CN107046332A

CN107046332A - 可植入设备的无线能量传输

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Publication number: CN107046332A
Application number: CN201610903346.1A
Authority: CN
Inventors: M·P·凯斯勒; K·L·霍尔; A·B·库尔斯; A·卡拉里斯; M·索尔亚契奇; A·J·坎帕内拉; D·A·沙茨
Original assignee: WiTricity Corp
Current assignee: WiTricity Corp
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2017-08-15
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN103733477A; JP2014522218A; AU2012268613B2; CA2837877A1; WO2012170278A2; AU2012268613A1; CN103733477B; JP6124882B2; WO2012170278A3; EP2719057B1; KR20140051210A; EP2719057A4; EP2719057A2; CN107046332B

Abstract

本文描述了用于无线功率传输的改进的配置。描述了用于可植入电子装置和设备的方法和设计。无线能量传输被用于消除刺穿皮肤以给可植入设备供电的电线和电力电缆。中继器谐振器用于提高源和设备谐振器之间的功率传输特性。

Description

可植入设备的无线能量传输

本申请是申请号为201280038109.3、申请日为2012年5月31日、发明名称为“可植入设备的无线能量传输”的中国发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求下列美国专利申请的优先权，其中每个专利申请在此通过引用被全部并入：2011年6月6日提交的U.S.13/154,131；2011年8月31 日提交的U.S.13/222,915；以及2011年9月14日提交的U.S.13/232,868。

下列美国专利申请也通过引用被全部并入：2010年5月28日提交的美国专利申请No.12/789,611；2010年4月29日提交的美国专利申请No. 12/770,137；2009年4月29日提交的美国临时申请No.61/173,747；2010 年4月26日提交的美国申请No.12/767,633；2009年4月24日提交的美国临时申请No.61/172,633；2010年4月13日提交的美国申请No.12/759,047； 2010年4月9日提交的美国申请No.12/757,716；2010年3月30日提交的美国申请No.12/749,571；2009年12月16日提交的美国申请No. 12/639,489；2009年12月28日提交的美国申请No.12/647,705；以及2009 年9月25日提交的美国申请No.12/567,716；2008年9月27日提交的美国申请No.61/100,721；2008年10月27日提交的美国申请No.61/108,743；2009年1月26日提交的美国申请No.61/147,386；2009年2月12日提交的美国申请No.61/152,086；2009年5月15日提交的美国申请No. 61/178,508；2009年6月1日提交的美国申请No.61/182,768；2008年12 月9日提交的美国申请No.61/121,159；2009年1月7日提交的美国申请 No.61/142,977；2009年1月6日提交的美国申请No.61/142,885；2009年 1月6日提交的美国申请No.61/142,796；2009年1月6日提交的美国申请 No.61/142,889；2009年1月6日提交的美国申请No.61/142,880；2009年 1月6日提交的美国申请No.61/142,818；2009年1月6日提交的美国申请 No.61/142,887；2009年3月2日提交的美国申请No.61/156,764；2009年1月7日提交的美国申请No.61/143,058；2009年3月26日提交的美国申请No.61/163,695；2009年4月24日提交的美国申请No.61/172,633；2009 年4月14日提交的美国申请No.61/169,240；2009年4月29日提交的美国申请No.61/173,747；2010年3月10日提交的美国申请No.12/721,118；2010 年2月13日提交的美国申请No.12/705,582；2009年2月13日提交的美国临时申请No.61/152,390；2010年6月4日提交的美国临时申请No. 61/351,492；以及2010年4月20日提交的美国临时申请No.61/326,051。

技术领域

本公开涉及无线能量传输、用于实现这样的传输的方法、系统和装置、以及应用。

背景技术

可使用如在共同拥有的于2010年9月23日作为美国专利公布号 2010/0237709公开的且标题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请No.12/789,611和于2010年7月 22日作为美国专利公布号2010/0181843公开的且标题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请No.12/722,050中详述的各种技术来无线地传输能量或功率，这些专利申请的内容如同在本文被完全阐述地一样被全部并入。现有技术的无线能量传输系统被各种因素(包括对用户安全的关心、低能量传输效率和对能量供应和吸收部件的限制性物理接近度/对准容限)限制。

例如机械循环支持(MCS)设备、心室辅助设备(VAD)、可植入心电复律器除颤器(ICD)等的可植入设备可能需要用于在延长的时间段内操作的外部能量源。在一些患者和情况中，可植入设备需要不变的或接近不变的操作，并具有需要到外部电源的连接的相当大的功率要求，需要经皮电缆或穿过患者的皮肤到外部电源的电缆，增加了感染的可能性并降低了患者舒适度。

因此存在对用于将能量输送到可植入设备而不需要直接电线连接的方法和设计。

发明内容

在各种实施例中，各种系统和过程使用耦合的谐振器提供无线能量传输。在一些实施例中，谐振器结构可能需要或受益于谐振器的部件的热管理。谐振器部件可能需要冷却来防止它们的温度超过临界温度。这样的实施例的特征是普遍的，并可应用于宽范围的谐振器，而不管本文讨论的特定例子如何。

在实施例中，磁谐振器可包括电感器和电容器的某种组合。额外的电路元件(例如电容器、电感器、电阻器、开关等)可插在磁谐振器和电源之间和/或磁谐振器和功率负载之间。在本公开中，包括谐振器的高Q电感回路的导电线圈也可被称为电感器和/或电感负载。电感负载当它无线地耦合(通过互感)到其它系统或外来物体时也可被称为电感器。在本公开中，除了电感负载以外的电路元件可被称为阻抗匹配网络或IMN的部分。应理解，被称为阻抗匹配网络的部分的元件中的全部、一些或没有一个可以是磁谐振器的部分。哪些元件是谐振器的部分以及哪些元件与谐振器分离将取决于特定的磁谐振器和无线能量传输系统设计。

在实施例中，本文所述的无线能量传输可用于将功率输送到可植入设备，而不需要通过皮肤布线。在实施例中，无线功率传输可用于周期性地或连续地给植入式可再充电电池、超级电容器或其它能量存储部件供电或再充电。

在实施例中，本文描述的无线能量传输使用可以在患者内部或外部的中继器谐振器来提高源和设备谐振器的范围和容许的偏置。

在实施例中，源和设备谐振器可通过调谐源和设备的元件来控制热的分布和能量耗散。

除非另外指示，本公开可互换地使用术语无线能量传输、无线功率传输、无线功率传送等。本领域技术人员将理解，各种系统架构可由在本申请中描述的宽范围的无线系统设计和功能支持。

在本文描述的无线能量传输系统中，功率可在至少两个谐振器之间无线地交换。谐振器可供应、接收、保持、传输和分配能量。无线功率的源可被称为源或供应器，而无线功率的接收器可被称为设备、接收器和功率负载。谐振器可以是源、设备或同时这两者，或可以以受控的方式从一种功能变化到另一功能。没有到功率供应器或功率消耗的有线连接的、被配置成保持或分配能量的谐振器可被称为中继器。

本发明的无线能量传输系统的谐振器能够在比谐振器本身的尺寸大的距离上传输功率。也就是说，如果谐振器尺寸以可围住谐振器结构的最小球体的半径为特征，则本发明的无线能量传输系统可在比谐振器的特征尺寸大的距离上传输功率。该系统能够在谐振器之间交换能量，其中谐振器具有不同的特征尺寸，且其中谐振器的电感元件具有不同的尺寸、不同的形状，由不同的材料组成，等等。

本发明的无线能量传输系统可被描述为具有耦合区、通电区域或体积，所有都通过能量可在彼此分离的谐振物体之间传输，它们可具有离彼此可变的距离，以及可相对于彼此移动的描述方式。在一些实施例中，能量可被传输所经过的区域或体积被称为有源场区域或体积。此外，无线能量传输系统可包括多于两个的谐振器，每个谐振器可耦合到电源、功率负载、两者，或不耦合到任何一个。

无线地供应的能量可用于给电气或电子设备供电，给电池再充电或给能量存储单元充电。多个设备可被同时充电或供电，或到多个设备的功率输送可以是序列化的，使得一个或多个设备在一段时间内接收功率，在这段时间之后，功率输送可被切换到其它设备。在各种实施例中，多个设备可同时、或以时间复用方式或以频率复用方式或以空间复用方式或以方位复用方式或以时间和频率和空间和方位复用的任何组合来与一个或多个其它设备共享来自一个或多个源的功率。多个设备可与彼此共享功率，而至少一个设备连续地、间歇地、周期性地、偶然地或暂时地被重新配置以作为无线电源工作。本领域中的普通技术人员将理解，存在各种方式来给可应用于本文描述的技术和应用的设备供电和/或充电。

本公开提到例如电容器、电感器、电阻器、二极管、变压器、开关等的某些单独的电路部件和元件；这些元件作为网络、拓扑、电路等的组合；以及具有内在特征的物体，例如具有在整个物体中分布(或与仅仅成团相反地部分地分布)的电容或电感的“自谐振”物体。本领域中的普通技术人员将理解，调节并控制电路或网络内的可变部件可以调节该电路或网络的性能，以及那些调节通常被描述为调谐、调节、匹配、校正等。可以单独地，或除了调节可调谐部件(例如电感器和电容器或电感器和电容器的组)以外，使用其它方法来调谐或调节无线功率传输系统的操作点。本领域中的技术人员将认识到，在本公开中讨论的特定拓扑可以用各种其它方式实现。

除非另外规定，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属的领域中的普通技术人员的通常理解相同的含义。在与通过引用在本文中提到或合并的公布、专利申请、专利和其它参考资料冲突的情况下，本说明书(包括定义)将控制。

上面描述的任何特征可单独地或组合地使用，而不偏离本公开的范围。本文公开的系统和方法的其它特征、目的和优点将根据下面详述的描述和附图变得清楚。

附图说明

图1是无线能量传输配置的系统方框图。

图2A-2E是简单的谐振器结构的示例性结构和示意图。

图3是具有单端放大器的无线源的方框图。

图4是具有差分放大器的无线源的方框图。

图5A和5B是感测电路的方框图。

图6A、6B和6C是无线源的方框图。

图7是示出占空比对放大器的参数的影响的曲线图。

图8是具有开关放大器的无线电源的简化电路图。

图9示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。

图10示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。

图11A、11B和11C是示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。

图12示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。

图13是包括具有开关放大器的无线电源和无线功率设备的无线能量传输系统的简化电路图。

图14示出无线电源的参数的变化的影响的曲线。

图15是示出由于磁性材料的瓦片之间的不规则间隔而引起的可能的不均匀磁场分布的谐振器的图。

图16是具有在磁性材料块中的瓦片的布置的谐振器，该布置可减少磁性材料块中的热点。

图17A是具有包括较小的单独瓦片的磁性材料块的谐振器，而图17B 和17C是具有用于热管理的额外的热传导材料条的谐振器。

图18是具有无线能量源和设备的外科手术机器人和医院用床的实施例。

图19是具有无线能量源和设备的外科手术机器人和医院用床的实施例。

图20A是具有无线能量传输谐振器的医药车。图20B是具有无线能量传输谐振器的计算机车。

图21A和21B是可植入设备的无线功率传输系统的方框图。

图22A、22B、22C和22D是描绘可植入设备的无线能量传输的源和设备配置的图。

具体实施方式

如上所述，本公开涉及使用耦合的电磁谐振器的无线能量传输。然而，这样的能量传输不限于电磁谐振器，且本文描述的无线能量传输系统是更普遍的，并可使用各种各样的谐振器和谐振物体来实现。

如本领域中的技术人员将认识到的，基于谐振器的功率传输的重要考虑因素包括谐振器效率和谐振器耦合。例如在2010年9月23日作为US 20100237709公开的且标题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请12/789,611和在2010年7月22日作为US 20100181843公开的且标题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FORREFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请12/722,050中提供了这样的问题(例如耦合模式理论(CMT)、耦合系数和因子、品质因子(也被称为Q因子)和阻抗匹配)的广泛讨论，这两个专利申请通过引用被全部并入本文，好像在本文被充分阐述的一样。

谐振器可被定义为可将能量存储在至少两个不同的形式中且其中所存储的能量在这两个形式之间振荡的谐振结构。谐振结构将具有特定的振荡模式，具有谐振(模态)频率f和谐振(模态)场。角谐振频率ω可被定义为ω＝2πf，谐振周期T可被定义为T＝1/f＝2π/ω，且谐振波长λ可被定义为λ＝c/f，其中c是相关的场波(对于电磁谐振器来说是光)的速度。在没有损耗机制、耦合机制或外部能量供应或消耗机制的情况下，由谐振器存储的能量的总量W将保持固定，但能量的形式将在谐振器所支持的这两种形式之间振荡，其中一种形式将在另一形式是最小的时是最大的，反之亦然。

例如，谐振器可被构造成使得所存储的能量的两种形式是磁能和电能。此外，谐振器可被构造成使得电场所存储的电能主要被限制在结构内，而磁场所存储的磁能主要在围绕谐振器的区域中。换句话说，总的电能和磁能将是相等的，但它们的定位(localization)将是不同的。使用这样的结构，在至少两个结构之间的能量交换可由至少两个谐振器的谐振磁近场来传递。这些类型的谐振器可被称为磁谐振器。

在无线功率传输系统中使用的谐振器的重要参数是谐振器的品质因子或Q-因子或Q，其以能量衰减为特征并与谐振器的能量损耗成反比。它可被定义为Q＝ω*W/P，其中P是在稳定状态下失去的时间平均的功率。也就是说，具有高Q的谐振器具有相对低的本征损失，并可在一段相对长的时间内存储能量。因为谐振器以其本征衰减率2Γ损失能量，其Q(也被称为其本征Q)由Q＝ω/2Γ给出。品质因子也表示振荡周期T的数量，它将谐振器中的能量看成为衰减了e^-2π的倍数。注意，谐振器的品质因子或本征品质因子或Q是仅归因于本征损耗机制的。连接到或耦合到功率发生器 g或负载l的谐振器的Q可被称为“有载品质因子”或“有载Q”。在没有旨在是能量传输系统的部分的外来物体存在的情况下谐振器的Q可被称为“扰动品质因子”或“扰动Q”。

