CN102084442B

CN102084442B - 感应传输系统

Info

Publication number: CN102084442B
Application number: CN2008801292688A
Authority: CN
Inventors: Y·阿桑科特; A·本沙隆; O·格林沃尔德; A·罗费; A·莱博维茨; D·罗兹; N·梅尤哈斯
Original assignee: Powermat Ltd
Current assignee: Powermat Technologies Ltd
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: JP2011514801A; US9083204B2; US9048696B2; CN102084442A; EP2266123B1; US20140125147A1; US20150326032A1; US20140252871A1; WO2009116025A3; EP2266123A4; CA2718901A1; US9035501B2; US20170294808A1; WO2009116025A2; US20140125146A1; US9136734B2; AU2008353278A1; CA2718901C; US9685795B2; KR20100130215A

Abstract

本发明公开了感应功率传输系统，用于在不使用连接导线的情况下向电负载提供功率。本发明系统包括具有初级电感器的感应功率出口和具有次级电感器的感应功率接收器。在不同实施例中，功率传输系统还可组合(i)信号传输系统，用于在接收器和出口之间传送数据信号；(ii)对准机构，用于帮助使次级电感器与初级电感器对准；(iii)散热系统，用于冷却接收器而使其可由用户拿着；及(iv)磁通导，用于将磁通从初级电感器导向次级电感器。

Description

感应传输系统

技术领域

本发明涉及感应电功率传输。更具体地，本发明涉及提供感应功率出口以经感应功率接收器以无线方式向电负载提供功率。

背景技术

如本领域已知的，感应功率耦合使能量无需连接导线即可从电源传到电负载。电源经电线连接到初级线圈，及跨初级线圈施加振荡电势，从而感生振荡磁场。振荡磁场可在靠近初级线圈置放的次级线圈中感生振荡电流。这样，电能可通过电磁感应从初级线圈传到次级线圈，而两个线圈无需传导连接。当电能从初级线圈传到次级线圈时，线圈对称为感应耦合。当次级线圈与初级线圈感应耦合时，经电线与前述次级线圈串联连接的电负载可从经电线连接到初级线圈的电源吸取能量。

感应型功率出口可优选为更普通的传导功率插座，因为它们提供无缝功率传输并使对拖尾导线的需要最小化。

已提出了低功率感应电功率传输系统。一种这样的例子在授予Hui的美国专利7,164,255中描述。在Hui的系统中，扁平感应电池充电装置使电子设备能进行充电。该系统包括具有充电表面的扁平充电模块，将要充电的设备放在充电表面上。在充电模块内，提供与充电表面平行的至少一、优选一批初级绕组。初级绕组与将要充电的设备内的次级绕组感应耦合。

前述系统在足以对电池进行充电的相对低的功率提供感应耦合。然而，应意识到，在扩展区域以很大程度上均匀的方式连续传输能量的基本单元如Hui的充电表面不适合与高能系统一起使用，如那些需要对计算机、灯泡、电视等供电的系统。

与高功率感应传输系统相关联的能量损耗通常大于低功率系统如Hui的充电表面中的损耗。此外，在低功率系统中，多余热量可容易地消散，而解耦合的高功率初级线圈或其环境可变得危险性地热。

此外，高功率初级线圈中的振荡电压产生振荡磁场。在次级线圈与初级线圈感应耦合的情形下，因而发生的磁链导致功率由次级线圈吸取。在没有次级线圈吸取功率的情形下，振荡磁场导致高能电磁波在所有方向辐射，这可能具有不合需要的副作用，如从信用卡擦除数据，及可能对旁观者尤其对具有起搏器的旁观者有害。

授予Sabo的、题为“Alignment independent and self aligning inductivepower transfer system”的美国专利6,803,744描述了用于对无绳装置进行再充电的感应功率传输设备。Sabo的设备包括多个用作变压器的初级线圈的电感器。变压器的次级线圈安排在前述无绳装置内。当无绳装置紧邻功率传输设备置放且相应线圈对准时，功率经变压器从功率传输设备感应传输给无绳装置。

Sabo的系统的电感器安排成阵列并经开关连接到电源，开关用于有选择地启动相应电感器。之所以提供这些选择使用的开关是为了节约功率及消除讨厌的电磁场。因此，′744指出了电磁泄露的问题及当次级线圈在有效范围内时每一初级线圈仅需要从电源加电。此外，′744中描述的功率接收单元体积大及对于与小的电子设备一起使用不切实际。

因此，需要一种实用的感应功率传输系统以安全和方便地将功率按能量有效的方式从感应功率出口无线传到感应功率接收器。本发明满足了这种需要。

发明内容

本发明的目标是提供传输系统，其包括用于将功率感应传输给至少一感应功率接收器的至少一感应功率出口、用于使功率接收器与功率出口对准的至少一对准机构、及用于将控制信号从功率接收器传给功率出口的至少一信号传输系统。通常，感应功率出口包括经驱动器有线连接到电源的至少一初级感应线圈，前述驱动器用于在高频率跨初级感应线圈提供振荡电压，及包括初级铁磁芯。感应功率接收器包括用于与初级感应线圈耦合的至少一次级感应线圈，次级感应线圈有线连接到功率调节器。信号传输系统包括与功率接收器相关联的信号发射器和与功率出口相关联的信号检测器。

可选地，对准机构包括与功率出口相关联的第一元件和与功率接收器相关联的第二磁元件。通常，信号发射器包括光发射器，及信号检测器包括光检测器。可选地，功率调节器包括用于将来自感应功率出口的AC输入转换为用于对电设备供电的DC输出的整流器。本发明的另一目标是提出用于从感应功率出口感应接收功率的感应功率接收器。可选地，本发明系统包括选自下组的功率转换器：变压器、DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器、回扫变压器、回扫转换器、全桥转换器、半桥转换器和正向转换器。

本发明的另一目标是提出感应功率传输系统，其包括用于将功率感应传输给至少一感应功率接收器的至少一感应功率出口，感应功率出口包括经驱动器有线连接到电源的至少一初级电感器，及感应功率接收器包括用于与初级电感器耦合的至少一次级电感器，次级电感器用于向电负载提供功率；感应功率传输系统包括低热损失全波整流器，该全波整流器包括：具有一个有线连接到第一输出端子的阳极和一个有线连接到第一输入端子的阴极的第一半波整流器；具有一个有线连接到第一输出端子的阳极和一个有线连接到第二输入端子的阴极的第二半波整流器；具有一个有线连接到第一输入端子的阳极和一个有线连接到第二输出端子的阴极的第三半波整流器；及具有一个有线连接到第二输入端子的阳极和一个有线连接到第二输出端子的阴极的第四半波整流器；全波整流器用于从可变极性的输入提供恒定极性的输出，其中至少一半波整流器包括电子开关，该电子开关配置成在流过开关阴极的电流超出预定阈值时处于“开”状态。

可选地，第一半波整流器包括第一电子开关，该第一电子开关配置成在流过其阴极的电流超出第一预定阈值时处于“开”设置；及第二半波整流器包括第二电子开关，该第二电子开关配置成在流过其阴极的电流超出第二预定阈值时处于“开”设置。优选地，至少一半波整流器包括配置成与输入信号的频率同步而在“开”和“关”状态之间切换的电子开关。

优选地，第一半波整流器包括第一电子开关，该第一电子开关配置成在流过其阴极的电流超出预定阈值时处于“开”状态；第二半波整流器包括第二电子开关，该第二电子开关配置成在流过其阴极的电流超出预定阈值时处于“开”状态；第三半波整流器包括第三电子开关，该第三电子开关配置成与第二输入端子处的电压信号同相而在“开”和“关”状态之间切换；及第四半波整流器包括第四电子开关，该第四电子开关配置成与第一输入端子处的电压信号同相而在“开”和“关”状态之间切换。

通常，电子开关包括晶体管，尤其是MOSFET器件。优选地，电子开关包括：包括源极端子、漏极端子和栅极端子的MOSFET器件；与MOSFET器件并联、有线连接到源极端子和漏极端子的半波整流器；及电流监视器，配置成监视流过漏极端子的漏电流及向栅极端子发送门信号使得在漏电流超出第一阈值电流时MOSFET切换为“开”状态及在漏电流低于第二阈值电流时MOSFET切换为“关”状态。可选地，电流监视器包括电流互感器。

本发明的另一目标是提出感应功率传输系统，包括具有经驱动器有线连接到电源的至少一初级感应线圈的至少一感应功率出口；初级感应线圈用于形成与有线连接到电负载的至少一次级感应线圈的感应耦合，次级感应线圈与感应功率接收器相关联，其中驱动器配置成跨初级感应线圈提供驱动电压，该驱动电压以明显不同于感应耦合的谐振频率的传输频率振荡。可选地，驱动器包括用于间歇将初级感应线圈连接到电源的开关单元。

