CN104052169B - 磁谐振电力传输的扫频模式 - Google Patents

Abstract

电力传输板被配置为向接收设备提供无线电力传输，其中接收设备相对于板是取向自由的。板充当发送器，并且是磁“热”的，意思是板在被加电时生成磁场。接收设备——例如蜂窝电话、平板电脑或其他便携式电子设备——被放置在该磁场内以便对设备电池充电。与传统的无线电池充电系统不同，对于接收设备相对于板的取向没有限制。电力传输板包括扫频发生器，用于生成某一频谱上的电力传输。确定实现到接收设备的最大能量传递的最优频率，并将扫频发生器锁定到所确定的最优频率。

Description

磁谐振电力传输的扫频模式

相关申请

本专利申请要求2013年3月15日递交的题为“New Power Management IntegratedCircuit Partitioning With Dedicated Primary S ide Control Winding”、序列号为61／799,124的共同未决的美国临时申请的优先权。本申请通过引用将序列号为61／799,124的美国临时申请全部并入。

技术领域

本发明概括而言涉及无线电力传输(wireless power transmission)的领域。更具体而言，本发明涉及对于磁谐振电力传输(magnetic resonant power transmission)使用扫频模式(sweep frequency mode)。

背景技术

便携式电子设备使用要求周期性再充电的电池。传统的再充电技术包括有线方案和无线方案两者。在示范性的有线再充电技术中，电源适配器在一端包括用于插入到便携式设备中的电缆和电力转换器，并且在另一端包括电力输出口，例如壁式插座。

在示范性的无线再充电技术中，为无线电力传输配置了电源板(power supplypad)。电源板通常经由电源线连接到壁式插座。电源板包括电力发送器，用于进行到具有电力接收器的便携式电子设备的无线电力传输。电力发送器包括通信处理块和电力发送元件，例如线圈天线。电力发送元件生成磁场，通过该磁场，电力被无线地传输。磁场取向是电力发送元件的传输频率和物理取向的函数。传统的电源板以恒定的频率传输，并且由于电力发送元件的物理取向也是固定的，所以由电源板的电力发送元件生成的磁场具有特定的固定取向。诸如蜂窝电话之类的便携式电子设备包括通信处理块和电力接收元件，例如线圈天线。为了从电源板接收电力，便携式电子设备必须被定位在由电源板的电力发送元件生成的磁场的范围内。为了实现优化的能量传递，便携式电子设备还必须相对于电力发送元件恰当地取向。由于电力发送元件生成的磁场的特定取向，便携式电子设备的电力接收元件必须相对于磁场恰当地取向，否则无线电力传输就不是优化的，或者不能完成。这要求小心仔细地将便携式电子设备放置在电源板上或其附近，这对于终端用户来说可能是耗时且令人沮丧的。

在一些应用中，电源板装备有支架或其他类型的设备放置支持物，其大小被设置为以特定的取向接收便携式电子设备。支架在电源板内的取向使得当便携式电子设备被定位在支架内时，便携式电子设备的电力接收元件与电源板的电力发送元件恰当地对齐，并且因此与磁场恰当地对齐。然而，必须将便携式电子设备放置在支架内几乎使得为了在不需要硬连接到电源的情况下自由放置设备而设计的无线电力传输应用的目的失败了。

发明内容

电力传输板被配置为向接收设备提供无线电力传输，其中接收设备相对于板是取向自由的。板充当发送器，并且是磁“热”的，意思是板在被加电时生成磁场。接收设备——例如蜂窝电话、平板电脑或其他便携式电子设备——被放置在该磁场内以便对设备电池充电。与传统的无线电池充电系统不同，对于接收设备相对于板的取向没有限制。电力传输板包括扫频发生器，用于生成某一频谱上的电力传输。确定实现到接收设备的最大能量传递的最优频率，并将扫频发生器锁定到所确定的最优频率。

在一个方面中，公开了一种用于无线电力传输的电力传输板。该电力传输板包括线圈、电力发送器和控制器。电力发送器包括扫频发生器，该扫频发生器与线圈耦合以通过线圈提供频率变化的信号，从而生成可变磁场。控制器与线圈和与扫频发生器耦合。当要充电的便携式电子设备被定位在由电力传输板生成的可变磁场内时，控制器被配置为确定与从电力传输板到便携式电子设备的最大能量传递相对应的谐振频率。该谐振频率被锁定来用于从电力传输板到便携式电子设备的电力传输。

