CN102725939B - 感应电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在感应链路上对负载（RL）进行无线供电的方法，所述感应链路在初级侧（2-A、4-A、5-A）与次级侧（2-B、4-B、5-B）之间。本发明为：从所述次级侧向所述次级侧传输第一功率；由初级侧从次级侧（2-B、4-B、5-B）接收调制数据信号；对所接收的数据信号进行解调；基于解调的数据信号确定是否向所述负载传输功率；以及基于所述确定在感应链路上向次级侧（2-B、4-B、5-B）的负载（RL）传输功率。

Description

感应电源

技术领域

本发明涉及电源，尤其涉及感应电源。

背景技术

在感应电源中，必须将输出电压控制为适于承载设备的负载。在该控制中，尽管负载发生改变，仍将输出电压保持不变。通常，通过分立的电压调节器，例如，取决于应用，通过降压斩波器（降压电压变换器）或者升压斩波器（升压电压变换器），对输出电压进行控制。然而，这些类型的感应电源具有低耦合或松耦合能力，即，次级侧的负载不影响初级侧的功能或仅具有轻微的影响。而且，在这些具有低耦合的电源中，效率比或性能系数以及总功率或总效率通常处于较低水平。从而，使用分立的电压调节器降低了设备的总效率系数，并且不能关于负载要求高效地调节输入功率。

在高耦合（或强耦合）感应电源中，输入电流较大地依赖于次级侧的加载（loading）。在这些电源中，尽管次级侧的线圈彼此远离，使用的谐振器的Q值高，且电力以好的效率比传输到次级侧。如果次级线圈的位置改变，则耦合因数也改变。这意味着，效率比和至次级侧的最大效率改变，导致这样的事实：在强耦合感应电源中，动态负载的馈给是困难的。当必须确保能够将足够的功率传输到次级侧时，类似于低耦合电源的情况，必须通过分立的电压调节器对输出电压进行调节。

通过分立的电压调节器对输出电压的调节不仅增大了功率损耗，还要求二级侧电路板的许多空间。而且，不能关于次级侧的加载以高效的方式控制初级侧的输出功率，并且效率比显著降低。

由于这些原因，使用分立的电压调节器是昂贵且低效的，因为接收器需要产生高功率而同时较小。

如果可以将次级侧输出电压数据传输到初级侧，则在二级侧不需要使用分立的电压调节器。在该情况中，可以基于负载要求来控制或调节输入功率，增大电源的效率。在现有技术的方案中，为此目的而使用分立的无线电链路，用于在感应电源中实现电压反馈。然而，射频上的电压反馈耦合也存在其问题。分立的无线电电路必须既在初级侧又在次级侧实现。这些额外的电路需要电路板的空间。另外，如果初级侧包括多个发送线圈，则不能在无线电连接上容易地定位加载表面上的接收器的位置。

文献US6184651描述了通过无线控制链路的无接触电池充电器。其中，充电能量在感应耦合器上传输，以对电池或便携式设备充电。该系统包括感应耦合器、控制器和通信控制器、无线RF接收器和无线RF发送器、两个次级设备以及感测设备。

文献US7382636描述了用于对负载供电的系统和方法。其中，用于对远程设备感应式供电的电源具有在工作频率上工作的逆变器和初级线圈。相位比较器对由电源传送的电压或电流的相位进行比较。如果由比较器检测的相位关系是不可接受的，则将逆变器禁用。在一段时间之后，重新启用该逆变器，并且再次确定相位关系。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和实现该方法的装置，以克服上述问题。本发明的目的通过一种方法和配置实现，其特征在于在独立权利要求中陈述的那些特征。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。

本发明基于这样的构思：通过感应功率链路将来自次级侧的输出电压和/或输出电流的数据传输到初级侧，以调节感应电源的输出。

本发明的方法和配置的优点在于，用于控制输出电压的系统不需要分立的电压调节器，能够优化效率，并且不需要用于电压反馈的外部传输电路。

附图说明

下面将参考附图借助优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了串联调谐感应电源；

图2示出了具有次级侧的串联谐振器系统，其中，调制电阻并联耦合到负载电阻器；

图3示出了初级侧中的谐振器电容器上的电压；

图4示出了根据本发明及其实施例的基于LSK调制调节的感应电源的框图；

图5示出了本发明及其实施例的实现方式；

图6示出了根据本发明及其实施例用于检测设备的方法；以及

图7示出了根据本发明及其实施例用于承载设备的负载的方法。

具体实施方式

在本发明及其实施例中，描述了用于检测元件的装置和用于向元件传输能量的装置。将被检测和/或被充电的元件可以是，例如，位于加载表面上的移动设备。从而，所描述的初级元件或初级侧或所描述的发送元件或发送侧可以为，例如，加载或充电元件，如平台或能够充电的平台，或者位于平台中或平台上或可被连接至平台的元件，所描述的次级元件或次级侧或者所描述的接收元件或接收侧或接收器可以为，例如，移动电话或另一元件，或者位于移动电话中或其上或可被连接至移动电话的元件，如适配器。

本发明及其实施例使用LSK调制（负载变化键控）和串联谐振器，以发现在负载中发生的变化，并从初级侧向次级侧切换或传输适当量的功率。当在串联模式中调谐次级侧和初级侧时，设备的效率优良。于是，LSK调制也适当地工作。如果次级侧和初级侧在并联模式中交替调谐，这改变了负载调制的作用，且由发生器看到的负载与在串联调谐系统中不同。在串联谐振器系统中，例如，通过在初级侧测量谐振器电容器上的电压并且通过滤波器（例如包络滤波器）对电压进行滤波，可以容易地监测和/或检测负载的变化，例如将移动电话放置到加载表面上或者将移动电话从该表面移走。例如，滤波器可以是任何低通滤波器，并存在多种不同类型的包络滤波器。例如，包络滤波器可以是二极管，其后并联连接谐振器和电容器。

