CN107430010A - 用无线电源接收器检测磁通场特性的装置及相关方法 - Google Patents

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Abstract

无线功率接收器可以包括：接收线圈，被配置为产生AC功率信号；至少一个次级感测线圈，被配置为响应于磁通场产生测量信号；以及控制逻辑，被配置为响应于从所述次级感测线圈接收到的至少一个测量信号中检测到所述磁通场中的失真，检测无线功率传输系统的至少一个状况。相关方法可以包括：用无线功率接收器接收无线功率信号以供从无线功率发射器进行无线功率传输；响应于无线功率传输期间产生的磁通场，用多个次级感测线圈产生一个或多个测量信号；以及响应于由所述多个次级感测线圈产生的所述一个或多个测量信号，检测无线功率传输系统的至少一个状况。

Description

用无线电源接收器检测磁通场特性的装置及相关方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及在本申请的同一天提交的题为“APPARATUSES AND RELATED METHODSFOR DETECTING MAGNETIC FLUX FIELD CHARACTERISTICS WITH A WIRELESS POWERTRANSMITTER”的美国专利申请序列号14/603,296(代理人案卷号70107.475US01(2987-UT))，其公开通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开的实施例总体上涉及无线功率传输，更具体地涉及一种用于在无线功率传输期间检测磁通场特性的设备及相关方法。
背景技术
电池供电设备(例如，消费电子设备、电动和混合动力汽车等)通过充电设备(例如，AC功率出口)从电源充电。充电设备通过适配器将电池耦合到电源。在电源和电池供电设备之间延伸的线缆会占据空间。在多个设备需要充电的情况下，每个设备具有自身的充电器和线缆，充电区会变得拥挤与不便。
正在开发使用悬空或在发射器和耦合到电子设备的接收器之间的无线功率传送的方法。使用电感线圈的无线功率传送是一种被认为是通过耦合无线功率信号无线地传输功率的无线(un-tethered)方法的方法。在无线功率传送中，通过发射线圈发射无线功率信号来传输功率。在接收器侧，接收线圈可以通过无线功率信号耦合到发射线圈，由此无线地接收所发射的功率。能够发生有效功率传输的发射器线圈和接收线圈之间的距离是所发射的能量、距离和功率传输线圈的对准的函数。耦合系数(k)是线圈之间的距离和对准、线圈尺寸和材料的函数。如果线圈的尺寸适当并且操作在物理上彼此位于所谓“近场区”频率内的某一频率处，则可以显著改善功率转换效率(例如，耦合因子、耦合质量)。
在无线充电传送期间遇到的问题包括发射器和接收器由于发射器和接收器的未对准、异物的存在或其他原因而可能发生弱耦合的情况。这些问题可能导致无线功率传输效率较低，这也可能导致过热。常规的异物检测方法可以依赖于线圈温度测量(当存在异物时，线圈倾向于变热)，或将输入功率与输出功率进行比较以确定输出功率是否在预期的效率阈值(例如，350mW)内。这些方法可能会失败，因为对于一些典型的操作状况，效率估计可能是不可靠的，这可能导致检测误差。
发明内容
本公开的实施例包括一种包含无线功率接收器的无线功率支持装置。所述无线功率接收器包括：接收线圈，被配置为响应于来自无线功率发射器的无线功率传输而产生AC功率信号；至少一个次级感测线圈，被配置为响应于在所述无线功率传输期间产生的磁通场而产生信号；以及控制逻辑，与所述至少一个次级感测线圈可操作地耦合。所述控制逻辑被配置为响应于根据从所述至少一个次级感测线圈接收的所述测量信号检测到所述磁通场中的失真，来检测无线功率传输系统的至少一个状况。
本公开的另一实施例包括一种包含无线功率接收器的无线功率使能设备。无线功率接收器包括：接收线圈；多个次级感测线圈，位于接收线圈附近；以及控制逻辑，可操作地与所述多个次级感测线圈耦合。每个次级感测线圈被配置为产生磁通场的测量信号，在接收线圈的无线功率传输期间产生所述磁通场。所述控制逻辑与多个次级感测线圈可操作地耦合。所述控制逻辑被配置为至少部分地基于来自由多个次级感测线圈产生的测量信号的测量的输入组合来检测无线功率传输系统的至少一个状况。
本公开的另一实施例包括一种检测无线功率传输系统的状况的方法。该方法包括：针对来自无线功率发射器的无线功率传输，利用无线功率接收器接收无线功率信号；响应于无线功率传输期间产生的磁通场，利用多个次级感测线圈产生一个或多个测量信号；以及响应于由所述多个次级感测线圈产生的所述一个或多个测量信号，检测无线功率传输系统的至少一个状况。
附图说明
图1是无线功率传输系统的示意框图。
图2是无线功率传输系统的示意框图。
图3是具有次级感测线圈的无线功率接收器的示意图。
图4是具有次级感测线圈的无线功率接收器的示意图。
图5是具有次级感测线圈的无线功率接收器的示意图。
图6是包括组件的无线功率接收装置的一部分的简化框图。
图7是无线功率接收装置的简化框图。
具体实施方式
在以下描述中，参考通过图示示出了本公开的具体实施例的附图。可使用其它实施例，并且可以在不脱离本公开范围的情况下进行改变。因此，以下详细描述并不以限制性意义来理解，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
此外，除非本文另有指明，示出和描述的具体实施例仅是示例且不应被解释为实施或区分本公开为功能元素的唯一途径。对于本领域普通技术人员将显而易见的是：本公开的各种实施例可以由许多其他的分区解决方案实施。
