CN105518970B - 具有并联共振电源路径的无线电源 - Google Patents

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Abstract

提供了一种无线充电器，用于给多个设备充电，该无线充电器包括耦接于驱动放大器的一个或多个驱动线圈。多个中继线圈耦合到该一个或多个驱动线圈。一个或多个接收线圈耦合到中继线圈。一个或多个中继线圈被调谐，以使中继线圈仅在一个或多个接收线圈极为接近(in close proximity)时才是共振的。

Description

具有并联共振电源路径的无线电源
优先权信息
本申请要求如下申请的优先权：2014年8月6日递交的申请号为61/862,585的美国临时案，在此合并参考上述申请案的全部内容。
背景技术
本发明涉及一种充电设备(charging device)领域，更特别地，涉及一种具有大的充电区域而有源电路(active circuit)极少(minimal)的多个设备无线充电器(multiple-device wireless charger)。
设计多个设备充电器的传统方法是：(a)使用具有多个有源器件(active device)的多个线圈(coil)，以选择性地激活(activate)它们；或者，(b)使用单个的大线圈来覆盖整个充电区域。
由于被选择性激活地线圈具有高耦合系数(coupling factor)，因此，方法(a)能够提供良好的效率。高耦合系数导致高效率。然而，由于方法(a)要求每个线圈具有至少一个有源器件，因此，该解决方案的复杂度、成本、尺寸及重量随充电区域增加。
由于大的源线圈(source coil)耦合到小的接收线圈(receiver coil)中的此结构(arrangement)具有低耦合系数，因此，方法(b)倾向于不提供良好的效率。低耦合系数意味着低效率。使用方法(b)的另一问题是，当相比于接收设备源线圈是大的(large)时，接收设备中的任何金属将影响源线圈的电感(inductance)。这种效应被称作金属失谐(metaldetuning)。
在现有技术中，中继器(repeater)(无源共振器，passive resonator)已被用来改善源线圈和接收线圈之间的耦合，该源线圈和接收线圈被长距离分离开来，或者，具有相对大的尺寸比(size ratio)。在本发明中，使用多个并行的(parallel)中继器来改善源线圈和接收线圈之间的耦合。此外，我们使用接收器的金属失谐效应来改善电源传输(powertransfer)的选择性。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种无线充电器，用于给多个设备充电。该无线充电器包括一个或多个驱动线圈，耦接于驱动放大器。多个中继线圈耦合到所述一个或多个驱动线圈。一个或多个接收线圈耦合到所述中继线圈。所述一个或多个中继线圈被调谐，以使得当所述一个或多个接收线圈极为接近(in close proximity)时，所述中继线圈才是共振的(resonant)。
根据本发明的另一方面，提供了一种形成(form)无线充电器的方法，用于给多个设备充电。该方法包括：提供一个或多个驱动线圈，所述一个或多个驱动线圈耦接于驱动放大器。此外，该方法包括：放置(positioning)多个中继线圈，所述多个中继线圈耦合到所述一个或多个驱动线圈。此外，该方法包括：放置一个或多个接收线圈，所述一个或多个接收线圈耦合到所述中继线圈。所述一个或多个中继线圈被调谐(tuned)，以使得当一个或多个共振线圈极为接近时，该中继线圈才是共振的。
附图说明
图1是说明无线电源系统的通用电路的示意图；
图2是说明普通线圈结构的示例；
图3是说明图2所示线圈结构的示意图；
图4是根据本发明说明一种1:2耦合的磁性系统的示意图；
图5是说明图4所示线圈结构模式的示意图；
图6是根据本发明说明一种1:2并联耦合的磁性系统的示意图；
图7是说明图6所示线圈结构模式的示意图。
具体实施方式
本发明描述了一种用以设计多个设备无线充电器的技术，该多个设备无线充电器具有大充电区域而有源电路极小。本发明刻意(deliberately)调整(tune)中继器偏离共振(off resonance)，以使得中继器仅在接收器金属存在时才是谐振的(in tune)。
图1示出了一种共振式无线电源(resonant wireless power,RWP)系统102。可以用来描述RWP系统的大部分重要方面的两个复数阻抗(complex impedance)是：开路阻抗(open-circuit impedance)Zoc和反射阻抗(reflected impedance)Zref。可以以多种不同的方式建模源线圈(source coil)L1和接收线圈(receiver coil)L2之间的互感(Mutualinductance)(或耦合，coupling)。耦合可以被表示为互感M，或无量纲耦合系数(unitlesscoupling coefficient)k。互感M、耦合系数k和线圈电感L1、L2服从等式1所表示的关系。
等式1
在此情形中，耦合k被模型化为(is modeled as)与接收线圈L2串联的流控电压源(current-controlled voltage source)。此电压源Voc看到的阻抗(包括线圈L2、接收匹配网络106和负载R1(如整流器、dc/dc、负载电流))为Zoc。在源端(source side)，当耦合存在时，可以将该耦合效应建模为与源线圈L1串联的阻抗，该阻抗被称作反射阻抗Zref。如图1所示，共振式无线电源系统102的发射端被模型化为包括电阻Rs、电压源Vs、源匹配网络、源线圈L1和反射阻抗Zref。开路阻抗和反射阻抗均为复数(complex quantity)，它们具有实部(有功部分)和虚部(无功部分)。对于1:1的RWP系统，反射阻抗与开路阻抗的关系如等式2。
等式2