通过谐振器的近场的任何部分耦合的谐振器可交互作用并交换能量。如果谐振器以实质上相同的谐振频率工作，则这个能量传输的效率可明显提高。作为例子而不是限制，假想具有Q_s的源谐振器和具有Q_d的设备谐振器。高Q无线能量传输系统可利用高Q的谐振器。每个谐振器的Q可以是高的。谐振器Q的几何平均也可以或替代地是高的。

耦合因子k是在0≤|k|≤1之间的数字，且它可以独立于(或接近独立于) 源谐振器和设备谐振器的谐振频率(当那些被置于子波长距离处时)。相反，耦合因子k可以主要由源和设备谐振器之间的相对几何结构以及距离来确定，其中传递它们的耦合的场的物理衰减定律被考虑。在CMT中使用的耦合系数可以是谐振频率以及谐振器结构的其它属性的强函数。在利用谐振器的近场的无线能量传输的应用中，有比谐振器波长小得多的谐振器的尺寸是合乎需要的，使得通过辐射损失的功率减小。在一些实施例中，高Q谐振器是子波长结构。在一些电磁实施例中，高Q谐振器结构被设计成具有高于100kHz的谐振频率。在其它实施例中，谐振频率可以小于1GHz。

在示例性实施例中，通过这些子波长谐振器辐射到远场中的功率可通过降低谐振器的谐振频率和系统的工作频率来进一步减小。在其它实施例中，可通过针对两个或多个谐振器的远场进行布置以破坏性地在远场中干涉来减少远场辐射。

在无线能量传输系统中，谐振器可用作无线能量源、无线能量捕获设备、中继器或其组合。在实施例中，谐振器可在传输能量、接收能量或转送能量之间交替。在无线能量传输系统中，一个或多个磁谐振器可耦合到能量源并被供能以产生振荡磁近场。在振荡磁近场内的其它谐振器可捕获这些场并将能量转换成可用于给负载供电或充电的电能，从而实现有用的能量的无线传输。

在有用的能量交换中的所谓“有用的”能量是必须被输送到设备以便以可接受的速率给它供电或充电的能量或功率。对应于有用的能量交换的传输效率可以是取决于系统或应用的。例如，传输数千瓦功率的高功率车辆充电应用可能需要至少80％有效，以便供应有用数量的功率，实现足以给车辆电池重新充电的有用的能量交换，而不明显地加热传输系统的各种部件。在一些消费电子应用中，有用的能量交换可包括大于10％的任何能量传输效率，或对保持可再充电电池“注满”并在长的时间段内运行来说可接受的任何其它量。在植入式医疗设备应用中，有用的能量交换可以是不伤害患者但延长电池的寿命或唤醒传感器或监控器或刺激器的任何交换。在这样的应用中，100mW或更少的功率可能是有用的。在分布式感测应用中，微瓦的功率传输可能是有用的，且传输效率可适当地低于1％。

在供电或再充电应用中的无线能量传输的有用的能量交换可能是有效的、高度有效的或足够有效的，只要浪费的能量水平、热耗散和相关的场强在容许的限制内，并适当地与有关因素(例如成本、重量、尺寸等)协调。

谐振器可被称为源谐振器、设备谐振器、第一谐振器、第二谐振器、中继器谐振器等。实施方式可包括三(3)个或更多的谐振器。例如，单个源谐振器可将能量传输到多个设备谐振器或多个设备。能量可从第一设备传输到第二设备，并接着从第二设备传输到第三设备，依此类推。多个源可将能量传输到单个设备或传输到连接到单个设备谐振器的多个设备或传输到连接到多个设备谐振器的多个设备。谐振器可交替地或同时用作源、设备，和/或它们可用于将功率从在一个位置上的源转送到在另一位置上的设备。中间电磁谐振器可用于扩展无线能量传输系统的距离范围和/或产生集中的磁近场的区域。多个谐振器可以菊花式链接在一起，在延长的距离上并与各种源和设备交换能量。例如，源谐振器可经由几个中继器谐振器将功率传输到设备谐振器。来自源的能量可被传输到第一中继器谐振器，第一中继器谐振器可将功率传输到第二中继器谐振器，且第二中继器谐振器可将功率传输到第三中继器谐振器，依此类推，直到最后的中继器谐振器将它的能量传输到设备谐振器。在这个方面中，可通过添加中继器谐振器来扩展和/或调整无线能量传输的范围或距离。高功率水平可在多个源之间被分配，被传输到多个设备并在遥远的位置处重新组合。

可使用耦合模式理论模型、电路模型、电磁场模型等来设计谐振器。谐振器可设计成具有可调谐的特征尺寸。谐振器可设计成处理不同的功率水平。在示例性实施例中，高功率谐振器比起较低功率谐振器可能需要更大的导体和更高电流或电压额定部件。

图1示出无线能量传输系统的示例性配置和布置的图。无线能量传输系统可包括耦合到能量源102和可选地耦合到传感器和控制单元108的至少一个源谐振器(R1)104(可选地R6、112)。能量源可以是能够转换成可用于驱动源谐振器104的电能的任何类型的能量的源。能量源可以是电池、太阳能电池板、电力干线、风力或水力涡轮机、电磁谐振器、发电机等。用于驱动电磁谐振器的电能通过谐振器转换成振荡磁场。振荡磁场可由其它谐振器捕获，其它谐振器可以是可选地耦合到能量消耗器110的设备谐振器(R2)106、(R3)116。振荡场可以可选地耦合到被配置成扩展或调整无线能量传输区域的中继器谐振器(R4、R5)。设备谐振器可捕获在源谐振器、中继器谐振器和其它设备谐振器附近的磁场，并将它们转换成可由能量消耗器使用的电能。能量消耗器110可以是配置成接收电能的电气、电子、机械或化学设备等。中继器谐振器可捕获在源、设备和中继器谐振器附近的磁场，并将能量继续传递到其它谐振器。

无线能量传输系统可包括耦合到能量源102的单个源谐振器104和耦合到能量消耗器110的单个设备谐振器106。在实施例中，无线能量传输系统可包括耦合到一个或多个能量源的多个源谐振器，并可包括耦合到一个或多个能量消耗器的多个设备谐振器。

在实施例中，能量可直接在源谐振器104和设备谐振器106之间传输。在其它实施例中，能量可经由任何数量的中间谐振器从一个或多个源谐振器104、112传输到一个或多个设备谐振器106、116，中间谐振器可以是设备谐振器、源谐振器、中继器谐振器等。能量可经由可包括子网络118、120 的谐振器114的网络或布置被传输，子网络118、120被布置在任何组合的拓扑(例如令牌环、mesh、ad hoc等)中。

在实施例中，无线能量传输系统可包括集中式感测和控制系统108。在实施例中，谐振器的参数、能量源、能量消耗器、网络拓扑、操作参数等可被监测并依据控制处理器来调节以满足系统的特定操作参数。中央控制处理器可调节系统的单独部件的参数以优化全局能量传输效率，优化所传输的功率的量等。其它实施例可被设计成具有实质上分布式的感测和控制系统。感测和控制可合并到每个谐振器或谐振器组、能量源、能量消耗器等中，并可配置成调节组中的单独部件的参数以最大化所传输的功率，最大化该组中的能量传输效率等。

在实施例中，无线能量传输系统的部件可具有到其它部件(例如设备、源、中继器、电源、谐振器等)的无线或有线数据通信链接，并可发送或接收可用于实现分布式或集中式感测和控制的数据。无线通信通道可与无线能量传输通道分离，或它可以是相同的。在一个实施例中，用于能量交换的谐振器也可用于交换信息。在一些情况下，可通过调制源或设备电路中的部件并使用端口参数或其它监测设备感测该变化来交换信息。谐振器可通过对谐振器参数(例如谐振器的阻抗)进行调谐、改变、变更、颤震等来给彼此发信号，该阻抗可影响系统中的其它谐振器的反射阻抗。本文描述的系统和方法可实现无线功率传输系统中的谐振器之间的功率和通信信号的同时传输，或它可实现在不同的时间段期间或在不同的频率下使用在无线能量传输期间使用的相同磁场来实现功率和通信信号的传输。在其它实施例中，无线通信可使用分离的无线通信通道(例如WiFi、蓝牙、红外线等)来实现。

在实施例中，无线能量传输系统可包括多个谐振器，且总系统性能可通过对系统中的各种元件的控制来提高。例如，具有较低的功率要求的设备可调谐其谐振频率以远离高功率源的谐振频率，该高功率源向具有较高的功率要求的设备供应功率。以这种方式，低和高功率设备可安全地工作或从单个高电源充电。此外，在充电区中的多个设备可找到根据各种消耗控制算法(例如先到先得(First-Come-First-Serve)、最佳效果(BestEffort)、保证功率(Guaranteed Power)等)中的任一个调整的、它们可用的功率。功率消耗算法可以在本质上是分级的，给某些用户或某些类型的设备优先级，或它可通过同等地分享在源中可用的功率来支持任何数量的用户。可通过在本公开中描述的复用技术中的任一种来分享功率。

在实施例中，可使用形状、结构和配置的组合来实行或实现电磁谐振器。电磁谐振器可包括电感元件、分布式电感或具有总电感L的电感的组合和电容元件、分布式电容或具有总电容C的电容的组合。在图2F中示出包括电容、电感和电阻的电磁谐振器的最小电路模型。谐振器可包括电感元件238和电容元件240。在被提供了初始能量(例如存储在电容器240 中的电场能量)的情况下，系统将在电容器放电时振荡，将能量转换成存储在电感器238中的磁场能，电感器238转而将能量转换回存储在电容器 240中的电场能。在这些电磁谐振器中的本征损耗包括由于电感和电容元件中的电阻以及由于辐射损耗而引起的损耗，并由图2F中的电阻器R 242表示。

图2A示出示例性磁谐振器结构的简化图。磁谐振器可包括在导体回路的末尾充当电感元件202和电容元件204的导体的回路。电磁谐振器的电感器202和电容器204可以是体电路元件，或电感和电容可以是分布式的，并可从在结构中对导体进行形成、成形或定位的方式产生。

例如，可通过使导体成形为围住表面区域来实现电感器202，如图2A 所示那样。这种类型的谐振器可被称为电容式加载的回路电感器。注意，我们可使用术语“圈”或“线圈”来一般地指示以任何数量的匝包围任何形状和尺寸的表面的导电结构(线、管、条等)。在图2A中，被包围的表面区域是圆形的，但表面可以是具有各种其它形状和尺寸中的任一种，并可设计成实现某些系统性能规格。在实施例中，可使用电感器元件、分布式电感、电感器和电感的网络、阵列、串联和并联组合等来实现电感。电感可以是固定的或可变的，并可用于改变阻抗匹配以及谐振频率操作条件。

存在各种方式来实现达到谐振器结构的期望谐振频率所需的电容。电容器板204可如图2A所示的那样被形成和利用，或电容可在多圈导体的相邻绕组之间分布或实现。可使用电容器元件、分布式电容、电容的网络、阵列、串联和并联组合等来实现电容。电容可以是固定的或可变的，并可用于改变阻抗匹配以及谐振频率操作条件。

在磁谐振器中使用的电感元件可包含多于一个的圈，并可向内或向外或向上或向下或在方向的某种组合中盘旋。通常，磁谐振器可具有各种形状、尺寸和匝数，且它们可由各种导电材料组成。导体210例如可以是电线、Litz线、带、管、从导电油墨、油漆、凝胶等形成的迹线或从印刷在电路板上的单个或多个迹线形成的迹线。在图2B中描绘了形成导电圈的衬底208上的迹线图案的示例性实施例。

在实施例中，可使用具有任何尺寸、形状厚度等和具有宽范围的导磁率和损耗值的材料的磁性材料形成电感元件。这些磁性材料可以是固体块，它们可包围中空体积，它们可从平铺和/或堆叠在一起的很多较小的磁性材料片形成，且它们可与由高度导电的材料制成的导电薄片和外壳整合。导体可缠绕在磁性材料周围以产生磁场。这些导体可缠绕在结构的一个或多于一个轴周围。多个导体可缠绕在磁性材料周围且被并联或串联或经由开关地组合，以形成定制的近场图案和/或使结构的偶极矩定向。在图2C、2D、 2E中描绘了包括磁性材料的谐振器的例子。在图2D中，谐振器包括缠绕在磁性材料222的核心周围的导体224的圈，产生具有平行于导体224的圈的轴的磁偶极矩228的结构。谐振器可包括在正交方向上缠绕在磁性材料214周围的导体216、212的多个圈，形成具有可在如图2C所示的多于一个方向上定向(取决于导体如何被驱动)的磁偶极矩218、220的谐振器。

电磁谐振器可具有由其物理属性确定的特征频率、固有频率或谐振频率。这个谐振频率是谐振器所存储的能量在谐振器的电场W_E (W_E＝q²/2C，其中q是电容器C上的电荷)所存储的能量和磁场W_B (W_B＝Li²/2，其中i是穿过电感器L的电流)所存储的能量之间振荡所处于的频率。这个能量被交换所处于的频率可被称为谐振器的特征频率、固有频率或谐振频率，并由ω给出，

可通过调节谐振器的电感L和/或电容C来改变谐振器的谐振频率。在一个实施例中，系统参数是动态地可调节或可调谐的，以尽可能接近地实现最佳操作条件。然而，基于上面的讨论，足够有效的能量交换可实现，即使一些系统参数不是可变的，或部件不能够动态地调节。

