CN106464032B - 一种对目标设备进行无线充电的具有小环传输线圈的充电装置 - Google Patents

Abstract

一种对目标设备进行无线充电的充电装置，包括：一个线圈天线，其第一表面朝向目标设备被放置进行充电的第一方向，而第二表面朝向与第一方向相反的方向，产生第一磁场；多对小环金属传输线圈，其排列在线圈天线的第二表面侧，响应于第一磁场产生第二磁场以增强第一磁场，第一磁场和第二磁场指向第一方向；其中每对金属小环传输线圈中第一线圈和该对中第二线圈并联耦合，并且每对的第一线圈的尺寸不同于该对的第二线圈，使得当目标设备和第一表面之间的距离发生变化时，该对金属小环传输线圈中的其中一个线圈能够与线圈天线发生谐振。

Description

一种对目标设备进行无线充电的具有小环传输线圈的充电 装置

【技术领域】

本发明涉及一种具有小环传输线圈的充电装置，用于对目标设备如移动电话和平板电脑进行无线充电。本发明特别涉及一种使用不同尺寸且并联连接的小环传输线圈的无线充电装置。

【背景技术】

近年来无线充电应用已经获得了巨大增长，并预计该趋势将持续一段时间。无线充电是这样一种技术：利用电磁感应通过空气传输功率，而无需借助电源线或导体。无线充电系统包括：1)充电器，即具有主线圈的功率发射器单元(PTU)，和2)将被充电的目标设备(被充电设备)，即具有次级线圈的功率接收器单元(PRU)。通过主线圈和次级线圈的电磁耦合，充电器的功率被传递到目标充电设备，感应电流可以进一步用于对目标设备的电池进行充电。能量通过感应耦合从充电器传输到目标设备，可以使用该能量对电池进行充电，或作为目标设备的直接工作功率。

无线充电通常分为两种类型。一种是磁感应型，另一种是磁共振型。这两种类型都适用于近场技术，即在靠近PTU和PRU的区域，电磁场占支配地位。磁感应型包括两个彼此非常接近的线圈，通常是在几毫米到几厘米的范围内。磁共振型包括两个谐振线圈，它们之间的距离通常在几厘米到几米的范围内，并且在同一谐振频率上运行，强耦合，因此能够达到更高的充电效率。

如图1A所示，无线充电器11包括感应线圈天线12。无线充电器11感应到移动设备(目标设备)13的出现，以在充电器基座14的平坦表面上对其进行充电。感应线圈天线12为无线充电器11建立一个交流电电磁场，在移动设备13里的第二感应线圈(图中未显示)从该交流电电磁场获取功率，并将功率转换回电流以对移动设备13的电池进行充电，或提供直接工作功率给移动设备13。但是，现有无线充电器的线圈天线设计通常有磁场不均匀的问题，特别是在感应线圈天线12的边缘区域。这是个大问题，因为在充电器基座表面14上方磁场分布不均匀大大影响了充电效率。

另外，如果移动设备13放置在充电器基座表面14上的边缘位置，因为在感应线圈天线12的边缘产生的磁场太小，使得移动设备13不能通过其第二感应线圈收集到足够的功率。

为了解决这些问题，最近提出一种设计，即在线圈天线下方放置一个小环线圈结构，以解决磁场不均匀分布的问题。前述设计包括放置在线圈天线下方的多个同尺寸的小环传输线圈。如图1B所示，无线充电器15包括线圈天线16，以及安置在线圈天线16下方的小环传输线圈结构，以提供一个具有更好均匀性的更高磁场用于无线充电。但是有一个缺点，当一个具有金属盖和/或壳的手机直接放置在线圈天线16上时，现有的小环线圈结构17不能正常工作。手机盖和/或壳的金属材料改变了小环传输线圈17的电容，偏移了谐振频率。结果，极大影响了无线充电的耦合效率。

