CN110114956A - 用于电力无线传输的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将电力无线传输到电负载(115)的系统(100)，包括：电源设备(105)和待供电设备(110)，与电源设备物理分离且独立于电源设备；其中待供电的设备(110)包括：待供电的电负载(115)，以及连接到电负载(115)并包括至少一个接收感应元件(435)的接收设备(120)；电源装置(105)包括多个发送组件(135)，每个发送组件包括：发送装置(145)，其包括至少一个能够实现与接收感应元件(435)电感耦合的发送感应元件(420)，以及能够向发送装置(145)施加随时间周期性变化的电压波的功率电路(155)；其中发送组件(135)的发送感应元件(420)各自具有平面构造，并且它们总体上彼此侧置在电源装置(105)的操作表面(160)上，使得形成网格。

Description

用于电力无线传输的系统

技术领域

本发明通常涉及用于一个或多个电负载的无线电源和/或再充电系统。这种电负载例如可以是需要供电才能使它们工作和/或对设备自身内部的电池充电的电气/电子设备。这种类型的电气/电子设备的典型示例为蜂窝电话、平板电脑、计算机、电视机、照明设备(例如LED)等等。

背景技术

当前已知的以无线模式将电力传输到负载的系统通常基于获得接收装置与发送装置之间的感应耦合或电容耦合，接收装置定位在待供电/再充电的设备上，发送装置定位在相应的电源设备上。

在基于感应耦合的系统中，通常使用定位在电源设备上的发送天线(例如具有线圈形状)和定位在待供电设备上的接收天线。这样，即使在发送装置和接收装置之间没有电流连接，也可以为各种功率电气和电子设备供电。

这些短程无线电源/再充电系统的一个问题在于，对于相关的电源设备，待供电/再充电的设备必须定位在精确位置上。

在感应系统的情况下，可以通过创建能够在相当广的空间区域中生成磁感应场的发送天线(例如，具有更大的线圈或具有能够在空间的广阔部分辐射能量的天线)来解决该问题。但这种方法会大大降低系统的能效，降低可发送功率并增加电磁污染。

另一种解决方案是为电源设备配备多个尺寸较小的天线(线圈)，每个天线由相互独立的功率电路供电并且定位，以这样的方式以便确保这些天线产生的磁场之间部分重叠。

然而，该解决方案决定了系统的成本和体积会显着增加，并且在任何情况下它都不能消除表征感应系统的低能效的问题。

本发明的目的在于克服上面强调的这些限制，特别地，提供一种用于电力无线传输的系统，该系统能够以更有效的方式给随机定位在电源设备附近的设备供电，并具有比现有技术更小的尺寸。

这些目的通过独立权利要求中阐述的本发明的特征实现。从属权利要求概述了本发明的各种实施例的优选和/或特别有利的方面。

发明内容

考虑到上述情况，本发明提供了一种用于将电力无线传输到电气负载的系统，其中所述系统包括：

电源设备和

待供电设备，和所述电源设备物理分离并独立于所述电源设备，

其中，待该待供电设备包括：

待供电的电负载，和

接收装置，连接到电负载并包括至少一个接收感应元件，

其中电源设备包括多个电力发送组件，每个电力发送组件包括：

发送装置，包括至少一个能够实现与接收感应元件电感耦合的发送感应元件，以及

功率电路，适于向发送装置施加随时间周期性变化的电压波，

其中，发送组件的发送感应元件各自具有平面构造并且在电源设备的操作表面上并排地全局设置，以便形成网格。

通常理解，具有平面构造的感应元件为导电材料的薄体，例如具有普遍的感应电性能的段或条。

这些感应元件设置在电源设备的操作表面上，使得其和操作表面基本上共面或平行于操作表面本身。

这意味着，如果操作表面是完全平坦的，则感应元件将仅在一维或二维空间中延伸(显然忽略了厚度)，如果操作表面是弯曲的，例如稍微圆顶或凹陷，则感应元件可以在三维中延伸。

感应元件不能替换为在空间中螺旋伸展的线圈。

由于这种发送感应元件的网格结构，电源设备的尺寸可以非常小，特别就其厚度而言。

同时，发送感应元件的网格使得这总是可能的，即对于多种形状和尺寸的待供电设备的接收感应元件能够识别一组发送感应元件，该发送感应元件以有效的方式整体近似于接收感应元件的形状和尺寸，从而使得与该接收感应元件的耦合最大化。

由于存在多个独立的功率电路，从而可以选择性地给这组发送感应元件供电，例如，对于电源设备的所有其他发送感应元件均不供电，从而给待供电设备创建用于电传输的最佳磁感应场，提高发送系统的整体效率，减少弥散和电磁污染。

利用现有技术的发送天线(螺旋线圈)不能获得这种效果，因为每个天线都产生磁感应场，例如为便携式计算机和智能手机供电时，该磁感应场并不总是与待供电设备的接收天线完美地连结，尤其是当安装在不同的待供电设备上的接收天线具有不同的尺寸时。

与这些已知的设备不同，所提出的解决方案能够动态地适应待供电设备，使得有可能同时给具有任何尺寸和形状的接收感应元件的多个设备供电，例如，移动电话、笔记本电脑、灯具、电视机等。

在这点上，根据本发明的一个方面，该系统可以包括：

监测系统，适于检测每个发送组件与待供电设备之间的相对位置，

选择系统，适于根据监测系统的检测，选择发送组件的阵列，该发送组件的发送装置处于适当的位置，以实现与电源设备的接收装置的耦合，和

控制系统，适于激活属于所选阵列的发送组件的功率电路。

这样，电源设备能够只激活发送组件，发送组件的发送装置可以有效地与待供电设备的接收装置耦合，从而减少损耗和电磁污染。

根据本发明的另一个方面，发送感应元件可以各自具有细长形状，即它们可以在普遍的方向上(例如，根据直线或曲线、多边形链或混合线)各自延伸。

由于该解决方案，可以创建发送感应元件的网格，其能够更好地接近待供电设备的各种形状和尺寸的接收感应元件。

在这方面，在一个特别有效的实施例中，发送感应元件可以独自具有普遍的直线延展，且纵向行和横向行没有全局对齐，其中横向行穿过纵向行从而限定前述网格。

根据本发明的一个实施例，所述电源设备的每个发送组件的发送装置还包括：

至少一个和相应的功率电路连接发送电枢，位于电源设备的操作表面上，并在发送感应元件的网格的网眼内；

其中，待供电设备的接收装置还包括：

第一接收电枢，和电负载连接，并适于面向第一发送组件的发送电枢，以获得电容连接的第一电能力，

第二接收电枢，和电负载连接，并能够面向第二发送组件的发送电枢，以获得电容连接的第二电能力。

这样，其优点在于，可以获得混合电感和电容的电力传输，其中可以交替或同时使用这两种技术，为位于待供电设备上的负载供电。

例如，如果电源设备和待供电设备之间的距离非常小(例如笔记本电脑或蜂窝电话直接承载在电源设备的操作表面上)，那么系统可以优选地利用电容耦合，以及可能仅利用电感耦合作为额外的电源贡献。

反之亦然，对于较远的距离，电感耦合则可能是有利的。

随着距离的增加，这可能是有用的，即通过谐振磁耦合动态地重新配置系统工作，以及在更远的距离上，作为辐射发送天线和一个或多个接收天线耦合。

这不仅能够对位于操作表面上的任何位置的待供电设备实现电力传输，而且通过动态地在电容耦合、电感耦合、谐振磁耦合和/或基于辐射天线的耦合之间改变优选的耦合类型，同样能够对在正交/垂直方向的各种不同距离(从几厘米到几米)的待供电设备实现电力传输。

还应该强调的是，电感和电容的发送装置，特别是在远距离的发送装置，可以用作多个高频(例如RF)驱动天线，以便在空间生成有用的相长干涉和相消干涉，例如以特别精确的定向波束到达目标接收天线，以及可能地动态追踪到目标接收天线。

根据本发明的另一方面，电源设备的每个发送组件的发送装置可包括多个发送电枢，这些发送电枢和相应的功率电路连接，并和该功率电路位于发送感应元件的网格的同一栅格内。

由于该解决方案，其优点在于，可以显着地增加发送电枢的数量，而不会过度加大功率电路，从而保持成本控制。发送电枢数量的这种倍增反过来又具有使得每个发送电枢的尺寸减小的优点。因此可以将其布置成形成非常紧密的细分的发送表面，其使得能够获得与接收电枢非常精确的电容耦合，基本上能够为任何位置的待供电设备进行电力传输。并且由于减少了未被电容接收区域覆盖的电容发送区域，从而能够减少电磁发射。

根据本发明的不同方面，待供电设备的接收装置可包括两个接收感应元件，其能够实现与电源设备的一个或多个发送感应元件电感耦合，其中第一接收感应元件在第一接收电枢和电负载之间串联连接，第二发送感应元件在第二接收电枢和电负载之间串联连接。

由于该解决方案，接收感应元件具有多种功能：串联电感器，能够形成功率电路的谐振器；以及接收感应元件，通过在电容接收电力上增加电感接收电力，用于增强发送到负载的电力。

