CN101490923A - 非接触式能量传输转换器 - Google Patents

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CN101490923A CNA2007800262572A CN200780026257A CN101490923A CN 101490923 A CN101490923 A CN 101490923A CN A2007800262572 A CNA2007800262572 A CN A2007800262572A CN 200780026257 A CN200780026257 A CN 200780026257A CN 101490923 A CN101490923 A CN 101490923A
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Abstract

本发明是用于无线传递能量的高效方法和无线高效传递能量的设备。通过较低的频率来调制高传输频率，以便降低所产生的电磁干扰的强度。本发明通过采用大量小感应线圈来产生高磁通密度，其在宽范围的方向上生成强电磁场。本发明是“真正的无线系统”，这是因为它克服了本技术领域中所存在的对精确对准的要求和范围限制。存在用于非接触式能量传递的多种设备和实际实施方式。

Description

非接触式能量传输转换器
相关申请
本申请根据35 U.S.C.第119(c)条，要求于2006年6月8日提交的名称为“Contactless Energy Transmission Converter”的共同待决的美国临时专利申请第60/812,652号的优先权，在此将其引入作为参考。
发明领域
本发明总体上涉及在不使用线的情况下传递功率。更具体地，本发明致力于通过高频操作和低辐射电磁发射功率而实现的能量的感应传递(inductive transfer)。
背景技术
家用便携式电子设备、蜂窝电话和个人数字助理、MP3播放器、数字照相机以及许多其他的便携式电子设备是常见的消费产品。这些消费电子设备所共有的一个属性是需要对设备内的电池供电和充电。典型地，每个设备都被设计和构造成具有其自己的独特的电池(power cell)和充电适配器或设备。典型地，充电适配器基于来自插座、汽车打火机或使用连接器有线连接到设备的其他合适的电源的电力而运行。存储设备具有适当的连接器。这些功率传递的方法可能是高效的，但是，它们也引起许多问题。
首先，当前的功率传递系统需要人拥有并组织许多再充电器(recharger)或适配器。典型地，蓄电池以及设备充电连接器的几何形状这二者随着设备的大小、充电电压和设备制造商的不同而不同。对一批设备充电所需的各种充电器占用大量物理空间，并且难以记住哪个充电器与哪个设备相配。
现有的对消费电子设备进行充电的技术方案可能麻烦、不方便并且潜在危险。典型地，把消费电子设备充电器的插头插入到普通的120伏或240伏壁插座中。经常希望在一个地方对若干设备进行充电，以使缠结的线缆的杂乱情况仅限于局部，并为放置特定设备提供方便。但是，这样做迫使用户使用难看且潜在危险的电源板，还迫使用户去理清和管理各种线缆。
当尝试在可能会有水进入从而与设备接触的地方对电设备充电时，存在另一问题。水腐蚀金属的耦合设备，并且会造成电短路。浴室中的诸如电动剃须刀和电动牙刷之类的电子设备尤其易于短路。同样地，水池附近的、厨房中的、室外的或其他水源附近的充电设备可能会毁坏设备，或者伤害用户，如果设备或充电器变湿和损坏的话。
存在某些感应充电设备，但是它们需要用户将目标设备以某一特定定向(orientation)置于充电器上，这麻烦且费时。其他设备浪费了大量功率到开放的空间，或者没有足够大的功率来对现代设备方便地充电。
过去已经提出了在无需换能器(transducer)和接收器的精确定向的情况下使用感应来传递功率的尝试，但是这样的尝试效率低下，因此是不可行的。所提出的这样的充电系统的主要缺点是所发出的从这样的设备辐射到自由空间中的电磁辐射干扰(EMI)的量。为了通过远程感应耦合来对远程设备进行充电，需要大功率(powerful)信号来在目标接收器中产生足够的电流。通常以一个频率来发射这样的信号，从而引起该频率处的能量的强谱密度以及辐射的大量EMI。实际上，无法容易地产生单调信号，通常形成这样的信号：该信号具有频率分布，并且谐波集中于期望的频率。因此，来自大功率信号的EMI辐射将干扰所选择的频率以及非常接近于辐射频率的多个频率。