在另一方面中，公开了一种用于无线电力传输的系统。该系统包括电力传输板和将要充电的便携式电子设备。电力传输板包括第一线圈、电力发送器和控制器。电力发送器具有扫频发生器，该扫频发生器与第一线圈耦合以通过线圈提供频率变化的信号，从而生成可变磁场。控制器第一线圈和与扫频发生器耦合。便携式电子设备包括第二线圈和电力接收器。电力接收器与第二线圈耦合，并且被配置为经由第二线圈接收从电力传输板传递来的能量。当便携式电子设备被定位在由电力传输板生成的可变磁场内时，控制器被配置为确定与从电力传输板到便携式电子设备的最大能量传递相对应的谐振频率。谐振频率被锁定来用于从电力传输板到便携式电子设备的电力传输。

在一些实施例中，便携式电子设备包括谐振回路，该谐振回路具有第二线圈，并且与最大能量传递相对应的谐振频率包括该谐振回路的谐振频率。在一些实施例中，电力接收器还包括电力管理块，该电力管理块被配置为监视便携式电子设备电池的充电水平，并且被配置为生成充电水平状态信号。充电水平状态信号可包括在电池被充满电时的电力传输终止信号。在一些实施例中，充电水平状态信号经由第二线圈和第一线圈被发送到电力发送器。在一些实施例中，板传输恒定的电力水平。在一些实施例中，便携式电子设备还包括与电力接收器耦合的电池充电器。在一些实施例中，确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视便携式电子设备的充电电流，并且当该充电电流对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是谐振频率。在一些实施例中，确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视便携式电子设备的充电电流，并且选择与最高充电电流相对应的特定频率作为谐振频率。在一些实施例中，确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到便携式电子设备的能量传递，并且当阻抗的变化对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是谐振频率。在一些实施例中，确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到便携式电子设备的能量传递，并且确定谐振频率还包括选择与阻抗的最大变化相对应的特定频率作为谐振频率。

在另一方面中，公开了一种电力传输板与要充电的便携式电子设备之间的无线电力传输的方法。该方法包括将电力传输板配置有第一线圈和扫频发生器，并且将便携式电子设备配置有第二线圈。该方法还包括通过向第一线圈应用扫频发生器来生成可变磁场，并且测量响应于可变磁场的系统特性。该方法还包括根据测量到的系统特性来确定便携式电子设备的谐振频率。该方法还包括将电力传输板的能量传输频率锁定到谐振频率，并且利用锁定的能量传输频率将电力从电力传输板传输到便携式电子设备。

在一些实施例中，系统特性是便携式电子设备的充电电流，并且确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视便携式电子设备的充电电流，并且当该充电电流对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是谐振频率。在一些实施例中，系统特性是便携式电子设备的充电电流，并且确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视便携式电子设备的充电电流，并且选择与最高充电电流相对应的特定频率作为谐振频率。在一些实施例中，系统特性是电力传输板上的阻抗，并且确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到便携式电子设备的能量传递，并且当阻抗的变化对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是谐振频率。在一些实施例中，系统特性是电力传输板上的阻抗，并且确定谐振频率包括在扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到便携式电子设备的能量传递，并且确定谐振频率还包括选择与阻抗的最大变化相对应的特定频率作为谐振频率。在一些实施例中，便携式电子设备包括谐振回路，该谐振回路具有第二线圈，并且所确定的谐振频率对应于该谐振回路的谐振频率。在一些实施例中，该方法还包括监视便携式电子设备电池的充电水平，并且生成充电水平状态信号。在一些实施例中，充电水平状态信号包括在电池被充满电时的电力传输终止信号。在一些实施例中，该方法还包括从便携式电子设备向电力传输板发送充电水平状态信号。

附图说明

参考附图来描述若干个示例实施例，附图中相似的组件具有相似的标号。示例实施例打算说明而不是限制本发明。附图包括以下的图：

图1示出了根据实施例的电力传输板。

图2示出了根据实施例的图1的电力发送器8的功能框图。

图3示出了根据实施例的接收设备20的功能框图。

具体实施方式

本申请的实施例涉及用于无线电力传输的方法和系统。本领域普通技术人员将会认识到，以下对方法和系统的详细描述只是说明性的，而并不打算以任何方式进行限定。受益于本公开的本领域技术人员将容易想到方法和系统的其他实施例。