因此，这种实施方式的特别的优点在于，由于它尽可能地最小化了必要元件的数量，例如，消除了整流器和谐振电感器，从而缩小了待供电设备的尺寸并降低了成本，同时增加了系统的多功能性和可发送的电力。

根据本发明的另一方面，每个发送组件的功率电路包括至少一个开关电路，该开关电路能够接收驱动信号，并以和驱动信号相等的频率，通过间歇性和周期性的方式，将发送装置连接到电压发生器。

由于该解决方案，其优点在于，能够以相对简单、合理的方式以及相当低的成本生成能够为负载供电的电压波。

如果发送装置同时包括电感型发送元件(一个或多个发送感应元件)和电容型发送元件(一个或多个发送电枢)，那么相应的功率电路可以包括多个上述开关电路，每个开关电路至少和一个相应的发送元件(电容型或电感型)连接，但所有的开关电路都由相同的驱动信号控制。

为了在电力传输中获得高性能和高效率，特别是如果系统也使用电容耦合，那么优选地，开关电路能够生成具有非常高频率(例如，大约为MHz，几十MHz或几百MHz)的电压波。

获得该结果的特别方便的方法包括使用根据完全谐振方案构造的开关电路，其中电路拓扑和驱动系统使得可以几乎完全消除开关中的动态损耗，从而允许高开关频率和低损耗。源于D类、E类、F类或E/F类放大器的适当修改的开关电路的类型，能够有利地实现这些目标。

在这方面，根据本发明的一个方面，开关电路可以包括串联连接在电压发生器和参考电位之间的一对电开关，所述开关之间包括和发送装置连接的中心节点。

这样，其优点在于可以简单地通过以驱动信号的频率交替接通和断开这两个开关，来生成电压波。

或者，开关电路可以包括电感器(称为扼流圈)和串联连接在电压发生器和参考电位(例如接地)之间开关，在所述电感器和所述电感器之间包括电连接到发送电枢的中心节点。

由于该方案，可以使用单个开关产生电压波，从而降低系统成本。

在这两种情况下，开关可以是有源开关，例如，高性能BJT、IGBT、N沟道MOSFET、P沟道MOSFET、CMOS，基于GaN、GaAs、SiC的FET晶体管或其他开关。

附图说明

借助于附表中所说明的附图，本发明的附加特征和优点将从以下描述中显而易见，这些描述为示例而非限制的方式提供。

图1是根据本发明的用于传输电力的系统的总示意图。

图2是根据本发明的一个变型的用于传输电力的系统的总示意图。

图3、图9、图21和图26是根据本发明的不同实施例的电源设备的有源表面的顶视图。

图4、图11和图23示出了根据本发明的不同实施例的待供电设备的接收表面的底部平面图。

图5、图8、图15、图20和图25示出了根据本发明的不同实施例的电力发送组件的电路图。

图6和图7示出了用于发送组件的两种可能的开关电路的电路图。

图10、图13、图19、图22和图24示出了图2所示的系统的不同实施例。

图12、图14和图17示出了根据本发明的多个实施例的分压器的电路图。

图16和图18示出了根据本发明的两个不同实施例的控制模块的示意图。

具体实施方式

参考图1的总示意图，用于电力无线传输的系统100包括电源设备105和待供电设备110，其中待供电设备和电源设备105为物理分开的，并且独立于电源设备105。换句话说，待供电设备110是独立于电源设备105，能够在空间自由移动的任何设备。例如，它可以相对于电源设备105靠近和移开，这两个设备之间没有任何形式的物理链接。

举例来说，待供电设备110可以是蜂窝电话、平板电脑、计算机、电视机、照明系统(例如LED)、家用电器、可穿戴设备、物联网(IoT)设备、车辆、传感器、驱动器或任何其他电气/电子设备，其工作时需要设置电源供电，以及/或对其自身的内部电池充电。

待供电设备110示意性地包括至少一个待供电的电负载115(例如电池)以及装置120，该装置120和电负载115连接用于接收电力。

待供电设备110还可以包括整流器440，串联连接在接收装置120和电负载115之间，以便将施加到接收装置120上的交流(AC)电压转换成可用于为电负载115供电的直流(DC)电压。

电源设备105包括多个用于发送电力的组件135，其可以由电压发生器140供电。

应该立即指出，这里的电压发生器140是指任何能够产生随时间保持基本恒定的电势差(电压)的电气装置。因此，这种装置可以是能够直接在其端部产生恒定电压的装置(例如电池)，也可以是能够将交流电(例如，来自标准的家用配电网)转换为直流(DC)电压的整流器，或者它可以是直流/直流(DC/DC)转换器，能够将启动直流(DC)电压转换成合适的能够为发送组件135供电的电压。

每个发送组件135示意性地包括用于将电力发送到功率电路155的装置145。

在一般意义上，发送装置145是能够和待供电设备110的接收装置120一起实现非导电(例如，电感、电容或混合电感和电容)的电耦合，或像天线一样辐射能量的装置。

功率电路155是能够接收驱动信号并且以足够的频率和幅度随时间周期性地向发送装置145施加可变电压波的电路，以提供为电负载115供电所需的电力。

该电压波通常通过功率电路155获得，该功率电路155以和驱动信号频率相同的频率，间歇地和周期性地将相应的发送装置145连接到电压发生器140。

驱动信号可以是具有预设频率和占空比值的方波电压信号。特别地，该驱动信号可以具有相当高的频率(例如大约MHz，数十MHz或数百MHz)。

在一些实施例中，为了生成驱动信号，电源设备105的每个功率电路155都设置有信号发生器(例如，振荡器或不同的时钟生成系统)。

或者，电源设备105可以包括用于所有功率电路155的单个信号发生器，或者包括比功率电路155的数量少的信号发生器，并且适于将来自各个信号发生器的驱动信号通过适当的总线分配给相关功率电路155。

图2示意性地示出了在不同实施例中，相反的，待供电设备110可以包括控制电路125，该控制电路125可以由电负载115供，能够读取施加在电负载115上的电压和/或电流或其他电力测量，并且能够生成时钟信号。

由控制电路125生成的时钟信号通常是电压信号(例如具有预设频率和占空比值的方波)。特别地，这些时钟信号可以是高/非常高的频率(例如，大约为数百MHz甚至GHz)。

在这种情况下，电源设备105的每个发送组件135都可以包括信号管理电路150，其能够接收由待供电设备110的控制电路125生成的时钟信号，并且基于该时钟信号为功率电路155生成驱动信号。

这样，由于总是利用由位于待供电设备110上的控制电路125生成的时钟信号来获得每个功率电路155的驱动，因此电源设备105无需配备任何其他时钟信号发生器(例如振荡器)。

连同这样的事实：待供电设备110(例如，蜂窝电话、平板电脑或计算机)通常已经配备有能够为其自身工作生成高频时钟信号的控制电路125，该特征无疑使得实施电力无线传输技术的必要成本显著降低。由于基于相互独立自主的发送组件135，因此除了这个明显的优点之外，还有其他优点，例如结构更为简单，取消时钟分配总线，作为典型的电磁发射源，以及创建容错系统的可能性。

无论驱动信号的生成方式如何，由于在电源设备105的发送装置145和待供电设备110的接收装置120之间实现了电和/或磁耦合，由功率电路155产生的电压波能够到达电负载115并为电负载115供电，而在电源设备105和待供电设备110之间无需任何导电的电连接。

由于发送组件135的多重性，对于相对于电源设备105的不同相对位置的待供电设备110，均可以获得该电力传输。特别地，可以根据矩阵分布布置不同的发送组件135的发送装置145，该矩阵分布可以通过在电源设备105中设置操作表面160实现。待供电设备110可以以多种位置以及不同方向放置在该操作表面上，在每个位置和方向中，靠近待供电设备110的发送装置145将能够有效地为电负载115供电，而不参与电力发送的发送装置145可以是保持无动力，从而减少电力损失和电磁污染。

在这方面，装置100可以包括电子监测和选择系统(例如基于微处理器的系统、可编程逻辑、布线逻辑、集成电路板或其他)，可能具有合适的模拟或数字信号调节电路，被配置为检测每个发送组件135与待供电设备110之间的相对位置，并且基于该检测来识别发送组件135的阵列，该发送组件135的发送装置145处于适当的位置以实现与供电设备110的接收装置120的耦合。

装置100还包括电子控制系统，也是基于微处理器、可编程逻辑、布线逻辑、集成电路板或其他，其和电源设备105的发送组件135连接，并且被配置为仅激活属于被选中的阵列中的发送组件135的功率电路155，并可能使所有其他发送组件135的功率电路无动力。

该控制系统可以构建为与监测和选择系统分开的系统，或者可以集成在单个电子控制系统中，该单个电子控制系统还集成了监测和选择系统。

该方案的另一个优点在于可以同时为许多设备110供电，这些设备可以以各种方式放置在电源设备105的上述操作表面160上。

每个发送装置145和其自己的功率电路155连接的事实，也使得电源设备105能够抵抗局部损坏，其最多能够损坏单个发送组件135，而保留整个系统的完整功能。

由于该特征，电源设备105可以以平板或薄片的形式获得，能够随意切割，以赋予其任何有益的的形状。例如，上述平板或薄片可以切割并应用于桌上或墙壁上，在该桌上或墙壁上也可以凿孔以给螺钉或例如电视机、架子、绘画、照明设备的其他紧固系统提供空间，而不影响其功能。