在以下描述中，元素、电路、和功能可以以框图形式示出为了不以不必要的细节混淆本公开。此外，在不同块之间的块定义和逻辑分区是示例性具体实现。对于本领域普通技术人员将显而易见的是：本公开可以由许多其他的分区解决方案实施。本领域普通技术人员将理解：信息和信号可以使用任何多种不同的技术和方法来表示。贯穿上述可能被提及的例如数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号、和码片可以通过电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任何组合来表示。为了表示和描述清楚，一些附图可以将信号示出为单个信号。本领域的普通技术人员将理解：信号可以表示信号的总线，其中，总线可以具有不同位宽且本公开可以在任意数量数据信号(包括单个数据信号)上实现。
结合本文公开的实施例描述的各种说明性的逻辑块、模块、和电路模块可以被设计以执行本文所描述的功能的通用处理器、专用处理器、数字信号处理器(DSP)、应用专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、控制器、离散门或晶体管逻辑单元、离散硬件组件、或它们的任何组合实现或执行。所有这些都可以称为“控制逻辑”。
通用处理器可以是微处理器，但是替代地，通用处理器可以是适于执行本公开的处理的任何处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器、或任何其它这种配置。
通用处理器可以是通用计算机的一部分，当被配置为执行用于执行本公开的实施例的指令(例如，软件代码)时，其应该被认为是专用计算机。此外，当根据本公开的实施例配置时，这种专用计算机改进了通用计算机的功能，因为如果没有本公开，通用计算机将不能执行本公开的处理。本公开还提供了超出抽象概念的一个或多个特定技术环境中的有意义的限制。例如，本公开的实施例提供了无线功率传输的技术领域中的改进，更具体地，涉及用于在无线功率传输期间检测磁通场特性的设备及相关方法。
同时，注意实施例可以以过程描述，过程可以被描述为流程图、流图、结构图、或框图。虽然过程可以描述操作的动作为顺序过程，但许多这些动作可以以另一顺序、并行地、或基本上同时执行。此外，动作的顺序可以被重新设置。过程可以对应于方法、函数、过程、子例程、子程序等。此外，本文公开的方法可以以硬件、软件、或二者结合来实现。如果以软件实现，可以作为在计算机可读介质上的一个或多个指令或代码来存储或传输函数。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质二者，包括便于将计算机程序从一个地方传送到另一地方的任何介质。
应当理解本文使用指定(例如，“第一”、“第二”等)对元素的任何引用不限制这些元素的数量或顺序，除非这些限制被明确地说明。而是，本文这些指定可以用作在两个或两个以上元素或元素示例之间进行区分的实用方法。因此，引用第一和第二元素不意味着仅可以采用两个元素或第一元素必须以某一方式先于第二元素。此外，除非另有说明，一组元素可以包括一个或多个元素。
应当认识到：本文描述的无线功率传输系统的设备主要针对无线功率传输的功能；然而，应当认识到：无线功率传输系统可以包括附加组件以执行本文非特定描述的或未在各附图中示出的其它特征。例如，无线功率使能设备尤其可以包括通信模块、用于与用户接口连接的I/O模块、用于存储指令和数据的存储器、各种传感器、处理器、控制器、电压调节器。因此，附图和所附描述可以被一定程度上简化为集中在被配置为提供无线功率传输以及磁通场的特性和无线功率传输系统的状况的检测的各种装置和方法。
图1是无线功率传输系统100的示意框图。无线功率传输系统100包括无线功率发射装置110和无线功率接收装置120。无线功率发射装置110包括无线功率发射器112，无线功率发射器112具有发射线圈114，配置为产生无线功率信号105(例如，电场、磁场、电磁场等)，以用于向无线功率接收装置120提供功率传输。无线电路接收装置120包括无线功率接收器122，无线功率接收器122具有接收线圈124，配置为耦合无线功率信号105。可以根据与其相关联的特定设备和应用调整发射线圈114和接收线圈124的尺寸。
输入信号116可以被提供给无线功率发射器112，用于产生向无线功率接收装置120提供功率传输的无线功率信号105。无线功率接收器122可以耦合无线功率信号105并可以响应于无线功率信号105来产生输出信号126。输出信号126可以提供由无线功率接收装置120用于存储(例如，对电池充电)、消耗(例如，提供系统功率)、或它们的组合的功率。
无线功率发射器112和无线功率接收器122被分离距离(d)。在一些实施例中，可以根据互感关系配置无线功率发射器112和无线功率接收器122，以便当无线功率接收器122的谐振频率和无线功率发射器112的谐振频率大致相同时，在无线功率发射器112和无线功率接收器122之间的传输损耗最小。同样地，无线功率发射器112可以将无线功率信号105的频率设置在线圈114、124的谐振频率处或设置在线圈114、124的谐振频率附近处。结果，通过将发射线圈114的近场中的大部分能量耦合到接收线圈124而不是以电磁波将大部分能量传播到远场，可以进行高效的功率传输。如果无线功率接收装置120处于近场(在距离(d)内)，则在发射线圈114和接收线圈124之间可以进行电感耦合。可以发生该近场电感耦合的环绕发射线圈114和接收线圈124的区域可以被称为“耦合区域”。由于该互感关系，无线功率传输可以被称为感应式无线功率传输。
发射线圈114和接收线圈124可被配置为“环形”天线，本文中“环形”天线还可以被称为“磁性”天线或“感应”天线。环形天线可被配置为包括空气芯或物理芯(例如铁氧体芯)。空气芯环形天线对于放置在芯附近的外来物理设备容限度更高。此外，空气芯环形天线允许在芯区域内放置其它组件(例如，次级感测线圈)。此外，空气芯环形可以更容易地使接收线圈124能够放置在发射线圈114的平面内，在该平面内发射线圈114的耦合区域会更强。
无线功率接收装置120可以是能够接收无线功率信号105的移动电子设备，例如蜂窝电话、智能电话、媒体播放器(例如，MP3播放器、DVD播放机等)、电子阅读器，平板计算机、个人数字助理(PDA)、相机、膝上型计算机、和个人电子设备。无线功率接收装置120还可以是小型移动电子设备，例如电视机、个人计算机、媒体播放器(例如，DVD播放机、蓝光播放器等)、或者可由功率操作和/或存储功率的任何其它装置。无线功率接收装置120可以是多个其它项中的一个：例如，汽车或可以包括可通过无线功率发射装置110进行充电的电池在内的任何其它设备。