优选地，传输频率位于感生电压随频率近似线性变化的范围中。可选地，驱动器配置成响应于反馈信号调节传输频率。

可选地，感应功率出口包括适于检测第一信号和第二信号的信号检测器，及驱动器配置成：当检测器检测到第一信号时增大传输频率，及当检测器检测到第二信号时减小传输频率。反馈信号通常携载与电负载的工作参数有关的数据。工作参数选自下组：电负载所要求的工作电压、电负载所要求的工作电流、电负载所要求的工作温度、电负载所要求的工作功率、测得的电负载工作电压、测得的电负载工作电流、测得的电负载工作温度、测得的电负载工作功率、传给初级感应线圈的功率、次级感应线圈所接收的功率、及用户标识码。可选地，检测器选自下组：光检测器、无线电接收器、音频检测器和电压峰值检测器。

优选地，驱动器还包括用于监视跨初级线圈的初级电压的振幅的电压监视器。可选地，电压监视器配置成检测初级电压的明显增加。

在优选实施例中，驱动电压以高于感应耦合的谐振频率的传输频率振荡，其中初级感应线圈还有线连接到包括用于监视跨初级线圈的初级电压的振幅的电压监视器的接收电路，及次级感应线圈还有线连接到传输电路，该传输电路用于将至少一电元件连接到次级感应线圈从而增大谐振频率使得控制信号可从传输电路传到接收电路。可选地，次级感应线圈有线连接到桥式整流器的两个输入，及电负载有线连接到桥式整流器的两个输出，其中传输电路有线连接到桥式整流器的一个输入及桥式整流器的一个输出。通常，传输电路还包括用输入信号调制位速率信号以产生调制信号的调制器及用于根据调制信号间歇将电元件连接到次级感应线圈的开关。可选地，电压监视器还包括使初级电压的振幅与位速率信号互相关联以产生输出信号的相关器。

在某些实施例中，控制信号用于将反馈信号从次级感应线圈传到初级感应线圈以调节跨感应功率耦合的功率传输。驱动器可配置成响应于反馈信号调节传输频率。通常，本发明系统适于传输第一信号和第二信号，及驱动器配置成：当接收器接收到第一信号时增大传输频率，及当接收器接收到第二信号时减小传输频率。

本发明的再一目标是提出感应功率适配器，包括：用于从感应功率出口接收功率的至少一感应功率接收器；用于将功率接收器传导连接到至少一电设备的至少一功率连接器；及用于拿着适配器的把手，该把手与功率接收器热隔离使得当功率接收器运行时用户可拿着适配器而不会受到伤害。可选地，适配器还包括印刷电路板。

通常，功率接收器用于提供高于50W的功率。优选地，适配器包括用于散发其中产生的热量的冷却系统。可选地，冷却系统包括位于功率接收器上方的至少一空气出口及位于功率接收器下方的至少一空气入口，使得由功率接收器加热的热空气通过空气出口流出适配器及来自外面的冷空气通过空气入口吸入适配器。

优选地，适配器还包括用于散发功率接收器产生的热量的至少一散热器。可选地，散热器为金属圆盘。通常，散热器比适配器的外壳的内径小，从而使空气能在散热器和外壳之间流通。

本发明的又一目标是提出传输防护装置，用于防止感应功率出口在没有电负载与之感应耦合的情况下传输功率，感应功率出口包括可连接到电源的至少一初级线圈，用于与有线连接到电负载的次级线圈感应耦合，传输防护装置包括用于防止初级线圈在没有传输钥匙的情况下连接到电源的至少一传输锁。

可选地，传输锁包括至少一磁开关，及传输钥匙包括与次级线圈相关联的至少一磁元件。通常，传输锁包括磁开关阵列，配置成仅在由匹配结构的磁元件启动时才将初级线圈连接到电源。可选地，磁开关包括磁传感器。

作为备选，传输防护装置包括：用于发出释放信号的至少一发射器及用于检测释放信号的至少一检测器；传输钥匙包括与次级线圈相关联的至少一桥，用于在至少一发射器和至少一检测器之间桥接，使得当次级线圈与初级线圈对准时释放信号被从发射器引导到检测器。可选地，释放信号为光信号，及前述桥包括至少一光波导。作为备选，释放信号为磁信号，及前述桥包括磁通导。在其他实施例中，传输钥匙包括由与次级线圈相关联的发射器发出的释放信号。释放信号可以是光信号，及光信号可以是由配置成释放传输锁的光检测器接收的红外脉冲。作为备选，释放信号是磁信号。在传输防护装置的一些实施例中，发射器为次级线圈。

可选地，传输防护装置包括由初级线圈传输的低功率脉冲，使得当次级线圈与初级线圈对准时前述功率脉冲被传到次级线圈及传输钥匙由该功率脉冲触发。优选地，第一传输锁由指示次级线圈可能存在的第一传输钥匙释放，及第二传输锁由确认次级线圈存在的第二传输钥匙释放。第一传输锁可使从初级线圈传输功率脉冲，及第二传输钥匙由次级线圈接收的功率脉冲触发。磁元件可包括铁氧体磁通导铁芯。不同地，释放信号选自下组：机械信号、音频信号、超声波信号和微波。本发明的目标还在于分开提供：用在传输防护装置中的传输钥匙；用在传输防护装置中的传输锁；及受传输防护装置保护的感应功率出口。

本发明的另一目标是提供感应功率传输系统，包括用于从感应功率出口接收功率的至少一感应功率接收器，感应功率出口包括经驱动器有线连接到电源的至少一初级电感器，及感应功率接收器包括用于与初级电感器耦合的至少一次级电感器，次级电感器用于向电负载提供功率；感应功率传输系统包括用于将磁通从初级电感器导向次级电感器的至少一磁通导，其中磁通导包括非晶形铁磁材料。可选地，非晶形铁磁材料具有小于30微米的厚度。通常，非晶形铁磁材料夹在两层聚合物层之间。优选地，磁通导包括由电绝缘材料分隔的多层非晶形铁磁材料。

在一些实施例中，磁通导包括非晶形铁磁材料的薄片。优选地，薄片至少部分裂开以减少涡流的形成。可选地，薄片为圆形并具有沿至少一直径延伸的裂缝。在某些实施例中，薄片从一片非晶形铁磁材料切割。作为备选，磁通导包括非晶形铁磁材料的微丝。可选地，微丝形成布。

本发明的特别目标是提供感应功率传输系统，其包括用于将功率感应传输给至少一感应功率接收器的至少一感应功率出口，感应功率出口包括经驱动器有线连接到电源的至少一初级电感器，及感应功率接收器包括用于与初级电感器耦合的至少一次级电感器，次级电感器用于向电负载提供功率；感应功率传输系统包括选自下组的至少一优化组件：

-低热损失全波整流器，包括配置成当流过其阴极的电流超出预定阈值时处于“开”状态的电子开关；

-连接在电源和初级电感器之间的驱动器，该驱动器配置成跨初级感应线圈提供驱动电压，驱动电压以明显不同于初级电感器和次级电感器形成的感应耦合的谐振频率的传输频率振荡；

-感应功率适配器，包括用于拿着功率接收器的把手，该把手与功率接收器热隔离使得当功率接收器工作时用户可拿着适配器而不会受到伤害；

-传输防护装置，用于防止感应功率出口在没有电负载与其感应耦合的情况下传输功率，传输防护装置包括用于防止初级线圈在没有传输钥匙的情况下连接到电源的至少一传输锁；及

-用于将磁通从初级电感器导向次级电感器的磁通导，其中磁通导包括非晶形铁磁材料。

在另外的实施例中，感应功率传输系统包括上面列出的至少两个优化组件。优选地，感应功率传输系统包括至少三个优化组件。

附图说明

为更好地理解本发明和展现其怎样实现，现在将参考附图，但仅作为例子。

在现在具体参考附图细节时，应当强调的是，所示细节仅作为例子并将用于对本发明的优选实施例进行说明性论述的目的，及因提供被认为是对本发明的原理和概念方面进行最有用和容易理解的描述的原因而给出。既然这样，未尝试示出本发明的、比基本理解本发明所必需的细节更详细的结构细节，结合附图进行的描述使本发明的几种形式可怎样在实践中实施对本领域技术人员显而易见。在附图中：

