CN102273041A - 无线功率接收机模块 - Google Patents

Abstract

一种充电系统，包括功率底座(10)和待充电的装置(20)上的兼容电路，所述兼容电路包括星座图案形式的接触，所述星座图案与底座(10)上的导电条(12)连接，以确保任何取向上的功率传输，安全和控制电路提供火花抑制和短路保护。

Description

无线功率接收机模块

技术领域

本发明涉及利用功率传输表面向一个或多个电子或电动装置提供电功率和/或数据的电子系统和方法。

背景技术

诸如玩具、游戏机、手机、笔记本电脑、相机以及个人数字助理之类的各种电子或电动装置随着其供电方式而发展。移动电子装置典型地包括电池，将移动电子装置通过电源线单元连接至电池而重复充电，该电源线单元包括用于电源的变压器和/或电源转换器，例如电壁出口或电网。非移动电子装置通常是通过电源线单元供电并且在使用期间不移动的一种装置。

在移动装置的典型配置中，电源线单元包括用于将其连接至电源的出口连接器和用于将其连接至电池的相应电池电源插座的电池连接器。所述出口连接器和电池连接器相互连接，使得电信号在它们之间流动。通过这种方式，电源通过电源线单元对电池进行充电。

在一些结构中，电源线单元可以包括电源适配器、变压器、或分别通过AC输入线和DC输出线连接至出口连接器和电池连接器的转换器。所述电源适配器将通过出口连接器从电源接收的AC输入电压适配为通过DC输出线输出的DC电压。DC输出电流流经插座并且用于对电池进行充电。

然而，制造商通常制造他们各自型号的电子装置并且不使他们的电源线单元与其它制造商的电子装置或者其它类型的电子装置相兼容。结果，一个制造商制造的电池连接器通常将不能被安装到由其它制造商制造的电池电源插座中。此外，制造用于一种类型的装置的电池连接器将不能安装到制造用于另一种类型的装置的电池电源插座。制造商将用于他们自己装置的这些连接器制造为独特的出于多种原因，例如成本、责任考虑、不同的电源需求以及用于获取或保持市场份额。

然而，对消费者来说，与其它装置不兼容的独特的电源线的增殖可能很棘手，因为他们必须为他们特殊的电子装置购买单独的电源线单元并且应对他们的装置所需的不同电源线的混杂性。由于人们倾向于经常开关装置，对于他们来说，也必须开关电源线单元，这不方便、昂贵且浪费。不幸的是，不再有用的电源线经常被丢弃，这也是浪费并且对环境有害。人们通常也拥有多种不同类型的电子装置，并且每一种电子装置具有电源线单元是不方便的，因为消费者必须处理大量的电源线并且产生了电源线混杂的现象。

附图说明

并入且形成说明书一部分的附图，示出了本发明的示例实施方式，但并非能实施本发明的唯一方式，其与所撰写的说明书和权利要求一起用于解释本发明的原理，在这些附图中：

图1为根据本发明的充电底座的透视图，所述充电底座包括功率传输支撑结构和待充电的使能(enabled)装置。

图2为图1的充电底座的等轴视图，其示出了交替正的和负的充电接触条的阵列。

图3为本发明的使能装置的底部平面图。

图4为图1的充电底座的一部分的顶部平面图，其描述了为了在底座上充电，如何沿着不同的取向布置几个使能装置。

图5为图1的充电系统的方框图。

图6为本发明的代表性示例的无线充电底座的顶部平面图。

图7为图1的充电底座的几个导电条的顶部平面图。

图8为示出了根据本发明的使能装置的四个接触点的“四面体”布置的示图。

图9为示出了图8所述的四面体布置的接触点的角度取向的示图。

图10为本发明的使能装置的底部平面图。

图11为沿着图10的线11-11的侧面剖视图。

图12为示出了假想线所示的磁铁的近似位置的使能装置的底部平面图。

图13为沿着图12中的线13-13安装的磁铁的侧面剖视图，其示出了嵌入到使能装置的壳体中的示例近似尺寸。

图14为根据本发明的四路桥式桥式整流器的示意图。

图15为示出了添加了通过(pass)二极管的四路桥式桥式整流器的示意图。

图16为图14的四路桥式整流器的示意图，其示出了该有源整流器的可选结构。

图17为配件市场装置实施方式的示意图。

图18为手持装置(handset)实施方式的示意图。

图19为桥式整流器的单支的示意图。

图20为基于N-沟道MOSFET的单个有源整流器的示意图。

图21为示出了本发明的控制电路的传输功能的曲线图。

图22为被用于向本发明的有源整流器驱动供电电压的压制(squelching)调节器的示意图。

图23为用于从本发明的功率传输表面接收功率的功率调节电路的示意图。

图24示出了嵌入到壳型壳体中的本发明的星座(constellation)模块的透视图。

图25A为本发明的星座模块的俯视图，其示出了示例性尺寸。

图25B为本发明的星座模块的仰视图，其示出了接触点的布置。

图26为用于包围本发明的星座模块的胶质盒子的两个分开体的透视图。

图27为示出了无线功率连接组件的星座模块的透视图。

图28为示出了胶质盒子和无线功率组件的星座模块的透视图。

图29A为示例胶质盒子结构以及该星座模块的安装的剖视图。

图29B为图29A的剖面侧视图的一部分的放大截面，其示出了该星座模块的柔性电路载体和柔性电路。

图30为示例功率连接组件的透视图，其中所述柔性电路载体和电线出口(strain relief)是单个单元。

图31为示例连接组件的透视图，其示出了柔性电路载体和星座模块之间的连接。

图32和图33是示出用于实施本发明的控制以及安全系统的示例电路的示意图。

具体实施方式

图1示出了示例充电底座10和充电底座使能装置20。充电底座10向位于其上的一个或多个装置20无线地传输功率，即不用充电适配器线。在本文中，术语“无线”和“无线地”被用来指不用电缆型充电单元或适配器来实现装置的充电，如下文所述，在本示例中，是通过导体穿过具有可选择性几何结构的接触来实现的。另外，术语“使能”装置被用于便于理解电子或电动装置，例如手机、计算机、收音机、相机、个人数字助理、数字记录器以及播放装置、助听器、GPS接收机或发送机、医用仪器，或仅大概为其它任何便携式装置，它们装备有充电接触和相关电子电路以使得该装置被供电底座10部件充电。

