unit." A transmitting (TX) unit can transmit energy to a receiving (RX) unit via inductive coupling. A receiving (RX) unit can be integrated into an electronic device. An electronic device may be a mobile and / or portable device selected from the group consisting of smartphones, smart watches, smart glasses, tablet computers and laptops. The disclosed designs of transmitting (TX) and receiving (RX) units provide an ergonomic solution for charging all portable devices at home or at work, electromagnetic power transmission stations for public places, such as restaurants, cafes, libraries, etc.
Используемый в настоящем документе термин «зарядка» относится к батарее или батарейному блоку электронного устройства. Для зарядки батареи электронного устройства пользователь должен вручную поместить электронное устройство на поверхность передающего (TX) блока. Поэтому размеры передающего (TX) блока имеют особую важность. Крупноразмерные передающие (TX) блоки поддерживают передачу большего количества энергии и большее количество электронных устройств, подлежащих одновременной зарядке. Далее будут более подробно описаны конструкции передающего (TX) и приемного (RX) блоков.As used herein, the term “charging” refers to a battery or battery pack of an electronic device. To charge the battery of an electronic device, the user must manually place the electronic device on the surface of the transmitting (TX) unit. Therefore, the sizes of the transmitting (TX) block are of particular importance. Large transmit (TX) units support the transfer of more energy and more electronic devices that need to be charged simultaneously. Next will be described in more detail the design of the transmitting (TX) and receiving (RX) blocks.
Эквивалентные схемы и компоненты передающего (TX) и приемного (RX) блоковEquivalent circuits and components of transmitting (TX) and receiving (RX) blocks
На фиг. 1 изображены эквивалентные схемы передающего (TX) и приемного (RX) блоков.In FIG. 1 shows equivalent circuits of transmitting (TX) and receiving (RX) blocks.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения передающий (TX) блок 110 содержит следующие элементы: источник 111 энергии, передающую (TX) катушку 112 индуктивности и цепь 113 согласования импедансов. Источник 111 энергии соединяется с передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности посредством цепи 113 согласования импедансов. Ток IТХ, генерируемый посредством источника 111 энергии, преобразовывается в ток IТХ_COIL посредством цепи 113 согласования импедансов. Цепь 113 согласования импедансов содержит два последовательных конденсатора 2C1S и два конденсатора 2C1P, соединенных параллельно передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности. Конденсаторы 2C1P соединяют передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210, изображенным на фиг. 2, 4, 5A-B. Экранирующий элемент 210 может быть изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов. Несмотря на то что фиг. 1 изображает только два конденсатора 2C1S и два конденсатора 2C1P, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что может быть использовано любое другое количество упомянутых конденсаторов в зависимости от конкретной области применения.In a preferred embodiment of the present invention, the transmitting (TX)
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения приемный (RX) блок 120 содержит следующие элементы: приемную (RX) катушку 121 индуктивности, цепь 122 согласования импедансов и нагрузку 123. Приемная (RX) катушка 121 индуктивности соединяется с нагрузкой 123 посредством цепи 122 согласования импедансов. Цепь 122 согласования импедансов содержит два последовательных конденсатора 2C2S и два конденсатора 2C2P, соединенных параллельно приемной (RX) катушке 121 индуктивности. Конденсаторы 2C2Р соединяют приемную (RX) катушку 121 индуктивности с заземлением нагрузки 123. Несмотря на то что фиг. 1 изображает только два конденсатора 2C2S и два конденсатора 2C2P, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что может быть использовано любое другое количество упомянутых конденсаторов в зависимости от конкретной области применения.In a preferred embodiment of the present invention, the receiving (RX) block 120 comprises the following elements: a receiving (RX)
Когда приемный (RX) блок 110 размещается на передающем (TX) блоке 120, приемная (RX) катушка 121 индуктивности и передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности связываются между собой посредством магнитного потока. Вследствие этого магнитный поток, генерируемый посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, индуцирует токи (см. IRX_COIL на фиг. 1) в приемной (RX) катушке 121 индуктивности, и энергия передается на нагрузку 123.When the receiving (RX)
С помощью конденсаторов 2C1P, соединяющих передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности с экранирующим элементом 210, синфазные токи могут быть шунтированы, чтобы ослабить излучение паразитных электромагнитных помех (EMI). Кроме того, вследствие наличия экранирующего элемента 210 электромагнитные поля, индуцированные посредством токов в передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности, подавляются во всех промежуточных точках, за исключением расположения приемного (RX) блока 120. Образующееся электромагнитное поле концентрируется около приемного (RX) блока 120 и индуцирует токи в приемной (RX) катушке 121 индуктивности приемного (RX) блока 120, который может быть расположен в любой позиции и ориентации, в пределах активной области зарядки передающего (TX) блока 110. Активная область зарядки задается посредством структуры передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и обеспечивает практически постоянный импеданс, независимо от позиции и ориентации нагрузки 123 в ней.Using capacitors 2C1P connecting the transmitting (TX)
Передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности имеет множество проводящих витков, отделенных друг от друга зазорами. Зазоры уменьшаются в направлении удаления от центральной области передающей катушки индуктивности. Например, передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности может иметь, в числе прочего, форму спирали, при которой зазоры между витками передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности уменьшаются в радиальном направлении от центральной области катушки индуктивности. Кроме того, витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности имеют максимальные радиусы кривизны на внешних краях передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и минимальные радиусы кривизны в центральной области передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.The transmitting (TX)
Кроме того, передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности может являться плоской катушкой индуктивности, изготовленной на однослойной или многослойной плате PCB. Плоская катушка индуктивности может быть изготовлена из групп слоев. Каждый слой одной группы имеет одинаковую структуру витков. Все слои одной группы соединяются друг с другом посредством множества межслойных соединений и реализовываются в качестве непрерывной проводящей катушки индуктивности, имеющей толщину, равную толщине упомянутой одной группы.In addition, the transmitting (TX)