现在将详细述及如附图所示的方法和系统的实现方式。相同的附图标记将在各幅图和以下详细描述的各处用于指代相同或相似的部件。为了清晰起见，没有示出和描述本文描述的实现方式的所有常规特征。当然，将会明白，在任何这种实际实现方式的开发中，必须做出许多依实现方式而定的决定以便实现开发者的具体目标，例如遵从与应用和业务相关的约束，并且这些具体目标在一个实现方式与另一实现方式之间和一个开发者与另一开发者之间将是不同的。另外，将会明白，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但仍只是受益于本公开的本领域普通技术人员的常规工程工作。

图1示出了根据实施例的电力传输板。板2包括与电力发送器8耦合的线圈4。电力发送器8被配置为向线圈4提供频率变化的驱动信号，从而生成可变磁场。磁场强度随着与线圈4的距离而减小。磁场用于向放置在磁场的有效区域内的设备提供无线能量传递。磁场的有效区域是磁场强度在有效能量传递的最低水平以上的区域。在一些实施例中，该有效区域对应于板的区域。在一些实施例中，有效区域延伸到超出板的周界。在大多数应用中，有效区域限于板周围的邻近区域，以免不利地影响其他附近的电子设备。电力发送器8还被配置用于在外部设备与板恰当地磁耦合时与该外部设备进行双向通信。双向通信包括从板到设备的能量传递传输，和从设备到板的通信信令。

虽然图1在两个维度即x-y平面中示出了线圈4及其相应的磁场6，但要理解，实际的磁场在包括与图1的平面垂直的z方向在内的三个维度上延伸。板2的厚度对应于z方向。在大多数配置中，板2的线圈4在板2内，并且包括其相应的线圈22(图3)的接收设备20(图3)位于板2上方，从而形成线圈2与线圈22之间的三维取向。

图2示出了根据实施例的图1的电力发送器8的功能框图。电力发送器8包括扫频发生器(sweep frequency generator)10、发送器／接收器电路12、控制器14和电力转换电路16。在一些实施例中，扫频发生器是在某一频谱上以变化的频率生成脉冲式驱动信号的宽范围扫频脉冲电力发生器。发送器／接收器电路12向线圈4施加该脉冲式驱动信号，从而生成根据脉冲式驱动信号的变化频率而变化的可变磁场。电力转换电路16把接收到的输入电力转换成期望的电力传输水平，其优选为固定值，例如5W。在一些实施例中，板8通过插入到AC输出口中来接收电力。控制器14提供对电力发送器8的控制，以使得谐振频率被确定并锁定，以便实现到接收设备20(图3)的最大电力传递。

图3示出了根据实施例的接收设备20的功能框图。在一些实施例中，接收设备20是便携式电子设备，例如蜂窝电话、平板电脑、膝上型电脑或其他周期性地要求电池充电的电子设备。接收设备20包括线圈22、电力接收器24和电池充电器26。在一些实施例中，线圈22是大多数便携式电子设备标准的天线元件。在其他实施例中，线圈22是与接收设备天线分开的元件。当接收设备20被定位在板2的可变磁场6的有效区域内时，线圈4和线圈22形成伪变压器。当电力被从板2传递到接收设备20时，电力接收器24经由线圈22接收电力传输并将电力输送到电池充电器26。电池充电器26可以是任何类型的传统电池充电器。

接收设备20被配置为建立与板2磁耦合的谐振回路(resonant tank)，并且该谐振回路被配置为根据固定的谐振频率向电池充电器26驱动电力。谐振回路是由线圈22和电力接收器24内的组件形成的。当接收设备20被定位在板2的可变磁场6的有效区域内时，电力发送器8确定可变磁场6的频率何时与接收设备谐振回路的谐振匹配。这个匹配频率被称为谐振频率。提供给线圈4的驱动信号被锁定在谐振频率并且电力被从板2传输到接收设备20。

虽然述及了谐振频率，但要理解，这种频率可表示在板-设备系统中包括某种程度的谐振的任何频率，并且因此可被认为是准谐振频率。一般地，确定与针对接收设备20相对于板2的给定取向的最大能量传递相对应的频率，并且将此频率称为谐振频率。

在一些实施例中，谐振频率是通过对于扫频发生器使用的频谱中的每个频率或选定频率确定能量传递量来确定的。在板这一方，这可通过监视板阻抗或板上的某种阻抗并且寻找此阻抗的变化来完成。阻抗的变化意味着到接收设备的能量传递。具有阻抗的最大变化的频率被用作谐振频率。类似地，可为每个频率确定与板相对应的S参数(散射参数)，并且可以使用S参数的变化来确定谐振频率。已知S参数随着频率而变化，因此每个频率与依频率而定的基线S参数相关联，该基线S参数被与为该特定频率监视到的S参数相比较。