【发明内容】

所以，期望有一种无线充电器的新颖设计，在线圈天线下方有小环传输线圈，根据目标充电设备相对无线充电器的位置，能够提供最佳的谐振耦合效应，从而为用户提供便利。

根据本发明的一个方面，提供一种对目标设备进行无线充电的充电装置，该充电装置包括：一个线圈天线，其第一表面朝向第一方向，在该方向上放置目标设备进行充电，其第二表面朝向与第一方向相反的方向，第二表面发送无线电信号；多对金属小环传输线圈，其安排在线圈天线的第二表面上，以将线圈天线发送的无线电信号反射到第一表面；其中每对金属小环传输线圈的第一个线圈与该对金属小环传输线圈的第二个线圈并联耦合，并且每对中的第一个线圈和第二个线圈的尺寸都不同，使得当目标设备和第一表面之间的距离发生变化时，该对金属小环传输线圈中的其中一个线圈都能够与线圈天线发生谐振。

根据本发明的另一个方面，提供一种对目标设备进行无线充电的方法，该方法包括：从一个线圈天线的第二表面发射无线电信号，线圈天线有朝向第一方向的第一表面，在第一方向上放置目标设备进行充电，以及朝向与第一方向相反方向的第二表面；使用多对安排在线圈天线第二表面上的金属小环传输线圈，将线圈天线发射的无线电信号反射到第一表面；其中每对金属小环传输线圈中的第一个线圈与该对的第二个线圈并联耦合，并且每对中的第一个线圈和第二个线圈的尺寸都不同，使得当目标设备和第一表面之间的距离发生变化时，该对金属小环传输线圈中的其中一个线圈都能与线圈天线发生谐振。

以下将阐述本发明的其它方面和/或优势，其将从描述内容中显现或可由本发明的实施而获悉。

【附图说明】

下面结合附图的实施例描述本发明的其它方面和/或优势。

图1A显示现有技术一个没有小环传输线圈设计的线圈天线的无线充电装置。

图1B显示现有技术一个有小环传输线圈设计的线圈天线的无线充电装置。

图2A-2C显示本发明实施例的一个无线充电装置的结构，包括一个线圈天线以及多对小环传输线圈，图2D显示其中一对小环传输线圈的放大图。

图3A-3C显示无线充电装置的横截面示意图，和用于获得图2A-2D所示线圈天线和小环传输线圈的谐振频率和电感的公式。

图3D是获得如图2A-2C所示充电系统的参数的流程图。

图4A-4D显示线圈天线的一条观测线以及磁场H的强度，当有金属盖和/或壳的手机放置在该充电系统上方不同高度时，通过使用图2A-2C所示充电系统，磁场H的强度得以增强。

图5A和5B显示两个不同设计结构之间的比较，一个是在主线圈天线下方有小环传输线圈，一个是在线圈天线下方没有小环传输线圈。

图5C显示有小环传输线圈的和没有小环传输线圈的主线圈天线的耦合效率。

图6A显示本发明实施例的图2A-2C所示充电系统的小环传输线圈的不同形状的例子。

图6B显示本发明实施例的图6A不同形状和尺寸的小环传输线圈，逐个铺在图2A-2C所示充电系统的主线圈天线的下方。

图7A和7B显示本发明实施例的图2A-2C所示充电系统的主线圈天线和小环传输线圈的结构和制作方法。

图8显示另一实施例的一对小环传输线圈的放大图，其中该对中较大那个线圈与较小那个线圈并排排列。

【具体实施方式】

现结合附图详细描述本发明实施例，附图中相同标号是指相同元件。

根据本发明一个实施例，图2A-2C显示一个具有线圈结构的无线充电装置20，其包括一个主线圈天线21，在主线圈天线21下方有多个不同尺寸的小环传输线圈22，由此提供一个适用于具有次级线圈天线(参照图5B的PRU天线25)的目标充电设备(图中未显示)的感应电磁场。无线充电设备20是基于磁共振类型，其中主线圈天线21和目标充电设备通常被隔开一个距离，该距离范围从几厘米到几米。