Передающий (TX) блок 110 также может содержать поглощающие резонансные элементы, которые располагаются под передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности и используются для ослабления электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Резонансные частоты поглощающих резонансных элементов настраиваются равными частотам пиков электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности, вследствие чего поглощающие резонансные элементы способны поглощать пики электромагнитного излучения на этих резонансных частотах. Эти пики электромагнитного излучения должны быть поглощены или устранены иным способом, поскольку они могут оказать неблагоприятное воздействие на внутренние компоненты заряжаемого электронного устройства. Поглощающие резонансные элементы могут быть изготовлены в качестве резонаторов в форме разрезных колец, резонаторов в форме комплементарных разрезных колец, резонансных спиралей, комплементарных резонансных спиралей или метаматериальных структур других типов.The transmitting (TX)
Приемный (RX) блок 110 также может содержать выпрямитель, соединенный с выводом приемной (RX) катушки 121 индуктивности и цепью 122 согласования импедансов перед нагрузкой 123. Выпрямитель выполнен с возможностью осуществления преобразования переменного тока в постоянный ток относительно токов, индуцируемых в приемной (RX) катушке 121 индуктивности.The receiving (RX)
Приемная (RX) катушка 121 индуктивности имеет множество проводящих витков. Внешние размеры приемной (RX) катушки 121 индуктивности максимально увеличиваются в пределах доступной поверхности приемного (RX) блока 120. Плотность и геометрия упомянутых витков зависят от геометрии и энергопотребления приемного (RX) блока 120.A receiving (RX)
В некоторых вариантах осуществления приемного (RX) блока 120 (фиг. 3) под приемной (RX) катушкой 121 индуктивности также может быть установлен дополнительный экранирующий элемент 125 для изолирования внутренних компонентов 126, 127 (например, одной или более микросхем) электронного устройства, в пределах которого встроен приемный (RX) блок 120, от электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и приемной (RX) катушки 121 индуктивности. Упомянутый дополнительный экранирующий элемент 125 может быть изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов. В альтернативных вариантах осуществления внутренние компоненты электронного устройства могут быть изолированы посредством существующих проводящих структур, например, посредством батареи или батарейного блока.In some embodiments of the receiving (RX) unit 120 (FIG. 3), an
Геометрия передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности для передающего (TX) блока 110, поддерживающего свободное размещение приемного (RX) блока 120The geometry of the transmitting (TX)
В соответствии с документами US 2011/0198937 A1 и US 2012/0228959 A1 постоянный коэффициент полезного действия (выход по энергии) и постоянный входной импеданс ZTX_IN_COIL в различных условиях связи передающей (TX) и приемной (RX) катушек индуктивности могут быть достигнуты в случае, если коэффициент связи катушек индуктивности k и коэффициенты добротности являются инвариантными к относительной позиции приемного (RX) блока 120 на передающем (TX) блоке 110. Далее будет подробно описана геометрия передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.In accordance with documents US 2011/0198937 A1 and US 2012/0228959 A1, a constant efficiency (energy output) and a constant input impedance ZTX_IN_COIL under various conditions of coupling of the transmitting (TX) and receiving (RX) inductors can be achieved if if the coupling coefficient of the inductors k and the Q factors are invariant to the relative position of the receiving (RX) block 120 on the transmitting (TX) block 110. Next, the geometry of the transmitting (TX)
Центр проводящей жилы передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (см. фиг. 2) должен быть описан посредством следующей параметрической модели:The center of the conductive core of the transmitting (TX) inductor 112 (see FIG. 2) should be described by the following parametric model:
В данном случае lxN, lyN и lxl, lyl являются внешними и внутренними размерами передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности соответственно, N является количеством витков, ri является радиусом кривизны i-й жилы катушки индуктивности, а α является параметром отношения витков. Следует отметить, что на фиг. 2 shx и shy являются длиной и шириной соответственно экранирующего элемента 210.In this case, lxN, lyN and lxl, lyl are the external and internal dimensions of the transmitting (TX)
Как было указано выше, размеры приемной (RX) катушки 121 индуктивности задаются с учетом геометрических ограничений приемного (RX) блока 120. Размеры N, lxi, lyi и ri передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности оптимизируются с критериями максимальной эффективности и однородности для всех возможных позиций приемного (RX) блока 120.As mentioned above, the dimensions of the receiving (RX)
Наличие проводящего экранирующего элемента 210 (см. фиг. 2, 4, 5A-B) на расстоянии «a» от передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и приемного (RX) блока 120 на расстоянии «h» сокращает индуктивность передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Проводящий экранирующий элемент 210 оказывает незначительное влияние на потери, при этом вихревые токи, индуцированные на резистивных материалах приемного (RX) блока 120, рассеивают энергию. Вследствие этого реальная среда передающего (TX) блока 210 вводит значительные ограничения относительно эффективности передачи энергии (PTE).The presence of a conductive shielding element 210 (see Fig. 2, 4, 5A-B) at a distance of "a" from the transmitting (TX)
Подавление магнитных полей передающей (ТХ) катушки индуктивности во всех промежуточных точках, за исключением позиций приемного (RX) блокаSuppression of the magnetic fields of the transmitting (TX) inductor at all intermediate points, except for the positions of the receiving (RX) block
Условия для изолирования передающего (TX) блока 110 от окружающих объектов достигаются посредством использования различных экранирующих элементов, как изображено на фиг. 7A-B. В частности, для сокращения общей толщины передающего (TX) блока 110 вместо проводящего экранирующего элемента можно использовать тонкопленочный ферритовый экранирующий элемент. Например, ферритового слоя с толщиной 0,5 миллиметров достаточно для эффективности экранирования в 20 дБ. Фиг. 7А изображает случай, когда используется медный экранирующий элемент 210, а фиг. 7B изображает случай, когда используется медно-ферритовый экранирующий элемент 210. Медно-ферритовый экранирующий элемент 210 состоит из медного слоя 211 и ферритового слоя 212. Можно увидеть, что медно-ферритовый экранирующий элемент обеспечивает лучшее сокращение общей толщины передающего (TX) блока 110 (см. расстояние А, которое является меньшим в случае, когда используется медно-ферритовый экранирующий элемент).The conditions for isolating the transmitting (TX) block 110 from surrounding objects are achieved by using various shielding elements, as shown in FIG. 7A-B. In particular, to reduce the total thickness of the transmitting (TX)
Согласно настоящему изобретению соединение передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности с заземлением 501 источника 111 энергии и экранирующим элементом 120 реализовывается посредством использования цепи 113 согласования импедансов (см. фиг. 1). Конденсаторы 2C1S, 2C1P цепи 113 согласования импедансов располагаются в области, обозначенной на фиг. 8 посредством ссылочной позиции 502.According to the present invention, the connection of the transmitting (TX)
