发明内容
在第一方面,本发明提供了一种用于对具有通信带宽的无线通信设备进行充电的功率传送设备,该功率传送设备采用扩频技术以传送频率来传送功率,以便减小或最小化通信带宽内的干扰信号。
在第二方面,本发明提供了一种用于对具有通信带宽的无线通信设备进行充电的功率传送设备,该功率传送设备以传送频率来传送功率,其中:或者所述传送频率被选择为大于或等于通信带宽的大小;或者所述传送频率被选择为小于通信带宽的大小并且功率传送设备采用扩频技术来传送功率以减小或最小化通信带宽内的干扰信号。
优选地,功率传送设备对无线通信设备进行无线充电。更优选地,功率传送设备采用感应来对无线通信设备进行无线充电。
优选地,扩频技术减小或最小化功率传送设备中的干扰。
在第三方面,本发明提供了一种向具有通信带宽的无线通信设备传送功率的方法,该方法包括采用扩频技术以传送频率对功率进行传送,以便减小或最小化通信带宽中的干扰信号。
在第四方面,本发明提供了一种向具有通信带宽的无线通信设备传送功率的方法,该方法包括选择:或者以大于或等于通信带宽的大小的传送频率来传送功率;或者采用扩频技术以小于通信带宽的传送频率来传送功率,从而减小或最小化通信带宽中的干扰信号。
优选地,传送功率以对无线通信设备进行无线充电。更优选地,采用感应传送功率以对无线通信设备进行无线充电。
优选地,采用功率传送设备来传送功率并采用扩频技术来减小或最小化功率传送设备中的干扰。
下面优选的特征和实施方式适用于上面描述的本发明的所有方面。
优选地,扩频技术减小或最小化了干扰信号的密集度。还优选地,扩频技术减小或最小化了至少一个干扰信号的幅度。扩频技术优选地减小或最小化了干扰信号的平均功率。
优选地,通过开关来传送功率并且扩频技术改变了该开关的至少一个特性。还优选地,扩频技术改变了开关频率,开关脉冲宽度和开关脉冲位置中的至少一者。
优选地,扩频技术是抖动类型、伪随机类型、随机类型、无序类型和调制类型中的至少一者,并从而被用于改变传送频率。
优选地,扩频技术改变了传送带宽中使功率传送的能量效率最大化的传送频率。
在一些实施方式中,扩频技术采用可变脉冲位置调制、可变脉冲宽度调制、具有固定占空比的可变载波频率调制和具有可变占空比的可变载波频率调制中的至少一者。在其他实施方式中,扩频技术采用跳频扩频方法。在进一步的实施方式中,扩频技术采用直接序列扩频方法。在其他实施方式中,扩频技术采用随机频率方法。
优选地,直接序列扩频方法通过微处理器控制单元和压控振荡器来实现。优选地,微处理器控制单元具有时钟频率并产生用于功率传送设备中的功率逆变器的开关控制信号,直接序列扩频方法包括在微处理器控制单元中存储伪随机序列和发送该伪随机序列以通过压控振荡器调制时钟频率。还优选地,微处理器控制单元具有内部参考时钟信号或外部参考时钟信号。优选地,压控振荡器通过两个变容二极管来实现。
优选地,通信带宽位于800MHz和1900MHz之间。
优选地,传送频率小于通信带宽的大小。
附图说明
现在将仅以示例的方式参考附图来描述根据本发明最佳方式的优选实施方式,其中:
图1是现有技术的恒定开关功率转换器电路的原理图和该电路的典型输入电流谐波频谱的曲线图;
图2是现有技术的扩频功率转换器电路的原理图和该电路的典型输入电流谐波频谱的曲线图;
图3是根据本发明实施方式的功率传送设备的透视图解视图,该功率传送设备是无线充电板的形式并显示为对多个无线通信设备进行无线充电;
图4是图3所示的产生垂直磁力线的无线电池充电板的透视图解视图;
图5是显示了用于测量来自对移动电话形式的无线通信设备进行无线充电的无线充电板的干扰的实验设备的示意图;
图6是当向移动电话传送900MHz的信号且移动电话没有被无线充电板充电时图5所示的实验设备中的移动电话所接收到的信号的曲线图;
图7是当向移动电话传送900MHz的信号且移动电话正在通过具有110kHz的AC通量的无线充电板进行充电时图5所示的实验设备中的移动电话所接收到的信号的曲线图;
图8是根据本发明实施方式的能够通过功率传送设备进行充电的无线通信设备的通信带宽的曲线图;
