CN105490314A - 发送无线电力的发送器、接收无线电力的接收器、及方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种由发送器向接收器发送无线电力的方法，该方法包括：如果从接收器接收到用于与发送器连接的消息，那么在发送器和接收器之间建立连接；从接收器接收用于请求无线电力的电力信息；确定无线电力是否能够被发送到接收器；如果无线电力能够被发送到接收器，则向接收器发送无线电力。

Description

发送无线电力的发送器、接收无线电力的接收器、及方法

本申请是以下申请的分案申请：申请号：201280034756.7，申请日：2012年5月14日，发明名称：无线电力传输系统中的发送器和接收器以及发送器和接收器无线发送/接收收发电力的方法。

技术领域

本发明涉及无线电力传输系统，并且更具体地，涉及无线电力传输系统中能够具有高谐振特性的发送器和接收器，以及用于发送器和接收器的无线电力发送和接收方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，现在提供了无处不在的信息环境，其中，任何人都可以交换任何去挖报告的信息，而不管时间和地点。然而，即使是现在，大多数的通信信息设备依赖于电池并且通过有线的电源线来供电，从而通信和信息设备的使用受到限制。因此，在没有解决关于终端的电力的问题的情况下，无线信息网络环境不能真正意义上地自由使用。

为了解决这个问题，已经开发了许多无线发送电力的技术。其中，使用微波的微波接收式技术、使用磁场的磁感应式技术和基于磁场和电场之间的能量转换的磁谐振技术是代表性技术。

这里，微波接收式技术具有的优点是，通过在空中辐射微波向远程距离发送电力，但是由于空中消耗的微波所引起的大量辐射损耗，因此在电力传输效率方面存在限制。磁感应式技术是使用基于发送侧初级线圈和接收侧次级线圈的磁场能量耦合的技术，而且具有高电力传输效率。然而，对于电力传输，发送侧初级线圈和接收侧次级线圈必须其之间在若干毫米的短距离内彼此相邻。电力传输的效率随着发送侧初级线圈和接收侧次级线圈的线圈对准而迅速变化，而且发热量很大。

发明内容

技术问题

因此，最近已经开发了磁谐振技术，它类似于磁感应技术，但是它通过线圈型电感器(L)和电容器(C)使得能量集中在特定的谐振频率，以便以磁能的形式发送电力。尽管这种技术在数米内传输较大的电力，但是其要求高的品质因数。结果，要求具有高谐振特性的无线电力传输系统的设计。

技术方案

因此，本发明提供了无线电力传输系统中能够具有高谐振特性的发送器和接收器以及用于发送器和接收器的无线电力发送和接收方法。

根据本发明的一方面，提供了一种无线电力传输系统中的发送器，该发送器包括：发送(Tx)电力转换器，用于将直流电(DC)电压转换成第一交流电(AC)电压，并且通过放大转换的第一AC电压将所述转换的第一AC电压转换成第二AC电压；Tx匹配电路，用于使所述Tx匹配电路的阻抗与用于接收第二AC电压的接收器的阻抗匹配以发送第二AC电压；Tx谐振器，用于将第二AC电压谐振为谐振波，以便向所述接收器发送第二AC电压；以及Tx控制器，用于确定第一AC电压的放大率，并且根据所确定的放大率控制Tx电力转换器将第一AC电压转换成第二AC电压。

根据本发明的另一方面，提供了一种无线电力传输系统中的接收器，该接收器包括：接收(Rx)谐振器，用于接收由发送器谐振为谐振波的交流电(AC)电压；Rx匹配电路，用于使所述Rx匹配电路的阻抗与所述发送器的阻抗匹配以从所述发送器接收所述AC电压；Rx电力转换器，用于将AC电压整流成第一直流电(DC)电压，并且通过放大第一DC电压来将第一DC电压转为第二DC电压；以及Rx控制器，用于确定第一DC电压的放大率，并且根据所确定的放大率控制Rx电力转换器将第一DC电压转换成第二DC电压。

根据本发明的再一方面，提供了一种无线电力传输系统中的发送器，该发送器包括：发送(Tx)电力转换器，包括用于将直流电(DC)电压转换成第一交流电(AC)电压的E类放大器，以及通过放大转换的第一AC电压将所述转换的第一AC电压转换成第二AC电压的驱动器放大器；Tx匹配电路，用于使所述Tx匹配电路的阻抗与用于接收第二AC电压的接收器的阻抗匹配以发送第二AC电压；Tx谐振器，用于将第二AC电压谐振为谐振波，以便向所述接收器发送第二AC电压；以及Tx控制器，用于确定第一AC电压的放大率，并且根据所确定的放大率控制Tx电力转换器将第一AC电压转换成第二AC电压，其中，所述Tx控制器监测在所述E类放大器中包括的晶体管的驱动电压以确定是否由于施加到所述晶体管的驱动电压而导致在所述E类放大器中发生过电压、过电流和过温度中的至少一个，并且如果发生过电压、过电流和过温度中的至少一个，则停止所述晶体管的操作。

根据本发明的再一方面，提供了一种无线电力传输系统中的接收器，该接收器包括：接收(Rx)谐振器，用于接收由发送器谐振为谐振波的交流电(AC)电压；Rx匹配电路，用于使所述Rx匹配电路的阻抗与所述发送器的阻抗匹配以从所述发送器接收所述AC电压；Rx电力转换器，用于将AC电压整流成第一直流电(DC)电压，并且通过放大第一DC电压来将第一DC电压转为第二DC电压；以及Rx控制器，用于确定第一DC电压的放大率，并且根据所确定的放大率控制Rx电力转换器将第一DC电压转换成第二DC电压，其中，所述Rx控制器监测通过所述Rx谐振器接收到的所述AC电压以确定在所述接收器的至少一部分中是否发生过电压、过电流和过温度中的至少一个，并且如果发生过电压、过电流和过温度中的至少一个，则停止所述接收器的操作。

根据本发明的还一方面，提供了一种用于无线电力传输系统中的发送器的无线电力发送和接收方法，该无线电力发送和接收方法包括：检测步骤，其中，监视接口中的负载变化、在每个预定的时间供应第一电力并且检查是否发生所述负载变化；注册步骤，其中，如果发生所述负载变化，则向所述接口供应大于第一电力的第二电力，而且如果从已经接收到第二电力的接收器接收到响应，则向所述接收器分配与所述接收器相对应的短标识(SID)和时隙；配置步骤，其中，从接收器接收包括输出电压和输出电流中的至少一个的信息，根据所述信息计算从所述接收器所要求的要求的电力，并且确定所述要求的电力是否能够被发送到所述接收器；以及充电步骤，其中，如果所述要求的电力能够被发送到所述接收器，则向所述接收器发送所述要求的电力。

根据本发明的还一方面，提供了一种用于无线电力传输系统中的接收器的无线电力发送和接收方法，该无线电力发送和接收方法包括：从发送器接收在每个预定的时间供应的第一电力，并且通过使用第一电力请求加入所述发送器；从所述发送器接收大于第一电力的第二电力，并且请求从所述发送器充电；从所述发送器分配有短标识(SID)和时隙，并且向所述发送器发送包括输出电压和输出电流中的至少一个的信息以请求发送要求的电力；以及从所述发送器接收所述要求的电力。

根据本发明的再一方面，提供了一种无线电力传输系统中的发送器和接收器，其中，所述发送器和所述接收器通过使用包括媒体访问控制(MAC)帧首标、帧有效载荷以及校验和的MAC帧来发送和接收数据。

根据本发明的一个方面，提供一种由发送器向接收器发送无线电力的方法，该方法包括：如果从接收器接收到用于与发送器连接的消息，那么在发送器和接收器之间建立连接；从接收器接收用于请求无线电力的电力信息；确定无线电力是否能够被发送到接收器；如果无线电力能够被发送到接收器，则向接收器发送无线电力。

根据本发明的一个方面，提供用于向接收器发送无线电力的发送器，包括：通信接口，包括谐振器，被配置为：如果从接收器接收到用于与发送器连接的消息，那么在发送器和接收器之间建立连接；并且从接收器接收用于请求无线电力的电力信息；以及处理器，被配置为：基于电力信息确定无线电力是否能够被发送到接收器；并且如果无线电力能够被发送到接收器，那么控制谐振器向接收器发送无线电力。

根据本发明的一个方面，提供一种用于在接收器从发送器接收无线电力的方法，该方法包括：向发送器发送用于与发送器连接的消息；如果在发送器和接收器之间建立了连接，那么向发送器发送用于请求无线电力的电力信息；以及如果无线电力能够被发送到接收器，那么从发送器接收无线电力。

根据本发明的一个方面，提供一种用于从发送器接收无线电力的接收器，包括：通信接口，包括谐振器，被配置为：向发送器发送用于与发送器连接的消息；并且如果在发送器和接收器之间建立了连接，那么向发送器发送用于请求无线电力的电力信息；以及处理器，被配置为：如果无线电力能够被发送到接收器，那么控制谐振器从发送器接收无线电力。

技术效果

根据本发明，提供了无线电力传输系统中能够具有高谐振特性的发送器和接收器，以及装置的用于发送和接收无线电力的方法。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的无线电力传输系统中的发送器和接收器的结构的框图；

图2A是串行谐振器的电路图，其中，电阻器(R)、电容器(C)和电感器(L)串联连接；

图2B是并联谐振器的电路图，其中，电阻器(R)、电容器(C)和电感器(L)并联连接；

图3A是电单负(Epsilon-negative,ENG)电路的电路图；

图3B是磁单负(Mu-negative,MNG)电路的电路图；

图4是示出谐振频率的特性的图；

图5是示出超材料MNG谐振器的例子的视图；

图6是示出根据本发明的两种类型的MNG谐振器的结构的视图；

图7是示出根据本发明的Tx谐振器的例子的视图；

图8A至图8C是在A类放大器、B类放大器和E类放大器的每一个中所包括的晶体管的漏极和源极之间的电压和电流的图；

图9是示出E类放大器的电路图，它是开关型的电力放大器；

图10是示出当在图9的开关型电力放大器中执行开关操作时的电压波和电流波的图；

图11是示出在E类放大器中的FET的漏极和源极之间的内部电容器(Coss)和外部并联(shunt)电容器(C'_S)之间的电压的图；

图12是输出匹配电路的电路图；

图13是输入匹配电路的电路图；

图14是包括图12和图13的匹配电路的E类放大器的最终等效电路的电路图；

图15是示出根据本发明制造的E类放大器的原型的视图；

图16是一般发送器的框图；

图17是示出包括电力跟踪开关模式电源(SwitchingModePowerSupply,SMPS)的发送器的结构的框图；

图18是示出图17所示的电力跟踪SMPS的结构的框图；

图19是示出根据本发明的在发送器中生成6.78MHz频率的频率生成器的结构的框图；

图20是示出根据本发明的发送器中的过电压保护电路的例子的电路图；

图21示出了用于示出过电压保护电路的基本工作原理的电路；

图22是示出根据本发明的发送器中的保护电路的另一个例子的电路图；

图23是根据本发明的发送器中的保护电路的又一个例子的电路图；

图24是示出在根据本发明的电力传输系统中用于接收DC电力的接收器的DC电力相对于从发送器发送的DC电力的比率的视图；

图25是用于描述在发送器中发生的损耗的电路图；

图26是示出并联连接电感器(L_P1、L_P2和L_P3)以增加Q值的电路的视图；

图27是示出按照电力放大器的效率的输出电力的电平的图；

图28是示出用于测量包括6.78MHz频率发生器和电力放大器的发送器的效率的电路的电路图；

图29是示出在图28中所示的电力放大器中生成的频率的振幅的图；

图30A和图30B是示出在根据本发明实施的发送器和接收器中包括的谐振器的视图；

图31是示出测量接收器(它是单一接收器)的耦合特性和传输效率的测量配置(measurementsetup)的视图；

图32是示出用于测量从Rx谐振器输入的信号的测量区域的视图；

图33是示出用于测量输入到用于多个接收器中的每一个接收器中所包括的Rx谐振器(即，多个接收器)的信号的测量区域的视图；

图34是示出根据本发明的可利用Rx谐振器实现的MNGTL谐振器的视图；

图35是示出根据本发明的被实现为Rx谐振器的MNGTL谐振器的视图；

图36是示出肖特基二极管和肖特基二极管的等效电路的视图；

图37A和图37B是示出可用于电力传输系统的肖特基二极管的电流电平和电压电平的图；

图38是全波桥式二极管整流电路的电路图；

图39和图40是通过使用信号发生器来测试全波桥式整流电路的电路图；

图41A和41B是示出由不同公司制造的双二极管的电压电平和电流电平的图；

图42是示出使用金属氧化物半导体(MOS)晶体管作为开关的全波有源整流器的例子的电路图；

图43是示出根据本发明的直流电(DC)/DC降压转换器的电路图；

图44是示出接收器和用于保护接收器的保护设备的例子的视图；

图45是示出具有保护结构的优化的接收器的电路的视图；

图46A是示出当不使用掩蔽剂(maskingreagent)时的磁场分布的视图；

图46B是示出当使用掩蔽剂时的磁场分布的视图；

图47A是示出当谐振器和掩蔽剂之间没有间隔的情况的视图；

图47B是示出当在谐振器和掩蔽剂之间存在间隔的情况的视图；

图48A和图48B是示出掩蔽剂和设备的大小以及Rx谐振器的位置的视图；

图49是示出相对于图48A和图48B中所示的掩蔽剂和导体的大小的耦合效率的图；

图50是发送器的示例性功能框图；

图51A到图51E是示出根据本发明的接收器的Rx谐振器的视图；

图52是示出根据本发明的用于测量直流电(AC)/DC整流器的效率的测量配置的视图；

图53是示出根据本发明的用于测量接收器中的DC/DC转换器的效率的测量配置的视图；

图54是示出根据本发明实施的接收器的系统板的视图；

图55是示出根据本发明实施的接收器的视图；

图56是示出用于测量接收器的效率的测量配置的视图；

图57是示出当从发送器输出的电力是35.4dBm而且负载是10Ω时在每一级(stage)中测量的波形的图；

图58A和图58B是示出为单一移动通信终端或多个移动通信终端充电的无线电力发送和接收系统的的视图；

图59是示出处于检测、注册、充电和待机状态的无线电力传输系统中的无线电力传输过程的状态图；

图60是示出当接收器还没有放置在接口(例如，充电板)上时的检测状态过程的视图；

图61是示出用于将接收器注册在发送器中的过程的视图；

图62是示出分组错误情况的例子的视图，其中，发送器没有接收到从第一接收器接收器1或第二接收器接收器2发送的分组ACK_Frame(ACK帧)；

图63是示出金属物体或杂质(或不符合要求的)设备被置于发送器的接口上的分组错误情况的视图；

图64是示出无线电力传输系统中的配置步骤的正常操作流程的视图；

图65是示出单一接收器的充电操作的视图；

图66是示出在充电状态下从发送器的接口移除单一接收器的过程的视图；

图67是示出与接收器的完全充电或再充电相应的过程的视图；

图68是示出在至少一个接收器(它将被称为第一接收器)已经处于充电状态下的时候注册新的接收器(它将被称为第二接收器)的过程的视图；

图69是示出在多个第一接收器接收器1已经处于充电状态下的时候第二接收器接收器2进入充电状态的过程的视图；

图70是示出多个第一接收器接收器1的充电过程的视图；

图71是示出移除由发送器充电的多个接收器之一的过程的视图；

图72是示出在第一接收器接收器1和第二接收器接收器2的充电过程中对第一接收器接收器1再充电的过程的视图；

图73是示出多个接收器之间的短标识(SID)交换过程的视图；

图74A是示出了超帧的时隙时段的视图；

图74B是示出超帧的时隙时段和竞争时段的视图；

图75是示出检测状态下的定时限制的视图；

图76是示出注册状态下的定时限制的视图；

图77是示出配置状态下的定时限制的视图；

图78是示出充电状态下的定时限制的视图；

图79是示出发送器防止电力传输系统遭受过电流的方法的流程图；

图80是示出发送器防止电力传输系统遭受过电压的方法的流程图；

图81是示出发送器防止电力传输系统遭受过温度的方法的流程图；

图82是示出接收器防止电力传输系统遭受过电压的方法的流程图；

图83是示出在根据本发明的无线电力传输系统的发送器和接收器之间通信的例子的视图；

图84是示出根据本发明的无线电力传输系统中的物理帧结构的视图；

图85是示出访问控制(MAC)帧结构的是视图；

图86是示出根据本发明的分组Notice_Frame(通知帧)的结构的视图；

图87是示出根据本发明的分组Report_Frame(报告帧)的结构的视图；

图88是示出待机状态下分组Report_Frame的结构的视图；

图89是示出充电状态下分组Report_Frame的结构的视图；

图90是示出错误状态下分组Report_Frame的结构的视图；

图91是示出根据本发明的分组ACK_Frame的结构的视图；

图92是示出根据本发明的分组Interactive_Frame(交互帧)的总体结构的视图；

图93是示出根据本发明的分组Interactive_Request_Join_Frame(交互请求加入帧)的结构的视图；

图94是示出根据本发明的分组Interactive_Response_Join_Frame(交互响应加入帧)的结构的视图；

图95是示出根据本发明的分组Interactive_Request_Charge_Frame(交互请求充电帧)的结构的视图；

图96是示出根据本发明的分组Interactive_Response_Charge_Frame(交互响应充电帧)的结构的视图；

图97是示出根据本发明的无线电力传输系统中的星型拓扑结构的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。在以下的描述中，提供诸如详细配置和组件的具体细节只是用于帮助本发明的示例性实施例的整体理解。因此，对本领域普通技术人员应该显而易见的是，可以对这里所描述的示例性实施例做出各种变化和修改而不脱离本发明的范围和精神。