Иллюстративные параметры для передающих (ТХ) катушек 112 индуктивности, полученные посредством использования описанных подходов, представлены в таблице 1. В соответствии с этими результатами использование медно-ферритового экранирующего элемента и тонкой передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (d=0,1 мм) предоставляет возможность сокращения общей толщины передающего (TX) блока до 5,7 мм. Использование только медного экранирующего элемента на малом расстоянии от передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, например, a=5 мм, приведет к снижению собственной индуктивности L1 на 57%, а также к снижению коэффициента связи на 40% по сравнению со случаем отсутствия экранирования. Использование только ферритового экранирующего элемента на малом расстоянии от передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, например, а=5 мм, приведет к снижению коэффициента добротности на 24% по сравнению со случаем отсутствия экранирования. Сокращение толщины «d» передающей (ТХ) катушки индуктивности с 2 мм до 0,1 мм не влияет на параметры. Использование только ферритового экранирующего элемента предоставляет возможность достижения высокой эффективности системы беспроводной зарядки, при этом собственная индуктивность передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности по-прежнему оказывает влияние на внешние металлические объекты (например, металлический стол).Illustrative parameters for transmitting (TX)
Зависимость параметров передающего (TX) и приемного (RX) блоков от вариантов исполнения экранирующего элементаTable 1
The dependence of the parameters of the transmitting (TX) and receiving (RX) blocks on the options for the execution of the shielding element
параметраName
parameter
а=10 мм
d=2 мм0.1 mm copper shielding
a = 10 mm
d = 2 mm
а=5 мм
d=2 мм0.1 mm copper shielding
a = 5 mm
d = 2 mm
а=5 мм
d=2 ммFerrite shielding 1 mm
a = 5 mm
d = 2 mm
а=5 мм
d=2 ммFerrite shielding 0.5 mm
a = 5 mm
d = 2 mm
а=5 мм
d=0,1 ммFerrite shielding 0.5 mm
a = 5 mm
d = 0.1 mm
а=5 мм
d=0,1 ммCopper-ferrite shielding 0.1 mm and 0.5 mm
a = 5 mm
d = 0.1 mm
Способы ослабления излучения электромагнитных помех (EMI)Ways to attenuate electromagnetic interference (EMI)
Согласно настоящему изобретению передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности должна быть соединена с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210 посредством использования конденсаторов 2C1P (см. фиг. 1). Эффект такого соединения с ослаблением синфазных помех представлен на фиг. 9A-B. Спектр синфазного напряжения для передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности представлен для следующих контрольных примеров:According to the present invention, the transmitting (TX)
- фиг. 9А: конденсаторы 2C1P не соединяются с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210;- FIG. 9A: 2C1P capacitors are not connected to the ground of the
- фиг. 9B: конденсаторы 2С1P соединяются с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210.- FIG. 9B: 2C1P capacitors are connected to the ground of the
В соответствии с результатами, представленными на фиг. 9A-B, электромагнитные помехи (EMI) ослабляются, по меньшей мере, на 10 дБ в диапазоне частот выше 90 МГц.In accordance with the results presented in FIG. 9A-B, electromagnetic interference (EMI) is attenuated by at least 10 dB in the frequency range above 90 MHz.
Соединение центрального отвода 701 передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности с заземлением источника 111 энергии предоставляет возможность ослабления излучения электромагнитных помех (EMI) (см. фиг. 10A-D). Эквивалентные схемы соединения передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и цепи 113 согласования импедансов с выводом источника 111 энергии представлены на фиг. 10A-B.The connection of the
В предпочтительном варианте осуществления центральный отвод 701 передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности соединяется с проводящим экранирующим элементом 210. Проводящий экранирующий элемент 210 соединяется с точкой заземления источника 111 энергии. Доступны различные способы такого соединения, включающие в себя гальванические (фиг. 10А) или емкостные (фиг. 10B) соединения. В случае использования этих способов синфазные токи шунтируются перед входом в передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности, при этом подавляется испускание паразитного излучения. Эти структуры не затрагивают подачу дифференциальной выходной энергии от источника 111 энергии на передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности. Поэтому эффективность PTE не снижается.In a preferred embodiment, the
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может быть основан на структурах передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности различных типов: асимметричная спиральная катушка 801 индуктивности (фиг. 10C) или симметричная спиральная катушка 802 индуктивности (фиг. 10D). В каждом случае позиции одного или более центральных отводов 701 оптимизируются для баланса амплитуды и фазы напряжений на контактах передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.A preferred embodiment of the present invention may be based on various types of structures of a transmit (TX) inductor 112: an asymmetric spiral inductor 801 (FIG. 10C) or a symmetrical spiral inductor 802 (FIG. 10D). In each case, the positions of one or more
Пример сокращения уровня излучения электромагнитных помех (EMI) посредством использования передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, соединенной через центральный отвод, представлен на фиг. 11. Передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности без центрального отвода имеет 2 пика излучаемых электромагнитных помех (EMI): на 100-120 МГц и на 180-200 МГц (см. кривую 901 на изображении-вставке, показанном на фиг. 11). Соединенный центральный отвод имеет только 1 пик на 180-200 МГц (см. кривую 902). Вследствие этого центральный отвод 701 передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности подавляет уровень излучения электромагнитных помех (EMI) на 100-120 МГц, по меньшей мере, на 40 дБ.An example of reducing electromagnetic interference emission (EMI) by using a transmit (TX)
Предпочтительный способ ослабления электромагнитных помех (EMI) для приемного (RX) блока 120 использует соединение конденсаторов 2C2Р с заземлением приемного (RX) блока 120 изображенным на фиг. 1 способом. Кроме того, ослабление электромагнитных помех (EMI) может быть достигнуто посредством использования шунтирующих конденсаторов C3Р и ферритового кольца L2S, соединенных изображенным на фиг. 12 способом. Эффект такого соединения с ослаблением синфазных помех изображен на фиг. 13A-B. Спектры напряжения и тока на приемной (RX) катушке 121 индуктивности изображены на фиг. 13A-B для следующих контрольных примеров:A preferred method for mitigating electromagnetic interference (EMI) for the receiving (RX)
- фиг. 13А: конденсаторы 2C2Р не соединяются с заземлением приемного (RX) блока 120;- FIG. 13A: 2C2P capacitors are not connected to the ground of the receiving (RX)
- фиг. 13B: конденсаторы 2C2Р, C3P и ферритовое кольцо L2S соединяются с заземлением приемного (RX) блока 120.- FIG. 13B: Capacitors 2C2P, C3P and a ferrite ring L2S are connected to the ground of the receiving (RX)
В соответствии с результатами, представленными на фиг. 13A-B, спектр электромагнитных помех (EMI) ослабляется, по меньшей мере, на 20 дБ на частотах выше 150 МГц и, по меньшей мере, на 30 дБ на 350-500 МГц.In accordance with the results presented in FIG. 13A-B, the electromagnetic interference spectrum (EMI) is attenuated by at least 20 dB at frequencies above 150 MHz and at least 30 dB at 350-500 MHz.