无线功率发射装置110可以是有时还可以是无线功率传输的接收方的设备。换言之，一些设备可被配置作为既是无线功率发射装置110又是无线功率接收装置120，以便设备可以基于操作模式来发射无线功率或接收无线功率。因此，本公开的实施例包括可以包含无线充电收发器的设备，无线充电收发器被配置为在发射模式或在接收模式下操作。使用术语“接收器”指示被配置为接收无线功率传输的设备，但不应被解释为意味着该设备仅操作为接收器。同样地，使用术语“发射器”指示被配置为发射无线功率的设备，但不应被解释为意味着该设备仅操作为发射器。
在操作中，用户可以将无线功率接收装置120放置在无线功率发射装置110附近；然而，接收线圈124和发射线圈114可以未对准。当用户定位无线功率接收装置120时，由于用户错误可能导致未对准。通常由无线功率接收装置120从其原始放置从其他力(例如，无线功率接收装置120可能被撞击，由振动等移动)的移动引起未对准。
无论未对准的原因如何，无线功率发射装置110可能希望检测到未对准，因为甚至接收线圈124和发射线圈114之间的少量不匹配可能降低无线功率传输效率。在不希望的问题中，降低的效率尤其可能导致浪费的功率、组件中的增加的热量、较慢的电池充电。除了降低的效率之外，由于未对准导致的边缘磁场的建立(built-up)能量可能会引起问题。例如，如果用户快速地移动无线功率接收装置120使得接收线圈124移动回与发射线圈114对准，则来自建立能量的突然变化可能会压倒(例如，燃烧)无线功率接收装置120的组件。为了防止这种情况，常规的无线功率接收器可以包括能够保护其组件的夹具；然而，即使使用夹具，在这种情况下，大量的能量仍然会压倒并损坏无线功率接收器。因此，无线功率发射装置110可能希望通过本公开的实施例来检测未对准。
在无线功率传输期间可能发生的另一个问题包括无线充电场中存在异物。异物的存在还可能影响无线功率传输效率，增加无线功率传输系统100的组件以及异物本身中的热量等。因此，尽管本公开的实施例，无线功率发射装置110也可能希望检测异物的存在。
本公开的实施例包括用于监测无线功率传输系统100的磁通场的特性的装置和方法。例如，无线功率接收器122可以包括被配置为检测在接收线圈124附近的磁通场的多个次级感测线圈(图2至图5)。特别地，多个次级感测线圈可以响应于无线功率传送而产生信号；然而，该信号可以不用于无线功率传输以向无线功率接收装置120提供功率。相反，该信号可以向无线功率接收装置120提供可由无线功率接收装置120解释的数据，以检测在无线功率传输期间可能影响磁通场的未对准、异物和其他状况。此外，次级感测线圈可以用于确定无线功率接收装置120和/或无线功率接收装置120内的各个组件的磁吸收环境。次级感测线圈的配置和操作将在下面参照图2至图5更详细地讨论。
响应于检测到未对准，可以通知和/或帮助用户获得接收线圈124和发射线圈114的正确对准。无线功率接收器122还可以被配置为在未对准情况期间采取附加的适当措施(例如，降低发射功率、终止功率等)，以便减少建立能量，这可以在突然调整的情况下保护无线功率接收装置120的组件。无线功率接收装置120还可以被配置为向无线功率发射装置110传送未对准信息和其他相关信息，这也可以有助于通知用户和/或执行适当的措施来响应未对准问题。
此外，可以向用户通知异物的存在，使得用户可以从无线充电场移除异物。无线功率接收器122还可以被配置为响应于检测到异物的存在而采取附加的适当措施。无线功率发射装置110还可以被配置为将异物信息传送给无线功率发射装置110，无线功率发射装置110还可以有助于通知用户和/或执行适当的措施以保护自身免受未对准问题(例如，传送使无线功率发射器112降低发射功率、关闭电源等的信息)。
图2是根据本公开实施例的无线功率传输系统200的示意框图。无线功率传输系统200包括无线功率发射器212和无线功率接收器222。无线功率发射器212和无线功率接收器222可以根据互感关系配置为互相耦合以便无线功率信号105(图1)可以从无线功率发射器212传输到无线功率接收器222。
无线功率发射器212可以包括耦合在一起的谐振回路213、桥逆变器217和发射器控制逻辑单元218以产生发射到无线功率接收器222的无线功率信号105。谐振回路213可以包括与谐振电容器215耦合的发射线圈214。无线功率发射器212的桥逆变器217可以包括全桥逆变器、半桥逆变器、或用于接收DC输入信号216的其它合适电路，并产生流过发射线圈214的用于产生无线功率信号105的AC信号。
无线功率接收器222包括耦合在一起的谐振回路223、整流器250和调节器255以及控制逻辑280以接收无线功率信号105并响应于接收到的无线功率信号105来产生输出信号(VOUT)。输出信号(VOUT)可以被提供给负载270(例如，电池、系统组件等)，负载270还可以具有输出电容器260。谐振回路223可以包括与谐振电容器230耦合的接收线圈224。无线功率发射器212和无线功率接收器222可以分别包含在无线功率发射装置110(图1)和无线功率接收装置120(图1)内。可以根据与其相关联的具体设备和应用来调整发射线圈214和接收线圈224(和其它组件)的尺寸。无线功率接收器122还可以包括与接收器控制逻辑280耦合的次级感测线圈289。次级感测线圈289可以被配置为感测在接收线圈224附近的磁通场线的特性(例如，密度、幅度等)。因此，次级感测线圈289可以与接收器控制逻辑280被动地耦合，以向接收器控制逻辑280提供与在无线功率传输期间存在的磁通场相对应的数据。
通常可以如上关于图1的讨论来配置无线功率发射器212和无线功率接收器222。在谐振回路213、223内的LC网络的配置通常可以分别确定无线功率发射器212和无线功率接收器222的谐振频率。例如，谐振回路213、223的谐振频率可以基于它们各自的感应线圈的电感和电容器板的电容。