从这个概述开始，在图1和图2所示的系统100的第一实施例中，每个发送组件135的发送装置145可以包括和功率电路155连接的发送感应元件420，这样以获得至少为感应型的电力传输系统。

每个发送感应元件420可以具有平面构造，即，它可以是导电材料薄体的形式，其具有普遍的感应电性能，例如线段或带(通常是感应带)。

这些发送感应元件420可以独自具有细长形状，即，它们可以在普遍的方向上独自延展，例如，根据直线或曲线、多边形链或混合线。

感应元件420可以设置在电源设备105的操作表面160上，这样可以使得基本上和操作表面160自身共面或平行。

这意味着，如果操作表面是完全平坦的，则感应元件420将最多仅在的两个空间维度上延伸(显然忽略厚度)，但是如果操作表面是弯曲的(例如稍微圆顶或凹陷)，则感应元件可以在三个维度上延伸。

特别地，感应元件420可以并排地设置在电源设备105的操作表面160上，以便形成网格。

如图3的示例所示，发送感应元件420可以通过直线感应条独自实现，并且可以共面地设置在操作表面160上，通过纵向列和横向行进行全局对齐，这样，横向行横跨纵向列限定了发送感应元件420的网格，在它们之间限定的保留的空白空间，构成了网格的网眼422。

在该上下文中，在系统100的实施例中，特别地，每个发送组件135可以包括四个发送感应元件420中的一个，该四个发送感应元件限定了网格的相同的网眼422。

然而，自然地，发送感应元件420可以由具有发送线圈形状的平面体实现，例如，具有平面结构的单个线圈，其界定了网格的网眼422的周长。

如图1和图2中示意性地所示出的，待供电设备110的接收装置120可以相应地包括一个或两个接收感应元件435，其能够实现与待供电设备110的一个或多个发送感应元件420的感应耦合。

每个接收感应元件435可以基本上齐平和共面地设置在待供电设备110的接收表面195上，其可以具有与电源设备105的操作表面160互补的形状。

通常，接收感应元件435的数量、形状、尺寸和配置必须以这样的方式选择：通过将待供电设备110的接收表面195放置或接近操作表面160，在至少一个接收感应元件435和电源设备105的至少一个发送感应元件420之间建立感应耦合，优选地在每个接收感应元件435和多个发送感应元件420之间建立感应耦合，以这样的方式布置，以便能够以和其形状和尺寸高近似复制。这适用于相对于电源设备105的多种位置和/或相对方向的待供电设备110，优选地用于任何位置和/或方向的待供电设备110。

根据一个实施例，接收感应元件435可以由具有线圈形状或接收天线的感应导体实现，其可以通过整流器440和电负载115连接。

例如，如图4所示，接收装置120可以包括形状类似于线圈的接收感应元件435，其在接收表面195上共面延伸。

为了通过接收感应元件435和发送感应元件420之间的电感耦合来传输电力，它们和各自的发送感应元件420的相对端连接(或和限定发送装置145的发送感应元件420分别串联)。

这两个开关电路425可以驱动频率相等，但相位相反。

或者，这样就足够了，一个开关电路425以任何相位驱动，而另一个开关电路425以这样的方式控制，即保持发送感应元件420(或发送感应元件420的阵列)的第二端恒定地连接到参考电位(例如接地)。

在这个意义上，因此这也是可能的，功率电路155包括单个开关电路425，该单个开关电路425和发送感应元件420(或发送感应元件420的阵列)的一端连接，而另一端始终连接到参考电位(例如接地)。

由于所有提出的方案，每个发送感应元件420通过电压波发送，该电压波以感应磁路的方式传递到接收感应元件435，因此每个发送感应元件420可以用于通过整流器440为电负载115供电。

为了在电力传输中获得高性能和高效率，优选地，每个开关电路425都能够产生具有非常高频率(例如大约MHz，数十MHz或数百MHz)的电压波和足够的振幅为电负载115供电。

获得该结果的特别方便的方法包括，使用根据软开关构造的开关电路425，近似谐振或完全谐振方案，其中电路拓扑和驱动系统使得可以几乎完全消除开关中的动态损耗，因此允许高开关频率425和低损耗。源于D类、E类、F类或E/F类放大器的适当修改的开关电路425的类型，能够有利地实现这些目标。

举例来说，如图6所示，每个开关电路425可以包括串联连接在电压发生器140和参考电位之间的一对开关255和260(例如，块)。

特别地，第一开关255和电压发生器140连接，而第二开关260连接参考电位(显然不同于电压发生器140的电位)，例如接地电位。

在第一开关255和第二开关260之间存在中心节点265，其连接到发送感应元件420或发送感应元件420的阵列，该发送感应元件420或发送感应元件420的阵列限定了发送装置145。

这对开关255和260基本上构成半桥H，有助于生成为发送电枢165供电的高频电压波。

该对开关255和260例如可以是一对高性能BJT、IGBT、N沟道MOSFET、P沟道MOSFET、CMOS对、基于GaN、GaAs、SiC的FET晶体管或其他开关。

以这种方式，其优点在于可以简单地通过以驱动信号的频率交替接通和断开两个开关255和260来生成电压波。

为了驱动这两个开关(例如MOSFET)，可能需要适当的驱动器270，该驱动器270接收驱动信号，将该信号转换成适当的波(通常对电压和/或电流进行放大)，足以交替接通和断开这两个开关，通常为高频。

然而，由于存在通常以高频操作的两个开关255和260，会损坏这种类型的开关电路425。在这些开关中，第一开关255更为关键，因为它通常被称为浮动节点，因此必需是自举电路，而自举电路在高频下功能性差且成本高。或者，第一开关255例如可以由P-MOS组成，但是在这种情况下，性能通常较差，并且P-MOS占据的面积大于具有类似性能的N-MOS。

为了克服这些缺点并进一步简化系统100(参见图7)，每个开关电路425可以包括电感器275(称为扼流圈)和开关280，该开关280串联连接在电压发生器140和参考电位(例如接地)之间，其中电感器直接和电压发生器140连接，而开关280连接到参考电位。

在实践中，电感器275用作电流发生器，代替前一实施例的第一开关255。

同样在这种情况下，开关280例如可以是高性能的BJT、IGBT、N沟道MOSFET、P沟道MOSFET、CMOS、基于GaN、GaAs、SiC的FET晶体管或其他开关。

在所述电感器275和电感器280之间包括中心节点285，该中心节点285和发送感应元件420或发送感应元件420的阵列的相应端连接，该发送感应元件420或发送感应元件420的阵列限定了发送装置145。

可以进一步引入具有适当值的电容290与开关280并联，该电容290也可以全部或部分地由开关280的寄生电容构成，有助于通过避免电压-电流交叉，以减少在开关接通和断开阶段的电路的损耗。

以这种方式，其优点在于可以简单地通过以驱动信号的频率交替接通和断开单个开关280来生成电压波。

同样在这种情况下，为了驱动开关，也可能需要适当的驱动器295，其接收驱动信号，将信号转换成能够以高频接通和断开开关280的适当的波。

返回图5，在开关电路425和发送感应元件420或一连串发送感应元件420之间可以放置合适的(通常为电抗性的)匹配网络430。如果调谐适当，该匹配网络430能够使得整个电路被视为类似于零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)类型的谐振电路，显著地限制了损耗并且能够显著增加操作频率，从而确保了低成本并减小电路尺寸以及高传输功率密度。

基本上由于相同的原因，在接收感应元件435和待供电设备110的整流器440之间(参见图1)，可以串联插入电容器445，有助于创建谐振器，该谐振器也可以使得感应接收部分能够在ZVS(零电压开关)或ZCS(零电流开关)模式下工作。

或者，代替串联的电容器445，可以插入电容器450，并联于接收感应元件435(参见图2)，有助于形成谐振回路。该谐振回路可以促进与谐振初级电感电路的耦合，并且相对于串联谐振电路，在发送感应元件420和接收感应元件435之间距离更远的情况下，也可以促进与谐振初级电感电路的耦合。

如图8所示，根据上述所有实施例的共同的方面，每个发送组件135的发送装置145还可以包括至少一个发送装置165，其可以通过合适的电分支170和相应的功率电路155连接。

这样，可以获得混合电容和电感的电力传输系统。

发送电枢165，例如可以由板、条、片或任何其他形式的导体材料构成。例如，该发送电枢165可以具有矩形或正方形形状，也不排除其他形状(比如，三角形、圆形、六边形或其他形状)。

不同发送组件135的发送电枢165可以并排放置(例如，共面)在上述操作表面160上。

特别地，发送电枢165可以与操作表面160基本齐平，优选地，该操作表面160可以覆盖有薄的介电材料层。

此外，发送电枢165可以在空间以或多或少有规律的方式相互设置、相互邻近或远离。例如，发送电枢165可以根据一维分布来布置，即相互对齐以形成单个行。或者它们可以分布在多个维度上，例如，根据矩阵结构，在该矩阵结构中，发送电枢165在行和列上对齐，基本上类似于矩阵的节点。

