CN103597368A - 用于检测磁场中物体存在的变化的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

系统检测从线圈(205)生成的磁场中物体存在的变化。接近谐振频率的低振幅信号被注入线圈(205)直到系统达到平衡。在这时测量反馈。反馈信号可以被测量为若干信号中的至少一个，若干信号例如但不限于是在谐振电容器(203)上的电压、在线圈(205)中的电流或在谐振电容器(203)和线圈(205)之间的电压。稳态响应的变化表示装置存在的变化。

Description

用于检测磁场中物体存在的变化的系统和方法
技术领域
本发明公开一般涉及磁场，并且更具体的，涉及无线输电。
背景技术
无线能量传递或无线电力是在没有互连线的情况下从电源到电气负载的电能传输。无线传输在互连线不方便、危险或不可能的情况下是有用的。对于无线输电，效率是重要的参数。
在无线输电中耦合的普遍形式是电感耦合。无线输电系统通常由电磁耦合的发送和接收线圈构成。可以使用线圈耦合将源自初级侧的能量传递通过一距离到次级侧。电磁感应无线传输技术在距离上是近场的，该距离相当于装置直径的几倍，接近所用波长的四分之一。
电磁感应基于初级线圈生成显著磁场并且次级线圈在该磁场内的原理来工作，因而在次级线圈中感应电流。耦合应是紧耦合以便实现高效率。随着距初级线圈的距离增加，越来越多的磁场未到达次级线圈。即使在相对短的范围上感应方法也是相当低效的，其浪费许多传输能量。
电感耦合充电器的普遍用途是将便携装置例如笔记本计算机、蜂窝电话、医学植入体和电动交通工具的电池充电。谐振转换器可以用于无线充电垫(发射器电路)和接收器模块(嵌入在负载中)两者中从而最大化能量传递效率。该方法适合用于便携电子装置例如移动电话的通用无线充电垫。该方法已被采用作为Qi无线充电标准的部分。该方法也用于向没有电池的装置例如RFID贴片和无接触智能卡供电，并将源自初级电感器的电能耦合到特斯拉(Tesla)线圈无线输电器的螺旋谐振器。
电感充电是在一个被设计为输电并且另一个被设计为接收电力的两个装置相互接触并且能量在其间传递时发生的事件。输电装置投射电磁场。如果接收器被放置在该电磁场内，则电力可以从发射器传输到接收器。接收器可以是用于任何负载的电源。在一个实施中，充电垫能够使用电场与其正在充电的装置智能来回通信。在该应用中，用来传递能量的电磁场被调制，允许在充电垫和其正在充电的装置之间的通信。然而，在电磁场内是否具有适当接收器对于发射装置不总是明显的。因此确定物体是否在电磁场中存在是有用的。
发明内容
本公开的示例实施例提供用于检测磁场中物体存在的变化的系统。简要描述，在架构中，该系统的其中一个示例实施例可以被实施如下：初级线圈，其由注入信号在基本恒定频率驱动从而产生磁场，并且经配置在注入信号的驱动相位期间接收响应；以及控制器，其经配置监视对注入信号的响应并确定在从初级线圈发射的磁场中物体存在的变化，该确定基于受监视的响应。
本公开的实施例也可以视为提供用于检测磁场中物体存在的变化的方法。在这方面，这样的方法的其中一个实施例可以由以下步骤概括地总结：用注入信号在基本恒定频率驱动初级线圈从而产生磁场；在注入信号的驱动相位期间接收响应；监视响应；以及基于受监视的响应，确定在从初级线圈发射的磁场中物体存在的变化。
附图说明
图1是用于检测磁场中物体存在的变化的系统的示例实施例的系统框图。
图2A是用于检测磁场中物体存在的变化的系统的示例实施例的电路图。
图2B是用于检测磁场中物体存在的变化的系统的示例实施例的电路图。
图3是使用图2的系统的信号的示例实施例的信号图。
图4是使用图2的系统的信号的示例实施例的信号图。
图5是使用图2的系统的信号的示例实施例的信号图。
图6是用于检测磁场中物体存在的变化的方法的示例实施例的流程图。
具体实施方式
此处公开的用于检测磁场中物体存在的变化的系统和方法可以用于例如无线输电器应用。然而，所公开的系统和方法可以应用于其中磁场中物体存在或存在的变化的检测是有利的其他系统。示例实施例可以包括在无线充电应用中，其中可以在充电开始之前确定物体存在。