在无线功率传送期间，可以由桥逆变器217接收输入信号216(DC信号)。桥逆变器217可以产生流经谐振回路213的AC电流以产生用于发射无线功率信号105的时变信号。因此，可以是时变信号的无线功率信号105本质上是正弦曲线，具有可以基于无线功率发射器212的桥式逆变器217的切换频率的频率。在一些实施例中，无线功率信号105的频率可以根据所需频率来设置，例如针对特定无线功率标准的频率。谐振回路213可被配置为谐振频率与无线功率信号105的频率近似。在一些实施例中，可能希望无线功率信号105的频率与谐振回路213的谐振频率略有不同，以便减少通过发射线圈214的峰-峰电流。
为了接收无线功率信号105，无线功率接收器222可以放置在无线功率发射器212的耦合区域中以便可以实现电感耦合。结果，无线功率接收器222可以接收无线功率信号105并响应于接收到的无线功率信号105以产生AC功率。为了负载270能使用功率，AC功率可以转换成DC功率。整流器250可以产生整流电压(VRECT)以及流经谐振回路223的整流电流(IRECT)。在一些实施例中，整流器250可以被配置为同步整流器。结果，整流器250可以包括一个或多个开关，其以这样的方式被控制以产生DC输出功率信号(即，整流电压(VRECT)和整流电流(IRECT))。在一些实施例中，整流器250可以包括被配置为产生DC输出功率信号的一个或多个二极管。
调节器255可以接收整流电压(VRECT)并转换整流电压以具有用于输出电压(VOUT)的所需电压水平。例如，在一些实施例中，调节器255可以将整流电压(VRECT)从低电压转换到用于输出电压(VOUT)的相对较高电压。在一些实施例中，调节器255可以将整流电压(VRECT)从高电压转换到用于输出电压(VOUT)的相对较低电压。在一些实施例中，调节器255可以将整流电压(VRECT)从正电压反相为负电压，反之亦然。可以根据多种不同的电压调节器的拓扑结构之一来配置调节器255。例如，可以根据降压拓扑结构、升压拓扑结构、降压-升压拓扑结构、反相拓扑结构、以及低压差(LDO)拓扑结构中的一个或多个来配置调节器255。在一些实施例中，可以根据基于变压器的拓扑结构(例如前向式、反激式等)来配置调节器255。可由控制逻辑单元280根据所使用的拓扑结构来控制调节器255的操作。
无线功率接收器222的控制逻辑单元280可被配置为控制无线功率接收器222的一个或多个操作。控制逻辑单元218、280可以在处理器(例如，微处理器)内或在被配置(例如，编程)以执行本公开的实施例的各种操作的其它电路内实现。控制逻辑单元218、280中的每个还可以包括计算机可读介质(例如，存储器)，存储由与本公开的实施例的执行过程有关的处理器执行的计算指令。存储器可以包括易失性和非易失性存储器。此外，控制逻辑单元218、280中的每个还可以控制相应的无线功率发射器212、无线功率接收器222的其它功能，例如与异物检测、设备操作等有关的控制。控制逻辑单元218、280可以各自包括单独执行一个或多个上述功能的不同子块，而不是通过在单个进程、例程、程序等内采用一个或多个上述功能。此外，控制逻辑218、280均可以使用用于不同功能的不同硬件元件。
当接收线圈224和发射线圈214处于位置对准时——即当接收线圈224直接在发射线圈214上方时，可以发生最高效率的功率传输。在对准时，磁通场可以围绕接收线圈224相对地对称，并且功率传输的效率可以基本上接近其峰值。随着接收线圈224从发射线圈214移动离开对准，可以降低无线功率传输的效率。此外，当对准时，磁通场可能变得从其状态失真(例如，不对称)。例如，如果发射线圈214移动离开中心，则磁通场也可以朝向发射线圈214移动以集中在发射线圈214周围的区域中。应当注意，在讨论无线功率发射器212及其组件或无线功率接收器222及其组件的移动时，为了本公开的目的，该移动相对于彼此。应当认识到，一些无线功率发射器212可以是相对静止的或者甚至建立在静止物体中。在这种情况下，移动无线功率发射器212或其组件可能意味着物理地移动无线功率接收器222。虽然不那么常见，但是一些无线功率接收器222可以是相对静止的，并且无线功率发射器212在这种情况下可以被物理地移动。
异物的存在同样会使磁通场失真并降低无线功率传输的效率。例如，磁通场可以集中在异物周围的区域中。如本文所讨论的，次级感测线圈289可以被配置为感测在接收线圈224附近的磁通场线的特性(例如，密度、幅度等)。这种数据可用于检测发射线圈214和接收线圈224的未对准，从而在有用情况中尤其检测异物的存在。在一些实施例中，为了产生可检测的电压，无线功率接收器222可以驱动通过接收线圈224的DC电流以引起饱和事件，以在次级感测线圈289中提供足够的电压信号。
图3是根据本公开的实施例的具有次级感测线圈289A、289B、289C、289D的无线功率接收器300的示意图。如上所述，次级感测线圈289A、289B、289C、289D与接收器控制逻辑280耦合，并且可以被配置为对接收线圈224附近的磁通场进行采样。因此，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以定位在接收线圈224附近，以感测在接收线圈224周围的磁通场线的特性(例如，密度、幅度等)。接收线圈224可以是大致圆形的，如图3所示。其他接收线圈224的几何形状也是可以预期的，包括但不限于矩形、三角形等次级感测线圈289A、289B、289C、289D也可以根据需要具有各种几何形状。
关于与无线功率接收器222(图2)相关的磁通场的信息可用于确定无线功率发射器212如何驱动磁通场，以及识别无线功率传输系统100的不同状况。例如，电测量可以被解释为确定发射线圈214和接收线圈224的对准(或未对准)、异物的存在等无线功率接收器222可以通过检测磁通场的失真来识别这种状况，所述磁通场的失真通过由次级感测线圈289A、289B、289C、289D采样的信息来检测。