本发明涉及无线电力传输系统，其利用两个设备之间的谐振耦合工作。在根据本发明的电力传输系统中，提供电力的设备被定义为电力发送平台，即电力发送器，而且接收电力的设备被定义为电力接收单元，即，电力接收器。在下面的描述中，为了方便起见，用于提供电力的电力发送平台被简称为“发送器”，而且用于接收电力的电力接收单元被简称为“接收器”。

谐振耦合发生在λ/2π的近场范围内的谐振器之间，而且在本发明中，通过使用谐振耦合现象将无线电力从发送器发送到接收器。通过这样做，发送器可以在无需使用内置在发送器和接收器中的常规的电源线的情况下，向接收器提供电力。此外，使用谐振耦合现象的无线电力传输系统提供了更多有用的优点，诸如与发送器和接收器之间的传统的感应耦合相比，用于阻抗匹配的阻抗的自由放置。根据本发明的无线电力传输系统还向用户提供多个充电的便利，以使得多个接收器同时被充电，从而为用户提供方便。

图1是示出根据本发明的实施例的无线电力传输系统中的发送器和接收器的结构的框图。虽然在图1中未示出，但是发送器10可以用作，例如，发送电力到至少一个接收器20。

发送器10可以包括发送(Tx)谐振器11、Tx匹配电路(匹配L/C)12、Tx电力转换器13，其包括作为电力放大器的E类放大器(Class-EAmp)13-1和驱动器放大器(DriverAmp)13-2、Tx通信单元14以及Tx控制器(MCU控制单元)15。

发送器10从系统单元30接收7-15V的直流电(DC)电压，系统单元30是用于输出7-15V的DC电压的DC适配器。当输入DC电压时，Tx控制器15控制Tx电力转换器13将DC电压转换成交流电(AC)电压，并且放大转换的AC电压。根据实施例，Tx控制器15可以控制Tx电力转换器13的AC电压的放大率。放大的AC电压通过Tx谐振器11被发送到接收器20的接收(Rx)谐振器21。

Tx控制器15控制发送器10的整体操作。Tx控制器15控制发送器10从系统单元30接收DC电压，并且控制Tx电力转换器13以控制放大的AC电压的放大率。当接收器20的充电完成后，Tx控制器15可以控制发送器10不再向接收器20发送电力。根据实施例，Tx控制器15可以控制Tx匹配电路12的阻抗，以方便发送器10的电力传输。Tx控制器15可以利用发送到接收器20的电力来计算从发送器10发送的电力，以计算电力效率。根据计算出的电力效率，Tx控制器15可以控制Tx匹配电路12的阻抗，以最大化电力效率。

Tx通信单元14执行发送器10的有线或无线通信。Tx通信单元14可以从接收器20接收电力供应请求或电力停止请求。

Tx谐振器11与Rx接收器20的Rx谐振器21耦合，以将AC电压谐振为谐振波，从而向接收器20供应电力。

接收器20可以包括Rx谐振器21、Rx匹配电路(匹配L/C)22、Rx电力转换器23、Rx通信单元24和Rx控制器(MCU控制单元)25，其中Rx电力转换器23包括AC/DC整流器(AC-DC整流器)23-1和DC/DC转换器(DC-DC转换器)23-2。

当Tx匹配电路12的阻抗和Rx匹配电路22的阻抗匹配时，Rx谐振器21与发送器10的Tx谐振器11耦合，以便被供应来自发送器10的AC电压。

Rx电力转换器23通过AC/DC整流器23-1将通过Rx谐振器21接收到的AC电压转换成DC电压。Rx电力转换器23通过DC/DC转换器23-2放大变换后的DC电压。Rx电力转换器23允许通过向终端40发送转换的且放大的DC电压，使用DC驱动终端40。

Rx控制器25控制接收器20的整体操作。Rx控制器25控制接收器20发送DC电压，用于驱动与接收器20连接的终端40。

Rx控制器25控制Rx电力转换器23来控制将被放大的DC电压的放大率。Rx控制器25还控制Rx匹配单元22的阻抗，以便于接收通过发送器10的Tx谐振器11发送的电力。

Rx通信单元24执行接收器20的有线或无线通信。RX通信单元13可以自发送器10请求电力供应或电力供应停止。

在本发明中，发送器10可以向多个接收器20供应电力。为此，发送器10包括若干需要仔细考虑的设计参数。最重要的是选择用于电力传输的谐振频率，因为它影响系统的性能以及材料清单(BillofMaterial,BOM)成本。此外，发送器10包括Tx谐振器11或E类放大器13-1，以便高效地向接收器20提供可变的输出电力，而且可以采用开关模式电源(SMPS)方案等。

(谐振频率的选择)

在下文中，将描述发送器10的Tx控制器15确定谐振频率以使得Tx谐振器11可以执行与Rx谐振器21的谐振耦合的方法。

一般情况下，在无线电力传输系统中，由于高电感和低电阻，铁氧体和电感器已经被广泛使用，但是在超过10MHz或更高的频率时成本迅速增加。在这方面，在本发明中，将使用10MHz或更低的谐振频率来实施无线电力传输系统。优选地，在根据本发明的无线电力传输系统中，可以使用6.78MHz的频率来发送和接收电力。

一般情况下，随着谐振频率增加，可以容易地实现具有更高Q值(这是指示谐振频率的选择性的指数)的谐振系统。特别是在MHz频率的范围内，诸如6.78MHz、13.56MHz和27.12MHz的工业科学医疗(ISM)频带频率可以被期望为谐振频率。

为了在有效的场效应晶体管(FET)中设计Coss(internationalcapacitance,国际电容)值，要求高电力电力幅度(PowerAmplitude,PA)。因为降低频率值，所以Coss可用于低成本的FET。与高频带相比，在低频带，FET的独特效率(uniqueefficiency)更好，从而在6.78MHz频率范围内的效率比在27.12MHz频率范围内的效率好约3％。

接收器20(即，AC/DC整流器23-1)中包括的电力二极管整流器需要在Tx谐振器11处感应的AC电力，而且频率越高AC电力感应的效率越低。通过使用在AC/DC整流器23-1中包括的二极管，接收器20可以整流从Rx谐振器21发送到AC/DC整流器23-1的交流电。尽管效率高，但是，在AC/DC整流器23-1中包括的二极管可能降低频率特性。特别地，由于在低频率处自加热增加，因此当考虑自加热效应时，使用超过原始频率约2-3MHz的谐振频率是安全的。最后，在本发明中，为了满足上述条件，将使用6.78MHz频带的谐振频率。

对于本发明中所使用的Tx谐振器11，根据电阻器、电容器和电感器的连接方法，可以考虑两种类型的谐振器。

首先，图2A是串行谐振器的电路图，其中，电阻器(R)、电容器(C)和电感器(L)串联连接。如图2A所示的串行谐振器通常包括有磁性偶极子的小环形天线(loopantenna)。

图2B是并联谐振器的电路图，其中，电阻器(R)、电容器(C)和电感器(L)并联连接。如图2B所示的并联谐振器通常包括具有磁性偶极子的小线形天线(wireantenna)。可以根据电感器(L)控制图2A所示的串行谐振器或图2B所示的并联谐振器的谐振频率，而且谐振频率的品质因数的可以被定义为：

$Q=\frac{R}{\mathrm{\ω}L}\mathrm{...}\left(1\right)$

同时，为了最小化无线电力传输对人体的影响，在近场中具有主导磁场的串行谐振器是合适的。这是因为，人体和世界上几乎所有材料都是非磁性的材料。

为了实施人造超材料传输线(MTL)，人造通孔、缝隙和抽头可以被添加到发送器10的典型的传输线(未示出)。在以下描述中，将描述通过使用MTL设计Tx谐振器11的两种方法。第一种方法是电单负(ENG)MTL，而且第二种方法是磁单负(MNG)MTL。

图3A是示出ENGMTL的电路图，并且图3B是示出MNGMTL的电路图。

如图3A所示，可以通过向传输线等效电路添加并联电感L'_L来实现人造ENG传输线。

如图3B所示，可以通过向传输线等效电路添加串行电容(C'_L，C'_R)来实现人造MNG传输线。假设根据本发明的Tx谐振器11是无损传输线，则得出传输线的传播常数为其中Z′和Y′分别是具有单位长度的阻抗和导纳。一旦计算了传播常数，就计算传输线的磁导率μ和介电常数ε。磁导率和介电常数可以表示如下：

$\mathrm{\μ}=\frac{z^{\′}}{j\mathrm{\ω}}:{\mathrm{\μ}}_{ENG}={L^{\′}}_R,{\mathrm{\μ}}_{MNG}={L^{\′}}_R-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_L^{\′}}\mathrm{...}\left(2\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{Y^{\′}}{j\mathrm{\ω}}:{\mathrm{\ϵ}}_{MNG}=G_R^{\′},{\mathrm{\ϵ}}_{ENG}=G_R^{\′}-\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_L^{\′}}\mathrm{...}\left(3\right)$

在公式(3)中可以看出，ENG传输线的磁导率μ在任何时候都是正值，但是介电常数ε取决于频率可以是零、负、正。类似地，正像ENG传输线一样，MNG传输线的磁导率具有零、负和正值。

结果，ENG和MNG传输线中的每一个在低频具有阻带。这是因为当传输线的频率增加时，介电常数ε和磁导率μ分别变为零，从而每个传输线的传播常数可能变成零。这样，传播常数变为零，并因此，两个传输线，即，ENG和MNG传输线，具有无限值的波长。

下面给出Tx谐振器11的谐振频率。

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\ω}}_B=\frac{1}{\sqrt{L_L{C}_n}},{\mathrm{\ω}}_M=\frac{1}{\sqrt{L_R{C}_L}}& {\mathrm{\ω}}_E=\frac{1}{\sqrt{L_L{C}_R}},{\mathrm{\ω}}_M=\frac{1}{\sqrt{L_R{C}_L}}\end{array}\mathrm{...}\left(4\right)$

一般情况下，谐振器的谐振频率取决于谐振器的大小，从而很难调谐频率和制造小的谐振器。图4是示出谐振频率的特性的图。参照图4，通过ENG和MNG的零阶谐振，可以在对谐振器的大小没有任何限制的情况下设计谐振器。例如，由于超材料谐振器的谐振频率与谐振器的大小无关，因此容易制造小的谐振器和调谐频率。

同时，根据ENG和MNG传输线的谐振器分别在近场中具有主导电场和磁场。根据MNG传输线的谐振器在近场中具有主导磁场，因为根据MNG传输线的谐振器对其他材料，尤其是人体影响很小，所以它适合无线电力传输系统。

(MNG传输线(TL)谐振器)

超材料谐振器的主要好处是，它的谐振频率不依赖于谐振器的实际大小。例如，对于螺旋(Helix)谐振器，为了获得10MHz的谐振频率，需要直径为0.6米的谐振器。同样地，对于螺旋线圈结构的谐振器，需要相同直径的谐振器。一般情况下，为了降低接收器的谐振频率，应该增加谐振器的大小。这样的缺点不符合满足便携式无线电力传输系统的要求。

图5是示出超材料MNG谐振器的例子的视图。

MNG谐振器基本上由MNG传输线和电容器组成。在本发明中，电容器被放置在MNG传输线中的随机位置处，而且由电容器捕获电场。此外，电流流过MNG传输线。当谐振器远小于波长时，电流变得均匀，与MNG传输线的位置无关。因此，可以按照电流的方向从谐振器的中心到y轴方向形成强烈的磁场。

如图5所示，MNG谐振器通常具有3维结构。然而，如果MNG传输线被放置在x-z表面，则谐振器可以具有2维结构。为了高效率，谐振器需要使用具有非常小的欧姆损耗的结构。当谐振器具有2维结构以减少相应的欧姆损耗时，传输线的宽度可以在x轴方向或z轴方向增加或者可以使用并联结构的谐振器。

在实际的设计过程中，可以通过集总元件或分布式元件将电容器插入到MNG传输线，所述电容器是在中心具有高介电常数板的叉指电容器(inter-digitalcapacitor)或间隙电容器(gapcapacitor)。将电容器插入到MNG传输线使得谐振器表现出超材料的特性。

通过利用MNG传输线的固定的传输线长度和MNG谐振器的谐振器大小改变电容，可以容易地实现谐振频率。MNG谐振器优选地包括处于馈通(feedthrough)的匹配设备b1。匹配设备b1的环的大小需要是可调节的，如图5所示。在这种情况下，匹配设备可以调节与MNG谐振器磁耦合的磁强度。输入到连接器的电流通过匹配设备b1流到MNG谐振器。

为了匹配发送器10和接收器10之间的谐振频率而且为了提高效率，在根据本发明的谐振器中，内环的顶部杆b1可以向上和向下移动。图6是示出根据本发明的两种类型的MNG谐振器的结构的视图。参照图6，在根据本发明的谐振器中，内环的顶部杆b1可以向上和向下移动，而且内环的左杆b2和右杆b3还可以向左和向右移动。

图7是示出根据本发明的Tx谐振器的例子的视图。根据本发明的谐振器还优选地实现宽区域匹配特性。因此，Tx谐振器11可以以如图7所示的三叶草(clover)的形式实现。表1和表2中列出了根据本发明的谐振器的机械和电气参数。

[表1]

参数	符号	值
			材料	-	铜
宽度	dx	200mm
			长度	dy	200mm
厚度	dz	2mm
			外环宽度	dw	10mm
内环宽度	di	5mm.
			内外环间隔	dc	5mm
电容器	C	1230pF
			参数	符号	值

表2

参数	符号	值
			材料	-	铜
宽度	dx	200mm
			长度	dy	200mm
厚度	dz	2mm
			外环宽度	dw	10mm
内环宽度	di	2mm
			内外环间隔	dc	3mm
内角宽度	da	50mm
			内角间隔	db	5mm
电容器	C	5700pF

(电力放大器)

图8A至图8C是示出在A类放大器、B类放大器和E类放大器的每一个中所包括的晶体管的漏极和源极之间的电压和电流的图。一般情况下，放大器的效率主要由于电力损耗而降低，所述电力损耗可以利用将晶体管的漏极和源极之间的电压和电流相乘来计算。参照图8A至图8C，理论上，在如图8C所示的E类放大器中，可以实现100％的最大效率。因此，在本发明中，发送器10被设计成包括E类放大器13-1。

图9是示出E类放大器13-1的电路图，它是开关型的电力放大器。图10是示出当图9所示的开关型电力放大器执行开关操作时的电压波和电流波的图。如图10所示，E类放大器13-1是开关型电源放大器，它可以通过执行开关操作来消除电压波和电流波的重叠，以使得E类放大器13-1的电力损耗可以被最小化。根据实施例，在图9所示的E类放大器13-1中，为了减少在一个开关周期期间电容器C'_S的能量损耗，零电压开关应该发生，也就是说，开关应该发生在零电压。

图11是示出在E类放大器13-1中的FET的漏极和源极之间的内部电容器Coss和外部并联电容器C'_S之间的电压的图。

参照图11，Coss和C'_S的总和可以是E类放大器13-1的特征电容，而且Coss和C'_S的总和的最佳值Copt可以从由下式表达的Cs推导：

$C_S=C_{oss}+C_S^{\′}=\frac{P_{out}}{{\mathrm{\π\ωV}}_{DD}^2}\mathrm{...}\left(5\right)$

然而，即使使用公式(5)时，也不容易在V_DD的范围以内找到具有Coss小于Copt的合适的MOSFET。

例如，对于374pF和15pF的Copt，为了设计具有10W输出电力的E类放大器13-1，V_DD应该分别是10V和50V。然而，对于10V和50V的V_DD，典型的MOSFET分别具有1100pF和250pF的Coss。

因此，当执行零电压开关(ZVS)操作时，MOSFET的Coss具有比Copt更大的值。因此，在本发明中，使用了具有比典型的MOSFET的Coss小得多的Coss的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)类型。