如图2所示，充电底座10的顶表面包含接触条14、16的阵列12，利用低压DC激励所述阵列，以使得每隔一个接触条，例如接触条14为正极且在接触条14之间的接触条16为负极。

如图3所示，在使能装置20的底侧22上具有以“星座”配置24布置的四个接触点26。

使能装置20上的接触星座24和充电底座10上的接触条阵列12形成几何互补对，所述几何互补对具有能够将电功率从底座10传输到装置20中而与底座上的每一个特定装置20的位置和取向无关的特性。例如，图4中示出了几个取向以说明该原理，但它们不是唯一起作用的取向。

如图4所示，无论将星座26设置在底座10上的哪里或哪个取向，都将产生至少一个接触正极和一个接触负极，从而能够将电功率从底座10传输到使能装置20。使用整流器(图4中未示出)从接触26吸取功率，整流器的输出等于底座表面18的电势。应注意，整流器也固有地防止移动或使能装置上的暴露接触在当它们与底座10隔离或从底座10去除时被“活化”。换句话说，使能装置20上的接触26之间的整流器和使能装置中的重新充电电池或电容器防止电流从装置20的重新充电电池或电容器流至接触26。

在该结构中，底座电压固定并且与位于底座表面18上的装置20无关。底座10上的每个独立的装置20都负责将来自底座10上的电功率调节到适用的功率。该方案固有地允许具有不同功率需求的不同制造商的多个装置20从同一底座10上进行充电。

图5示出了整个系统的方框图。通常，每个使能装置20包含拾取星座24、整流器28以及为目标装置20带来功率的功率调节电路30。

控制和安全系统29良性且安全地向用户提供接触阵列12。控制和安全系统29仅在探测到顺从负载时才激励阵列12。系统29感测诸如按键或手之类的非使能装置的存在并且立即安全地关闭。

控制和安全系统29还具有火花抑制特征。当所述底座向负载传输全功率时，存在诸如按键组的金属体可能落到电极表面上并且导致短路的可能性。在这种情况下，如果发生了火花将是不期望的。火花能够导致金属的腐蚀，这可能是安全隐患，或者对于接着假定电极表面是危险的用户来说，这可能是令人吃惊的。

图32和图33中的示意图示出了用于实现控制和安全系统29的示例电路。非常高的电流导致了火花。因此，为了防止火花，必须限制电流。在有火花的情况下，L1、R2、U1、Q2、Q3和Q4这些部件形成高带宽电流反馈环路，所述反馈环路将输出电流调节到预定值，直到控制系统从MOSFET Q1去除驱动。

外部反馈环路的带宽非常高，但是不足以高到在短路事件的最早几十纳秒期间防止产生火花。一旦发生了火花并且火花间隙充斥着离子，火花变得易于维持。甚至电路阻止火花的发生很重要。

该技术MOSFET Q1的源极引出端使用电感器L1。当发生短路的情况下，电流可能非常迅速地增大。在这种情况下，在电感器两端产生电压，该电压使栅极驱动反向并使MOSFET Q1截止。该作用快到足以防止最初火花的产生，但不能单独保持火花抑制。

R2、U1、Q2、Q3和Q4构成的反馈环路形成高带宽电流限制电路，与L1结合，形成非常高的带宽，但短期的电流限制元件，排除了火花。

晶体管Q5和相关的部件R7、R14、R16以及Z1探测什么时候系统已经进行了电流限制并且将该状态报告给微型控制器。所述微型控制器在适当地从MOSFET Q1去除驱动时作出响应。通过这种方式，不期望的短路导致在关机之后的瞬态电流限制。

减小的输出电容：第一火花抑制技术用于减小存在于表面电极两端的电容。不但寄生电容是不可避免的，而且离散电容器也不能直接地用于表面电极两端。电容器储存电能，并且当被短路时，它们传输高电流以迅速地耗散能量。所产生的火花的尺寸与储存在电容中的能量的量有关。火花是非线性的，在这意义上持续一个火花比开始一个火花容易。换句话说，相同的条件持续一个火花可能不足以开始一个火花。因此，防止火花的产生是期望的。与R19并联的电容将在相邻的两接触条两端的金属桥的短路片的位置引起火花。

电流限制：另一火花抑制技术是限制电路中的电流。R2、U1、Q2、Q3和Q4形成高带宽电流限制电路。当电流足够低于限制电流时，U1截止且Q4作为开关，供应驱动或者去除来自MOSFET Q1的驱动。然而，当输出电流超过预定值时，U1开始导通作为放大器。U1A的集电极驱动着由Q4生成的电流源。由Q4生成的电流源具有高等效电阻并且因此U1A的增益很高。集电极输出通过由Q2和Q3形成的单位增益缓冲器连接到MOSFETQ1的栅极。反馈环路将输出电流保持在预定值以下。当U1A开始导通时，通过Q4生成的电流源从通过Z1和Q5的基极至正轨(positive rail)的路径被汲走。随着通过U1A的导通继续增加，Q5的基极上的驱动递减直到Q5截止。当Q5截止时，R14和R16的结点处的电压下降，向微型控制器发送反馈环路变得有效并且限制了电流的信号。

迅速的关机：另一火花抑制的特征是系统的迅速关机。当合适时，在探测到来自Q5的表示发生了电流限制的信号时，微型控制器能够去除Q4的驱动，这又将去除来自MOSFET Q1的栅极驱动。通过使用马上可用的微型控制器能在2μs以内布置完成关机。这意味着当发生短路时，系统能在2μs以内关机进入睡眠模式。即使假定更糟糕的情况，即不期望负载的电压为15V，并且预定电流限制为1A，则能够传输的不期望负载的最大量的能量可能为1A*15V*2μs＝30微焦。