在实施例中，谐振器可包括耦合到布置在电容器和电路元件的网络中的多于一个电容器的电感元件。在实施例中，电容器和电路元件的耦合网络可用于限定谐振器的多于一个的谐振频率。在实施例中，谐振器可以在多于一个频率下是谐振的或部分谐振的。

在实施例中，无线电源可包括耦合到功率供应器的至少一个谐振器线圈，功率供应器可以是开关放大器，例如D类放大器或E类放大器或其组合。在这种情况下，谐振器线圈实际上是功率供应器的功率负载。在实施例中，无线功率设备可包括耦合到功率负载的至少一个谐振器线圈，功率负载可以是开关整流器，例如D类整流器或E类整流器或其组合。在这种情况下，谐振器线圈实际上是用于功率负载的功率供应器，且负载的阻抗还与来自谐振器线圈的负载的工作消耗率(work-drainage rate)直接有关。在功率供应器和功率负载之间的功率传输的效率可被电源的输出阻抗被如何紧密地匹配到负载的输入阻抗影响。当负载的输入阻抗等于功率供应器的内部阻抗的复共轭时，功率可在最大可能的效率下被输送到负载。设计功率供应器或功率负载的阻抗以得到最大功率传输效率常常被称为“阻抗匹配”，并且也可被称为优化系统中的有用功率与损失功率之比。可通过添加元件(例如电容器、电感器、变压器、开关、电阻器等)的网络或集合来执行阻抗匹配，以形成功率供应器和功率负载之间的阻抗匹配网络。在实施例中，在元件定位中的机械调节和变化可用于实现阻抗匹配。对于变化的负载，阻抗匹配网络可包括可变的部件，可变的部件动态地被调节以确保在朝着负载看的在功率供应器端子处的阻抗和功率供应器的特征阻抗保持实质上是彼此的复共轭，即使在动态环境和操作情况中也是如此。

在实施例中，可通过调谐功率供应器的驱动信号的占空比和/或相位和 /或频率，或通过调节功率供应器内的物理部件(例如电容器)来实现阻抗匹配。这样的调谐机制可以是有利的，因为它可在不使用可调谐阻抗匹配网络，或使用简化的可调谐阻抗匹配网络(例如具有较少的可调谐部件的阻抗匹配网络)的情况下允许功率供应器和负载之间的阻抗匹配。在实施例中，调谐用于功率供应器的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可产生具有扩展的调谐范围或精确度、具有较高的功率、电压和/或电流能力、具有较快的电子控制、具有较少的外部部件等的动态阻抗匹配系统。

在一些无线能量传输系统中，谐振器的参数(例如电感)可被环境条件(例如周围的物体、温度、其它谐振器的方位、数量和位置)等影响。在谐振器的操作参数中的变化可改变某些系统参数，例如在无线能量传输中的所传输的功率的效率。例如，位于谐振器附近的高导电性材料可移动谐振器的谐振频率，并使其与其它谐振物体失谐。在一些实施例中，使用谐振器反馈机制，谐振器反馈机制通过改变电抗元件(例如，电感元件或电容元件)来校正其频率。为了实现可接受的匹配条件，至少一些系统参数可能需要是动态可调节的或可调谐的。所有系统参数可以是动态可调节的或可调谐的，以大致实现最佳操作条件。然而，即使所有或一些系统参数不是可变的，足够有效的能量交换也可被实现。在一些例子中，至少一些设备可以不被动态地调节。在一些例子中，至少一些源可以不被动态地调节。在一些例子中，至少一些中间谐振器可以不被动态地调节。在一些例子中，没有一个系统参数可以被动态地调节。

在一些实施例中，当受到操作环境或操作点中的差异时，可通过选择具有在补充或相反的方式或方向上改变的特征的部件来减轻部件的参数中的变化。在实施例中，系统可被设计有具有归因于温度、功率水平、频率等的相反的相关性或参数波动的部件(例如电容器)。在一些实施例中，作为温度的函数的部件值可存储在系统微控制器中的查找表中，且来自温度传感器的读数可在系统控制反馈回路中使用来调节其它参数以补偿温度引起的部件值变化。

在一些实施例中，可使用包括可调谐部件的有源调谐电路来补偿部件的参数值中的变化。监控部件和系统的操作环境和操作点的电路可被并入设计中。监控电路可提供主动补偿部件的参数中的变化所必需的信号。例如，温度读数可用于计算系统的电容的预期变化或指示系统的电容的以前测量的值，允许通过切换到其它电容器中或调谐电容器以维持期望电容来在一定范围的温度上进行补偿。在实施例中，RF放大器开关波形可被调节以补偿系统中的部件值或负载变化。在一些实施例中，可使用主动冷却、加热、主动环境调节等来补偿部件的参数中的变化。

参数测量电路可测量或监测系统中的某个功率、电压和电流、信号，且处理器或控制电路可基于那些测量来调节某些设置或操作参数。此外，在整个系统中的电压和电流信号的幅值和相位以及功率信号的幅值可被访问以测量或监测系统性能。在整个本公开中提到的所测量的信号可以是端口参数信号以及电压信号、电流信号、功率信号、温度信号等的任何组合。这些参数可使用模拟或数字技术来测量，它们可被采样和处理，且它们可使用若干已知的模拟和数字处理技术来被数字化或转换。在实施例中，某些所测量的量的预设值被装载在系统控制器或存储器位置中并在各种反馈和控制回路中被使用。在实施例中，所测量、监测和/或预设的信号的任何组合可在反馈电路或系统中被使用以控制谐振器和/或系统的操作。

调节算法可用于调节磁谐振器的频率、Q和/或阻抗。算法可采用与离系统的期望操作点的偏差程度有关的参考信号作为输入，并可输出与该偏差有关的校正或控制信号，该校正或控制信号控制系统的可变或可调谐元件以将系统带回到一个或多个期望操作点。磁谐振器的参考信号可在谐振器在无线功率传输系统中交换功率时被获取，或它们可在系统操作期间被切换出电路。可连续地、周期性地、在阈值超出时、数字地、使用模拟方法等来应用或执行对系统的校正。

在实施例中，有损外来材料和物体可通过吸收无线功率传输系统的谐振器的磁能和/或电能而带来效率的可能减小。那些影响在各种实施例中可通过定位谐振器以最小化有损外来材料的效果并通过放置结构场成形元件 (例如，导电结构、板和薄片、磁性材料结构、板和薄片以及其组合)以最小化其效果来减轻。

减小有损材料对谐振器的影响的一种方式是使用高导电性材料、磁性材料或其组合以使谐振器场成形，以致它们避开有损物体。在示例性实施例中，高导电性材料和磁性材料的分层结构可对谐振器的电磁场进行调整、成形、定向、重新定向等，使得通过使场偏转来使它们避开在其附近的有损物体。图2D示出具有在磁性材料之下的导体226的薄片的谐振器的顶视图，其可用于调整谐振器的场，使得它们避开可能在导体226的薄片之下的有损物体。良导体226的层或薄片可包括任何高导电性材料例如铜、银、铝，如可能最适合于给定的应用的高导电性材料。在某些实施例中，良导体的层或薄片比在谐振器操作频率下的导体的趋肤厚度厚。导体薄片可优选地大于谐振器的尺寸，延伸出谐振器的物理范围之外。

在所传输的功率的量可呈现对可能侵入有源场体积中的人或动物具有安全危害的环境和系统中，安全措施可被包括在系统中。在功率水平需要特殊化的安全措施的实施例中，谐振器的封装、结构、材料等可被设计成提供距磁谐振器中的导电回路的间隔或“避开”区。为了提供进一步的保护，高Q谐振器以及功率和控制电路可位于外壳中，外壳将高电压或电流限制在外壳内，保护谐振器和电气部件免受天气、湿气、沙、灰尘和其它外部元素以及撞击、振动、刮擦、爆炸和其它类型的机械冲击的影响。这样的外壳要求注意各种因素(例如热耗散)以维持电气部件和谐振器的可接受的操作温度范围。在实施例中，外壳可由无损材料例如复合物、塑料、木材、混凝土等构造，并可用于提供从有损物体到谐振器部件的最小距离。离有损物体或可能包括金属物体、盐水、油等的环境的最小分离距离可提高无线能量传输的效率。在实施例中，“避开”区可用于增加谐振器或谐振器的系统的扰动Q。在实施例中，最小分离距离可提供谐振器的更可靠或更恒定的操作参数。

在实施例中，谐振器及其相应的传感器和控制电路可具有与其它电子和控制系统和子系统的各种水平的集成。在一些实施例中，功率和控制电路和设备谐振器是完全分离的模块或外壳，具有对现有系统的最小集成，提供了功率输出以及控制和诊断界面。在一些实施例中，设备配置成在外壳内部的腔中容纳谐振器和电路组件，或集成到设备的壳体或外壳内。

示例性谐振器电路

图3和图4显示描绘无线能量传输系统的示例性源的功率产生、监测和控制部件的高层次方框图。图3是包括半桥开关功率放大器和一些相关的测量、调谐和控制电路的源的方框图。图4是包括全桥开关功率放大器和一些相关的测量、调谐和控制电路的源的方框图。

在图3中描绘的半桥系统拓扑可包括执行控制算法328的处理单元。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。处理单元可以是单个设备，或它可以是设备的网络。控制算法可在处理单元的任何部分上运行。算法可被针对某些应用来定制，并可包括模拟和数字电路和信号的组合。主算法可测量并调节电压信号和水平、电流信号和水平、信号相位、数字计数设置等。

系统可包括耦合到无线通信电路312的可选的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332。可选的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332可以是执行主控制算法的同一处理单元的部分，它可以是微控制器302内的一部分或电路，它可以在无线功率传输模块的外部，它可以实质上类似于在有线供电或电池供电的应用中使用的但被配置为包括某种新的或不同的功能以增强或支持无线功率传输的通信控制器。

系统可包括耦合到至少两个晶体管门驱动器334的PWM发生器306，并可由控制算法控制。两个晶体管门驱动器334可直接或经由门驱动变压器耦合到两个功率晶体管336，两个功率晶体管336通过阻抗匹配网络部件 342驱动源谐振器线圈344的。功率晶体管336可与可调节的DC电源304 耦合并使用可调节的DC电源304供电，且可调节的DC电源304可由可变总线电压Vbus控制。Vbus控制器可由控制算法328控制，并且可以是微控制器302或其它集成电路的部分或被集成到微两个功率晶体管336控制器302或其它集成电路中。Vbus控制器326可控制可调节的DC电源304 的电压输出，可调节的DC电源304可用于控制放大器的功率输出和输送到谐振器线圈344的功率。

系统可包括包含信号滤波和缓冲电路318、320的感测和测量电路，信号滤波和缓冲电路318、320可例如在信号被输入到处理器和/或转换器(例如模数转换器(ADC)314、316)之前对信号进行成形、修改、滤波、处理、缓冲等信号。处理器和转换器(例如ADC 314、316)可集成到微控制器302中，或可以是可耦合到处理核心330的分离的电路。基于所测量的信号，控制算法328可产生、限制、发起、结束、控制、调节或修改PWM 发生器306、通信控制器332、Vbus控制装置326、源阻抗匹配控制器338、滤波器/缓冲元件318、320、转换器314、316、谐振器线圈344中的任一个的操作，并且可以是是微控制器302或单独电路的部分或集成到微控制器302或单独电路中。阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可包括可电气地控制的、可变的或可调谐的部件(例如如本文所述的电容器、开关、电感器等)，且这些部件可具有根据从源阻抗匹配控制器338接收的信号而被调节的其部件值或操作点。部件可被调谐以调节谐振器的操作和特性，包括输送到谐振器并由谐振器输送的功率、谐振器的谐振频率、谐振器的阻抗、谐振器的Q和任何其它耦合系统等。谐振器可以是本文描述的任何类型或结构的谐振器，包括电容性加载回路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器或其任何组合。

在图4中描绘的全桥系统拓扑可包括执行主控制算法328的处理单元。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。系统可包括耦合到无线通信电路312 的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332。源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332可以是执行该主控制算法的同一处理单元的部分，它可以是微控制器302内的一部分或电路，它可以在无线功率传输模块外部，它可以实质上类似于在有线供电或电池供电的应用中使用的但被配置为包括某种新的或不同的功能以增强或支持无线功率传输的通信控制器。

系统可包括具有耦合到至少四个晶体管门驱动器334的至少两个输出的PWM发生器410，晶体管门驱动器334可由在主控制算法中产生的信号控制。四个晶体管门驱动器334可直接地或经由门驱动变压器耦合到四个功率晶体管336，四个功率晶体管336可通过阻抗匹配网络部件342驱动源谐振器线圈344。功率晶体管336可与可调节的DC电源304耦合并使用可调节的DC电源304来供电，且可调节的DC电源304可由可变总线电压 Vbus控制，Vbus控制器可由主控制算法控制。Vbus控制器326可控制可调节的DC电源304的电压输出，可调节的DC电源304可用于控制放大器的功率输出和输送到谐振器线圈344的功率。

系统可包括包含信号滤波和缓冲电路318、320和差分/单端转换电路402、404的感测和测量电路，信号滤波和缓冲电路318、320和差分/单端转换电路402、404可例如在信号被输入到处理器和/或转换器(例如模数转换器(ADC)314、316)之前对信号进行成形、修改、过滤、处理、缓冲等。处理器和/或转换器(例如ADC 314、316)可集成到微控制器302 中，或可以是可耦合到处理核心330的单独电路。基于所测量的信号，主控制算法可产生、限制、发起、结束、控制、调节或修改PWM发生器410、通信控制器332、Vbus控制器326、源阻抗匹配控制器338、滤波器/缓冲元件318、320、差分/单端转换电路402、404、转换器314、316、谐振器线圈344中的任一个的操作，并且可以是微控制器302或单独电路的部分或集成到微控制器302或单独电路中。

阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可包括可电气地控制的、可变的或可调谐的部件(例如如本文所述的电容器、开关、电感器等)，且这些部件可具有根据从源阻抗匹配控制器338接收的信号而调节的其部件值或操作点。部件可被调谐以实现谐振器的操作和特性的调谐，包括输送到谐振器并由谐振器输送的功率、谐振器的谐振频率、谐振器的阻抗、谐振器的 Q和任何其它耦合系统等。谐振器可以是本文描述的任何类型或结构的谐振器，包括电容性加载回路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器或其任何组合。

阻抗匹配网络可包括固定值部件，例如电容器、电感器和如本文所述的部件的网络。如本文描述的，阻抗匹配网络的部分A、B和C可包括电感器、电容器、变压器及这样的部件的串联和并联组合。在一些实施例中，阻抗匹配网络的部分A、B和C可以是空的(短路的)。在一些实施例中，部分B包括电感器和电容器的串联组合，且部分C是空的。

全桥拓扑可使用同一DC总线电压作为等效的半桥放大器来允许在较高的输出功率水平处的操作。图3的半桥示例性拓扑可提供单端驱动信号，而图4的示例性全桥拓扑可提供对源谐振器308的差分驱动。如本文讨论的，阻抗匹配拓扑和部件和谐振器结构可能对于这两个系统是不同的。

在图3和4中描绘的示例性系统还可包括可用于触发源放大器中的微控制器的关闭或可用于改变或中断放大器的操作的故障检测电路340。这个保护电路可包括一个或多个高速比较器以监测放大器返回电流、来自DC 电源304的放大器总线电压(Vbus)、源谐振器308和/或可选的调谐板两端的电压或可引起对系统中的部件的损坏或可产生不合乎需要的操作条件的任何其它电压或电流信号。优选的实施例可取决于与不同的应用相关的可能不合乎需要的操作模式。在一些实施例中，保护电路可能不被实现或电路可能不被聚集(populated)。在一些实施例中，系统和部件保护可被实现为主控制算法以及其它系统监测和控制电路的部分。在实施例中，专用故障电路340可包括耦合到主控制算法328的输出(未示出)，主控制算法 328可触发系统关闭、输出功率的减小(例如，Vbus的减小)、对PWM发生器的改变、操作频率的改变、对调谐元件的改变、或可由控制算法328 实现来调节操作点模式、提高系统性能和/或提供保护的任何其它合理的行动。

如本文所述的，在无线功率传输系统中的源可使用驱动源谐振器线圈 344的阻抗匹配网络242的输入阻抗的测量结果作为可以是主控制算法的部分的系统控制回路的误差或控制信号。在示例性实施例中，在三个参数的任何组合中的变化可用于调谐无线电源以补偿环境条件中的变化、耦合中的变化、设备功率要求中的变化、模块、电路、部件或子系统性能中的变化、系统中的源、设备或中继器的数量的增加或降低、用户发起的改变等。在示例性实施例中，对放大器占空比、对可变电气部件(例如可变电容器和电感器)的部件值以及对DC总线电压的改变可用于改变无线源的操作点或操作范围并提高某个系统操作值。被用于不同的应用的控制算法的细节可根据期望的系统性能和行为而改变。

例如在本文描述和在图3和4中示出的阻抗测量电路可使用二通道同时采样的ADC来实现，且这些ADC可集成到微控制器芯片中或可以是单独电路的部分。对源谐振器的阻抗匹配网络和/或源谐振器的输入处的电压和电流信号的同时采样可产生电流和电压信号的相位和幅值信息，并可使用已知的信号处理技术来处理以产生复阻抗参数。在一些实施例中，监测仅仅电压信号或仅仅电流信号可能就足够了。

本文所述的阻抗测量可使用直接采样方法，直接采样方法可能比某种其它已知的采样方法相对更简单。在实施例中，可在所测量的电压和电流信号被输入到ADC之前通过滤波/缓冲电路来对所测量的电压和电流信号进行调节、过滤和按比例调整。在实施例中，滤波/缓冲电路可以是可调节的，以在各种信号水平和频率下工作，且可手动地、电子地、自动地响应于控制信号通过主控制算法等来调节电路参数(例如滤波器形状和宽度)。在图3、4和5中示出了滤波器/缓冲电路的示例性实施例。

图5示出可在滤波/缓冲电路中使用的示例性电路部件的更详细视图。在实施例中且根据在系统设计中使用的ADC的类型，单端放大器拓扑可通过消除对从差分信号格式转换到单端信号格式的硬件的需要来降低用于表征系统、子系统、模块和/或部件性能的模拟信号测量路径的复杂度。在其它实施例中，差分信号格式可能是优选的。图5所示的实施方式是示例性的，且不应被解释为实现本文描述的功能的唯一可能的方式。相反，应理解，模拟信号路径可使用具有不同的输入要求的部件，且因此可具有不同的信号路径架构。

在单端和差分放大器拓扑中，可通过测量电容器324两端的电压或经由某种类型的电流传感器来得到驱动谐振器线圈344的阻抗匹配网络342 的输入电流。对于图3中的示例性单端放大器拓扑，电流可在来自阻抗匹配网络342的地返回路径上被感测到。对于在图4中描绘的示例性差分功率放大器，可使用电容器324的端子两端的差分放大器或经由某种类型的电流传感器来测量驱动谐振器线圈344的阻抗匹配网络342的输入电流。在图4的差分拓扑中，电容器324可在源功率放大器的负输出端子处被复制。

在这两种拓扑中，在表示源谐振器和阻抗匹配网络的输入电压和电流的单端信号被得到之后，信号可被滤波(502)以得到信号波形的期望部分。在实施例中，信号可被过滤以得到信号的基本分量。在实施例中，所执行的滤波的类型(例如低通、带通、陷波等)以及所使用的滤波器拓扑例如(椭圆、Chebyshev、Butterworth等)可取决于系统的特定要求。在一些实施例中，没有滤波将是需要的。

电压和电流信号可被可选的放大器504放大。可选的放大器504的增益可以是固定的或可变的。可响应于控制信号等来手动地、电子地、自动地控制放大器的增益。可在反馈回路中响应于控制算法通过主控制算法等来调节放大器的增益。在实施例中，放大器的所需性能规格可取决于信号强度和期望的测量准确度，并且对不同的应用情况和控制算法可能是不同的。

所测量的模拟信号可具有添加到它们的DC偏移506，其可能是将信号带到ADC的输入电压范围内所需要的，输入电压对于一些系统可以是0到 3.3V。在一些系统中，这个阶段可能不是需要的，取决于所使用的特定ADC 的规格。

如上所述，在功率发生器和功率负载之间的功率传输的效率可被该发生器的输出阻抗与该负载的输入阻抗如何紧密地匹配影响。在如图6A所示的示例性系统中，当负载604的输入阻抗等于功率发生器或功率放大器602 的内部阻抗的复共轭时，功率可在最大可能的效率下输送到负载。设计发生器或负载阻抗以得到高和/或最大功率传输效率可被称为“阻抗匹配”。阻抗匹配可通过插入元件(例如电容器、电阻器、电感器、变压器、开关等)的适当网络或集合来执行，以形成在如图6B所示的功率发生器602 和功率负载604之间的阻抗匹配网络606。在其它实施例中，元件定位中的机械调节和改变可用于实现阻抗匹配。如上面针对变化的负载描述的，阻抗匹配网络606可包括可变部件，可变部件动态地被调节以甚至在动态环境和操作情况中，确保在向负载看的发生器端子处的阻抗和发生器的特征阻抗实质上保持彼此的复共轭。在实施例中，可通过调谐功率发生器的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率，或通过调谐功率发生器内的物理部件 (例如如图6C所示的电容器)来实现阻抗匹配。这样的调节机制可以是有利的，因为它可在不使用可调谐阻抗匹配网络或使用简化的可调谐阻抗匹配网络606(例如具有较少的可调谐部件的阻抗匹配网络)的情况下允许功率发生器608和负载之间的阻抗匹配。在实施例中，调谐功率发生器的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可产生具有扩展的调谐范围或精度、具有较高的功率、电压和/或电流能力、具有较快的电子控制、具有较少的外部部件等的动态阻抗匹配系统。下面描述的阻抗匹配方法、架构、算法、协议、电路、测量、控制等可能在功率发生器驱动高Q磁谐振器的系统中和在如本文所述的高Q无线功率传输系统中是有用的。在无线功率传输系统中，功率发生器可以是驱动有时被称为源谐振器的谐振器的功率放大器，源谐振器可以是功率放大器的负载。在无线功率应用中，控制功率放大器和谐振器负载之间的阻抗匹配以控制从功率放大器到谐振器的功率输送的效率可能是优选的。通过调谐或调节驱动谐振器的功率放大器的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率来实现或部分地实现阻抗匹配。

开关放大器的效率

当没有功率在放大器的开关元件上被耗散时，开关放大器例(如D、E、 F类放大器等或其任何组合)以最大效率将功率输送到负载。这个操作条件可通过设计该系统以使得最关键的开关操作(即，最可能导致开关损耗的那些开关操作)在开关元件两端的电压和穿过开关元件的电流都为零时完成来实现。这些条件可分别被称为零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS) 条件。当放大器在ZVS和ZCS处操作时，在开关元件两端的电压或穿过开关元件的电流为零，且因此没有功率可在开关中被耗散。因为开关放大器可在特定的频率或频率范围下将DC(或非常低频率的AC)功率转换成AC 功率，滤波器可在负载之前被引入以防止可能通过开关过程产生的不需要的谐波达到负载并在那里被耗散。在实施例中，开关放大器可设计成在连接到具有非平凡品质因子(比如Q>5)和特定阻抗的谐振负载时在功率转换的最大效率下操作，其导致同时的ZVS和ZCS。我们将 Z_o＝R_o-jX_o定义为放大器的特征阻抗，使得实现最大功率传输效率等效于将谐振负载与放大器的特征阻抗进行阻抗匹配。

在开关放大器中，开关元件的开关频率f_switch(其中f_switch＝ω/2π)和开关元件的接通开关状态持续时间的占空比dc可以对放大器的所有开关元件来说是相同的。在该实施例中，我们将使用术语“D类”来表示D类和DE 类放大器，即，具有dc<＝50％的开关放大器。

放大器的特征阻抗的值可取决于开关元件的操作频率、放大器拓扑和开关次序。在一些实施例中，开关放大器可以是半桥拓扑，且在一些实施例中是全桥拓扑。在一些实施例中，开关放大器可以D类，且在一些实施例中是E类。在上述实施例的任一个中，假设桥的元件是对称的，开关放大器的特征阻抗具有以下形式：

R_o＝F_R(dc)/ωC_a，X_o＝F_X(dc)/ωC_a， (1)

其中dc是开关元件的接通开关状态的占空比，函数F_R(dc)和F_X(dc)在图7 中绘制出(都针对D类和E类)，ω是开关元件被切换所处于的频率，且 C_a＝n_aC_switch，其中C_switch是每个开关两端的电容，包括晶体管输出电容以及还有与开关并联放置的可能的外部电容器，而对于全桥，n_a＝1且对于半桥。 n_a＝2。对于D类，也可写出分析表达式：

F_R(dc)＝sin²u/π，F_X(dc)＝(u-sinu*cosu)/π， (2)其中u＝π(1-2*dc)，指示当占空比dc下降到50％时，D类放大器的特征阻抗水平降低。对于具有dc＝50％的D类放大器操作，只有当开关元件实际上没有输出电容(C_a＝0)且负载确切地处于谐振(X_o＝0)时，实现ZVS 和ZCS才是可能的，其中R_o可以是任意的。

阻抗匹配网络

在应用中，驱动负载可具有与它连接到的外部驱动电路的特征阻抗非常不同的阻抗。此外，驱动负载可以不是谐振网络。阻抗匹配网络(IMN) 是可如在图6B中的连接在负载之前的电路网络，以便调节在由IMN电路和负载组成的网络的输入处看到的阻抗。IMN电路可一般通过产生接近驱动频率的谐振来实现这个调节。因为这样的IMN电路实现最大化从发生器到负载的功率传输效率所需的所有条件(谐振和阻抗匹配——对开关放大器的ZVS和ZCS)，在实施例中，IMN电路可在驱动电路和负载之间被使用。

对于图6B所示的布置，让由阻抗匹配网络(IMN)电路和负载(从现在起被共同表示为IMN+负载)组成的网络的输入阻抗为Z_l＝R_l(ω)+jX_l(ω)。这个网络与具有特征阻抗Z_o＝R_o-jX_o的外部电路的阻抗匹配条件于是为 R_l(ω)＝R_o、X_l(ω)＝X_o。

用于可变负载的可调谐阻抗匹配的方法

在负载可能是可变的实施例中，在负载和外部驱动电路(例如线性或开关功率放大器)之间的阻抗匹配可通过使用IMN电路中的可调节/可调谐部件来实现，IMN电路可被调节以使变化的负载与外部电路(图6B)的固定特征阻抗Z_o匹配。为了使阻抗的实部和虚部匹配，可能需要IMN电路中的两个可调谐/可变元件。

在实施例中，负载可以是电感的(例如谐振器线圈)，具有阻抗R+jωL，所以IMN电路中的两个可调谐元件可以是两个可调谐电容网络，或一个可调谐电容网络和一个可调谐电感网络，或一个可调谐电容网络和一个可调谐互感网络。