在下文中，将描述图9中所示的E类放大器13-1。首先，RF扼流电感器的电感应该在谐振频率足够大，而且电感器的小的直接转换接收器(DCR)是优选的。FET的击穿电压应该大于由公式6给出的FET的源极处的峰值到峰值电压。Copt可以如在公式7中利用代替V_DD的Vp来表示。R_LOAD(R_负载)和L_Load(L_负载)可以通过公式8和公式9计算。

V_p＝3.562V_p……………………(6)

$C_s=\frac{P_{out}}{0.2476{\mathrm{\ωV}}_p^2}\mathrm{...}\left(7\right)$

$R_{LOAD}=\frac{8}{\mathrm{\π}({\mathrm{\π}}^2+4)}\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_s}\mathrm{...}\left(8\right)$

$L_{LOAD}=\frac{{\mathrm{\π}}^2-4}{2({\mathrm{\π}}^2+4)}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_s}\mathrm{...}\left(9\right)$

然而，谐振器的特征阻抗被设计成50Ω，它与负载阻抗不匹配。因此，如果特征阻抗和负载阻抗彼此不一致，则在设计谐振的匹配电路时应该消除E类放大器13-1的2次和3次谐波。因此，在本发明中，如图12所示，在E类放大器13-1和谐振器之间插入阻抗匹配电路。图12是示出根据本发明的Tx匹配电路12，即，阻抗匹配电路的例子的电路图。通过图12所示的阻抗匹配电路，本发明可以实现具有更高效率的E类放大器13-1。图12是示出输出匹配电路的电路图。图12中所示的各组件的值可以通过下面的公式计算，特别是，电感L_add的值可以计算为：

$\begin{array}{c}{Z}_{opt}^{\′}=\frac{R(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_1)}{(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_1)+{\left({\mathrm{\ωRC}}_1\right)}^2}\[(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_1)-{\mathrm{j\ωRC}}_1\]\\ Z_{opt}^{\′}=\frac{\frac{3}{4}R}{\frac{9}{16}+{\left({\mathrm{\ωRC}}_1\right)}^2}\[\frac{3}{4}-{\mathrm{j\ωRC}}_1\]=R_{LOAD}+{\mathrm{jX}}_{LOAD}-{\mathrm{j\ωL}}_{add}\\ L_1{C}_1=\frac{1}{{\left(2{\mathrm{\πf}}_{2nd}\right)}^2}=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\ω}\right)}^2}\\ C_1=\frac{1}{\mathrm{\ω}R}\sqrt{\frac{9}{16}(\frac{R}{R_{LOAD}}-1)},L_1=\frac{1}{{\left(2\mathrm{\ω}\right)}^2{C}_1}\\ L_{add}=\frac{X_{LOAD}}{\mathrm{\ω}}+\frac{\frac{3}{4}{R}^2{C}_1}{\frac{9}{16}+{\left({\mathrm{\ωRC}}_1\right)}^2}\end{array}\mathrm{...}\left(10\right)$

以相同的方式，在本发明中，为了增加如公式11所示的电力放大器效率(PAE)，输入匹配是必要的。图13是示出输入匹配电路的电路图。在图13，假设施加到晶体管的栅极的电容是电容器C_iss。谐振输入驱动电路被设计为去除C_iss的影响。

$PAE=\frac{(P_{out}-P_{in})}{P_{DC}}\mathrm{...}\left(11\right)$

图14是示出包括上述匹配电路的E类放大器13-1的最终等效电路的电路图。图14的电路中所包括的各组件可以具有，例如，在下面的表3中列出的值。图15是示出根据本发明制造的E类放大器1301的原型的视图。

[表3]

(电力跟踪SMPS)

图16是一般发送器10的框图。参照图16，发送器10包括射频(RF)信号发生器、可变增益放大器和电力放大器，而且可以利用来自系统单元30(例如，SMPS)的固定的电源电压供电。

发送器10的Tx控制器15调节E类放大器13-1的输入电平，以满足接收器20所要求的输出电力。从SMPS输出的固定的电源电压被提供到电力放大器。一般在最大输出电力的范围的周围获得发送器10的最大效率。此外，传输效率在低输出电力的范围中迅速下降。

为了克服这个问题，在本发明中，发送器10可以包括电力跟踪SMPS，以在输出电力的所有的范围内保持高效率，如图17所示。参照图17，发送器10包括RF信号发生器、固定增益放大器和E类PA，而且可以被提供有来自电力跟踪SMPS的固定的电源电压。发送器10的输出电力取决于由来自发送器10的电力供电的接收器20的数量。

图18是示出图17所示的电力跟踪SMPS的结构的框图。参照图18，电力跟踪SMPS可以包括整流器和DC/DC转换器。参照图18的描述，60Hz的220VDC电压被输入到整流器并且被转换成AC电压。转换后的AC电压被输入到DC/DC转换器，并且在被转换成DC电压之后输出。在图18中，从DC/DC转换器输出的电压是5-25V的V_DD。

图19是示出根据本发明的用于在发送器10处生成6.78MHz频率的频率生成器的结构的框图。参照图19，频率发生器包括锁相回路(PLL)块、低通滤波器(LPF)和驱动器。在PLL块处生成的电力信号的频率由在Tx控制器15处发送的“PLL_cont”信号控制。在PLL块中生成的RF信号被具有10MHz的截止频率的LPF滤波，以减少谐波和噪声。滤波后的RF信号被输入到驱动器。为了使电力放大器，即，E类放大器13-1输出足够的电流，可以将足够的电流提供给驱动器。

(电力传输系统中的发送器或接收器的保护方法)

根据本发明的电力传输系统通过使用发送器10和接收器20之间的谐振现象来发送和接收电力。然而，电力传输系统的谐振频率可能受到不希望的意外或异常操作的影响，而且这可能使电力传输系统陷入致命的问题。例如，由于不适当的对象进入或误放在发送器10的接口(例如，充电板(未示出))上而导致的耦合特性的变化降低电力传输的效率。因为发送器10不得不增加输入电力以维持输出电力，所以电力放大器(即，E类放大器131)中包括的晶体管的驱动电压应该增加。随着驱动电压增加，晶体管可能达到击穿电压。结果，晶体管的增加的电压可能由于过电压、过电流和过温度而对发送器10造成严重问题。因此，在本发明中，提供了用于保护电力传输和接收系统的系统保护功能。

图20是示出根据本发明的发送器中的过电压保护电路的例子的电路图，而且图21示出了用于示出过电压保护电路的基本工作原理的电路。

参照图21，将描述FET漏极的DC偏置电压和谐振器的AC输出电压。在不造成电力放大器的性能损耗的情况下，由高阻抗电阻分压器对DC偏置电压和AC输出电压采样。在监测谐振器电压的情况下，由半整流器将AC采样的输出电压整流为DC电压。两个监测的电压，即，DC偏置电压和AC输出电压的值，被发送到Tx控制器15。然后，如果这些监测的电压电平，即，DC偏置电压和AC输出电压的电压电平高于各自的阈值，则需要保护。对于OVP，Tx控制器15将用于减小FET的漏极偏置电压的控制信号发送给SMPS。然后，发送器10开始再充电并且监测所述监测电压电平是否超过各自的阈值。如果过电压再次发生，则Tx控制器15可以关闭发送器10的操作。

图22是示出根据本发明的发送器中的保护电路的另一个例子的电路图。

图22中示出的电路是用于防止电路遭受过电流的保护电路的例子。因为电力设备，即，发送器10，具有导通电阻(on-resistance)，所以即使在电力器件操作为开关的高效的电力放大器中，也以接通方式将小的电压施加到电力器件。施加到电力器件，即，发送器10的电压的电压电平与发送器10中流动的电流的电平成比例。因此，当过电流流过时，施加到发送器10的电压电平增加。由于电压电平需要在发送器10上电的开启状态下测量，因此用于检测电压电平的开关可以被包括在本发明的当前实施例中。这个开关由具有输入信号的同步脉冲控制，从而希望的脉冲开启/关断时间可以由具有滞后现象的比较设备(未示出)控制。比较设备可以以包括在Tx控制器15中的形式实现。

由于开启模式中的电阻很小，因此开关的输出电压电平也很低。因此，在当前实施例中，还可以包括用于放大开关的输出电压的放大器。通过使用通过放大器放大的信号，也就是说，开关的输出电压，Tx控制器15确定是否需要电路的保护。当发送器10的峰值电流电平增加时，由放大器放大的信号的峰值电压，即，开关的输出电压也增加，从而Tx控制器15可以通过设置适当的滞后阈值电平来设置保护水平。

图23是根据本发明的发送器中的保护电路的又一个例子的电路图。

图23中所示的电路是过温度保护电路。参照图23，该电路包括靠近FET开关以检测发送器10的过温度的温度传感器(例如，热敏电阻)。根据实施例，TMP302B系列温度传感器开关可以被作为温度传感器。当环境温度上升到特定温度时，温度传感器开关的输出从高电平切换到低电平。这样，当温度传感器开关的输出切换到低电平时，Tx控制器15识别出过温度发生。Tx控制器15将与施加到FET的命令相对应的SMPS控制信号施加到电压V_DD，作为空闲模式状态电压。当施加到FET的电压降低时，Tx控制器15可以在降低过温度的同时保护发送器10。

根据实施例，可能出现除了发送器10以外的杂质(contaminant)。假设除了发送器10以外的杂质出现在无线电力传输系统的Tx谐振器11上，而且Tx电力通过Tx谐振器11发送到接收器20。当以这种方式发送电力时，可能在发送器10中生成涡电流，从而金属的表面温度可能增加并损坏系统。

发送器10确定引起涡电流的材料，即，金属杂质是外来物质还是Rx谐振器21，以控制电力传输。当特定杂质出现在Tx谐振器11上时，发送器10内部的电压或电流可以由于杂质所引起的不同的谐振阻抗而改变。在发送器10识别出不同的谐振阻抗的变化时，发送器10将用于通知阻抗的变化的控制信号发送到接收器20。

接收器20接收从发送器10发送的控制信号和电力，例如，电信号。然而，如果杂质是金属杂质，则发送器10不能发送控制信号。发送器10的Tx控制器15可以确定置于Tx谐振器11上的杂质是接收器20还是其它物质。

根据实施例，电力传输系统的Q值和谐振频率可以容易地受到干扰Tx谐振器11的谐振导体周围的电磁场的金属的影响。在发送器10的Tx谐振器11的情况下，电磁场的干扰可以大幅降低Tx谐振器11的性能。因此，对发送器10或接收器20实施电磁屏蔽技术以最小化外部环境对发送器10的影响是至关重要的。

(电力传输效率(PTE))

为了检查根据本发明的电力传输系统中的发送器10的性能，将描述相对于电力放大器(它是E类放大器13-1)、SMPS和Tx谐振器11做出的模拟。

图24是示出在根据本发明的电力传输系统中用于接收DC电力的接收器20的DC电力相对于从发送器10发送的DC电力的比率的视图。由发送器10发送到接收器20的电力将被称为“DC发送电力”，而且DC传输电力当中由接收器20实际接收到的电力将被称为“DC接收电力”。

发送器10的发送器电子效率(TransmitterElectronicEfficiency,TEE)可以被定义为发送器10的AC输出相对于从SMPS输入到发送器10的DC输入(TxDC输入)的比率。下面提供的公式(12)旨在获得TEE。

谐振耦合效率(RCE)可以被定义为Tx谐振器11和Rx谐振器21之间的谐振耦合的效率，即，从Tx谐振器11输出的AC电力(TxAC)和输入到Rx谐振器21的AC电力(RxAC)之间的比率。下面提供的公式(13)旨在计算RCE。接收器电子效率(REE)可以被定义为从接收器20输入的AC电力(RxAC输入)和从接收器20输出的DC电力(DC输出)之间的比率。公式(14)旨在获得REE。电力传递效率(PTE)是TEE、RCE和REE相乘的函数，如公式15所示。

PTE＝TEE×RCE×REE···················(15)

作为发送器10的实现结果，即使电力放大器，即，E类放大器13-1具有88％的效率，轻微的损耗仍然发生。图25是用于描述在发送器10中发生的损耗的电路图。

通过谐振栅极驱动和零电压开关(ZVS)已经去除输入和输出电容，但是如图25所示，由扼流电感器(Lchoke)的DCR、晶体管的漏极和源极之间的电阻R_DS和电感L的电子自旋谐振(ESP)造成的损耗没有被去除。图25是用于描述在电力放大器中发生的剩余损耗的电路图，而且表4示出与Q值L_T相对应的电力放大器(PA)，即，E类放大器13-1的效率。

[表4]

Q值LT	PA效率
		理想值	86％
70	82％
		30	78％
10	66％

当只考虑R_DS时，则E类放大器13-1的效率可以达到95％。然而，如果还包括电气串联电阻(ESR)，则可以实现高达约86％的效率。为了进一步提高电力放大器的效率，可以看出电力放大器的效率根据Q值变化。

当Q值增加时，电力放大器可以具有更高的效率。为了在保持小的厚度(小于15mm)的同时增加串联电感器的Q值，可以并联连接高Q电感器，如图26所示。图26示出了并联连接电感器L_P1、L_P2和L_P3以增加Q值的电路。如图26中所示，当如图26中所示的电感器L_P1、L_P2和L_P3并联连接时，ESR可以减少而且Q值可以增加约5。图27是示出按照电力放大器的效率的输出电力的电平的图。

当如图26中所示的并联的电感器L_P1、L_P2和L_P3施加到电力放大器时，源自ESR的损耗减少，从而电力放大器的效率可以从88％增加至89％。

同时，由于从SMPS角度来看E类放大器13-1被认为是16Ω负载，所以可以在输出负载处利用16Ω阻抗根据输出电力估计SMPS的效率。例如，SMPS在输入9V电压的低模式操作方式中具有约67％的效率。在输入15V的高模式操作方式中，SMPS可以具有80％的SMPS效率。

表5示出了根据输出电力V_DD的SMPS效率。

[表5]

VDD(V)	IDD(A)	PAC(W)	效率(％)
				8	0.501	6.3	63.61
9	0.569	7.63	67.11
				10	0.634	9.18	69.07
11	0.697	10.84	70.72
				12	0.761	12.66	72.13
13	0.825	14.47	74.11
				14	0.887	16.18	76.74
15	0.95	17.76	80.23

图28是示出用于测量包括6.78MHz频率发生器和电力放大器的发送器10的效率的电路的电路图，而且图29是示出在图28中所示的电力放大器中生成的谐波的振幅的图。

图28中所示的电路图在3-10W的输出电力范围内具有约65％的效率。图29示出了相对于6.78MHz的中心频率×2或×3的频率的输出谐波的振幅。输出谐波在二次谐波处是-52.51dBc而且在三次谐波处是-35.29dBc。

如上所述，根据本发明的发送器10可以在低模式操作方式(9V输入电压)中具有约67％的SMPS效率，而且在高模式操作发方式(15V输入电压)中具有约80％的SMPS效率。因此，在电流发送器10中存在2种操作模式，即，低/高模式操作。表6总结了在根据本发明的低模式或高模式中发送器10的输入电压/输入电流/输入电力。

[表6]

模式	输入电压	输入电流	输入电力
				低模式	9V	0.569A	7.63W
高模式	15V	0.95A	17.76W

图30A和图30B是示出在根据本发明实施的发送器10和接收器20中包括的谐振器11和21的视图。表7分别示出了图30A和图30B中所示的发送器10和接收器20的尺寸。

[表7]

在发送器10的谐振器11和接收器20的谐振器21二者中，电容器被并联连接，而不是使用单一的电容器，以减少总电气串联电阻(ESR)值。在接收器20的情况下，并联导体结构被用来降低导体的电阻。发送器10的谐振器11和接收器20的谐振器21的大小和特性如表7中所描述的。f0代表谐振器11和21的谐振频率。在3dB带宽的f0的情况下，下限和上限频率分别被定义为f1和f2。发送器10和接收器20的Q值分别是约“-900”和“-200”。当将插入到设备中的接收器20放在Rx谐振器21上时，可以测量AQ因子。

图30B示出了可以被插入到移动通信终端中的接收器20的Rx谐振器21的例子。参照图30B，屏蔽片(μ＝130，μ”＝1.15，损耗正切＝0.00884)被放置在Rx谐振器21下方。掩蔽剂(maskingreagent)的大小比Rx谐振器(74mm×44mm)大2mm。另外，掩蔽剂的厚度可以被设置为1mm。

在为移动通信终端充电的情况下，希望的是，当发送器10和接收器20封包在一起时，在发送器10和接收器20之间具有3mm或更多的传输距离的情况下测量耦合特性和传输效率。此外，移动通信终端可以被实现，以使得通信模块、整流器和匹配电路被插入到移动通信终端中。