这里描述的包括使能移动装置20上的充电底座10和星座接触以及电路的充电系统的多个益处列在表1中并且在下文中进一步描述：

表1

无需定位

多装置同时充电

“一手”充电

装置的基地(home base)易于寻找

通用功率接口

电池总是充满

无需更多凌乱的线

运转友好-无需更大的充电器

高功率容量

“绿色”解决方案-去除了多个AC适配器

“无需定位”意味着移动装置能够位于充电底座表面上的任何地方或者任何取向，并接收全部的、不间断的功率。用户无需为了接收功率而以特殊的方式取向或者定位装置。

充电系统固有地允许不同功率需求的多个装置同时位于底座上并且从底座上接收功率。

系统的无线功率技术使得对装置进行供电和充电简单。为了取向或者安装装置以充分地对装置进行供电和充电，用户能够不费力地在底座上设置装置，无需任何特殊的考虑或努力。

充电系统是通用的功率接口，意味着不同的移动装置可以共享相同的电源。这大大地简化了典型地具有多个移动电子装置的用户的生活，每个电子装置具有自己的AC适配器。

具有易于使用的通用电源导致系统被更频繁地使用。这反过来意味着用户经历他们的电池被更满地充电。由于自然产生的更频繁的充电，用户能够应用他们的装置的更为耗电的特征。

因为其便利性和其它优点，用户趋于更频繁地使用充电底座。这具有在通常找到装置的地方为其创建“基地”的附加效果。

充电系统还消除了许多用户典型地为多个且不同的装置供电和充电所需的多条线的混乱和混杂。

充电系统消除了需要过多的AC适配器-每个移动装置需要一个。替代为，仅一个充电底座就能够供应多个移动装置的功率需求。

充电系统还能够向例如笔记本电脑、灯、便携式电视、剃须刀、理发装置、电动工具以及其它的功率较高的装置经济地带来无线供电的便利。

最后，本发明去除了单独的AC适配器构成的阵列，消费者需要所述单独的AC适配器构成的阵列对他们的装置进行供电和充电。利用适用的充电底座10，现在所购买的几乎每一个，甚至相同类型的新装置所附带的AC适配器，都不再需要了。通常在家里，能够发现几个这样的适配器插在插座里，但却没使用，浪费能量。当所述装置废弃时，这些典型的适配器将变得实际上没有价值并注定以垃圾形式结束，所以通过使用这里描述的充电系统消除需要多个AC适配器对环境具有好处且减少购买移动装置的成本。

充电系统提升的结构对提供通用功率接口的基本原理有用，其中一个几何形状和电气规格能够满足装置的宽范围功率需求。该充电系统具有在共享基层结构的多个装置中具有互用性和故障缺陷容限的简单结构。因此，用户能够在任何适用的充电底座表面上放置任何他们的使能装置以获得功率。

在完全安装好了的基层结构中，许多功率传输底座将存在有变化的功率处理能力。它们可以位于家庭、汽车、办公室、酒店房间、会议室、飞机座位、咖啡馆、医院以及牙科诊所等，使得这些地方和设施的用户和消费者能够便利地为他们的装置充电。具有多功率处理能力的底座同时存在。例如，整个基层结构中可以存在三种功率处理能力：15W的底座、65W的底座以及120W的底座。同时，诸如手机、相机、笔记本电脑、医用设备、电动工具之类的许多使能装置存在覆盖从1W到120W的宽范围的功率输入需求。

对用户来说所有这些不同的需求都可以是透明的。假设总功率需求未超过该底座的额定值，则任何给定的底座上能安置并充电任何数量的装置。这意味着，例如，某人可以在底座上操作他或她的笔记本电脑，同时也在同一个底座对手机进行充电以及向打开的咖啡杯进行供电。

为了在许多不同的装置20和用于特定的功率处理需求的各种充电底座10之间实现完全的互用性，期望建立横跨应用的一致几何形状。接触26(参见下面的第4部分)的星座图案24的尺寸选择为满足例如数字音乐播放器的小型的功率装置以及例如笔记本电脑和台灯这样的较大型的较高功率需求的装置的需求。在所有的平台中，接触条和拾取星座的尺寸已经标准化。

在充电系统的规格以内，使得位于底座上的装置20能够确定该底座的功率处理能力。功率管理产生在规格以内的三个等级，并可以通过例如输出电压和/或数字通信特征化或键控：

表3

等级	功率输出	输出电压	数字功率管理
				1	0-30瓦特	11V-16V	否
2	30-60瓦特	18V	可选的
				3	60瓦特及以上	19.5V	被推荐的

这些示例等级反映了各种使用模式。等级1的功率底座可被设计为主要为多个低功率手持装置充电。这些装置的典型功耗为2-5W。在这种情况下，功率管理对底座的表面面积是固有的。典型的手机占有大约8in²的底座面积，并消耗了大约3W的功率或者大约0.38W/in²。例如，15W可能具有大约38in²的有效面积，其对应于大约14.4W的手机使用。

等级2的功率底座可以设计用于交通应用的中型装置以及多个较小的装置。在这种使用模式中，例如，单个笔记本电脑可以被充电或者可能与手机和音乐播放器一起使用。在该示例中，通过有目的被限制的充电表面面积对应或提供功率管理，假设仅一个笔记本电脑或其它这样较大的装置可以安装在给定的面积。在该等级中数字功率管理是可选的但不是强制性的，并且能够为了产品分级(好/更好/最好)而被包括。

等级3的功率底座可以设计用于多个大功率装置。在这种情况下，可以存在未知数量的大功率装置，并且表面面积可能不限于以可预测的方式使用。这可能是这种情况，例如在会议室应用或者咖啡馆桌子情况下，一个大的底座可能覆盖了桌子或者可能使用许多具有宽变化尺寸的电动工具之处的绝大部分面积。在这种情况下，推荐数字功率管理。数字通信方案可选地提供底座和等级2和等级3中每一个装置之间的数字功率管理通信。

等级1的应用提供了最简单和经济的实施方式。方便性在于他们也包括最大部分的消费者应用。

电压辨析是用于区分功率管理的第一级的简单方法。例如，如果在底座上没有探测到至少19.5V，则需要85W的笔记本电脑将不需要占用底座10。同样地，只有如果底座电压被探测为19.5V或者更大，才可以使用40W的台灯。在另一方面，低功率装置(小于5W)可根据三个等级中的任一个而工作于底座10。