图1a为表示根据本发明示例性实施例的感应功率传输系统的示意图。

图1b为表示图1a的感应功率传输系统中使用的感应功率接收器的示意图。

图1c为根据本发明示例性实施例的感应功率传输系统的主要组件的框图表示。

图2a为根据本发明另一实施例的用于感应功率出口的传输防护装置的主要组件的框图表示。

图2b为根据本发明另一实施例的由示例性传输防护装置保护的感应功率出口的示意性表示，其中传输锁由磁动钥匙释放。

图2c、2e为根据本发明另一实施例的传输防护装置的示意性表示，其中传输锁可由被动光传输钥匙释放。

图2d为根据本发明另一实施例的传输防护装置的示意性表示，其中传输锁可由主动光传输钥匙释放。

图3a为现有技术的全波二极管桥式整流器的电路图。

图3b为现有技术的功率MOSFET的图。

图4a为第一同步全波整流器的框图，其中图3的二极管桥的二极管中的两个已由电子开关代替。

图4b为根据本发明示例性实施例的第二同步全波整流器的框图，其中图3的二极管桥的所有四个二极管均已由电子开关代替。

图4c为电流触发的功率MOSFET的示意图，其从流过漏极端子的电流得到门信号。

图4d为图4c的MOSFET的漏电流和状态在正弦波输入电压的单一周期内的变化的图形表示。

图4e为表示根据本发明另一实施例的同步全波MOSFET桥式整流器的电路图。

图5a为根据本发明另一实施例的感应功率出口经感应功率适配器对计算机供电的示意图。

图5b为根据本发明示例性实施例的感应功率适配器的等距投影。

图5c为示例性实施例的功率接收器的内部组件的分解图。

图5d为示例性实施例的功率接收器的侧视图截面。

图5e为根据本发明另一实施例的具有磁通导的感应功率接收器的分解图。

图5f为图5e的感应功率接收器的等距图。

图6a为具有反馈信号通路的感应功率传输系统的主要元件的框图。

图6b为示出工作电压的振幅怎样随频率变化的曲线。

图6c为表示膝上型电脑从感应功率出口吸取功率的示意图。

图6d为通过改变感应功率传输系统中的功率传输频率而调节功率传输的方法的流程图。

图6e为包括用于检测传输电压的大幅增加的峰值检测器的感应功率传输系统的电路图。

图7a为根据本发明另一实施例的具有感应反馈通道的感应功率传输系统的主要元件的框图。

图7b为示出感应功率传输系统的工作电压的振幅怎样随系统的电压传输频率和谐振频率变化的曲线。

图7c为根据本发明另一实施例的包括感应反馈通道的感应功率传输系统的电路图，感应反馈通道用于在不中断线圈之间的感应功率传输的同时提供线圈到线圈信号传输。

图7d为根据本发明另一实施例的用于将信号从次级感应线圈传到感应功率传输系统的初级感应线圈的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考图1a和1b，分别示出了用在根据本发明示例性实施例的示例性感应功率传输系统100中的感应功率出口200和感应功率接收器300。

感应功率出口200由组合在平台202内的四个初级电感器220a-d组成。感应功率接收器300包括组合在用于容纳移动电话342的外壳302内的次级电感器320。当移动电话342放在外壳302内时，功率连接器304使次级电感器320与移动电话电连接。如图1a中所示，感应功率接收器300可放在平台202上且与初级电感器之一220b对准，使得次级电感器320与初级电感器220b感应耦合。

现在参考图1c，其示出了感应传输系统100的主要组件的框图，包括多个特征以改善跨感应耦合的功率传输。

感应功率出口200包括经驱动器230有线连接到电源240的初级电感器220.驱动器230通常包括电子元件，如开关单元，用于向初级电感器220提供振荡电势。跨初级电感器220的振荡电势在其附近产生振荡磁场。

感应功率接收器300包括通常经整流器330有线连接到电负载340的次级电感器320。次级电感器320配置成使得，当放在有源初级电感器220的振荡磁场中时，跨次级电感器320感生次级电压。次级电压可用于对电负载340供电。应注意，跨次级电感器320感生的次级电压产生交流电流(AC)。在电负载340需要直流电流(DC)的情形下，如用于对电化学电池充电，提供整流器330以将AC转换为DC。

与已证明不切实际或不能商用的现有技术感应功率传输系统不同，本发明的实施例包括更多的元件以提高从感应功率出口200到感应功率接收器300的功率传输的效率。例如，本发明的优选实施例包括信号传输系统400、对准机构500和磁通导600。

信号传输系统400提供用于在感应功率接收器300和感应功率出口200之间传送信号的通道。信号传输系统400包括与感应功率接收器300相关联的信号发射器420及与感应功率出口200相关联的信号检测器440。信号可执行多种功能，如确认功率接收器300的存在、调节功率传输或用于传达所需要的功率传输参数。后者在适于在多个功率水平工作的系统中特别有用。可使用各种信号传输系统，如光、感应、超声波信号发射器等与适当的检测器组合。

提供对准机构500以有助于使次级电感器320与初级电感器220对准从而提高感应传输系统100的效率。在用户能够直接看见初级电感器220的情形下，次级电感器320可通过直接视觉观察进行对准。然而，在初级电感器220隐蔽在不透明表面后面的情形下，可能需要备选的对准机构500。例如，这样的对准机构500可包括能触知的、可视的和/或听得见的指示。

提供磁通导600以将磁通从初级电感器220引导到次级电感器320及防止通量泄露出感应功率传输系统100，尤其是泄露到附近的金属或其他传导材料内。

现有技术感应功率传输系统通常在对电设备无线供电方面效率低或不切实际。因此，不管减少拖尾导线的需要，感应功率传输的使用通常已限于低功率应用如对电池充电。为了实用，感应功率传输系统必须有效、安全和不引人注目，优选具有小尺寸和轻重量。如下面将描述的，本发明的实施例致力于提供满足这些需要的感应功率传输系统。

本发明的特别方面包括：

-传输防护装置，用于在没有感应功率接收器300的情形下防止感应功率出口200传输功率。

-AC-DC整流器330，其使用电子开关用于减少二极管热损失。

-感应功率接收器300，具有散热系统使得用户可舒适和安全地拿着感应功率接收器300。

-由薄材料构造的磁通导600，其适于改善初级电感器220和次级电感器320之间的磁链及防止磁通泄露到环境内。

-配置成和用于产生驱动电压的驱动器230，其以实质上不同于感应耦合的谐振频率的传输频率振荡。

上述任一方面本身表示对现有技术的重要改善。然而，应特别注意，对于对电设备供电实用的任何感应功率传输系统100，需要组合至少两个或以上的上述特征。组合这些特征的本发明的实施例的更详细的描述将在下面给出。

传输防护装置

现在参考图2a，其示出了根据本发明另一实施例的用于在没有次级单元2300连接到电负载2340的情形下防止感应功率出口2200传输功率的传输防护装置2100的框图。

感应功率出口2200由有线连接到电源2240的初级线圈2220组成，其用于与有线连接到电负载2340的次级线圈2320感应耦合。初级线圈2220经驱动器2230有线连接到电源2240，其提供驱动初级线圈2220必需的电子器件。驱动电子器件例如可包括提供高频振荡电压源的开关单元。在功率出口2200由一个以上初级线圈2220组成的情形下，驱动器2230可另外包括用于选择将要驱动的初级线圈2220的选择器。

本发明该实施例的特别特征在于提供传输防护装置2100，其由串联连接在电源2240和初级线圈2220之间的传输锁2120组成。传输锁2120配置成防止初级线圈2220连接到电源2240，除非其由传输钥匙2140释放。传输钥匙2140与次级单元2300相关联并用于指示次级线圈2320与初级线圈2220对准。

参考图2b，其示出了根据本发明另一实施例的感应功率出口2200受示例性磁传输防护装置2100保护的示意性表示。当已验证的次级单元2300与受保护的功率出口2200对准时，功率仅可由受保护的功率出口2200提供。

受保护的功率出口2200包括由串联电连接在初级线圈2220和驱动器2230之间的磁开关阵列2122组成的磁传输锁2120。由磁元件阵列2142组成的磁传输钥匙2140提供在已验证的次级单元2300内。

选择传输钥匙2140中的磁元件2142的配置以与传输锁2120中的磁开关2122的配置匹配。已验证的次级单元2300可通过使传输钥匙2140与传输锁2120对准及使次级线圈2320与初级线圈2220对准而与受保护的感应出口2200对准。一旦正确对准，传输锁2120中的所有磁开关2122均闭合，从而驱动器2230连接到初级线圈2220。

磁开关2122的各种例子在本领域众所周知，例如包括簧片开关、霍尔效应传感器等。前述磁开关2122可对任何磁元件2142敏感，如永磁体的北极或南极或电磁线圈。还应注意，霍尔效应传感器可配置成感测预定强度的磁场。

根据某些实施例，磁传输钥匙2140可由组合在次级单元2300中的永磁体和铁磁元件组成。由该类型传输钥匙产生的磁场的特性取决于永磁体的强度和位置及铁磁元件的尺寸和特性。磁传输锁2120可由磁开关阵列组成，如单极性霍尔开关，它们战略地进行置放和定向，使得它们仅在由永磁体和铁磁元件的特定组合触发时才将初级线圈2220连接到驱动器2230。

应注意，通常可提供永磁体以帮助使次级线圈2320与初级线圈2220对准。铁磁元件通常也可包括在次级单元2300中以提供从初级线圈2220到次级线圈2320的磁通导引。因此，磁传输锁2120可被使得对这些组件敏感。实际上，可提供单一磁传输锁2120，其配置成检测各个次级单元及根据所检测的次级单元有选择地连接一个以上初级线圈2220。

重新参考图2a，根据传输防护装置2100的其它实施例，功率出口2200可受到传输锁2120的保护，传输锁可在检测器2124接收到释放信号S_R时释放。释放信号S_R可由传输钥匙2140主动发出，或作为备选，传输钥匙可被动将释放信号导向检测器2124。