图31是示出测量接收器20(它是单一接收器)的耦合特性和传输效率的测量配置的视图。Rx谐振器21耦合到与E类放大器13-1连接的Tx谐振器11，其中6.78MHz的信号源、电压V_DD和电流I_DD被施加到E类放大器13-1。Rx谐振器21连接到Rx负载(它是Rx匹配网络)以及电动加载器。这样的组件可以被插入到移动通信终端中，如图32所示。

图32是示出用于测量从Rx谐振器21输入的信号的测量范围的视图。为了测量Rx谐振器21处的谐振能量，Rx谐振器21可以被分成两部分，而且在被分成除了如图32中的对称部分以外的9个区域1至9之后被测量。考虑移动通信终端的大小和安装在移动通信终端中的Rx谐振器21的位置，区域(5)、(7)和(8)对应接收器20的Rx谐振器21可以位于的中心位置。表8示出了考虑Rx谐振器21处的电力放大器的效率的模拟的效率、测量的效率和DC/DC效率。在接收器20是单一接收器的情况下，效率分布被测量为74.35％-91.83％。

[表8]

图33是示出用于测量输入到多个接收器20(即，多个接收器)中的每一个接收器20中所包括的Rx谐振器21的信号的测量区域的视图。参照图33，在图33中所示的测量区域中，对3个接收器对称地和非对称地定位时的测量位置进行描述。在图33中，假设T表示发送器10中包括的谐振器11的顶部，C表示中心，而B表示底部。在图33中，相对于Tx谐振器11，示出了位于T1处的移动通信终端、位于B2处的移动通信终端和位于C3处的移动通信终端。在图33中，从中心到边缘的位置由数字从0到7表示。

表9示出了在多个接收器的情况下每个测量区域中接收器20的电力接收效率和电力分布。

[表9]

从表9中可以看出，对称的多个接收器的模拟的和测量的效率分别是具有8％或更小的差异的81.11％-90.53％以及80.24％-88.1％。如表9中所示，对于2个接收器20，电力分布良好。还可以从表9中看出，在非对称的多个接收器的情况下，总效率被测量为84％-86.59％，而且对于2个接收器20，电力也分布良好。

(接收器)

在下文中，将描述基于两个谐振器(即，发送器10的Tx谐振器11和接收器20的Rx谐振器21)之间的近场磁感应的电力传输系统。如图1所示，根据本发明的接收器20可以包括Rx谐振器21、AC/DC整流器23-1、DC/DC转换器23-2、Rx通信单元24、Rx控制器25，而且还可以包括保护电路。

(接收器的Rx谐振器)

根据本发明的实施例，Rx谐振器21可以被实现为磁单负传输线谐振器。由铜制成的MNGTL谐振器包括具有串联电容器的内环和外环。因此，MNGTL谐振器可以通过移动内环的位置来控制匹配性，以用于更好的谐振效率。

此外，MNGTL谐振器中包括的数十个串联电容器也可以用于低等效串联电阻。就像发送器10的Tx谐振器11一样，接收器20的Rx谐振器21也可以包括在近场中具有主导磁场的磁偶极子以避免人体影响。此外，可以容易地通过电容值来调谐频率的串联谐振适用于接收器20的Rx谐振器21。

图34是示出根据本发明的可利用Rx谐振器21实现的MNGTL谐振器的视图。为了匹配谐振频率并增加谐振效率，MNGTL谐振器可以将“内环”的顶部向上和向下移动。

在表10中，示出了MNGTL谐振器的参数。图35示出了根据本发明的被实现为Rx谐振器21的MNGTL谐振器。

[表10]

(接收器的AC/DC整流器)

为了使AC/DC整流器23-1在1MHz或更高的RF频带具有90％或更高的效率，AC/DC整流器23-1中主要包括的二极管优选地是肖特基(Schottky)二极管。肖特基二极管具有低压降和较快的速度，这是因为，由于电荷由多数载流子携带，所以没有由少数载流子导致的电荷累积。因此，1MHz-15MHzRF频带中谐振式无线电力接收优选地使用具有低压降的肖特基二极管。

图36是示出肖特基二极管和肖特基二极管的等效电路的视图。肖特基二极管包括需要用来导通理想二极管的电压器V_on和电阻器R_on，该电阻器R_on的特性随着施加到肖特基二极管的电流而变化。取决于制造商和制造工艺，存在不同的肖特基二极管。为了设计根据本发明的高效整流电路，希望选择在特定电流电平处具有低于特定值的压降的肖特基二极管。

图37A和图37B是示出可用于电力传输系统的肖特基二极管的电流电平和电压电平的图。图37A所示的肖特基二极管(下文中称为第一肖特基二极管)和图37B所示的肖特基二极管(下文中称为第二肖特基二极管)是由不同公司制造的。

参照图37A和图37B，随着电流电平增加，压降也增加。图37A示出了第一肖特基二极管的曲线f0。参照图37A，当电流为0.5A时，第一肖特基二极管的压降变为0.48V。图37B示出了第二肖特基二极管的曲线f0。对于第二肖特基二极管，当电流为0.5A时，第二肖特基二极管的压降是0.3V。

图38是全波桥式二极管整流电路的电路图。全波桥式二极管整流电路在一条路径中具有两个二极管，如果该实施采用第一肖特基二极管，则当0.5A电流流动时压降变为2×0.48＝0.96V。因此，在第一肖特基二极管处消耗的电力是0.96V×0.5A＝0.48W。假设，在负载处消耗的电力是2.5W而且接收器20的效率是80％，则输入RF电力是2.5÷0.8＝3.125W，从而使用第一肖特基二极管的全波桥式二极管整流电路的最终效率可以由下式给出：

${\mathrm{\η}}_{\left(a\right)rectifier}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.48}{3.125}=84.6\%\mathrm{...}\left(16\right).$

通过使用第二肖特基二极管可以实现全波桥式二极管整流电路。当使用第二肖特基二极管时，当0.5A电流流动时压降变为2×0.3＝0.6V。因此，第二肖特基二极管消耗的电力为0.6V×0.5A＝0.3W。假设，在负载处消耗的电力是2.5W而且接收器20的效率是80％，则输入RF电力是2.5÷0.8＝3.125W，从而使用第二肖特基二极管的全波桥式二极管整流电路的最终效率可以由下式给出：

${\mathrm{\η}}_{\left(b\right)rectifier}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.3}{3.125}=90.4\%\mathrm{...}\left(17\right).$

从公式16和17可以看出，为了实现具有90％或更高效率的全波桥式二极管整流电路，使用第二肖特基二极管是理想的。

图39和图40是通过使用信号发生器来测试全波桥式整流电路的电路图。当通过使用信号发生器来测试全波桥式整流电路时，如图39所示，来自信号发生器的信号被连接到全波桥式整流电路的地并因此不能作为差分信号。因此，当测试全波桥式整流电路时，需要诸如不平衡变压器(Balun)的齐格(Zig)测量单元。图40示出了包括齐格测量单元的全波桥式整流电路。

图41A和41B是示出由不同公司制造的双二极管的电压电平和电流电平的图。如图41A所示的肖特基二极管将被称为第一双二极管，而且如图41B所示的肖特基二极管将被称为第二双二极管。第一双二极管和第二双二极管通过使用并联二极管(即，双二极管)将电流分成两路来减少压降。

在第一肖特基二极管的情况下，当电流为0.5A时，第一肖特基二极管的压降是0.48V。当0.25A的电流被施加到双二极管全波桥式整流电路中的每条路径时，如果使用其中两个二极管并联连接的第一双二极管，则每个二极管的压降变为0.4V。因为在双二极管全波桥式整流电路的每条路径中具有串联连接的2个二极管，所以总压降为2×0.4＝0.8V。因此，二极管的功耗是0.8V×0.5A＝0.4W。假设在负载处消耗的电力是2.5W而且接收器20的效率是80％，则输入RF电力是2.5÷0.8＝3.125W，从而使用第一双二极管的双二极管全波桥式二极管整流电路的总效率可以由下式给出：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{\left(a\right)rectifier2}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.4}{3.125}=87.2\%\\ {\mathrm{\η}}_{\left(a\right)rectifier2}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.4}{3.125}=87.2\%\end{array}\mathrm{...}\left(18\right)$

另外，在第二肖特基二极管的情况下，如果电流为0.5A，则第二肖特基二极管的压降变为0.3V。如果使用第二双二极管，当0.25A电流在双二极管全波桥式整流电路的每条路径中流动时，每个二极管的压降是0.26V。由于在双二极管全波桥式整流电路的每条路径中存在2个串联二极管，因此总压降为2×0.4×0.26＝0.52V。因此，二极管的功耗是0.52V×0.5A＝0.26W。假设在负载处消耗的电力是2.5W而且接收器20的效率是80％，则输入RF电力是2.5÷0.8＝3.125W，从而使用第二双二极管的双二极管全波桥式整流电路的总效率可以由下式给出：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{\left(b\right)rectifier2}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.26}{3.125}=91.6\%\\ {\mathrm{\η}}_{\left(b\right)rectifier2}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.26}{3.125}=91.6\%\end{array}\mathrm{...}\left(19\right)$

从上面可以看出，当使用双二极管设计整流器时，整流器的效率增加2％-3％。假设使用其中3个第一肖特基二极管并联连接的并联二极管。在第一肖特基二极管的情况下，当存在0.5A的电流时，第一肖特基二极管的压降变为0.48V。当0.17A电流流过全波桥式整流电路的每条路径时，当使用3个并联二极管时的每个二极管的压降是0.38V，从而全波桥式整流电路的总效率由下式给出：

${\mathrm{\η}}_{\left(a\right)rectifier3}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.38}{3.125}=87.8\%$

${\mathrm{\η}}_{\left(a\right)rectifier3}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.38}{3.125}=87.8\%\mathrm{...}\left(20\right)$

假设使用其中3个第二肖特基二极管并联连接的并联二极管。当存在0.5A的电流时，第二肖特基二极管的压降变为0.3V。当0.17A电流流过全波桥式整流电路的每条路径时，当使用3个并联二极管时的每个二极管的压降是0.25V，从而全波桥式整流电路的总效率由下式给出：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{\left(b\right)rectifier3}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.25}{3.125}=92\%\\ {\mathrm{\η}}_{\left(b\right)retifier3}=\frac{\left|P_{RF}\right|-P_{2\×Drop}}{\left|P_{RF}\right|}=\frac{3.125-0.25}{3.125}=92\%\end{array}\mathrm{...}\left(21\right)$

因此，如果使用其中3个第一或第二肖特基二极管并联连接的并联二极管，则与双二极管相比效率只增加有0.4％-0.6％。因此，考虑芯片大小和成本增加，使用3个并联二极管可能是低效的。然而，上述值对应于理想状态，以使得在实际测量中必须考虑到许多寄生因素(parasticfactor)。因此，使用3个并联二极管的全波桥式整流电路的总效率可以不同于上述值。

同时，使用金属氧化物半导体(MOS)晶体管的有源整流器被用来增加诸如无线电频率识别(RFID)的无线电力传输系统中的电力效率。RFID单独需要最多几十mW电力，从而与无线电力传输系统存在非常大的电力差。然而，除了输出电力幅度，具有MOS晶体管的有源整流器的优点也可以适用于无线电力传输系统。具有MOS晶体管的有源整流器可以被分为2类。一类使用MOS晶体管作为二极管连接，另一类使用MOS晶体管作为开关。如果使用具有二极管连接的MOS晶体管，则当典型的二极管被用于整流器时出现同样的问题。因此，为了增加电力效率，应该将MOS晶体管用作开关。

图42是示出使用MOS晶体管作为开关的全波有源整流器的例子的电路图。当V_in大于|V_tp|或小于-|V_tp|时，则M_P1和M_P2导通以用于为电力供应准备V_out。假设V＝0，V_in大于0V而且电压随着时间变得更大。当V_in变得大于|V_tp|时，M_P1导通。由于V_in大于0V，因此V_in2变得小于0V，从而CMP2的输出变高而且M_n2导通。

现在，假设V_in随着时间而降低。如果V_in降低而且V_in2变得小于0V，则M_n2应该截止，然而，CMP2的输出变为0V需要有限时间。同时，M_P1和M_n2二者均导通。由于V_in已经从峰值下降，因此它具有低于V_out的电压。

结果，电流从V_out流到V_in从而生成反向漏电流。这可以严重降低电力效率。为了解决这个问题，V被设置为高于0V，从而使M_n2(M_n1)应该首先被截止。这样可以提高电力效率，然而，将这个方法应用于无线电力传输系统具有很多限制。由于从无线电力传输系统接收到的电压的振幅在各种情况下是不同的，因此希望设置不同的V值以去除反向漏电流。

谐振整流器被采用以提高整流器的电力效率。E类整流器可以是谐振整流器的最常见的类型。谐振整流器可以被理解为与发送器侧的E类放大器13-1类似的概念。为了满足一定频率处的谐振条件，谐振整流器的输入阻抗需要被设置。为了设置输入阻抗，电感器是必要的，但是在移动系统的情况下，如果使用电感器，则随着电感器的大小在MHz频带中变得非常大，形状因子(formfactor)可以增加。

存在许多类型的MOS晶体管，然而，希望为无线电力传输的整流器电路选择具有低R_on阻抗和低输入电容的MOS晶体管。

(DC/DC转换器)

DC/DC转换器23-2使用降压(buck)转换器，它是开关稳压器。如果DC/DC转换器23-2被用作LDO(它是线性稳压器)，则为单一设备充电没有问题，因为发送器10发送适合于负载的电力。然而，在多个设备充电的情况下，当发送器10发送为若干个负载总计的较大电力时，如果电力分布不完美，则一个设备的LDO可以将预期为其他设备充电的所有电力消耗为热量。图43是示出根据本发明的DC/DC降压转换器的电路图。图43的DC/DC降压转换器优化被充电的设备，即，多个接收器20。

(接收器20的保护电路)

图44是示出接收器20和用于保护接收器20的保护设备的例子的视图。如图44所示，RF变阻器和DC变阻器可以被用于保护设备。肖特基二极管具有低压降和较快的速度，然而，它还具有低反向击穿电压。例如，具有1A电容的肖特基二极管的反向击穿电压为约20-30V。在常规充电方式中，负载电阻约为10BΩ，从而RF输入电压变为20V左右，但是在充电方式的开始和结束时，负载阻抗增加几KΩ，从而RF输入电压变得大于30V，这可以导致肖特基二极管破坏。另外，在对多个设备充电的情况下，临时接收大的电力，RF输入电压变大，从而肖特基二极管可能被破坏。因此，RF变阻器被插在差分输入之间，从而防止肖特基二极管遭受电涌(surge)电压。RF变阻器具有27V左右的击穿电压，并且防止阻抗的影响，希望选择具有30pF或更小电容的RF变阻器。

此外，希望使用具有4μF或更大电容的小尺寸电容器作为整流器中的整流器电容器。然而，小尺寸的陶瓷电容器具有约20V的小反向击穿电压。由于RF变阻器防止特定电平的电压，因此电容器不会被输入电力击穿。然而，如果负载被完全充电，则阻抗变成几kΩ，从而生成高于30V的电涌电压，这可以破坏电容器。因此，具有约18V的击穿电压的DC变阻器可以被用于保护电容器。图45是示出具有保护结构的优化的接收器20的电路。

在谐振式无线发送器10的情况下，当Rx谐振器11被插入发送器10中时，如果发送器10和Rx谐振器11的导体的位置接近，则生成导致反相磁场的涡电流，从而降低电力传输效率。此外，涡电流可以由于不希望的磁场而导致发送器10的劣化。为了防止涡电流，需要具有低损耗的磁掩蔽剂。

图46A是示出当不使用掩蔽剂时的磁场分布的视图，而且图46B是示出当使用掩蔽剂时的磁场分布的视图。参照图46A和图46B，由于掩蔽剂比空气具有更高的磁导率，因此在存在掩蔽剂的情况下磁场被收集到掩蔽剂中。因此，可以防止上述电力传输损耗而且可以去除对设备的不希望的影响。然而，具有损耗分量的掩蔽剂有导体，并且因此，希望选择具有最小损耗分量的掩蔽剂。

图47A是示出谐振器和掩蔽剂之间没有间隔的情况的视图，而且图47B是示出在谐振器和掩蔽剂之间存在间隔的情况的视图。在图47B中，假设谐振器和掩蔽剂之间的间隔为0.6mm。表11示出了图47A中的Q值和图47B中的Q值。

[表11]

掩蔽剂的厚度(mm)	Q值(没有掩蔽剂)	Q值(有掩蔽剂)
			0	192	192
0.5	150	163
			1	155	171
1.5	158	173

图47A和图47B以及表11示出了根据谐振器和掩蔽剂位置的各种Q值。如果使用掩蔽剂，则磁场的强度增加。磁场直接影响谐振器的L值，因此可以看出，如果使用掩蔽剂，则随着L值增加谐振频率降低。另外，随着掩蔽剂的厚度增加，磁场的强度增加，从而可以获得更大的L值和Q值。然而，由于掩蔽剂中有损耗分量，因此与使用掩蔽剂相对应的Q值小于与不使用掩蔽剂相对应的Q值。此外，当谐振器和掩蔽剂之间存在间隔时，谐振器特性的损耗较少。

