CN106899094B - 无线电源接收机、无线电源组件及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了无线电源接收机、无线电源组件及电子设备。其中，无线电源接收机包括：接收线圈，用于在有磁场的区域产生交流电压；导电基板，靠近所述接收线圈设置；磁屏蔽，设置在所述接收线圈和所述导电基板之间，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率。实施本发明可改善无线电源系统的整体效率。

Description

无线电源接收机、无线电源组件及电子设备
技术领域
本发明通常涉及无线电源(Wireless power,WP)技术领域，更特别地，本发明涉及无线电源接收机、无线电源组件及电子设备。
背景技术
无线电源系统(wireless power system)使用一对电感线圈形成松散(loosely-coupled)耦合变压器用于无线地传输电源。所述一对电感线圈包括发射线圈，所述发射线圈例如可加工为充电垫的一部分，以及与电子设备集成在一起的接收线圈，所述电子设备例如为移动电话、智能手机或其他计算设备。传输至接收线圈的电源可被所述电子设备用于对所述电子设备的电池等充电。
图1示出包括无线电源发射机2和无线电源接收机3的无线电源系统。无线电源发射机2从直流适配器(DC adapter)接收固定电压(fixed voltage)。所述固定的适配器电压由DC/DC转换器4(直流-直流转换器)缩放(scale)后提供至反相器6。反相器连同发射机匹配网络8在发射线圈10产生交流电流(AC current)。发射线圈10处的交流电流依据安培法则产生振荡磁场。所述振荡磁场根据安培法则将交流电压感应至无线电源接收机3的调谐接收线圈12。接收线圈12处感应的交流电压被提供至整流器16以产生未经调节的(unregulated)直流电压。使用DC/DC转换器18对所述未经调节的直流电压过滤以调节所述未经调节的直流电压，然后将调节后的直流电压提供给负载，例如电子设备的电池充电器。
发明内容
本发明提供无线电源接收机、无线电源组件及电子设备，可改善无线电源系统的整体效率。
本发明的一些实施例涉及一种无线电源接收机，其包括：接收线圈，用于在有磁场的区域产生交流电压；导电基板，靠近所述接收线圈设置；磁屏蔽，设置在所述接收线圈和所述导电基板之间，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率。
本发明的一些实施例涉及一种无线电源组件，其包括：无线电源线圈；靠近所述无线电源线圈设置的磁屏蔽，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率。
本发明的一些实施例涉及一种电子设备，其包括：接收线圈，用于在有磁场的区域产生交流电压；电池，靠近所述接收线圈设置；磁屏蔽，设置在所述接收线圈和所述电池之间，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率。
由上述列举的方案可知，本发明实施例的磁屏蔽至少包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率。因此，本发明实施例提供的多层磁屏蔽在不需要实际的更厚的屏蔽和不需要在组件之间设置间隙的情形下捕获和回传更多的杂散磁通量以改善无线电源系统的整体效率。
附图说明
图1示出包括无线电源发射机2和无线电源接收机3的无线电源系统。
图2示出可作为电子设备(例如智能电话或平板电脑)的一部分的无线电源组件200。
图3依据一些实施例示出包括多层磁屏蔽310的无线电源组件300。
图4示出包括磁屏蔽层420的无线电源组件400。
图5为实验结果的表格，其演示了根据本发明的一些实施例设计的多层磁屏蔽层改善无线电源线圈(发射线圈或接收线圈)的质量因子(Q因子)的效果。
具体实施方式
现在将详细给出参考信息至本发明的一些实施例，这些实施例中的示例在下面的附图中来说明。