在接收设备这一方，电力接收器24可包括电力管理块，其与接收设备电池耦合以监视电池充电水平和对电池充电的电流充电率。电流充电率将随着电力传输的变化的频率而变化。将电流充电率与阈值相比较，并且如果电流充电率超过阈值，则认为与超过阈值的电流充电率相对应的频率是谐振频率。或者，对于每个频率或选定频率测量电流充电率，并且认为具有最大的相应电流充电率的频率是谐振频率。要理解，在板方、接收设备方或者两方可以使用替换手段来确定与到接收设备的最大能量传递量相对应的频率。

在一些实施例中，电力接收器24中的电力管理块被配置为通过线圈22向板2上的磁耦合线圈4发送通信信号。发送器／接收器电路12和控制器14被配置为接收和解释该通信信号。通信信号包括控制信息，例如用于识别与最大能量传递相对应的频率的信息。这样，通信信号可用于提供用于选择谐振频率的信息。在一些实施例中，通信信号是简单的二元信号，例如关于电流充电率已超过阈值的指示。在其他实施例中，通信信号包括更详细的信息，例如按某个间隔的电流充电率，它们可匹配到个体频率。通信信号还可包括与电池充电状态有关的控制信息。在一些实施例中，通信信号是简单的二元信号，例如关于电池充电水平是满还是未满的指示。当通信信号指示接收设备电池已满时，电力传输被终止。在其他实施例中，通信信号包括更详细的信息，包括——但不限于——接收设备电池当前被充电的量，例如75％充电。可利用通过磁耦合的线圈传输信号的任何传统手段来提供通信信号。用于提供通信信号的示范性手段在与本申请属同一申请人并且共同未决的序列号为(代理人案卷号FLEX-13301)的美国专利申请中找到，在此通过引用将该美国申请全部并入。

通过使用扫频发生器并确定实现最大能量传递的最优频率，电力传输板充当通用充电器。板不限于特别配置的接收设备。每个接收设备具有一定的Q值(Q factor)。Q值依赖于许多条件，包括——但不限于——传输频率、天线配置和谐振回路的构成组件。作为通用充电器，天线线圈的大小和形状、谐振回路中的谐振元件的数目和类型或者电力传输频率是无关紧要的。电力传输板适应于确定实现最大电力传递的最优谐振频率，无论接收设备的类型或相对于板的位置取向如何。

已按照包含细节的具体实施例描述了本申请以促进对方法和系统的构造和操作的原理的理解。各图中示出和描述的组件中的许多可被互换以实现必要的结果，并且本描述应当被解读为也涵盖这种互换。这样，本文中对具体实施例及其细节的述及并不打算限制所附权利要求的范围。本领域技术人员将会清楚，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对为了说明而选择的实施例做出修改。

Claims (21)

1.一种用于无线电力传输的电力传输板，包括：

a.线圈；

b.电力发送器，其具有扫频发生器，该扫频发生器与所述线圈耦合以通过所述线圈提供频率变化的信号，从而生成可变磁场；以及

c.控制器，与所述线圈和与所述扫频发生器耦合，其中，当要充电的便携式电子设备被定位在由所述电力传输板生成的所述可变磁场内时，所述控制器被配置为确定从所述电力传输板到所述便携式电子设备的最大能量传递相对应的谐振频率，所述最大能量传递是针对所述便携式电子设备相对所述电力传输板的取向的最大能量传递，并且所述谐振频率被锁定来用于从所述电力传输板到所述便携式电子设备的电力传输，其中，通过使频率变化的信号的传输频率扫过一扫频频谱、监视响应于可变磁场的所述电力传输板或所述便携式电子设备的特性、以及根据监视的特性选择特定频率来确定所述谐振频率。