功率管理这一方法能够处理多种情况，包括在保持系统复杂性和成本降低同时的最大应用模式。

对能够供应更大量的功率和/或具有更大的面积的底座10来说，数字功率管理变得更加的重要。在这种情况下，在装置和底座之间建立通信。然后装置和底座共享信息，从而使得装置减速或关闭以防止试图汲取比底座所能供应的更大的功率。数字功率管理超出了本文的范围并且此处将不作更深入的讨论。

当底座10上的所有的装置20所需要的总功率超出了所属底座的功率能力时可能出现状况。该情形是等级1的功率管理方案的一部分并且应该具有可预测的响应。例如，底座可以关闭并且周期性尝试重启。除非功率需求状态改变(例如，移除了装置)，否则底座10上的装置20将不能接收功率。该故障状态可能不确定地持续。

底座10也可使用LED、功率计、LCD屏或其它类型的用户显示器来指示存在过载状况。

充电底座10提供了具有特殊宽度以及用于配合标准拾取或接触几何形状，例如图3和图4(参见下文)所示的星座的阵列间距的导电条的表面。通常，底座10的总尺寸和形状可以变化，但是条14、16的宽度和间距必需保持相同，以确保向特定布置和尺寸的接触26传输功率。

在完全安装的基层结构中，许多类型以及功率处理能力的充电底座10用于支撑大量或多种移动装置20。为了有助于这种基层结构，每个移动装置20使用接触图案，该接触图案被设计为符合相同的基本表面电极几何形状。此外，每一底座10采用相同的表面电极尺寸和几何形状。表面电极和移动装置实施方式的电气特性确保了大范围应用的最大化互用性和可预测的故障容限。

在图6中示出且在表3中列出了用于15W无线充电底座的全部尺寸的一些示例。

表3

L	7.908”
		W	6.500”
A	6.79”
		B	5.698”

有效表面的尺寸A、B可以根据特殊设计中的条的长度和数量而变化。但是，对于底座10的特殊设定，期望每个充电表面保持条相同规格的宽度和间距，以与用在不同移动装置20的组上的接触26的特殊星座图案和尺寸的连接。

充电底座10的表面11包括以特定的宽度和间距在阵列中相互平行布置的导电条12。图7中示出了该金属条的标准尺寸。

因为每个条的宽度和间距必需是固定的，所以在一个示例性实施方式中有效区域的宽度B通过下式给出：

B＝0.48125N-0.077

应该注意，为了该计算，用在这一示例中的阵列间距为0.48125”，这是该示例设计的精确值。

充电底座10的整个表面11优选是光滑和平坦的，或者在所有条14、16以及它们之间的中间间隔上具有平缓曲线，以确保使能装置20在位于表面11上时正确地放置，而与任何特殊的条26可能落到表面11上何处无关。关于平坦度，与表面11的整体平滑曲率相比，性能对隆起或台阶敏感。出于这个原因，期望当心表面11在每一个条12的表面和条12之间间隙的表面之间不具有明显的台阶。

具有明亮的镍镀层的经抛光后的不锈钢条制作了好示例条14、16。430不锈钢用于确保高的产品耐磨性和抗腐蚀性。镍镀层确保整个时间内的可靠的电气接触性能以及镜面修饰。430不锈钢条为0.015”厚以在15W的额定功率处提供足够的导电性。该金属也是铁磁性的，并且在这一厚度允许该实施方式中的磁体42(图12和图13)牢固地将装置20拉到底座10的表面11。正如本领域技术人员所公知的，一旦理解本发明的原理，也可以使用其它的材料来实现导电性、接触可靠性以及磁性吸引。底座10中所使用的衬底材料是非导电的并可采用各种各样的形式，例如热塑性塑料。

接触条12使用低电压DC激励。根据应用，在一个示例中该DC电压范围可以在11V到19.5V内。每一间隔的条14上的电压极性为正而它们之间的条16上的电压极性为负(参见图2和图7)。负电势被限定为地(0V)，虽然并不必需与大地连接。

在工作期间，DC电压可以偶尔地被中断短暂的时期(10μs)。出于这个原因，在这一间歇期间拾取电子使用电容器来存储能量从而避免导致目标装置20的供电量的漏失是有益的。

在合适并且感测出故障状态时，系统控制器向接触条供电。典型地，系统控制器提供以下功能：

a)如果没有装置20位于底座10上超过3秒，DC功率将从接触条上移除。

b)如果使能装置20位于底座10上，DC功率将施加给接触条12.

c)在正常的操作期间，在放置在底座10上的物体(例如，按键组)使底座10短路的情况下，控制和安全电路防止产生火花。此外，控制器将使得操作系统进入睡眠模式直至短路消除。

d)在底座上存在例如手或液体泼溅这些不期望负载的情况下，将从接触条去除DC功率。控制和安全电路用于探测这种状态。

e)LED指示底座的状态。On＝有效，Off＝睡眠。

通过调节代办标准，接触条12上存在低压是安全的。此外，所用的电压如此低，甚至不需要系统控制器，甚至很少人能够检测到它。系统控制器采用这几个步骤以进一步地生成实际上难以察觉且更加安全的电源。为了使其更清楚，9V的电池更容易被人感测，远不如底座10安全。

接触点26的特定几何图案，或星座，被用于从充电底座10接收功率。星座集合形状使得无论星座相对于接触条12的取向和位置如何，都可以关闭电路并且传输功率(参见部分1)

星座几何形状和表面接触几何形状形成匹配对，以用于星座或装置20相对于底座10以任何取向提供功率。对于这一结构的平行接触条几何形状，具有超过一个的确保功率传输的符合标准的星座。本文的范围将限于一个这样的星座，大概被称为“四面体”，因为其与四面体的顶面视图相似。图8示出了接触26的“四面体”星座24。