在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”及“包括”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大体上”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性连接手段。因此，若文中描述一第一组件耦接于一第二组件，则代表该第一组件可直接电性连接于该第二组件，或通过其它组件或连接手段间接地电性连接至该第二组件。以下所述为实施本发明的较佳方式，目的在于说明本发明的精神而非用以限定本发明的保护范围，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
在无线电源系统中，发射线圈和接收线圈之间的电源传输存在损耗，部分原因是因为接收线圈未能捕捉(capture)到的杂散(stray)磁通量。无线电源系统的效率(η)按照下面的表达式与线圈的质量因子(Q)直接相关：
Figure BDA0001186853010000031
其中，Q1为发射线圈的质量因子，Q2为接收线圈的质量因子，k为发射线圈和接收线圈之间的耦合系数(coupling coefficient)。由于无线电源系统中的线圈之间并不能完全耦合(也即，k<1)，线圈未能捕捉到的磁场以杂散磁通量的方式丢失，因此降低系统的效率。如后续将要讨论的更多细节所述，杂散磁通量还会在发射线圈和接收线圈附近的导电基板上感应涡电流(eddy current)，这将导致不好的效果。
无论是有意或者无意，无线电源系统的发射和接收线圈中的一个或两个靠近导电基板设置，以便发射线圈和接收线圈产生/感知的至少一部分磁场在操作过程中被所述导电基板捕获(trapped)作为流动在所述导电基板中的涡电流。在本发明中，术语“靠近”是指空间靠近一个组件，但又不需要与所述组件相连。例如，间隔很小间隙的两个组件仍可认为是本发明所述的“靠近”，即使所述两个组件并未彼此物理连接。
在包括无线充电功能的电子设备(例如，智能电话)中，用于根据磁场产生电流的接收线圈可靠近所述设备的电池设置以提供电池充电(此时，电池作为本发明前述的导电基板使用)。用于电子设备的电池由高导电材料(例如，铝)制成，所述电池将接收线圈未捕捉到的杂散磁通量捕获作为涡电流。在另一个实施例中，集成在工作台或车辆中的无线电源发射线圈可位于一个或多个导电基板附近，因此，杂散磁通量可被所述靠近的导电基板捕获到。当无线电源系统中的线圈(发射线圈和接收线圈)中的一个或者两个靠近导电基板设置，所述无线电源系统的效率由于靠近导电基板设置的线圈的质量因子的减小而减小。例如，困在导电基板中生成的涡流中的杂散磁通量未形成到发射线圈的回路的一部分，因此减少了发射线圈的质量因子。除减小无线电源系统的效率之外，困在导电基板中生成的涡流中的杂散磁通量还会产生不好的效果(undesirable effect)，所述不好的效果包括但不限于增加导电基板的热量。
一些无线电源系统试图通过合并线圈和导电基板之间设置的磁屏蔽层(magneticshielding layer)来减小位于无线电源线圈附近的导电基板上的磁通量的影响。图2示出可作为电子设备(例如智能电话或平板电脑)的一部分的无线电源组件200。无线电源组件200包括用于无线电源系统(例如，无线充电系统)中对电子设备的电池进行充电的接收线圈210。无线电源组件200还包括形成在接收线圈210和导电基板220之间的磁屏蔽230。
在无线电源系统的操作过程中，磁屏蔽230捕捉至少一部分杂散的磁通量以减少导电基板220上的杂散磁通带来的不好的效果。图2描述由无线电源的发射线圈产生，接收线圈210感知的振荡磁场的磁通量240。如图所示，磁通量240包括至少部分地由磁屏蔽230捕捉的磁通240a和磁屏蔽230未捕捉到的磁通240b，由此无线电源系统的效率被降低。后续详细描述的一些实施例针对多层磁屏蔽，所述多层磁屏蔽相较于一些传统的单层磁屏蔽而言可捕捉更多的磁通。
磁导率(permeability)(μ)为材料支持在所述材料中形成磁场的能力的度量。在无线电源系统中，发射线圈和接收线圈之间的媒介通常为磁导率μ＝μ0的自由空间(空气)。当磁屏蔽230包括相对(relative)磁导率大于μ0(也即，μ>μ0)的材料，所述屏蔽用于在低磁阻路径中捕获杂散的磁通量。例如，磁屏蔽230可能包括相对磁导率位于200-2000之间的低损耗材料，例如铁素体(ferrite)。虽然铁素体具有低损耗的特性使其经常被用作磁屏蔽的材料，但是其他材料，例如高磁导合金也可替代性地被使用。