电磁干扰(EMI)中断、阻碍或者以其他方式降低其他电路的性能。例如，EMI辐射可能表现为诸如电视或计算机监视器之类的视觉设备中的视觉干扰，或者诸如收音机之类的听觉设备中的音频干扰。特定频率的EMI辐射能够使其他信号中断，从而使它们失效。例如，2.40GHz频带附近的干扰能够使典型的IEEE 802.11 Wi-Fi应用失效。另外，存在这样的现象：该现象暗示EMI可能对人体健康有害。
发明内容
本发明公开一种用于无线传递能量的高效方法。本发明是“真正的无线系统”，原因在于它克服了本领域中所存在对精确对准(alignment)的要求和范围限制。另外，设备无线高效地传递能量。能量发射单元将电流转换成无线信号。目标单元包括感应天线，所述感应天线感应地将信号转换成电流。目标所转换的电流能够被目标用于直接操作目标电路或对目标单元中的电池进行充电。优选的是在目标单元中排列多个感应天线，从而避免需要仔细地使目标单元对准能量发射单元。本发明通过采用大量小感应线圈来产生高磁通密度，这在宽范围的方向上产生强电磁场。
诸如对其他电子设备的干扰的实际参数以及环境管制(regulation)限制了允许由这种系统产生的电磁干扰(EMI)的量。因此，本发明的发射器以通过较低频率的载波信号调制的高频来发射大功率信号，以扩展所辐射的EMI的频率，从而降低其强度。使用可控晶体管对来实现这样的调制，所述可控晶体管在低频波形内构建(frame)高频信号。
在本发明的某些实施例中，通过恒定的低频方波脉冲串来调制高频信号。在本发明的其他实施例中，通过动态低频方波来调制高频信号。在本发明的又一实施例中，通过另一随机选择的低频波形来调制高频信号。
存在用于非接触式(contactless)能量传递的多种设备和实际实施方式。在它们之中，有计算机鼠标垫(pad)中的发射器，无线计算机鼠标以及用于对多个消费电子设备充电的充电设备中具有感应线圈的目标接收器。另一实施方式为用于感应地对电视、线缆和立体声系统遥控器进行充电的发射器垫。其他的应用包括玩具、闪光灯、蜂窝电话、音乐播放器、个人数字助理和其他用电池供电的设备。
附图简述
在所附的权利要求中阐述了本发明的新颖特征。但是，为了解释的目的，在下面的附图中阐述了本发明的几个实施例：
图1A是本发明的非接触式能量发射器的示意图。
图1B是本发明的可替换的非接触式能量发射器的示意图。
图1C是本发明的另一可替换的非接触式能量发射器的示意图。
图2A图示出本发明的工作频率。
图2B图示出用于调制工作频率的本发明的晶体管所产生的分组突发(packet burst)。
图3A是示出由未调制的传输所产生的功率分布的图。
图3B是使用较低频的脉冲串来调制工作频率而对功率分布造成的影响的图形表示。
图3C是使用随机生成的低频脉冲串来调制工作频率而对功率分布造成的影响的图形表示。
图4图示出本发明的非接触式能量发射器的一个实施例。
图5图示出实现供无线鼠标使用的本发明的非接触式能量发射器的计算机和计算机鼠标垫。
详细描述
本发明的实施例涉及用于能量的无线传输的方法、设备和示例性应用。本领域的普通技术人员将会认识到，下面的对本发明的详细说明仅是说明性的，并不意在以任何方式进行限制。对于得益于本发明的这样的技术人员来说，本发明的其他实施例将是很容易想得到的。
现在将详细参考附图中所示出的本发明的实施方式。贯穿整个附图部分以及下面的详细说明将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部分。
本发明将能量从源单元无线传递到目标单元。源单元将电流转换成无线信号。优选地，源单元被耦合到电源(power source)。目标单元包括产生电磁场的感应线圈，以拾取(pick up)信号并将信号转换成电流。本发明是“真正的无线系统”，原因在于它克服了传统电磁感应方法和无线电波传输方法这二者的限制。
图1A示出根据本发明的某些实施例的非接触式能量传输转换器。在图1A中，发射器1被配置成使用电流来产生无线能量信号，并且接收器2被配置成将无线能量信号转换成电流并对电池65进行充电。如所示，电源10被耦合到多相发射器15。多相发射器15被耦合到晶体管对16，并且晶体管对16被耦合到控制器40。从晶体管对16所发射的电流被进一步耦合到电容17，电容17继而耦合到传输天线18。
当电源10向用于产生具有第一频率的第一信号的多相发射器15供应电流时，非接触式能量传输转换器工作。第一信号被耦合到晶体管对16。控制器40控制晶体管对16何时“导通”以及何时“截止”。当晶体管对“导通”时，第一信号被允许通过晶体管对16，当晶体管对16“截止”时，该信号不能通过。这样，控制器40能够产生具有低频率的方波分组，其中，方波分组构建具有第一频率的第一信号，从而调制第一信号。然后该已调信号通过传输天线18来发射。传输天线18将信号发射到接收器150的接收天线55。接收天线55被耦合到用于将信号转换成DC(直流)电流的直流转换器60。然后，DC电流被耦合以对电池65进行充电。