通过在从次级侧到初级侧的感应电压反馈中使用用于电压反馈的LSK调制，可以优化由初级侧向次级侧传输的功率。这显著提高了感应电源的DC至DC效率系数。可以在负载检测中使用LSK通信，因为以感应方式耦合到初级侧的所有元件并不意味着由系统充电，且电源不对这些不允许的项目接通。另外，如果在电源中存在多个发送线圈，则易于在负载框架、负载基座或负载底座上定位次级侧的线圈，并且可以只接通必需的发送线圈。

电源可以是感应的，意味着来自初级侧的传输能量经一个或多于一个的感应链路传输到次级侧。电源也可以被控制，意味着取决于次级侧的充电需要或者负载或充电状态，可以向一个或多于一个的接收设备传输更多的功率、更少的功率或者完全不传输功率。

作为频率的函数的串联谐振器阻抗为：

$Z=R+\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ωC}}=R+j(\mathrm{\ωL}-\frac{1}{\mathrm{\ωC}})=R+\mathrm{jX}---\left(1\right)$

在谐振频率上，电抗分量的和为零，使得谐振器的阻抗是电阻性的。在公式1中，Z表示谐振器的总阻抗，R为电阻性部分，L为电感性部分，C为电容性部分，X为阻抗的电抗性（reactive）部分，ω为谐振角频率。

图1示出串联调谐的感应电源。初级侧具有在节点1-2和1-4之间的电源或信号发生器，其向节点1-2和1-6之间的初级电容器Cp馈送电力。初级线圈Lp位于节点1-6和1-8之间。当次级侧感应耦合到初级侧时，在初级线圈与初级电阻的初级谐振器谐振时，在节点1-10和1-12之间位于次级侧的次级线圈Ls接收来自初级线圈的能量。次级电容器Cs位于节点1-10和1-14之间。以负载电阻器RI标记的接收设备位于节点1-14和1-16之间。节点1-4与1-8、节点1-12与1-16连接在一起。

在初级线圈和次级线圈之间的传输电感M示出初级侧与次级侧磁耦合的强度。换句话说，由于传输电感或互阻抗M的影响，次级侧的阻抗反映到初级侧。

当感应系统包括两个串联谐振器时，可以通过公式（2）描述从次级侧反映的初级侧的阻抗Zr。

$Z_r=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{Z_S}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{{\mathrm{j\ωL}}_S+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_S}+R_L}---\left(2\right)$

在公式（2）中，ω是角频率，M是传输电感，Zs是次级侧阻抗，Cs是次级侧电容器阻抗（电容），Ls是次级侧电感，以及RL是次级侧负载电阻。因为在谐振频率上，电抗分量的和为零，谐振频率上由初级侧看到的总负载Zp为（公式（1）和（2）的组合）：

$Z_P=R_P+Z_R=R_P+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R_L}---\left(3\right)$

其中M是传输电感，Zp是初级侧阻抗，Rp是初级侧电阻，Zr是从次级侧反映的初级侧的阻抗，RL或Rs是次级侧负载电阻，ω是角频率。

现在，在谐振频率上，馈给电流的量值既取决于初级侧的串联电阻又取决于反映的阻抗。

$I_i=\frac{U_i}{Z_p}=\frac{U_i}{R_p+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R_L}}---\left(4\right)$

在公式（4）中，Ii是输入电流，Ui是输入电压，Zp是初级侧阻抗。在串联谐振器的初级侧电容器上的峰值电压Uc,max取决于输入电流。

$U_{C,\max }=\frac{1}{\mathrm{\ωC}}{I}_i---\left(5\right)$

图2示出根据本发明及其实施例的串联谐振器系统。在次级侧2-B，调制电阻并联耦合到负载电阻。图2的初级侧2-A具有在节点2-2和2-4之间的电源或信号发生器，其向节点2-2和2-6之间的初级电容器Cp馈送电力。初级线圈Lp位于节点2-6和2-8之间，谐振或向次级侧电感器传输能量，以及从次级侧电感器接收能量。节点2-8和2-4连接在一起。在节点2-10和2-12之间位于次级侧中的次级线圈Ls从初级线圈接收能量。次级电容器Cs位于节点2-10和2-14之间，并且负载电阻器Rl位于节点2-14和2-16之间。调制电阻器Rm被定位为与负载电阻器并联，即在节点2-14和2-16之间。调制电阻器的目的是改变（shift）负载条件，以在感应功率链路上传输次级侧的数据。次级侧的节点2-16和2-12连接在一起。

在图2（和图5）中，在电阻器Rm和RL之间的前向连接（forwardconnection）中还可存在二极管DP。这是用于这样的情况：如果次级侧的开关变为导通，负载元件的载荷（loading）未经电阻器Rm放电，但二极管保护负载元件RL，例如电池。

还存在耦合谐振器的其它方法，例如以并联模式。于是，反映阻抗与所呈现的不同，然而，负载调制可以在发送器端的电容器上感测。然而，相比于在串联模式设备的情况，电压变化可较小。

当此另一电阻Rm并联连接到负载电阻时，由初级侧看到的总阻抗具有这样的形式：

$Z_p=R_p+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{\frac{R_s{R}_M}{R_s+R_M}}=R_p+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2(R_s+R_M)}{R_s{R}_M}---\left(6\right)$

在公式（6）中，Rs或Rl是负载电阻器，Rm是与负载电阻器并联连接的调制电阻器。当初级侧的输入电压和整流器的脉冲比保持恒定但负载阻抗改变时，负载电流也根据欧姆定律改变。可通过组合公式（4）和（6）获得调制电阻器在初级侧输入电流上的影响。

$I_i=\frac{U_i}{R_p+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{\frac{R_s{R}_M}{R_s+R_M}}}=\frac{U_i}{R_p+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2(R_s+R_M)}{R_s{R}_M}}---\left(7\right)$