磁场的大小与到接收线圈210的距离成反比。因此，一些用于获取更多杂散磁通量的技术包括：增加磁屏蔽230的厚度以为磁通提供更大的低磁导回程路径，和/或，增加接收线圈210和导电基板220之间的距离，例如，在线圈210和导电基板220之间引入间隙。在实际应用中，智能电话和平板电脑的制造商通过使用厚度设计约束来排除厚磁屏蔽或间隙的使用。
本发明的发明人已经认识并了解到，可使用多层磁屏蔽来改善传统的无线电源系统中所使用的单层磁屏蔽，其中，多层磁屏蔽中的至少一部分层之间具有不同的磁特性。图3依据一些实施例示出包括多层磁屏蔽310的无线电源组件300。多层磁屏蔽310设置在接收线圈210和导电基板220之间。磁屏蔽310包括第一层230和第二层320。在一些实施例中，第一层230可包括相对于磁导率位于200-6000范围之间的低损耗材料，例如铁素体。第一层230中的低损耗材料的非限定性实施例包括但不限于，EPCOS N30或N48，立方结构的铁氧体3H3或3E4，以及TDK H5A或H6K。第二层320可包括相对磁导率比第一层230中的材料的磁导率大的材料。第二层320中的材料的非限定性实施例包括但不限于，相对磁导率高于12000的层压薄柔性材料
Figure BDA0001186853010000051
800R，纳米晶体箔制成的FT-3W
Figure BDA0001186853010000052
材料，以及
Figure BDA0001186853010000053
2605s3a磁性合金表。
在一些实施例中，第二层320可包括以高损耗为特点的材料，因为所述材料展现出比第一层230中的材料更高的磁损耗。如上所述，相较而言，由于低损耗材料(例如，铁素体)高效地捕捉杂散磁通量的能力，在无线电源系统中常使用低损耗材料作为磁屏蔽。与预期的相反，本发明的发明人发现如果高损耗材料设置在磁屏蔽中磁场比较弱的位置来捕捉杂散磁通量，同时包括低损耗材料和高损耗材料的磁屏蔽可能有助于改善无线电源系统的效率。
尽管在大磁场区域高损耗材料捕捉杂散磁通量的效率没有低损耗材料(例如，铁素体)那么好，但是当磁场比较弱时，高损耗材料捕捉杂散磁通量的效率实际上会大于低损耗材料。如前所述，当距离接收线圈210的距离增大，磁场的强度减小。有别于仅仅增加磁场中的低损耗材料的厚度或增加间隙来增大导电基板220和接收线圈210之间的距离，本发明的发明人发现在磁场强度较弱的位置设置高损耗、高相对磁导率的材料可有助于改善无线电源系统的效率。高相对磁导率材料在为用于增加线圈的质量因子Q的磁通提供回程路径的弱磁场区域高效地捕捉杂散磁通量。
一些实施例包括层经过安排的多层磁屏蔽，以便在每一层中捕捉杂散磁通量的效率和所述层中的材料的磁特性以及所述层距离接收线圈210的距离相关。特别的，如图3所示，一些实施例包括直接设置在接收线圈210附近的磁场最强区域的具有低损耗、低相对磁导率材料的第一磁屏蔽层230，还包括设置在第一磁屏蔽层230和导电层220之间的磁场较弱区域的具有高损耗、高相对磁导率材料的第二磁屏蔽层320。通过每一层均能高效地基于所述层中的材料的磁特性捕捉杂散磁通量的方式设置磁屏蔽310的各层，接收线圈210的质量因子被改善，因此无线电源系统的总效率得到改善。
多层磁屏蔽310中不同层的厚度可不相同。第一层230的厚度大于第二层320的厚度。例如，在一些实施例中，第一层230的厚度为1毫米，第二层320的厚度小于或等于0.4毫米。在一些实施例中，第二层320的厚度为0.1毫米。在另一些实施例中，当第二层320包括磁导率非常高的材料(μ>μ0)时，第二层320的厚度小于0.1毫米。也可替代性地使用其他的厚度，本发明并不限于此处列举的实施例。