次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以定位在沿着X轴和Y轴提供采样点的位置处，其中原点近似为接收线圈224的中心。例如，第一次级感测线圈289A位于+Y位置处，第二次级感测线圈289B位于-Y位置处，第三次级感测线圈289C位于+X位置处，并且第四次级感测线圈线圈289D位于-X位置处。当然，预期实施例可以包括多于或少于四个次级感测线圈。通常，增加作为系统一部分的次级感测线圈的数量提供了磁通场的更好表征，这可以使得接收器控制逻辑280能够识别更多的期望磁通场的异常，如将在下文中更详细讨论的。此外，可以预期的是，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以定位在不沿着X轴或Y轴的位置处。
如图3所示，每个次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以独立地与接收器控制逻辑280耦合。换句话说，接收器控制逻辑280可以具有与每个次级感测线圈289A、289B、289C、289D耦合的分离的输入引脚。结果，图3的四个次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以针对在每个位置感测的磁通场产生四个独立的测量。
在操作中，无线功率接收器222可以利用次级感测线圈289A、289B、289C、289D感测磁通场。特别地，当在无线功率传输期间存在磁通场时，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以通过电感产生信号。信号可以是与实际的无线功率传输无关的电压信号，以向无线功率接收装置120(图1)充电和/或提供功率。来自次级感测线圈289A、289B、289C、289D的信号可以由接收器控制逻辑280接收和处理。该处理可以是模拟或数字信号处理。接收器控制逻辑280可以根据期望的采样速率(例如，200kHz)对信号进行采样，并分析采样信号。
接收器控制逻辑280还可以解释采样信息(例如，电压测量)以识别影响无线功率传输系统100的一个或多个状况，例如发射线圈214和接收线圈224的对准或未对准、异物的存在等。例如，接收器控制逻辑280可以将采样信息与参考测量进行比较，以确定磁通场中是否存在任何失真，并识别什么状况正在导致磁通场失真。
为了简化本描述，可以根据相对于其对准状态的水平来参考测量。换句话说，“1”的值可以用于指示由发射线圈214和接收线圈224处于其对准状态的对应次级感测线圈289A、289B、289C、289D采样的信号的水平，即便实际的测量电压可能是一些其他值(例如，3V)。例如，在对准状态下，对于+Y、-Y、+X、-X位置，次级感测线圈289A、289B、289C、289D的四个测量可以分别为1、1、1、1。另一组测量可能产生0、2、1、1，其可以指示发射线圈214接收线圈224在-Y方向上未对准。注意的是，一些实施例可以包括一些次级感测线圈289A、289B、289C、289D，它们反向缠绕，使得一些信号可以具有相反的极性(例如，1、-1、1、-1)。
用于未对准的各种可能的组合可以作为参考测量组合存储在接收器控制逻辑280的存储器中。例如，可以针对在+X方向上1mm的未对准存储输入的第一参考测量组合，可以针对在-X方向上1mm的未对准存储输入的第二参考测量组合，可以针对在+X方向上2mm的未对准存储输入的第三参考测量组合......等等(例如，在+X方向上11mm)。类似地，可以针对在±Y方向上的未对准存储输入的多个参考测量组合。此外，可以针对在X和Y方向两者(例如，1mm+X和3mm-Y、4mm-X和7mm+Y等)上的未对准存储输入的多个参考测量组合。这些参考测量组合中的每一个可以包括用于每个输入的值，并且作为组合存储在查找表中(例如，在固件中)。
用户操作期间的实际测量可能导致与在接收器控制逻辑280中存储的参考测量组合相比较的输入组合，以确定未对准(如果有的话)。例如，可以将3、1、3、1的测量组合与参考测量组合进行比较，以确定发射线圈214和接收线圈224两者在+X和+Y方向上都存在未对准。应当注意的是，组合和对应的未对准量在本文中仅作为示例提供，并且该参考测量组合在其它因素中尤其可以取决于线圈的操作点，线圈的物理特征。测量的其他组合可以提供关于其他状况的信息。因此，附加的参考测量组合可以存储在查找表中以检测这些附加状况。因此，查找表还可以包括参考测量组合，其提供磁通场在不同状况期间应当具有的理想行为以具有有效数据的模型。
在某些情况下(例如，异物的存在)，来自实际测量的组合可能与存储的参考测量组合中的任何一个不匹配。例如，对于+Y、-Y、+X、-X位置，实际测量的组合可以分别为1、1、6、1。这样的组合可能不匹配存储的参考测量组合中的任何一个，其可以向接收器控制逻辑280指示已经发生不被辨识为有效数据的问题(例如，异物存在)。换句话说，测量可能参考测量组合不同之处在于：其不被接收器控制逻辑280识别。这种差异可以指示磁通场中的失真可归因于不仅仅是未对准的一些东西，例如异物。因此，异物检测的确定可以至少部分地基于识别对准。例如，如果存在针对对准的已知组合，则失真也不可能由异物引起，并且可以减少针对异物的假触发。
在一些实施例中，可以使用参考测量组合来确定被吸收到无线功率接收装置120的主体和外围设备中的功率量。例如，3、1、1、1的测量组合可以被预期为在无线功率接收装置120的主体和其它外围设备(除了接收线圈224以外)中丢失了20mW(基于对应的参考测量组合)。无线功率接收器222可以测量在接收线圈224中吸收的功率量(例如，100mW)，该信息可以被比较输入功率(在发射线圈114处)和输出功率(在接收线圈124处)的一些异物检测系统使用。由于杂散磁通在未对准的不同位置变化，这种系统可能导致假肯定。通过考虑对准信息来确定无线功率接收装置120的其余部分的磁场吸收，使用输入功率对比输出功率的异物检测可以更准确。