由于次级侧的阻抗成反比地反映到初级侧，负载电阻的减小导致输入电流的减小。负载电阻的减小可以由以下情况导致：移动设备从加载表面被移走，或者，如果在表面上存在多个移动设备，其中的至少一些从加载表面被移走。

现在可以通过测量初级侧的谐振器电容器上的电压来检测负载电流的改变。当将电流对公式（7）中的负载电阻器和调制电阻器的依赖性与电容器的峰值电压的公式（5）组合时，可以获得下面的公式（8）。

$U_{C,\max }=\frac{U_i}{{\mathrm{\ωC}}_p(R_p+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2(R_s+R_M)}{R_s{R}_M})}---\left(8\right)$

当具有以及不具有调制电阻器的电容器峰值电压Uc,max已知时，可以计算在初级侧看到的电压变化的量值。电压的改变取决于传输电感M和调制电阻器的值。如果传输电感M较大，可以检测到较小的负载改变。在小的传输电感M下，调制电阻器的重要性增大。从公式（8）还可以看到，当调制电阻与负载电阻并联时，电阻减小，电压增大。

图3示出初级侧中的谐振器电容器上的电压。x轴为具有以毫秒为单位的一些数值的时间轴，y轴为具有电压的一些数值的电压轴。次级侧的负载被调制为使得幅度调制信号进入载波频率。可以通过包络检测器从载波信号分离调制信号，并且可以重建初始信号。

初始信号是到次级侧的晶体管T3（图5）的信号。在未调制的情况下，在初级侧看到的电容器的峰值电压是恒定的或接近恒定的。当用数据信号控制晶体管T3时，可在初级侧看到图3所呈现的信号。可以从包络滤波器输出晶体管T3的控制信号，其可被解释为数据。

现在，可以将输出电压上的数据或信息编码为信号，使得可以关于次级侧负载将初级侧的输入功率调节或控制到最优级别。LSK调制是用于负载改变的调制，并基于负载阻抗的改变，即当改变负载电阻Rm＋RL时的影响。

在图3中，在时间间隔3－6和3－2之间，初级侧中的谐振电容器上的电压可以在第一级别3－4（例如约＋100V）和第二级别3－5（例如约－100V）之间。在第二时间间隔3－10和3－6之间，电压可以在第三级别3－8（例如约＋140V）和第四级别3－9（例如约－140V）之间。在一个实施例中，如果未检测到设备，图3的曲线以其上部级别延伸。如果检测到不允许的设备，例如金属元件，图3的曲线以其下部级别延伸。

使用LSK调制增大了次级侧的功率消耗，因为当晶体管T3接通时，输出电流也流过调制器电阻器RM。如果输出电压是恒定的，通过LSK调制提供的次级侧功率增大如公式（9）所述。

$P=\frac{U_o^2{D}^2}{R_m}---\left(9\right)$

在公式（9）中，Uo是输出电压，D是LSK的脉冲比，Rm是调制电阻器的值。如果脉冲比保持为较窄，由LSK调制消耗的功率处于较低级别。例如，如果输出电压为5V，调制电阻器是47欧姆，并且脉冲比是10％，由LSK调制导致的功率消耗为5.3mW。

图4示出了根据本发明及其实施例的基于LSK调制调节的感应电源和串联谐振器系统的框图。初级侧4-A包括功率级4－6，例如，其可以是整流器或信号发生器。整流器或信号发生器将功率驱动到初级谐振器4－8。控制电路4－4测量初级侧的输入电流并解释或解码来自包络检测器4－10的数据。其还根据来自次级侧4－B的输出功率数据调节功率级的脉冲比。传输到次级侧谐振器4－20的功率信号在次级侧被整流4－22，使得其能够承载移动或非移动装置的电池的负载。次级侧的微控制器4－28测量4－24负载设备上的输出电压，或仅测量馈给到负载设备的输出电压和输出电流4－26，并利用LSK调制4－30将数据和/或信息传输到初级侧。如上所述，通过测量次级侧的谐振器电容器上的输出电压，将数据传输到初级侧，在初级侧接收所述数据，通过滤波器——例如通过包络滤波器——对电压进行滤波以及控制初级侧的输入电压，可以检测例如通过使移动电话进入台子导致的负载的改变。可以这样控制，使得馈给到次级侧的电压足以承载负载设备的负载。

图4的元件4－2能够测量初级侧的电流。当输出电压已知且测量了输出电流时，可以计算具有第一输入电流值的最大输出功率。还可以利用第二输入电流等计算最大输出功率，从而可以形成具有特定输入电流和特定负载电阻的输出功率的数据库。在危险或故障情况中，例如，如果存在负载短路电流，可以将最大输出功率控制为使得到次级侧和到负载的馈送电力不增大而是减小，并且使得将要加载的装置不损坏。

本发明及其实施例的系统和方法的框图可以以多种方式实现。图5示出具有七个框5A…5G的一个可能的实现方式。框或者级为初级侧5－A的和次级侧5-B的，并且在下文中描述。

框5A描述了用于存储来自系统电源的能量的能量存储元件，例如电容器C1。级5B为信号发生器级。其包括第一晶体管T1和第二晶体管T2。两个晶体管都可以是例如CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管，但是其也可以是BJT（双极型结型晶体管）。作为替代的是，可以使用任何开关以实现晶体管T1和T2并产生开关效果。在一个实施例中，晶体管T1可以是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）晶体管，并且T2可以是IGBT（绝缘栅型双极型晶体管）晶体管。在一个实施例中，这些开关或晶体管是同一种类型的，但是它们也可以是不同类型的。级5B中的信号发生器可以是产生矩形波的任何信号发生器。这产生好的效率比。还可以使用正弦信号。于是，电源可以是非常高效的，并且仅出现极少的干涉信号。例如，发生器可以是T1和T2的图腾柱电路中的正弦信号发生器，在图1的节点1－2和1－4之间，以及在图2的节点2－2和2－4之间。