图9是根据本发明实施方式的当向移动电话传送900MHz的信号且移动电话正在通过采用了扩频技术的具有110kHz的AC通量的无线充电板进行充电时图5所示的实验设备中的移动电话所接收到的信号的曲线图;
图10是根据本发明实施方式的用于实施直接序列扩频方法的电路的电路图;
图11是以110kHz传送功率的无线充电板所产生的信号的曲线图;和
图12是根据本发明实施方式的采用了随机频率调制扩频方法的、以110kHz传送功率的无线充电板所产生的信号的曲线图。
具体实施方式
参考附图,提供了对具有通信带宽3的无线通信设备2进行充电的功率传送设备1。功率传送设备1采用扩频技术以传送频率4来传送功率,以减小或最小化通信带宽3中的干扰信号5。
扩频技术减小或最小化了以下至少一者:干扰信号的密集度;至少一个干扰信号的幅度;和干扰信号的平均功率。在本实施方式中,扩频技术最小化了所有这三个方面,特别是所有干扰信号5的密集度、幅度和平均功率。
扩频技术还减小或最小化了功率传送设备1中的干扰。
扩频技术改变了传送带宽6中使功率传送设备1的功率传送的能量效率最大化的传送频率4。而且,扩频技术可以是抖动类型、伪随机类型、随机类型、无序类型和调制类型中的至少一者,并因此改变了传送频率4。
扩频技术扩展了跨越频谱的谐波能量。可以以各种方式来实施跨越频谱的谐波能量的扩展。随机化方案和它们的综合已被各种论文提及,包括“Acomparison of nondeterministic and deterministic switching methods for DC-DCpower converters”,IEEE Transactions on Power Electronics,第13卷第6期,1998年11月,第1046-1055页,作者Hui,S.Y.,Shrivastava,Y.,Sathiakumar,S.,Tse,K.K.,和Chung H.。
本发明的扩频技术的特定实施方式采用可变脉冲位置调制、可变脉冲宽度调制、具有固定占空比的可变载波频率调制和具有可变占空比的可变载波频率调制中的至少一者。这些调制方式被描述为可变的,其包括随机的、无序的和伪随机的。例如,调制方式包括随机脉冲位置调制(RPPM)、随机脉冲宽度调制(RPWM)、具有固定占空比的随机载波频率调制(RCFMFD)和具有可变占空比的随机载波频率调制(RCFMVD)。
其他实施方式采用跳频扩频方法。扩频技术的进一步实施方式利用直接序列扩频方法和随机频率调制方法。
在一个实施方式中,采用微处理器控制单元7和压控振荡器8来实现直接序列扩频方法。微处理器控制单元7具有时钟频率并产生用于功率传送设备1中的功率逆变器的开关控制信号。直接序列扩频方法包括在微处理器控制单元7中存储伪随机序列和发出该伪随机序列以通过压控振荡器8调制所述时钟频率。微处理器控制单元7具有内部参考时钟信号或外部参考时钟信号。这些参考时钟信号提供时钟频率。可以通过例如时钟晶体振荡器来提供这些参考时钟信号。采用两个变容二极管9来实现压控振荡器8。
本实施方式的功率传送设备1通过开关(switching)来传送功率。一般而言,在涉及开关的地方,扩频技术可改变该开关的至少一个特性。这包括改变开关频率、开关脉冲宽度和开关脉冲位置中的至少一者,并且能利用上述扩频技术的各种实施方式。
当无线通信设备正在由无线电池充电系统(其是特定类型的功率传送设备1)进行无线充电时,本发明的实施方式适合于减小或最小化无线通信设备例如移动电话中的信号干扰。这样的无线电池充电系统的一个特定示例是无线充电板,该无线充电板通过感应对无线通信设备进行无线充电。本发明的实施方式所提供的扩频技术允许无线充电板提供充电功率并且同时在宽的频谱上不仅遍布基本辐射功率而且遍布它的谐波。在这种情况下,在无线通信设备的射频电路和天线中所获得的平均开关功率变得可忽略,并且因此,将不再引起无线通信设备中发射信号和接收信号的品质的任何显著降低。