如上所述，发送电枢165可具有若干维度和/或几何形状。特别地，在不同型号的电源设备105之间以及在相同型号的电源设备105中，发送电枢165的形状和/或尺寸可以不同。发送电枢165可以设置在支撑件上，该支撑件可以是任何形状、厚度或尺寸的，刚性的或柔性的，软的或硬的，平面的或非平面的。例如，发送电枢165可以这样实现，通过在厚或薄的电介质基板上施加导电条，或者在两层电介质材料之间包含所述导电条，或者改变非导电材料的电特性以变得局部导电。

特别地，如图9中示例所示，每个发送电枢165可以设置在发送感应元件420的网格的相应网眼422内，优选地，在网眼422内。发送感应元件420界定了网眼422的部分周长部分，该发送感应元件420和发送电枢165属于同一个发送组件135。

这样，在每对相邻的发送电枢165之间总是插入至少一个发送感应元件420，并且每个发送电枢165的四周均被一组发送感应元件420围绕。需要强调的是，所示的特定实施方式，仅是实现了在操作表面160上提供使得发送电枢165均匀分布的矩阵的优点的可能的实施方式之一。

返回图8，对于每个发送电枢165，功率电路155可以包括附加的开关电路250，其基本上与和发送感应元件420相关联的开关电路425的类型相同，该开关电路250能够将电压发生器140和发送电枢连接。

这样驱动开关电路250，以便将电压发生器140产生的供电电压转换成施加于发送电枢165的交流(AC)电压波，通常是高频(几百kHz，几十MHz，甚至几百MHz)电压波。

如图10所示，为了与该第二实施例的发送组件135电耦合，待供电设备110的接收装置120还可包括至少一对接收电枢，其中第一接收电枢175和第二接收电枢180可以通过相应的电分支(分别标记为185和190)和电负载115连接。

根据一个实施例，对于接收感应元件435，接收电枢175和180可以独立地和电负载115连接，例如，通过插入第二整流器130。

接收电枢175和180也可以体现为为板、条、片或其他形式的导体材料，并且它们通常具有比发送电枢165大得多的尺寸。每个接收电枢175和180可以由多个小板实现，这些小板彼此适当地连接，例如，将电磁污染问题减少到最少。接收电枢175和180可以在接收表面195上相互并排布置(例如，共面)。接收电枢175和180设置为与接收表面195基本齐平，可能涂有优选薄介电层。例如，如图11所示，接收电枢175和180可以都位于限定接收感应元件435的线圈内部。

例如根据设备的尺寸、设备本身存在的几何约束以及设备本身正常工作所需的功率，对于不同的待供电设备110以及在每个单个待供电设备110内，接收电枢175和180的尺寸和/或形状可以是不同的。

重要的是，待供电设备110的接收电枢175和180的形状、尺寸和布置以及电源设备105上的发送电枢165的数量、形状、尺寸和布置是这样的，对于相对于电源设备105多个位置和/或相对方向设置的待供电设备110，优选地对于任何位置和/或方向的待供电设备110，当供电设备105的接收表面195放置于或者靠近电源设备105的操作表面160时，该第一接收电枢175至少面向第一发送组件135的发送电枢165，并且第二接收电枢180面向第二发送组件135的发送电枢165。

这样，在所有上述位置和/或方向上的待供电设备110，第一和第二接收电枢175和180与面向它们的发送电枢165一起将至少体现为一对电容器，该电容器构成能够在电源设备105和待供电设备110之间实现电容性无线连接的阻抗。

为了能够使得通过该电容耦合传输电能，这样驱动与面向第一接收电枢175连接的发送电枢165的开关电路250，以便将具有驱动信号的频率的电压波施加到这些电枢上，而面向第二接收电枢180的发送电枢165可以称为参考电位(例如，接地)。

这样，在第一和第二耦合电容器之间存在随时间变化的电压差，能够为位于待供电设备110上的电负载115供电。

如前所述，驱动信号可以由直接设置在电源设备105中的信号发生器(例如，通过振荡器)生成。也许经过改变(例如频率反转和/或降低)，该驱动信号也可以用于驱动与相应的发送感应元件420连接的开关电路。

或者，开关电路250和245的驱动信号可以由信号管理电路150生成，信号管理电路150接收由位于待供电设备110中的控制电路125生成和发送的时钟信号。

可以由和面向第一接收电枢175的发送电枢165的信号管理电路150通过两个电路之间的任何非导电/导电通信系统(例如，感应的、可能使用小型独立天线的)接收该时钟信号。

然而，根据系统的优选方面，待供电设备110的控制电路125可以将时钟信号直接施加于第一接收电枢175，并且每个信号管理电路150可以直接从相应的第一发送电枢165接收时钟信号。

特别地，例如，通过电分支200汇集于第一接收电枢175和整流器130(如果有)之间的连接节点，控制电路125可以将时钟信号施加于电分支185，该电分支185将第一接收电枢175和电负载115连接。

通常具有高值(例如，大约数十或数百nH的)的电感器205可以沿着控制电路125的前述连接节点和电负载115之间的电分支185串联连接，例如，在连接节点和整流器130之间。这使得来自电源设备105的电压波能够通过并到达电负载115，却使得由控制电路125生成的时钟信号的无法通过，从而强制时钟信号从待供电设备110朝向电源设备105传递。

通常具有低值(例如，大约数十或数百pF的)的电容210也可以沿着该连接节点和控制电路125之间的电分支200串联连接。这使得时钟信号能够到达第一接收电枢175，却阻止电压波通过，从而电压波不能到达控制电路125。

最后在待供电设备110上可以存在和参考电位(例如接地)连接的第三电枢211，至少在时钟信号的传输频率下，其有助于在位于待供电设备110上的电路的接地端和位于电源设备105上的大量的电路之间生成低阻抗路径。

如图8中更详细地示出，例如通过从所述电分支170直接派生的电分支215，每个发送组件135的信号管理电路150能够捕获将开关电路250连接到发送电枢165的电分支170的时钟信号。

电感器220可以沿着电分支170设置在开关电路250和派生出电分支215的节点之间，其可以具有足够高的值(例如，大约几十nH或几百nH)，以防止来自位于待供电设备110上的控制电路125的时钟信号与功率电路155相互作用，从而将电压波传输到发送电枢165。

这样，由待供电设备110生成的时钟信号可以有利地由信号管理电路150通过电容耦合从面向第一接收电枢175发送电枢165中捕获，且该电容耦合也能够传输电力，从而简化和精简了电源设备105。

对于每个所述发送电枢165，以及作为相同的发送组件135的一部分的发送感应元件420，可以施加能够将电力传输到电负载115的电压波，而电源设备105的所有其他发送电枢165和发送感应元件420将保持无动力或适用于参考电位(例如，接地)。

在这方面，每个发送组件135可以包括沿着电分支170设置在信号管理电路150和发送电枢165之间的激活开关225，其能够选择性地将发送电枢165连接到相应的功率电路155以及相应的信号管理电路150或参考电位(例如接地)。

换句话说，该激活开关225可以选择性地在关闭配置和打开配置之间切换。在关闭配置中，它将发送电枢165连接到电分支230，该电分支230适用于接地或其他参考电位；在打开配置中，它将发送电枢165连接到电分支170，该电分支170和相关功率电路155以及相关信号管理电路150连接。

至少在典型的时钟信号频率下，电容器235可以设置在电分支230上，例如为了在位于电源设备105上和待供电设备110上的数据电路之间建立接地连接。

由于该解决方案，当相应的发送电枢165和待供电设备110的第一接收电枢175耦合的时刻，电源设备105的控制电路可以利用激活开关225自动激活每个发送组件135。

例如，每个发送组件135的激活开关225通常可以保持在关闭位置，这样使得发送电枢165完全与功率电路155和信号管理电路150隔离。在这种配置下，信号管理电路150接收不到任何时钟信号或任何可能导致功率电路155意外启动的干扰，因此功率电路155保持完全无动力，从而降低了供电设备的能量损耗和电磁污染，同时确保传输电路105的接地和待供电设备110的接地之间的信号连接。

从这种配置开始，激活开关225可以周期性地进入短时间的打开配置，例如，借助于定时器或适当的计数器，将发送电枢165连接到功率电路155和信号管理电路150。在这些短暂时刻期间，如果发送电枢165没有面向待供电设备110的第一接收电枢175，那么信号管理电路150将不接收任何时钟信号，从而功率电路155将保持无动力并且激活开关225将会恢复到关闭配置。反之亦然，如果在第一激活开关225打开时，发送电枢165面向待供电设备110的第一接收电枢175，那么信号管理电路150将自动接收时钟信号并控制功率电路155为发送电枢165供电，因此为电负载115供电。在这种情况下，只要信号管理电路150持续接收时钟信号，就可以将激活开关225保持在打开配置。

同时，因为相关信号管理电路150从不接收任何时钟信号，连接到面向待供电设备110的第二接收电枢180的发送电枢的激活开关225将始终保持在关闭配置，从而保持第二发送电枢165连接到参考电位(例如接地)。