二极管DB1和DB2被连接在每个晶体管的漏和源电极之间，并用于续流（freewheeling）目的，以允许电流从源极流向漏极。它们因此可称为寄生电流二极管。例如，如果上开关处于断开状态，电流试图持续。因为开关处于其断开状态，电流必须流动通过下二极管。该耦合用于防止半导体开关处于过电压状态的目的。第一电压——例如高电压HI——可以被连接到T1的栅极以控制上开关。第二电压——例如低电压LO——可以被连接到T2的栅极以控制下开关。T1的漏极可以连接到电源电压，T2的源极可以连接到地电压。根据开关的类型，将对半桥的两个晶体管提供相同的控制信号。所述开关是不同的类型N和P，但是所述开关也可以是相同的类型，通常为N型。基极控制信号可以是反向的。

元件5C和5C2形成在系统的谐振频率处表现出谐振的串联谐振器的感应系统。框5C示出所述电感器，框5C2示出所述电容器。所述框中的互感M描述了从初级侧到次级侧以及从次级侧到初级侧的磁功率的强度。谐振器可以是介电型或磁性型。在图5中示出磁性型。在初级侧，电感器Lp和电容器Cp形成第一串联谐振器，在次级侧，电感器Ls和电容器Cs形成第二串联谐振器。次级侧的谐振器串联连接。电感器接收来自初级侧的功率，电容器形成该串联谐振器系统中的另一部件。

在框5C2中，可以测量点MEAS。该点测量电容器Cp上的电压，其反映输出的改变、输出负载中的改变、次级侧的电压。该测量到的电压改变可由于次级侧负载改变而导致。

级5D为包括四个二极管D1、D2、D3和D4的整流器电路，或者整流器桥。整流器电路对电流进行整流，即将交流电AC转换成直流电DC，所述交流电来自初级侧谐振器，经磁场传输到次级侧谐振器，然后在级5D中被整流。

级5F的电容器也可以属于前面的整流器级。电容器C2将供电电压保持在特定数据电压级别上，这是因为，否则，输出电压将为全波正弦信号或半波正弦信号。于是，来自级5D和5F的输出直流电压适于加载设备或负载或者设备的电池或蓄电池。在一个实施例中，级5E和5F如图5所示，其中，电容器C2在反向二极管之后，使得当开关T3处于其开通状态时，电容器C2不能放电。在另一个实施例中，具有电容器C2的级5F在级5E之前。

在次级侧，可以借助另一个开关元件，例如开关晶体管T3，将调制电阻器Rm切换为与次级侧的负载电阻器Rl并联。可以通过次级侧的微控制器（图5中未示出）控制晶体管。因此，级5E可以认为是包括调制电阻器Rm和作为开关的晶体管T3的输出级。T3的集电极连接到调制电阻器Rm，T3的发射极连接到节点N14。可以对T3的基极施加电压，其可控制流过T3的电流，从而将调制电阻器Rm并联连接到负载电阻器。

级5G是负载级，其在图5中包括电阻器Rl。其电阻对应于加载表面上的设备的电阻。

在本发明的方法中，微控制器4－28将数据发送到LSK调制框，LSK调制器4－30。LSK调制框4－30，5E可以包括电阻器Rm和开关元件T3或晶体管以及电容，以改变阻抗。在图5中，T3是NPN（负正负）双极晶体管。当开关接通时，晶体管Rm可以示出为与电阻器RL并联。因此，组合电阻的值小于仅RL的值，但是由初级侧看到的电阻值增大，因为其值与初级侧的电阻值成反比。由于较大负载现在影响初级侧，在初级侧电容器Cp上在峰-峰值电压中还存在电压降。例如，这也可以在点3－6和3－2之间在较低电压范围中在图3中看到。通过开关，微控制器将方波控制到1和0的值。可以以串行模式或并行模式将这些数据值从次级侧传输到初级侧。可通过初级侧的LSK解调器解调该数据，可以在包络检测器4－10中看到电压中的这些和其它变化（图4）。

换句话说，通过LSK调制器4－30产生和解码的脉冲首先被传输或反映到次级谐振器5－20，然后被谐振或反映回到初级侧，LSK调制器的电阻器开关组合反映到初级侧。包络检测器4－10接收脉冲并从所述脉冲（例如电压脉冲）对数据进行编码。

LSK调制器的A/D（模拟到数字）变换器从模拟电压和/或电流信号取得采样，对样本进行量化，并将其编码为数字——例如二进制——信号。A/D变换器将通过包络滤波器产生的模拟I/O信号读出为数字格式，其然后通过处理器解释。换句话说，其编码数据。

可以在步骤4－24中测量的输出电压是在负载电阻器RL（级5G）上的电压，可以在步骤4－26中测量的输出电流是通过电阻器RL的电流。这些测量值可以被馈给到微控制器4－28。可以在微控制器中将测量的输出电压和/或测量的输出电流与一个或多于一个的参考值进行比较。如果输出电压大于参考值，这表示通过初级侧传输的功率必须降低。另一方面，如果输出电压低于相同的或另一个参考值，这表示，通过初级侧传输的功率必须增大。

本发明的方法及其实施例可以划分为四个阶段。在第一步骤中，未检测到接收设备。在第二步骤中，对接收设备进行检测。在第三步骤中，对接收设备进行加载，在第四步骤中，不再检测任何接收设备。图6示出根据本发明及其实施例用于检测设备的方法，图7示出根据本发明及其实施例用于加载设备的方法。

