CN106992607A - 移动设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种移动设备，可包括：外壳，所述外壳包括导电区域；以及无线电源接收机，所述无线电源接收机包括接收线圈，该接收线圈用于通过所述导电区域接收无线电源；其中，所述导电区域的厚度小于δ/10，其中，δ为所述导电区域在提供所述无线电源的电磁信号的主要频率下的趋肤深度。本发明实施例可允许无线电源发射机产生的电/磁场到达该移动设备内部的无线电源接收机的接收线圈。
Description
【技术领域】
本发明涉及无线电源输送技术领域，尤其涉及一种用于进行无线电源传输的移动设备。
【背景技术】
由于以不使用电缆或连接器的简便方式传输电源(power)，无线电源传输系统(Wireless Power Transfer Systems，WPTS)变得越来越受欢迎。当前在产业中使用的WPTS可分为两种主要的类型：磁感应(Magnetic Induction，MI)系统和磁谐振(MagneticResonance，MR)系统。这两种类型的系统均包括无线电源发射机(wireless powertransmitter)和无线电源接收机(wireless power receiver)。这两种类型的系统可被用于为处于其他应用中的移动设备(例如，智能电话、平板电脑，)供电或充电。
感应式WPTS系统通常操作在指定的几百赫兹的频率范围，其使用频率变化作为电源流控制机制。磁谐振WPTS系统通常操作在单谐振频率，其使用输入电压调节(regulation)来调节输出电源。在一个典型的应用中，磁谐振WPTS系统操作在6.78MHz的频率。
许多产业委员会，已致力于为基于无线电源传输的消费产品推进国际标准。
【发明内容】
本发明公开了移动设备，可允许无线电源发射机产生的电/磁场到达该移动设备内部的无线电源接收机的接收线圈。
本发明提供的一种移动设备，可包括：外壳，所述外壳包括导电区域；以及无线电源接收机，所述无线电源接收机包括接收线圈，该接收线圈用于通过所述导电区域接收无线电源；其中，所述导电区域的厚度小于δ/10，其中，δ为所述导电区域在提供所述无线电源的电磁信号的主要频率下的趋肤深度。
由上可知，本发明所提供的移动设备的外壳上包括导电区域，无线电源接收机的接收线圈可通过所述导电区域接收无线电源。基于此，本发明实施例可允许无线电源发射机产生的电/磁场到达该移动设备内部的无线电源接收机的接收线圈。
【附图说明】
图1A示出不同厚度的铝层和不锈钢层在175kHz的无线电源传输频率下的B-场(B-field)的透明度。
图1B示出不同厚度的铝层和不锈钢层在6.78MHz的无线电源传输频率下的B-场的透明度。
图2A和图2B分别示出移动设备1a的侧视图和后视图。
图3A和图3B依据本发明的一些实施例分别示出移动设备1b的侧视图和后视图。
图4A和图4B依据本发明的一些实施例分别示出移动设备1c的侧视图和后视图。
图5示出用于机械地支撑较薄的导电层的多个肋骨。
图6示出包括无线电源发射机21和无线电源接收机3的无线电源传输系统。
【具体实施方式】
金属后盖(Metal back cover)为移动电子设备(例如，智能电话和平板电脑)的通用特征。不幸的是，由于金属后盖旨在使移动设备内部的电子器件避开电磁场，因此金属后盖也阻止了使用电磁波将无线电源传输给所述移动设备。
本发明的发明人已经认识并了解到，如果金属后盖的厚度实质上小于用于无线电源传输的频率下的趋肤深度(skin depth)，对于无线电源发射机产生的电磁场而言，金属后盖将大体上为透明的。一种材料的趋肤深度δ可由下面的等式给出，其中，f为频率，μ为所述材料的导磁率(magnetic permeability)，σ为所述材料的导电率(electricalconductivity)。
需要较大的趋肤深度来增强通过金属后盖传输电磁场的传输性能。要得到δ>>T的条件，也即，趋肤深度δ远远大于金属后盖的厚度T，金属后盖的导电率和/或厚度T需选择为足够小。
下面的表1列出了多个用于形成金属后盖的材料的导电率以及这些材料在两个常用于进行无线电源传输的频率下的趋肤深度，所述两个常用的频率为175kHz和6.78MHz。
表1
如上所示，由于不锈钢的导电率较低，相较于铝或铜，不锈钢将具有更高的趋肤深度。除不锈钢之外，镍为另一种合适的材料。但是，如果金属后盖做得足够薄，也可以使用铝或铜。