图48A和图48B是示出掩蔽剂和设备的大小以及Rx谐振器21的位置的视图。图48A示出了掩蔽剂的大小大于导体的大小的情况，而且图48B示出了掩蔽剂和导体具有相同大小的情况。随着来自Tx谐振器11的磁场更接近接收器20和Rx谐振器21，则电力传输效率降低。

图49是示出相对于图48A和图48B中所示的掩蔽剂和导体的大小的耦合效率的图。在图49中，示出了根据掩蔽剂的厚度和大小的效率差异。在实验中所使用的掩蔽剂具有μ＝130、μ'＝1.15和损耗正切＝0.00884。当掩蔽剂的厚度为0时，这意味着裸露状态耦合效率(baresituationcouplingefficiency)。考虑Rx谐振器21被插入移动通信终端中的情况下，可以看出根据掩蔽剂的厚度和大小的结果。如果掩蔽剂的大小比导体的大小大5mm，则可以获得最大7％的效率增量。随着掩蔽剂的厚度增加，效率变得与裸露情况相似。

(无线电力传输系统中的接收器20的实现)

图50是发送器10的示例性框图。无线电力传输系统中的接收器20可以包括Rx谐振器21、包括AC/DC整流器(AC-DC整流器)23-1和DC/DC转换器(DC-DC转换器)23-2的电力转换器23、Rx控制器(MCU控制单元)25，并且还可以包括Rx匹配电路(匹配L/C)22和Rx通信单元24(未示出)。通过接收器20输出的电力可以被供应给与接收器20连接的设备，例如，移动通信终端(电话负载)，作为驱动电力。

Rx谐振器21具有内环和外环线以及电容器，以提高电力传输效率。根据实施例，如果Rx匹配电路22的阻抗与Tx匹配电路12的阻抗匹配，则Rx谐振器21与Tx谐振器12谐振耦合，并因此提供有来自发送器10的电力。整流电路通过使用全桥配置中的四个肖特基二极管，提供AC波形的全波整流。然后，AC/DC整流器23-1可以将DC电力提供给电力转换器23和Rx控制器25。DC/DC转换器23-2放大从AC/DC整流器23-1输出的DC电力并且将放大的DC电力传递给与接收器20连接的设备(例如，在接收器20上安装的移动通信终端)。由DC/DC转换器23-2放大的电力可以是5V。Rx控制器25运行电力控制算法和协议。此外，Rx控制器25可以控制模拟电力转换块(未示出)，并监测若干个感测电路(未示出)。Rx通信单元24执行接收器20的通信操作。Rx通信单元24在Rx控制器24的控制下，与其上安装了接收器20的设备(例如，移动通信终端)或发送器10通信，以便与设备交换各种分组。

图51A到图51E示出了根据本发明的接收器20的Rx谐振器21。图51A示出了实施的Rx谐振器21的结构，图51B示出了实施的Rx谐振器21的厚度，图51C示出了实施的Rx谐振器21的并联电容器，图51D示出了实施的Rx谐振器21的轮廓，而且图51E示出了实施的Rx谐振器21的厚度轮廓。

接收器20的Rx谐振器21可以包括如图51E具有1盎司(0.034毫米)铜的平行结构。此外，如图51D所示，使用盖部的多个通路，总导电片连接到一个，从而电流在所有导体中具有相同的方向。当本领域普通技术人员希望实现Rx谐振器21时，考虑近效应(neareffect)和导体电阻，可以选择具有最大Q值的片数和厚度。在这种情况下，考虑导体电阻和磁场可以通过的区域(与耦合的kappa值相关)，希望设置具有最高传递效率的Rx谐振器21的宽度SW(在Rx谐振器21被插入移动通信终端的情况下是6毫米)。

表12示出了本发明的Rx谐振器21的宽度，以及根据Rx谐振器21的宽度的Rx谐振器21中的各种参数特性。

[表12]

参照表12，当S21为3dB时，f1表示低频，f2表示高频，而且f0表示谐振频率。在每一种情况下，接收器20的Q值为约～200。随着片增大，Rx谐振器21的Q值增加一点点；然而，根据接收器20，6片(它是具有宽度0.53毫米的Rx谐振器21)可以被施加到移动通信终端。

(AC/DC整流器)

图52是示出根据本发明的用于测量AC/DC整流器23-1的效率的测量配置的视图。下面提供的表13示出了根据图52的测量配置来测量AC/DC整流器23-1的效率的结果。

[表13]

如前所述，全波桥式整流器需要差分RF输入信号，从而需要诸如不平衡变压器的测量齐格(Zig)。但是，很难找到能够承受高于10W的电力且工作在13.56MHz的商用不平衡变压器，因此，在当前实施例中，使用下文所述的谐振器来设置测量配置。

在当前实施例中，使用了具有15cm×15cm大小的Tx谐振器11和具有4cm×6cm大小的Rx谐振器21。Tx谐振器11对于Rx谐振器21具有50Ω对50Ω匹配，而且用于转换到50Ω对10Ω的匹配电路(匹配L/C)被连接到谐振器11和21。因此，被匹配到50Ω对10Ω的Tx谐振器11对于Rx谐振器21的效率被固定为83％。这里，AC/DC整流器23-1连接到Rx谐振器21，并且输入10Ω的负载，然后可以测量DC对DC电压和电流。如果将35.6dBm的正向电力(forwardpower)提供给E类放大器13-1，则电力通过具有83％效率的Tx谐振器11传递然后被输出。如表13中所示，从发送器10输出的电力输入到AC/DC整流器23-1为3020mW。

包括在接收器20中的负载两端的DC电压和电流分别为4.97V和509mA。如果损耗被补偿，则DC负载处的输出电力为2685mW，而且AC/DC整流器23-1的总效率为约89％。

(DC/DC转换器)

图53是示出根据本发明的用于测量接收器20中的DC/DC转换器23-2的效率的测量配置的视图。下面提供的表14示出了图53的DC/DC转换器23-2的效率。

[表14]

在图53中，假设输入到DC/DC转换器23-2的输入电压电平为5.5V-8V。在当前实施例中，通过使用电源将5.5V-10V的电压供应给DC/DC转换器23-2，而且移动负载被连接，此后测量从DC/DC变换器23-2输出的输出DC电压和电流。当对在测量过程期间生成的输入/输出DC电流计测量损耗进行补偿时，可以在表14中看出，根据输入电力DC/DC转换器23-2的总效率为约92％。

图54是示出根据本发明实施的接收器的系统板的视图，并且图55是示出根据本发明实施的接收器的视图。

接收器20的总大小可以是47×5×2.6mm。在图54中所示的系统板的每一级(stage)，可以检查接收器20的信号特征。在图54和图55所示的接收器20中，最厚的组件是形成Rx匹配电路22的匹配L/C和100uF电容器，而且匹配L/C和100uF电容器的总厚度可以是2mm。在系统板中，印刷电路板(PCB)的厚度可以被设置为0.6mm，从而系统板的总厚度可以是2.6mm。根据实施例，PCB的厚度可以进一步减少。

特别地，在图55中，示出了安装在移动通信终端的后壳上的接收器20。接收器20、通信模块等设置在移动通信终端的后表面上。当移动通信终端的后壳盖上时，接收器20的DC输出端口被连接到移动通信终端。

图56是示出用于测量接收器20的效率的测量配置的视图。表15示出了图56的接收器20的效率的测量结果。

[表15]

用于测量接收器20的效率的测量配置类似于用于测量AC/DC整流器23-1的效率的测量配置。如图56所示，DC/DC转换器23-2被添加到用于测量AC/DC整流器23-1的效率的电路。在当前实施例中，通过图56的电路可以一起测量移动通信终端的移动负载和接收器20的实际充电效率。

当36.4dBm的正向电力输入到接收器20时，电力通过具有83％的效率的Rx谐振器21，然后3623mW的电力输入到AC/DC整流器23-1，如表15所示。假设移动负载两端的DC电压和电流分别是4.76V和580mA。

由于DC电流计具有0.6Ω的损耗，所以如果损耗被补偿，则DC负载处的输出电力为2909mW，而且接收器20的效率约为80.3％。80.3％的效率类似于之前测量的(89％的AC/DC整流效率×92％的DC/DC转换器效率)。接收器20的效率与(AC/DC整流器效率×DC/DC转换器效率)之间的小差距来自移动负载和不同的输入电力。

图57是示出当从发送器输出的电力是35.4dBm而且负载是10Ω时在每一级测量的波形的图。

RF输入匹配电路的差分RF输入信号的测量的输出是上部的图，而且0-7V之间摆动。AC/DC整流器23-1的输出图是下部的图，其中约5.7V的电压被输入到DC/DC转换器23-2。从DC/DC转换器23-2输出的电力约为4.5V。

图58A和图58B是示出为单一移动通信终端或多个移动通信终端充电的无线电力传输系统的的视图。取决于移动通信终端的数量，根据本发明的电力传输和接收系统控制电力电平，而且根据本发明的电力传输和接收系统发送无线电力到单一移动通信终端和多个移动通信终端中的每一个。

甚至在多个设备的环境中，根据本发明的发送器10可以基于无线电力传输控制和通信协议成功、安全和有效地向接收器20供应电力。用于根据本发明的无线电力网络的无线电力传输控制和通信协议基本上被设计为双向半双工架构。无线电力传输网络具有星型拓扑结构，其中发送器10是主机而且多个接收器20是从设备。发送器10和接收器20彼此执行双向通信，以识别设备一致性并交换电力协商信息。用于在发送器10和接收器20之间交换的通信分组的时分防冲突算法可以被应用于根据本发明的电力传输和接收系统。时分防冲突算法可以根据IEEE802.15.4分时隙的载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)算法来修改。

以下描述将解释如何在发送器10的检测、注册、配置、充电和待机状态下将控制和通信协议分别应用于单一接收器20和多个接收器20。在本发明中，具有分时隙的时段和竞争时段的超帧结构被设计用于发送器10和接收器20之间的通信分组的防冲突算法。

在以下描述中，将针对每个无线充电状态描述控制和通信协议的序列和定时。另外，在以下描述中，还将分别针对过温度、过电压和过电流的事件描述用于发送器10或接收器20的安全的无线电力传输和接收的中断控制算法。在本发明中，控制和通信协议由通知、交互、报告和确认(ACK)帧组成。

每当用户开启发送器10的电力时，发送器10周期性地监测Tx谐振器11的电力负载，并将该值与预定的阈值进行比较。在恶意设备(roguedevice)和接收器20开启发送器10之前，如果它们同时放在发送器10上，则不能从接收器20验证恶意设备。在这种情况下，发送器10停止向Tx谐振器11施加电力。在用户为了安全起见移除对象并且关闭发送器10的电力开关以前，发送器10可以周期性地向发送器10或接收器20的用户界面发送警告消息。因此，优选的是，发送器10在没有其它设备或对象位于发送器10的接口上的情况下被开启。

图59是示出处于检测、注册、充电和待机状态的无线电力传输系统中的无线电力传输过程的状态图。

参照图59，在检测状态下，发送器10在短的工作时间期间周期性地将小的电力供应给Tx谐振器11，以便监测接口上的负载变化。如果检测到高于预定值的正负载变化，则发送器10将更多的电力提供给Tx谐振器11，以使得新的接收器20可以进入注册状态。另一方面，如果没有来自接收器20的相应响应，则发送器10返回到检测状态。

在注册状态下，新的接收器20将包括它自己的标识和基本负载特性的分组Interactive_Request_Join_Frame发送到发送器10。发送器10将短标识(SID)分配给新的接收器，并且将包括SID和时隙分配的分组Interactive_Response_Join_Frame发送到新的接收器20。如果没有来自新的接收器20的响应，则发送器10识别到，负载变化是由金属物体或不符合要求的设备引起的。在这种情况下，发送器10向用户显示相应的警告消息，并且停止向Tx谐振器11施加电力。此后，发送器10在经过了预定时间之后返回检测状态。

在配置状态下，新的接收器20将包括所需的输出电压、输出电流和电力传输效率的分组Interactive_Request_Charge_Frame发送到发送器10。发送器10基于从接收器20递送的信息计算所要求的电力。发送器确定当前电力传输容量是否满足新的接收器20所要求的电力。如果发送器10具有足够的电力，则发送器10将包括许可数据(Permissiondata)的分组Interactive_Response_Charge_Frame发送到新的接收器20，以允许新的接收器20进入充电状态。另一方面，如果不满足所要求的电力，则发送器10将不许可数据(或分组)发送到新的接收器20，以允许新的接收器20进入待机状态。

在充电状态下，发送器10将分组Notice_Frame广播到每个接收器20。Notice_Frame分组包含同步分组、用于每个接收器的命令和整个系统的状态。接收器20在其分配的时隙期间将具有各自电力协商信息的分组Report_Frame周期性地发送到发送器10。发送器10在每个Report_Frame分组被接受到之后，开始将输出电力调整到接收器20所需的电平值。发送器10可以根据来自一个或多个接收器20的电力协商信息，增加或减少总电力。如果在预定时间内没有来自某一接收器20的响应，则发送器10识别该接收器20的移除，并且减少输出电力。因此，如果接收器20被移除，则发送器10可以为剩余的(多个)接收器20重新分配(多个)SID和(多个)分配的时隙。

在待机状态下，虽然接收器20没有从发送器10接收所需的电力，但是接收器20与发送器10保持通信。接收器20进入待机状态有两种情况。

首先，当接收器20的设备电池被完全充电或者设备由于某种原因而保留(hold)充电时，接收器20可以将包括完成充电状态和等待(ChargeStatusofComplete&Wait)数据的Report_Frame分组发送到发送器10，而且接收器20进入待机状态。然后，在待机状态下，发送器10可以停止或减少到接收器20的电力传输。

第二，如果发送器10当前的电力传输容量无法满足充电状态下新的接收器20以及(多个)其他接收器20所需的总电力，则发送器10将包括不许可数据的分组Interactive_Response_Charge_Frame发送到新的接收器20，而且新的接收器20进入待机状态。如果发送器10的当前的电力传输容量满足新的接收器20所需的电力，则发送器10将包括分组许可的分组Interactive_Response_Charge_Frame发送到新的接收器20，而且新的接收器20进入充电状态。

(单一接收器的电力发送和接收)

图60是示出当接收器20还没有放置在发送器10的接口(例如，充电板)上时的检测状态过程的视图。发送器10在每个检测时间t_det周期性地将电力P_det施加到Tx谐振器11。在t_det期间，发送器10监测负载变化，以检查接收器20是否被置于发送器10的接口(例如，充电板(未示出))上。

在检测步骤中，负载变化被定义为负载的当前值与负载的预设值之间的差。如果负载变化低于预设的阈值，则发送器10识别到，没有接收器被置于发送器10的接口上。如果负载变化高于预设的阈值，则发送器10识别到，新的接收器20被置于在发送器10的接口上。结果，接收器20可以进入注册状态。

因此，在本发明中，发送器10仅在检测步骤中的检测时间t_det期间施加电力，并因此可以在除了检测时间t_det以外的检测时间t_{det_per}期间节省电力损耗。

图61是示出用于将接收器20注册在发送器10中的过程的视图。

参照图61中，如果接收器20被放在发送器10的接口(例如，充电板(未示出))上，则发送器10增加输出电力，以使接收器20能够与发送器10通信，并且向接收器20传递电力。接收器20在注册时间t_reg内将分组Interactive_Request_Join_Frame发送到发送器10。Interactive_Request_Join_Frame分组包括接收器20自己的ID和初始负载特性。发送器10一接收到接收器20的ID，发送器10就将该ID转换成SID(短ID)，它与ID相比具有更小的体积和更短的长度。由于从接收器20发送到发送器10的接收器20的ID很长，因此在接收器20的注册期间发送器10向接收器20发出SID，从而便于接收器20的管理。发送器10可以将新的接收器20的SID和负载特性注册到发送器10的设备控制表中。设备控制表可以被设计用于(多个)个体的接收器20的电力传输管理。

表16示出了由发送器10管理的设备控制表结构的例子。

[表16]

参照表16，设备控制表存储有关每个接收器20更新的和当前的电力传输信息的信息。发送器10将包括新分配的SID的分组Interactive_Response_Join_Frame发送到接收器20。作为响应，接收器20将确认(ACK)帧发送到发送器10。当发送器10成功地接收到ACK时，用于无线发送和接收电力的电力传输系统移动到配置步骤。