当没有检测到接收设备时，控制器4－4间或、偶尔或不时或响应于触发事件地开通增益级4－6。因此，控制器向增益级发送（图6中的6－2阶段）消息或信息，其使得将增益级接通（图6中的阶段6－4）。初级侧谐振器开始工作并向次级侧4－B谐振（图6中的阶段6－6）磁能。该磁能包括低功率载波信号，第一功率信号。当在次级侧不存在接收器或适当的接收器时，不从次级侧传输并由初级侧接收返回信号，或者不从次级侧传输并由初级侧接收正确的返回信号。换句话说，包络检测器或包络滤波器4－10通过包络信号筛选（screen）通过次级侧的接收器的作用产生的来自初级侧谐振器的信号或信息，并且可能从次级侧接收（图6中的阶段6－8）返回信号或信息。包络检测器可以将感测或筛选的数据传送（图6中的阶段6－10）到控制器，以检测在次级侧是否存在合适的接收器。如果未发现信号或者信号具有不兼容的形式，初级侧的一些或全部元件可对于预定时间或随机时间变为空闲的，或者控制器可对于预定时段被关闭（图6中的阶段6－12）。之后，通过首先向控制器发送消息（图6中阶段6－14）、控制器接收消息并响应于该消息接通电源（图6中的阶段6－16），重复或重启所述筛选或探测（sounding）。

初级侧可连续或仅在预定时段期间传输功率。而且，传输的功率可以较低，但足以将次级侧的可能的以及可允许的微控制器4－28唤醒。这表示，当足够的功率被馈给到次级侧且发现适当的微控制器时，微控制器将对初级侧发送握手脉冲（handshakeburst），然后其将开始将数据发送回初级侧。即使输出电压正常，接收器或次级侧可以作为替代或作为附加地间或或者周期性地向初级侧发送数据或信息。这表示，尽管不需要增大或减小传输功率，接收器仍可以将数据或信息（例如信号“STATUSOK”）发送回初级侧。

来自初级侧的功率信号尝试引发（invoke）次级侧的微控制器。当发现可馈给功率设备或适配器时，发生该引发，并且微控制器开始调制载波信号，首先进行握手。也可以与在次级侧和初级侧之间的握手通信一起地定义功率需求，或者，可以单独地传送所述功率需求，例如在通过调制载波信号或为通信增加功率控制位进行的握手操作之后。还可以连续发送关于功率需求的信息。

当已经以第一功率信号识别到设备时，可以以第二功率信号向设备馈送电力，所述第二功率信号可以具有比第一功率信号高的值。可以以该第二供电级别连续电力的馈送，一直到例如已经馈给足够的电力。作为替代的是，例如，可以根据设备的功率需求或者基于在次级侧进行的温度测量来增大或减小功率级别。

初级侧可以在感应链路上连续地或者仅在预定时段中传输功率或包括功率的信号。例如，次级侧可以通过第二接收器在感应链路上连续地或仅在预定时段上接收功率或者包括功率的信号。

次级侧可以连续地或在预定时段中在感应链路上向初级侧传输负载调制载波信号和/或关于输出功率数据的信息。例如，初级侧可以通过第一接收器在感应链路上连续地或在预定时段中接收到初级侧的负载调制载波信号和/或关于输出功率数据的信息。

仅仅关于输出功率数据的信息或者关于输出功率数据的信息与其它信息一起可以用于连续地控制从初级侧向次级侧馈送电力。换句话说，可以基于输出功率数据或者信息以及也可能基于其它信息连续地或连续时间地控制或调节传输功率和/或功率传输。

初级侧的初级谐振器可以用于在所述感应链路上经次级侧将第一功率传输到设备，其中，基于次级侧的输出功率数据并且也可能基于其它信息连续地或在预定时段上控制第一功率。

次级侧的次级谐振器可以用于在感应链路上将负载调制载波信号和/或关于输出功率数据的信息传输到初级侧。

而且，如果需要更多的功率，可以增大在所述感应链路上从初级侧传输到次级侧的第一功率信号，并且如果需要较少的功率，可以减小所述第一功率信号。

如上所述，功率级4－6还可以是信号发生器，其对初级侧串联谐振器（即，串联电感器和电容器）进行馈给，所述谐振器于是产生或引发磁场。如果没有检测到接收器，磁场传输到空的空间。如果从次级侧发现一些信号，包络检测器检测所述信号并开始测量磁场变化。

当信号发生器将功率馈给到初级侧串联谐振器时，测量初级侧电容器上的电压。如果峰－峰值电压具有高值或最大值，次级侧为空。如果次级侧设备被发现或被切换至磁场，则测量的峰－峰值电压减小。当负载电阻器RL被切换至次级侧时，电压改变。

另外，由于还可以检测到来自次级侧的通信或通信比特，并非必须等待电压的减小。在该握手状态中，检测特定数目的比特或仅仅检测正确的比特。控制器4－4可以将包络检测器的输出读取为例如二进制比特1和0或其它数据，例如，如果仅发现零，则不存在次级侧设备。因此，可以使用通信比特的组合或使用数据协议以及电压或者其中的任意一者来检测是否在次级侧发现接收器。

当在次级侧中存在设备时，其可以使得返回信号被调制为使包络滤波器可以解调或解码来自次级侧的握手数据或第一消息或返回信号，并将解调信号或握手信号发送到控制器4－4。当包络检测器的信号被读入数值格式（例如数字格式）时，进行最终解码。控制器可以从该解调的信号检测或确定（图7中的阶段7－2）现有的设备是可允许的。包络检测器产生与在次级侧被馈给到开关晶体管的基极的方波相同的方波。该方波于是由控制器解释为1和0的序列。然后，控制器可以将信息发送（图7的阶段7－4）信号发生器以开通功率传输。信号发生器可以从控制器接收信号或消息，并且功率被开通（图7的阶段7－6）。这使得能量能够经磁场流到次级侧和微控制器（图7的阶段7－8），使得适配器的微控制器启动。