在负载可能是可变的实施例中，在负载和驱动电路(例如线性或开关功率放大器)之间的阻抗匹配可通过使用放大器电路中的可调节/可调谐部件或参数来实现，放大器电路可被调节以使放大器的特征阻抗Z_o与由IMN 电路和负载(IMN+负载)组成的网络的变化(由于负载变化)的输入阻抗匹配，其中IMN电路也可以是可调谐的(图6C)。为了使阻抗的实部和虚部匹配，可能需要放大器和IMN电路中的总共两个可调谐/可变元件或参数。所公开的阻抗匹配方法可减小IMN电路中的可调谐/可变元件的所需数量或甚至完全消除对IMN电路中的可调谐/可变元件的要求。在一些例子中，可使用功率放大器中的一个可调谐元件和IMN电路中的一个可调谐元件。在一些例子中，可使用功率放大器中的两个可调谐元件并且不使用IMN 电路中的可调谐元件。

在实施例中，功率放大器中的可调谐元件或参数可以是施加到晶体管、开关、二极管等的驱动信号的频率、振幅、相位、波形、占空比等。

在实施例中，具有可调谐特征阻抗的功率放大器可以是D、E、F类的可调谐开关放大器或其任何组合。组合方程(1)和(2)，这个网络的阻抗匹配条件是：

R_l(ω)＝F_R(dc)/ωC_a,X_l(ω)＝F_X(dc)/ωC_a (3)

在可调谐开关放大器的一些例子中，一个可调谐元件可以是电容C_a，其可通过调谐与开关元件并联放置的外部电容器来调谐。

在可调谐开关放大器的一些例子中，一个可调谐元件可以是放大器的开关元件的接通开关状态的占空比dc。经由脉冲宽度调制(PWM)调节占空比dc已在开关放大器中被使用来实现输出功率控制。在这个说明书中，我们公开了PWM也可用于实现阻抗匹配，即，满足方程(3)，并因此最大化放大器效率。

在可调谐开关放大器的一些例子中，一个可调谐元件可以是开关频率，其也是IMN+负载网络的驱动频率并且也可设计成实质上接近IMN+负载网络的谐振频率。调谐开关频率可改变放大器的特征阻抗和IMN+负载网络的阻抗。放大器的开关频率可连同另一可调谐参数一起被适当地调谐，使得方程(3)被满足。

调谐放大器的占空比和/或驱动频率以用于动态阻抗匹配的益处是，这些参数可电子地、快速地和在宽范围上被调节。相反，例如可忍受大电压并具有足够大的可调谐范围和品质因子的可调谐电容器可能是昂贵的、缓慢的或在必要的部件规则下是不可获得的。

用于可变负载的可调谐阻抗匹配的方法的例子

在图8中示出D类功率放大器802、阻抗匹配网络804和电感负载806 的电路级结构的简化电路图。该图示出具有包括电源810、开关元件808 和电容器的开关放大器804的系统的基本部件。阻抗匹配网络804包括电感器和电容器，以及负载806被建模为电感器和电阻器。

如图8所示，这个创造性调谐方案的示例性实施例包括在开关频率f 处操作并经由IMN驱动电感元件R+jωL的半桥D类放大器。

在一些实施例中，L′可以是可调谐的。可通过电感器上的可变分接点或通过将可调谐电容器串联或并联地连接到电感器来调谐L′。在一些实施例中，C_a可以是可调谐的。对于半桥拓扑，可通过改变一个或两个电容器 C_switch来调谐C_a，因为只有这些电容器的并联和对于放大器操作来说是重要的。对于全桥拓扑，可通过改变一个、两个、三个或所有电容器C_switch来调谐C_a，因为只有它们的组合(与桥的两个半部分相关的两个并联和的串联和)对于放大器操作来说是重要的。

在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，IMN的部件中的两个可以是可调谐的。在一些实施例中，L′和C₂可被调谐。然后，图9示出作为电感元件的变化的R和L的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐分量的值和对于 f＝250kHz、dc＝40％、C_a＝640pF和C₁＝10nF的放大器的(在给定的DC 总线电压处的)输出功率的相关变化。因为IMN总是调节到放大器的固定特征阻抗，当电感元件是变化的时候，输出功率总是不变的。

在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，开关放大器中的元件也可以是可调谐的。在一些实施例中，电容C_a连同IMN电容器C₂一起可被调谐。然后，图10示出作为电感元件的变化的R和L的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐分量的值，和对于f＝250kHz、dc＝40％、C₁＝10nF和ωL′＝1000Ω的放大器的(在给定的DC总线电压处)输出功率的相关变化。从图10可推断出，需要主要响应于L中的变化来调谐C₂，以及当R增加时输出功率降低。

在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，占空比dc和IMN电容器C₂一起可被调谐。然后，图11示出作为电感元件的变化的R和L的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐分量的值和对于f＝250kHz、C_a＝640pF、C₁＝ 10nF和ωL′＝1000Ω的放大器的(在给定的DC总线电压处)输出功率的相关变化。从图11可推断出，需要主要响应于L中的变化来调谐C₂，以及当R增加时输出功率降低。

在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，电容C_a和IMN电感器L′一起可被调谐。然后，图11A示出作为电感元件的变化的R的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值和对于f＝250kHz、dc＝40％、C₁＝10nF和 C₂＝7.5nF的放大器的(在给定的DC总线电压处)输出功率的相关变化。从图11A可推断出，当R增加时输出功率降低。

在一些可调谐阻抗匹配的一些实施例中，占空比dc和IMN电感器L′一起可被调谐。然后，图11B示出作为电感元件的变化的R的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值和作为电感元件的变化的R的函数的对于f＝250kHz、C_a＝640pF、C₁＝10nF和C₂＝7.5nF的放大器的(在给定的DC总线电压处)输出功率的相关变化。从图11B可推断出，当R增加时输出功率降低。

在一些可调谐阻抗匹配的一些实施例中，只有开关放大器中的元件可以是可调谐的，而在IMN中没有可调谐元件。在一些实施例中，占空比dc 和电容C_a一起可被调谐。然后，图11C示出作为电感元件的变化的R的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值和对于f＝250kHz、C₁＝ 10nF、C₂＝7.5nF和ωL′＝1000Ω的放大器的输出功率(在给定的DC总线电压处)的相关变化。从图11C可推断出，输出功率是R的非单调函数。当 L中的变化是适度的(以及因此谐振频率中的变化是适度的)时，这些实施例可能够实现动态阻抗匹配。

在一些实施例中，也当L如早些时候解释地那样极大地变化时，与IMN 内部的固定元件的动态阻抗匹配可通过改变外部频率f(例如，开关放大器的开关频率)的驱动频率使得它跟随谐振器的变化的谐振频率来实现。使用开关频率f和开关占空比dc作为两个可变的参数，当R和L是变化的时，全阻抗匹配可被实现，而不需要任何可变部件。然后，图12示出作为电感元件的变化的R和L的函数的实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值和对于C_a＝640pF、C₁＝10nF、C₂＝7.5nF和L′＝637μH的放大器的(在给定的DC总线电压处)输出功率的相关变化。从图12可推断出，如早些时候解释的，需要主要响应于L的变化来调谐频率f。

用于无线功率传输的系统的可调谐阻抗匹配

在无线功率传输的应用中，低损耗电感元件可以是耦合到一个或多个设备谐振器或其它谐振器(例如中继器谐振器)的源谐振器的线圈。电感元件R+jωL的阻抗可包括在源谐振器的线圈上的其它谐振器的反射阻抗。电感元件的R和L的变化可由于在源谐振器和/或其它谐振器附近的外部扰动或部件的热漂移而出现。由于设备和其它谐振器相对于源的相对运动，电感元件的R和L的变化也可在无线功率传输系统的正常使用期间出现。这些设备和其它谐振器相对于源的相对运动或其它源的相对运动或位置可导致设备到源的变化的耦合(以及因此变化的反射阻抗)。此外，由于其它耦合谐振器内的变化(例如在其负载的功率消耗器中的变化)，电感元件的 R和L的变化也可在无线功率传输系统的正常使用期间出现。到目前为止公开的所有方法和实施例也适用于这种情况，以便实现这个电感元件与驱动它的外部电路的动态阻抗匹配。

为了展示无线功率传输系统的目前公开的动态阻抗匹配方法，考虑包括低损耗源线圈的源谐振器，该低损耗源线圈电感地耦合到驱动电阻性负载的设备谐振器的设备线圈。

在一些实施例中，可在源电路处实现动态阻抗匹配。在一些实施例中，也可在设备电路处实现动态阻抗匹配。当全阻抗匹配被获得(在源和设备处)时，源电感元件的有效电阻(即，源线圈R_s的电阻加上来自设备的反射阻抗)是(类似地，设备电感元件的有效电阻是其中R_d是设备线圈的电阻。)由于运动而引起的在线圈之间的互感的动态变化导致了的动态变化。因此，当源和设备都被动态地调谐时，互感的变化从源电路侧被看作源电感元件电阻R的变化。注意，在这种类型的变化中，谐振器的谐振频率可以实质上不改变，因为L可以不改变。因此，针对动态阻抗匹配提出的所有方法和例子可用于无线功率传输系统的源电路。

注意，因为电阻R代表源线圈和设备线圈到源线圈的反射阻抗，在图 9-12中，当R由于增大的U而增大时，相关的无线功率传输效率增加。在一些实施例中，在由设备电路驱动的负载处可能需要近似恒定的功率。为了实现传输到设备的功率的恒定水平，当U增加时，源电路的所需输出功率可能需要降低。如果动态阻抗匹配通过调谐一些放大器参数而实现，则放大器的输出功率可相应地改变。在一些实施例中，输出功率的自动变化优选地随着R而单调降低，使得它匹配恒定的设备功率要求。在通过调节功率发生器的DC驱动电压来实现输出功率水平的实施例中，使用导致单调降低的输出功率vs.R的阻抗匹配的可调谐参数集合将意味着恒定的功率可保持在设备中的功率负载处，而只有该DC驱动电压的适度调节。在用于调节输出功率水平的“旋钮”是开关放大器或阻抗匹配网络内部的部件的占空比dc或相位的实施例中，使用导致单调降低的输出功率vs.R的阻抗匹配的可调谐参数集合将意味着恒定的功率可保持在设备中的功率负载处，而只有这个功率“旋钮”的适度调节。

在图9-12的例子中，如果R_s＝0.19Ω，则范围R＝0.2-2Ω近似地对应于U_sd＝0.3-10.5。对于这些值，在图14中，当源和设备都动态地阻抗匹配时，我们用虚线显示保持负载处的恒定的功率水平所需的输出功率(被归一化到DC电压平方)。在实线和虚线之间的类似趋势解释了为什么具有输出功率的如此变化的一组可调谐参数可以是优选的。

在一些实施例中，动态阻抗匹配可在源电路处实现，但阻抗匹配在设备电路处可以不实现或可以只部分地实现。当源线圈和设备线圈之间的互感改变时，设备到源的变化的反射阻抗可导致源电感元件的有效电阻R和有效电感L的变化。到目前为止提出用于动态阻抗匹配的方法是可适用的，并可用于无线功率传输系统的可调谐源电路。

作为例子，考虑图14的电路，其中f＝250kHz、C_a＝640pF、R_s＝0.19Ω、 L_s＝100μH、C_1s＝10nF、ωL_s′＝1000Ω、R_d＝0.3Ω、L_d＝40μH、C_1d＝87.5nF、 C_2d＝13nF、ωL_d′＝400Ω和Z_l＝50Ω，其中s和d分别表示源和设备谐振器，并且系统在U_sd＝3处匹配。调谐开关放大器的占空比dc和电容器C_2s可用于，在不可调谐的设备正相对于源移动而改变了源和设备之间的互感M时对源进行动态阻抗匹配。在图14中，我们显示可调谐参数的所需值连同放大器的每DC电压的输出功率。虚线再次指示将被需要的放大器的输出功率，使得负载处的功率是恒定值。

在一些实施例中，调谐源驱动电路的驱动频率f可仍然用于针对在源和一个或多个设备之间的无线功率传输的系统，实现在源处的动态阻抗匹配。如早些时候解释的，该方法实现源的全动态阻抗匹配，即使存在源电感L_s的变化和因而存在源谐振频率的变化也是如此。对于从源到设备的有效功率传输，设备谐振频率必须被调谐以跟随匹配的驱动和源谐振频率的变化。当存在源或设备谐振器的谐振频率的变化时，调谐设备电容(例如，在图13的实施例中是C_1d或C_2d)可能是必要的。事实上，在具有多个源和设备的无线功率传输系统中，调谐驱动频率减轻了对只调谐一个源-对象谐振频率的需要，然而，所有其余对象可能需要机制(例如，可调谐电容) 来调谐其谐振频率以匹配驱动频率。

谐振器热管理

在无线能量传输系统中，在无线传输过程期间损失的能量的一部分作为热被耗散。能量可在谐振器部件本身中被耗散。例如，甚至高Q导体和部件也具有一定损耗或电阻，且这些导体和部件可在电流和/或电磁场流经它们时变热。能量可在谐振器周围的材料和物体中被耗散。例如，在谐振器周围或附近的有缺陷的导体或电介质中耗散的涡流电流可加热那些物体。除了影响那些物体的材料属性以外，这个热还可通过传导、辐射或对流过程传输到谐振器部件。这些加热效应中的任一个可影响谐振器Q、阻抗、频率等和因而影响无线能量传输系统的性能。

在包括磁性材料的块或核心的谐振器中，由于从感应涡流电流产生的磁滞损耗和电阻损耗，热可在磁性材料中产生。这两个效应都取决于材料中的磁通量密度，且都可产生相当大量的热，特别是在通量密度或涡流电流可被集中或局部化的区域中。除了通量密度以外，振荡磁场的频率、磁性材料成分和损耗以及磁性材料的环境或工作温度都可影响磁滞和电阻损耗如何加热材料。