图2描绘了三线圈无线电源系统2的一种示例。被标注为“src”的源放大器(sourceamplifier)驱动一驱动线圈(drive coil)L1，以形成发射器(transmitter)4。此驱动线圈L1通过耦合系数k12耦合到具有线圈电感L2的中继器6。中继器6通过耦合k23并经由接收线圈L3耦合到接收器(receiver)RX。也存在直接耦合k13，但此耦合可以被忽略。线圈电感L2直接连接至电容C。
图3示出了一种图2所示普通(standard)线圈结构的模型(model)。发射器(transmitter)4被模型化为具有电阻(resistance)Rs、可变电压源(variable voltagesource)Vs、源匹配网络(source matching network)14和电感L1。发射器4通过耦合k12磁耦合到中继器6。中继器6被模型化为具有电感L2，该电感L2耦接于电容C1。中继器6通过耦合k23磁耦合到接收器8。接收器8被模型化为具有电感L3a、接收匹配网络16和电阻R1a。在发射器4上，可以构造等效电路结构，以简化中继器6和接收器8的负载模型。该等效电路结构12包括电压源Vs、电阻Rs、源匹配网络18、电感L1和反射阻抗(reflected impedance)Zref，该反射阻抗Zref与中继器6和接收器8有关。
实践中，接收器8通常是电子装置(如移动电话)的一部分，该电子装置由导电材料(conducting materials)部分构造。因此，电子装置中的金属将与耦合的线圈(coupledcoil)相互作用，影响共振系统的调谐(tuning)。为了抵消此效应，可以特意偏离调谐(off-tune)该中继器，以使得该中继器仅在具有相关的(associated)电子装置的接收器极为接近(is in close proximity)时才是共振的。
图4是说明1:2耦合的磁性系统24的示意图。实践中，驱动线圈L1现在耦合到两个中继器L2a和L2b。这些中继器中的每个会或不会耦合到接收线圈L3a、L3b，取决于充电器的使用情形。中继器L2a和L2b被调谐，以使得它们仅在接收器存在时才是共振的。这给系统中存储(store)能量的地方提供了一些选择性。由于不具有存在的接收器的中继器是偏离调谐的，因此，存储在此中继器中的能量是极小的(minimal)。由于存储在中继器(未耦合到接收器)中的能量最终作为热量耗散，因此，这减少了系统中的损耗(loss)。在进一步地分析中，直接耦合k13a和k13b应当是极小的，且被忽略。
图5示出了一种图4所示线圈结构的模型。源线圈L1被模型化为连接到电阻Rs、可变电压源Vs(该可变电压源Vs表示驱动放大器)和源匹配网络30。源线圈L1分别通过耦合系数k12a和k12b磁耦合到两个中继线圈(repeater coil)L2a和L2b。中继线圈L2a和L2b耦合到电容C1和C2。在此示例中，每个中继线圈磁耦合到接收线圈。中继线圈L2a通过耦合系数k23a磁耦合到接收线圈L3a。中继线圈L2b通过耦合系数k23b磁耦合到接收线圈L3b。所述线圈L3a、L3b均被模型化为连接至接收匹配网络32,34和电阻R1a,R1b。如图3中的示例，在源放大器上，可以限定(define)等效电路结构，简化中继器和接收器的负载模型。
等效电路结构36包括电压源Vs、源电阻Rs、源匹配网络38、电感L1和反射阻抗Zrefa、Zrefb，其中，反射阻抗Zrefa、Zrefb与直接耦合k12a、k12b、k23a、k23b有关。反射阻抗Zrefa、Zrefb与电感L1串联出现。中继线圈L2a和L2b被调谐，以使得在给定时刻(at agiven time)，无论哪个(whichever)中继器耦合到接收器，均呈现更高的(higher)阻抗给驱动放大器。中继线圈被调谐，以当耦合到接收线圈时呈现出更高的阻抗给驱动放大器。若驱动放大器表现为(behave like)电流源，则此结构是很好的选择。
图6示出了一种1:2并联耦合的磁性系统42。在本实施例中，源放大器(未示出)驱动并联结构中的两个源线圈L1a和L1b。这两个源线圈L1a和L1b通过耦合系数k12a和k12b耦合到中继器L2a和L2b。每个中继器会或不会通过耦合系数k23a和k23b耦合到接收器件L3a和L3b。如图4的第一实施例，中继器L2a和L2b被调谐，以使得它们仅在接收器极为接近时才是共振的。这造成了未耦合到接收器的中继器中存储的能量更少(less)。
图7示出了一种图6所示线圈结构的模型。源线圈L1a和L1b被连接成并联结构。源线圈L1a和L1b被模型化为连接至电阻Rs、可变电压源Vs、源匹配网络50。中继线圈L2a和L2b分别耦接于电容C1和C2。接收线圈L3a,L3b均被模塑为连接至接收匹配网络52,54和电阻R1a,R1b。如图3的示例，在源放大器上，可以限定等效电路结构，简化中继器和接收器的负载模型。该等效电路结构56包括源电阻Rs、源匹配网络58以及耦接于并联电感L1a、L1b和反射阻抗Zrefa、Zrefb的电压源Vs，反射阻抗Zrefa、Zrefb与直接耦合k12a、k12b、k23a、k23b有关。
对应于L2a/L3a和L2b/L3b的电源路径被并联驱动。在电路性能方面，偏离调谐的中继器呈现出高的(high)反射阻抗给初级线圈(primary coil)。此结果是：不具有接收器的电源路径分支与具有接收器的分支相比，表现为高的阻抗给源放大器。这造成了更多(more)的能量转向现行使用中(in active use)的分支。中继线圈和驱动线圈是调谐的，以使得在给定时刻，通过中继线圈耦合到至少一个接收线圈的驱动线圈与通过中继线圈未耦合到任意一个接收线圈的驱动线圈相比，呈现出更低的(lower)阻抗给驱动放大器。若源放大器表现为电压源，此实施例是很好的选择。
尽管本发明已经示出并描述了关于本发明的一些优选实施例，但在不脱离本发明的精神以及范围内，可以获得对本发明的形式和细化的各种变化、删除和增加。