В некоторых вариантах осуществления передающего (TX) блока 110 излучение электромагнитных помех (EMI) может быть ослаблено посредством использования поглощающих резонансных элементов 1001, представленных на фиг. 14A-C (которые изображают их вид в перспективе, вид сверху и вид в разрезе соответственно; разрез, представленный на фиг. 14C, выполнен по линии A-A, изображенной на фиг. 14B). Поглощающие резонансные элементы 1001 гасят паразитные резонансы передающей (ТХ) катушки индуктивности и поглощают все или некоторые пики излучения электромагнитных помех (EMI).In some embodiments of the transmitting (TX)
Пример эффекта поглощающих резонансных элементов 1001 с уровнем излучения электромагнитных помех (EMI) представлен на фиг. 15. Коэффициент добротности поглощающих элементов затрагивает эффективность ослабления излучения электромагнитных помех (EMI). Следующие случаи демонстрируют: передающий (TX) блок 110 без поглощающих резонансных элементов 1001 (см. кривую 1101), структуру нижнего поглощения резонанса (см. кривую 1103), структуру верхнего поглощения резонанса (см. кривую 1102) и структуру оптимального поглощения резонанса (см. кривую 1104).An example of the effect of absorbing
Как изображено на фиг. 15, поглощающие резонансные элементы 1001, настроенные на частоту 412 МГц, гасят паразитный резонанс на 20 дБ (см. двойную стрелку 1105).As shown in FIG. 15, the absorbing
Настройка передающего (TX) и приемного (RX) блоков, соединенных магнитным способом, для максимальной эффективности передачи энергииTuning of transmitting (TX) and receiving (RX) units magnetically connected for maximum energy transfer efficiency
Максимальная эффективность PTE для передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и приемной (RX) катушки 121 индуктивности, соединенных индуктивным способом, может быть достигнута только при помощи оптимального импеданса нагрузки. Для анализа этих параметров необходимо учитывать две взаимосвязанных катушки индуктивности с индуктивностью L1, L2, собственные потери R1, R2 и взаимную индуктивность М. Предположим, что приемная (RX) катушка 121 индуктивности подлежит соединению с нагрузкой с импедансом Z2 изображенным на фиг. 1 способом.The maximum PTE efficiency for a transmitting (TX)
Согласование оптимальных импедансов Z2 должно удовлетворять условиям резонанса в приемной (RX) катушке 121 индуктивности, при этом максимальная эффективность передачи энергии достигается в виде Z2opt:The coordination of the optimal impedances of Z2 must satisfy the resonance conditions in the receiving (RX)
Также будут использоваться следующие обозначения:The following notation will also be used:
- коэффициент индуктивной связи катушек индуктивности, ω - частота, на которой работают передающий (TX) и приемный (RX) блоки. Коэффициент U добротности используется в нижеприведенных уравнениях для простоты. is the inductive coupling coefficient of the inductors, ω is the frequency at which the transmitting (TX) and receiving (RX) blocks work. The quality factor U is used in the equations below for simplicity.