在实施例中，可针对特定的操作功率水平和环境来选择磁性材料的属性(例如材料的类型、块的尺寸等)和磁场参数以最小化对磁性材料的加热。在一些实施例中，在磁性材料块中的变化、裂缝或缺陷可在无线功率传输应用中增加磁性材料的损耗和加热。

对于具有缺陷或由布置在较大的单元中的较小尺寸的磁性材料瓦片或片组成的磁性块，块中的损耗可能是不均匀的，且可集中在相邻的磁性材料瓦片或片之间存在不均匀性或相对窄的间隙的区域中。例如，如果不规则的间隙存在于磁性材料块中，则穿过材料的各种磁通量路径的有效磁阻可能实质上是不规则的，且磁场可更集中在磁阻最低的块的部分中。在一些情况下，在瓦片或片之间的间隙最窄的地方，或在缺陷的密度最低的地方，有效磁阻可能最低。因为磁性材料引导磁场，磁通量密度可能在整个块中实质上不是均匀的，但可集中在提供相对较低的磁阻的区域中。在磁性材料块内的磁场的不规则集中可能不是合乎需要的，因为它们可导致材料中的不均匀损耗和热耗散。

例如，考虑包括缠绕在由磁性材料的两个单独瓦片1502、1504组成的磁性材料块周围的导体1506的磁谐振器，这两个单独瓦片1502、1504结合，使得它们形成垂直于导体1506的回路的轴的缝1508，如在图15中描绘的那样。在磁性材料瓦片1502、1504之间的缝1508中的不规则间隙可迫使谐振器中的磁场1512(示意性地由虚磁场线表示)集中在磁性材料的横截面的子区1510中。因为磁场将遵循最小磁阻的路径，包括两个磁性材料片之间的空气间隙的路径可在磁性材料片接触或具有较小的空气间隙的点处产生比横穿磁性材料的宽度的路径实际上更高磁阻的路径。磁通量密度可因此优先流经磁性材料的相对小的横截面区域，导致在该小区域1510 中的磁通量的高度集中。

在很多所关注的磁性材料中，较不均匀的通量密度分布导致较高的总损耗。而且，较不均匀的通量密度分布可导致材料饱和并引起磁通量被集中的区域的局部加热。局部加热可改变磁性材料的属性，在一些情况下加重损耗。例如，在一些材料的相关操作状态中，磁滞和电阻损耗随着温度而增加。如果加热该材料增加了材料损耗，导致更多的加热，则材料的温度可能继续增加并甚至失控(如果没有矫正行动被采取的话)。在一些实例中，温度可达到100C或更多，并可降低磁性材料的属性和无线功率传输的性能。在一些实例中，磁性材料可被损坏，或周围的电子部件、封装和/或外壳可被额外的热量损坏。

在实施例中，可通过对瓦片或片的边缘进行机器加工、磨光、研磨以确保磁性材料瓦片之间的紧密配合等来最小化在磁性材料块的瓦片或片之间的变化或不规则性，提供穿过磁性材料块的整个横截面的实质上更均匀的磁阻。在实施例中，磁性材料块可能需要用于提供瓦片之间的压缩力以确保瓦片紧密地压在一起而没有间隙的装置。在实施例中，可在瓦片之间使用粘合剂以确保它们保持紧密接触。

在实施例中，可通过添加相邻的磁性材料瓦片之间的故意的间隙来减小相邻的磁性材料瓦片的不规则间隔。在实施例中，故意的间隙可用作间隔物以确保磁性材料瓦片或片之间的均匀或规则分离。柔性材料的故意的间隙也可减少由于瓦片运动或振动引起的间隔中的不规则性。在实施例中，可利用电绝缘体来捆住、浸渍、涂覆等相邻的磁性材料瓦片的边缘，以防止涡流电流流经块的减小的横截面区域，因而降低材料中的涡流电流损耗。在实施例中，可将分离器集成到谐振器封装中。间隔物可提供1mm或更小的间隔。

在实施例中，可选择在瓦片之间的间隔物的机械属性，以便提高总体结构对机械效应的容限，该机械效应例如是由于本征效应(例如，磁致伸缩、热膨胀等)以及外部震动和振动引起的瓦片的尺寸和/或形状的变化。例如，间隔物可具有期望数量的机械弹性以适应单独瓦片的膨胀和/或收缩，并可在它们受到机械振动时帮助减小瓦片上的应力，从而帮助减小在磁性材料中的裂缝和其它缺陷的出现。

在实施例中，可优选的是，将包括磁性材料块的单独瓦片布置成最小化与谐振器的偶极矩垂直的瓦片之间的缝或间隙的数量。在实施例中，可优选的是，将磁性材料瓦片布置和定向成最小化与由包括谐振器的导体的圈所形成的轴垂直的瓦片之间的间隙。

例如，考虑图16所描绘的谐振器结构。谐振器包括缠绕在磁性材料块周围的导体1604，磁性材料块包括被布置在3乘2阵列中的六个分开的单独瓦片1602。当在一个方向上横穿磁性材料块时，瓦片的布置导致两个瓦片缝1606、1608，而当在垂直方向上横穿磁性材料块时，瓦片的布置导致仅仅一个瓦片缝1610。在实施例中，可优选的是，将导体电线1604缠绕在磁性材料块周围使得谐振器的偶极矩垂直于最少数量的瓦片缝。发明人观察到，存在在平行于谐振器的偶极矩的缝和间隙1606、1608周围感应的相对较少的加热。垂直于谐振器的偶极矩延伸的缝和间隙也可被称为临界缝或临界缝区域。然而使平行于谐振器的偶极矩延伸的间隙(例如1606和 1608)电绝缘以便减小涡流电流损耗可能仍然是合乎需要的。通过这样的平行间隙分开的瓦片之间的不均匀接触可使涡流电流流经窄接触点，导致在这样的点处的大损耗。

在实施例中，当磁性材料加热时，可以用临界缝区域的足够冷却来容许间隔中的不规则性以防止材料属性的局部退化。将磁性材料的温度维持在临界温度之下可防止由足够高的温度引起的失控效应。不管由于瓦片之间的不规则间隔、裂缝或间隙而引起的额外的损耗和加热效应如何，利用临界缝区域的适当冷却，无线能量传输性能可能是令人满意的。

用于防止磁性材料的过分的局部加热的谐振器结构的有效散热提出几个挑战。一般用于散热和热传导的金属材料可与用于通过谐振器的无线能量传输的磁场交互作用，并影响系统的性能。它们的位置、尺寸、方位和用途应被设计成在存在这些散热材料的情况下不过分降低谐振器的扰动 Q。此外，由于磁性材料(例如铁素体)的相对差的热传导性，在散热器和磁性材料之间的相对大的接触区域可能需要提供足够的冷却，足够的冷却可能需要相当大量的有损材料放置成接近磁谐振器。

在实施例中，谐振器的足够冷却可使用热传导材料的策略性放置来实现，而对无线能量传输性能具有最小的影响。在实施例中，热传导材料条可放置在导电线的回路之间并与磁性材料块热接触。

在图17中描绘了具有热传导材料条的谐振器的一个示例性实施例。图17A示出具有传导条的谐振器结构，且谐振器结构包括形成间隙或缝的较小的磁性材料瓦片。热传导材料条1708可放置在导体1702的回路之间并如图17B和17C中描绘的那样与磁性材料块1704热接触。为了最小化该条对谐振器的参数的影响，在一些实施例中，可优选的是，布置平行于导体的回路或垂直于谐振器的偶极矩的条。导体条可放置成覆盖瓦片之间的尽可能多的缝或间隙，特别是垂直于谐振器的偶极矩的瓦片之间的缝。

在实施例中，热传导材料可包括铜、铝、黄铜、热环氧树脂、膏(paste)、衬垫等，并且可以是具有至少是谐振器中的磁性材料的热传导率(对于一些铁素体材料来说～5W/(K-m))的热传导率的任何材料。在热传导材料也导电的实施例中，材料可能需要电绝缘体的层或涂层以防止与磁性材料或谐振器的导体的回路的短路和直接电接触。

在实施例中，热传导材料条可用于将热从谐振器结构传导到可安全地耗散热能的结构或介质。在实施例中，热传导条可连接到散热器，散热器例如是位于导体条之上的大板，导体条可使用被动或强制对流、辐射或传导将热能耗散到环境。在实施例中，系统可包括可以在谐振器结构的外部或内部的任何数量的主动冷却系统，该主动冷却系统可耗散来自热传导条的热能并可包括液体冷却系统、强制空气系统等。例如，热传导条可以是中空的，或包括用于可被泵送或强制通过以冷却磁性材料的冷却剂的通道。在实施例中，由良电导体(例如铜、银、铝等)制成的场偏转器可双重地作为散热装置。将热传导和电传导条添加到磁性材料和场偏转器之间的空间可具有对扰动Q的微小影响，因为在该空间中的电磁场一般被场偏转器的存在抑制。这样的传导条可热连接到磁性材料和场偏转器以使在不同的条当中的温度分布更均匀。

在实施例中，热传导条被间隔开以允许导体的至少一个回路缠绕在磁性材料周围。在实施例中，热传导材料条可只被定位于磁性材料的间隙或缝处。在其它实施例中，该条可定位成接触实质上在其整个长度处的磁性材料。在其它实施例中，该条可分布成匹配磁性材料内的通量密度。在谐振器的正常操作下可具有较高的磁通量密度的磁性材料的区域可具有与热传导条的较高密度的接触。在例如图17A中描绘的实施例中，在磁性材料中的最高磁通量密度可被观察到朝着磁性材料块的中心，且较低的密度可在谐振器的偶极矩的方向上朝着块的端部。

为了显示热传导条的使用如何帮助减小磁性材料中的总体温度以及在潜在的热点处的温度，发明人执行与图17C中描绘的谐振器结构类似的谐振器结构的有限元模拟。模拟在235kHz的频率处工作并包括测量起来30 cm x 30cm x 5mm的EPCOS N95磁性材料块的结构，该磁性材料块由10 匝litz线(对称地放置在离结构的对称平面的25mm、40mm、55mm、90 mm和105mm处)激发的，该litz线每个承载40A的峰值电流，并通过三个铝(合金6063)的3x 3/4x 1’中空方形管(1/8”壁厚)热连接到50cm x 50cm x 4mm的场偏转器，中空方形管的中心轴放置在离该结构的对称平面的-75mm、0mm和+75mm处。归因于场偏转器和中空管的扰动Q被发现是1400(与对没有中空管的相同结构的1710比较)。在屏障和管中耗散的功率被计算为35.6W，而在磁性材料中耗散的功率是58.3W。假设该结构通过空气对流和辐射以及24℃的环境温度被冷却，结构中的最大温度是 85℃(在中空管之间大约中间的磁性材料中的点处)，同时在与中空管接触的磁性材料的部分中的温度为大约68℃。比较起来，没有热传导中空管的相同谐振器对于40W峰值的相同激发电流在磁性材料中耗散62.0W，且磁性材料中的最大温度被发现是111℃。

如果我们在与管良好地热接触的磁性材料的一部分中引入缺陷，则传导条的优点更加明显。放置在磁性材料的中心处0.5mm并定向成垂直于偶极矩的10cm长的空气间隙10将在磁性材料中耗散的功率增加到69.9W (相对于前面讨论的无缺陷例子的额外的11.6W高度集中在间隙附近)，但传导管确保磁性材料中的最大温度只有11℃到96℃的相对适度的增加。相反，没有传导管的相同缺陷导致在缺陷附近的161℃的最大温度。除了对流和辐射以外的冷却解决方案(例如将传导管主体与大的热块热连接或主动冷却它们可得到在同一电流水平处针对这个谐振器的甚至更低的工作温度。

在实施例中，热传导材料条可被定位于可具有出现可引起在磁性材料中的不规则间隙的裂缝的最高概率的区域中。这样的区域可以是材料上的高应力或应变的区域或具有来自谐振器的封装的差支持或后援的区域。被策略地定位的热传导条可确保当裂缝或不规则间隙在磁性材料中出现时，磁性材料的温度将被维持在其临界温度之下。临界温度可被定义为磁性材料的居里温度或谐振器的特性已退化到期望性能参数之外时的任何温度。

在实施例中，散热结构可提供对磁性材料的机械支持。在实施例中，散热结构可被设计成具有期望数量的机械弹性(例如，通过使用具有适当的机械属性的环氧树脂、热焊盘等来热连接结构的不同元件)，以便给谐振器提供对其元件的本征尺寸的变化(由于热膨胀、磁致伸缩等所致)以及外部震动和振动的较大量的容限，并防止裂缝和其它缺陷的形成。

在谐振器包括缠绕在磁性材料周围的正交绕组的实施例中，传导材料条可被调整以做出与在由两组正交的相邻回路所定界的区域内的磁性材料的热接触。在实施例中，条可包含适当的凹陷以安装在至少一个正交绕组的导体周围，同时在至少一个点处做出与磁性材料的热接触。在实施例中，磁性材料可以与放置在相邻回路之间的多个热传导块热接触。热传导块转而可通过良热导体和/或散热器热连接到彼此。

在整个这个描述中，虽然术语“热传导材料条”用作材料的形状的示例性试样，但本领域中的技术人员应理解，任何形状和轮廓可被代替，而不偏离本发明的精神。正方形、卵形、条、点、细长形状等都将在本发明的精神内。