对第一信号的调制引起这样的能量分布，其具有小得多的集中于第一信号的频率处的电磁干扰(EMI)。降低有效EMI强度允许这样的能量传递系统被用于其中由于实际的、安全的或管制的原因而使EMI水平必须低的现代应用中。下面在参考图3A-3C时更详细地示出：对第一信号的调制引起能量分布具有较低的电磁干扰。
在本发明的其他实施例中，控制器40产生动态调制频率。优选地，动态调制频率小于50千赫。该动态频率还能够是随机的或伪随机的。随机形成的调制频率进一步限制所辐射的EMI的强度。
图1B是根据本发明的其他实施例的非接触式能量发射器100和接收器150的示意图。多相发射器151被耦合到某一电源10。多相发射器151产生信号频率。在本发明的优选实施例中，该信号频率是500千赫级的非常高的发射频率。三组互补晶体管对20、25、30被耦合到多相发射器151。优选地，各晶体管的类型选自不会产生具有直流偏置的信号的晶体管。晶体管对20、25、30被耦合到控制器40。每个互补晶体管对分别耦合到感应器41、42和43。感应器41、42和43被耦合到一起并且组成天线45。
多相发射器151向晶体管对20、25、30发射具有某一高频ωhigh(高 频)的信号。通过控制器40来控制晶体管对20、25和30交替地导通和截止，以产生分组帧波(packet frame wave)。优选地，分组帧波为方波。例如，当晶体管20导通时，晶体管25和30截止。然后，晶体管20截止，晶体管30保持截止而晶体管25导通。接着，晶体管25截止，晶体管20保持截止而晶体管30导通。晶体管对20、25、30中的单独晶体管被选择成使得晶体管对中的一个晶体管控制方波信号的上升部分，而另一晶体管控制方波信号的下降部分。通过电容器21、26、31来进一步控制从发射器发射并由晶体管20、25、30控制的方波信号。
通过以某一较低频率ωsquare(方波)切换晶体管导通和截止，使得晶体管20、25和30导通和截止以调制高频率ωhigh。当给定晶体管对工作时，它允许具有频率ωhigh的信号通过，当它截止时，频率ωhigh被阻断。最终结果是具有频率ωmod(调制)的信号，其包括通过频率为ωmod的方波调制的高频率ωhigh。再次通过传输天线45发射由多相发射器151产生并由晶体管对20、25和30调制的信号，从而使得传输信号具有较小的有效EMI。传输信号被接收器150的接收天线55接收。接收天线55被耦合到用于将信号转换成DC电流的DC转换器60。然后DC电流被用于对电池65进行充电。
在本发明的其他实施例中，控制器40产生动态调制频率。优选地，动态调制频率小于50千赫。该动态频率还可以是随机的或伪随机的。随机产生的调制频率进一步限制所辐射的EMI的有效强度。
图1C是本发明的某些实施例的可替换示意图。在图1C中，在接收器250中使用多个接收天线45。在该实施例中，避免了仔细地使接收器对准能量发射器100的需要。这是因为以下事实：通过采用具有小感应线圈的大量接收天线45来产生高磁通密度，以在宽范围的方向上产生强电磁场。
图2A、2B和2C图示出本发明的调制技术。图2A表示由发射器产生的高工作频率ωhigh。如所示，该信号是单调的，并且由高频ωhigh组成。图2B表示通过有规律地导通和截止如图1B中所示的晶体管对20、25和30的操作而生成的方波。如所示，在导通和截止互补晶体管20时产生脉冲1和4，在导通和截止互补晶体管25时产生脉冲2和5，在导通和截止互补晶体管30时产生脉冲3和6。所生成的波形是频率为ωsquare的方波。
最后，图2C示出通过如图2B中所示的频率为ωsquare的方波所调制的具有如图2A所示的频率ωhigh的高频信号。由于多相发射器15所产生的信号仅在晶体管对为“导通”时通过晶体管对，所以方波容纳(house)高频波。图2C中所示的所生成的波形具有频率ωmod，并且包括具有容纳高频信号的低频的脉冲串。
对由多相发射器15所发射的信号的调制对信号的功率分布造成了影响，如图3A-3C所示。图3A是示出由未调制的高频传输所引起的功率分布的图。如所示，该信号是500千赫的传输信号。
图3B是由于使用较低频的脉冲串来调制工作频率而引起的对功率分布的影响的图形表示。如所示，调制频率为20千赫。如调制频率20千赫附近的EMI的小的峰值以及500千赫峰值附近的更广泛地分散的、更小的能量所示，调制使得EMI变小并扩展到更宽的频率范围上。系统所辐射的EMI出现在更大的频率范围上，但是EMI的问题变得更弱、更小。