图1提供检测磁场中物体存在的变化的系统100的系统框图。系统100包括在示例无线电力系统中的物体120和充电器装置110。在示例实施例中，充电器装置110确定物体120的存在。在确定物体存在之后，充电器装置110可以在生成磁场并确定物体是否在磁场中存在之后被分派将物体120充电的任务。
图2A提供用于检测图1的物体存在的变化的系统的示例实施例的电路图210。电路210包括半桥功率驱动器，该半桥功率驱动器包括FET 206和FET 207与线圈205和电容器203。在线圈205和电容器203之间节点的电压由模数转换器(ADC)201通过滤波器块204采样。在该示例实施例中ADC 201位于微处理器202内。微处理器202也可以是驱动FET 206和FET 207的信号的来源。
在电路210的示例实施例中，信号可以从生成磁场的线圈205传输。当线圈205正在被驱动时，源自所生成磁场中装置或物体的反馈可以由其在线圈205上的反射效应检测。在示例实施例中，如果检测到接收器，则发射器可以例如确定接收器是否为不完全充电的装置并可以基于该确定来输电。为遵从无线电力协会(Wireless PowerConsortium)规范，电路210至少每半秒检查无线装置一次。在先前系统中，检查使用“数字回波检查(digital ping)”过程完成。在数字回波检查中，发射器在远高于系统谐振频率(例如100kHz)的频率(例如175kHz)调制磁场并等待接收器响应。这在功能上运作良好，但信号交换可以在接收器响应之前花费最多60毫秒，这意味着即使没有接收器存在，发射器仍在超过10％的时间(500毫秒周期中的60毫秒)有效驱动线圈。
“模拟回波检查”提供改善的性能。在示例实施例中，电路210发出接近谐振频率的短突发脉冲(burst)并检测物体可能具有的对该短突发脉冲的响应的任何影响。在谐振系统中，在电感耦合附近的大多数物体趋向于使谐振衰减。突发脉冲可以是数毫秒或者甚至数微秒量级的，这将接通时间减小到短得多的持续时间。
在先前解决方案中，这通过发送短数目(3-10)的在谐振频率的脉冲，然后将响应低通滤波，并且观察其衰减速率从而检测衰减的变化来实施。该方法具有若干缺陷。首先，在初级振荡电路(tank circuit)中的容差可以改变，这影响谐振频率。尽管预计接收器的存在增加系统的衰减，但其也可以改变谐振频率，并且如果谐振不按预期开始，则导致的变化可能是不可预测的。第二，低通滤波组件是另外的花费，并且可以需要到处理器的另外模数转换器(ADC)输入。另外，仅可以测量响应的包络。如果接收器导致谐振频率的变化但几乎没有导致振幅的变化，则存在的变化可以被忽视。从物体存在到没有物体存在的变化仅可以改变几个百分比并且可以难于鉴别。此外，空间差别影响信号振幅，这使得检测更复杂。
在此公开的检测磁场中物体存在的变化的系统和方法将接近谐振频率的低振幅信号注入线圈205直到系统达到平衡。在这时测量反馈。反馈信号可以作为若干信号中的至少一个而测量，若干信号例如但不限于是在谐振电容器203上的电压、在线圈205中的电流或在电容器203和线圈205之间的电压或它们的组合。
在所公开系统和方法的示例实施例中，响应基本同步于驱动频率被采样——并在驱动时被采样。与在先前解决方案中相同，不检查在激励结束之后的衰减。替代地，在电路通电时检查稳态条件。响应不是对瞬时事件的短暂查看，而是稳定的重复信号；因此更容易用更优分辨率捕捉响应。
在周期中确定采样点时具有要解决的数个问题。第一，频率变化和相移的组合可以使一些物体难以与某些物体区分是可能的。第二，到ADC 201的输入可以被限于正输入。为解决这两个问题，反馈可以在时间上180°异相的两个位置被采样。以180°分布的点保证了一个点是正的。尽管不要求，但在周期最后(刚好在注入之前)以及在周期中点采样是优选的。
如果关于系统的体验示出不考虑相位，响应的振幅足以检测磁场中潜在物体存在的变化，并且反馈不落到ADC的限制之外，则可以采用给予更精确振幅测量的替换采样方案。以四分之一周期(或90度)分离采样点允许利用三角恒等式：sin2+cos2＝1。取90度隔开的正弦波的样本点等效地是该信号在某个任意相位的正弦和余弦。振幅规格化可以补偿潜在相移。通过将两个采样值的平方相加形成的计算值变为单值以便检测物体存在的变化。