如图2A和2B所示，线圈天线21包括四对小环传输线圈22，每对中的一个线圈与该对的另一个线圈并联连接，且每对中的一个线圈和另一个线圈的尺寸和/或形状都不相同。根据本发明的一个方面，小环传输线圈22的尺寸是指小环传输线圈22的电长度。所以，当涉及不同尺寸的小环传输线圈22时，是指小环传输线圈22有不同的电长度，其可以以多种方式/参数来表示。在图2A和2B里，小环传输线圈对中一个线圈的尺寸不同于该对中另一个线圈。图2C是图2B所示天线结构的其中一对小环传输线圈22的等同电路示意图。如图2C所示，电容器23与小环传输线圈22串联连接，其可以是一个缝隙或一个元件如一个陶瓷电容器，以形成一个谐振结构。

这里，主线圈天线21有一个朝向充电装置20外部的外表面，其中目标设备就被安置在此进行充电，以及一个相反的内表面，朝向充电装置20内部。小环传输线圈22是排列在线圈天线21内表面上的金属环，以将线圈天线21内表面(在充电装置20内部的方向)发射的无线电信号反射到外表面，即放置目标设备进行无线充电的那个表面。

当线圈天线21运行时，线圈天线21的磁场被耦合到小环传输线圈22，其即为第一磁场。小环传输线圈22的场形(第二磁场)被添加到线圈天线21的磁响应(第一磁场)，从而增强无线充电装置20的整个磁场。

图2D显示一对小环传输线圈22的放大示意图，其中一个小环传输线圈22a小于另一个小环传输线圈22b，并且这两个小环传输线圈22a、22b并联连接。应该注意到，在本发明，小环传输线圈22“对”不限于仅仅2个小环传输线圈，也可能是3个或更多个小环传输线圈22。

图3A显示为了获得无线充电最优耦合效率的电感和电容值的运算。参见图3A、3B和3C，假设有两对小环传输线圈22，每对小环传输线圈22，有匝数N，匝宽(turn width)W，匝间隔(spacing between turn)S，内径D1、外径D2、电感值L以及电容值C，假设f＝6.78MHz，那么电感值L_loop和电容值C_total可以通过以下等式(1)和(2)获得。为了获得更详细的参数确定，也可以使用商业的模拟工具如高频结构模拟器(HFSS)。

L＝(N²×A²)/(30A-11D1)

A＝(D1+N(W+S))/2 (2)

如图3A、3B和3C以及以上公式(1)和(2)所示，小环传输线圈22里的电感值L可以通过N、W、S和D1而确定。在获得电感值L之后，图3A里的电容值C可以通过公式(1)计算出，从而实现最优耦合效应。

图3D显示设计小环传输线圈22的流程图。在步骤31，根据主线圈天线21的尺寸，和小环传输线圈22的数量，确定一对小环传输线圈22中第一线圈的第一组特征尺寸值D1、D2、W和S。将D1、N、W和S值代入到图3B所示公式(2)中，能够获得电感值L_loop1。此外，在步骤32，将L_loop1值代入到图3B所示公式(1)，假设小环的谐振频率是6.78MHz，那么可以获得第一小环传输线圈22的串联电容值C1。在步骤33，使用高频结构模拟器(HFSS)中一个模拟模型，以微调第一电容值C1。

类似地，在步骤34，根据第一环的尺寸，确定小环传输线圈22中第二线圈的第二组特征尺寸值D1、D2、W和S。将第二组数值D1、N、W和S代入到图3B所示公式(2)中，能够获得电感值L2。此外，在步骤35，将L_loop1值代入到图3A所示公式(1)，假设小环的谐振频率是6.78MHz，那么可以获得第二小环传输线圈22的串联电容值C2。在步骤36，根据主线圈天线21和有金属盖和/或壳的手机(目标设备，特别是目标设备的次级天线线圈，图5B所示的PRU天线25)之间的工作距离，使用HFSS里一个模拟模型以微调第二电容值C2。工作距离是根据客户需求而定。HFSS里的模拟模型能够确定小环传输线圈22的第一和第二线圈之间的最优间隔尺寸。

在步骤37，合并一对小环传输线圈22中第一和第二线圈确定的参数，可以微调电容器电容值C1、C2，以在某个无线充电距离范围内形成一个增强磁场。如果主线圈天线21和小环传输线圈22正常工作(根据主线圈天线21和目标设备次级线圈天线之间不同距离，磁场不会急速减弱)，那么微调就完成了。