参考回到图1A，如上所述，多相发射器15能够被配置为发射给定范围内的预定的动态频率ωhigh。虽然能够预定为连续改变，但是优选随机或可替换地伪随机地改变。例如，频率ωhigh能够是400千赫和600千赫之间的任何频率，并且能够以10千赫和50千赫之间的随机变化的间隔来导通和截止晶体管20、25和30。
图3C是使用这样随机生成的较低频率来调制工作频率而对功率分布造成的影响的图形表示。可以理解的是，如从图3A和3B中可以看出的，两个信号内的能量是相同的，但是扩展在更宽的频带上。最终的结果是对EMI的进一步抑制。
图4A图示出根据本发明的某些实施例的非接触式能量传输转换器的实际实施方式。在图4A中，多相发射器15被示出为被容纳在充电垫400中。多相发射器被耦合到标准插头(plug)11，所述标准插头11被配置成插入到标准120伏或240伏电源中。互补晶体管对(未示出)位于天线矩阵45之下。接收器150被示为容纳在目标设备450中。接收天线55被耦合到用于将信号转换成DC电流的DC转换器60。然后DC电流被用于对电池65充电。在本发明的一个特定实施例中，目标设备450是电视遥控器。
在其他实施例中，均具有接收天线55的多个设备(未示出)能够在充电垫400上被充电。所述多个设备不需要特定的定向，这是因为每个接收器天线55将足够接近于天线矩阵中的至少一个天线45以用于有效传输。
另外，图4中所示出的实施例有助于消除已知的无线能量传递解决方案中所需要的对精确定向的要求。在某些应用中，能够通过感应耦合来传递能量，但是仅在发射天线和接收器天线完全对准时才可以。这样的精确对准在某些应用中会很不方便。例如，通过将单个接收器天线置于鼠标中而将发射天线置于鼠标垫中来使用感应对无线鼠标供电-这一方案在需要鼠标精确地对准一个特定发射天线的顶部的情况下不能有效地起作用，这是因为就鼠标的特性而言鼠标是移动的。鼠标的扩展使用或者未对准将使得电池被耗尽。
图5图示出本发明的另一实际表现。图5图示出感应式的计算机鼠标垫512以及无线计算机鼠标510中具有感应线圈511的目标接收器，感应式的计算机鼠标垫512具有发射器阵列，其中发射器514是发射器阵列中的示例性发射器。为方便起见，可以通过插入到USB端口中的USB线缆513来向鼠标垫512供电。可替换地，能够将鼠标垫512插入到壁插座中。根据该实施例，只要将鼠标垫513插入并且鼠标510位于鼠标垫512之上，就能够对无线鼠标中的电池不断进行充电。
图6图示出本发明的另一实际表现。图6图示出具有发射器阵列的感应式充电设备601以及置于充电设备601之上的作为目标设备的多个消费电子设备602、603、604、605，其中发射器阵列(未示出)位于充电设备601中。虽然示出了特定类型的消费电子设备，但是对本领域普通技术人员来说显而易见的是，能够使用本发明的设备来类似地对其他类型的消费电子设备进行充电。在本发明的某些实施例中，通过插入到壁插座(未示出)中的导线606来向充电设备601供电。在其他实施例中，插入到被供电的计算机(未示出)的USB端口中的USB线缆能够向充电设备601供应充足的功率。根据本发明的该实施例，每个设备602、603、604、605都包含具有感应线圈(未示出)的接收器。在本发明的某些实施例中，在售后服务中，将具有感应线圈的接收器配备在设备602、603、604、605内。在其他实施例中，在制造时，具有感应线圈的接收器被整体地形成在设备602、603、604、605中。根据该实施例，从充电设备601无线地向设备602、603、604、605供电。这样，用户能够将任何启用的设备置于充电设备601上以对该设备进行充电，而无需考虑它在表面上的对准。
如上所述，本发明解决了现有的感应系统中所存在的某些问题。本发明提供了在无需天线的精确定向以及无需发射过多的电磁干扰的情况下无线传递有用功率的实际方法。
已经就包含细节的特定实施例对本申请进行了描述，以便于理解功率放大电路的构造原理和操作。可以替换在多个附图中示出并描述的多个组件，以获得必要的结果，并且应该理解为本说明书还涵盖这样的替换。同样，这里对特定实施例及其细节的参考并不意在限制所附权利要求的范围。对本领域技术人员来说很明显的是，能够在不偏离本申请的精神和范围的情况下对为了说明而选择的实施例进行修改。

Claims (20)

1.一种无线能量传输系统，包括：
信号发生器，用于生成第一频率的信号；
至少一个可控场效应晶体管，用于接收第一频率的信号，其中所述至少一个可控场效应晶体管被交替地导通和截止，从而形成载波频率，其中通过载波频率来调制第一频率，从而形成已调信号；
至少一个感应线圈天线，用于接收已调信号，从而形成传输信号；以及
接收器天线，用于接收所述传输信号，从而形成接收信号；以及
