CN111448630B

CN111448630B - 用于无线电力传送的线圈设计

Info

Publication number: CN111448630B
Application number: CN201880072832.0A
Authority: CN
Inventors: 古斯塔沃·J·梅哈斯; 戚韬
Original assignee: Integrated Device Technology Inc
Current assignee: Renesas Electronics America Inc
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: WO2019126661A1; KR102537659B1; US20190198240A1; KR20200063185A; CN111448630A; US10923273B2

Abstract

在一些实施例中，提供了发射线圈结构。根据一些实施例的用于无线发射器的线圈结构可以包括：多个线匝，所述多个线匝耦接在第一抽头和第二抽头之间，所述第一抽头耦接到最内部线匝，所述第二抽头耦接到最外部线匝；以及至少一个调节抽头，所述至少一个调节抽头耦接到发射线圈的在所述最内部线匝和所述最外部线匝之间的至少一个线匝。发射线圈可以包括耦接到该发射线圈的第二抽头的MST线圈。在一些实施例中，所述MST线圈可以包括：布置成圆形、椭圆形、蛋形或方形中的一个的多个线匝。

Description

用于无线电力传送的线圈设计

相关申请

本公开要求于2017年12月21日提交的美国临时申请62/609,243和于2018年12月20日提交的美国非临时申请号16/228,551的优先权，其全部内容通过引用被并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及无线充电器系统，具体涉及在无线电力传送系统中使用的线圈设计。

背景技术

诸如智能电话、平板计算机、可穿戴设备和其他设备之类的移动设备越来越多地使用无线充电系统。通常，无线电力传送涉及驱动发射线圈的发射器和带有被放置在发射线圈附近的接收器线圈的接收器。接收器线圈接收由发射线圈生成的无线电力，并使用接收到的电力来驱动负载，例如为电池充电器提供电力。

通常，无线电力系统包括：发射线圈，被驱动以产生时变磁场；和接收器线圈，相对于发射线圈定位以接收在时变磁场中发射的电力。这样的线圈也可以用于发射器和接收器之间的数据的磁安全传输(MST)或与之一起使用。

目前有多个不同的标准用于无线电力传送。更常见的无线电力传输标准包括无线充电联盟(Alliance for Wireless Power)(A4WP)标准和无线充电结盟(Wireless PowerConsortium)标准(Qi标准)。根据无线充电结盟Qi规范，利用谐振电感耦合系统以接收器线圈电路的谐振频率对单个设备进行充电。在Qi标准中，接收设备线圈被放置得靠近发射线圈，而在A4WP标准中，接收设备线圈可能与属于其他充电设备的其他接收线圈一起被放置在发射线圈附近，。

通常，无线电力系统包括：发射线圈，被驱动以产生时变磁场；和接收器线圈，其可以是相对于发射线圈定位以接收时变磁场中发射的电力的诸如蜂窝电话、PDA、计算机或其他设备之类的设备的一部分。线圈的设计可以影响无线电力传送的效率。

在大多数系统中，发射器包括高效发射无线电力的发射线圈，而接收器包括高效接收无线电力的接收器线圈。发射线圈和接收器线圈具有用于执行其功能的不同的构造。

因此，需要开发用于无线电力传输的更好的线圈技术。

发明内容

在一些实施例中，提供发射线圈结构。根据一些实施例的用于无线发射器的线圈结构可以包括：多个线匝，所述多个线匝耦接在第一抽头和第二抽头之间，所述第一抽头耦接到最内部线匝，所述第二抽头耦接到最外部线匝；以及至少一个调节抽头，所述至少一个调节抽头耦接到所述发射线圈的在所述最内部线匝和所述最外部线匝之间的至少一个线匝。无线电力传输系统可以包括：控制器；发射线圈，所述发射线圈包括多个线匝和至少一个调节抽头，所述多个线匝具有最内部线匝和最外部线匝，所述最内部线匝耦接到第一抽头，所述最外部线匝耦接到第二抽头，所述至少一个调节抽头耦接到所述发射线圈的在所述最内部线匝和所述最外部线匝之间的至少一个线匝，所述第二抽头耦接到所述控制器的第一输出节点并且所述第一抽头耦接到所述控制器的第二输出节点；以及至少一个开关，该至少一个开关由控制器控制并且耦接在第二抽头和该至少一个调节抽头之间，其中，传输控制器调节该至少一个开关以控制发射线圈的有效面积。发射线圈可以包括耦接到该发射线圈的第二抽头的MST线圈。在一些实施例中，所述MST线圈可以包括：布置成圆形、椭圆形、蛋形或方形中的一个的多个线匝。