在一些实施例中，多层磁屏蔽层可包括比两层更多的层。图4示出包括磁屏蔽层420的无线电源组件400，磁屏蔽层420包括三层，其中每一层具有的材料的磁特性均不相同。如图4所示，磁屏蔽层410包括设置在接收线圈210和导电基板220之间的第一层230、第二层320以及第三层420。第一层230和第二层320可包括磁特性与图3中描述的磁屏蔽310的各层的磁特性相似的材料。附加的第三层420可包括磁导率比第二层320中的材料和第一层230中的材料的磁导率更高的材料。第三层420的厚度可小于或大于第二层320的厚度。尽管图中仅示出磁屏蔽层410的三层，可理解的是，可使用任意合适数量的层，本发明并不限于此处所列举的实施例，
此外，尽管图2-4是以接收线圈210为例进行图示，具体实施时，接收线圈210也可替换为发射线圈。
图5为实验结果的表格，其演示了根据本发明的一些实施例设计的多层磁屏蔽层改善无线电源线圈(发射线圈或接收线圈)的质量因子(Q因子)的效果。线圈的质量因子定义为线圈的电感(L)和电阻(R)的比值，也即，
Figure BDA0001186853010000061
其中，ω＝2πf。除线圈的质量因子之外，表中还示出线圈在不同无线电源组件配置中的电感。所有的测量均在100kHZ的谐振频率下执行。
作为参考，无线电源组件建造为包括靠近1毫米单层铁素体屏蔽(测试1)设置的无线电源线圈。图5中还在最右边的两列示出图5中与测试1的配置相比较的所有其他无线电源组件配置(也即，测试2-11的配置)的高度和估计的成本。如图5所示，当单层铁素体屏蔽形成于绝缘基板(dielectric substrate)上，此布局下的线圈的质量因子Q为165.7，而当所述单层铁素体屏蔽形成于导电基板上，可观察到，线圈的质量因子Q下降约68％。
在测试2和3中，在屏蔽和导电基板之间引入间隙。如图5所示，当在导电基板上形成屏蔽时，间隙的存在将会改善线圈的质量因子Q，例如，当使用6毫米的间隙时，可获得95.9的质量因子。尽管引入间隙可改善线圈的质量因子Q，但是这种配置下无线电源组件的高度也需要增加，因此其将不适合便携式电子设备的一些设计限制要求。
在测试4-7中，测试1-3中的单层铁素体屏蔽替换为包括具有高相对磁导率(高μ)材料的薄层的屏蔽。相较于没有间隙配置的单层铁素体屏蔽(测试1)，当在导电基板附近形成0.3毫米(测试6)或0.4毫米(测试7)厚度的高μ材料，线圈的质量因子Q改善18-25％。如图5所示，按照估计，0.1毫米厚的高μ材料的成本为1毫米厚的铁素体屏蔽材料的1.5倍，因此，测试6和7中的配置的相对成本比单层铁素体屏蔽(测试1)的成本高4.5-6倍。
在测试8-11中，测试1-3中的单层铁素体屏蔽替换为包括具有高相对磁导率(高μ)材料的较薄层和1毫米铁素体层的多层混合(hybrid)屏蔽。在这些配置中，在高度并未实际增加的情形下降线圈的质量因子Q改善至超过100。例如，在测试8所使用的配置(1毫米的铁素体+0.1毫米的高μ材料屏蔽)中，在高度相较于测试1的配置仅增加0.1毫米的情形下，线圈的质量因子为102.7。在测试8的配置中引入高相对磁导率材料的薄层使线圈的质量因子Q相较于测试1所使用的配置中确定的底线质量因子Q增大了约62％。在测试9-11中将高高μ材料的厚度增加比1.0毫米更大的厚度使线圈的质量因子进一步得到改善，其中，测试11的配置(1毫米的铁素体+0.4毫米的高μ材料屏蔽)表明质量因子Q比测试1的配置中确定的底线质量因子增大了80％以上。
根据图5的实验结果可知，在无线电源组件中使用多层磁屏蔽可通过增加线圈的质量因子的方式提供无线电源系统的效率增益。相较于单层铁素体磁屏蔽，根据本发明的一些实施例设计的多层磁屏蔽在不需要实际的更厚的屏蔽和不需要在组件之间设置间隙的情形下捕获和回传更多的杂散磁通量以改善无线电源系统的整体效率。这样的多层磁屏蔽使更能满足电子设备的制造规格的薄设备外形变得可实现。
权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”等序数词的使用本身未暗示任何优先权、优先次序、各元件之间的先后次序、或所执行方法的时间次序，而仅用作标识来区分具有相同名称(具有不同序数词)的不同元件。
尽管本发明已经结合用于指导目的的某些特定实施例进行了描述，但本发明不限于此。因此，对所描述实施例的各种特征的各种变型、改编以及组合可以被实施，而不脱离权利要求书中所阐述的本发明的范围。