为了使用上述示例进一步说明这一点，无线功率接收器222可以确定100mW被接收线圈224吸收。使用次级感测线圈289A、289B、289C、289D，无线功率接收器222还可以确定20mW被无线功率接收装置120的其余部分吸收(例如，由于产生的内部涡流)。因此，无线功率接收器222可以向无线功率发射器212传送120mW的总功率损耗。无线功率发射器212可以将该总功率损耗与发射的输入功率进行比较。这种总的功率损耗可能更接近于输入功率，这可能导致无线功率发射器212在确定何时存在异物时更准确——特别是在由于非异物的吸收而导致的总功率损耗可以根据未对准的量而变化的情况下。对于异物检测，更动态的方法可以是相对于恒定值的改进，所述恒定值是针对系统低效率假定的，而不管未对准如何。另外，由于更好地预测出这种自身加热，所以可以减少屏蔽量，所述屏蔽量通常用于减少先前在异物检测中引起问题的涡流。
接收器控制逻辑280还可以被配置为帮助对这些状况的校正措施。例如，为了帮助未对准的校正，无线功率发射装置110(图1)和/或无线功率接收装置120(图1)可以向用户通知未对准。该通知可以包括视觉通知(例如，图形用户界面上显示的图像，点亮LED以指示方向等)、可听见的通知(例如，哔声、语音指令、警报等)、触觉通知(例如，振动)等，及其组合。通知还可以帮助用户如何校正未对准。例如，可以向用户通知接收线圈224和/或发射线圈214应该被移动以实现对准的方向。结果，用户可以校正发射线圈214和接收线圈224的未对准以提高无线功率传输系统100的效率。
另一校正措施可以包括无线功率发射器112减小功率传送。在一些实施例中，减小功率传送可以包括完全关闭功率传送。对于可能对无线功率传输系统100的不同组件造成损害的状况，减小功率传送可以是理想的补救措施。如上所述，如果未对准的发射线圈214和接收线圈224快速移动到对准，则无线功率接收器122可能经历电流尖峰，其可能损坏无线功率接收装置120的组件。在常规无线功率系统中，电流尖峰可能与由负载引起的其它电流尖峰不同。由未对准问题产生的某些电流尖峰可能大于由负载引起的电流尖峰。结果，无线功率接收器122可能没有准备以处理这种较大的电流尖峰，这可能导致损坏的组件。如果接收器控制逻辑280检测到存在未对准，则无线功率接收器122可以将这样的信息传送给无线功率发射器112，这可以使无线功率发射器减小其功率。因此，可以减小功率，使得在边缘磁场中建立的能量的量足够低，以便在用户快速移动无线功率接收器122使得发射线圈114和接收线圈124更接近对准的情况下，不会损坏无线功率接收装置120的组件，。如果接收器控制逻辑280检测到对准已经改善，则无线功率接收器122可以将这样的信息传送给无线功率发射器112，无线功率发射器112可以使无线功率发射器112再次将功率提高到更正常的水平，因为由抖动引起的损坏的风险已经减小。在一些实施例中，如果接收器控制逻辑280检测到未对准的快速减小，则无线功率接收器122可以将这样的信息(例如，发送命令)传送给无线功率发射器112，无线功率发射器112可以响应地减小(例如，终止)功率传输。在一些实施例中，无线功率接收器122可以仅收集磁通量信息并将该信息传送回无线功率发射器112以执行信息分析。
如图3所示，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以围绕接收线圈224的周边外部定位在铁氧体屏蔽302附近；然而，预期了其他位置。例如，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以被正好定位在铁氧体屏蔽302外部、铁氧体屏蔽302上、接收线圈224上、接收线圈224的芯上或内部或在无线功率传输期间在磁通场内的一些其他位置。次级感测线圈289A、289B、289C、289D的位置、取向、几何形状等可以增加/减小增益，使得制造更容易/更难等。
在一些实施例中，次级感测线圈289A、289B、289C、289D中的每一个可以包括单个环形线圈。在一些实施例中，次级感测线圈289A、289B、289C、289D中的每一个可以包括多环线圈。一些实施例可以包括用于次级感测线圈289A、289B、289C、289D的单环形线圈和多环形线圈的组合。次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以由具有接收线圈224和接收器控制逻辑280的印刷电路板上的铜迹线形成。在一些实施例中，次级感测线圈289A、289B、289C、289D中的每一个可以形成为耦合到PCB、嵌入在PCB中或嵌入到接收线圈224上的外部线。
虽然图3中示出了四个次级感测线圈289A、289B、289C、289D。但是可以根据期望的测量的数量和测量的位置来使用更多或更少的次级感测线圈。通常，使用的次级感测线圈越多，采样点可以被接收以获得对磁通场的更好理解。此外，在一些实施例中，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以在至少一匝中被路由，并且在一些实施例中，取决于杂散磁通量而在多于一个匝中被路由以找到所必需的电压。在一些实施例中，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以定位在与接收线圈224相同的2D平面中。在一些实施例中，一个或多个次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以定位在另一2D平面中。换句话说，次级感测线圈289A、289B、289C、289D中的一个或多个可以相对于接收线圈224定位在3D空间中。
在一些实施例中，每个次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以单独地耦合为接收器控制逻辑280的输入，以针对每个次级感测线圈289A、289B、289C、289D提供独立的测量。在一些实施例中，一个或多个次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以耦合在一起，以便以求和或相减方式组合测量。这样的组合可以包括成对的次级感测元件，而附加的次级感测元件(即，三个或更多个次级感测元件)也可以被组合以提供不同的相加和/或相减测量的组合。