在图3和图4所示的本发明的实施方式中,功率传送设备1是这样一种无线充电板的形式。无线充电板1传送功率,以对可以是移动电话或其他移动设备的无线通信设备2进行充电。特别地,如图4所示,垂直电磁通量10以传送频率4从无线充电板1的充电表面11上产生出来。传送频率4可以是用于有效能量传送的任何合适的频率。在本实施方式中,例如,传送频率4为110kHz。无线通信设备2内部的能量接收模块将获得该通量并将该通量转换成用于对无线通信设备的电池进行充电的DC电压。在这个特定的实施方式中,无线充电板1还包括充电平台13下的电磁屏蔽12,在充电平台13的顶部是充电表面11。
这些无线电池充电系统所遇到的一个问题是系统(在当前描述的实施方式中,其是无线充电板1)和无线通信设备2之间的干扰。尽管这些无线充电系统通常以相对低的频率(例如,以110kHz)进行操作并且无线通信设备2(例如,其可以是移动电话)的信号通常是800到1900MHz,但是事实上这两个非常不同的工作频率将会彼此干扰。
假设其中一个无线通信设备2是移动电话14,则干扰机理如下描述:移动电话电路以传送频率4(110kHz)获得无线充电信号,然后该信号和移动电话信号(800到1900MHz)将一同被馈送到非线性设备(例如放大器、混频器、解调器等)中,从而导致互调分量(例如,900MHz±110kHz)产生。这些互调分量落入移动电话14的工作带,从而恶化了移动电话的信噪比并降低了它的灵敏度。
和影响无线通信设备2一样,诸如上述类型的干扰还影响功率传送设备1。如以前提及的,本发明的实施方式所提供的扩频技术还减小或最小化了功率传送设备1自身的干扰,如上述提及的类型。例如,如果功率传送设备1是先前提及的无线电池充电系统中的一种形式且具有发射器(TX)电路,则本发明的扩频技术减小或最小化了TX电路中的通过如上述提及的那些机制所产生的任何干扰。特别是,已经发现,当将强RF信号注入无线电池充电系统的电路中时,会产生干扰。具体地,在该电路内的PN结中可产生较高频率的干扰。本发明实施方式中的扩频技术可减小或最小化这种类型的干扰。
图5显示了一种实验设备,其中RF信号产生器15用于向射频消声室16中的移动电话14传送信号。移动电话14安装在无线充电板1上,以从无线充电板接收充电功率。连接频谱分析仪17,以分析移动电话14所接收到的信号的频谱。
采用该实验设备,发明人已经发现,移动电话14所接收到的高频信号(假定,fc=900MHz)可被无线充电板1以传送频率4(假定,fs=110kHz)所产生的充电通量10所干扰。调制的结果是,移动电话14所接收到的高频信号表现为类似载波信号,而低频充电通量10表现为类似调制信号。
实验期间,信号产生器15辐射出900MHz的信号18,而且测量移动电话14的天线所接收到的信号。图6显示了当没有低频充电通量10时,移动电话14的天线所接收到的信号的测量频谱。可清楚地观测到900MHz的信号18。然后,无线充电板1被激活,以便以传送频率4(其是110kHz)对移动电话14进行充电。图7示出了正在充电时的移动电话14的天线信号的测量频谱。除900MHz的载波信号18以外,出现了边带形式的由110kHz充电传送频率4引起的干扰信号5。换言之,出现了频率为(fc-2fs)、(fc-fs)、(fc+fs)和(fc+2fs)的谐波。
实际上,无线通信设备2(例如移动电话14)具有用于数据传送的通信带宽3。例如,如图8所示,对于载波频率fc,通信带宽3可定义为从(fc-Δf)到(fc+Δf)。换句话说,在本示例中,通信带宽3的大小是(2×Δf)。在数据传送带宽(也即通信带宽3)中,边带分量形式的干扰信号5的出现将对接收信号的品质产生不利影响,并因此影响移动电话14的误码率。
为了避免由于边带分量5而产生的信号干扰或恶化,本发明的一个实施方式包括两种方法,如下:
(1)如果无线充电板1的充电频率fs(也即传送频率4)能高于或等于Δf,那么选择fs≥Δf。因此,边带5将不出现在数据传送带宽(也即通信带宽3)中。
(2)如果fs<Δf,那么为了在频谱上至少将边带分量5的幅度减小到低的或可忽略的水平,扩频技术应该用在无线充电板1的开关频率(或传送频率4)中。