如果诸如分组冲突、CRC错误和接收器故障等分组错误发生，则从接收器20发送的分组Interactive_Request_Join_Frame无法正确地传递到发送器10。

图62是示出分组错误情况的例子的视图，其中发送器10没有接收到从第一接收器接收器1或第二接收器接收器2发送的分组ACK_Frame。参照图62，发送器10可以将电力P_reg重新施加到第一接收器，这是以(t_{reg_ret})为间隔将t_{reg_ret}增加(n_{reg_ret}-1)次。在这些过程中，如果ACK_Frame分组被成功传送到发送器10，则电力传输和接收系统前进到配置状态。否则，如果发送器10根本没有接收到任何ACK_Frame分组，则发送器10停止向第一接收器施加电力。此外，发送器10可以通过用户界面(未示出)向用户发送警告消息。根据实施例，只有当从发送器10的接口移除导致上述错误的接收器20时，发送器10的状态才可以返回到检测状态。

图63是示出金属物体或杂质(或不符合要求的)设备被置于发送器10的接口上的分组错误情况的视图。

参照图63，当金属物体或不符合要求的设备被置于发送器10的接口上时，发送器10不能从接收器20接收任何Interactive_Request_Join_Frame分组。然后，发送器10重新施加P_REG电力，这是将t_{reg_ret}增加(n_{reg_ret}-1)次，如图63所示。由于被重新施加电力P_REG的设备或对象是不符合要求的设备或对象，因此发送器10不能从设备或对象接收Interactive_Request_Join_Frame分组。发送器10停止施加电力P_REG，并通过用户界面向用户显示警告消息。警告状态被保持，直到杂质设备或金属物体从发送器10的接口移除。在从接口移除不符合要求的设备或金属物体之后，发送器10返回检测状态。

图64是示出无线电力传输系统中的配置步骤的正常操作流程的视图。参照图64，在接收器20注册之后，接收器20将分组Interactive_Request_Charge_Frame发送到发送器10。Interactive_Request_Charge_Frame分组包括接收器20的电气特性，诸如电流、电压和电力传输效率。发送器10基于从接收器20传送的信息，即，基于Interactive_Request_Charge_Frame分组，计算接收器20所要求的电力。发送器10确定当前的电力传输容量是否满足新的接收器20所要求的电力。如果发送器10具有足够的电力，则发送器10将包括用于充电的许可数据的分组Interactive_Response_Charge_Frame发送到新的接收器20。接收到Interactive_Response_Charge_Frame分组的接收器20立即将分组ACK_Frame发送到发送器10。结果，接收器20可以进入充电状态，即，接收器20可以从发送器10接收电力的状态。

另一方面，如果发送器10不具有足够的电力，则发送器10将不许可数据发送到接收器20。接收到不许可数据的接收器20可以进入待机状态。

根据实施例，对于上述操作，可以强制执行时间限制。如果发送器10在从接收器20接收到ACK_Frame分组之后的t_{req_char}时间内没有从接收器20接收到Interactive_Request_Charge_Frame分组，则发送器10识别到，接收器20被从发送器10的接口移除。

如果发送器10识别到接收器20被移除，则发送器10通过不发送Interactive_Response_Charge_Frame分组来从设备控制表擦除无响应的接收器20的信息。此后，发送器10返回到检测状态。另一方面，当接收器20在t_{data_res}内没有接收到Interactive_Response_Charge_Frame分组而且不发送ACK_Frame分组时，发送器10在t_random(t_随机)内再次发送Interactive_Response_Charge_Frame分组。发送器10可以将Interactive_Response_Charge_Frame分组发送到接收器20的操作重复(n_{reg_ret}-1)次以上，以便从接收器20接收ACK_Frame分组。根据实施例，如果即使在发送器10尝试分组发送操作(n_{reg_ret}-1)次以上之后，Interactive_Response_Charge_Frame分组仍未被传送到接收器20，则接收器20可以返回到检测状态。

如果发送器10在时间t_ack内没有从接收器20接收到ACK_Frame分组，则发送器10可以将包括许可数据的Interactive_Response_Charge_Frame分组发送到接收器20的操作重复n_{reg_ret}次以上。如果即使在n_{reg_ret}次尝试之后发送器10仍没有从接收器20接收到ACK_Frame分组，则发送器10可以识别到，接收器20从发送器10的接口移除。在这种情况下，发送器10从设备控制表擦除无响应的接收器20的信息，并返回到检测状态。

根据实施例，如果发送器10当前的电力传输容量不能满足新注册的接收器所需的电力，则发送器10将具有不许可数据的分组Interactive_Response_Charge_Frame发送到接收器，而且接收器进入待机状态。然后，发送器10可以将包括过电力的重置(ResetofOverPower)数据的分组Interactive_Response_Charge_Frame发送到接收器。在这种情况下，发送器10可以向发送器10的用户界面显示超过电力容量的相应警告消息。接收到包括过电力的重置的Interactive_Response_Charge_Frame分组的接收器可以返回到检测状态。

这里，t_ack代表发送器10从接收器20接收分组ACK_Frame的允许的持续时间。n_{reg_ret}代表发送器10向接收器20发送交互式响应帧分组以等待从接收器20接收ACK_Frame分组的重试的数量。

在充电状态下，发送器10向每个接收器20广播分组Notice_Frame，而且每个接收器20将包括它的状态的分组Report_Frame发送到发送器10。Notice_Frame分组在时隙0被分配，而且Report_Frame分组的时隙号码被分配给具有由发送器10分配的SID的接收器20，如图65所示。图65是示出单一接收器20的充电操作的视图。

分组Notice_Frame包括接收器20的各种信息，诸如特定接收器20的充电开始、充电完成、重置、断电和SID变化的命令。发送器10也可以向所有接收器20广播包括断电、上电、同步和重置的命令的Notice_Frame分组。

分组Report_Frame包括接收器20的充电状态和电力信息。接收器20的Report_Frame分组必须在分配给接收器20的时隙内到达发送器10。否则，可能与其它接收器20的Report_Frame分组发生冲突。因此，发送器10和接收器20被精确地同步。为了发送器10和接收器20之间的同步，发送器10可以通过Notice_Frame分组向接收器20发送同步的子帧(SubFrameofSync)数据，其允许接收器20将它的时钟与发送器10的时钟同步。

基于来自接收器20的Report_Frame分组中所包括的电力信息，发送器10更新与每个接收器20的状态相对应的注册表中的设备控制表。发送器10计算接收器20所需的电力的总和，并增加或减少施加到Tx谐振器11的电力。根据实施例，上述过程可以以t_cycle(t_周期)的时间间隔周期性地执行。

如果接收器20在t_ack内没有从发送器10接收到ACK_Frame分组，则接收器20尝试在它自己的下一时隙(它在t_cycle时间间隔后到达)发送Report_Frame分组。当接收器20在接下来的(3×t_cycle)的3个超帧时段没有得到ACK_Frame分组时，接收器20向发送器10发送包括错误的充电状态(ChargeStatusofError)数据的Report_Frame分组并且返回到注册状态。

图66是示出在充电状态下从发送器10的接口移除单一接收器20的过程的视图。当在充电状态下从发送器10的接口(例如，充电板)(未示出)移除接收器20的时，发送器10不能再从已移除的接收器20接收任何Report_Frame分组。为了区分移除接收器20的事件和分组冲突，发送器10尝试在(n_absence×t_cycle)时隙时段监听已移除的接收器20的Report_Frame分组。在这个(n_absence×t_cycle)时段中，发送器10可以将发送到接收器20的电力的电力电平P_charge平稳地减小到电力电平P_reg。如果即使在(n_absence×t_cycle)时段之后也没有来自已移除的接收器20的Report_Frame分组的传输，则发送器10识别到，接收器20被移除。发送器10更新设备控制表，并且切断要被发送到已移除的接收器20的电力。根据实施例，因为没有接收器20置于在发送器10的接口上，所以发送器10返回到检测状态。

图67是示出与接收器20的完全充电或再充电相应的过程的视图。当接收器20的设备电池被完全充电时，接收器20将包括完成充电状态和待机(ChargeStatusofCompleteandStandby)数据的Report_Frame分组发送到发送器10。接收器20然后进入待机状态。从接收器20接收到Report_Frame分组的发送器10更新设备控制表并且将接收器20的电力输出平稳地减小到电力电平P_reg以防止突然的电压上升和下降。

当接收器20希望对电池再充电时，接收器20将包括CC的充电状态(ChargeStatusofCC)数据的Report_Frame分组发送到发送器10。此后，接收器20可以进入充电状态。接收到Report_Frame分组的发送器10更新设备控制表，并且增加施加到Tx谐振器11的电力以便将电力传输到接收器20。

(多个接收器的电力发送和接收)

图68是示出在至少一个接收器20(它将被称为第一接收器接收器1)已经处于充电状态下的时候注册新的接收器20(它将被称为第二接收器接收器2)的过程的视图。当第二接收器接收器2在竞争时段将分组Interactive_Request_Join_Frame发送到发送器10时，与在每个分配的时隙中与发送器10通信的其他接收器20，即，第一接收器接收器1没有分组冲突。发送器10将第二接收器接收器2的SID和负载特性注册到设备控制表中。发送器10将包括SID的Interactive_Response_Join_Frame分组发送到第二接收器接收器2。作为响应，第二接收器接收器2将ACK_Frame分组发送到发送器10。

如果第二接收器接收器2在分时隙的时段，即，分配给其他接收器(例如，第一接收器接收器1)的时隙时段发送Interactive_Request_Join_Frame分组，则Interactive_Request_Join_Frame分组可能与第一接收器接收器1的Report_Frame分组冲突。当第二接收器接收器2由于分组之间的冲突而不能在t_{data_res}响应时间内从发送器10接收Interactive_Response_Join_Frame分组时，第二接收器接收器2尝试以t_random的时间间隔重新发送Interactive_Request_Join_Frame分组直到从发送器10接收到Interactive_Response_Join_Frame分组。

当在分时隙的时段在分组之间发送冲突时，发送器10可以从当前充电的第一接收器接收器1接收损坏的Report_Frame分组。发送器10丢弃损坏的Report_Frame分组，并且在下一周期从第一接收器接收器1接收Report_Frame分组。根据实施例，如果在第一接收器接收器1的Report_Frame分组传送过程中存在连续n_{col_ret}次冲突，则发送器10向所有的第一接收器接收器1或第二接收器接收器2发送包括调度错误重置(ResetofScheduleError)数据的Notice_Frame分组，并且返回检测状态。

当在至少一个接收器20，即，第一接收器接收器1的充电期间放置了不符合要求的设备或金属物体时，发送器10检测到正(+)负载变化超过阈值。因此，发送器10可以不从第一接收器接收器1接收Report_Frame分组。发送器10在(3×t_cycle)的时段期间等待从对象接收Interactive_Request_Join_Frame分组。如果没有从对象听到响应，则发送器10可以确定负载是由不符合要求的设备或金属物体引起的。在这种情况下，发送器10可以向所有的第一接收器接收器1发送包括异常对象检测的断电(PowerOffofAbnormalObjectDetection)数据的Notice_Frame分组，并且停止电力供应。为了移除不符合要求的设备或金属物体，发送器10可以向用户显示警告消息。根据实施例，发送器10可以停止向第一接收器接收器1的电力供应，并且在向用户显示警告消息的警告时段期间切断电力。

如果发送器10在时间t_ack内没有从第二接收器接收器2接收到ACK_Frame，则发送器10重复将Interactive_Response_Charge_Frame发送到第二接收器接收器2n_{reg_ret}次以上。然而，如果即使在n_{reg_ret}次尝试之后发送器10仍没有从第二接收器接收器2接收到ACK_Frame，则发送器10识别到，第二接收器接收器2从发送器10的接口移除。在这种情况下，发送器10从设备控制表擦除无响应的接收器的信息。

如果第一接收器接收器1的数量大于为发送器10设计的最大时隙数量，即，大于发送器10在同一时间可充电的接收器20的最大数量，则发送器10向第二接收器接收器2发送包括超过节点的不许可(NotPermissionofOverNode)数据的Interactive_Response_Frame分组，并且向用户显示警告消息直到用户移除第二接收器接收器2。

图69是示出在多个第一接收器接收器1已经处于充电状态下的时候第二接收器接收器2进入充电状态的过程的视图。

在注册状态之后，第二接收器接收器2向发送器10发送Interactive_Request_Charge_Frame分组。

Interactive_Request_Charge_Frame分组包括第二接收器接收器2的电气特性，诸如电流、电压和电力传输效率。电力传输效率是利用参考发送器系统的预先测量值。发送器10确定当前的电力传输容量是否满足第一接收器接收器1所要求的电力。如果发送器10具有足够的电力，则发送器10将包括用于充电的许可数据的Interactive_Response_Charge_Frame分组发送到第二接收器接收器2。作为该确定的结果，如果发送器10不具有足够的电力，则发送器10将不许可数据发送到第二接收器接收器2。接收到不许可数据的第二接收器接收器2进入待机状态。

在接收到许可数据不久之后，第二接收器接收器2将ACK_Frame发送到发送器10。结果，第二接收器接收器2可以进入充电状态。

如果发送器10在发送Interactive_Response_Join_Frame之后的t_{req_char}时间内没有从第二接收器接收器2接收到Interactive_Request_Charge_Frame分组，则发送器10识别到，第二接收器接收器2被从发送器接口移除。在这种情况下，发送器10从设备控制表擦除无响应的接收器的信息。结果，发送器10不向第二接收器接收器2发送Interactive_Response_Charge_Frame。第二接收器接收器2在t_{data_res}内没有从发送器10接收到Interactive_Response_Charge_Frame，并且它在t_random时间间隔之后返回到检测状态。

如果发送器10在时间t_ack内没有从第二接收器接收器2接收到ACK_Frame分组，则发送器10重复将包括许可数据的Interactive_Response_Charge_Frame分组发送到第二接收器接收器2n_{reg_ret}次以上。然而，当即使在n_{reg_ret}次尝试之后发送器10仍没有从第二接收器接收器2接收到ACK_Frame分组时，发送器10可以识别到，第二接收器接收器2从发送器接口移除。在这种情况下，发送器10从设备控制表擦除无响应的接收器的信息。第二接收器接收器2不能进入充电状态，并且返回到注册状态。

当发送器10当前的电力传输容量不能满足第二接收器接收器2所需的电力时，发送器10将具有不许可数据的Interactive_Response_Charge_Frame分组发送到第二接收器接收器2，而且第二接收器接收器2进入待机状态。如果第二接收器接收器2所要求的电力超过发送器10的最大总电力容量，则发送器10将包括过电力的重置数据的Interactive_Response_Charge_Frame分组发送到第二接收器接收器2。在这种情况下，发送器10可以向用户界面发送超过电力容量的相应警告消息，而且发送器10返回到检测状态。

在充电状态下，发送器10在每个时隙中向第一接收器接收器1广播分组Notice_Frame。第一接收器接收器1将包括它的状态的分组Report_Frame发送到发送器10。Notice_Frame帧被分配给时隙0，而且分配给第一接收器接收器1的Report_Frame分组的时隙号码与图70中所示的SID相同。图70是示出多个第一接收器接收器1的充电过程的视图。

发送器10向所有接收器广播包括断电、上电和重置的命令的分组Notice_Frame。Notice_Frame分组还具有用于特定接收器的各种命令，诸如充电开始、充电结束、重置、断电、同步和改变时隙。

Report_Frame包括第一接收器接收器1的充电状态和电力信息。发送器10在分配给每个第一接收器接收器1的时隙内从每个第一接收器接收器1接收Report_Frame分组。否则，在第一接收器接收器1之间发送的Report_Frame分组之间可能发生冲突。因此，发送器10和第一接收器接收器1被精确地同步。为了这个目的，Notice_Frame分组可以具有同步的子帧(SubFrameofSync)数据，其允许第一接收器接收器1将它的时钟与发送器10的时钟同步。

基于从第一接收器接收器1发送的Report_Frame中所包括的电力信息，发送器10在与每个第一接收器接收器1的状态相对应的注册表中更新设备控制表。发送器10计算第一接收器接收器1所需的电力的总和，并根据计算结果增加或减少施加到Tx谐振器11的电力。发送器10的这个操作可以以t_cycle的时间间隔周期性地执行。

当在分配给第一接收器接收器1的时隙时段内第一接收器接收器1的至少一个分组与第二接收器接收器2的至少一个分组冲突时，从第一接收器接收器1发送的分组，Report_Frame分组已损坏。发送器10丢弃从先占据第一接收器接收器1和第二接收器接收器2之间的时隙的第一接收器接收器1接收到的损坏的Report_Frame分组。发送器10在下一超帧中接收先占据的第一接收器接收器1的Report_Frame分组。发送器10重复接收Report_Frame分组的操作达到n_{col_ret}次直到不发生冲突，并因此接收到非损坏的Report_Frame分组。当第一接收器接收器1将Report_Frame分组发送到发送器10时，如果与第二接收器接收器2的分组存在连续n_{col_ret}次冲突，则发送器10向所有的第一接收器接收器1或第二接收器接收器2发送包括调度错误重置(ResetofScheduleError)数据的Notice_Frame分组，并且返回检测状态。