相对于先前描述的模拟回波检查解决方案，在示例实施例中，注入信号可以更小(在振幅上)并且被驱动更长时间。50微秒(在100kHz的5个脉冲)和1毫秒(到稳态的时间)之间的差值可以显得大，但通常在发送第一脉冲之前预热该系统时有开销。在示例应用中可以有约15毫秒的唤醒时间，因此该差值实际上是15.05比16毫秒。(在500毫秒周期中，这是百分之3.01比3.2的占空比)。小注入振幅也导致花费最小能量。在达到稳态条件之后(例如在约1毫秒)，两个反馈点可被采样并记录(采样几次并求平均可以帮助减小变动)。
图2B提供电感耦合应用的示例实施例的电路图240。电路240包括初级充电器电路250和次级充电电路260。在该示例实施例中，初级电路250包括全桥功率驱动器，该全桥功率驱动器包括FET 256、FET257、FET 258和FET 259与初级线圈255。次级电路260包括半桥功率驱动器，该半桥功率驱动器包括FET 262和FET 263与次级线圈265。在电路250的示例实施例中，可以从生成磁场的初级线圈255传输信号。当初级线圈205受驱动时，来自已生成磁场中的装置或物体例如包括次级线圈260的无线装置的反馈可以通过其在初级线圈205上的反射效应检测。在示例实施例中，当检测到接收器时，包括初级电路250的发射器可以例如确定包括次级电路260的接收器是否为不完全充电的装置并可以基于该确定来输电。
图3提供响应于注入信号的反馈信号310的示例信号图300。注入信号的时序由尖峰信号320表示。图3的信号图300是充电器装置110上什么也没有时的示例实施例。在图3、图4和图5中的注入信号是基本相同的电平。然而，尽管没有在图中按比例示出，但图中反馈310的振幅基于磁场中的物体而改变。当磁场中没有物体时在图3中的反馈被确定为基电平条件。
图4提供当一个或更多回形针在发射器上时的示例信号图400。信号410是反馈信号并且信号420是表示注入信号的尖峰信号。反馈信号420具有相对于反馈信号310的较小振幅。反馈的该变化表示磁场中的物体。
图5提供当屏蔽和线圈组件在磁场中时的示例信号图500，具有反馈信号510和尖峰信号520。反馈信号510具有相对于反馈信号310的最小振幅。可以有物体，与先前采样的反馈信号相比，这些物体不导致振幅的显著变化，但导致反馈信号510的相位变化。示例可以是物体是否导致谐振峰在频率上移位，以使系统的谐振峰从在注入频率的一侧上的点移动到另一侧。该相位变化可以用来确定物体存在的变化。
在此公开的系统和方法的示例实施例的目标是方便检测无线充电垫上的物品。要检测的重要物体是有效接收器，但可以检测从回形针到钥匙到无线接收器的任何金属物体。在示例实施例中，在充电装置110中的发射器从睡眠模式醒来并在例如一毫秒发送短突发脉冲，从而确定是否检测到物体存在的变化。然后在示例实施例中，取决于物体存在的变化，做出关于无线接收器是否存在的判定。
如果例如电路210进入睡眠模式，其中完全充电装置在充电器垫上，则当电路210醒来并传输模拟回波检查时，表示“无变化”的反馈就表示完全充电装置仍在那里并且不应做出将其充电的尝试。变化表示已移除(或用另一装置替换)该装置，在此情况下，物体鉴别的某个其他方法例如数字回波检查可以作为非限制示例实施。如果检测到新物体，可以开始充电的尝试。如果确定不存在接收器(例如数字回波检查失败)，则可以保存状态从而在下次系统醒来时确定对变化的响应。对模拟回波检查的结果行动方针可以取决于先前历史。
在此公开的系统和方法的示例实施例在一段时期例如1毫秒驱动基本接近谐振频率的注入或回波检查信号到线圈205中，并等待响应达到稳态条件。基本同步检查对回波检查信号的稳态响应与注入信号。同步采样允许测量响应振幅和注入信号与响应信号之间的相位关系，并因此检测变化。
在先前解决方案中，测量的信号被低通滤波以便跟踪响应的包络。然而，在此公开的系统和方法的示例实施例中可以去除滤波。为物体存在的变化检查反馈。如果在来自模拟回波检查的反馈中检测到变化，则数字回波检查可以用来确定物体是否应被充电。