接收器电路，用于将接收信号转换成电流。
2.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中所述第一频率为500千赫。
3.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中所述至少一个可控场效应晶体管为金属氧化物半导体场效应晶体管。
4.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中所述至少一个可控场效应晶体管为结型场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中所述至少一个可控场效应晶体管是通过计算机来控制的。
6.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中通过所述至少一个可控场效应晶体管所形成的载波频率为方波脉冲串。
7.根据权利要求6所述的无线能量传输系统，其中所述方波脉冲串具有20千赫的波长。
8.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中通过所述至少一个可控场效应晶体管所形成的载波频率为动态载波频率。
9.根据权利要求8所述的无线能量传输系统，其中所述动态载波频率是可调谐的。
10.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中通过所述至少一个可控场效应晶体管所形成的载波频率是通过随机频率发生器而随机生成的。
11.根据权利要求10所述的无线能量传输系统，其中所述随机频率发生器生成50千赫或更小的频率。
12.根据权利要求1所述的无线能量传输系统，其中多于一个可控场效应晶体管接收第一频率的信号，从而形成多个载波频率，其中通过所述多个载波频率来调制第一频率，从而形成多个已调信号。
13.根据权利要求12所述的无线能量传输系统，其中多于一个感应线圈天线被用于接收所述多个已调信号。
14.根据权利要求13所述的无线能量传输系统，其中每个感应线圈天线接收来自所述多个已调信号的特定信号，并且其中所述传输信号包括来自每个感应线圈天线的信号。
15.一种用于对电池单元进行无线充电的设备，包括：
发射器壳，包含：
信号发生器，用于生成第一频率的信号；
至少一个可控场效应晶体管，用于接收第一频率的信号，其中所述至少一个可控场效应晶体管被交替地导通和截止，从而形成载波频率，其中通过载波频率来调制第一频率，从而形成已调信号；以及
至少一个感应线圈天线，用于接收已调信号，从而形成传输信号；
电源，用于向信号发生器输送电流；以及
至少一个电子设备，包括：
可再充电的电池单元；
接收器天线，用于接收所述传输信号，从而形成接收信号；以及
接收器电路，用于将接收信号转换成电流，其中所述电流对可再充电的电池单元进行再充电。
16.根据权利要求15所述的用于对电池单元进行无线充电的设备，其中所述发射器壳为鼠标垫，并且其中所述至少一个电子设备为无线光鼠标。
17.根据权利要求15所述的用于对电池单元进行无线充电的设备，其中所述发射器壳是桌面充电垫，并且其中所述至少一个电子设备是遥控器。
18.根据权利要求15所述的用于对电池单元进行无线充电的设备，其中所述发射器壳是用于同时对多个电子设备进行充电的桌面多设备充电垫。
19.一种无线功率传递的方法，包括：
在频率发生器中产生第一电流，从而形成第一频率；
将第一频率引导至至少一个可控场效应晶体管；
交替地导通和截止所述至少一个可控场效应晶体管，从而形成至少一个已调信号；
将所述至少一个已调信号引导至至少一个发射器天线，其中所述至少一个发射器天线产生传输信号；
将接收器天线放置得接近于发射器天线，其中接收器天线拾取所述传输信号，从而形成接收传输；
将所述接收传输转换成第二电流。
20.一种用于将电能量从第一设备感应地传送到第二设备的方法，包括：
放置具有发射器的第一设备，其中所述发射器通过以下步骤来发射信号：
在频率发生器中产生第一电流，从而形成第一频率；
将第一频率引导至至少一个可控场效应晶体管；
交替地导通和截止所述至少一个可控场效应晶体管，从而形成至少一个已调信号；以及
将所述至少一个已调信号引导至至少一个发射器天线，其中所述至少一个发射器天线产生传输信号；以及
将第二设备放置得接近于第一设备，其中接收器天线拾取来自发射器天线的传输信号，从而形成接收传输；
将所述接收传输转换成第二电流；以及
使用第二电流对第二设备中的电池单元进行充电。
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