移动设备或适配器的微控制器对LSK调制器发送（图7的阶段7－10）命令以调制谐振信号。LSK调制器接收命令（图7的阶段7－12）并通过至少一个调制变量调制信号。其可以是例如幅度或频率。调制信号被传输到初级侧（图7中的阶段7－16）。包络滤波器接收所述信号并将其解调（图7中的阶段7－18）。被发送回的传输信号包括被解释为数据的1和0的序列。之后，解调信号被传输到控制器（图7的阶段7－20），其可以从接收数据读出（图7中的阶段7－22）设备是适当的和允许的设备、或者对于功率或更多功率的需求、或用于加载的时间或其它数据或信息。控制器于是可对信号发生器发送（图7中的阶段7－24）命令，以便仍向次级侧馈送电力、或增大功率或减小功率。然后，信号发生器将功率传送到设备或调节功率并且于是将该调节后的功率传送到设备。如上所述，设备可接收（图7中的阶段7－26）传输的功率并且将调制命令传送（图7中的阶段7－27）到LSK调制器以使其调制（图7中的阶段7－28）数据信号。信号然后再次被传输到初级侧，其中，包络检测器接收（图7中的阶段7－30）该信号，解调（图7中的阶段7－32）该信号，并将该数据信号馈给到控制器，使得控制器可以响应于数据信号作出构成下一动作的决定。

这可以作为循环重复，直到接收到停止命令，或直到设备从加载表面被取走，或者直到预定时间过去，或者直到触发事件，或者直到危险状态发生。当不再存在负载或可允许的负载时，输出的电流较低。于是，获知在次级侧没有负载，并且可以停止功率馈给。

当次级侧接收电流时，可以测量输出电压和电流。该测量值可以被传输到初级侧，或者可以将输出电压或电流的值与一个或多于一个的预定值进行比较，然后，可以将比较结果传输到初级侧。初级侧因此获得关于例如次级侧功率需求的信息，然后可以向次级侧发送更多或较少的功率。输出电流的测量还可以定义可被馈给到次级侧的最大输出功率。

本发明的系统的一个实施例包括监测和检测系统、用于控制输出电压的控制系统、用于通过使用例如LSK调制进行数据传输和接收的系统、用于调制功率信号的系统、感应链路的使用、功率信号作为有效负载信号以及作为载波信号的使用。

在功率馈给状态中，馈给到设备的功率可以尽可能为恒定的，直到设备已经被充电，或者。功率可以首先具有较低值、然后具有较高值，或者功率可以具有两个以上的不同值。

当设备需要功率或者需要更多或更少的功率时，次级侧可以将该需求发送到初级侧。根据该需求，可以改变脉冲比，并且，当改变功率级的脉冲比时，改变将被传送的总功率。

换句话说，次级侧进行握手操作并将比特发送到初级侧。初级侧的控制器检测此信息并确定次级侧的接收器（例如移动电话的适配器）对于该系统是正确的，或者其被识别出，或者其能在需要时被充电。然后，初级侧可以开始向次级侧馈送电力。次级侧谐振器从初级侧串联谐振器接收磁功率并将该AC电流传送到整流器电路4－22。该部件将AC电流变换为DC电流并将变换后的电流馈给到负载元件。

部件4－24测量输出电压，部件4－26测量输出电流。这些元件属于系统的控制部分。重要的是，测量输出电压，使得其可以与预定值相比较。如果输出电压高于第一预定值或者参考值，控制器电路可以对信号发生器发出功率下降命令，从而使得接收器设备不会过载。另一方面，如果输出电压低于第一或第二阈值，控制器电路可以对信号发生器发出功率升高命令，从而使得接收器设备获得将要加载的足够的功率。输出电流的测量可以提供输出功率的值，以便防止负载短路。

还可以测量其它量。这些包括例如接收器设备的温度，以防止设备的蓄电池的温度不会上升过高。

可以通过链路传输所有类型的信息和数据。该协议是可自由选择的。增加新的参数不会改变状态。作为数据信号，信息和数据可以为，例如，关于输出电压或负载的改变的数据和关于负载识别的数据。

本发明及其实施例描述了一种用于在初级侧和次级侧之间的感应链路上从初级侧对次级侧中的设备无线供电的方法、第一元件、第二元件、系统、计算机程序以及计算机程序产品。其包括：接收器或用于在初级侧在感应链路上从次级侧接收调制数据信号的装置；解调器或用于对接收的调制数据信号解调的装置；控制器或用于基于解调的数据信号（其包括关于次级侧的负载的改变的信息）确定是否向设备传输功率的装置；发送器或用于经次级侧在所述感应链路上向设备传输第一功率的装置。所述用于传输的装置可以包括功率级和/或初级谐振器。

首先，可以识别所述设备和/或位于设备中的次级侧，例如在设备中的次级侧。例如，这通过如下步骤进行：向次级侧发送引发功率，引发次级侧中的微控制器，使得次级侧向初级侧传输握手信号，识别所述信号并因此识别所述次级侧和/或设备。当设备已经被识别时，可以确定功率需求。

换句话说，当设备已经被置于加载表面或加载范围上时，首先，其可以被识别出。这可以通过在向次级侧传输加载功率之前从初级侧向次级侧传输引发功率而进行。引发功率可以低于第一功率，从初级侧向次级侧传输引发功率可以不时地或在预定时段之后或者基于触发事件地进行。

在次级侧已被识别之后，初级侧需要知道能够向次级侧和设备馈给多大功率或者需要多少功率。从而，在识别之后，或与识别并行地，或甚至在识别之前，可以从次级侧发送关于设备的功率需求的信息，并且由初级侧接收该信息。如果没有可用的功率需求信息，可以从初级侧向设备传送试用功率（pilotpower）以用于测试该功率是否可以甚至用在下一步中。

次级侧可以向初级侧传输分立的功率需求信号，或功率上升命令或功率下降命令，或具有需求功率的具体数值的功率需求信号。初级侧可以以增大步进、减小步进、交替步进或恒定步进向次级侧馈送电力。如果需要更多的功率，可以增大第一功率，或者，如果需要较少的功率，可以减小第一功率。如何向设备传输功率以及能够将多大功率传输到设备可以至少部分地基于从次级侧接收的信息。可以将需求的功率和/或已经馈给的功率与一个或多于一个的阈值比较，基于所述比较，可以控制馈给的功率。阈值可以是固定的或根据初级侧、次级侧或设备的参数浮动的。例如在次级侧进行的测量可以影响阈值。