图4A显示一个观测线，其指示在主线圈天线21上方的一个位置。图4B-4D显示一个模拟结果，当有次级线圈天线的金属盖或壳手机(见图5B)放置在主线圈天线21上方不同高度时，通过使用位于主线圈天线21下方的小环传输线圈22，能够增强磁场H的强度。图4B显示的情况是，在主线圈天线21上方没有金属盖和/或壳手机时，具有小环22的主线圈天线21的磁场强度高于没有小环22的主线圈天线21。图4C显示的情况是，当金属盖和/或壳手机与主线圈天线21之间的距离是25mm时，具有小环22的主线圈天线21的磁场强度高于没有小环22的主线圈天线21。图4D显示的情况是，当金属盖和/或壳手机与主线圈天线21之间的距离是50mm时，具有小环22的主线圈天线21的磁场强度高于没有小环22的主线圈天线21。

另外，图5A和5B显示两个不同设计结构的比较，其一是在主线圈天线21下方安置有小环传输线圈22(图5A)，另一是在主线圈天线21下方没有安置小环传输线圈22(图5B)。图5C显示如果移动(目标)装置第二线圈(PRU天线)25和主线圈天线21之间的距离为10cm，具有小环传输线圈对22的主线圈天线21的耦合效率可以达到40％，而没有小环传输线圈对22的主线圈天线21的耦合效率仅为5％。

如图6A所示，小环传输线圈22可以是不同形状，如矩形、圆形、多边形、正方形、三角形或任何组合图形。当然，其它形状也是可能的和适用的。如图6B所示，根据一个实施例，具有不同尺寸和/或形状的小环传输线圈对22中的线圈可以逐个(并排，见图8)铺在无线充电装置20的主线圈天线21下方，以获得无线充电的最优耦合效应。

一对小环传输线圈22中每个环形传输线圈的尺寸和/或形状可以是不同的，不同对的小环传输线圈22的形状和结构可以是相同的。如图5A所示，一对小环传输线圈22中一个线圈的尺寸小于该对中另一个线圈。但是也有可能，一对小环传输线圈22中一个线圈的形状不同于该对中另一个线圈，如图6A所示。图7A和图7B显示一个实施例图2A-2C所示充电装置20的主线圈天线21和小环传输线圈对22的结构和制作方法。由主线圈天线21和小环传输线圈对22构成的整个天线单元，可以使用一个4层印刷电路板(PCB)来制作。4层PCB有4个金属层29-32和3个绝缘层33-35。叠层如图7B所示。主线圈天线21被印制在第一和第二金属层29、30上。小环传输线圈22被印制在第三和第四金属层31、32上。金属层29-32之间的通孔36为主天线线圈21和小环传输线圈对22提供电连接。金属层29-32之间的绝缘层33-35是绝缘材料，如FR4和BT等。绝缘层34是FCB结构中间的FCB核心层。

图8显示另一个实施例的一对小环传输线圈222，其中小环传输线圈222中较大那个线圈222a并不是如图2A、2B和2C所示放置在较小那个线圈222b的周围，而是与较小那个线圈222b并排放置。

如上所述，根据本发明实施例，设计一种无线充电装置，在线圈天线下方有多个不同尺寸小环传输线圈，以提供一个具有更好均匀性的磁场，从而获得最优耦合效应，更有效地进行无线充电。

尽管已经显示并描述了本发明的几个实施例，本领域技术人员应该知道，在不脱离本发明的原则和精神下，可以对这些实施例作出改变，这些改变的范围应该在权利要求及其等同物里确定。

Claims (22)

1.一种对目标设备进行无线充电的充电装置，其特征在于，包括：

一个线圈天线，其第一表面朝向放置目标设备进行充电的第一方向，其第二表面朝向与所述第一方向相反的方向，所述线圈天线产生第一磁场；

多对金属小环传输线圈，其安排在所述线圈天线的所述第二表面侧上，用于响应于所述第一磁场产生第二磁场，以增强所述第一磁场，所述第一和第二磁场指向所述第一方向；和

其中每对金属小环传输线圈的第一线圈与第二线圈并联耦合，每对的第一线圈的尺寸不同于第二线圈，使得当所述目标设备和所述第一表面之间的距离发生变化时，所述金属小环传输线圈对中其中一个线圈能够与所述线圈天线发生谐振。