被动传输钥匙2140的一个例子在表示根据本发明另一实施例的光传输防护装置2100的图2c、2e中示出。

传输防护装置2100可由组合在感应功率出口2200′内的主动光传输锁2120′和组合在次级单元2300内的被动光传输钥匙2140′组成。

具体参考图2c，光传输锁2120′包括开关2122′、光检测器2124′、及光发射器2126′如发光二极管(LED)，光检测器如光电二极管、光电晶体管、随光而变的电阻器等。开关2122′通常断开，但配置成在光检测器2124′接收到释放信号S_R时闭合，从而将初级线圈2220连接到驱动器2230。光发射器2126′配置成发射不可由光检测器2124′直接检测的光释放信号S_R。

现在参考图2d，光传输钥匙2140′包括桥接元件2142′如光波导、光纤、反射器等。当次级线圈2320与初级线圈2220对准时，桥接元件2142′配置成检测自光发射器2124′朝向光检测器2126′的光释放信号S_R。

当次级单元2300与感应功率出口2200正确对准时，如图2e中所示，次级线圈2320与初级线圈2220′对准及被动光传输钥匙2140′与光传输锁2120′对准。因而光释放信号S_R由光检测器2126′检测到及开关2122′闭合从而将初级线圈2220连接到驱动器2230。

应注意，许多材料对红外光部分半透明。已发现来自LED等的相对低强度的红外信号能穿透几百微米的普通材料如塑料、纸板、Formica或纸张到足以使一片0.1mm-2mm前述材料后面的光检测器2124′如光电二极管、光电晶体管、随光而变的电阻器等能接收和处理前述信号的程度。例如，来自AvagoHSDL-4420LED的越过24度的850nm信号可由0.8mm Formica片后面的Everlight PD15-22C-TR8NPN光电二极管检测到。对于发信号目的，可容忍高衰减度，及所传输信号强度仅一小部分如0.1％穿透即足够了。

尽管光传输钥匙2140′在上面进行了描述，但应意识到，其他被动传输钥匙可组合配置成引导其他类型的释放信号的桥接元件。例如，可组合铁磁桥以将磁释放信号从磁元件传到磁检测器如霍尔效应传感器等。在该情形下，磁发射器可以是初级线圈本身。

作为备选，音频信号可通过密集元件或沿微波波导的低功率微波引导。

主动光传输钥匙2140″的例子在表示根据本发明另一实施例的传输防护装置2100″的图2f中示出。

该实施例的传输防护装置2100″包括组合在感应功率出口2200内的传输锁2120″和组合在次级单元2300内的主动光传输钥匙2140″。

主动光传输钥匙2140″包括配置成发射光释放信号S_R的光发射器2142″，及传输锁2120″包括开关2122″和光检测器2124″。传输锁2120″配置成闭合开关2122″从而在光检测器2124″接收到释放信号S_R时将初级线圈2220连接到驱动器2230。

当次级单元2300与感应功率出口2200对准时，传输钥匙2140″发射光释放信号S_R，该信号由传输锁2120″的光检测器2124″接收，及这使开关2122″闭合。因而感应功率出口2200″被使能将功率传给次级线圈2320。

应意识到，释放信号S_R可进行编码以提供唯一标识符。编码可通过频率、脉冲频率、振幅等的调制进行。例如，代码可用于识别次级单元的类型或身份以进行鉴别。另外，其他数据也可编码在释放信号内。该数据可包括所需要的功率传输参数、记账信息或与功率出口的使用相关的其他信息。

尽管主动光传输钥匙2140″已在上面进行了描述，应意识到，其他主动传输钥匙可发射其他类型的释放信号。例如，次级线圈2320可用于将磁释放信号传给组合在传输锁中的磁检测器。这可以是霍尔效应传感器等甚或初级线圈2220本身。

为主动发射释放信号，传输钥匙通常需要电源。在一些情形下，尤其在次级单元组合在便携式电设备中时，功率可由具有次级单元的内部电池提供。作为备选，功率可从自初级线圈传到次级线圈的功率脉冲吸取。

在本发明的某些实施例中，感应功率出口传输周期性的低能功率脉冲，例如持续几毫秒的脉冲可由初级线圈以1Hz左右的频率传输。当次级线圈被使得在初级线圈的附近时，该功率可传给次级线圈并可用于对主动传输钥匙供电。

在传输防护装置的其他实施例中，与次级单元相关联的第一传输锁(优选被动传输锁)释放第一传输锁从而指示可能存在次级线圈。之后，初级线圈发射低能功率脉冲以对可释放第二传输锁的第二主动传输钥匙供电从而将初级线圈连接到驱动器。

同步整流器

现在参考图3a，其示出了现有技术的典型全波整流器3100的电路图。该整流器具有两个输入端子T₁和T₂及两个输出端子T₃和T₄。当交流电流源AC_in有线连接到两个输入端子T₁和T₂时，可从整流器3100的两个输出端子T₃和T₄得到直流电流输出DC_out。

四个二极管D_1-4安排成使得两个二极管D₁和D₂形成Graetz电路的第一支路3110及另两个二极管D₃和D₄形成Gratez电路的第二支路3120。两个上游二极管D₁和D₃的阳极有线连接到第一输出端子T₃及两个下游二极管D₂和D₄的阴极有线连接到第二输出端子T₄。第一上游二极管D₁的阴极和第一下游二极管的阳极D₂有线连接到第一输入端子T₁及第二上游二极管D₃的阴极和第二下游二极管D₄的阳极有线连接到第二输入端子T₂。

当第一输入端子T₁的极性相对于第二输入端子T₂为正时，电流流过第一下游二极管D₂和第二上游二极管D₃。当第一输入端子T₁的极性相对于第二输入端子T₂为负时，电流流过第二下游二极管D₄和第一上游二极管D₁。

如图3a中所示的二极管桥式整流器用于产生具有固定极性的输出，而不管输入的极性如何。例如，这样的二极管桥式整流器可用在AC-DC功率转换器中。可选地，输出通过平滑电容器C进行平滑。

应意识到，每当反极性时从每一二极管损失功率。在高频功率转换器中，其中输入端子T₁和T₂的极性可以100kHz或更大的频率振荡，前述功率损失可导致桥式电路及其周围的部件明显加热，这可导致可靠性降低或导致故障。

功率损失可通过用电子开关代替二极管而得以减少，如图3a中所示的功率MOSFET，其具有低得多的关联功率损失。图4a为一个这样的同步全波整流器4200的框图，其中图3a的二极管桥的第一下游二极管D₂和第二下游二极管D₄已由两个电子开关M₂和M₄代替。

电子开关M₂和M₄由开关信号G₂和G₄控制，其使它们在“开”和“关”状态之间切换。控制电子开关M₂的开关信号G₂必须进行同步以在第一输入端子T₁的极性相对于第二输入端子T₂为正时切换到“开”状态。控制电子开关M₄的开关信号G₄必须进行同步以在第一输入端子T₁的极性相对于第二输入端子T₂为负时切换到“开”状态。

通常，该同步通过从第二输入端子T₂的电压吸取第一开关信号G₂及从第一输入端子T₁的电压吸取第二开关信号G₄实现。

其中两个二极管由MOSFET代替的上述同步全波整流器4200相较现有技术的二极管桥式整流器4100可将整流器的功率损失降低高达50％。在需要进一步降低功率损失的情形下，可用电子开关代替其余两个二极管D₁和D₃。然而，在不会无意导致输入或输出端子之间的短路的前提下，同步四个电子开关要困难得多。

图4b为第二同步全波整流器4300的框图，其中图3a的二极管桥的所有四个二极管D_1-4均已由电子开关M_1-4代替。为提供恒定极性的输出DC_out，需要小心地控制开关信号G_1-4。

当第一输入端子T₁的极性相对于第二输入T₂的极性为正时，第一上游和第二下游电子开关M₁和M₄必须切换到“关”状态及第一下游和第二上游电子开关M₂和M₃必须切换到“开”状态。当第一输入端子T₁的极性相对于第二输入T₂的极性为负时，第一上游和第二下游电子开关M₁和M₄必须切换到“开”状态及第一下游和第二上游电子开关M₂和M₃必须切换到“关”状态。

开关信号G_1-4的同步因另外的约束而复杂。为防止跨输出端子短路，沿共同支路4310、4320的上游和下游电子开关必须永不同时处于“开”状态。在实践中，当控制沿第一支路4310的两个电子开关M₁和M₂的两个开关信号G₁和G₂中的每一个均从输入端子T₁和T₂之一吸取时，两个开关M₁和M₂周期性地处于其“开”状态。因为开关M₁和M₂沿电路的第一支路4310相邻，短路在输出端子T₃和T₄之间形成。当控制另两个电子开关M₃和M₄的开关信号G₃和G₄中的每一个从输入端子T₁和T₂之一吸取时，沿第二支路4320可出现类似的短路。

根据本发明的优选实施例，只有用于下游电子开关M₂和M₄的开关信号G₂和G₄直接从输入端子T₁和T₂处的电压吸取，而用于上游开关M₁和M₃的开关信号G₁和G₃单独进行控制。优选地，开关信号分别响应于开关M₁和M₃的阴极电流的变化。