在完全安装的基层结构中，许多类型和功率处理能力的充电底座10可以存在用于支撑移动装置20的阵列。任何移动装置20可以放置在任何类别的充电底座10上。为了方便，每个移动20使用相同尺寸和图案的接触26。(应注意，也可以使用其它的图案。只要所有图案被设计为符合表面电极的标准几何形状和尺寸)。此外，每个移动装置包含电路，以适当地处理来自于符合的功率传输表面(底座)构成的阵列的一个范围的输入电压。

图9示出了包括星座24的四个接触点的关系。这一示例中的尺寸R为0.385”。

图10和图11示出了每个接触点26的示例接触叠置。球轴承32与底座10的金属条12接触。使能装置20的壳体38通过磁体42(图12和图13)向金属接触条12的表面44拉印刷电路板36而保持到底座10。印刷电路板36上的衬底或者印刷电路板的部分与弹簧34接触并生成将球32压到金属接触条12的表面44上的反向力。

最期望的是接触26在一点或者几乎一点接触表面44。还要求接触26不桥接条(例如0.077”)之间的距离，以防止条14、16之间的短路。例如，接触26可以为如图11所示的球形。已经发现2mm的球轴承对于耐磨性和低成本来说是极佳的选择。

装置20的壳体38应该保持接触球32，以使得其轻微突出，例如当装置20不位于充电底座10上时，壳体38的底表面46突起大约0.020”。本实施例的突起尺寸已经被发现足以在底座10的表面上存在适度的碎屑的条件下实现接触。

壳体38的出口孔48应该是圆的并且保持合理的容差，以使得当设置球轴承32时，形成了密封以阻止污染物进入壳体38。

接触球32引起与具有圆锥状弹簧34的表面46接触。此外，弹簧34承载球轴承32和印刷电路板36之间的电流。弹簧34是圆锥形的以允许它们依靠自身的扁塌来保持整个堆叠尺寸尽可能小。镀镍的铍-铜是适用于弹簧34的材料，尽管也可以使用其它导电材料。镀镍提供了极佳的接触性能，尽管铍-铜用于弹簧工作良好，但不是磁性的(对当存在磁体时的组件很重要)。

印刷电路板36上的接触焊盘50承载了球32所拾取的电流。为了安装的容易，弹簧34不需焊接于接触焊盘50，而是焊盘50和弹簧34可以通过直接接触而连接。为了可靠性，推荐印刷电路板焊盘50被ENIG电镀(化学镍金)。

本发明的正确操作需要接触星座24呈方形地位于底座表面18上。保持接触星座24的框架应该是刚性的，以使其不在预设的磁力压力下变形。根据设计，材料的变形转移到装置20的摇摆运动。

接触26可以为至少50微英寸厚的镍镀层。这将在产品的整个寿命期提供好的可靠性和的低接触电阻。

至少3oz的表面11上的接触26的弹簧弹力通常足以在产品的寿命期确保可靠的接触性能。假定在星座图案中具有4个接触26，这意味着总的力为12oz。对于小型装置，单独的引力可能不够并且可能不得不使用磁体，例如如图12和13所示的磁体42。

在一些情况下，目标装置20的重量可能足以允许在每个接触上产生至少3oz.的力。如果目标装置20刚刚超过需求12oz.，则对准“四面体”的中心与该装置的重心以防止摇摆或倾翻可能是有用的。

因为目标装置20重量远超过12oz.，因此将其重心与所述“四面体”的中心对准就不再重要。

图12示出了被设计成实现充分的接触力的一种典型应用。在许多情况下，磁体42被用于增大接触力以获得每个接触球32上3oz.的最小化的推荐大小。磁体42的吸引力还能够被利用来稳定汽车应用的移动装置20。装置可被用于支撑他们自身的重量并依附于垂直表面，例如冰箱门或者安装有垂直或者水平偏离任何角度取向的表面11的底座10。

应注意，装置20的底表面22上的磁体42的精确位置不重要，而吸引力通过环绕而在弹簧上34生成力进行传播才是关键。还期望与底座表面18接触的面不因磁体42所施加的力而变形。

在图12中，假想线圆形表示通过装置20的塑料盖子52而保持的三个磁体42的示例位置。三个直径为0.25”且厚度为0.062”的钕磁体能够提供吸引充电底座10的铁磁性接触条12必需的磁吸引力，尽管也可以使用其它的材料和磁体。例如盖子52本身可包括复合磁性材料。

用于本发明一个实施例的钕磁体生成能够影响诸如电感器、扩音器、马达以及磁盘驱动器之类的某些电子部件的工作的磁场。应该小心以确保磁体与这些装置隔离开，或者存在磁铁时这些装置正确地操作。

研究已经表明特定厚度和直径并通过特定量的与其外表面隔离开的经济级钕磁体将不会对例如信用卡上的磁条造成损害。然而，用低级别材料制成的酒店房门卡的磁条因为能被许多消费电子装置擦除以及容易受磁体42影响而备受诟病。

在一些应用中，可能期望增加将装置保持到功率传输表面或其它金属表面上的力的量。为此，一种选择是使用更强劲的磁体或者减小磁体和外表面之间的距离。在任一情况下，增加了外部磁场的峰值。在这种情况下，设计者可能想到验证增加的磁场强度不对信用卡造成损害。

另一选择是使用更多的磁体。更多的磁体将增加磁力而不增加磁场强度的峰值。该磁场强度的峰值潜在地危害信用卡磁条这些东西。绝大数的手持装置能够轻易地附着至上述的具有4或5个磁体的冰箱门上。

如在第一部分中所描述以及如图4所示，星座24的接触点26与充电底座10的平行接触条12电气接触。几何形状保证了至少一个星座接触点26与正底座接触条14接触，另一星座接触点26与负底座接触条16接触。

下面是示例性适应的移动装置20的顶级电气规格。

预先不知道哪一个星座接触点26是正的，哪一个是负的。此外，多个星座接触26可以与给定极性的接触条接触。

如图14所示的四路桥式整流器28用于将星座接触正确地整流到正和负轨道。为了好的效率，整流器可以使用肖特基二极管，但是也可使用其它类型的二极管。图14也示出了下面将进一步详述的电阻器R和电容器C。