该解决方案的优点还在于仅需识别和激活会和待供电设备100耦合的发送组件135，而无需额外的监测、选择和控制系统。

根据系统100的一个实施例，由待供电设备110的控制电路125生成时钟信号，然后并由信号管理电路150捕获，可以发生在电压波临时暂停以及无电力传输的短暂阶段期间。在这种情况下，时钟信号可用于给适当的缓冲器(未示出)充电，该缓冲器在随后的电力传输阶段期间能够产生驱动功率电路155所必需的驱动信号。

换句话说，可以利用倾向性的短暂的空闲时间，在此期间内功率电路155保持无动力以允许时钟信号存储在缓冲器中；在随后的电力传输阶段，接着用于产生驱动信号；在电力传输阶段结束时，功率电路155再次无动力以再次生成控制信号。再次生成控制信号的要求来自于为了确保信号相位恒定的精度，因为所有面向第一接收电枢175的发送电枢165必须同相地相互传输电力波，以防止故障或电力和/或效率的损失。

因为时钟信号和电压波之间没有干扰，所以该方案简化了信号管理电路150以及所有滤波级的设计。反过来，这种方法无法使得数据(控制数据，也包括用户可用于其他目的的数据，例如，在靠近传输平面放置的多个设备之间共享音乐、视频、文件或其他数据)和电力同时传输，而且必须需要缓冲器，则增加了延迟并缩小了系统的最大理论通带。

为此，在系统100的优选实施例中，在生成和施加电压波的同时生成和捕获时钟信号。

在这种情况下，每个发送组件135的信号管理电路150优选地包括位于电分支215上的滤波器240，该电分支215直接连接发送电枢165，该滤波器240能够对时钟信号进行滤波。

特别地，滤波器240可以具有高通特性(例如几十或几百MHz)，能够限制或大大衰减电力波，而让来自位于待供电设备110上的控制电路125的时钟信号通过。

滤波器240还可以具有适当的低切或带阻特性，以进一步衰减由功率电路产生的电力波。

需要强调的是，如果数据和电力必须通过电容耦合同时传输，那么滤波器240则构成系统100的基础部分。在这种情况下，为了简化滤波器240，可以方便地将时钟信号的频率和电压波的基础频率尽可能地拉开距离。

在一些实施例中，滤波器240可以是比第一滤波器更高阶的滤波器(例如，贝塞尔滤波器、切比雪夫滤波器、巴特沃斯滤波器、椭圆滤波器、反切比雪夫滤波器或其他适当的滤波器)，旨在尽可能地衰减电压波的贡献，以便从待供电设备110获得尽可能干净的时钟信号。

在滤波器240的下游，信号管理电路150可以包括适当的分频器245，该分频器能够降低时钟信号的频率。

如果位于待供电设备110上的控制电路125被配置为生成非常高频的时钟信号，因为在计算机或上一代蜂窝电话的情况下，它们的频率(例如百MHz或GHz)通常比有效驱动功率电路155所需的频率更高，那么使用该分频器245就特别有用。因为电源级的频率和时钟信号的频率相差非常远，从而可以大大简化滤波器240，因此很容易使用简单的高通滤波器(例如具有几pF的电容器)以仅使得非常高频的时钟信号到达分频器245。

如图12所示，分频器245可以包括逻辑门(例如DQ触发器)的级联，每个逻辑门都具有数据输入(D)，两个互补输出(Q，Q')以及同步输入(CLK)。

例如，参考DQ触发器的使用，这些触发器可以相互连接，使得“原始”时钟信号，即由滤波器240输出的时钟信号，进入第一DQ触发器的同步输入。第一DQ触发器的反向于输出信号Q的信号Q'和该DQ触发器的输入D连接，而输出信号Q和后续的DQ触发器的同步端口CLK连接，依此类推。

应当注意，级联的第一DQ触发器更改了“原始”时钟信号的占空比，无论“原始时钟信号”的占空比如何，输出占空比等于50％的新的方波时钟信号。

以这种方式，级联的每个DQ触发器的输出Q都是方波时钟信号，其占空比等于50％并且相对于接收到的输入时钟信号的频率减半。

通过适当地选择级联的DQ触发器的数量，可以分割“原始”时钟信号的频率，从而在分频器245的输出处，获得实际可以用作功率电路155的驱动信号的时钟信号。

然而，在其他实施例中，分频器245可以基于JK触发器、T触发器或可配置为分频器的其他电路。

当系统100使用电容耦合时，相对于前述方式，也可以以其他替代方式获得到电负载115的电力传输，比如，将预设电压波施加到面向第一接收电枢175的发送电枢165，同时向面向第二接收电枢180的发送电枢施加与预设电压波具有相同频率但相位偏移的电压波，优选具有相反的相位。

为了获得该操作，上述系统100可以做如下修改，而保持所有其他特征基本不变。

特别地，如图13的电路图所示，待供电设备110的控制电路125能够产生第二时钟信号并将第二时钟信号施加到第二接收电枢180。

以和提供给第一接收电枢175的大体类似的方式，例如，控制电路125可以将第二时钟信号施加到电分支190，该电分支190将第二接收电枢180和电负载115连接，例如通过电分支300，该电分支300与电分支190的连接节点位于第二接收电枢180和整流器130之间。

通常具有高值(例如，大约数十或数百nH)的附加电感器305可以沿着控制电路125的前述连接节点和电负载115之间的电分支190串联连接(例如，在连接节点和整流器130之间)，这使得来自电源设备105的电压波能够到达电负载115，却使得由控制电路125产生的第二时钟信号的无法通过，从而迫使该第二时钟信号从待供电设备110朝向电源设备105传递。

电感器205和305还用于构成具有接收电容器的谐振器的目的，因此不但能够让更多的电力传输到电负载115，而且具有有用的阻抗匹配，例如能够实现ZVS或ZCS转换器(最小化损耗并且可以在极高频率下工作)。

电感器205和305还用于显着增加电负载115的阻抗的附加目的，一般说来是有限的，从控制电路125来看，以这种方式它们可以在高频下工作，因为它们与负载基本上没有相互作用。

反过来，通常具有小值(例如，大约数十或数百pF)的电容器310也可以沿着在连接节点和控制电路125之间的电分支300串联连接，这能够使得时钟信号到达第二接收电枢180，却阻止电压波通过，从而电压波不能到达控制电路125。

该系统运行得越好，为电负载115供电的电压波与由控制电路125注入的信号的载波之间的频率差越大。

当第二接收电枢180面向一个或多个发送电枢165时，第二时钟信号由相应的信号管理电路150捕获，并用于适当地驱动相应的功率电路155，这样以便施加电压波于所述发送电枢165，相对于施加到面向第一接收电枢175的发送电枢165的电压波，该电压波具有相等的频率但相位偏移，优选地具有相反的相位。

理论上可以通过配置待供电设备110的控制电路125获得这种效果，以便生成第二时钟信号，并将该第二时钟信号施加于第二接收电枢180。相对于施加于第一接收电枢175的时钟信号，该第二时钟信号具有相同的频率但相位偏移，优选地具有相反的相位。

然而，因为一些分频器245这种解决方案并不总是可用的，例如，基于级联DQ触发器的那些分频器，开始于预设时钟信号以及开始于其反相信号(即具有相同频率但反相的时钟信号)，都返回具有相同相位的输出信号，因此，在这两种情况下，生成的电压波将具有相同的相位，仅仅延迟非常高频率的波的一个周期。

为了克服这个缺点，可以这样修改每个发送组件135的信号管理电路150，如图14所示，分频器245的输出信号施加在两个独立的通道上。其中一个连接到模块315，该模块315能够反转由分频器245输出的时钟信号，从而获得频率相同但相位相反的时钟信号。例如，模块315可以包括能够拒绝接收输入信号的简单的非(NOT)逻辑门。

这样，分频器245将始终提供两个可能的驱动信号，即“直接”驱动信号，仅仅通过降低原始时钟信号的频率而获得；以及“反相”驱动信号，通过降低原始时钟信号的频率，并反相其相位获得。

如图15所示，在这种情况下，每个发送组件135的信号管理电路150还可以包括选择器320，该选择器320与分频器245连接并且能够选择性地向开关电路250发送“直接”驱动信号或“反相”驱动信号，取决于相应的发送电枢165是面向第一接收电枢175还是分别地面向第二接收电枢180。

相反，应该指出，发送到开关电路425的驱动信号总是可以是相同的，即总是“直接”信号或“反相”信号，无论相应的发送电枢165是否面向第一或第二接收电枢175和180，因此所有与待供电设备110耦合的发送感应元件420都经受相同的电压波。

为了明白发送电枢165是面向第一接收电枢175还是面向第二接收电枢180，可以由专用控制模块325控制选择器320，该专用控制模块325可以实现不同的方案。

根据第一方案，待供电设备110的控制电路125向第一接收电枢175和第二接收电枢180施加两个具有明显不同的占空比的方波时钟信号(例如，分别为20％和80％)。例如，第一占空比(例如20％)可以与“第一接收电枢175”的信息相关联，而第二占空比(例如80％)可以与“第二接收电枢180”的信息相关联。