2.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每个所述金属小环传输线圈的所述尺寸是预先设计的，当所述目标设备和所述线圈天线之间的距离是一个相应的预设目标距离时，使相应的所述金属小环传输线圈能够与所述线圈天线发生谐振。

3.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于所述金属小环传输线圈对中每个所述第一线圈与第二线圈是圆形、多边形或其组合图形，并且每个第一线圈的形状不同于所述相应的第二线圈。

4.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于还包括电容器，所述每个电容器各自和每个金属小环传输线圈串联连接。

5.根据权利要求4所述的充电装置，其特征在于所述电容器是缝隙。

6.根据权利要求4所述的充电装置，其特征在于所述电容器是陶瓷电容器。

7.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每对金属小环传输线圈的第一线圈位于所述对的第二线圈内。

8.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每对金属小环传输线圈的第一线圈小于所述对的第二线圈，并位于所述对的第二线圈一侧。

9.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每对金属小环传输线圈的第一线圈具有相同尺寸和形状，每对金属小环传输线圈的第二线圈具有相同尺寸和形状，并且同一小环对中的线圈具有不同尺寸和不同形状。

10.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每个金属小环传输线圈的电感和电容值，根据匝数N，匝宽W，匝间隔S，内径D1，外径D2，和频率f，通过以下等式(1)和(2)确定电感值L_loop和电容值C_total：

(1)

(2)L_loop＝(N²XA²)/(30A-11D1)

A＝(D1+N(W+S))/2

其中A是与线圈内径D1，线圈匝数N，匝宽W以及匝间距S有关的参数。

11.根据权利要求4所述的充电装置，其特征在于每个金属小环传输线圈的电感和电容值，根据匝数N，匝宽W，匝间隔S，内径D1，外径D2，和频率f，通过以下等式(1)和(2)确定电感值L_loop和电容值C_total：

(1)

(2)L_loop＝(N²XA²)/(30A-11D1)

A＝(D1+N(W+S))/2

其中A是与线圈内径D1，线圈匝数N，匝宽W以及匝间距S有关的参数。

12.根据权利要求11所述的充电装置，其特征在于所述金属小环传输线圈是根据以下步骤设计：

根据所述线圈天线的尺寸以及所述金属小环传输线圈对的数量，确定每对金属小环传输线圈的第一线圈的第一组数值D1、D2、W和S，并根据等式(2)计算第一线圈电感；

根据等式(1)计算所述第一线圈的第一电容器的第一串联电容值；

建立一个模拟模型以微调所述第一电容器；

根据所述金属小环传输线圈对中第一线圈的尺寸，确定每对金属小环传输线圈中第二线圈的第二组数值D1、D2、W和S，并根据等式(2)计算第二线圈电感；

根据等式(1)计算所述第二线圈的第二电容器的第二串联电容器值；

根据所述线圈天线和所述目标设备之间的预设距离集合，建立一个模拟模型以微调所述第二电容器；和

并联所述第一和第二线圈，并微调所述第一和第二电容器。

13.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每对金属小环传输线圈包括至少两个互相并联连接的金属小环传输线圈。