下文针对以下附图进一步讨论这些及其他实施例。

附图说明

图1示出发射线圈的面积大于接收线圈的面积时的发射线圈和接收线圈周围的磁场。

图2示出发射线圈的面积小于接收线圈的面积时的发射线圈和接收线圈周围的磁场。

图3A示出根据一些实施例的可以调节面积的发射线圈。

图3B示出根据一些实施例的与MST线圈组合的发射线圈。

图4示出耦接到发射器控制器的图3B中的发射线圈。

图5A和图5B示出根据一些实施例的示例MST线圈周围的磁安全传输性能。

图6A和图6B示出根据一些实施例的线圈的另一示例周围的磁安全传输性能。

图7A和图7B示出根据一些实施例的线圈的另一示例周围的磁安全传输性能。

图8A、图8B和图8C示出根据一些实施例的各种线圈设计的磁场性能。

图9A、图9B、图9C和图9D示出可以在本发明的实施例中使用的一些线圈设计形状。

下面进一步讨论本发明的这些和其他方面。

具体实施方式

在下文的描述中，阐述描述本发明的一些实施例的具体细节。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。本文公开的具体实施例意在是说明性的而不是限制性的。本领域技术人员可以实现尽管在此未具体描述但在本公开的范围和精神内的其他元件。

说明创造性的方面和实施例的描述不应被理解为进行限制——由权利要求定义所保护的发明。在不脱离本说明书和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。在一些实例中，为了不使本发明变得模糊，没有详细地示出或描述已知的结构和技术。

根据一些实施例的发射线圈可以包括：多个线匝，所述多个线匝耦接在第一引线和第二引线之间；以及至少一个抽头，所述至少一个抽头耦接到发射线圈的在第一引线和第二引线之间的点处的线匝。在一些实施例中，磁安全传输(MST)线圈可以耦接到多个线匝的外部线匝。

图1示出在无线电力传输结构100中相距一定距离定位的发射线圈106和接收线圈104之间的磁场强度。如图1所示，发射线圈106安装在基板108上，而接收线圈104安装在基板102上，它们中的每一个可以使用铁磁材料。在结构100中，接收线圈104的面积小于发射线圈106的面积。尽管可以使用任何直径和线匝数，但是在许多情况下，发射线圈106可以具有10cm量级的直径。铁氧体材料位于发射中心处。

如图1所示的磁场图所示，结构100周围的磁场强度示出区域118、区域122和区域114中的强磁场。强磁场强度122通过线圈104来进行耦合。如图1所示，在大约3A的电流通过发射线圈106的情况下，区域116、区域118和区域122中的磁场为约1E-2特斯拉，区域114中的磁场强度为约3E-2特斯拉。区域110中的磁场强度为约1E-3特斯拉，而区域112中的磁场强度为约1E-5特斯拉。在这样的系统中，可能存在大量的友好金属加热(friendly metalheating)，从而导致电力传送系统效率下降，并有可能在接收设备中造成加热损坏。友好金属出现在接收设备中的区域118、区域120、区域110和区域112附近。

在接收线圈的面积大于发射线圈的面积的系统中，发热量会低得多。图2示出在安装在基板208上的发射线圈206上方间隔距离放置的安装在基板202上的接收线圈204。如图2所示，接收线圈204的面积大于发射线圈206的面积。如图2所示，磁场被分散，使得大部分磁场都通过接收线圈。如图2所示，区域210具有大约1E-2特斯拉的最强的场，而区域212是大约3E-3特斯拉的场。磁场变弱，使得区域214具有约3E-4特斯拉的场，并且区域216具有4E-5特斯拉的场。因此，如上所述，大多数磁场被接收到线圈204的区域中。

本领域的技术人员将认识到，图1和图2中提供的磁场强度数据是相关的，并且指示这些线圈的一个示例。实际磁场强度取决于线圈结构、线圈面积、线匝数、通过线圈的电流以及其他参数。提供磁场强度的示例可提供线圈结构的性能的相关表示。

在一些实施例中，可以在发射线圈中提供额外的抽头来根据需要减小发射线圈的面积。在图3A中示出这样的发射线圈300。如图3A所示，发射线圈结构300包括螺旋绕组308，其中，第一抽头302耦接到螺旋绕组308的外端，而第二抽头306耦接到螺旋绕组308的内端。然后第三抽头304可以耦接到螺旋绕组308中的中间点。通常，在发射线圈中可以有多个抽头，以便进一步调节发射线圈相对于接收线圈的面积，从而减少电力传送过程中承受的热量。因此，可以将发射线圈结构300的有效部分的大小调节为紧邻发射线圈300放置的接收线圈的大小，以便减少所得到的系统中的热量。