Claims (12)

1.一种无线充电器，用于给多个设备充电，包括：
一个或多个驱动线圈，耦接于驱动放大器；
多个并行的中继线圈，耦合到所述一个或多个驱动线圈；
其中，所述多个并行的中继线圈被调谐为：与一个或多个接收线圈极为接近的中继线圈才是共振的，而未耦合到接收线圈的中继线圈是偏离共振的。
2.如权利要求1所述的无线充电器，其特征在于，多个驱动线圈并联耦接于所述驱动放大器，所述多个驱动线圈中的每一个耦合到所述多个并行的中继线圈中的至少一个。
3.如权利要求2所述的无线充电器，其特征在于，所述中继线圈和所述驱动线圈被调谐，以使得在给定时刻，通过所述中继线圈耦合到至少一个接收线圈的驱动线圈与通过所述中继线圈未耦合到任意一个接收线圈的其它驱动线圈相比，呈现出更低的阻抗给所述放大器，从而比所述其它驱动线圈获取更多的电流。
4.如权利要求3所述的无线充电器，其特征在于，所述驱动放大器表现为电压源。
5.如权利要求1所述的无线充电器，其特征在于，所述中继线圈被调谐，以当耦合到接收线圈时呈现出更高的阻抗给所述驱动放大器。
6.如权利要求5所述的无线充电器，其特征在于，所述驱动放大器表现为电流源。
7.一种形成无线充电器的方法，用于给多个设备充电，包括：
提供一个或多个驱动线圈，所述一个或多个驱动线圈耦接于驱动放大器；
放置多个并行的中继线圈，所述多个并行的中继线圈耦合到所述一个或多个驱动线圈；
其中，所述多个并行的中继线圈被调谐为：与一个或多个接收线圈极为接近的中继线圈才是共振的，而未耦合到接收线圈的中继线圈是偏离共振的。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，多个驱动线圈并联耦接于所述驱动放大器，所述多个驱动线圈中的每一个耦合到所述多个并行的中继线圈中的至少一个。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述中继线圈和所述驱动线圈被调谐，以使得在给定时刻，通过所述中继线圈耦合到至少一个接收线圈的驱动线圈与通过所述中继线圈未耦合到任意一个接收线圈的其它驱动线圈相比，呈现出更低的阻抗给所述驱动放大器，从而比所述其它驱动线圈获取更多的电流。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述驱动放大器表现为电压源。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述中继线圈被调谐，以当耦合到接收线圈时呈现出更高的阻抗给所述驱动放大器。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述驱动放大器表现为电流源。
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