如图16所示，利用该信息，作为时钟信号电压有效值的测量电路(例如，测量或检测该信号的均方根RMS)，可以有效且简单地而得到控制模块325。

特别地，控制模块325可以包括第一级330，该第一级330能够接收由滤波器240(例如在分频器245的上游)输出的时钟信号，并测量其均方根值(RMS)。

例如，可以通过将滤波器240的输出连接到足够快的二极管335的阳极，以得到所述第一级330。二极管335的阴极却可以连接到电容器340的一端，电容器340的另一端连接到参考电压，例如接地。并联于电容器340，该第一级330还可以包括电阻器345，有助于一旦输入信号停止，电容器340自身就放电。

因此，该第一级330的输出是与输入信号的均方根值(RMS)成比例的电压信号，其根据占空比而变化，然后根据“第一接收电枢175”或“第二接收电枢180”的信息，能够选择发送电枢165适当的的驱动相位。

接着，控制模块325可以包括比较器350，该比较器350接收来自第一级330的输出信号并将其均方根(RMS)电压值与参考电压进行比较。如果从第一级330输出的均方根(RMS)电压低于参考值，则这意味着时钟信号的占空比较低(例如20％)，反之则时钟信号的占空比较高(例如80％)。很明显，随着时钟信号的占空比的增加，其均方根值(RMS)也在增加，直到它超过第一参考电压施加的阈值。

来自第一级330的输出信号也可以施加于第二比较器355，第二比较器355将均方根(RMS)电压值与第二参考电压进行比较，通常第二参考电压接近接地电压。如果从第一级330输出的均方根(RMS)电压低于第二参考值，则这意味着发送电枢165没有接收到任何时钟信号，因此它没有靠近待供电设备110的任何接收电枢175或180。

然后可以将第一比较器350和第二比较器355的输出发送到极其简单的逻辑模块360，通常但不必需具有组合逻辑，该逻辑模块360能够生成选择器320的驱动信号。

这样，如果均方根(RMS)信号高于第一参考值，则控制选择器320用“直接”驱动信号驱动功率电路155；如果均方根(RMS)信号在第一和第二参考值之间，则控制选择器320用反相时钟信号驱动功率电路155；如果最后均方根(RMS)信号低于第二参考值，则选择器320将不驱动功率电路155，并且该逻辑模块也会将激活开关225带到打开配置，为了将发送电枢165连接到电分支230，并因此到达参考电位(例如接地)。

根据第二方案，为了明白发送电枢165是否面向第一接收电枢175或第二接收电枢180，待供电设备110的控制电路125可以被配置为向第一接收电枢175和第二接收电枢180施加具有相同占空比但不同幅度的两个时钟信号。

因为信号的幅度也对信号的电压的有效值以及其均方根(RMS)有直接影响，在这种情况下，每个发送组件135的信号管理电路150的架构可以与以上描述的并且在图15和图16示出的架构完全相同。

根据第三方案，为了明白发送电枢165是否面向第一接收电枢175或第二接收电枢180，待供电设备110的控制电路125可以被配置为向第一接收电枢175和第二接收电枢180施加具有不同频率的两个时钟信号。

优选地(但不是必需的)，施加于第二接收电枢180上的时钟信号的频率一定要等于施加于第一接收电枢175上的时钟信号的频率的两倍，反之亦然。

与基于电压控制信号(占空比或幅度调制)的系统相比，利用频率发送哪个接收电枢175或180接近发送电枢165的指示，确保了更大的抗干扰性，但每个发送组件135的信号管理电路150必须是不同的。

首先，分频器245将被配置为提供“直接”驱动信号和“反相”驱动信号，这些信号将发送给选择器320，如图17所示，通过从两个不同的级引出。例如，考虑到施加到第二接收电枢180的时钟信号的频率是施加到第一接收电枢175的时钟信号的频率的两倍的情况，“直接”驱动信号将得从分频器245的最后一级引出，而“反相”驱动信号将得通过分频器的倒数第二级输出的信号“反相”(例如通过非(NOT)逻辑门315)而获得。这样，“直接”和“反相”驱动信号将都具有相同的频率并且可以用于驱动功率电路155。当然，如果施加到第二接收电枢180的时钟信号的频率是施加到第一接收电枢175的时钟信号的频率的一半，则连接将是相反的。

同时，选择器320的控制模块325可以如图18所示进行修改，包括积分器电路365(例如，简单的RC滤波器，或任何有源或无源积分器电路)，该积分器电路365在其输入端接收来自发送电枢165的时钟信号。

由于输入波通常是方波，因此积分电路365输出的积分信号是三角波，输入波的频率越低，三角波的峰值越高。与前面的示例一致，如果捕获的时钟信号是与第一接收电枢175相关联的低频信号，则该积分信号的峰值将比如果捕获的时钟信号是与第一接收电枢175相关联的高频信号时获得的积分信号的峰值高。当然，如果施加到第二接收电枢180的时钟信号的频率是施加到第一接收电枢175的时钟信号的频率的一半，则该对应关系将会反转。

利用该特性，来自积分器电路365的输出信号可以输入到比较器370，该比较器370将峰值电压与参考电压进行比较。然后，逻辑模块375处理比较器370的输出。例如，对于较高频波，检测到没有来自比较器370的输出输入，而对于较低频波，则检测到一系列等距脉冲。逻辑模块375，通常但不必需具有组合逻辑，产生信号以驱动选择器320。

例如，如果积分信号的峰值高于参考值，则控制选择器320用“直接”驱动信号驱动功率电路155，即与位于待供电设备110上的控制电路125生成的信号具有相同的相位。相反的，如果积分信号的峰值低于参考值，则控制选择器320用“反相”驱动信号驱动功率电路155。当然，该操作也可以相反的方式进行。

最后，如果积分信号的峰值基本为零(不存在时钟信号)，则选择器320将不驱动功率电路155，而逻辑模块375还是会将激活开关225带到打开配置，为了以和先前电路类似的方式，将发送电枢165连接到电分支230，并从而连接到参考电位(例如接地)。

在此应该指出，控制模块325的积分器电路365可以被配置为直接从滤波器240的输出接收时钟信号，或者更有利地，从分频器245的适当的级的输出接收时钟信号，这并没有从概念上改变该系统。

由于信息是由指示不同接收电枢的信号之间的频率差给出，而不是由经过分频级会有丢失的占空比或幅度值来给出，所以该提出的系统也可以使用该分频信号来运行。

利用进入积分电路365的信号已经分频的优点在于包括基本上可以使用更慢的比较器370，和处理原始信号所需的比较器相比，从而更为经济。进入积分器电路365之前的信号经历的分频越多，用于比较三角波和参考电压的比较器370所需要的速度就越慢，从而显着降低其成本。为了进一步降低控制电路的成本，还可以在输出后提供额外的分级，该输出将进入到选择器320。另一个优点在于，与来自滤波器的输出信号相比，来自一个分频级的输出信号的质量更好。

为了明白发送电枢165是否面向第一接收电枢175或第二接收电枢180的第四方案，包括为每个发送组件135提供独立的传感器(例如，基于磁力、霍尔效应、电场、光、声音、RFID传输、NFC、天线等)，有源的或无源的，其能够与位于待供电设备110上的一个或多个参考元件相互作用，以便生成位置信号，该位置信号指示接收电枢175和180中的一个或两个的相对位置。每个发送组件135还可以包括能够接收由传感器生成的位置信号的逻辑模块，以便明白相应的发送电枢165是否接近第一接收电枢175、第二接收电枢180或者两者都没有接近，以相应地控制选择器320。

在这种情况下，很明显，选择“直接”驱动信号或“反相”驱动信号的原理与控制电路125发送的时钟信号无关。因此，在这种情况下，后一信号仅用于发送时钟，从而可能独立地发送用户数据。

上面提出的方案能够根据发送电枢165是面向第一还是第二接收电枢175和180，将相位偏移的电压波(通常具有相反的相位)施加于发送电枢165，该方案具有能够让传输更为有效的优点，并且在效能方面取得了许多优点。

对于文献中关于谐振放大器(例如E类或F类)的尺寸的陈述，例如，如果开关电路250使用如图7中所示的方案，可以显着减小每个开关电路250的扼流电感275的尺寸。

虽然扼流电感通常必须具有足够高的值以理想地构建电流发生器，但是在所提议的开关电路250中，扼流电感275可能会尺寸明显不足，甚至使得电流符号反转。

总体看来，电路整体构成推挽系统，所以待供电设备110的供电分支中的每个反向电流都和镜像支路(例如驱动面向第二接收电枢的板)中类似但反向的反向电流相对应。

这样，为传输电路提供全局电源的电压发生器140可以视为基本上具有电阻特性的电路，从而具有无需功率因子校正级的优化的功率因子。这是一个特别显著的优点，特别是如果小型化的要求使得不允许使用具有高电容和大尺寸的输入滤波电容器时，虽然在存在开关电路时并不明显。

如图19所示，还可以修改电源设备105以在多个待供电设备110之间构建非常高速的通信信道。

特别地，每个待供电设备110的控制电路125可以设置有编码器395，该编码器395能够向接收电枢175和/或180施加信号，该信号不仅包含时钟信号而且包含来自待供电设备110的数据(用图19中的箭头示意性地表示)。