图4c示出了示例性的电流触发的同步整流器4330，其可用作组合在桥式同步整流器4300内的电子开关M。电流触发的同步整流器4330包括功率MOSFET，如图3b中所示，及包括电流监视器4332。电流监视器4332有线连接到功率MOSFET 4130的漏极端子4136，并配置成当漏电流I_d超出预定阈值I_th时向功率MOSFET的栅极端子4138发送基于电流的门信号G_i。尽管在上面的例子中电流触发的同步整流器4330包括n通道MOSFET 4130，但应意识到，在其他实施例中，电流触发的同步整流器可组合p通道MOSFET。

为理解电流触发的同步整流器4330的功能，考虑跨电流触发的同步整流器4330的阴极4334和阳极4336端子连接正弦波交流电压的情形。图4d示出了三条曲线，其分别表示下述变化：1)从阴极4334到阳极4336的电压降V_d；2)漏电流I_d；及3)在一个电压周期期间的MOSFET状态。

-对于正弦波周期的第一半周期，阴极4334和阳极4336之间的电压降V_d为负，因而阴极4334的极性相对于阳极4336为负。因此，没有电流流过漏极端子4136及MOSFET保持“关”状态。

-在正弦波周期的第二半周期的开始，阴极4334和阳极4336之间的电压降V_d增加到高于0。阴极4334的极性相对于阳极4336变正，从而小的漏电流I_d开始流过二极管4132。该电流由电流监视器4332测量。

-在四分之三周期期间，阴极4334和阳极4336之间的电压降V_d持续增加。电流监视器4332测量递增的漏电流I_d。

-当漏电流I_d超出预定阈值I_th时，基于电流的门信号G_i触发MOSFET4130以切换到“开”状态。

-只要MOSFET 4130处于“开”状态，电流流过电子开关4131的电阻传导通路。因此，漏电流I_d正比于电压降V_d变化。

-在最后四分之一周期期间，阴极4334和阳极4336之间的电压降V_d降低。电流监视器4332测量递减的漏电流I_d。

-当漏电流下降到低于预定阈值I_th时，基于电流的门信号G_i触发MOSFET4130以切换到“关”状态。

图4e为表示根据本发明另一实施例的组合在感应功率接收器内的同步全波桥式整流器4400的电路图。电子开关M_1-4均为具有三个端子的MOSFET变换器：源极端子、漏极端子和栅极端子。上游MOSFET M₁和M₃为n通道MOSFET及其源极端子均有线连接到整流器的第一输出端子T₃。下游MOSFET M₂和M₄为p通道MOSFET及其源极端子均有线连接到整流器的第二输出端子T₄。第一上游MOSFET M₁及第一下游MOSFET M₂的漏极端子均有线连接到整流器的第一输入端子T₁，及第二上游MOSFET M₃及第二下游MOSFET M₄的漏极端子均有线连接到整流器的第一输入端子T₂。

输入端子T₁和T₂有线连接到电力变压器的与初级线圈(未示出)感应耦合的次级线圈L₂。次级线圈L₂向两个输入端子T₁和T₂提供交流电流输入。

下游MOSFET M₂和M₄的栅极端子分别经平滑电路4420、4440有线连接到输入端子T₂和T₁。因此，开关信号G₂和G₄彼此异相。

上游MOSFET M₁和M₃的栅极端子接收由其自己的漏电流I_d1和I_d3驱动的开关信号G₁和G₃。第一上游MOSFET M₁的漏电流I_d1由第一电流互感器4410监视，其中初级电流监视器线圈CT_1P将电流信号传给次级电流监视器CT_2S，其输出被整流并中继到驱动器4450的第一输入IN₁，驱动器在从第一输出OUT₁输出信号之前放大信号。之后，来自驱动器的该第一输出信号馈回给第一上游MOSFET M₁使得当漏电流I_d1超出预定阈值时MOSFET M₁将其本身切换到“开”状态。这以与交流电流输入AC_in一样的频率产生开关信号G₁。

类似地，第二上游MOSFET M₃的漏电流I_d3由第二电流互感器4430监视，其中初级电流监视器线圈CT_2P将电流信号传给次级电流监视器CT_2S，其输出被整流并中继到驱动器4450的第二输入IN₂，驱动器在从第二输出OUT₂输出信号之前放大信号。之后，来自驱动器的该第二输出信号馈回给第二上游MOSFET M₃使得当漏电流I_d3超出阈值时MOSFET M₃将其本身切换到“开”状态。这以与交流电流输入AC_in一样的频率产生开关信号G₃。

尽管在上面的例子中，电流互感器4410、4430用于监视漏电流I_d1、I_d3，在备选实施例中，可首选其他电流监视器如电流表、检流计、霍尔效应传感器等。

感应功率接收器内的散热

现在参考图5a，其示出了根据本发明另一实施例的、膝上型电脑5300经感应功率适配器5100从感应功率出口5200吸取功率。适配器构造成使得其可在工作的同时由用户安全地拿着。

功率适配器5100包括包围在外壳5160中的感应接收器5120及用于连接到电设备如计算机5300的功率连接器5140.感应接收器5120包括配置成与功率出口5200中的初级电感器5220耦合的次级电感器5122。通常，初级电感器5220经驱动器5230有线连接到电源5240。驱动器5230向初级感应线圈5220提供振荡驱动电压。

优选地，提供对准机构(未示出)以使次级电感器5122与初级铁芯5220对准。对准机构可由感应出口中的初级磁元件组成，其配置成抓住和/或啮合功率适配器5100中的次级磁元件。

应意识到，功率转换器的电部件产生热。有多个问题与感应接收器5120产生的热有关，尤其在以高功率如高于50W或100W运行的系统中。热产生高温，这可降低总效率及还可降低部件的可靠性。通常需要许多设计努力来克服该问题，因此可能折衷其他因素如系统尺寸。

在实践中，选择功率适配器5100的在高温运行的电部件。然而，外壳5160的最大温度还受限于将由用户拿着的要求。如果外壳5160达到高温，高于摄氏50度左右，用户将发现拿着适配器令人不舒服甚至可能出于受到伤害的危险中。为使用户能舒适和安全地拿着适配器5100，本发明的特别特征在于用于将热导离把手5162的散热系统。

参考图5b-d可更好地理解散热系统，其示出了根据本发明另一实施例的示例性感应功率适配器5100。图5b示出了等距投影，图5c示出了分解图，及图5d示出了通过功率适配器5100的同一实施例的截面。

示例性功率适配器5100包括感应接收器5120、包围在下部外壳5160L和上部外壳5160U之间的散热器5130、及可卷绕在把手5162周围以进行储存的功率连接器5140。

感应功率接收器5120由次级感应线圈5122、铁磁圆盘5124和印刷电路板(PCB)5126组成。示例性实施例的散热器5130由夹在感应接收器5120和上部外壳5160U之间的金属圆盘组成。铁磁圆盘5124可用作磁通导铁芯以提高次级感应线圈5122和感应功率出口5200的初级感应线圈5220(图1)之间的感应耦合。

当功率适配器5100工作时，热由感应接收器5120的多个部件产生。交流电流被感生在次级感应线圈5122中，因此使得线圈导线变热。此外，通常在PCB 5126上提供的某些电部件周围产生热点，前述电部件如整流器、二极管、MOSFET、功率调节器、LDO、反馈发射器等。

散热器5130通常为导热材料如铝、铜等，其用于在感应接收器5120周围更均匀地散热。优选地，提供穿过PCB 5126的热通路，及使用热油脂或类似剂以改善散热器5130、PCB 5126、铁磁圆盘5124和次级线圈5122之间的热接触。

在上部外壳5160U的顶部5161中提供空气出口5132，从而使来自功率适配器内部的热空气能逸入大气中。在下部外壳5160L的底部5165和侧面5167及上部外壳5160U的侧面提供空气入口5134，从而使冷空气能从下面进入功率适配器。示例性实施例的特别特征在于散热器的外径d小于外壳5160的内径D，因而使空气能在感应接收器5120周围流通。因此，由感应功率接收器5120加热的热空气通过出口5132流出适配器5100，及来自外面的冷空气通过空气入口5134吸入适配器5100。把手5162可通过绝热材料阻挡层进行另外的保护。

应注意，空气出口5132可能使灰尘进入功率适配器5100。因此，在一些实施例中，提供灰尘防护装置以防止灰尘进入出口5132。在示例性实施例中，把手5162悬在出口5132之上，用作灰尘防护装置以在适配器5100工作时防止灰尘进入适配器。当没有工作时，功率连接器5140可卷绕在把手5162周围，从而针对灰尘提供进一步的保护。

在某些实施例中，PCB 5126包括用作反馈发射器的发光二极管(未示出)，用于将信号发送给功率出口5200中的光检测器(图5a)。应意识到，在这些实施例中，在光发射器和检测器之间保持清楚的视线是必要的。为此，在优选实施例中，对光透射波长透明的光窗口穿过PCB 5126和初级线圈5220之间的次级感应线圈5122、铁磁圆盘5124、下部外壳5160L和其他层进行提供(图5a)。