图4是根据本公开的实施例的具有次级感测线圈289A、289B、289C、289D的无线功率接收器400的示意图。如图4所示，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以成对地分组，这些对一起耦合到接收器控制逻辑280的公共输入端引脚。例如，在y方向上对准的次级感测线圈289A、289B可以耦合到接收器控制逻辑280的第一输入引脚。类似地，在x方向上对准的次级感测线圈289C、289D可以耦合到第二输入引脚。根据需要，每对次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以被配置为相加或相减。
在一些实施例中，每对次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以彼此反绕。例如，第一次级感测线圈289A可以与第二次级感测线圈289B反绕。类似地，第三次级感测线圈289C可以与第四次级感测线圈289D反绕。
如果成对的次级感测线圈289A、289B、289C、289D被配置为相减，则在发射线圈214和接收线圈224对准的情况下，来自每对的信号可以因为磁通场的对称性质而基本上相互抵消。例如，第一次级感测线圈289A和第二次级感测线圈289B均可以产生2V信号，但是这些信号可以相互抵消掉，其中次级感测线圈289A、289B被反绕，使得信号具有相反的极性。类似地，第三次级感测线圈289C和第四次级感测线圈289D均可以产生2V信号，但是这些信号可以彼此抵消掉，其中次级感测线圈289C、289D被反绕，使得信号具有相反的极性。因此，在无线功率传送期间到接收器控制逻辑280的输入均可以为大约0V，这可以指示发射线圈214和接收线圈224对准。
当发射线圈214在+Y方向上移动离开对准时，由第一次级感测线圈289A产生的信号可以增加，同时由第二次级感测线圈289B产生的信号可以减小。结果，输入到接收器控制逻辑280中的组合信号可以是正电压。类似地，当发射线圈214在-Y方向上移动离开对准时，由第二次级感测线圈289B产生的信号可以增加，同时由第一次感应线圈289A产生的信号可以减小。结果，输入到接收器控制逻辑280中的组合信号可以是负电压。
当发射线圈214在+X方向上移动离开对准时，由第三次级感测线圈289C产生的信号可以增加，同时由第四次级感测线圈289D产生的信号可以减小。结果，输入到接收器控制逻辑280中的组合信号可以是正电压。类似地，当发射线圈214在-X方向上移动离开对准时，由第四次级感测线圈289D产生的信号可以增加，同时由第三次级感测线圈289C产生的信号可以减小。结果，输入到接收控制逻辑280中的组合信号可以是负电压。
上述示例描述了成对的次级感测线圈289A、289B、289C、289D被配置为相减的情况。在一些实施例中，成对的次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以被配置为对信号求和。结果，用于对准状态的输入可以是不为零的值，输入值可以响应于未对准发生而改变。
图5是根据本公开的实施例的具有次级感测线圈289A、289B、289C、289D的无线功率发射器500的示意图。如图5所示，次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以被定位在接收线圈214的中心区域内。磁通场也可能在该区域内失真，并且对无线功率传输系统100的状况做出响应，其可以由次级感测线圈289A、289B、289C、289D检测。该中心区域可以是打开的，以便为次级感测线圈289A、289B、289C、289D提供空间，而不增加次级感测线圈289A、289B、289C、289D所需的厚度。在一些实施例中，每个次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以独立地耦合到接收器控制逻辑280，如上面关于图3所讨论的。在一些实施例中，至少一些次级感测线圈289A、289B、289C、289D可以一起耦合到公共输入端，如上面关于图4所讨论的。
在附加的实施例中，在单个无线功率传输系统100内可以存在多于一个的无线功率发射器112和多于一个的无线功率接收器122。随着无线功率发射器112的数量和无线功率接收器122的数量的增加，由于来自相邻线圈的边缘场可能相互影响，所以问题和组合可能变得更复杂。
本公开的实施例还可以使用次级感测线圈来确定无线功率接收装置120(图1)的磁吸收环境，其将参考图6和图7进一步讨论。
图6是包括组件602的无线功率接收设备600的一部分的简化框图。无线功率接收器122(图1)可能希望具有关于无线功率接收装置600内的组件602的磁吸收的信息。例如，磁通场可以通过组件602泄漏并引起组件602中的寄生加热。组件602可以是无线功率接收装置600的电池；然而，也可以预期其它组件。在一些实施例中，组件602可以包括附加子组件，使得组件602可以包括无线功率接收装置600的区域、子系统等。
次级感测线圈289E，289F可以定位在组件602附近，例如在组件602的上方和下方。次级感测线圈289E、289F可以耦合到接收器控制逻辑280(图6中未示出)，以提供在组件602的特定接近中的磁通场的测量信号。例如，第一次级感测线圈289E可以沿着磁通场的进入路径定位到组件602，并且第二次级感测线圈289F可以沿着磁通场的返回路径定位到组件602。通过测量组件602两侧的磁通场，无线功率接收装置120可以确定磁通场如何穿透到组件602中。这样的信息可以用于确定组件602的自身加热的量是由于无线功率传输而发生的。
图7是无线功率接收装置700的简化框图。无线功率接收器122(图1)可能希望具有关于无线功率接收装置700的磁吸收的信息。例如，无线功率接收装置700可以是电话(例如，蜂窝电话、智能电话等)或其他移动电子设备。无线功率接收装置700可以包括定位在无线功率接收装置700的外围周围的各个位置处的次级感测线圈289G、289H、289I、289J、289K、289L。例如，次级感测线圈289G、289H、289I、289J、289K中的每一个可以与无线功率接收装置700的壳体的每一侧相关联。结果，由次级感测线圈289G、289H、289I、289J、289K中的每一个产生的测量信号可用于获得到整个无线功率接收装置700中的磁通量穿透的表征，该信息可以用于确定无线功率接收装置700由于无线功率传输而发生的自身加热的量。