医疗和外科应用

可在医院和手术室环境中使用无线功率传输。在医院和手术室中使用大量电气和电子设备以监控患者、施与药物、执行医学流程、维持管理和医学记录等。电气和电子设备常常被移动、重新定位、随着患者一起移动或附接到患者。频繁的移动可导致与对设备的功率输送有关的问题。常常被移动和重新定位的设备和电子设备可能产生电力电缆危害和由于变得缠结、绷紧、被拔去插头的电缆(其变成脱扣危害等)而产生的管理问题。每当设备被使用或重新定位时，能够在一段时间内操作而没有直接电连接的具有电池后备的设备需要频繁的再充电或插上插头和从电源插座拔去插头。无线功率传输可用于消除在医院和手术室环境中的传统有线连接的问题和危害。

无线功率传输可用于给外科手术机器人、设备、传感器等供电。很多医疗过程和外科手术利用机器人或机器人设备来执行或帮助医疗流程或手术。无线功率传输可用于将功率传输到机器人设备、设备的部分或由设备操纵的仪器或工具，其可减少系统的潜在地危险和麻烦的布线。

在图18中示出利用无线功率传输的外科手术机器人的一个示例性配置。该图描绘外科手术机器人1806和手术床1804。可从嵌在床、地板或其它结构中的无线源无线地给外科手术机器人供电。无线能量传输可允许机器人重新定位，而不改变电力电缆的位置。在一些实施例中，外科手术机器人可无线地接收功率用于手术或给其电池或能量存储系统充电。所接收的功率可经由常规有线方法被分配到系统或例如电动机、控制器等的部件。外科手术机器人可具有在其底座1816、颈部1802、主要结构1808等中的设备谐振器用于捕获源所产生的振荡磁能。在一些实施例中，可从被集成、附接或靠近手术床的源1814给机器人无线地供电。

在一些实施例中，源谐振器或设备谐振器可安装在关节连接的臂或如在图19中描绘的移动或可配置的扩展部分上。臂或移动扩展部分1902可配置成响应于机器人的位置变化、功率要求或无线功率传输的效率来重新定位源或设备以确保足够水平的功率被输送到机器人。在一些实施例中，可移动的源或设备可由操作人员手动地移动，或可以是自动的或计算机化的并配置成对准或维持源和设备之间的特定的分离范围或方位。

在实施例中，可在可能存在源和设备之间的位置偏移、失配、较迟的偏移或高度偏移的情况或配置中使用可移动臂或扩展部分。在实施例中，容纳或用于定位源或设备谐振器的可移动臂可以是计算机控制的，并可自动定位自身以得到最佳功率传输效率。臂例如可在所有方向上移动，扫描最有效的配置或位置，并可使用学习或其它算法来微调其位置和对准。在实施例中，控制器可使用来自传感器的任何数量的测量结果来试图对准或寻找最好或最有效的位置，该测量结果包括但不限于阻抗、功率、效率、电压、电流、品质因子、耦合率、耦合系数测量等。

在其它实施例中，外科手术机器人可使用无线功率传输来给机器人所操纵的或集成到机器人中的电动机、传感器、工具、电路、设备或机器人的系统供电。例如，很多外科手术机器人可具有复杂的附属物，该附属物具有多个运动自由度。由于电线的笨重、不灵活性或不可靠性，沿着或穿过附属物的各种关节或运动部件提供功率可能很难。

同样，对流程必要的各种工具或仪器的供电可能在存在体液的情况下提出电力连接和连接器的可靠性和安全性问题。外科手术机器人可利用位于附属物或工具中的一个或多个源谐振器1802和一个或多个设备谐振器 1810、1812以给电动机、电子器件或设备供电以允许附属物的移动或机器人操作的可能在患者内部或外部的工具、摄像机等的供电。功率可在没有任何电线的情况下被无线地传输而不考虑附属物的接合或旋转，并可增加附属物的限度或接合能力。在一些实施例中，源可集成到机器人中并由可无线地或从有线连接接收其自己的功率的机器人供电。在一些实施例中，给附属物和工具供电的源可安装在手术床上、在床下或在患者附近。

如本领域中的技术人员将认识到的，在附图中描述和示出的系统是特定的示例性实施例，且系统可利用具有各种形状和能力的很多不同的机器人设备、工具等中的任一个。同样，源可取决于机器人的应用和使用，被安装在具有各种尺寸的任何数量的物体上。源可如图18所示安装在手术室床或台座上。在其它实施例中，源可安装在地板、墙壁、天花板、其它设备等中。

无线功率传输可用于给可移动设备(例如IV或药物输送机架或计算机支架)供电或重新充电。这样的支架或机架常常被临时重新定位或随着患者一起从一个位置移动到另一位置。附接到这些机架的电子设备常常具有电池后备，允许它们在没有直接电连接的情况下工作一段时间，使得它们可被移动或重新定位并维持其功能。然而，每当传统机架被移动或重新定位时，它需要被拔去插头并将插头插回到电源插座中用于再充电或供电，且电缆必须是与其它电缆盘绕或从其它电缆解开。

可通过将无线功率传输系统集成到设备来克服传统可移动的有线的药物输送、患者监控或计算机机架所具有的问题。例如，在图20A和图20B 中描绘了药物输送机架和计算机机架的示范性实施例。设备谐振器2008、 2006以及功率和控制电路可被集成或附接到机架或支持结构的底座或主体，允许来自安装到地板、墙壁、充电站或其它物体中的源谐振器的无线功率传输。为了被充电或供电，机架2002或支架2014可位于源的附近、源的一米距离内或源的一英尺间隔内。使能无线功率传输的机架和电气设备不需要插入插头或拔去插头或电缆管理。可通过将机架或电气设备定位在房间的特定区域内或源附近来给使能无线功率传输的机架和电气设备供电，该源可集成到地板、地毯、墙壁、护壁板和其它设备等中。在这个配置中，例如只可在短时间段内使用以测量或诊断患者的设备或机架可能从充电位置被移动并带到接近患者的任何地方以进行测量，以及被移动回到充电位置，而不需要设备的精确定位或插入插头或拔去插头。

在一些实施例中，捕获无线能量的设备除了谐振器以外还可能需要额外的电气和电子部件。如本文所描述的，额外的AC到DC转换器、AC到 AC转换器、匹配网络、有源部件可能对将来自谐振器的电压和电流调理、控制和转换到可由待供电的设备使用的电压和电流来说是必要的。在一些设备和实施例中，谐振器的电压和电流可被直接使用，而没有额外的调理或转换步骤。外科手术工具(例如烧灼器、电动解剖刀等)使用振荡高电压来有效地切割、刺激或烧灼组织。设备谐振器上的振荡电压可直接用于给这样的设备供电，减小了它们的尺寸、成本和复杂度。

例如，在一些实施例中，外科手术工具(例如烧灼器)可安装有能够捕获来自一个或多个源谐振器的磁能的设备谐振器。根据电感、品质因子、电阻、到源谐振器的相对距离、源谐振器的功率输出、频率等，设备谐振器上的电压和电流的参数可足以直接烧灼或切割组织。具有1KHz至超过 5MHz的频率的30或更大伏特的电压可在设备谐振器上产生，并可直接用作外科手术工具的输出。在一些实施例中，可将监测电路(例如电压或电流感测电路)连同无线通信能力集成到设备谐振器中以将所测量的值转送到源。源可监测所接收的电流和电压值，并调节其操作参数以维持设备处的特定的电压、频率或电流或响应于操作员输入来调节电流或电压。

可植入设备的无线功率传输

在实施例中，无线功率传输可用于将功率输送到可被植入人或动物中的电子设备、机械设备和类似设备。例如机械循环支持(MCS)设备、心室辅助设备(VAD)、可植入心电复律器去纤颤器(ICD)等的可植入设备可能需要外部能量源以在延长的时间段内操作。在一些患者和情况中，可植入设备需要恒定或接近恒定的操作，并具有需要到外部电源的连接的相当大的功率要求，需要经皮电缆或穿过患者的皮肤到外部电源的电缆，增加了感染的可能性并降低了患者舒适度。

一些可植入设备可能对周期性或连续的手术需要1瓦或更大的功率或 10瓦或更大的功率，使只根据植入患者体内的电池能量来操作的独立自给的系统变得不实际，因为电池将需要频繁的更换或在可植入设备被启动之后的更换。

在实施例中，本文描述的无线功率传输可用于将功率输送到植入式设备，而不需要通过皮肤布线。在实施例中，无线功率传输可用于周期性地或连续地给植入式可再充电电池、超级电容器或其它能量存储部件供电或再充电。

例如，如在图21A中描绘的，需要电能的植入式设备2208可被布线2206到植入患者2202或动物中的高Q设备谐振器2204。设备谐振器可配置成经由振荡磁场从一个或多个外部高Q谐振器2212无线地接收能量。在实施例中，额外的电池或能量存储部件可被植入患者内并被耦合到设备谐振器和植入式设备。可使用来自设备谐振器的所捕获的能量来对内部电池再充电，允许植入式设备工作一段时间，即使无线功率不被传输到患者或对患者临时中断。在图21B中描绘了包括无线功率系统的实施例的块部件。植入患者内部并耦合到控制并调谐谐振器的操作的功率和控制电路(未示出)的设备谐振器2204可耦合到也植入患者体内的可再充电电池或其它能量存储元件2210。由设备谐振器捕获的能量可用于直接使用由外部谐振器 2212产生的所捕获的能量来给电池充电或给植入式设备2208供电。

基于本文描述的高Q谐振器源和设备的无线能量传输系统可比传统的基于感应的系统容许更大的分隔距离和更大的横向偏移。植入患者内的设备谐振器可通过患者的多个侧和角度被供能。例如，植入患者的腹部内的设备谐振器可使用来自患者的背部的源被供能。也可从位于患者的前腹部侧中的源给同一设备谐振器供能，为源提供更灵活的定位和方位配置选项。

在实施例中，谐振器和电池可与植入式设备一起集成到一个实质上连续的单元内。在其它实施例中，设备谐振器和电池可与植入式设备分离，并可电气地布线到设备。谐振器可植入与设备不同的身体的一部分中，外部源谐振器可能更易接近、对患者更不显眼的身体的一部分中，等等。在实施例中，设备谐振器可植入患者的半边臀部或患者的下背等中或靠近患者的半边臀部或患者的下背等。在实施例中，谐振器的尺寸和放置可取决于植入式设备所需的功率的量、无线功率传输的距离、功率输送或再充电的频率等。在一些实施例中，例如，可优选的是，使用小于7cm乘7cm的设备谐振器使得它更容易植入人体内同时能够以至少2cm的间隔输送5瓦或更多的功率。

在实施例中，植入式设备谐振器可包括圆形或矩形平面电容性加载的导体圈，该圈包括耦合到如本文所述的电容器网络的Litz导体的五个圈。在实施例中，可优选地将植入式设备谐振器包围在主要包括非金属材料以最小化损耗的外壳中，或包围在具有包括非金属材料的至少一侧的外壳中。

在实施例中，植入式医疗设备可包括由任何匝数的Litz线、磁线、标准线、导电带(例如印刷电路板上的迹线等)组成的电感元件。在实施例中，植入式医疗设备可包括磁性材料、铁素体等，并可针对特定的频率或频率范围(例如13.56MHz或100或更大的kHz)来优化。

在实施例中，患者可具有被无线地供电或再充电的多于一个植入式设备。在实施例中，多个设备可由单个源或多个源供电或充电。在实施例中，多个设备可在相同的谐振频率下或在不同的谐振频率下操作。源、中继器或设备谐振器可调谐其频率以接收或共享功率。

在实施例中，磁谐振器可包括用于与其它磁谐振器通信的装置。这样的通信可用于与其它无线系统协调无线供电的医疗设备的操作。在示例性环境中，植入式设备谐振器可调节在另一无线功率系统的高功率源附近的其操作参数。在实施例中，医疗设备源可与区域中的另一无线电源通信，并与患者通信以在这样的区域避开或小心谨慎。

包括高Q设备谐振器和可选地高Q源谐振器的实施例允许更有效的无线功率传输，并可比传统的基于感应的系统容许源和设备谐振器的更大的分隔距离和横向偏移。本文描述的无线功率传输系统的高效率减少了在谐振器中的加热和热建立，该加热和热建立可能对植入患者体内的谐振器非常重要。所描述的谐振器可传输5瓦或更多的功率，而没有元件的明显加热，使得部件的温度不超过50C。

在外部源谐振器和植入式设备谐振器之间的分隔距离和横向偏移的容限允许源谐振器的放置的较大自由度。如本文所述的无线功率传输系统的使用也可向患者提供较大的安全性，因为源谐振器的运动或移位将不干扰对可植入设备的功率传输。

在实施例中，功率可从患者佩戴在背包、腰包、衣服物品等中的源谐振器传输到可植入设备谐振器。例如，如在图22A中描绘的，源谐振器2304 可嵌入衣服中并由人2302佩戴，源谐振器2304可被布线到功率和控制电路和电池(未示出)以将功率输送到植入式设备谐振器(未示出)。在其它实施例中，源谐振器和电源可包含在如在图22B、22C和22D中描绘的背包或包中。背包2306或其它包2312可与源谐振器2308、2314一起集成在一位置中，使得当被患者佩戴时，源谐振器将与患者体内的植入式设备谐振器基本上对准。例如，对于植入半边臀部或下背中的设备谐振器，当背包如图22D所示被患者佩戴时，具有集成到下背部分中的源谐振器的背包提供源和设备谐振器的基本上的对准。在实施例中，背包或包还可包括用于对包内部的内部能量存储器或电池进行无线充电的额外的设备谐振器 2310。背包可放置在外部源谐振器或充电站附近并被无线地充电。在一些实施例中，背包或包的源和设备谐振器可以是取决于使用，在源和设备之间交替功能的同一物理谐振器。

在实施例中，外部源谐振器可集成到家具例如椅子、床、长沙发、汽车座椅等中。由于本文描述的高Q功率传输系统的对失配的容限，设备谐振器可集成到在相对接近植入式设备谐振器的区域中(即，在25cm内)的家具内，并在患者正在桌子处工作和坐在椅子中、坐在长沙发中、驾驶、睡觉等时将功率传输到植入式设备谐振器和植入式设备。