如上描述的,扩频开关技术指的是涉及改变开关函数中的至少一个变量的方法,所述变量包括但不限于开关频率、开关脉冲宽度和开关脉冲位置。无线充电板1或其他功率传送设备1的开关频率的变化可以是抖动类型、伪随机类型、随机类型、无序类型和调制类型中的一者或多者。
本实施方式中扩频技术的主要目的是确保边带分量5的功率不集中在某些频率上以及使每个边带分量的幅度最小化。通过改变无线充电板1的开关频率,边带分量5的频率随时间变化。结果,边带分量5的“平均”功率彻底减小到可以忽略的水平。
在本实施方式中,为了减小移动电话14中的信号干扰,任何扩频技术都可适用于以传送频率4从无线充电板1传送功率。然而,优先考虑那些改变特定传送带宽6中的充电频率fs(也即传送频率4)的扩频技术,该特定传送带宽6本质上将不会影响从无线充电板1至移动电话14或其他无线通信设备2的无线功率传送的能量效率。原因是,移动电话14的能量接收模块一般由已调谐振器(tuned resonant tank)组成,该已调谐振器被设计为在无线充电板1的恒定开关频率fs(即传送频率4)处以最大效率进行工作。如果fs在传送频率fs附近的窄传送带宽6中变化,那么可获得高效的无线功率传送。
图7示出了移动电话14的天线中的干扰信号的测量频谱,其中fs固定为110kHz。出现了边带分量5。图9示出了天线信号的测量频谱,其中传送频率4(也即fs)随机分布在105kHz和115kHz的传送带宽6之间。如图9所示,边带分量5已经变得微不足道。
涉及频率改变的扩频技术还称为“跳频扩频”(FHSS)方法。这些FHSS方法适用于在本实施方式中使用。其他适合的扩频技术包括采用如上所述的“直接序列扩频”(DSSS)方法和传送频率4被无序化的方法。
DSSS方法的一个实施示例如图10所示,并且上面已经广泛地进行了描述。在图10所示的实施中,产生用于无线充电系统1的功率逆变器的开关控制信号的微处理器控制单元7(MCU)的时钟频率由DSSS电路进行修正。MCU 7中存储的伪随机序列被发送出,以通过两个变容二极管9来调制MCU 7中的时钟晶体振荡器19。在这个示例中,时钟晶体振荡器19提供参考时钟信号,从而提供用于MCU 7的时钟频率。该方法的优势是容易控制输出信号fs(也即传送频率4)的带宽,在本处描述的实施方式中输出信号fs是110kHz。
适用于在本实施方式中使用的另一扩频技术使用随机频率调制方法。图11示出了在使用随机频率调制方法之前,在传送频率4(在本示例中为110kHz)处的典型开关信号的测量功率频谱。可以清晰地看到110kHz的开关信号。图12示出了使用随机频率调制方法之后的测量功率频谱。可以看到,开关信号功率散布到一频率范围上,并且幅度减小了。功率散布的效力依靠于随机化的程度。
另一可选方式是使无线充电板1的传送频率4(也即fs)无序化。例如,在“Use of chaotic switching for harmonic power redistribution in powerconverters”,Chaos in Circuits and Systems,World Scientific,2002,第17章,第341-366页,作者Chung H.,Hui S.Y.R.和Tse K.K.中,描述了无序化方法。这些方法与随机开关方案类似,除了开关频率在特定带宽内以无序(并且不是随机的)的方式进行改变以外。
本发明的另一些方面提供了向具有通信带宽的无线通信设备传送功率的方法。概括地描述,一个方法包括采用扩频技术来以传送频率对功率进行传送,以减小或最小化通信带宽中的干扰信号。另一方法,也概括地描述,包括选择:或者以大于或等于通信带宽的大小的传送频率来传送功率;或者采用扩频技术来以小于通信带宽的大小的传送频率对功率进行传送,以减小或最小化通信带宽中的干扰信号。值得注意的是,之前的描述举例说明了这些方法的优选实施方式。
尽管已经参考特定的示例描述了本发明,但是本领域技术人员应当意识到,可以以许多其他形式来实现本发明。本领域技术人员还应当意识到,所描述的各种示例的特征可以其他组合形式进行组合。