2.一种用于无线电力传输的系统，包括：

a.电力传输板，包括：

i.第一线圈；

ii.电力发送器，其具有扫频发生器，该扫频发生器与所述第一线圈耦合以通过所述第一线圈提供频率变化的信号，从而生成可变磁场，其中，所述扫频发生器被配置为使频率变化的信号的传输频率扫过一扫频频谱；以及

iii.控制器，与所述第一线圈和与所述扫频发生器耦合；

b.要充电的便携式电子设备，包括：

i.第二线圈；以及

ii.电力接收器，与所述第二线圈耦合，被配置为经由所述第二线圈接收从所述电力传输板传递来的能量，

其中当所述便携式电子设备被定位在由所述电力传输板生成的所述可变磁场内时，所述控制器被配置为确定从所述电力传输板到所述便携式电子设备的最大能量传递相对应的谐振频率，所述最大能量传递是针对所述便携式电子设备相对所述电力传输板的取向的最大能量传递，并且所述谐振频率被锁定来用于从所述电力传输板到所述便携式电子设备的电力传输。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述便携式电子设备包括谐振回路，该谐振回路包括所述第二线圈，并且与最大能量传递相对应的谐振频率包括该谐振回路的谐振频率。

4.如权利要求2所述的系统，其中，所述电力接收器还包括电力管理块，该电力管理块被配置为监视便携式电子设备电池的充电水平，并且被配置为生成充电水平状态信号。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述充电水平状态信号包括在电池被充满电时的电力传输终止信号。

6.如权利要求4所述的系统，其中，所述充电水平状态信号经由所述第二线圈和所述第一线圈被发送到所述电力发送器。

7.如权利要求2所述的系统，其中，所述板传输恒定的电力水平。

8.如权利要求2所述的系统，其中，所述便携式电子设备还包括与所述电力接收器耦合的电池充电器。

9.如权利要求2所述的系统，其中，确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述便携式电子设备的充电电流，并且当该充电电流对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是所述谐振频率。

10.如权利要求2所述的系统，其中，确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述便携式电子设备的充电电流，并且选择与最高充电电流相对应的特定频率作为所述谐振频率。

11.如权利要求2所述的系统，其中，确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到所述便携式电子设备的能量传递，并且当阻抗的变化对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是所述谐振频率。

12.如权利要求2所述的系统，其中，确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到所述便携式电子设备的能量传递，并且确定所述谐振频率还包括选择与阻抗的最大变化相对应的特定频率作为所述谐振频率。

13.一种电力传输板与要充电的便携式电子设备之间的无线电力传输的方法，该方法包括：

a.将所述电力传输板配置有第一线圈和扫频发生器，并且将所述便携式电子设备配置有第二线圈；

b.通过将频率变化的信号从所述扫频发生器施加到所述第一线圈并使频率变化的信号的传输频率扫过一扫频频谱来生成可变磁场；

c.测量响应于所述可变磁场的包括所述电力传输板和所述便携式电子设备的系统的系统特性；

d.根据测量到的系统特性来确定针对所述便携式电子设备相对所述电力传输板的取向的所述便携式电子设备的谐振频率；

e.将所述电力传输板的能量传输频率锁定到所述谐振频率；以及

f.利用锁定的能量传输频率将电力从所述电力传输板传输到所述便携式电子设备。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述系统特性包括所述便携式电子设备的充电电流，并且确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述便携式电子设备的充电电流，并且当该充电电流对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是所述谐振频率。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述系统特性包括所述便携式电子设备的充电电流，并且确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述便携式电子设备的充电电流，并且选择与最高充电电流相对应的特定频率作为所述谐振频率。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述系统特性包括所述电力传输板上的阻抗，并且确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到所述便携式电子设备的能量传递，并且当阻抗的变化对于特定频率超过阈值水平时，确定该特定频率是所述谐振频率。

17.如权利要求13所述的方法，其中，所述系统特性包括所述电力传输板上的阻抗，并且确定所述谐振频率包括在所述扫频发生器使传输频率扫过一扫频频谱的同时监视所述电力传输板上的阻抗，其中阻抗的变化对应于去到所述便携式电子设备的能量传递，并且确定所述谐振频率还包括选择与阻抗的最大变化相对应的特定频率作为所述谐振频率。

18.如权利要求13所述的方法，其中，所述便携式电子设备包括谐振回路，该谐振回路包括所述第二线圈，并且所确定的谐振频率对应于该谐振回路的谐振频率。

19.如权利要求13所述的方法，还包括监视便携式电子设备电池的充电水平，并且生成充电水平状态信号。

20.如权利要求19所述的方法，其中，所述充电水平状态信号包括在电池被充满电时的电力传输终止信号。

21.如权利要求19所述的方法，还包括从所述便携式电子设备向所述电力传输板发送所述充电水平状态信号。