在实施例中，用于可植入设备的无线功率传输系统可包括中继器谐振器。中继器谐振器可用于提高源和设备谐振器之间的能量传输，并可用于增加总体耦合和功率传输效率。如在本文描述的，位于设备谐振器附近的中继器谐振器可增大从远处的源谐振器到设备谐振器的无线功率传输效率。

在实施例中，中继器谐振器被定位成提高在源和设备之间的能量传输。提供在效率或耦合方面的最高改进的中继器谐振器的位置可取决于应用、谐振器的尺寸、距离、谐振器的方位、有损物体的位置等。在一些实施例中，在无线能量传输效率方面的改进可通过将中继器谐振器定位在源谐振器和设备谐振器之间来得到。在其它实施例中，将中继器谐振器定位为成一角度或比设备更远离源可能是有益的。可针对特定配置、功率要求、植入式设备等根据实验，用试错法、用模拟或计算来确定中继器谐振器的确切放置。

在系统的实施例中，中继器谐振器可被定位或位于患者内部，或它们可位于患者外部，或系统可具有内部和外部谐振器。中继器谐振器可以是内部的或植入到患者体内。中继器谐振器可植入患者的皮肤下以改进到设备谐振器的耦合。因为中继器谐振器不需要连接到设备，所以比起连接到可植入医疗设备的设备谐振器，定位或植入更大的中继器谐振器可能更容易。由于在谐振器和医疗设备之间的距离限制或尺寸限制，设备谐振器可能必须更深地植入到患者内部。中继器谐振器可包括连接到电容器的网络的导体的圈，如Litz线。中继器谐振器可被装入柔性材料或封装(例如硅或其它可植入的塑料)中。整个结构可被植入皮肤下的身体内部，以提供在外部源和植入式设备之间的无线能量传输的精调。

在实施例中，中继器谐振器可位于患者外部，在患者外的衣物、包、家具等中。例如，具有20cm或更大直径的较大中继器谐振器可集成到衣物物品(例如背心、长袍等)或可附接的垫中，并由患者佩戴，使得中继器谐振器与可植入设备谐振器重叠或接近可植入设备谐振器。中继器谐振器可以是完全被动的或它可具有用于功率和控制的额外电路。将中继器谐振器定位成接近植入式设备谐振器有效地将可植入谐振器的尺寸增加到实质上中继器谐振器的尺寸或接近于中继器谐振器的尺寸，并可允许在较大的距离上到植入式设备谐振器和设备的更有效的无线功率传输。中继器谐振器可以比用于植入人体内可行的谐振器大得多。

在实施例中，在患者内部或外部的多个中继器谐振器可布置在身体周围的阵列或模式中以允许在大范围的偏移上从源到可植入设备的无线能量传输。每个中继器谐振器可特别被调谐或配置成基于其离设备谐振器的相对位置来提供到植入式设备谐振器的足够耦合。

在实施例中，房间、浴室、车辆等可安装有大的源谐振器以经由中继器谐振器将足够的功率传输到患者，允许当淋浴、睡觉、烹调、工作等时连续的功率传输和对移动性的限制。

在实施例中，中继器谐振器可包括用于将具有不相容的参数的无线能量转化成具有与可植入设备谐振器相容的参数的振荡磁场的无线功率转换器功能。集成到背心、包等中的无线功率转换器谐振器可由患者佩戴，并捕获来自各种源的无线功率和将所捕获的无线功率传输到具有与植入式设备谐振器相容的参数的植入式设备谐振器。在实施例中，无线功率转换器可配置成捕获来自太阳能、RF源、移动、运动等的无线功率。在实施例中，中继器谐振器可充当限制输送到植入式设备谐振器的功率的功率转换器，防止太多的功率被输送给患者。

在实施例中，中继器谐振器或无线功率转换器当它不再接收到功率时可具有听觉、视觉或振动警报。中继器谐振器可检测到它何时不耦合到植入式设备，或可检测到它没有从外部源接收到足够的功率，并可配置成警告患者。

在实施例中，充分集成的外部源谐振器可被装入防水外壳(包括可再充电电池、RF放大器和源谐振器)中。集成的源和电路可具有可以附接有皮带或带的形状因素，允许患者在集成的源原封不动的情况下游泳或淋浴。集成源和电路也可具有内部电池充电电路和整流器，所以它可通过将谐振器和电子设备切换到捕获模式来被无线地充电。

在系统的实施例中，设备和源和中继器谐振器可包括调谐能力以控制植入式谐振器中的热耗散。在无线能量传输期间，由于欧姆损耗、内部损耗等，在无线能量传输期间由源谐振器的磁场在设备谐振器中感应的电流和电压可引起谐振器元件的加热。植入式谐振器可具有对在将周围组织的温度升高到不希望有的水平之前它可安全地耗散的热的量的限制。可被安全地耗散的功率的量可取决于谐振器的尺寸、谐振器的位置等。在一些系统中，一瓦或多瓦的功率可在患者体内被安全地耗散。

在患者外部的源或中继器谐振器可被设计成容许较高水平的热耗散。外部源或中继器谐振器可具有对安全功率耗散或加热的更高限制。在患者外部的源或中继器谐振器可设计成安全地耗散5瓦或更多的热，并可包括主动冷却装置(例如风扇或水冷)，并可能够安全地耗散15瓦或更多的功率。在实施例中，无线能量传输系统可控制在设备谐振器中耗散的热的量。因为源或中继器谐振器能够比设备谐振器容许更多的热耗散，无线能量传输系统可被调谐以减少在设备谐振器处的热耗散。被调谐来减少设备处的热耗散的系统可具有更高的总热耗散，而增加的热耗散出现在源或中继器谐振器处。

可通过减少在可植入设备谐振器中振荡的电流来控制设备谐振器中的热耗散。可通过调谐谐振器的谐振频率来控制在设备谐振器中的电流。可通过调谐谐振器的阻抗来控制设备谐振器中的电流。

在实施例中，设备谐振器可包括一个或多个温度传感器以及监测电路和控制逻辑。当检测到温度阈值时，监测和控制电路可使谐振频率去谐以远离源或中继器谐振器的谐振频率。监测和控制电路可将谐振频率去谐到源或中继器谐振器的谐振频率之上。监测和控制电路可将谐振频率去谐到源或中继器谐振器的谐振频率之下。设备可被递增地去谐，直到设备谐振器的温度稳定。在实施例中，频率可被去谐1％或更多或以1kHz或更大的增量被去谐。

如本领域中的技术人员将认识到的，谐振频率可随着设备谐振器(例如可变电容器、电感器、电容器组等)中的可变分量而改变。

在实施例中，设备谐振器的谐振频率的去谐可降低在源或中继器和设备之间的能量传输的效率。为了维持被输送到设备的同一水平的功率，源可能需要增加功率输出以补偿效率的降低。在实施例中，设备谐振器可用信号向源谐振器通知可能需要对其谐振频率以及源谐振器的功率输出的调节的温度条件。

类似于控制谐振频率，可通过调节谐振器的部件(例如电感和电容) 来控制可影响谐振器中的电流和电压的设备谐振器的有效阻抗。在实施例中，可通过改变设备的功率要求或通过控制整流器的开关频率、相位等或设备的开关dc到dc转换器来调谐阻抗。

设备谐振器可连续地监测部件的温度并监测温度的趋势并调节部件的频率和值以稳定温度。

在实施例中，无线能量传输系统可被调谐来减少设备谐振器中的热耗散，并将热耗散分布到中继器谐振器。植入式中继器谐振器可以比设备谐振器大，并可能能够比较小的设备谐振器耗散更多的热。同样，中继器谐振器可以被植入得更接近患者的皮肤，因而允许中继器谐振器使用患者所佩戴的外部冷却包或垫通过皮肤被冷却。

虽然结合某些优选实施例描述了本发明，其它实施例将被本领域中的普通技术人员理解并预期落在本公开的范围内，本公开的范围应在法律可允许的最宽的意义上被解释。

本文提到的所有文件特此通过引用被全部并入，如同在本文被充分阐述的一样。

Claims

1.一种用于向可植入医疗设备供电的无线能量传输装置，所述装置包括：

设备谐振器，其被配置为通过从与电源耦合的源谐振器接收无线传输功率来给所述可植入医疗设备的负载供应功率；

温度传感器，其被定位成测量所述设备谐振器的温度；

可调谐部件，其与所述设备谐振器耦合以调节所述设备谐振器的谐振频率、所述设备谐振器的有效阻抗、或者这两者；以及

控制电路，其与所述温度传感器和所述可调谐部件耦合；

其中，所述控制电路被配置为，响应于使用被定位成测量所述设备谐振器的温度的所述温度传感器检测所述设备谐振器的温度状况，

(i)调谐所述可调谐部件以调节所述设备谐振器的谐振频率、所述设备谐振器的有效阻抗、或者这两者，以及

(ii)将关于所述温度状况的信号发送给所述源谐振器，以引起所述源谐振器的谐振频率、所述源谐振器的功率输出或者这两者的调节。

2.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其中，所述控制电路包括耦合到无线通信电路的通信控制器，所述无线通信电路能够用于将关于所述温度状况的信号发送给所述源谐振器。

3.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其中，所述可调谐部件包括可变电容器。

4.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其中，所述设备谐振器具有Q>100。

5.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其中，所述控制电路被配置为连续地监测所述设备谐振器的部件的温度以及所述部件的温度的趋势，并调节所述部件的一个或多个频率和值以稳定所述设备谐振器的温度。

6.根据权利要求5所述的无线能量传输装置，其中，所述设备谐振器被递增地去谐，直到所述设备谐振器的温度稳定。

7.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其中，通过减少在所述设备谐振器中出现的热耗散并增加在所述源谐振器中出现的热耗散来调谐所述设备谐振器和所述源谐振器以增加总热耗散。

8.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，包括可再充电电池，其中所述设备谐振器与所述可植入医疗设备耦合，并通过所述可再充电电池向所述负载供应功率。

9.一种用于向可植入医疗设备供电的无线能量传输系统，所述系统包括：

温度传感器，其被定位成测量所述设备谐振器在不同位置处的温度；

控制电路，其与所述温度传感器和所述可调谐部件耦合；

其中，所述控制电路被配置为响应于来自所述温度传感器的测量结果，调谐所述可调谐部件以调节所述设备谐振器的谐振频率、所述设备谐振器的有效阻抗、或者这两者。

10.根据权利要求9所述的无线能量传输系统，其中，所述设备谐振器包括具有不均匀通量分布的磁性材料，并且所述温度传感器被定位成测量由所述设备谐振器中的所述不均匀通量分布造成的局部加热。

11.根据权利要求10所述的无线能量传输系统，其中，所述设备谐振器被递增地去谐，直到所述设备谐振器的温度稳定。

12.根据权利要求10所述的无线能量传输系统，其中，所述控制电路被配置为连续地监测所述设备谐振器的部件的温度以及所述部件的温度的趋势，并调节所述部件的一个或多个频率和值以稳定所述设备谐振器的温度。

13.根据权利要求12所述的无线能量传输系统，其中，所述部件包括所述可调谐部件的至少一个电感器和至少一个电容器。

14.根据权利要求10所述的无线能量传输系统，其中，所述磁性材料包括磁性材料片，并且所述不均匀通量分布由所述磁性材料片之间的一个或多个间隙造成。

15.根据权利要求10所述的无线能量传输系统，包括可再充电电池，其中所述设备谐振器被包括在所述可植入医疗设备中，并通过所述可再充电电池向所述负载供应功率。

16.一种用于向植入患者内的设备供电的无线能量传输系统，所述系统包括：

源谐振器，其在所述患者外部，与电源耦合，并被配置成产生振荡磁场，

设备谐振器，其与需要功率供应的可植入设备耦合，所述设备谐振器在所述患者内部，并被配置成捕获由所述源谐振器所产生的所述振荡磁场，

温度传感器，其被定位成测量所述设备谐振器的温度，以及

可调谐部件，其与所述设备谐振器耦合以调节所述设备谐振器的谐振频率、所述设备谐振器的有效阻抗、或者这两者，

其中，所述无线能量传输系统被配置为使用所述可调谐部件响应于由所述温度传感器测量的所述设备谐振器的温度来调谐所述设备谐振器的谐振频率、所述设备谐振器的有效阻抗、或者这两者，以及

其中，所述无线能量传输系统被配置为调节由所述源谐振器产生的振荡磁场的强度以增加功率输出，以维持由所述设备谐振器捕获的基本一致的功率水平，由此补偿经由所述可调谐部件调谐所述设备谐振器所造成的降低的效率。

17.根据权利要求16所述的无线能量传输系统，其中，通过改变所述源谐振器的驱动电压来调节由所述源谐振器产生的振荡磁场的强度。

18.根据权利要求16所述的无线能量传输系统，其中，通过改变所述源谐振器的驱动电流来调节由所述源谐振器产生的振荡磁场的强度。

19.根据权利要求16所述的无线能量传输系统，其中，所述源谐振器和所述设备谐振器中的每一个具有Q>100。

20.根据权利要求16所述的无线能量传输系统，其中，所述设备谐振器被递增地去谐，直到所述设备谐振器的温度稳定。

21.根据权利要求16所述的无线能量传输系统，其中，通过减少在所述设备谐振器中出现的热耗散并增加在所述源谐振器中出现的热耗散来调谐所述系统以增加总热耗散，并且所述系统包括用于所述源谐振器的主动冷却系统。

22.根据权利要求16所述的无线能量传输系统，包括可再充电电池，其中所述设备谐振器通过所述可再充电电池向所述可植入设备提供所述功率供应。