应该确定二极管56尺寸以足够处理所有输入电压状态下的额定电流。在典型手机应用中，最大输入功率大约为2.5W。底座电压范围可以从11V到19.5V。在11V时最大二极管电流将为2.5/11＝227mA。

控制和安全电路29检测使能装置20并且激活充电底座10。为了正确地探测工作，整流器28可能需要在整流器28的输出两端的电阻器R，例如，为了良好的工作该电阻器的值可以大约为10K欧姆。

在一些应用中，图14的桥式整流器28的输出可能被正在供电的电路反向偏置。通过这样意味着当装置20未位于充电底座10上时，电阻器R两端的电压不为0。

处于两种原因，该状态有问题。第一，流经10K电阻器的电池电流减小了电池寿命。第二，反向偏置防止开启电路正确地检测底座10上的装置20。

存在两种解决该问题的示例方案。如图15所示，第一示例是通过添加通过二极管54。该简单方案的缺点是效率被该通过二极管54额外损耗降低了。在典型的手机应用中，所述额外的损耗可能在90mW的级别。

第二示例技术如图16所示。这里使用独立整流器以与开启电路相兼容，并且不在电路中插入额外的损耗。可以确定所使用的额外二极管的尺寸以用于非常低的电流，因为它们不涉及功率传输。需要电容器C2并且电容器C2应该为2.2nF的值。

如早先所述，充电底座10上的功率将偶尔地被中断大约10μS。功能存储电容器C对防止整流器输出电压的漏失是有用的。电容值可被计算为C＝PK，其中P为装置所需的最大功率，并且1μF/W＜K＜150μF/W。对应于大约180mW的最大漏失，好的K值大约为5μF/W。

开启延迟可能对每一实施方式有益处，以允许在输送满功率前，将底座电压稳定在标称值。例如该开启延迟可能为100mS或者更长。同样地，即使在短暂的功率损失之后，例如，3秒，也应该满足开启延迟规格。

图17和图18的示意图表示用于从底座10拾取功率的接收机的典型实施方式。如图17所示，示例性的配件市场装置实施方式示意图在1A下生成5V。T1、T2、T3、T4为接触点连接。来自接触点的输入在被输入到开关调整器IC中时被整流和滤波。Z1、R4、R5和C3形成开启延迟电路。D5确保在功率在瞬间漏失时，开启延迟电路迅速地复位。L1、D11和C6形成用于LM2734的总的输出电路。该实施方式假定目标装置在直到1A时以5V DC进行工作。

图18示出了示例内建手持装置实施方式。在这种情况下，接触点连接于桥式整流器的输入端。所述手持装置设计实施方式假定手持装置的输入电路能够处理达到20V的DC。如果不是这种情形，可以采用如在配件市场装置实施方式的示意图(图17)中所示的调节器。

在某些特殊应用中需要非常高的电流。例如，假定20V的底座10正在向100瓦特的笔记本电脑供电。在这种情况下，汲取的电流为5安培。额定为5A的可购买到的肖特基二极管具有大约0.55V的正向电压降。因为是闭合电路，因此必须导通至少两个这样的二极管。在这种情况下，两个二极管消耗5.5W，这是一个相对很高的损耗导致了可能的降温难题。

出于效率以及热管理的目的，期望一种改进的二极管。图19示出了一个示例性的具有两个基于FET开关的有源二极管和极性探测器的桥式整流器的单支。

图20示出了示例性的基于N-沟道MOSFET的单个有源整流器。在这一实施例中，U1A和U1B形成了差分放大器，其将输入电压Vin(Q2的漏极)与地比较。当有源二极管为反向偏置时(Vin正向)，每个基极都被连接于二极管U3以避开电压Vin。U2A和U2B作为电流镜进一步放大差分信号。差分放大器的输出端在U1B和U2B的集电极结。该差分放大器输出驱动反向晶体管开关Q1，该反向晶体管开关Q1驱动N-沟道MOSFET。

该示例有源整流器的整个操作如下所示。在MOSFET Q2的漏极上的正向电压Vin导致晶体管U1A截止以及晶体管U1B导通。U1A的集电极处的减小的电流通过电流镜U2反射到U2B的集电极。因此，U1B集电极处的电流将被输送到Q1的基极，从而截止了MOSFET Q2的栅极。结果，将没有电流流经Q2的漏极。

输入Vin上的负电压将导通U1A并使U1B截止。在U1A的集电极上增加的电流将通过电流镜U2被反射到U2B的集电极。到Q1的基极驱动将被关闭，并且Q1集电极处的电压将很高，导通MOSFET Q2。因此，电流将流经Q2的漏极和源极。

净结果是正电压Vin没有汲取电流，而负电压Vin汲取电流，仅作为理想的二极管应该起的作用。

有源整流器控制电路执行高增益放大器的作用。因为独特的拓扑，该结构理想地适于作为有源二极管而驱动MOSFET。

控制电路监控MOSFET的漏级和源极两端的电压。如果该电压为正的(对于N-沟道有源二极管)，则栅极驱动被去除。如果该电压为负的，则命令全栅极驱动。当在0伏特时，栅极驱动应该被关闭。这防止了如果系统中具有轻微的偏差就可能产生的封锁。如果存在不期望的偏差，装置则可能继续停留在正电压。如果装置继续停留，则将保持低电压，这将保持装置处于锁定状态。

控制电路具有不平衡的输出，作为本征不对称的电流镜的一部分。这利用了独特且简单的设计拓扑。电流镜的不对称进一步地被R2增大。

图21示出了控制电路的传输功能。

图20的示意图示出了连接于单个输入端的有源二极管的高侧和低侧。

图22示出了能用于向有源整流器驱动供应电压的示例性压制调节器。通过压制，这意味着调节器不提供实质的输出直到输入(整流后的电压)超过了阈值。它的操作总体如下。当在A、B、C或D至桥式整流器的输入上没有输入电压时，则整流后的输出将为0。在图22中整流后的输出被勾画作为“+20V”和接地符号。此处，值得注意的是如果图21中的有源调节器的控制部分(N10V)没有被施加电压，则MOSFET是截止的。在这种情况下，MOSFET内的本征二极管变为了整流器的一部分。本征二极管与有源二极管平行。当电压N10V变得足够大时，有源二极管开始起作用并且本征二极管不会导通。