从初级侧向次级侧传输功率可以包括至少两个步骤：首先传输第一功率级别的引发功率，以引发次级侧并响应于所述引发由初级侧接收关于设备的识别信息；第二，在由所述初级侧识别设备之后，根据设备的功率需求，经次级侧传输第二功率级别的功率，以对设备供电。可以持续对次级侧的功率传输，直到设备的负载已经被承载。

可以在谐振器电容器上由初级侧监测由于将调制电阻器切换为与设备和/或次级侧和/或适配器的阻抗并联而导致的次级侧阻抗改变。之后，可以由初级侧将监测的次级侧阻抗改变解释为数据信号。在将数据信号发送到初级侧之前，在次级侧，所述数据信号被调制为：根据负载上的输出电压或电流测量，或者通过使得载波信号的幅度改变的负载，使得调制电阻器与负载并联连接。然后，该调制数据信号如上所述地在初级侧被接收、被解调并被进一步处理和/或读取。

如果不再需要电力，或者如果不再向设备馈送电力，或者如果设备中已经发生危险情况，或者如果未从次级侧接收到调制数据信号，可以关闭从初级侧到次级侧的第一功率的传输。这表示，如果设备向初级侧发送其不再需要电力的消息，尽管可向设备发送更多的功率，仍能中断功率馈给。如果设备已经完全加载或者如果已经发生危险或错误的情况，或者例如如果设备已经从加载范围移走，控制器还可以决定停止向设备馈送电力。

可以通过改变向次级侧馈送电力的初级侧中的功率级的脉冲比而增大或减小引发功率或第一功率。

从次级侧看，用于在初级侧和次级侧之间的感应链路上从初级侧对次级侧中的、或者与次级侧连接的、或者与次级侧联通的设备进行无线供电的方法可以包括以下步骤：在次级侧，在感应链路上接收来自初级侧的载波信号，所述载波信号可以包含功率或者可以用作功率信号或者为功率；将接收的功率馈给到设备；测量通过设备的负载的电流或设备的负载上的电压，所述电流或电压由所述接收的功率导致；至少部分地响应于所述电流测量或所述电压测量，与所述设备的负载并联地接通调制电阻器；响应于所述负载开关，调制接收的载波信号的幅度；在感应链路上将负载调制载波信号传输到初级侧。

例如，所述接收器元件包括：接收器或用于在次级侧中在感应链路上接收来自初级侧（2－B、4－B、5－B）的包含功率的载波信号的接收装置；整流器，用于将接收到的供率馈送到设备；测量装置，用于测量通过设备的负载的电流或设备的负载上的电压，所述电流或电压由所述接收的功率激发；开关或开关装置，用于至少部分地响应于所述电流测量或电压测量与设备的负载并联地接通调制电阻器；调制器或调制装置，用于响应于所述负载开关调制接收的载波信号的幅度；次级谐振器或用于在感应链路上向初级侧传输负载调制载波信号的装置。例如，次级侧可以位于设备中，使得次级侧与设备完全或部分集成，或者可以是分立的部件。于是，设备包括所述次级侧装置或设备。

本发明及其实施例的装置可以是用于执行本发明或其实施例的方法的任意步骤的装置。

元件也可以包括用于执行本发明或其实施例的方法的任意步骤的装置。

用于在初级侧（2-A、4-A、5-A）与次级侧（2-B、4-B、5-B）之间的感应链路上从初级侧对次级侧中的设备进行无线供电的系统可以包括一个或多于一个的发送元件和一个或多于一个的接收元件。

计算机程序或计算机程序产品可以包括适于当程序在计算机或处理器上运行时执行根据本发明及其实施例的方法的任一步骤的程序代码装置。

本发明及其实施例提供了多个优点。负载变化键控LSK调制可以用于在感应链路上传送数据。LSK调制基于对次级负载的改变的检测。例如，可以容易地检测负载的改变，以实现电压反馈。同时，当与使用分立的电压调节器或无线电链路的系统的现有技术的结构比较时，电源的效率系数变得更好，并且次级侧的结构变得更简单。借助于LSK调制还可以进行负载检测。这可以防止由于感应耦合元件的影响而接通到初级侧的电源。

次级侧的LSK电路仅使用较少的部件，从而可以廉价地实现。其还需要次级侧电路板的较少空间。

可以注意，一个初级侧对应于一个次级侧，并且其用于一个移动设备。因此，例如，如果将要检测或检测且加载各自使用不同类型的适配器或不同类型的接收元件的五个移动设备，必须实现五个图5中所示的系统。如上所述，LSK调制可以用于在感应链路上实现电压反馈。负载识别可被实施并确保感应耦合负载与发送器一起。电压反馈还使得感应电源是独立的，并且不需要分立的电压调节器来调节输出电压。

现在还可以避免先前使用的现有技术的感应电源的一些缺点。现在可以免去分立的输出功率调节器，分立的输出功率调节器降低了总效率系数，从而导致这样的状态：不能关于次级侧的功率需求以高效的方式控制初级功率。另外，不必一定需要使用无线电链路和以无线电链路实现的反馈，因为其需要次级侧的较多空间。另外，现在可以准确地确定次级侧的定位。

本发明及其实施例描述了感应链路上的通信、如何检测导电表面上的设备、如果检测初级－次级系统的负载的改变以及如何在感应链路上传输数据并最优地对设备供给功率。该构思为使用串联型谐振器，其具有用于从初级侧向次级侧传输能量的好的效率比，并且，使用LSK型调制，用于从次级侧向初级侧传送关于负载设备的信息。

本领域技术人员将会明了，作为技术进展，该发明性构思可以以多种方式实现。本发明及其实施例不限于上述实例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (18)

1.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的方法，其特征在于：

-在所述初级侧，在感应链路上从所述次级侧(2-B、4-B、5-B)连续接收调制数据信号，所述调制数据信号包括关于所述次级侧的负载的改变的信息和关于输出功率数据的信息，其中所述次级侧包括被配置为允许产生调制数据信号的调制电阻器；