Максимальная эффективность передачи энергии для оптимального импеданса Z2 (1):Maximum energy transfer efficiency for optimal impedance Z2 (1):
Входной импеданс передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности в случае оптимальной нагрузки:The input impedance of the transmitting (TX)
Поскольку входной импеданс ZTX_IN_COIL и импеданс Z2 нагрузки определяются посредством уравнения (4), цепи 113 и 122 согласования импедансов являются необходимыми для согласования этих импедансов для требуемого источника 111 энергии и нагрузки 123 изображенным на фиг. 1 способом. Элементы цепи согласования импедансов для приемного (RX) блока 120 должны быть вычислены посредством использования входного импеданса ZRECT выпрямителя следующим образом:Since the input impedance ZTX_IN_COIL and the load impedance Z2 are determined by equation (4),
где Х=-1/ ωС2Р - импеданс конденсатора C2Р, соединенного параллельно приемной (RX) катушке 121 индуктивности, Y=-1/ ωС2S - импеданс конденсатора C2S, последовательно соединенного с нагрузкой 123. Последовательный элемент со значением из уравнения (6) может являться конденсатором или индуктором. Наличие отрицательного корня в уравнении (5) предоставляет возможность использования конденсатора в качестве шунтирующего элемента цепи согласования импедансов: C2P=-1/ ωXNEG, где XNEG - отрицательный корень уравнения (5). В случае когда полученное значение Y является отрицательным, значением последовательного конденсатора является C2S=-1/ ωY.where X = -1 / ωС2Р is the impedance of the capacitor C2Р connected in parallel to the receiving (RX)
Критерии применимости для гибридных параллельно-последовательных элементов цепи 122 согласования импедансов в приемном (RX) блоке определяются следующим образом:Applicability criteria for hybrid parallel-serial elements of the
Условия Re(ZRECT)min = соответствуют согласованию последовательных импедансов, т.е. C2P=0. В противном случае должны быть использованы гибридные параллельно-последовательные элементы цепи 122 согласования импедансов.Conditions Re (ZRECT) min = correspond to the coordination of successive impedances, i.e. C2P = 0. Otherwise, hybrid parallel-serial elements of the
Связь источника энергии с передающим (TX) блоком, определение для различных вариаций импеданса передающего (TX) блокаCommunication of a power source with a transmitting (TX) block, determination for various variations of the impedance of a transmitting (TX) block
Работа источника 111 энергии задается посредством входного импеданса ZTX передающего (TX) блока (см. фиг. 1). Цепь 113 согласования импедансов для передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должна вычисляться по нижеследующим уравнениям:The operation of the
В данном случае X является реактивным компонентом, соединенным параллельно передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности, а Y является реактивным компонентом, последовательно соединенным с источником 111 энергии. Знак корня в уравнении (8) определяет параллельный тип элемента, а именно, конденсатор или индуктор. Последовательный элемент со значением из уравнения (9) также может являться конденсатором или индуктором. Наличие отрицательного корня предоставляет возможность использования конденсатора в качестве параллельного элемента цепи 113 согласования импедансов:In this case, X is a reactive component connected in parallel to the transmitting (TX)
где XNEG - отрицательный корень уравнения (8). В случае когда полученное значение Y является отрицательным, значение последовательного конденсатора должно находиться по формуле:where XNEG is the negative root of equation (8). In the case when the obtained Y value is negative, the value of the series capacitor should be according to the formula:
Условие (10) обеспечивает максимальное Re(ZTX_IN'), которое может быть согласовано с конкретной передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности.Condition (10) provides the maximum Re (ZTX_IN '), which can be matched with a specific transmitting (TX)
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения активная составляющая ZTX_IN обратно пропорциональна импедансу ZRECT нагрузки 123 (см. фиг. 1). Увеличение ZRECT вызовет уменьшение ZTX_IN. Уменьшение ZRECT вызовет увеличение ZTX_IN. Необходимое Z-изменение достигается в случае, когда цепь 113 согласования импедансов работает близко к последовательному резонансуIn a preferred embodiment of the present invention, the active component ZTX_IN is inversely proportional to the impedance ZRECT of the load 123 (see FIG. 1). Increasing ZRECT will cause decreasing ZTX_IN. A decrease in ZRECT will cause an increase in ZTX_IN. The necessary Z-change is achieved when the
В этом случае составляющая импеданса ZTX_IN уменьшается с увеличениемIn this case, the impedance component ZTX_IN decreases with increasing
Пример зависимости импеданса ZTX_IN от ZRECT передающего (TX) блока представлен на фиг. 16A-B для следующих двух случаев: корректная (фиг. 16А) и некорректная (фиг. 16B) реализация гибридной цепи 113 согласования импедансов.An example of the dependence of the impedance ZTX_IN on the ZRECT of the transmitting (TX) block is shown in FIG. 16A-B for the following two cases: correct (FIG. 16A) and incorrect (FIG. 16B) implementation of the hybrid
При корректной реализации цепи 113 согласования импедансов предпочтительно, чтобы горизонтальная кривая ZTX_IN изменялась по круговой диаграмме импедансов (см. кривую 201 на фиг. 16А); при этом активная составляющая импеданса ZTX_IN постепенно уменьшается по мере увеличения RRECT (см. кривую 202 на фиг. 16А).With the correct implementation of the
В альтернативном случае при некорректной реализации цепи 113 согласования импедансов предпочтительно, чтобы вертикальная кривая ZTX_IN изменялась по круговой диаграмме импедансов (см. кривую 203 на фиг. 16B); при этом активная составляющая импеданса ZTX_IN имеет неоднородную зависимость от увеличения RRECT (см. кривую 204 на фиг. 16B).Alternatively, if the
Варьирование параметров передающего (TX) блока вследствие изменения позиции приемного (RX) блокаVariation of the parameters of the transmitting (TX) block due to a change in the position of the receiving (RX) block
Параметры передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности передающего (TX) блока 110 могут варьироваться вследствие изменения позиции приемного (RX) блока 120 относительно передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Зависимость коэффициента k связи от позиции приемного (RX) блока 120 определяется посредством конструктивных параметров lxi, lyi, ri передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. В целом, индуктивность и коэффициент добротности передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности увеличиваются для приемного (RX) блока 120, перемещаемого из центральной позиции в краевую позицию. Это поясняется законом Ленца: вихревые токи на поверхностях приемного (RX) блока 120 компенсируют магнитный поток, индуцируемый посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Эти вихревые токи протекают по проводящим поверхностям следующих элементов приемного (RX) блока 120: батарея, основная плата, каркас корпуса и т.д. Распределения поверхностных токов по приемному (RX) блоку 120 изображены на фиг. 6A-B для следующих типичных позиций: приемный (RX) блок 120 (который встроен в электронное устройство) размещается в центре передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (фиг. 6А) и приемный (RX) блок 120 смещен от центра (фиг. 6B). На фиг. 6A-B темные области обозначают высокую плотность поверхностного тока по корпусу приемного (RX) блока, а светлые зоны обозначают низкую плотность поверхностного тока по корпусу приемного (RX) блока. Варьирование индуцируемых токов для различных позиций приемного (RX) блока 120 является причиной варьирования индуктивности передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Когда приемный (RX) блок 120 размещается в центральной позиции, магнитное поле, генерируемое посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности в этой области, является по большей части перпендикулярным по отношению к поверхностям приемного (RX) блока 120. В этом случае распределение тока по краям приемного (RX) блока 120 происходит симметрично.The parameters of the transmitting (TX)
В краевой области передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности магнитное поле имеет значительную касательную компоненту и неоднородную нормальную компоненту. Когда приемный (RX) блок 120 размещается около края передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, основная часть магнитного потока концентрируется ближе к центру передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, интенсивность вихревых токов снижается и становится асимметричной. Такое распределение тока создает более слабый магнитный поток в связи с тем, что нормальная компонента поля относительно плоскости приемного (RX) блока 120 концентрируется в меньшей области, вследствие чего увеличивается индуктивность передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.In the edge region of the transmitting (TX)
Аналитические решения для цепей согласования оптимальных импедансов в уравнениях (5), (6), (8) и (9) обеспечивают идеальное согласование и максимальную эффективность передачи энергии. Однако изменения в параметрах катушки индуктивности варьируют согласование импедансов и эффективность для различных позиций электронного устройства.Analytical solutions for matching the optimal impedance matching circuits in equations (5), (6), (8) and (9) provide perfect matching and maximum energy transfer efficiency. However, changes in the parameters of the inductor vary the impedance matching and efficiency for different positions of the electronic device.