在压制调节器的操作中，随着整流器输出端(“+20V”)电压的增加，R25和R30两端的电压增加。在输入端的一些阈值处，R25和R30两端的电压将导致Q17和Q19的基极导通。随着Q17和Q19开始导通，因为电阻器R31和R27的正反馈，R25和R30两端的电压将变大。该滞后将导致开关迅速地饱和。因为Q17和Q19都饱和了，具有相关的缓冲器的简单并联调节器打开以调节地的10V以上和正轨道的10V以下。这些电压确定了有源整流器控制电路的最大化的栅极驱动。

本申请中使用了下面的技术术语词汇表包括的术语：

星座 接触点集合的几何布置

星座模块 包括所有的用于从底座上拾取功率并产生有用的、经调节的输出的必需技术的一种装置(“黑盒子”)。该星座模块标准单元是能用于多种装置实施方式的标准单元。

接触条 底座表面上的电极

装置 用于能够从底座接收功率的电子单元的简写。在上下文中它暗示该单元包括接触点和必要的支撑电路以从底座上接收功率。

使能装置 能够从底座接收功率的电子单元。

实施方式 用于连接到装置并在从底座上接收功率而给它供电的部件、电路、接触点以及机械造型。

底座 其上具有电极以及装置位于其上接收功率的表面和支撑结构。

表面接触 包括底座表面的电极组合

泳道 包括底座表面的电极组合。该术语是对象奥林匹克游泳池中的泳道一样的电极进行非常形象的描述。

目标装置 被选择为以无线的方式从底座上接收功率而被激励的电子单元。

非期望负载 非某人所期望的从具有有限阻抗的底座上接收功率的对象

充电系统包括向位于其上的一个或多个装置无线传输功率的底座。这通过电导通以及使用几何形状实现。图1示出了示例性充电底座和装置。

图23是示出了用于从功率传输表面上接收功率的功率调节电路的示意图(“通用DC/DC适配器电路”)。形成“四面体”形状的四个接触被连接于点T1、T2、T3以及T4。通过D1、D2、D5、D7、D6、D9、D10和D11形成的桥式整流器与电阻器R3和电容器C1一起形成所需的开启网络以警告系统控制器，与上述感测功能相关，在功率传输表面上存在合适的负载。桥式整流器的输出流经铁氧体磁珠R1并进一步被C2、R2以及C5滤波。集成的体开关转换器芯片LM2734被用于将预定的输入电压调节到预定的输出电压。在这种情况下，输出电压通过R4和R5被设定为5.0V。由R7、R6、C4、Z1以及D6形成了开启延迟电路。这防止了调节器工作直至输入电压已经被稳定，假设输入电压在240ms内得到稳定。包括R8、R9、R10、R12、R13、D6、Q1以及U2的电流限制电路被连接到输出端，以不但保护电路还模仿某些移动装置期待的功能。

随着通过感测电阻器R12的电流增大，电阻器R12两端的电压也增大。该电压由U2和Q1以及电阻器R9、R10和R13感测并放大。在R8两端生成与输出电流成比例的电压。当该电压足够大时，二极管D6导通并向LM2734的求和点注入电流。该求和点用于调节输出电压，并因此该额外的电流导致输出电压与输出电流成比例地下降。

星座模块综述：星座模块64有助于宽范围的小装置的快速实施。图24示出了一种示例性实施方式。此处星座模块64被嵌入到用于手机的“薄壳”型壳体102。

星座模块允许技术实施者用最小的努力来设计相兼容的充电系统底座。星座模块产生无线充电系统技术之外的“黑盒”，将接口简化为仅有两根线—电源线和地线。例如，有用的星座模块的外部尺寸经测量为1.350”×1.350”×0.115”。示例额定输出如下所示：

输出电压5.0V  (0.8V-9.0V工厂可调整)

输出电流      550mA(100mA-1.2A工厂可调整)

星座模块插脚引线参考表1，引脚分配取向参考图4。

表4

1	V+
		2	NC
3	NC
		4	NC
5	GND

星座模块^TM允许在各种应用中实施充电系统无线功率技术。星座模块产生无线功率技术之外的“黑盒子”，将接口简化为仅有两根线—电源线和地线。

在本发明的替代实施例中，图25A-B所示的示例星座模块64可被嵌入到“胶”型皮以轻易地“实施”通用无线装置被本发明的充电底座充电。图26示出了胶型壳体的两个半部，包括上部分60和下部分62。

该设计实施方式可能面临两个任务：1)有吸引力的、人体工程学的“胶”皮的设计，以及2)连接组件的设计，星座模块64和装置20之间的连接。该应用的焦点是设计连接组件76的任务。图27示出了包括星座模块64、柔性电路载体66、柔性电路72(不可见)、电线出口70和功率连接器68的无线功率组件。应注意，连接组件的精确实施根据实施的特定装置而改变。然而，图27帮助示出了这些实施方式所需的功能。

该方案包括两主要部件，胶质壳体和被插入模制到所述胶质壳体的无线功率组件。

在这里，插入模制涉及刚性星座模块64和半刚性连接组件76，并需要正确的开启以确保材料不流进不希望的区域。特别是该胶质材料不应该流进连接器腔78从而妨碍了与装置的电气连接。该门也应防止进入腔78的材料从载体或电线出口70向上拉伸柔性电路板。材料也应该被阻挡在星座模块64的上表面和底表面之外。星座模块的上表面和底表面中的任一上的任何材料将妨碍操作并且增加所述设计的总厚度。

星座模块64和热塑弹性体(TPE)材料将化学键合，从而生成耐用和可靠的结合。星座模块64和功率连接器68之间的电气连接通过也被称作平面柔性电路(FFC)的柔性印刷电路72上的迹线来建立。如图29B所示，柔性印刷电路72被叠置为载体66，以提供稳定性和耐用性。叠置体被插入模制到TPE或其它“胶质”材料内。