如果第一接收器接收器1在t_ack内没有从发送器10接收到ACK_Frame分组，则第一接收器接收器1尝试在它的下一时隙(它在t_cycle时间间隔到达)发送Report_Frame分组。当第一接收器接收器1在接下来的(3×t_cycle)的3个超帧时段没有从发送器10得到ACK_Frame分组，则从第一接收器1向发送器10发送包括错误的充电状态(ChargeStatusofError)数据的Report_Frame分组并且返回到注册状态。

如果如图66所示在充电状态下从发送器10的接口移除多个第一接收器接收器1之一，则发送器不能从移除的第一接收器接收器1接收Report_Frame分组。图71是示出移除由发送器10充电的多个接收器之一的过程的视图。在下面的描述中，未移除的接收器将被称为第一接收器接收器1，而且移除的接收器将被称为第二接收器接收器2。

为了区分从发送器10的接口移除第二接收器接收器2的这个事件和分组冲突的事件，发送器10可以在(n_absence×t_cycle)时段等待从第二接收器接收器2接收Report_Frame。

在(n_absence×t_cycle)时段中，发送器10可以将发送到第二接收器接收器2的电力平稳地减小到电力电平P_reg。如果即使在(n_absence×t_cycle)时段等待从第二接收器接收器2接收Report_Frame之后也没有来自第二接收器接收器2的Report_Frame的传输，则发送器10识别到，第二接收器接收器2被移除。发送器10更新设备控制表，并且切断用于第二接收器接收器2的电力。

这样，如果到特定接收器20(即，第二接收器接收器2)的电力传输被切断，则发送器10可以为剩余的(多个)接收器(即，(多个)第一接收器接收器1)重新分配(多个)SID和(多个)时隙。在由发送器10为第一接收器接收器1和第二接收器接收器2分配的时隙当中，由于接收器移除而出现空闲时隙。在占用的时隙当中留下空闲时隙是没有效率的。因此，希望通过将由第二接收器接收器2所使用的空闲时隙重新分配给占据所分配的时隙当中的最后时隙的第一接收器接收器1来消除空闲时隙。发送器10将包括重新分配的SID的Notice_Frame发送到占据最后时隙的第一接收器接收器1，并更新其设备控制表。结果，重新分配有所述时隙的第一接收器接收器1在下一超帧时段将Report_Frame发送到发送器10。

图72是示出在第一接收器接收器1和第二接收器接收器2的充电过程中对第一接收器接收器1再充电的过程的视图。

当第一接收器接收器1的设备电池被完全充电时，第一接收器接收器1将包括完成充电状态和待机数据的Report_Frame分组发送到发送器10，而且第一接收器接收器1进入待机状态。然后，由于第一接收器接收器1的充电完成，因此发送器10更新设备控制表。为了防止急剧的电压波动，发送器10可以将施加到Tx谐振器11的电力平稳地减小到用于第一接收器接收器1的电力电平P_reg。

当第一接收器接收器1需要对电池再充电时，第一接收器接收器1将包括CC的充电状态(ChargeStatusofCC)数据的Report_Frame分组发送到发送器10。因此，第一接收器接收器1进入充电状态。然后，已经从第一接收器接收器1接收到Report_Frame分组的发送器10更新设备控制表，并且增加施加到Rx谐振器11的、用于第一接收器接收器1的电力。在图72中，假设连续为第二接收器接收器2充电。

图73是示出多个接收器之间的SID交换过程的视图。

当多个接收器，例如，第一接收器接收器1、第二接收器接收器2和第三接收器接收器3被放置在发送器10的接口上时，发送器10的电力容量可能小于多个接收器(第一至第三接收器)所需的总电力。因此，如果发送器10的电力容量是小于接收器所需的总电力，则在时间上最后加入或注册的接收器必须停留在待机状态而不是充电状态。

在图73中，第一接收器接收器1和第二接收器接收器2处于充电状态，而且第三接收器停留在待机状态。第一至第三接收器被分别分配有第一时隙时隙1、第二时隙时隙2和第三时隙时隙3。

参照图73，在第一接收器接收器1和第二接收器接收器2处于充电状态之外，第二接收器接收器2被完全充电并进入待机状态。发送器10将包括充电开始(ChargeStart)数据的Notice_Frame分组发送到正处于待机状态的第三接收器接收器3。由于从正处于充电状态的接收器20发送的电力信息更重要，因此发送器10重新分配2个当前充电的接收器(即，第一接收器接收器1或第三接收器接收器3)的SID，以交换这些接收器的SID。因此，如图73所示，第三接收器接收器3被重新分配有第二时隙时隙2。

(超帧结构)

根据本发明的包括时隙和竞争时段的超帧可以通过通信分组的防冲突算法设计，所述通信分组的防冲突算法根据IEEE802.15.4CSMA/CA算法来修改。超帧的时间长度被定义为t_cycle的周期时间。

图74A是示出了超帧的时隙时段的视图，而且图74B是示出超帧的时隙时段和竞争时段的视图。在图74A和图74B中，t_cycle代表超帧的时间长度(例如，250ms)，t_slot(t_时隙)代表时隙的持续时间(例如，5ms)，n_slot(n_时隙)代表发送器10所分配的时隙的总数。t_cont代表竞争时段期间的时间长度，并且可以被表示为：

t_cont＝t_cycle-(n_slot+1)×t_slot·················(22)

超帧可以由两部分组成：如图74A和图74B所示的分时隙的时段和竞争时段。允许接收器20仅在分时隙的时段中分配给他自己的时隙期间发送Report_Frame分组，而且不允许接收器20在竞争时段向发送器10发送Report_Frame分组。这样，通过仅在每个接收器20的允许的时隙期间向发送器10发送他的Report_Frame分组，多个接收器20之间的通信分组的冲突被最小化。

假设现有的接收器是第一接收器接收器1而且新加入的接收器是第二接收器接收器2。当第二接收器接收器2在分时隙的时段期间向发送器10发送Interactive_Request_Join_Frame分组时，从第二接收器接收器2发送的Interactive_Request_Join_Frame分组可能与从至少一个第一接收器接收器1发送的分组冲突。

因此，如果从不同的接收器(第一和第二接收器)发送的分组相互冲突，则第一接收器接收器1无法从发送器10接收ACK_Frame分组。第一接收器接收器1在下一超帧中分配给它的时隙周期期间再次向发送器10发送Report_Frame分组。

第二接收器接收器2在小于t_cycle的任意的延迟时间t_random期间向发送器10发送Interactive_Request_Join_Frame分组。以这种方式，新的接收器(即，第二接收器接收器2)可以被分配有SID和时隙，以在不与其他接收器(第一接收器)通信分组冲突的情况下向发送器10发送Report_Frame分组。根据实施例，发送器10可以在竞争时段中发送来自第二接收器接收器2的Interactive_Request_Join_Frame分组。在竞争时段中，第一接收器接收器1不向发送器10发送Report_Frame分组。因此，发送器在竞争时段中从第二接收器接收器2接收Interactive_Request_Join_Frame分组，从而最小化在第一接收器接收器1和第二接收器接收器2之间可能发生的分组冲突的可能性。

在时隙时段中，零时隙时隙0是从发送器10向第一接收器接收器1或第二接收器接收器2发送Notice_Frame分组的时段。Notice_Frame分组包括时钟同步信息和SID，时钟同步信息使第一接收器接收器1或第二接收器接收器2将其时钟与发送器10的时钟同步。发送器10还可以向与Notice_Frame分组中的特定SID相对应的第一接收器接收器1或第二接收器接收器2发送特定命令。

参照图74A，将t_slot的时隙时段分配给第一或第二接收器。根据实施例，将第一时隙时隙1分配给具有第一SID的第一或第二接收器，而且将第二时隙时隙2分配给具有第二SID的第一或第二接收器。在这种方式中，将第N时隙时隙N分配给具有第NSID的第一或第二接收器。根据实施例，分配给第一或第二接收器的时隙的数量可以低于10。假设由发送器10分配给第一或第二接收器的时隙的总数是10，则时隙时段约为(10×t_slot)。

如果第一或第二接收器的数量大于可以由发送器10分配的时隙的最大数量，则发送器10向新的接收器(即，第二接收器接收器2)发送包括超过节点的不许可(NotPermissionofOverNode)数据的Interactive_Response_Frame分组，并且向用户界面发送警告消息直到用户移除新的接收器接收器2。

根据本发明的对于电力传输系统的适当操作的时间限制如图66所示。图60至图74中所示的时间限制在下面提供的表17中示出。

[表17]

图75是示出检测状态下的定时限制的视图。如图75所示，处于检测状态下的发送器10在每个t_{det_per}的t_det期间将电力施加到Tx谐振器11，以通过感测正负载变化来检测新的接收器20。从发送器10输出的电力电平P_det可以由发送器10的负载灵敏度(sensibility)确定。

图76是示出注册状态下的定时限制的视图。如图76所示，当感测正负载变化时，发送器10将施加到Tx谐振器11的电力增加到电平P_reg，其足以唤醒接收器20的Rx控制器25。然而，这个步骤是充电开始之前的步骤，而且在该步骤中，接收器20不将从发送器10接收到的电力供应给包括接收器20的电池充电系统。接收器20在t_reg内对从发送器10发送的Interactive_Request_Join_Frame分组做出响应。如果在t_reg内没有来自接收器2的响应，则发送器10在t_{reg_ret}的时间间隔停止将电力施加到Tx谐振器11。发送器可以将前述过程重复n_{reg_ret}次。当即使在n_{reg_ret}次尝试之后仍没有接收到Interactive_Request_Join_Frame分组，则发送器10停止将电力(P_reg)施加到Tx谐振器11并返回到检测状态。

图77是示出配置状态下的定时限制的视图。参照图77，作为对从发送器10发送的Interactive_Response_Join_Frame分组的响应，接收器10向发送器10发送ACK_Frame分组。接收器20还在t_{req_char}内向发送器发送Interactive_Request_Charge_Frame分组。已经从接收器20接收到Interactive_Request_Charge_Frame分组的发送器10在t_{data_res}内向接收器20发送Interactive_Response_Charge_Frame分组。作为对Interactive_Response_Charge_Frame分组的响应，接收器20在t_ack内向发送器10发送ACK_Frame分组。通过以上过程，接收器20可以进入充电状态并且接收从发送器输出的电力。

图78是示出充电状态下的定时限制的视图。如图78所示，在充电状态下，零时隙时隙0是发送器10向接收器20广播Notice_Frame分组的时隙时段。因此，发送器10不将零时隙分配给接收器20。将第一时隙时隙1分配给第一接收器接收器1，以使得第一接收器接收器1在t_{data_res}内向发送器10发送Report_Frame分组。已经从第一接收器接收器1接收到Report_Frame分组的发送器10在t_ack内向第一接收器接收器1发送ACK_Frame分组。在以上方式中，发送器10和第一接收器接收器1可以周期性地共享电力协商信息，诸如电压，电流，和电力传输效率。如果从发送器10的接口(例如，充电板)移除第一接收器接收器1而且没有来自第一接收器接收器1的报告(Report_Frame分组没有发送到发送器10)，则发送器10确定第一接收器接收器1被移除。由于第一接收器接收器1被移除，因此发送机10在充电状态下将分配给第一接收器接收器1的时隙(即，第一时隙时隙1)重新分配给最后的接收器。因此，根据本发明的发送器10减少分配给接收器20的时隙的数量并且增加竞争时段，从而最小化通信冲突可能性。

在待机状态下，定时限制与充电状态下的定时限制相同。

同时，如果接收器20检测到与安全有关的中断，则发送器10向接收器20发送包括内部错误关闭电力(PowerOffofInternalError)数据的Notice_Frame分组。结果，发送器10可以停止将电力施加到Tx谐振器11，以保护其自己的电路和接收器20不受过温度、过电流和过电压等的损坏。

图79是示出发送器10防止电力传输系统遭受过电流的方法的流程图，图80是示出发送器10防止电力传输系统遭受过电压的方法的流程图，而且图81是示出发送器10防止电力传输系统遭受过温度的方法的流程图。

根据本发明的接收器20可以检测与安全有关的中断。当检测到中断时，接收器20向发送器10发送包括诸如过电流数据、过电压数据和过温度数据的相应错误原因数据的Report_Frame。结果，发送器10停止将电力施加到Tx谐振器11，以保护其自己的电路和接收器20不受过温度、过电流和过电压等的损坏。

图82是示出接收器20防止电力传输系统遭受过电压的方法的流程图。接收器20防止电力传输系统遭受过电流和过温度的方法与图80和图81中所示的发送器10防止电力传输系统遭受过电流和过温度的方法相同，因此将不单独描述。

(无线电力传输系统中的通信接口)

根据本发明的无线电力传输系统的通信协议基于用于传感器网络环境的IEEE802.15.4。然而，由于对于根据本发明的无线电力传输系统而言，IEEE802.15.4具有不必要的功能，因此在本发明中对IEEE802.15.4协议进行修改和重新设计。特别地，在本发明中，从IEEE802.15.4排除一些物理层功能，而且将链路层重新设计以适合根据本发明的无线传输系统。

图83是示出在根据本发明的无线电力传输系统的发送器10和接收器20之间通信的例子的视图。

参照图83，以下列方式执行发送器10和接收器20之间的通信。发送器10感测负载并且向接收器20发送用于发送器10的通信集成电路(IC)的操作的电力，以使得接收器20可以与发送器10通信。接收器20向发送器10发送Interactive_Request_Join_Frame分组以请求发送器10注册。发送器10检查接收器20是否是有效设备，并且如果接收器20是有效设备，则发送器10将包括在Interactive_Request_Join_Frame分组中的接收器20的ID替换为短ID(即，SID)。发送器10向接收器20发送Interactive_Response_Join_Frame分组作为对Interactive_Request_Join_Frame分组的响应。

已经接收到Interactive_Response_Join_Frame分组的接收器20确定用于从发送器10接收电力的注册被允许，并进入配置状态。接收器20向发送器10发送Interactive_Request_Charge_Frame分组，以请求来自发送器10的电力传输。发送器10检查有效电力。发送器10检查有效电力以确定发送器10是否可以向接收器20发送从接收器20请求的电力。在图83中，假设发送器10可以发送从接收器20请求的电力。发送器10发送Interactive_Response_Charge_Frame分组以向接收器20通知，发送器10可以发送从接收器20请求的电力。接收器20确定用于从发送器10接收电力的设置被允许并进入充电状态。

当进入充电状态时，发送器10发送Notice_Sync_Frame(通知同步帧)分组以用于接收器20与发送器10同步。根据Notice_Sync_Frame分组，接收器20与发送器10同步，而且接收器20向发送器10发送关于接收器20的Report_Frame分组。此后，接收器20进入从发送器10供应电力的充电CC模式，并因此执行电池充电。

当充电完成时，发送器10可以从接收器20接收到Report_Charge_Complete(报告充电完成)分组。根据实施例，发送器10可以确定接收器20的充电完成。如果发送器10确定电力在预定时间内被供应给接收器20或者预定的电力被供应给接收器20，则发送器10可以确定接收器20的充电完成。当充电完成时，发送器10向接收器20发送Notice_Charge_Finish_Frame(通知充电完成帧)分组。接收器20识别充电完成并进入待机状态。

此外，在待机状态下，接收器20可以向发送器10发送Report_Frame分组。如果必须再充电，则接收器20准备充电；在充电完成状态下，接收器20可以维持简单的待机状态。如果必须再充电，则发送器10向接收器20发送Notice_Sync_Frame分组，并响应于此，接收器20可以向发送器10发送Report_Frame分组。根据实施例，发送器10可以请求用户将充电完成的接收器20与发送器10的接口(例如，充电板)分离。

在根据本发明的无线传输系统中，优选地，可以使用通信标准IEEE802.15.4中所描述的2.4GHzISM频段作为频率。

根据本发明的无线电力传输系统可以使用具有IEEE802.15.4标准中所定义的2.4GHz频率的16个信道。

在IEEE802.15.4中，空闲信道评估(CCA)被用于检查在载波侦听多路访问-冲突避免(CSMA-CA)信道中是否存在一些信号。与在CSMA-CA信道中的目的相同，CCA还被用于根据本发明的无线电力传输系统。在根据本发明的无线电力传输系统中，将使用针对无线电力传输环境优化的CSMA-CA算法。

(无线电力传输系统中使用的分组的帧结构)