14.根据权利要求1所述的充电装置，其特征在于每对金属小环传输线圈包括至少三个互相并联连接的金属小环传输线圈。

15.一种对目标设备进行无线充电的方法，其特征在于，包括：

从线圈天线的第二表面产生第一磁场，所述线圈天线的第一表面朝向所述目标设备放置进行充电的第一方向，所述线圈天线的第二表面朝向与所述第一方向相反的方向；

响应于所述第一磁场，使用多对排列在所述线圈天线的所述第二表面侧的金属小环传输线圈，产生第二磁场，所述第一和第二磁场指向所述第一方向；

其中每对金属小环传输线圈中第一线圈与第二线圈并联耦合，每对的第一线圈的尺寸不同于第二线圈，使得当所述目标设备和所述第一表面之间的距离发生改变时，所述金属小环传输线圈对中其中一个线圈能够与所述线圈天线发生谐振。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于每对所述金属小环传输线圈的尺寸和/或形状是预先设计的，使得当所述目标设备和所述线圈天线之间的距离是一个相应的预设目标距离时，相应的金属小环传输线圈能够与所述线圈天线发生谐振。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于每对所述金属小环传输线圈中每个第一线圈和第二线圈是圆形、多边形或其组合图形，并且每个第一线圈的形状不同于相应的第二线圈。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于每个金属小环传输线圈都分别和电容器串联连接。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于每个金属小环传输线圈的电感和电容值，根据匝数N，匝宽W，匝间隔S，内径D1，外径D2，和频率f，通过以下等式(1)和(2)确定电感值L_loop和电容值C_total：

(1)

(2)L_loop＝(N²XA²)/(30A-11D1)

A＝(D1+N(W+S))/2

其中A是与线圈内径D1，线圈匝数N，匝宽W以及匝间距S有关的参数。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于所述金属小环传输线圈是根据以下步骤设计：

根据所述线圈天线的尺寸以及所述金属小环传输线圈对的数量，确定每对金属小环传输线圈中第一线圈的第一组数值D1、D2、W和S，并根据等式(2)计算第一线圈电感；

根据等式(1)计算所述第一线圈的第一电容器的第一串联电容值；

建立一个模拟模型以微调所述第一电容器；

根据所述金属小环传输线圈对中第一线圈的尺寸，确定每对金属小环传输线圈中第二线圈的第二组数值D1、D2、W和S，并根据等式(2)计算第二线圈电感；

根据等式(1)计算所述第二线圈的第二电容器的第二串联电容值；

根据在所述线圈天线和所述目标设备之间的预设距离集合，建立一个模拟模型以微调所述第二电容器；和

将所述第一和第二金属小环传输线圈并联，并微调所述第一和第二电容器。

21.根据权利要求15所述的方法，其特征在于每对金属小环传输线圈中第一线圈有相同尺寸和形状，每对金属小环传输线圈中第二线圈有相同尺寸和形状，同一金属小环传输线圈对中所述线圈有不同尺寸和不同形状。

22.一种设计充电装置以对目标设备进行无线充电的方法，其特征在于，包括：

一个线圈天线，其第一表面朝向放置所述目标设备进行充电的第一方向，其第二表面朝向与所述第一方向相反的方向，所述线圈天线产生第一磁场；

多对金属小环传输线圈，排列在所述线圈天线的第二表面侧上，用于响应于所述第一磁场产生第二磁场以增强所述第一磁场，所述第一和第二磁场指向所述第一方向；

其中每对金属小环传输线圈的第一线圈与所述对的第二线圈并联耦合，每对的第一线圈的尺寸不同于所述对的第二线圈，使得当所述目标设备和所述第一表面之间的距离发生变化时，所述金属小环传输线圈对中其中一个线圈能够与所述线圈天线发生谐振，所述方法包括：

确定每个金属小环传输线圈的电感和电容值，根据匝数N，匝宽W，匝间隔S，内径D1，外径D2，和频率f，通过以下等式(1)和(2)确定电感值L_loop和电容值C_total：

(1)

(2)L_loop＝(N²XA²)/(30A-11D1)

A＝(D1+N(W+S))/2

其中A是与线圈内径D1，线圈匝数N，匝宽W以及匝间距S有关的参数；

根据以下步骤：

根据所述线圈天线的尺寸以及所述金属小环传输线圈对的数量，确定每对金属小环传输线圈的第一线圈的第一组数值D1、D2、W和S，并根据等式(2)计算第一线圈电感；

根据等式(1)计算所述第一线圈的第一电容器的第一串联电容值；

建立一个模拟模型以微调所述第一电容器；

根据所述金属小环传输线圈对中的第一线圈的尺寸，确定每对金属小环传输线圈的第二线圈的第二组数值D1、D2、W和S，并根据等式(2)计算第二线圈电感；

根据等式(1)计算所述第二线圈的第二电容器的第二串联电容值；

根据所述线圈天线和所述目标设备之间的预设距离集合，建立一个模拟模型以微调所述第二电容器；和

将所述第一线圈和第二线圈并联结合，微调所述第一和第二电容器。