执行多个仿真来评估电磁场通过不同材料的金属层和不同厚度的金属层时的衰减。图1A示出不同厚度的铝层和不锈钢层在175kHz的无线电源传输频率下的B-场(B-field)的透明度。术语“透明度”是指B-场在金属材料层的任意一个面上的比率。如图1A所示，由于不锈钢具有更大的趋肤深度，在相同的厚度下，不锈钢的透明度优于铝的透明度。图1A中还示出了铝和不锈钢的趋肤深度。当金属层的厚度小于δ/40，B-场的绝大部分可通过所述金属层。在δ/20和δ/10时可获得低程度的透明度，它们可用于一些应用中。在175kHz，当使用铝材料，要使50％的B-场通过金属层，金属层的厚度需要小于或等于10微米(μm)，当使用不锈钢材料，要使50％的B-场通过金属层，金属层的厚度需要小于或等于100微米(μm)。图1B示出不同厚度的铝层和不锈钢层在6.78MHz的无线电源传输频率下的B-场的透明度。图1B可获得与图1A定性地相似的结果。再一次，当金属层的厚度小于δ/40，B-场的绝大部分可通过所述金属层。在图1B中，由于频率更高，因此要获得175kHz所能看到的相同透明度需要更薄的金属层厚度。在6.78MHz，当使用铝材料，要使50％的B-场通过金属层，金属层的厚度需要小于或等于1-2微米(μm)，当使用不锈钢材料，要使50％的B-场通过金属层，金属层的厚度需要小于或等于10-20微米(μm)。在一些实施例中，金属层的厚度将选择为低于δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低。在一些实施例中，金属层的厚度可大于0.01微米，例如，大于0.1微米或大于1微米。
图2A和图2B分别示出移动设备1a的侧视图和后视图，所述移动设备1a的外壳10的背面(back)上包括导电层2。导电层2跨越所述移动设备的所述背面区域的大部分区域。导电层2可包括金属，且足够厚，以及具有足够的导电率以阻止无线电源通过其传输。如图2A和图2B所示，所述移动设备可包括无线电源接收机3，所述无线电源接收机3包括接收线圈4。无线电源接收机3用于从接收线圈4接收交流信号，并处理所述交流信号以产生直流电压，作为举例，所述直流电压可用于对移动设备1a的电池进行充电和/或为移动设备1a本身供电。为了使电和/或磁场能传输至接收线圈4，移动设备1a的背面可包括对电和/或磁场增加了透明度的导电区域5。导电区域5可作为允许无线电源发射机产生的电和/或磁场通过移动设备1a的背面到达无线电源接收机3的接收线圈4的透明的“窗口”。如前所述，导电区域5可为金属。适宜作为导电区域5的金属可包括不锈钢、镍、铝和铜。但是，本发明实施例所述的移动设备并不限于使用上述材料作为导电区域5。在一些实施例中，导电区域5的厚度(沿图2A的水平方向)可低于δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低，其中，δ为导电区域5的趋肤深度。在一些实施例中，有别于导电层2，导电区域5将覆盖接收线圈4的至少50％的区域(从移动设备的后面看)，以促进无线电源传输至接收线圈4。在一些实施例中，导电区域5可覆盖接收线圈4(从移动设备的后面看)的至少75％、至少90％，以至于100％的区域。导电区域5可与接收线圈对准以促成导电区域5和接收线圈4在区域上的重叠。如图2B所示，在一些实施例中，导电区域5可延伸至接收线圈的区域外。
本发明所描述的移动设备可为任意适宜类型的移动设备，例如，智能电话、平板电脑、或可穿戴设备(例如，智能手表)等。这样的移动设备的前端包括用户接口9，例如，触摸屏。所述移动设备的外壳可由任意类型的材料形成，并可为所述移动设备提供结构完整性。在所述移动设备的背后，所述外壳的表面可包括一层金属层，所述金属层可使用户在所述移动设备背后感知和看到金属。在一些实施例中，本发明所述描述的实施例中，可在维持金属后盖的感觉和视觉的前提下使无线电源通过所述移动设备的背面进行传输。
图3A和图3B依据本发明的一些实施例分别示出移动设备1b的侧视图和后视图。在移动设备1b中，形成无线电源接收机3的接收线圈14的导电材料与导电层2的导电材料相同(例如，在相同层)。所述移动设备的后表面上的隔离区域(绝缘区域)15将接收线圈14和导电层2隔开。所述移动设备的后表面上的隔离区域16将接收线圈14和导电区域5隔开。类似于移动设备1a，导电区域5可作为允许无线电源发射机产生的电和/或磁场通过所述移动设备1b的背面到达接收线圈14的透明的窗口。
图4A和图4B依据本发明的一些实施例分别示出移动设备1c的侧视图和后视图。在移动设备1c中，导电区域5跨越的区域比其在移动设备1a和1b中所跨越的区域大。在移动设备1c中，导电区域5将跨越所述移动设备的背面的大部分区域，且移动设备1c的后表面上没有导电层2。因此，无线电源发射机所产生的电和/或磁场可通过导电区域5通过所述移动设备1c的背面。在一些实施例中，导电区域5的厚度可低于δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低，其中，δ为导电区域5的趋肤深度。