虽然已经关于某些说明性实施例在此描述了本公开，本领域的普通技术人员将认识和理解本发明并不局限于此。而是，可以在不脱离本公开的范围的前提下对示出的和描述的实施例作出多种添加、删除、和修改。此外，来自一个实施例的特征可以和由发明人所设想的仍包含在本公开的范围内的另一实施例的特征相结合。

Claims (20)

1.一种无线功率使能设备，包括：
无线功率接收器，包括：
接收线圈，被配置为响应于来自无线功率发射器的无线功率传输而产生AC功率信号；
至少一个次级感测线圈，被配置为响应于在无线功率传输期间产生的磁通场产生测量信号；以及
控制逻辑,可操作地与所述至少一个次级感测线圈耦合，所述控制逻辑被配置为响应于从所述至少一个次级感测线圈接收到的所述测量信号中检测到所述磁通场中的失真，检测无线电力传输系统的至少一个状况。
2.根据权利要求1所述的无线功率使能设备，其中所述至少一个次级感测线圈包括可操作地与所述控制逻辑耦合的多个次级感测线圈。
3.根据权利要求2所述的无线功率使能设备，其中所述多个次级感测线圈中的每个次级感测线圈独立地耦合到所述控制逻辑以向所述控制逻辑提供单独的测量信号。
4.根据权利要求2所述的无线功率使能设备，其中所述多个次级感测线圈中的至少两个次级感测线圈一起耦合到所述控制逻辑的公共输入端。
5.根据权利要求4所述的无线功率使能设备，其中所述至少两个次级感测线圈被配置为对它们各自的测量信号进行求和以提供给所述控制逻辑的公共输入端。
6.根据权利要求4所述的无线功率使能设备，其中所述至少两个次级感测线圈被配置为对它们各自的测量信号相减以提供给所述控制逻辑的公共输入端。
7.根据权利要求2所述的无线功率使能设备，其中所述多个次级感测线圈定位在所述接收线圈的外围周界和内部区域中的至少一个周围。
8.根据权利要求2所述的无线功率使能设备，其中所述多个次级感测线圈定位在所述无线功率使能设备的外周组件周围，并且其中所述控制逻辑还被配置为确定所述外周组件的磁通量穿透度。
9.根据权利要求2所述的无线功率使能设备，其中所述多个次级感测线圈定位在与所述无线功率使能设备的壳体的不同侧相关联的位置处，并且其中所述控制逻辑还被配置为确定所述无线功率使能设备的所述壳体以及内部外周组件的磁通量穿透度。
10.一种无线功率使能设备，包括：
无线功率接收器，包括：
接收线圈；
位于所述接收线圈附近的多个次级感测线圈，每个次级感测线圈被配置为产生在所述接收线圈的无线功率传输期间产生的磁通场的测量信号；以及
控制逻辑，可操作地与所述多个次级感测线圈耦合，所述控制逻辑被配置为至少部分地基于来自所述多个次级感测线圈所产生的测量信号的测量的输入组合来检测无线功率传输系统的至少一个状况。
11.根据权利要求10所述的无线功率使能设备，其中，所述多个次级感测线圈包括沿着y轴定位的第一次级感测线圈和第二次级感测线圈以及沿着x轴定位的第三次级感测线圈和第四次级感测线圈，其中：
所述第一次级感测线圈沿着y轴位于+Y位置；
所述第二次级感测线圈沿着y轴位于-Y位置；
所述第三次级感应线圈沿x轴位于+X位置；以及
所述第四次级感应线圈沿x轴位于-X位置。
12.根据权利要求10所述的无线功率使能设备，其中所述至少一个状况包括以下中的至少一个：所述发射线圈和接收线圈的未对准、自加热状况以及所述磁通场内存在异物的至少一个。
13.根据权利要求12所述的无线功率使能设备，其中所述控制逻辑还被配置为至少部分地基于所测量的输入组合与在所述控制逻辑的所述存储器中存储的多个参考测量组合的比较来确定未对准量。
14.根据权利要求12所述的无线功率使能设备，其中，所述控制逻辑还被配置为至少部分地基于所测量的输入组合与在所述控制逻辑的存储器中存储的对准信息的比较来确定存在异物。
15.根据权利要求12所述的无线功率使能设备，其中所述控制逻辑还被配置为至少部分地基于所测量的输入组合与在所述控制逻辑的存储器中存储的多个参考测量组合的比较来确定自加热的量。
16.一种检测无线功率传输系统的状况的方法，所述方法包括：
针对来自无线功率发射器的无线功率传输，用无线功率接收器接收无线功率信号；
响应于无线功率传输期间产生的磁通场，用多个次级感测线圈产生一个或多个测量信号；以及
响应于由所述多个次级感测线圈产生的所述一个或多个测量信号，检测无线功率传输系统的至少一个状况。
17.根据权利要求16所述的方法，其中检测无线功率传输系统的至少一个状况包括以下各项中的至少一个：
检测无线功率发射器的发射线圈和所述无线功率接收器的接收线圈的未对准；以及
检测包括所述无线功率接收器的无线功率接收设备的至少一部分的自加热；以及
检测由所述多个次级感测线圈检测到的磁通场内存在异物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中检测所述磁通场内存在异物包括将与所述自加热有关的信息传送给所述无线功率发射器，以用在与输入功率的比较中。
19.根据权利要求16所述的方法，其中响应于所述一个或多个测量信号检测无线功率传输系统的至少一个状况包括：
当测量信号由于未对准而动态地改变时，根据所述测量信号确定自加热信息；以及
将包括自身加热信息和由接收线圈吸收的功率的总功率损耗传送给无线功率发射器。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括以下至少一项：
响应于检测到所述发射线圈和所述接收线圈的未对准，向所述无线功率发射器传送请求以降低功率级别；
响应于检测到所述磁通场内存在异物，向所述无线功率发射器传送请求以降低功率级别；
响应于检测到发射线圈和接收线圈的未对准的迅速减小，向所述无线功率发射器传送请求以降低功率级别；
响应于确定所述发射线圈和所述接收线圈的未对准已经减小，向所述无线功率发射器传送请求以增加功率；以及
响应于确定已经从所述磁通场中去除异物，向所述无线功率发射器传送请求增加功率级别。
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