磁通导

现在参考图5e和5f，示出了根据本发明另一实施例的、包括次级电感器5220、磁通导5260和PCB 5270的感应功率接收器5200。次级电感器5220配置成从感应功率出口(未示出)的初级电感器感应接收功率。提供磁通导5260以将磁通从初级电感器引向次级电感器5220及减少磁通泄露到环境中。磁通导5260由铁磁芯5262和磁屏蔽5264组成。提供铁磁芯5262以将磁通从有源初级电感器导向次级电感器5220。

在优选实施例中，铁磁芯5262由非晶形铁磁材料构造，通常从约20微米厚的薄片切割为薄片。在一示例性实施例中，铁磁芯由两个非晶形铁磁薄片5262a、5262b组成。第一薄片5262a通过第一粘合剂绝缘层5265a粘附到初级电感器5220。第二薄片5262b通过第二粘合剂绝缘层5265b粘附到第一薄片5262a。两个薄片5262a、5262b用作将磁通从初级电感器导向次级电感器5220的铁磁芯。优选实施例的特别特征在于铁磁薄片5262a、5262b中的每一个具有径向裂缝5265a、5265b以防止薄片内因初级电感器产生的振荡磁场引起的涡流的形成。在薄片具有圆形截面的情形下，裂缝可从圆周沿直径向内延伸。

提供磁屏蔽5264以防止磁通泄露到环境中。优选地，磁屏蔽5264也由一片薄的非晶形铁磁材料制造，及可通过第三粘合剂绝缘层5265c粘附到PCB。

应意识到，当感应接收器5200安装在传导表面或包含传导元件的设备上时，磁屏蔽特别重要。因此，例如，当前述感应功率接收器5200安装在电设备如计算机、移动电话等上时，磁屏蔽5264防止磁通泄露到电设备的金属元件内进而防止使它们变热。

非晶形铁磁片可具有约20微米的厚度。当在两侧层压聚合物层压板时，该片的总厚度为约60微米。因此，与用于在感应系统中引导磁通的其他铁磁元件不同，非晶形铁磁材料可用于制造极薄的磁导5260。薄的磁导5260进而使感应功率接收器5200易弯曲和不引人注目。应意识到，在设计和制造设备安装的感应接收器时，这些考虑非常重要。用非晶形铁磁材料制造磁导元件的各种方法包括：印刷、模压、切割、非晶形铁磁微丝布等。

在非谐振频率的功率传输

感应耦合在次级电感器中感生的电压的强度随提供给初级电感器的电势的振荡频率而变。当振荡频率等于系统的谐振频率时，感生的电压最强。谐振频率f_R取决于系统的电感L和电容C，即

已知的感应功率传输系统通常在感应耦合的谐振频率传输功率。这很难维持，因为系统的谐振频率在功率传输期间可能波动，例如响应于环境条件变化或初级和次级线圈之间的对准的变化。

因此，设计成在谐振时进行传输的感应传输系统需要调谐机构以维持在系统的谐振频率的传输。调谐可通过调节驱动频率以寻找谐振而实现。例如，授予Kuennen等的、题为“Inductively coupled ballast circuit”的美国专利6,825,620描述了用于向负载感应提供功率的谐振寻找镇流器电路。镇流器电路包括振荡器、驱动器、开关电路、谐振电路和电流感测电路。电流感测电路向振荡器提供电流反馈信号，其为谐振电路中的电流的表示。电流反馈信号驱动镇流器电路的频率，从而使镇流器电路寻找谐振。镇流器电路优选包括感应耦合到谐振电路的限流电路。当镇流器电路中的电流超出预定阈值或下降到预定范围之外时，限流电路使镇流器电路停用。

作为备选，调谐可通过调节感应系统的特性实现。例如，授予Baarman的题为“Adaptive inductive power supply”的美国专利描述了无接触电源，其具有由逆变器供电的可动态配置的振荡电路。该无接触电源感应耦合到一个或多个负载。逆变器连接到DC电源。当增加或从系统去除负载时，无接触电源能够修改振荡电路的谐振频率、逆变器频率、逆变器工作循环或DC电源的干线电压。

为保持在谐振下传输，如上所述的调谐机构是必须的，因为谐振传输高度敏感。在谐振下，系统的小变化将导致所传输功率的大变化。与谐振传输相关的另一问题是涉及高传输电压。在高工作电压下，电路中的电容器和晶体管需要相当大。

现在参考图6a，其示出了适于在非谐振频率下传输功率的感应功率传输系统6100的主要元件的框图。感应功率传输系统6100由根据本发明另一实施例的配置成向远处的次级单元6300提供功率的感应功率出口6200组成。感应功率出口6200包括经驱动器6230有线连接到电源6240的初级感应线圈6220。驱动器6230配置成向初级感应线圈6220提供振荡驱动电压。

次级单元6300包括有线连接到电负载6340的次级感应线圈6320，其与初级感应线圈6220感应耦合。电负载6340从电源6240吸取功率。可在与次级单元6300相关联的发射器6122和与感应功率出口6200相关联的接收器6124之间提供通信通道6120。通信通道6120可向驱动器6230提供反馈信号S等。

在一些实施例中，提供电压峰值检测器6140以检测传输电压的大增长。如下所述，峰值检测器6140可用于检测次级单元6200的去除、功率消耗的引入、短路等。

图6b为表明工作电压的振幅怎样随传输频率变化的曲线。应注意，当传输频率等于系统的谐振频率f_R时，电压最高，该最大振幅被示为谐振尖峰2。还应注意，在谐振尖峰2两侧的区域4a、4b中曲线的斜坡最深。因此，在感应传输系统中，其在谐振下或谐振附近工作，频率的小变化将导致感生电压的大变化。类似地，系统的谐振频率的小变化将导致感生电压的大变化。为此，现有技术感应传输系统通常对环境条件的小波动或感应线圈之间的对准非常敏感。

本发明实施例的特别特征在于驱动器6230(图6a)配置成和用于传输在实质上不同于感应耦合的谐振频率的传输频率振荡的驱动电压。优选地，传输频率选择为位于频率-振幅曲线的斜坡不太陡的近直线区6、8之一内。

本发明该实施例的一个优点现在可参考图6c进行证明。其示出了膝上型电脑6340经次级功率接收单元6300从感应功率出口6200吸取功率的示意图。功率接收单元6300包括与感应功率出口6200中的初级感应线圈6220对准的次级感应线圈6320。次级功率接收单元6300的任何横向位移改变次级感应线圈6320与初级感应线圈6220之间的对准。作为改变对准的结果，线圈对的组合电感改变，这进而改变系统的谐振频率。

如果感应功率出口6200以系统的谐振频率传输功率，即使小的横向移动也将明显减小感生电压的振幅。相反，根据本发明的实施例，感应功率出口6200以谐振尖峰2两侧的区域6、8(图6b)之一中的频率传输功率，其中谐振曲线的斜坡浅得多。

非谐振传输的另一优点在于传输频率可用于调节功率传输。在已知的感应功率传输系统中，功率通常通过改变驱动器提供的传输电压的工作循环进行调节。因此，应意识到，当传输频率不等于系统的谐振频率时，可配置驱动器6230以调节传输频率从而调节功率传输。

再次参考图6b，传输频率选择为位于曲线的下部频率值f_L和上部频率值fU之间的近直线区8中。高于系统的谐振频率±R的传输频率f_t产生感生电压V_t。感生电压可通过降低传输频率而增加及通过增加传输频率而降低。例如，传输频率增加δf导致感生电压降低δV。

在一些实施例中，在次级单元6300和感应功率出口6200之间提供通信通道6120(图6a)。前述通信通道6120可用于传送所需要的工作参数，例如其可向驱动器6230指示电负载6340所需要的传输频率。

各种发射器6122和接收器6124可与通信通道6120一起使用。在初级和次级线圈6220、6320电化隔离时(这是感应系统经常的情形)，光耦合器可具有用作发射器的发光二极管，其在短距离将编码后的光信号发送给用作接收器的光电晶体管。光耦合器通常需要进行对准使得在发射器和接收器之间有视线。在发射器和接收器之间的对准很难实现的系统中，光耦合不适当，可优选备选系统如压电元件传输的超声波信号或无线电信号如蓝牙、WiFi等。作为备选，初级和次级线圈6220、6320本身可用作发射器6122和接收器6124。

在某些实施例中，光发射器如发光二极管(LED)组合在次级单元6300内及配置成和用于传输能够穿透次级单元6300和功率出口6200的外壳的类型和强度的电磁辐射。光接收器如光电二极管、光电晶体管、随光而变的电阻器等组合在功率出口6200内用于接收电磁辐射。