编码器395可以对数据进行编码，例如利用诸如差分曼彻斯特、双相标记码(BMC)、8b/10b编码、64b/66b编码、64b/67b编码等编码方法。特别有利的是这些编码方法严格保证线路上的电压平均值为零。

同时，除了上述的处理时钟信号以驱动功率电路155外，电源设备105的每个发送组件135的控制模块325可以设置有解码器400，该解码器400能够解码由待供电设备110的控制电路125生成的信号所携带的其他数据，然后可以在共享总线410(例如USB 3.0总线或HDMI总线)中寻址。

通过在电源设备105上引入第二数据编码器，以及在待供电设备110上引入第二解码器，显然可以使得双向通信成立。

为了防止系统的成本过高，这是可能的，电源设备105只有一些发送组件135能够接收和/或发送数据信号，因此大多数发送组件135保持低成本且只能够管理电力传输。由于数据以非常高的频率(几十MHz、几百MHz或甚至GHz)传播，一些发送电枢165(理想情况下只有一个)的电容耦合足以发送数据信号，然后可以在适当的通信总线410上对其进行解码和路由，该通信总线410使得数据对于所有位于操作表面160上的待供电设备110均可用。

为了防止电磁污染，关于限制发射(因此一定是尺寸为非常差的天线)，通信总线410可以是这样的形状和尺寸并且可以是差分的，例如，由两个叠加的紧密的数据平面组成，差分信号通过这两个数据平面传播，并且该数据平面连接所有具有用户数据接口的初级电路，从而能够同时读取来自接收电枢的数据，该数据由位于待供电设备110上的控制器发送，以及将数据发送到发送电枢，有助于被接收电枢捕获并由位于待供电设备110上的控制器解码。

根据上述所有实施例的共同方面，每个发送组件135的发送电枢165可以被分成多个发送电枢165A，其连接到相同的功率电路155和相同的信号管理电路150，例如，为了降低操作表面160的每个单位表面积的成本。

在这种情况下，如图20所示的示例，每个发送组件135的电路图保持基本不变，但是每个发送电枢165A可以通过相应的激活开关225A连接到电分支170。

每个激活开关225A可以选择性地在关闭配置和打开配置之间切换，在关闭配置中，它将相应的发送电枢165A连接到电分支230A，该电分支230A适用于接地或其他参考电位；在打开配置中，它将发送电枢165A连接到电分支170，该电分支170连接到相关的功率电路155和相关的信号管理电路150。

电容器235A可以位于每个电分支230A上，例如，为了在位于电源设备105上和待供电设备上的数据电路之间生成接地连接，和/或为了控制电路的阻抗，以及为了在电负载115和电压140之间生成动态阻抗匹配。

使用上述类似的逻辑，电源设备105的控制电路可以控制每一个激活开关225A，根据从待供电设备110的电枢接收的信号选择哪个发送电枢165A连接到电分支170。

例如，为了周期性地一个接一个依次进入打开位置，例如借助于计时器或计数器，开关通常可以保持在关闭位置。这样可以识别子组件的发送电枢165A是否面向待供电设备110的第一接收电枢175以及哪个发送电枢165A面向待供电设备110的第一接收电枢175，随后将电压波仅施加于已识别到的发送电枢165A，而所有其他发送电枢165A可以保持无动力，即和电分支235A连接。

当然，如果用于功率电路155的驱动信号由直接位于电源设备105中的信号发生器生成，那么可以无需信号管理电路150和各种激活开关225A。

由于该方案，对于尺寸总体相同的电源设备105的操作表面160，其优点在于通过减小发送电枢165A的尺寸可以显着地增加发送电枢165A的数量，从而获得与待供电设备的接收电枢175和180非常精确的电容耦合。

另一方面，对于数量总体相同的发送电枢，其优点在于可以显着减少信号管理电路150和功率电路155的数量，从而降低系统100的总成本。

当然，发送电枢165A可以具有任何几何形状，包括不规则的几何形状。然而，诸如三角形、圆形、矩形、正方形或六边形的规则几何形状可以是特别简单和有效的。

特别地，特别有利的(但不是唯一的)实施例基本上需要将图9中所示的每个发送电枢165替换为一组发送电枢165A，该发送电枢165A具有三角形形状但相互布置为以便再次组成发送电枢165的正方形/矩形形状，例如，如图21所示，其中每个发送电枢165沿着对角线和平分线分为一组八个发送电枢165A。

信号管理电路150(如果存在)和连接到每组发送电枢165A和功率电路155可以以芯片415的形式实现，该芯片415位于矩形/正方形中心的，该功率电路155连接到每组发送电枢165A以及相关的发送感应单元420。因此，该组的每个发送电枢165A基本上等距，从而使与分布式寄生电抗相关的问题减少到最小。

发送电枢165A的三角形形状使得能够更好地接近待供电设备110(通常为矩形形状)，这些待供电设备110随机地放置在操作表面160上，因此正方形的侧面可能对准不了。由于45度对角线的优点，更有可能发现发送电枢165A的配置最接近接收电枢175和180。因此，这种构造避免了图3所示的即使没有被接收电枢175或180完全覆盖，但是部分发送电枢165仍被激活的情况，从而减少了损耗。

应当观察到，在到目前为止所描述的实施例中，两个整流器130和440的输出独立为电负载115供电，从而确保电感接收部分和电容接收部分基本上为自主运行。

然而，图22示出了所提出的电路的特别有利的变型。在该具体实施方式中，待供电设备110仅包括整流器130，在该整流器130中电感部分和电容部分协同作用。

这是通过用两个不同的接收感应元件435A替换接收感应元件435而得到，其中一个接收感应元件435A串联地插入第一接收电枢175和整流器130之间的电分支185上，而另一个串联地插入整流器130和第二接收电枢180之间的电分支190上。

每个这些接收感应元件435A可以形如线圈，例如分别围绕第一接收电枢175和第二接收电枢180共面延伸，例如如图23所示。

这样，接收感应元件435A可作多种功能：串联电感器，有助于形成功率电路的LC谐振器；接收感应元件，有助于通过在电容接收电力上增加电感接收电力，增强发送到电负载115的电力；以及低通滤波器，有助于防止控制电路输入的信号与负载相互作用。

这种实施方式是特别有利的，因为它最大限度地减少了与待供电设备110连接的必要部件的数量、尺寸和成本，同时增加了系统的多功能性和可发送的电力。

为了通过接收感应元件435A和与其连接的每个发送感应元件420之间的感应耦合来传输电力，可以以与上述相同的方式驱动位于发送感应元件420的端部的两个开关电路425。

然而，系统正常工作的条件是从接收电枢175和180接收的电压波以及由发送感应元件420和接收感应元件435A之间的磁耦合引起的电压波必须具有适当的相位和阻抗。

特别地，由于接收感应元件435A以及接收电枢175和180都连接到同一整流器130，因此必须选择发送感应元件420的激励电压，以确保接收感应元件435A上感应的电压波和接收电枢175上感应的电压波协同工作。

同样在这种情况下，用于发送组件135的功率电路155的驱动信号也可以由直接位于电源设备105上的信号发生器生成，或者由位于待供电设备110上的控制电路125生成的时钟信号生成并通过信号管理电路150捕获。

在后一种情况下，如上所述，可以通过适当控制激活开关225来控制发送组件135的选择性激活。

作为该方法的替代，可以在电感和电容支路上都实现协同数据交换，其中电感支路允许通过位于待供电设备110上的控制电路125，将简单的初始握手信号发送到位于发送组件135上的控制电路。因为通常基于电感耦合的分支具有低通或带通特性，其频带中心处频率(电力传输的频率)相对较低。一旦通过电感电路接收握手信号，控制模块322可以打开激活开关225，该激活开关225将发送电枢165连接到信号管理电路150。从而使得能够以非常高的频率接收数据并因此在电容信道上实现高比特率。在某些情况下，使用专用于数据流的电容耦合可能是有利的，能够将电力传输留给电感耦合。

图24示出了另一种变型，其使得待供电设备110能够仅包括整流器130，在该整流器130中电感部分和电容部分协同作用。

在该附加变型中，接收感应元件435和接收电枢175及180并联连接，例如将感应元件435的第一端连接到电分支185，该电分支185将整流器130连接到第一接收电枢175，以及将感应元件435的第二端连接到电分支190，该电分支190将整流器130连接到第二接收电枢。

在这种情况下，插入用于防止数据交换系统125与负载115相互作用的串联电感器205和305也是有利的，其中电感器205可以插入在电分支185上，在整流器130和接收感应元件435与电分支185的连接节点之间。而电感器305可以插入在电分支190上，在整流器130和接收感应元件435与电分支190的连接节点之间。

还应该指出的是，一些实施例可以提供图22和24中所示的这些结构之间的混合解决方案，即，其中待供电设备110同时包括图22中所示的串联电感元件435A和图24中所示的并联电感元件435。