因此例如作为在100kHz被驱动的1％占空比方波的信号320被注入线圈205从而鉴别物体存在的变化是否已发生。如果确定物体已被移除，则该条件可以复位状态机。如果确定物体在那里，则可以确定物体是否应被充电。为确定磁场中物体存在的变化，监视来自驱动到线圈205中的模拟信号的反馈。为监视反馈，在波形中采样两个点。当信号320被驱动到线圈205中时，在波形上的尖峰发生。尖峰是由方便地提供切换周期边界的切换导致的伪迹。在示例实施例中，为确定物体存在的变化检查两个点。在该实施例中的两个点被选为基本上刚好在尖峰320之前的点和例如在尖峰320之后180度的点。尖峰320因此在测量响应时被从确定点滤除。
图6提供检测磁场中物体存在的变化的方法的流程图600。在框610中信号被注入线圈。在框620中来自注入信号的反馈在驱动频率被采样直到反馈达到稳态条件。在框630中反馈与先前注入信号的稳态反馈比较。可替换地，反馈可以和基于已知系统行为的某个预定阈值比较。在框640中，基于比较确定物体存在的变化。
本领域技术人员认识到，在要求保护的本发明的范围内，可以做出对所描述示例实施例的修改，并且许多其他实施例也是可能的。

Claims (12)

1.一种确定磁场中物体存在的变化的方法，其包括：
用注入信号在基本恒定频率驱动初级线圈从而产生磁场；
在所述注入信号的驱动相位期间接收响应；
监视所述响应；以及
基于受监视的响应，确定从所述初级线圈发射的所述磁场中物体存在的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括基本上在谐振频率从所述初级线圈传输模拟信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述反馈是作为对传输所述模拟信号的响应。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在至少两个点中与所述模拟信号基本同步采样所述反馈，所述两个点具有基本上180度和基本上90度中至少一个的相位差。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述采样在所述反馈达到稳态条件后执行。
6.根据权利要求2所述的方法，进一步包括当检测到所述反馈中的变化时确定物体存在。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在以下的至少一个上检测所述反馈：在谐振电容器上的电压、在所述初级线圈中的电流以及在所述谐振电容器和所述初级线圈之间的电压节点。
8.一种系统，包括：
初级线圈，所述初级线圈由注入信号在基本恒定频率驱动从而产生磁场，并且经配置在所述注入信号的驱动相位期间接收响应；以及
控制器，所述控制器经配置监视对所述注入信号的响应并确定从所述初级线圈发射的所述磁场中物体存在的变化，所述确定基于受监视的响应。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述系统经配置以基本在谐振频率从所述初级线圈传输模拟信号，并提供所述响应作为对所述模拟信号的反馈响应。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述系统经配置在至少两个点中与所述模拟信号基本同步采样所述反馈响应，并且所述至少两个点具有基本上180度相位差和基本上90度相位差中的至少一个。
11.根据权利要求1所述的系统，其中全桥谐振电路或半桥谐振电路中的至少一个经配置驱动所述初级线圈。
12.一种无线充电系统，其包括：
充电器，其包括：
电力控制电路；
初级线圈，所述初级线圈由来自所述电力控制电路的注入信号在基本恒定频率驱动从而产生磁场，并且经配置在所述注入信号的驱动相位期间接收响应；以及
控制器，所述控制器经配置监视对所述注入信号的响应并确定从所述初级线圈发射的所述磁场中物体存在的变化，所述确定基于受监视的响应。
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