Согласование и уровни эффективности во всех возможных позициях приемного (RX) блока 120 могут быть оценены посредством использования коэффициента Г отражения в качестве измерения отклонения ZTX_IN от оптимального значения. Для вычисления должна использоваться стандартная формула:The alignment and performance levels at all possible positions of the receiver (RX) block 120 can be estimated by using the reflection coefficient G as a measure of the deviation ZTX_IN from the optimum value. For calculation, the standard formula should be used:
Количественная оценка допустимого уровня варьирования параметров передающей (ТХ) катушки индуктивности выполняется посредством использования анализа чувствительности входного импеданса схемы к изменению параметров катушки индуктивности. Варьирование коэффициента отражения определяется следующим образом:A quantitative assessment of the permissible level of variation of the parameters of the transmitting (TX) inductor is performed by using the sensitivity analysis of the input impedance of the circuit to change the parameters of the inductor. The variation of the reflection coefficient is determined as follows:
где ZIND является импедансом, индуцированным посредством приемной (RX) катушки 121 индуктивности:where ZIND is the impedance induced by the receive (RX) inductor 121:
Теперь рассмотрим варьирование в качестве малого отклонения от оптимального согласования и максимальной эффективности PTE:Now consider variation as a small deviation from optimal matching and maximum PTE efficiency:
Варьирование активной составляющей импеданса передающей (ТХ) катушки индуктивности R1+ReZIND непосредственно включено в уравнение (13), при этом варьирование реактивной составляющей ωL1+ImZIND включено с коэффициентом Q1/k2Q2, в зависимости от параметров передающей (TX) и приемной (RX) катушек индуктивности.Variation of the active component of the impedance of the transmitting (TX) inductor R1 + ReZIND is directly included in equation (13), while the variation of the reactive component ωL1 + ImZIND is included with the coefficient Q1 / k2Q2, depending on the parameters of the transmitting (TX) and receiving (RX) coils inductance.
Когда приемная (RX) катушка 121 индуктивности согласовывается определенным в уравнениях (5) и (6) способом и нагрузка является постоянной (ZRECT=const), параметры приемной (RX) катушки индуктивности имеют достаточно малое варьирование, при этом варьирование сопротивления передающей (ТХ) катушки индуктивности является пренебрежимо малым:When the receiving (RX)
для всех позиций приемной (RX) катушки индуктивности.for all positions of the receiving (RX) inductor.
В этом случае варьирование коэффициента отражения, определенное посредством уравнения (13), может быть упрощено до следующей степени:In this case, the variation of the reflection coefficient determined by equation (13) can be simplified to the following extent:
В результате малый коэффициент связи (k<0,1) является причиной высокой чувствительности к варьированию индуктивности передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.As a result, a small coupling coefficient (k <0.1) is the reason for the high sensitivity to varying the inductance of the transmitting (TX)
Конструктивное решение для передающего (TX) блокаTransmitter (TX) block design
Для повышения эффективности PTE должны применяться способы, основанные на увеличении индуктивной связи и коэффициентов добротности. В этом направлении конструктивное решение передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности является компромиссом между однородностью индуктивной связи и варьированием индуктивности в ходе изменения позиции приемного (RX) блока 120 относительно передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Следовательно, критерии оценки конструктивного решения передающей (ТХ) катушки индуктивности основываются на эффективности PTE (см. уравнение (3)), варьировании входного импеданса передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (см. уравнение (4)), в зависимости от позиции приемного (RX) блока 120 и импеданса ZLOAD нагрузки.To increase the efficiency of PTE, methods based on increasing inductive coupling and Q factors should be applied. In this direction, the design of the transmitting (TX)
На первом этапе средний коэффициент индуктивной связи должен быть оценен на основе отношения поверхности SRX приемной (RX) катушки индуктивности к поверхности STX передающей (ТХ) катушки индуктивности в виде
На втором этапе внутренние витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должны быть спроектированы для обеспечения минимального варьирования индуктивности L1 передающей (ТХ) катушки индуктивности, когда приемный (RX) блок 120 размещается в центре активной области зарядки и вращается вокруг центра приемного (RX) блока 120. Неравная длина и ширина активной области зарядки и асимметричность приемной (RX) катушки 121 индуктивности обеспечивают неизбежное варьирование коэффициента связи. Такое варьирование минимизируется посредством регулировки размеров внутренних витков lx1, ly1.In a second step, the internal turns of the transmitting (TX)
Следующий этап: должна быть достигнута однородная связь и постоянный входной импеданс передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности для необходимых смещений приемного (RX) блока 120 от центра активной области зарядки. Внешние витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должны быть размещены максимально близко друг к другу для обеспечения минимального варьирования индуктивности на краях возможных позиций для приемного (RX) блока 120. В предложенной выше параметрической модели передающей (ТХ) катушки индуктивности однородность определяется посредством отношения α витков. Для изображенного на фиг. 2 примера оптимальное значение α=0,55 было найдено в результате выбора оптимальных параметров.The next step is to achieve uniform coupling and constant input impedance of the transmitting (TX)