Claims (19)

1.一种无线电源接收机，其特征在于，包括：
接收线圈，用于在有磁场的区域产生交流电压；
导电基板，靠近所述接收线圈设置；
磁屏蔽，设置在所述接收线圈和所述导电基板之间，且所述接收线圈不延伸至所述磁屏蔽中，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率；
其中，所述接收线圈、所述磁屏蔽以及所述导电基板在不插入间隙的情形下连续设置。
2.如权利要求1所述的无线电源接收机，其特征在于，所述第二层的厚度小于所述第一层的厚度。
3.如权利要求1所述的无线电源接收机，其特征在于，所述第二层设置在所述第一层和所述导电基板之间。
4.如权利要求3所述的无线电源接收机，其特征在于，所述磁屏蔽还包括具有第三材料的第三层，其中，所述第三材料的磁导率大于所述第二材料的磁导率。
5.如权利要求4所述的无线电源接收机，其特征在于，所述第三层设置在所述第二层和所述导电基板之间。
6.如权利要求1所述的无线电源接收机，其特征在于，所述第一材料包括铁素体，所述第二材料包括从纳米晶体合金薄膜和分层复合箔组成的组中选择的材料。
7.如权利要求1所述的无线电源接收机，其特征在于，所述第二层的厚度小于或等于0.4毫米。
8.如权利要求7所述的无线电源接收机，其特征在于，所述第二层的厚度为0.1毫米。
9.一种无线电源组件，其特征在于，包括：
无线电源线圈；
靠近所述无线电源线圈设置的磁屏蔽，且所述无线电源线圈不延伸至所述磁屏蔽中，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率；
其中，所述磁屏蔽层设置在所述无线电源线圈和一导电基板之间，且所述无线电源线圈、所述磁屏蔽以及所述导电基板在不插入间隙的情形下连续设置。
10.如权利要求9所述的无线电源组件，其特征在于，所述无线电源线圈为用于产生磁场的发射线圈或者为用于在有磁场的区域产生交流电压的接收线圈。
11.如权利要求9所述的无线电源组件，其特征在于，当不存在靠近所述无线电源线圈设置的导电基板时，所述无线电源线圈以第一质量因子表征，当存在靠近所述无线电源线圈设置的导电基板时，所述无线电源线圈以第二质量因子表征，其中，所述第二质量因子至少为所述第一质量因子的60％。
12.如权利要求11所述的无线电源组件，其特征在于，所述第二质量因子至少为所述第一质量因子的75％。
13.一种电子设备，其特征在于，包括：
接收线圈，用于在有磁场的区域产生交流电压；
电池，靠近所述接收线圈设置；
磁屏蔽，设置在所述接收线圈和所述电池之间，且所述接收线圈不延伸至所述磁屏蔽中，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一层和具有第二材料的第二层，其中，所述第二材料的磁导率大于所述第一材料的磁导率；
其中，所述接收线圈、所述磁屏蔽以及所述电池在不插入间隙的情形下连续设置。
14.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述第二层的厚度小于所述第一层的厚度。
15.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述第二层设置在所述第一层和所述电池之间。
16.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述磁屏蔽还包括具有第三材料的第三层，其中，所述第三材料的磁导率大于所述第二材料的磁导率。
17.如权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述第三层设置在所述第二层和所述电池之间。
18.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述第二层的厚度小于或等于0.4毫米。
19.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，所述第二层的厚度为0.1毫米。
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