为提供机械稳固性，作为选择，导电区域5可设置在非导电支撑6上。支撑6可由任意适宜的材料形成，例如，塑料。但是，支撑6是可选的而非必须的。在一些实施例中，导电区域5可设置为足够小，以便其不会影响外壳的机械稳固性，但是其仍大到可促进无线电源的传输。例如，在一些实施例中，导电区域5的区域可小于接收线圈4所包围的区域的150％或120％。在一些实施例中，零个、一个或多个导电支撑或肋骨横跨导电区域5。肋骨11可为导电或非导电材料的拉长版本。在一些实施例中，肋骨11与导电材料2可通过相同的材料形成且具有相同的厚度，例如从移动设备的后视图所看到的导电区域5上所覆盖的肋骨11。如果肋骨11导电，则它们将以避免窗口5中形成闭路回路的图形设置以避免产生涡流。作为举例，图5中示出的肋骨11具有不会在窗口5中形成闭路回路的星形形状。但是，在一些实施例中，肋骨11可由不导电材料形成，例如，塑料。肋骨可应用在本发明所述的任意实施例中，例如，图2和图3所示的实施例。此外，肋骨可设置为任意的图形，而不限于星形。
图6示出包括无线电源发射机21和无线电源接收机3的无线电源传输系统。无线电源发射机21包括驱动电路27，驱动电路27包括反相器23，反相器23通过匹配网络26驱动发射线圈30。无线电源发射机21可包括稳定的电压源22(例如，稳压器)用于向反相器23提供稳定的直流电压。稳定的电压源22根据控制器25输出的控制刺激产生稳定的直流输出电压。在一些实施例中，驱动电路27可为D类或E类放大器，用于将反相器23的输入端的直流电压转换为交流输出电压以驱动发射线圈30。交流输出电压的产生使得无线电源可通过电磁感应进行传输。控制器25可控制信号发生器29使用选择的无线电源传输频率的信号驱动反相器23。作为举例，根据对应于低Qi接收机的Qi规范，反相器23在100-205kHz之间的一个频率发生切换以将电源传输至期望接收无线电源的无线电源接收机，以及，对于中电源Qi接收机，反相器23可在80-300kHz之间的一个频率发生切换来传输电源。反相器23可在更高的频率发生切换，例如位于ISM频带(例如，6.765MHz-6.795MHz)内的大于1MHz的频率，以使用磁谐振技术将电源传输给设计为接收无线电源的接收器。然而，这里所列举的频率仅是举例，因为无线电源可依照任意适宜的规范在各种合适的频率上进行传输。控制器25可为模拟电路或数字电路。控制器25可为可编程的，且可命令信号发生器29根据存储的程序指令在期望的传输频率产生信号，以便反相器23可在所述期望的传输频率发生切换。匹配网络26可通过向反相器23展现合适的阻抗来促进无线电源的传输。匹配网络可包括一个或多个电容性或电感性组件或者它们的任意适宜的组合。由于发射线圈30可具有电感性阻抗，因此，在一些实施例中，匹配网络26可包括一个或多个电容性组件，当这些电容性组件和发射线圈30的电感性阻抗结合时，在反相器23的输出端展现适合驱动相应的发射线圈的阻抗。在一些实施例中，匹配网络26的谐振频率可设置为等于或约等于反相器23的切换频率。可通过任何适宜类型的导体实现发射线圈30。所述导体可为导线，例如，单导线或绞和线，或者可为图案化的导体，例如，印刷电路板或集成电路的图案化的导体。
发射线圈30中的交流电流依照安培法则产生振荡磁场。所述振荡磁场根据法拉第法则将交流电压感应至无线电源接收机3的接收线圈4和14。接收线圈4和14所感应的所述交流电压通过匹配网络33提供给整流器34以产生未调节的直流电压。整流器34可为同步整流器或由二极管实现。未调节的直流电压通过直流/直流转换器35调节，所述直流/直流转换器35的输出被滤波后作为输出电压Vout提供给负载。在一些可选的实施例中，直流/直流转换器35可替换为线性稳压器或电池充电器，或者可从电路中去掉。
在本发明中，描述“无线电源传输的频率”和类似的描述指的是使用电磁信号传输无线电源的主要频率(primary frequency)。在主要频率下，电源的传输量可达到最大。本领域技术人员可知，当在特定频率下无线地传输电源，在较低的电源等级处会出现一个或多个谐波(harmonics)。所述谐波可能位于比基本频率高数倍的高频处。由于趋肤深度取决于频率，因此，谐波处的趋肤深度与基本频率处的趋肤深度不同。由于基本频率是传输无线电源的主要频率，在选择材料的厚度和/或类型以便允许无线电源传输时，相较于谐波处的趋肤深度，基本频率处的趋肤深度是最为重要的标准。
本发明所述描述的装置和技术的各部分可独立使用，或合并使用，或以本发明前面并未描述的其他方式使用，因此，本发明不限于前面所描述的或附图所示出的组件的应用或排布。例如，一个实施例中描述的部件也可与其他实施例描述的部件以任何方式进行组合。