图84是示出根据本发明的无线电力传输系统中的物理帧结构的视图。根据本发明的物理帧结构可以与图84所示的IEEE802.15.4的物理帧结构相同。

参照图84，4字节的前同步码是用于使接收器20与发送器10同步的信号。同步首标包括4字节的前同步码和1字节的起始帧定界符(StartFrameDelimiter,SFD)。1字节SFD声明帧的开始。帧的PHY首标包括指示帧的总长度的7比特的帧长度，以及保留的1比特。PHY有效载荷包括MAC首标等。

根据本发明的物理帧结构可以被呈现，以使得在图84所示的物理帧中，最左边的字段被首先发送或接收。所有多字节字段最低有效八比特组被在先(leastsignificantoctet)地传输或接收，而且每个八比特组最低有效位(LSB)被在先地发送或接收。相同的传输顺序也适用于PHY和MAC层之间传送的数据字段。使用单引号(‘’)括起来的数字0和1的序列来表示二进制表示法和比特模式中的整数。

根据本发明的无线电力传输系统的MAC帧被包括在PHY有效载荷中，并且跟随在PHY首标之后。图85是示出根据本发明的MAC帧结构的是视图。

参照图85，MAC帧由MAC帧首标、帧有效载荷以及校验和(checksum)组成。校验和字段包括16比特ITU-TCRC。MAC帧首标字段包括帧类型字段、短ID字段、和序列号字段。“帧类型”字段被用来区分帧有效载荷中包含的帧，并且根据帧类型，短ID字段被用作接收器对象地址或发送器地址。

3比特的帧类型字段如表18所定义。

[表18]

帧类型字段为Notice_Frame分配‘000’。当存在从发送器10到接收器20的通知时，使用Notice_Frame分组。Notice_Frame分组周期性地发送，并且最先被定位在时隙持续时间中。帧类型字段为Report_Frame分组分配‘001’。当接收器20将其信息周期性地发送到发送器10时，使用Report_Frame分组。在接收到Notice_Frame帧之后，在每个接收器20的所分配的时隙中周期性地发送Report_Frame分组。帧类型字段为ACK_Frame分组分配‘010’。当已经接收到的给定帧的设备确认它是正确接收时，使用ACK_Frame分组。帧类型字段为Interactive_Frame分组分配‘011’。当请求对方设备(发送器10或接收器20)提供某些信息时，而不是当对方设备提供诸如Notice_Frame或Report_Frame分组的单向信息时，使用Interactive_Frame分组。

4比特的短ID如表19所定义。

[表19]

参照表19，ID‘0000’是由未从发送器10分配SID的接收器使用的ID。通过使用地址‘0000’作为Request_Join_Frame(请求加入帧)分组，这些接收器20请求“加入”发送器10。地址‘0001’到‘1110’是发送器10分配给接收器20的可用地址。地址‘1111’是发送器10发送给所有接收器20的广播地址。

Notice_Frame分组具有通过与接收器同步来保持网络以及管理接收器的功能。图86是示出根据本发明的Notice_Frame分组的结构的视图。

Notice_Frame分组是仅由发送器10发送的消息。因此，MAC帧首标中的4比特长度的短ID字段填充有接收器20的地址。3比特通知类型字段显示Notice_Frame的类型。3比特的通知信息字段根据通知类型字段的值具有不同的信息。表20定义了包括在通知信息中的通知类型的值和相应的信息。

[表20]

子帧	比特(0-2)	比特(3)	比特(4-7)
					通知类型值	保留	通知信息
同步	000	保留	时隙数量
				重置	001	保留	重置原因
断电	010	保留	断电原因
				改变短ID	011	保留	改变ID
充电开始	100	保留	保留
				充电结束	101	保留	保留
保留	110-111	-	-

当Notice_Type(通知类型)字段的值是‘0000’时，Notice_Info(通知信息)字段填充有时隙数量的值。时隙号表示由发送器10管理的时隙的数量。当未被分配ID的接收器20接收到Notice_Synch_Frame时，它可以通过检查时隙数量的值，知道网络中时隙持续时间的长度。因此，接收器20避免时隙持续时间并且向发送器10发送Interactive_Request_Join_Frame分组。当Notice_Type字段的值是‘001’时，Notice_Info字段填充有重置原因的值。重置原因的含义如表21所定义的。

[表21]

当通知类型字段的值为‘010’时，通知信息字段填充有断电原因的值。断电原因的含义如表22中所定义。当通知类型字段的值为‘011’时，通知信息字段填充有将被改变的短ID的值。当通知类型字段的值为‘100’或‘101’时，通知信息字段填充有零，以用作保留。当通知类型字段的值为‘100’时，它被用于向在MAC帧首标中具有接收器短ID地址的接收器20通知开始充电。当通知类型字段的值是‘101’时，它被用于向在MAC帧首标中具有接收器短ID地址的接收器20通知结束充电。

[表22]

当接收器20将它自己的信息周期性地发送到发送器10时，使用Report_Frame分组。图87是示出根据本发明的Report_Frame分组的结构的视图。

Report_Frame分组是仅由加入网络的接收器20使用的消息。因此，4比特长度的短ID字段填充有接收器20自身的地址，以使得接收到Report_Frame分组的发送器10知道哪个接收器20发送Report_Frame分组。充电状态字段具有3比特长度，并且显示充电状态的信息。充电状态字段如表23所定义。

[表23]

充电状态字段包括接收器20自身的充电状态的信息。如表23中定义的，与发送器10保持通信的接收器20具有5种充电状态。待机状态是接收器20为了充电而待机同时充电未完成的状态。例如这种情况，发送器10不能为接收器20充电，但是保持与接收器20通信而且为了充电而待机，因为发送器正在为其他接收器20充电。

充电CC模式是在充电期间电流和电压保持在正常电平的状态。充电CV模式是在充电期间电压保持在正常电平但是电流减小的状态。完成和待机模式是充电完成但是在充电完成后通信保持有效的状态。

错误是接收器20本身检测到错误并停止充电的状态。接收到充电状态字段被设置为错误的Report_Error_Frame(报告错误帧)分组的发送器10停止向发送Report_Error_Frame的接收器20供应电力。原因字段具有4比特长度，并且只有当充电状态字段被设置为错误时使用。原因字段包括为何接收器20本身将状态视为错误的原因。表24定义原因。

[表24]

电力信息字段包括接收器20的电力信息，而且根据充电状态字段的值是2字节或4字节。当充电状态字段是充电待机‘000’或者完成和待机‘011’时，接收器20处于接收器20未充电的待机状态，从而电力信息字段具有1字节的所需电压值和1字节的所需电流值。当充电状态字段是充电CC模式‘001’或充电CV模式‘010’时，处于接收器20正在充电的充电状态，从而电力信息字段具有1字节的输入电压值和1字节的输入电流值，以及1字节的所需电压值和1字节的所需电流值。当充电状态字段错误时，接收器20必须停止充电，并因此省略电力信息字段。

图88是示出待机状态下Report_Frame分组的结构的视图，图89是示出充电状态下Report_Frame分组的结构的视图，而且图90是示出错误状态下Report_Frame分组的结构的视图。

ACK_Frame分组包括MAC帧首标以及校验和。图91是示出根据本发明的ACK_Frame分组的结构的视图。

当发送器10和接收器20彼此交换信息时使用Interactive_Frame分组。在竞争时段内也可以使用Interactive_Frame分组。当接收器20向发送器10发送Interactive_Frame分组时，MAC帧首标中的4比特长度的短ID字段填充有接收器20本身的地址。当发送器10向接收器20发送Interactive_Frame分组时，MAC帧首标中的4比特长度的短ID字段填充有该接收接收器20的地址。

图92是示出根据本发明的Interactive_Frame分组的总体结构的视图。交互类型字段具有3比特长度，并且定义Interactive_Frame分组的类型。表25中定义了详细信息。根据交互类型字段的值，Interactive_Frame分组具有不同的帧结构。

[表25]

参照表25，当交互类型字段的值是‘000’时，Interactive_Frame分组是分组Interactive_Request_Join_Frame。当接收器20请求发送器10将该接收器20加入无线充电网络时，使用Interactive_Request_Join_Frame分组。

图93是示出根据本发明的Interactive_Request_Join_Frame分组的结构的视图。由不能被分配短ID的接收器20将Interactive_Request_Join_Frame分组发送到发送器10，以使得短ID字段被设置为‘0000’以用于传输。ID大小类型字段具有2比特长度，并且显示ID字段的长度。表26定义ID大小类型的值。

[表26]

接收器20将它自己的负载特性填充到1字节负载特性字段中。ID字段填充有唯一的接收器ID。接收到ID字段的值的发送器1在它的存储器中映射并管理ID字段的值、由它本身分配的短ID、和接收器20的其他管理参数。

当交互类型字段的值是001时，Interactive_Frame分组是分组Interactive_Response_Join_Frame。当接收到Interactive_Request_Join_Frame分组的发送器10向接收器20发送接收器20是否加入无线充电网络时，使用Interactive_Response_Join_Frame分组。

图94是示出根据本发明的分组Interactive_Response_Join_Frame的结构的视图。由发送器10向未被分配短ID的接收器20发送Interactive_Response_Join_Frame分组，以使得短ID字段被设置为‘0000’以用于传输。1比特的允许字段显示发送器10是否允许接收器20加入网络。如果这个字段被设置为‘0’，则允许被拒绝；而如果该字段被设置为‘1’，则允许被接受。分配的短ID字段具有4比特长度，并且包括发送器10分配给接收器20的地址。如果允许字段设置为‘0’，则分配的短ID被设置为‘0000’的空。短ID还表示时隙数量。

例如，假设一个接收器20被分配‘0011’的短ID和5ms的时隙时间。这个接收器20在接收到Notice_Frame并且等待如公式23中的10ms之后发送Report_Frame。

(时隙数量(3)-1)×时隙时间(5ms)＝10ms·············(23)

当交互类型字段的值为‘010’时，Interactive_Frame分组是分组Interactive_Request_Charge_Frame。Interactive_Request_Charge_Frame分组是由已经接收到分组Interactive_Response_Join_Frame或Notice_Charge_Start的接收器20发送的帧。Interactive_Request_Charge_Frame分组包括接收器20的充电特性，并且它被发送到发送器10以请求充电。图95是示出根据本发明的分组Interactive_Request_Charge_Frame的结构的视图。电力特性具有3字节的长度，并且包括接收器的参考电流、参考电压以及参考效率。

当交互类型字段的值是‘011’时，Interactive_Frame分组是分组Interactive_Response_Charge_Frame。Interactive_Response_Charge_Frame分组是由已经接收到Interactive_Request_Charge_Frame分组的发送器10发送的帧。发送器10通过这个帧向接收器20通知充电是否被允许。图96是示出根据本发明的Interactive_Response_Charge_Frame分组的结构的视图。

如果1比特允许字段被设置为‘0’，则充电不被允许；如果它被设置为‘1’，则充电被允许。原因字段具有3比特长度，并包括充电允许或充电禁止的原因。表27定义原因字段的值。

[表27]

根据本发明的无线电力传输系统的网络包括供应电力的发送器10以及接收电力的单一接收器或多个接收器。发送器10通过Report_Frame分组收集接收器的信息，决定所需要的电力，并向接收器20供应电力。接收器20通过Notice_Frame分组将它们的信息周期性地发送到发送器10，并且周期性地从发送器10接收用于同步和网络管理的信息。对于这些流量特性，希望将星型拓扑结构用于根据本发明的无线电力传输系统的网络。图97是示出根据本发明的无线电力传输系统的星型拓扑结构的视图。

根据本发明，可以提供无线电力传输系统中具有高谐振特性的发送器和接收器以及用于这些设备的无线电力传输和接收方法。

虽然已经描述了本发明的详细的实施例，但是可以进行各种修改而不脱离本发明的范围。因此，本发明的范围不是由本发明的上述实施例定义的，而是应该由权利要求及其等同定义。

Claims (27)

1.一种由发送器向接收器发送无线电力的方法，该方法包括：

如果从接收器接收到用于与发送器连接的消息，那么在发送器和接收器之间建立连接；

从接收器接收用于请求无线电力的电力信息；

确定无线电力是否能够被发送到接收器；

如果无线电力能够被发送到接收器，则向接收器发送无线电力。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

监视发送器的接口中的负载变化；

每预定时间供应第一电力并且检查发送器的接口中是否出现负载变化；以及

如果出现负载变化，那么确定检测到接收器。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

向所述接口供应第一电力的第二电力；

从接收到第二电力的接收器接收加入请求；以及

向该接收器分配对应于该接收器的短标识(SID)和时隙。

4.如权利要求1所述的方法，其中确定无线电力是否能够被发送到接收器包括：

基于电力信息计算接收器所需的无线电力；以及

基于计算出的无线电力确定所需的电力是否能够被发送到接收器。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述电力信息包括接收器的电压、电流、电力传输效率和状态中的至少一个。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：

如果从接收器接收到用于通知充电完成的消息，那么完成向接收器的无线电力的传输。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：

如果从接收器接收到用于通知出现错误的消息，那么终止向接收器的无线电力的传输。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述错误包括过电流、过电压和过温度中的至少一个。

9.一种用于向接收器发送无线电力的发送器，包括：

通信接口，包括谐振器，被配置为：

如果从接收器接收到用于与发送器连接的消息，那么在发送器和接收器之间建立连接；并且

从接收器接收用于请求无线电力的电力信息；以及处理器，被配置为：

基于电力信息确定无线电力是否能够被发送到接收器；并且

如果无线电力能够被发送到接收器，那么控制谐振器向接收器发送无线电力。

10.如权利要求9所述的发送器，其中处理器还被配置为：

监视发送器的接口中的负载变化；

控制谐振器每预定时间供应第一电力并且检查发送器的接口中是否出现负载变化；以及

如果出现负载变化，那么确定检测到接收器。

11.如权利要求10所述的发送器，其中处理器还被配置为：

控制谐振器向所述接口供应大于第一电力的第二电力；

控制通信接口从具有第二电力的接收器接收响应；以及

向该接收器分配对应于该接收器的短标识(SID)和时隙。

12.如权利要求9所述的发送器，其中处理器还被配置为：

基于电力信息计算接收器所需的无线电力；以及

基于计算出的无线电力确定无线电力是否能够被发送到接收器。

13.如权利要求12所述的发送器，其中所述电力信息包括接收器的电压、电流、电力传输效率和温度中的至少一个。

14.如权利要求9所述的发送器，其中处理器还被配置为：如果接收到用于通知充电完成的消息，那么完成向接收器的无线电力的传输。

15.如权利要求9所述的发送器，其中处理器还被配置为：如果接收到用于通知出现错误的消息，那么终止向接收器的无线电力的传输。

16.一种用于在接收器从发送器接收无线电力的方法，该方法包括：

向发送器发送用于与发送器连接的消息；

如果在发送器和接收器之间建立了连接，那么向发送器发送用于请求无线电力的电力信息；以及

如果无线电力能够被发送到接收器，那么从发送器接收无线电力。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

如果从发送器接收到第一电力，那么向发送器发送用于控制接收器的信息；

从发送器接收大于第一电力的第二电力；

向发送器发送对应于第二电力的加入请求；以及

从发送器接收对应于接收器的短标识(SID)和时隙。

18.如权利要求16所述的方法，其中所述电力信息包括接收器的电压、电流、电力传输效率和温度中的至少一个。

19.如权利要求16所述的方法，还包括：

如果充电完成，那么向发送器发送用于通知充电完成的消息。

20.如权利要求16所述的方法，还包括：

如果出现错误，那么向发送器发送用于通知出现错误的消息。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述错误包括过电流、过电压和过温度中的至少一个。

22.一种用于从发送器接收无线电力的接收器，包括：

通信接口，包括谐振器，被配置为：

向发送器发送用于与发送器连接的消息；并且

如果在发送器和接收器之间建立了连接，那么向发送器发送用于请求无线电力的电力信息；以及

处理器，被配置为：

如果无线电力能够被发送到接收器，那么控制谐振器从发送器接收无线电力。

23.如权利要求22所述的接收器，其中处理器还被配置为：

如果从发送器接收到第一电力，那么

控制通信接口向发送器发送用于控制接收器的信息；

控制谐振器从发送器接收大于第一电力的第二电力；

控制通信接口向发送器发送对应于第二电力的加入请求；以及

控制通信接口从发送器接收对应于接收器的短标识(SID)和时隙。

24.如权利要求22所述的接收器，其中所述电力信息包括接收器的电压、电流、电力传输效率和温度中的至少一个。

25.如权利要求22所述的接收器，其中处理器还被配置为：

如果充电完成，那么控制通信接口向发送器发送用于通知充电完成的消息。

26.如权利要求22所述的接收器，其中处理器还被配置为：

如果出现错误，那么控制通信接口向发送器发送用于通知出现错误的消息。

27.如权利要求26所述的接收器，其中所述错误包括过电流、过电压和过温度中的至少一个。