-对所接收的调制数据信号进行解调；

-基于包括关于所述次级侧的负载的改变的信息的解调得到的数据信号，确定是否向所述设备传输功率；以及

-如果是，经所述次级侧(2-B、4-B、5-B)在所述感应链路上向所述设备传输第一功率，并基于所述次级侧的输出功率数据连续地对所述第一功率进行控制。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述解调得到的数据信号还包括关于设备的功率需求的信息。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，当没有向所述次级侧传输功率时，从所述初级侧向所述次级侧传输引发功率。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述引发功率低于所述第一功率。

5.根据权利要求3的方法，其特征在于，不时地或在预定时段之后或基于触发事件地从所述初级侧向所述次级侧传输引发功率。

6.根据权利要求4的方法，其特征在于，不时地或在预定时段之后或基于触发事件地从所述初级侧向所述次级侧传输引发功率。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：

-如果需要较大的功率，增大所述第一功率；以及

-如果需要较小的功率，减小所述第一功率。

8.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：

-如果不再需要功率，或者如果不再能够向设备馈送电力，或者如果在设备中已发生危险情况，或者如果没有从所述次级侧接收到调制数据信号，关闭从初级侧向所述次级侧的第一功率传输。

9.根据权利要求3的方法，其特征在于，通过改变向次级侧馈送电力的初级侧中的功率级的脉冲比，增大或减小引发功率或第一功率。

10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，接收调制数据信号包括：

-在初级侧测量谐振器电容器上的电压；以及

-将所述测量的电压变换为调制数据信号。

11.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的方法，其特征在于：

-在所述次级侧，在感应链路上从所述初级侧(2-B、4-B、5-B)接收包含功率的载波信号；

-将所接收的功率馈给到所述设备；

-测量通过所述设备的负载的电流或所述设备的负载上的电压，所述电流或电压由所述接收的功率激发；

-至少部分地响应于所述电流测量或所述电压测量，与所述设备的负载并联地接通调制电阻器；

-响应于所述负载开关，调制所接收的载波信号的幅度；以及

-在感应链路上向所述初级侧连续传输负载调制载波信号和关于输出功率数据的信息，所述关于输出功率数据的信息被用于连续地控制从所述初级侧到所述次级侧的功率馈给。

12.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的装置，包括：

-用于在所述初级侧，在感应链路上从所述次级侧(2-B、4-B、5-B)连续接收调制数据信号的部件，所述调制数据信号包括关于所述次级侧的负载的改变的信息和关于输出功率数据的信息，其中所述次级侧包括被配置为允许产生调制数据信号的调制电阻器；

-用于对所接收的调制数据信号进行解调的部件；

-用于基于包括关于所述次级侧的负载的改变的信息的解调得到的数据信号，确定是否向所述设备传输功率的部件；以及

-如果是，用于经所述次级侧(2-B、4-B、5-B)在所述感应链路上向所述设备传输第一功率，并基于所述次级侧的输出功率数据连续地对所述第一功率进行控制的部件。

13.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的装置，包括：

-用于在所述次级侧，在感应链路上从所述初级侧(2-B、4-B、5-B)接收包含功率的载波信号的部件；

-用于将所接收的功率馈给到所述设备的部件；

-用于测量通过所述设备的负载的电流或所述设备的负载上的电压的部件，所述电流或电压由所述接收的功率激发；

-用于至少部分地响应于所述电流测量或所述电压测量，与所述设备的负载并联地接通调制电阻器的部件；

-用于响应于所述负载开关，调制所接收的载波信号的幅度的部件；以及

-用于在感应链路上向所述初级侧连续传输负载调制载波信号和关于输出功率数据的信息的部件，所述关于输出功率数据的信息被用于连续地控制从所述初级侧到所述次级侧的功率馈给。

14.一种用于在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的元件，其特征在于，该元件包括：

-接收器，其用于，在所述初级侧，在感应链路上从所述次级侧(2-B、4-B、5-B)连续接收调制数据信号，所述调制数据信号包括关于所述次级侧的负载的改变的信息和关于输出功率数据的信息，其中所述次级侧包括被配置为允许产生调制数据信号的调制电阻器；

-解调器，其用于对所接收的调制数据信号进行解调；

-控制器，其用于基于包括关于所述次级侧的负载的改变的信息的解调得到的数据信号来确定是否向所述设备传输功率；以及

-初级谐振器，其用于在所述感应链路上经所述次级侧(2-B、4-B、5-B)向所述设备传输第一功率，其中，所述第一功率基于所述次级侧的输出功率数据连续地受到控制。

15.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的元件，其特征在于，所述元件包括：

-接收器，其用于在所述次级侧，在感应链路上从所述初级侧(2-B、4-B、5-B)接收包含功率的载波信号；

-整流器，其用于将所接收的功率馈给到所述设备；

-测量装置，其用于测量通过所述设备的负载的电流或所述设备的负载上的电压，所述电流或电压由所接收的功率激发；

-开关，其用于至少部分地响应于所述电流测量或所述电压测量与所述设备的负载并联地接通调制电阻器；

-调制器，其用于响应于所述负载开关地对所接收的载波信号的幅度进行调制；以及

-次级谐振器，其用于在感应链路上向所述初级侧连续传输负载调制载波信号和关于输出功率数据的信息，所述关于输出功率数据的信息被用于连续地控制从所述初级侧到所述次级侧的功率馈给。

16.根据权利要求15的元件，其特征在于，所述次级侧在所述设备中。

17.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的系统，其特征在于，该系统包括根据权利要求15的元件和根据权利要求15或16的元件。

18.一种在初级侧(2-A、4-A、5-A)与次级侧(2-B、4-B、5-B)之间的感应链路上从初级侧对次级侧的设备进行无线供电的元件，其特征在于，该元件包括用于执行根据权利要求1至11中任一项的方法的装置。