根据适用于上述所有实施例的变型，或至少所有需要获得混合电感/电容耦合的可能性的变型，每个发送组件135可以如图25所示实现。

关于图8和后续附图所示的实施例，在该实施例中，发送感应元件420设置在电分支170上，串联于相关的开关电路250和相关的发送电枢165之间。

实际上，该实施例需要直接用感应元件420更换在图8及后续附图中的实施例中早已提供的电感器220。

当然，如上面的描述中所说明的，由于这样的事实：控制开关电路250的时钟信号直接由电源设备105或由待供电设备110生成，因此发送组件135的后一实施例可以独立使用。

利用图25的电路解决方案，在系统100的优选实施例中，最后，图9中所示的每个发送电枢165可以由一组发送电枢165B代替，例如，比如如图26所示基本上具有三角形形状的四个一组的发送电枢165B，为了限定单个发送组件135的发送装置145，其中每个发送电枢165B与相应的发送感应元件420(例如，与其相邻的那个)相关联。

当然，如果发送组件符合图8及后续附图的实施例，则也可以采取对发送电枢165进行分割。

应当注意，使用具有混合电容/电感型发送装置145的发送组件135的实施例用途广泛。

特别地，在不同的以及独立的工作频率上，基于不同的接收原理(例如，电容、电感、谐振磁、RF等等)，以及凭借通过在次级电路和/或电源设备105的电路上插入适当的无源或有源匹配网络的可能性，使用单个电源设备105，可以和放置在不同距离的不同的待供电设备110建立多个再充电耦合。

例如，如果电源设备105和待供电设备110之间的距离非常小(例如，直接承载在电源设备105的操作表面160上的笔记本电脑或蜂窝电话)，那么系统可以有利地并且优选地利用电容耦合，以及可能利用电感耦合仅作为额外的电源贡献。

反之亦然，在更远的距离上，电感耦合可能是有利的，并且随着距离的增加，通过谐振磁耦合的方式动态地重新配置系统来工作可能是有用的，以及在甚至更远的距离上，用作与一个或多个接收天线连接的发射传输天线。

通过动态地改变电容、电感、谐振磁和/或基于天线之间的优选耦合的类型，这不仅使得对在操作表面160上的任意位置的待供电设备110能够实现功率传输，而且对在正交/垂直方向的各种距离(从几厘米到几米)上的待供电设备110也能实现功率传输。

还应该强调的是，电感和电容的发送元件，特别是在远距离的发送元件，可以用作高频(例如，RF)驱动多个天线，从而在空间中产生相长干涉和相消干涉，例如有助于通过特别精确的定向波束到达目标天线。

还应该强调的是，发送组件135的控制系统仅能够激活位于接收电枢175和180附近以及接收感应元件435/435A附近的发送电枢165和发送感应元件420，从而能够非常有效地近似待供电设备110的形状。

还应该强调的是，具有混合电容/电感的发送装置145的发送组件135也可以与仅具有电感或电容的接收装置的待供电设备110兼容，并且根据传输器和接收器的尺寸和数量，可以使系统的工作频率从几百kHz到几千kHz不等。

因此，依靠基于电容、电感、基于天线或混合耦合的操作表面160，所提出的系统特别适合于高功率以及高速信号的无线传播。该操作表面160可以包括发送装置145的矩阵，该发送装置145由发送电枢165和发送感应元件420组成，并由适当的功率电路155和信号管理电路150控制。当操作表面160接近待供电设备110(例如智能手机、笔记本电脑、显示器、计算机和电视机)时，待供电设备110中插入的接收电枢175和180(通常尺寸比发送电枢165大)，随即确定电容，通过这种方式甚至可以同时传输功率和数据。同时，对于现有技术也是有利的，为了建立(也是用于)电感传输，也可以在相应的接收感应元件435/435A和发送感应元件420之间建立电感耦合，根据接收感应电路的阻抗和形状动态地重新配置传输电路。

特别重要的是要强调，为了进一步降低工业化成本，和在LCD显示器领域成功使用一样，上述电源设备105的任何实施例都可以使用薄膜晶体管(TF)技术获得。通过这些技术，可以绘制有源部件，尤其是有助于绘制驱动每个电枢的电源开关(例如，直接位于基板上的N沟道MOSFET)，从而大大降低了系统的成本。

类似地，可以直接在构成薄膜的导电层中绘制无源元件(特别是电感器和电容器)。这样，由于所有功率电路(开关和无源元件)和大多数信号电路(特别是但不限于无源元件和滤波器)在导电层上基本上以零成本绘制，电源设备105变成一种非常简单的用于供电的平板或薄膜，能够灵活切割并可以通过极其经济的集成电路进行控制。

因此，该平板或薄膜可以容易地插入家具和装备(例如桌子、墙壁、书桌、家居用品或地板)中，并且允许以经济和有效的方式进行无线供电以及将装置(比如显示器、电视机、电脑、笔记本电脑、智能手机、平板电脑、可穿戴设备、家用电器以及任何其他电气和电子设备)互相连接。

显然，在不脱离本发明的权利要求的范围的情况下，本领域普通技术人员可以对上述发明进行众多技术/应用修改。

Claims (12)

1.一种用于将电力无线传输到电负载(115)的系统(100)，包括：

-电源设备(105)和

-待供电设备(110)，和所述电源设备物理分离并独立于所述电源设备，

其中，所述待供电设备(110)包括：

-待供电的电负载(115)，和

-接收装置(120)，和所述电负载(115)连接并包括至少一个接收感应元件(435)，

其中所述供电设备(105)包括多个电力发送组件(135)，每个所述电力发送组件包括：

-发送装置(145)，包括至少一个能够实现与所述接收感应元件(435)感应耦合的发送感应元件(420)，以及

-功率电路(155)，适于向所述发送装置(145)施加随时间周期性变化的电压波；

其中，所述发送组件(135)的发送感应元件(420)分别具有平面构造并且在电源设备(105)的操作表面(160)上并排地全局定位，以这种方式以便形成网格。

2.根据权利要求1所述的系统(100)，其特征在于，所述发送感应元件(420)各自具有细长形状。

3.根据权利要求1或2所述的系统(100)，其特征在于，所述发送感应元件(420)具有直线延展，并且通过纵向行和横向行全局对齐，其中所述横向行与所述纵向行交叉以限定所述网格。

4.根据前述权利要求中任意一项所述的系统(100)，其特征在于，每个发送感应元件(420)由导线段或导电材料带组成。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的系统(100)，其特征在于，所述电源设备(105)的操作表面是平坦的或弯曲的表面。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的系统(100)，其特征在于，所述电源设备(105)的每个发送组件(135)的发送装置(145)还包括：

-至少一个和相应的功率电路(155)连接的发送电枢(165)，所述发送电枢(165)定位在所述供电设备(105)的所述操作表面(160)上所述传输感应元件(420)的网格的网眼(222)内；

其中，所述待供电设备(110)的所述接收装置(120)还包括：

-第一接收电枢(175)，和所述电负载(105)连接并适于面向第一发送组件(135)的发送电枢(165)，以实现电容连接的第一电容，

-第二接收电枢(180)，和所述电负载(105)连接并适于面向第二发送组件(135)的发送电枢(165)，以获得所述电容连接的第二电容。

7.根据权利要求6所述的系统(100)，其特征在于，所述电源设备(105)的每个发送组件(135)的所述发送装置(145)包括和相应的功率电路(155)连接的多个发送电枢(165A)，并且所述多个发送电枢(165A)定位在所述发送感应元件(420)的网格的相同网眼(222)内。

8.根据权利要求6到7中任意一项所述的系统(100)，其特征在于，所述待供电设备(110)的所述接收装置(120)包括两个接收感应元件(435A)，所述接收感应元件(435A)能够实现与所述供电设备(105)的一个或多个发送感应元件(420)的感应耦合，其中第一接收感应元件串联连接在所述第一接收电枢(175)和所述电负载(115)之间，第二发送感应元件串联连接在所述第二接收电枢(180)和所述电负载(115)之间。

9.根据前述权利要求中任意一项所述的系统(100)，其特征在于，每个发送组件(135)的功率电路(155)包括至少一个开关电路(250，425)，其适于接收驱动信号，并以间歇性和周期性的方式将发送装置(145)和电压发生器(140)连接，其频率等于所述驱动信号的频率。

10.根据权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述开关电路(250，425)包括串联连接在所述电压发生器(140)和参考电位之间的一对电开关(255，260)，所述开关之间包括和所述发送装置(145)连接的中心节点(265)。

11.根据权利要求9所述的系统(100)，其特征在于，所述开关电路(250，425)包括串联连接在所述电压发生器(140)和参考电位之间的电感器(275)和开关(280)，在所述电感器和所述开关之间包括和发送装置(145)连接的中心节点(285)。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的系统(100)，其特征在于，每个发送组件(135)还包括：

-监测系统，适于检测每个发送组件(135)与待供电设备(110)之间的相对位置；

-选择系统，适于基于所述监测系统做出的检测来选择发送组件(135)的阵列，所述发送组件(135)的发送装置(145)处于适当的位置，以实现与所述电源设备(105)的接收装置(120)的感应耦合；以及

-控制系统，适于激活属于所选阵列的发送组件(135)的功率电路(155)。