Следующий этап: ширина жилы передающей (ТХ) катушки индуктивности и количество N витков должны быть оптимизированы на основе следующих соображений. Увеличение N позволяет достигнуть лучшей однородности связи для различных смещений приемного (RX) блока 120, при этом N ограничивается минимальной шириной жилы катушки индуктивности, т.е. сокращение ширины линии напрямую уменьшает средний коэффициент связи и Q1, вследствие чего снижается максимальная эффективность. Увеличение ширины катушки индуктивности приводит к увеличению Q1, при этом возрастает варьирование индуктивности передающей (ТХ) катушки индуктивности, когда приемный (RX) блок 120 размещается близко к краям активной области зарядки.The next step: the width of the core of the transmitting (TX) inductor and the number of N turns should be optimized based on the following considerations. Increasing N allows one to achieve better coupling uniformity for different offsets of the receiving (RX) block 120, while N is limited by the minimum width of the core of the inductor, i.e. reducing the line width directly reduces the average coupling coefficient and Q1, resulting in reduced maximum efficiency. An increase in the width of the inductor leads to an increase in Q1, while the variation in the inductance of the transmitting (TX) inductor increases when the receiving (RX)
Снижение активных потерь передающей (ТХ) катушки индуктивности вследствие увеличения ширины жилы является сравнительно малым, вследствие чего коэффициент добротности не зависит от ширины жилы. Это явление связано с неоднородным распределением тока по поверхности жилы, при этом основная часть тока протекает по краям жилы. Взаимная индуктивность между передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности и приемной (RX) катушкой 121 индуктивности является инвариантной к ширине жилы. В результате эффективность повышается в соответствии с уравнением (2) вследствие снижения сопротивления передающей (ТХ) катушки индуктивности.The decrease in active losses of the transmitting (TX) inductor due to the increase in the width of the core is relatively small, as a result of which the quality factor is independent of the width of the core. This phenomenon is associated with an inhomogeneous current distribution over the surface of the core, while the bulk of the current flows along the edges of the core. The mutual inductance between the transmitting (TX)
Следующий этап: внешние витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должны быть закруглены с максимально возможным радиусом кривизны для увеличения среднего коэффициента связи. Для изображенного на фиг. 2 примера: максимально закругленные витки обеспечивают k=0,157; углы, закругленные в соответствии с r1=rN=15 мм, обеспечивают уменьшение коэффициента связи до k=0,129.The next step: the external turns of the transmitting (TX)
Следующий этап: цепи согласования оптимальных импедансов должны вычисляться посредством использования уравнений (5), (6), (8), (9). Вычисленные цепи 113 и 122 согласования импедансов обеспечивают оптимальное согласование и максимальную эффективность PTE.The next stage: matching circuits of optimal impedances should be calculated using equations (5), (6), (8), (9). The calculated
В заключение, эффект согласования импедансов и варьирования эффективности PTE вследствие изменения позиции приемного (RX) блока 120 должен быть оценен на основе уравнения (13).In conclusion, the effect of matching impedances and varying PTE efficiencies due to a change in position of the receiving (RX) block 120 should be estimated based on equation (13).
Результаты экспериментальных испытанийExperimental test results
Фиг. 17A-F изображают результаты экспериментальных испытаний для опытного экземпляра передающего (TX) блока (в качестве примера, встроенного в мобильный телефон). В соответствии с контрольными результатами:FIG. 17A-F depict experimental test results for a prototype transmit (TX) unit (as an example, integrated in a mobile phone). In accordance with the control results:
- Максимальная эффективность PTE=90%, эффективность PTE>84% для всех позиций и ориентации приемного (RX) блока 120 на передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности.- Maximum PTE efficiency = 90%, PTE efficiency> 84% for all positions and orientation of the receiving (RX)
- Доступные позиции мобильного телефона:- Available cellphone positions:
- Телефон располагается по вертикали, позиция dХ от-37 мм до +37 мм (позиции 1201, 1202, 1203).- The phone is located vertically, the dX position is from -37 mm to +37 mm (
- Телефон располагается по горизонтали, позиция dY от -30 мм до +30 мм (позиции 1204, 1205, 1206).- The phone is located horizontally, position dY from -30 mm to +30 mm (
В данном случае является коэффициентом стоячей волны напряжения, при этом коэффициент Г отражения является мерой отклонения ZTX_IN от оптимального значения, определенный посредством уравнения (12), (13).In this case is the coefficient of the standing voltage wave, and the reflection coefficient G is a measure of the deviation ZTX_IN from the optimal value, determined by equation (12), (13).
Несмотря на то что в данном документе были раскрыты иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить возможность осуществления любых различных изменений и модификаций в вариантах осуществления настоящего изобретения в пределах объема правовой защиты, который определяется посредством прилагаемой формулы изобретения. В прилагаемой формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если не было указано иначе.Although illustrative embodiments of the present invention have been disclosed herein, it should be noted that any various changes and modifications may be made to the embodiments of the present invention within the scope of legal protection as determined by the appended claims. In the appended claims, reference to the singular does not exclude the presence of a plurality of such elements unless otherwise indicated.