需要一些类型的电线出口结构来确保柔性电路载体66和功率连接器68之间连接的可靠性。图30示出了其中柔性电路载体66和电线出口70为单个塑料模制单元。在这种情况下，电线出口70还用作在整个模制过程中防止材料流入连接器68的门。

电线出口70减轻柔性电路72对连接器68的载荷。柔性电路72不具有机械保持或稳定连接器68的能力。在连接器68和柔性电路72之间作用的任何力都可能对对于工作来说是关键性的电气连接产生危害。

如图31所示，连接组件76通过插入到星座模块64上的ZIF连接器74而与星座模块64交互。柔性电路载体66应该与星座模块壳体平齐。柔性电路72应该进一步地延伸并进入ZIF连接器74。用于目标装置20的功率连接器68应该尽可能小的突出。理想地，连接器68从其所被插入的装置上的突出将不进一步地超过胶质壳体本身的厚度。然而，这并不一直是可能的。该要求可能需要号召制造惯用的连接器。

以上描述被作为对本发明基本原理的说明。此外，因为对于本领域技术来说将很容易想到多种变型和修改，因此，不希望将本发明限定到如上所述和所示出的明确的构造和工艺。因此，可以寻求落入本发明范围以内的所有合适的变型以及等效物。当在说明书中所使用的词语“包括”、“包含”都用于具体指定状态特征、整数、部件或步骤的存在，但它们并不排除一个或多个其它的特征、整数、部件、步骤或它们的组合的存在。

Claims (41)

1.一种无线功率传输系统，包括构成表面的一组平板电极，所述电极通过控制单元供电并且在工作时产生预计的电压电势。

2.根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中接收机装置位于所述表面上以无线接收功率。

3.根据权利要求2所述的接收机装置，其中每一个接收机装置包含电子设备，所述电子设备用于将所述功率传输系统的标准输出转换成适应目标装置的需求，所述目标装置是正对其进行供电的接收机装置。

4.根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中系统控制器监控并向所述表面电极传输功率，所述系统控制器具有几个工作模式以向所述无线功率传输系统提供功能。

5.根据权利要求4所述的系统控制器，其中在工作期间如果底座两端突然出现短路，则火花抑制电路防止火花。

6.根据权利要求5所述的火花抑制电路，采用低输出电容。

7.根据权利要求5所述的火花抑制电路，采用电流限制。

8.根据权利要求5所述的火花抑制电路，采用快速关机。

9.根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中设计寻求在宽范围的目标装置之间提供通用兼容性。

10.根据权利要求9所述的无线功率传输系统，其中采用标准几何形状来提供通用兼容性。

11.根据权利要求1所述的无线功率传输系统，其中实施功率管理方案。

12.根据权利要求11所述的功率管理方案，其中使用电压辨析。

13.根据权利要求11所述的功率管理方案，其中使用数字功率管理通信。

14.根据权利要求12所述的电压辨析方案，其中限定预定的电压范围以指出预定的功率输出能力，所述能力从而通过出现在所述无线功率传输表面上的所述预定的电压的测量而能够被目标装置探测到。

15.根据权利要求2所述的接收机装置，其中通过接触球来提供到所述表面的电气接触。

16.根据权利要求15所述的接收机装置，其中所述接触球通过具有圆锥形椎体的圈状弹簧而与所述接收机装置电子设备进行电气连接。

17.根据权利要求15所述的接收机装置，其中所述圆锥形椎体的圈状弹簧与形成所述接收机装置的印刷电路板上的衬底进行电气接触。

18.根据权利要求2所述的接收机，其中使用磁体来增加通过接触点向所述功率传输表面的表面电极施加的力。

19.根据权利要求2所述的接收机，其中使用二极管整流器对来自多个接触点的输出进行整流。

20.根据权利要求19所述的二极管整流器，其中使用电阻器和电容器向所述系统控制器显示所需的可探测响应特征，使得所述系统控制器能够探测它的存在并从其它的阻抗中识别出它。

21.根据权利要求19所述的整流器，其中辅助整流器为用于探测的所述系统控制器提供所需的阻抗响应。

22.根据权利要求2所述的接收机，其中功率调节电子设备提供开启延迟。

23.一种有源整流器，其包括MOSFET和控制器。

24.根据权利要求23所述的控制器，包括具有不对称元件的放大器。

25.根据权利要求24所述的控制器，为所述MOSFET提供栅驱动，使得所述MOSFET模仿有源二极管的操作。

26.一种压制功率供应。

27.根据权利要求26所述的压制功率供应，其中输出对有源二极管的控制器进行驱动。

28.一种由有源二极管和压制功率供应形成有源桥式整流器的系统，所述整流器具有如下特性：在低输入电压下由MOSFET的本征二极管执行整流，并且在高电压下由所述有源二极管执行整流。

29.一种模块，包括与功率传输表面上的表面电极的几何形状相兼容的一组接触、整流器以及功率调节单元。

30.根据权利要求29所述的模块，被封装进壳体中，所述壳体能够被插入模制到多种材料中。

31.根据权利要求29所述的模块，包括用于功率调节的电路。

32.根据权利要求31所述的用于功率调节的电路，其中包括能够通过系统控制器识别的阻抗。

33.根据权利要求31所述的用于功率调节的电路，其中包括开启延迟电路。

34.根据权利要求31所述的用于功率调节的电路，其中包括电流限制器。

35.根据权利要求24所述的电流限制器，其中差分放大器、感测电阻器和二极管将电流感测信号馈送回调节器装置的求和点。

36.根据权利要求29所述的模块，其中使用ZIF插座以将功率输出连接到平坦的柔性导体。

37.一种能够大规模生产的功率传输表面。

38.根据权利要求37所述的功率传输表面，其中塑料底座接受冲压的金属电极条。

39.根据权利要求38所述的功率传输表面，其中使用叶片弹簧将所述金属电极条连接到印刷电路板。

40.根据权利要求39所述的功率传输表面，其中印刷电路板以预定的取向位于所述塑料基底上。

41.根据权利要求40所述的功率传输表面，其中盖体围绕所述印刷电路板，印刷电路板与所述叶片弹簧相接触。

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