通信通道6120在功率传输期间可进一步提供反馈信号。反馈传输可传送电负载6240所需要的或监视的工作参数，如：

-电负载6240所需要的工作电压、电流、温度或功率；

-在工作期间测得的提供给电负载6240电压、电流、温度或功率；

-在工作期间测得的由电负载6240接收的电压、电流、温度或功率。

在一些实施例中，驱动器6230中的微控制器可使用前述反馈参数来计算所需要的传输频率及因而调节驱动器。作为备选，可提供简单的反馈信号用于指示是需要更多还是更少的功率。

使用简单反馈信号的功率调节方法的一个例子在图6d的流程图中示出。该方法包括下述步骤：

(a)驱动器6230以比系统的谐振频率f_R高的传输频率f_t提供振荡电压。

(b)次级电压感生在次级线圈6320中。

(c)次级单元6300中的功率监视器监视电负载6340接收的功率。

(d)如果电负载6340接收的功率位于预定范围内，则不采取行动。如果电负载6340接收的功率低于预定范围，则第一类型的反馈信号S_a发送给驱动器。如果电负载6340接收的功率高于预定范围，则第二类型的反馈信号S_b发送给驱动器。

(e)反馈信号由驱动器6230接收。

(f)如果接收的反馈信号属于第一类型S_a，则传输频率增加增量值+δf₁。如果接收的反馈信号属于第二类型S_b，则传输频率降低增量值-δf₂。

应注意，通过使用上述功率调节方法，当负载接收的功率太高时，将传输一系列的第一类型的反馈信号S_a，直到功率降低到可接受范围内为止。同样，当负载接收的功率太低时，将传输一系列的第二类型的反馈信号S_b，直到功率增加到可接受范围内为止。应注意，正增量值δf₁可大于、小于或等于负增量值δf₂。

作为备选，也可使用其他使用频率调节的功率调节方法。例如，在备选实施例中，可监视电负载的工作参数，及其值可经通信通道6120传给功率出口。之后，功率出口中的处理器可直接计算所需要的传输频率。

上述方法提及位于直线区8(图6b)内的非谐振传输频率，比谐振尖峰2高。然而，应意识到，在备选实施例中，频率控制的功率调节也可在传输频率位于谐振曲线的下部直线区6中时实现。无论如何，如下所述，对于某些实施例，可能首选较高的直线8中的传输频率。

如上所述，感应耦合的谐振频率f_R由公式

给出，其中L为系统的电感及C为系统的电容。因此，系统的电感L或电容C的任何减小均将增大其谐振频率。

在以高于系统的正常谐振频率的频率进行传输的感应功率出口中，系统谐振频率的增加导致传输电压的大幅增加。在优选实施例中，提供峰值检测器6140(图1)以监视功率出口6200的传输电压，及其配置成检测传输电压的大幅增加从而指示谐振频率的增加。传输电压的前述增加可以是功率消耗、短路、去除次级单元等的指示。

作为使用峰值检测器的例子，再次参考图6c。应意识到，在桌面环境中，导体如纸夹、金属尺、金属壳、订书机、打孔机或任何金属物体可能引入在感应功率出口6200和次级功率接收单元6300之间。由初级线圈6220产生的振荡磁场则将在导体中产生涡流，该涡流使导体变热从而从初级线圈6220泄放功率。这样的功率消耗导致浪费和/或危险。

如上所述的功率消耗减小系统的电感L。电感L也可通过去除次级线圈6320、短路等进行减小。有线连接到感应功率出口的峰值检测器6140将检测任一这样的情形，因为传输电压有大幅增加。优选地，功率传输系统还可配置成在峰值检测器6140检测到传输电压出现前述增加时关闭、发出警告或保护用户和系统。

图6e为感应功率出口6200和次级单元6300的电路图。次级单元6300包括经整流器6330有线连接到电负载6340的次级线圈6320。

感应功率出口6200包括由连接到电源6240的半桥转换器6230驱动的初级线圈6220。半桥转换器6230配置成以高于系统的谐振频率的频率驱动初级线圈6220，及峰值检测器6140配置成检测传输电压的增加。

尽管在图6e中仅示出了半桥转换器，应注意，其他可能的驱动电路包括：DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器、回扫变压器、全桥转换器、回扫转换器、或正向转换器。

因此，通过使用以不同于系统的谐振频率的频率振荡的传输电压，该感应传输系统相较传输系统对环境波动及感应线圈对准的变化具有更高的耐受性，及频率可用于调节功率传输。此外，当传输频率高于系统的谐振频率时，峰值检测器可用于指示危险。

感应通信通道

授予Terry J.Parks和David S.Register的题为“Inductive coupling systemfor power and data transfer”的美国专利5,455,466描述了一种用于将功率和数据感应耦合到便携式电子设备的系统。便携式设备如个人数字助理(PDA)经设备和支持单元之间的感应链路供电或再充电。同一感应链路还用于在该设备和第二电子设备如传统桌上型电脑之间传输数据信号。支持单元包括变压器的初级绕组、功率放大器和调制器。便携式设备包括与整流器的输入并联连接的次级绕组，其输出连接到电池充电电路及调制解调器，进而连接到设备微处理器。当初级和次级绕组彼此邻近时，将设备放在支持单元上将导致感应耦合。因此，Parks的系统致力于用于同步两个数据存储设备如PDA和计算机的数据通道。

在Parks的系统中，从初级绕组到次级绕组的数据传输可通过调制功率信号提供。这要求次级绕组传输单独的数据信号，该数据信号感应在初级绕组中。因此，为将数据信号从次级绕组传到初级绕组，功率传输必须中断。因此，Parks的系统不提供任何具有下述功能的解决方案：向电负载提供用于调节不中断的感应功率传输的反馈信号。

现在参考图7a，其示出了感应功率传输系统7100的主要元件的框图，包括配置成向远处的次级单元7300提供功率的感应功率出口7200.感应功率传输系统7100包括根据本发明另一实施例的感应通信通道7120。通信通道7120配置成在输入信号S_in由次级单元7300提供时在功率出口7200中产生输出信号S_out，而不中断从出口7200到次级单元7300的感应功率传输。

感应功率出口7200包括经驱动器7230有线连接到电源7240的初级感应线圈7220.驱动器7230配置成向初级感应线圈7220提供振荡驱动电压，通常以高于系统的谐振频率f_R的电压传输频率f_t。

次级单元7300包括有线连接到电负载7340的次级感应线圈7320，其与初级感应线圈7220感应耦合。电负载7340从电源7240吸取功率。在电负载7340要求直流电源时，可提供整流器7330以对次级线圈7320中感生的交流信号进行整流。

提供感应通信通道7120，用于与从初级感应线圈7220到次级感应线圈7320的不中断感应功率传输同时将信号才次级感应线圈7320传给初级感应线圈7220。通信通道7120可向驱动器7230提供反馈信号。

感应通信通道7120包括传输电路7122和接收电路7124。传输电路7122有线连接到次级线圈7320，可选地经整流器7330，及接收电路7124有线连接到初级线圈7220.

信号传输电路7122包括至少一电元件7126，选择电元件使得在其连接到次级线圈7320时系统的谐振频率f_R增加。传输电路7122配置成有选择地将电元件7126连接到次级线圈7320。

如已知的，感应耦合的谐振频率f_R由公式

给出，其中L为系统的电感及C为系统的电容。因此，电感L或电容C的任何减小均将导致系统谐振频率的增加。例如电元件7126可以是低电阻，通常电元件7126的电阻低于50欧姆，优选约1欧姆。

信号接收单元7124可包括电压峰值检测器7128，配置成检测传输电压的大幅增加。在电压传输频率f_t高于系统谐振频率f_R的系统中，传输电压的前述大幅增加可因谐振频率f_R的增加引起，从而表明电元件7126已连接到次级线圈7320。因此，传输电路7122可用于向接收电路7124发送信号脉冲及可从这样的脉冲构建编码信号。

根据一些实施例，传输电路7122还可包括用于用输入信号S_in调制位速率信号的调制器(未示出)。电元件7126可根据调制后的信号连接到次级感应线圈7320.接收电路7124可包括用于对调制后的信号进行解调的解调器(未示出)。例如，电压峰值检测器7128可连接到相关器，用于使初级电压的振幅与位速率信号互相关从而产生输出信号S_out。

在其他实施例中，可提供多个电元件7126，这些电元件有选择地连接以在初级电压振幅中感生多个变化大小的电压峰值。由峰值检测器7128检测到的电压峰值的大小可用于传输多个信号。

图7b示出了工作电压的振幅怎样随传输频率变化的曲线。应注意，当传输频率等于系统的谐振频率f_R时，电压最高，该最大振幅称为谐振尖峰2。如果系统的谐振频率f_R增加，将产生新的谐振尖峰2′。

根据本发明的示例性实施例，感应功率传输系统7100在高于系统的谐振频率f_R的给定传输频率f_t工作。正常工作电压V_t由电压峰值检测器7128监视。当电元件7126连接到次级感应线圈7320时，系统的谐振频率增加。因此，工作电压增加到更高的值V_t′。该增加由电压峰值检测器7128检测。