Claims (50)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014150992A RU2623095C2 (en) | 2014-12-16 | 2014-12-16 | Wireless charging system and its application for charging mobile and portable devices |
KR1020150172657A KR102524585B1 (en) | 2014-12-16 | 2015-12-04 | Wireless charger and wireless power receiver |
US14/971,263 US10581284B2 (en) | 2014-12-16 | 2015-12-16 | Wireless charger and wireless power receiver |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014150992A RU2623095C2 (en) | 2014-12-16 | 2014-12-16 | Wireless charging system and its application for charging mobile and portable devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014150992A RU2014150992A (en) | 2016-07-10 |
RU2623095C2 true RU2623095C2 (en) | 2017-06-22 |
Family
ID=56343445
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014150992A RU2623095C2 (en) | 2014-12-16 | 2014-12-16 | Wireless charging system and its application for charging mobile and portable devices |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102524585B1 (en) |
RU (1) | RU2623095C2 (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109245540A (en) * | 2018-10-08 | 2019-01-18 | 中国科学院电工研究所 | The calculation method of the wireless charging system rectifier bridge input impedance of charged pool load |
RU187264U1 (en) * | 2018-05-23 | 2019-02-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE |
RU2698307C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-08-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН) | Wireless charging system |
RU2699024C1 (en) * | 2018-04-16 | 2019-09-03 | Фолкуер Холдингс Лимитед | Method and device for wireless charging of electric energy storage unit of fixed or mobile electric consumer |
RU196766U1 (en) * | 2019-12-05 | 2020-03-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Wireless power transmission device |
RU2781948C1 (en) * | 2021-06-21 | 2022-10-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Wireless charging system |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3340431A1 (en) * | 2016-12-20 | 2018-06-27 | Koninklijke Philips N.V. | System for impressed current cathodic protection |
EP3771071A4 (en) * | 2018-03-22 | 2022-03-16 | LG Electronics Inc. | Wireless charging pad and wireless charging device |
KR102521855B1 (en) * | 2018-03-22 | 2023-04-13 | 엘지전자 주식회사 | Wireless charging pad and wireless charging apparatus |
CN110350636B (en) * | 2019-08-12 | 2024-02-13 | 深圳市磁迹科技有限公司 | Wireless charging system and method |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008035248A2 (en) * | 2006-09-18 | 2008-03-27 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | An apparatus, a system and a method for enabling electromagnetic energy transfer |
RU124852U1 (en) * | 2012-07-19 | 2013-02-10 | Александр Викторович Атаманов | WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR LOW-POWER ELECTRIC POWER CONSUMERS |
RU2534020C1 (en) * | 2013-06-19 | 2014-11-27 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Wireless charging system for mobile devices |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH09326736A (en) * | 1996-06-03 | 1997-12-16 | Mitsubishi Electric Corp | Secondary side circuit equipment for wireless transmission/reception system and induction coil for wireless transmission/reception system |
JP4852829B2 (en) * | 2004-07-28 | 2012-01-11 | セイコーエプソン株式会社 | Non-contact power transmission device |
US7197113B1 (en) | 2005-12-01 | 2007-03-27 | General Electric Company | Contactless power transfer system |
JP2013046435A (en) | 2011-08-22 | 2013-03-04 | Kojima Press Industry Co Ltd | Charger mounted on vehicle, and power supply for vehicle |
KR20140128469A (en) * | 2013-04-25 | 2014-11-06 | 엘에스전선 주식회사 | Wireless power transmission apparatus, wireless power reception apparatus, and wireless power transmission system |
-
2014
- 2014-12-16 RU RU2014150992A patent/RU2623095C2/en active
-
2015
- 2015-12-04 KR KR1020150172657A patent/KR102524585B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008035248A2 (en) * | 2006-09-18 | 2008-03-27 | Philips Intellectual Property & Standards Gmbh | An apparatus, a system and a method for enabling electromagnetic energy transfer |
RU124852U1 (en) * | 2012-07-19 | 2013-02-10 | Александр Викторович Атаманов | WIRELESS CHARGING SYSTEM FOR LOW-POWER ELECTRIC POWER CONSUMERS |
RU2534020C1 (en) * | 2013-06-19 | 2014-11-27 | Корпорация "САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС Ко., Лтд." | Wireless charging system for mobile devices |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2699024C1 (en) * | 2018-04-16 | 2019-09-03 | Фолкуер Холдингс Лимитед | Method and device for wireless charging of electric energy storage unit of fixed or mobile electric consumer |
RU187264U1 (en) * | 2018-05-23 | 2019-02-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | WIRELESS POWER TRANSMISSION DEVICE |
RU2698307C1 (en) * | 2018-09-11 | 2019-08-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН) | Wireless charging system |
CN109245540A (en) * | 2018-10-08 | 2019-01-18 | 中国科学院电工研究所 | The calculation method of the wireless charging system rectifier bridge input impedance of charged pool load |
RU196766U1 (en) * | 2019-12-05 | 2020-03-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Wireless power transmission device |
RU2781948C1 (en) * | 2021-06-21 | 2022-10-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Wireless charging system |
RU215233U1 (en) * | 2022-10-05 | 2022-12-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Видящие машины" | Charger for Handheld Wireless Pattern Scanner |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20160073303A (en) | 2016-06-24 |
KR102524585B1 (en) | 2023-04-21 |
RU2014150992A (en) | 2016-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2623095C2 (en) | Wireless charging system and its application for charging mobile and portable devices | |
US10581284B2 (en) | Wireless charger and wireless power receiver | |
US10938247B2 (en) | Wireless power receiver and control method thereof | |
US8655272B2 (en) | Wireless charging coil filtering | |
EP3036817B1 (en) | Systems, apparatus, and method for a dual mode wireless power receiver | |
US9577468B2 (en) | Wireless charging receiving device and wireless charging system using the same | |
US9013141B2 (en) | Parasitic devices for wireless power transfer | |
JP2011514781A (en) | Wireless Power Device Packaging and Details | |
EP3032701B1 (en) | Wireless power transmission device | |
EP3232451B1 (en) | Shield for a wireless power transmitter | |
US11770027B2 (en) | Wireless power transmission device | |
KR20130000926A (en) | Design the compact wireless charging coil and nfc antenna | |
JP2023517037A (en) | Transmitter for wireless power transmission, system and method for wireless power transmission | |
US20220407564A1 (en) | Wireless power-receiving device with near field communication function | |
KR101765487B1 (en) | Installation method for attenna apparatus with ntc attenna annd wireless charging coil | |
KR101765482B1 (en) | Installation method for attenna apparatus with ntc attenna annd wireless charging coil | |
TW201603515A (en) | Near field communication and wireless charging device and switching method using the same | |
CN205248923U (en) | Electric energy receiver structure and wireless power receiving module | |
KR101782793B1 (en) | Installation method for attenna apparatus with ntc attenna annd wireless charging coil | |
Peng | WIRELESS POWER TRANSFER VIA MAGNETICALLY COUPLED RESONANCE FOR SMALL ELECTRONIC DEVICES | |
CN110521081B (en) | Wireless power transfer system and method using non-resonant power receiver |