权利要求书中用以修饰元件的“第一”、“第二”，“第三”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。
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，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可直接电性连接于该第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电性连接至该第二装置。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。
本发明虽以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
Claims (21)
1.一种移动设备，其特征在于，包括：
外壳，所述外壳包括导电区域；以及
无线电源接收机，所述无线电源接收机包括接收线圈，该接收线圈用于通过所述导电区域接收无线电源；
其中，所述导电区域的厚度小于δ/10，其中，δ为所述导电区域在提供所述无线电源的电磁信号的主要频率下的趋肤深度。
2.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域的厚度小于δ/20。
3.如权利要求2所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域的厚度小于δ/40。
4.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域与所述接收线圈对准。
5.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域包括金属。
6.如权利要求5所述的移动设备，其特征在于，所述金属包括铜、铝、不锈钢以及镍中至少一种。
7.如权利要求6所述的移动设备，其特征在于，当所述金属为所述不锈钢时，所述厚度小于或等于100微米。
8.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域位于所述移动设备的背面。
9.如权利要求8所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域位于所述移动设备外表面。
10.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域为所述移动设备的所述背面上的第一导电区域，所述外壳还包括：
位于所述移动设备的所述背面上的第二导电区域；
其中，所述第二导电区域跨越所述第一导电区域和所述第一导电区域之外的一部分区域，且所述第一导电区域与所述接收线圈部分重叠，所述第一导电区域在所述第二导电区域内形成窗口以允许通过所述第一导电区域将无线电源传输至所述接收线圈。
11.如权利要求10所述的移动设备，其特征在于，所述接收线圈位于所述移动设备内部。
12.如权利要求10所述的移动设备，其特征在于，所述接收线圈位于所述移动设备背面。
13.如权利要求12所述的移动设备，其特征在于，所述接收线圈和所述第二导电区域由相同的金属构成。
14.如权利要求13所述的移动设备，其特征在于，还包括：
一个或多个绝缘区域，用于隔离所述接收线圈与所述第二导电区域。
15.如权利要求10所述的移动设备，其特征在于，所述第二导电区域跨越所述移动设备的所述背面的大部分区域。
16.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，还包括：
非导电支撑，用于支撑所述导电区域。
17.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，还包括：
多个肋骨，所述多个肋骨跨越所述导电区域并用于支撑所述导电区域。
18.如权利要求17所述的移动设备，其特征在于，所述多个肋骨是导电的。
19.如权利要求18所述的移动设备，其特征在于，所述多个肋骨的形成材料与形成所述移动设备的金属后盖的材料相同。
20.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域的区域小于等于所述接收线圈所占区域的150％。
21.如权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述导电区域的厚度大于0.01微米。
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