本发明使能在将功率从初级线圈7220感应传输到次级线圈7320的同时将数据信号从次级线圈7320传给初级线圈7220。因此，该信号传输系统可用于提供用于实时功率调节的反馈信号。这与现有技术感应信号传输系统不同，如授予Terry J.Parks和David S.Register的题为“Inductive coupling system forpower and data transfer”的美国专利5,455,466中描述的系统，其中单独的数据信号提供给次级感应线圈使得电压感生在初级线圈中。

图7c示出了根据本发明另一实施例的感应功率出口7200和次级单元7300的示例性电路图。提供感应反馈通道7120，用于在不中断感应功率传输的同时在线圈之间传输信号。

感应功率出口7200包括由连接到电源7240的半桥转换器7230驱动的初级线圈7220。半桥转换器7230配置成以高于系统的谐振频率的频率驱动初级线圈7220。次级单元7300包括有线连接到整流器7330的输入端子T₁、T₂的次级线圈7320和有线连接到整流器7330的输出端子T₃、T₄的电负载7340。

尽管在图7c的感应功率出口7200中仅示出了半桥转换器7230，应注意，也可使用其他驱动电路，包括：DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器、回扫变压器、全桥转换器、回扫转换器、或正向转换器。

感应反馈通道7120包括次级单元7300中的传输电路7122和感应功率出口7200中的接收电路7124。传输电路7122包括经功率MOSFET开关7125连接到整流器7330的电阻器7126。调制器7123可向功率MOSFET 7125提供输入信号S_in。

应注意，在该实施例中，传输电路7122有线连接到整流器7330的一输入端子T₁和一输出端子T₃。该结构特别有利，因为，即使当连接传输电路7122时，电阻器7126仅在AC周期的一半期间从系统吸取功率，从而明显减少功率损失。

接收电路7124包括配置成检测传输电压的增加的电压峰值检测器7128及用于产生输出信号S_out的解调器7129。

现在参考图7d，示出了将信号从感应功率传输系统的次级感应线圈传到初级感应线圈的方法的主要步骤的流程图。该方法包括下述步骤：

步骤(a)-将初级感应线圈连接到电压监视器以监视跨初级线圈的初级电压的振幅；

步骤(b)-将次级感应线圈连接到传输电路以将电元件连接到次级感应线圈，从而增加感应功率传输系统的谐振频率；

步骤(c)-以高于谐振频率的初始传输频率向初级感应线圈提供振荡电压，从而在次级感应线圈中感生电压；

步骤(d)-使用传输电路用输入信号调制位速率信号以产生调制后的信号，及根据调制后的信号间歇将电元件连接到次级感应线圈；

步骤(e)-使用电压监视器以使初级电压的振幅与位速率信号互相关从而产生输出信号。

感应反馈通道7120可用于传输数据，如与任一或所有下述有关的数据：

-电负载7240所需要的工作电压、电流、温度或功率；

-在工作期间测得的提供给电负载7240的电压、电流、温度或功率；

-在工作期间测得的由电负载7240接收的电压、电流、温度或功率；

-用户、电子设备等的标识数据；

-传输钥匙的用于释放传输锁的释放信号。

因此，感应通信通道可用于将反馈信号从次级感应线圈传到初级感应线圈以调节跨感应功率耦合的功率传输。

例如，本发明系统可配置成传输两个信号，驱动器配置成当接收到第一信号时降低传输功率及在接收到第二信号时增加传输功率。

功率可通过改变驱动器提供的传输电压的工作循环进行调节。此外，驱动器7230可配置成调节传输频率以调节功率传输，如上所述。因此，驱动器可配置成响应于反馈信号调节传输频率。当接收到第一信号时可增加传输频率从而降低工作电压，及当接收到第二信号时可降低传输频率从而增加工作电压。

因此，提供通信通道，用于调节功率传输和/或在正传输功率的同时将数据信号从次级线圈传给初级线圈。

从上面的描述可明显看出，本发明的各个实施例公开了重要的优点，即使能有效、安全和不引人注目地感应传输功率。还应注意，这些优点的组合使感应功率传输系统变成适合多种应用的实用工具。

本发明的范围由所附权利要求限定，并包括上述各个特征的组合和子组合及其变化和修改，这可由本领域技术人员在阅读前面的描述的基础上得出。

在权利要求中，词语“包括”及其变化如“包含”等表明包括所列出的组件，但不排除其他组件。

Claims

1.一种感应传输系统，包括用于将功率感应传输给至少一感应功率接收器的至少一感应功率出口、用于将控制信号从所述功率接收器传给所述功率出口的至少一信号传输系统；

所述感应功率出口包括经驱动器有线连接到电源的至少一初级感应线圈，所述驱动器可操作用于在高频率跨所述初级感应线圈提供振荡电压；及包括初级铁磁芯；

所述感应功率接收器包括用于与所述初级感应线圈耦合的至少一次级感应线圈，所述次级感应线圈有线连接到功率调节器；及

所述信号传输系统包括与所述功率接收器相关联的信号发射器和与所述功率出口相关联的信号检测器，

其中所述驱动器配置成跨所述初级感应线圈提供驱动电压，所述驱动电压以明显不同于所述初级电感器和次级电感器形成的感应耦合的谐振频率的传输频率振荡。

2.根据权利要求1的感应功率系统，进一步包括对准机构，所述对准机构包括与所述功率出口相关联的第一元件和与所述功率接收器相关联的第二磁元件。

3.根据权利要求1的感应功率系统，其中所述信号发射器包括光发射器及所述信号检测器包括光检测器。

4.根据权利要求1的感应功率系统，其中所述感应功率接收器用于从所述感应功率出口感应接收功率。

5.根据权利要求1的感应功率系统，其中所述功率调节器包括用于将来自所述感应功率出口的AC输入转换为用于对电设备供电的DC输出的整流器。

6.根据权利要求1的系统，其中所述驱动器包括用于间歇将所述初级感应线圈连接到所述电源的开关单元。

7.根据权利要求1的系统，其中所述传输频率位于感生电压随频率近似线性变化的范围内。

8.根据权利要求1的系统，所述驱动器配置成响应于反馈信号调节传输频率。

9.根据权利要求8的系统，其中所述反馈信号携载与电负载的工作参数有关的数据。

10.根据权利要求9的系统，其中所述工作参数选自下组：

a、所述电负载所要求的工作电压；

b、所述电负载所要求的工作电流；

c、所述电负载所要求的工作温度；

d、所述电负载所要求的工作功率；

e、测得的电负载工作电压；

f、测得的电负载工作电流；

g、测得的电负载工作温度；

h、测得的电负载工作功率；

i、传给所述初级感应线圈的功率；

j、所述次级感应线圈接收的功率；及

k、用户标识码。

11.根据权利要求1的系统，所述感应功率出口包括适于检测第一信号和第二信号的信号检测器，及所述驱动器配置成：

当检测器检测到所述第一信号时增大所述传输频率，及

当检测器检测到所述第二信号时减小所述传输频率。

12.根据权利要求1的系统，其中所述信号检测器选自下组：光检测器、无线电接收器、音频检测器和电压峰值检测器。

13.根据权利要求1的系统，其中所述驱动器还包括用于监视跨所述初级线圈的初级电压的振幅的电压监视器。

14.根据权利要求13的系统，其中所述电压监视器配置成检测初级电压的明显增加。

15.根据权利要求1的系统，包括选自下组的功率转换器：DC-DC转换器、AC-DC转换器、AC-AC转换器、回扫转换器、全桥转换器、半桥转换器和正向转换器。

16.根据权利要求14的系统，所述驱动电压以高于所述感应耦合的谐振频率的传输频率振荡，其中

a、所述信号检测器包括所述初级感应线圈，所述初级感应线圈还有线连接到包括电压监视器的接收电路，所述电压监视器用于监视跨所述初级线圈的初级电压的振幅；及

b、所述信号发射器包括所述次级感应线圈，所述次级感应线圈还有线连接到传输电路，该传输电路用于将至少一电元件连接到所述次级感应线圈从而增大所述谐振频率

使得控制信号可从所述传输电路传到所述接收电路。

17.根据权利要求16的系统，所述次级感应线圈有线连接到桥式整流器的两个输入，及电负载有线连接到所述桥式整流器的两个输出，其中所述传输电路有线连接到所述桥式整流器的一个输入及所述桥式整流器的一个输出。

18.根据权利要求16的系统，其中所述传输电路还包括用输入信号调制位速率信号以产生调制信号的调制器及用于根据所述调制信号间歇将所述电元件连接到所述次级感应线圈的开关。

19.根据权利要求16的系统，其中所述电压监视器还包括使所述初级电压的振幅与位速率信号互相关以产生输出信号的相关器。

20.根据权利要求16的系统，所述控制信号用于将反馈信号从所述次级感应线圈传到所述初级感应线圈以调节跨感应功率耦合的功率传输。

21.根据权利要求20的系统，所述驱动器配置成响应于所述反馈信号调节所述传输频率。

22.根据权利要求20的系统，适于传输第一信号和第二信号，及所述驱动器配置成：

i、当接收器接收到所述第一信号时增大所述传输频率，及

ii、当接收器接收到所述第二信号时减小所述传输频率。