如图3A中所示，第三抽头304可被配置为减小发射线圈300的有效面积，然而，它也将发射线圈绕组线匝数减少例如一半。然后可以减小被施加在发射线圈300的有效部分上的整流器电压V_rect，以进行补偿。例如，如果将抽头304布置为将线圈308的线匝数减少1/2，则电压V_rect可以减小1/2，这可以导致电压从8V降低至4V。将整流器电压提高(例如从8V增加到16V)可以帮助提高效率。这样的系统可以包括电力管理IC，其可以将来自电池的电压升高。电力接收器的Vrect节点也应该能够处理增大的电压。此外，任何大的残留发射铁氧体可以降低减小发射线圈300的有效面积的效果。

图3A示出具有耦接到线圈308的中间线匝的一个附加抽头304的发射线圈300。以这种方式，可以根据条件修改发射线圈300的大小，以提供与对应接收线圈的更好的耦合。在一些实施例中，可以添加多于一个的附加抽头304以在发射线圈300的有效部分的大小上提供另外的灵活性。此外，如图3B所示，发射线圈300可以与另外的线圈组合。

图3B示出由图3A所示的发射线圈308与磁安全传输(MST)线圈310组合而形成的线圈结构312。发射线圈300和MST线圈310的组合可以在提供MST通信的系统中使用。如图3B所示，MST线圈310耦接到发射线圈结构300的抽头(tab)302，并提供耦接到线圈310中的另一个抽头314。在一些实施例中，线圈308的部分也用于MST通信中。

图4示出具有耦接到图3A和3B所示的发射线圈300的控制系统402的发射系统400。控制系统402可以是单个IC，其包括在输出AC1和输出AC2之间的开关电路。输出AC1和输出AC2可以用于电力和MST通信的无线传输。开关电路耦接到电压V_rect，电压V_rect通过开关410从电池电压V_bat提供给控制系统402。如上所述，可以以任何电平提供输入整流器电压V_rect。发射线圈300耦接在输出AC1和输出AC2之间，其中，抽头302和抽头304可通过开关406短路。此外，MST线圈310可以耦接以提供通信。MST线圈310还可以耦接在AC1和AC2之间以提供通信，只要由线圈310产生的MST线圈和线圈300的结果谐振时间常数大于在适当位置的电容器404的LC时间即可。

控制系统402可包括微控制器操作固件，其可以用于控制发射线圈和处理数据的磁安全传输(MST)。使用发射线圈300上的抽头302、抽头304和抽头306来减小发射线圈的面积可以减少来自友好金属加热的热。在一些情况下，被示出为开关406、开关408和开关410的两个背对背的MOSFET可以用于隔离线圈结构312的部分。开关406、开关408和开关410由来自控制系统402的控制信号控制。如图所示，可以控制开关408和开关410以在MST模式和发射模式之间切换。对开关406进行控制以减小或扩大发射线圈结构300的面积。在一些实施例中，开关406可以代表多个单独的开关，它们跨多个调节抽头来调节线圈300的大小。可以将单独的开关放置在成对的抽头之间，以便调节线圈结构300的有效面积的大小。此外，发射线圈300可以以更高的开关频率操作。较高的电压系统输入电压可以用于效率，并且可以在调节线圈300的线匝数时如上所述进行调节。控制系统402还可以监视无线传输的效率，以将线圈结构的面积调节为小于被放置在发射线圈结构300的附近的接收线圈的面积。

改变线圈结构300中的线匝数的附加原因是将发射线圈300的几何形状与对应接收线圈的几何形状对准。一些线圈具有大的OD和大的ID，一些线圈具有小的OD和小的ID。改变抽头允许控制系统402为较宽范围的线圈大小布置良好的耦合(因此具有良好的效率)。具体示例是电话用线圈与手表用线圈。电话线圈趋向于为44mm的OD和20mm的ID，而可穿戴设备通常趋向于具有20mm的OD和14mm的ID。因此，使用OD为44mm、抽头在20mm处且ID为14mm的线圈，使控制系统402根据需要在电话线圈和手表线圈之间进行调节。

通过更好的输入电压也可以减少热量。当发射器在整流器上使用5V至12V的电压时，可以提高电力传送效率。在一些情况下，发射控制器402可以提供升压输入。接收器充电系统应该能够接受由工作在较高电压下的发射线圈300产生的附加电压。

在一些实施例中，如图3B所示，可以将MST线圈310并入为发射线圈300的一个或两个部分。在这种情况下，可以测试发射线圈300作为用于无线电力传送的发射线圈和用于MST通信的通信线圈的功效。

图5A、图5B、图6A、图6B、图7A和图7B示出针对常规线圈设计结构的MST测试操作。这些附图中测试的测试线圈设计类似于图3A和图3B所示的线圈，除了不存在类似于如本发明的实施例中所存在的连接到线圈的中间线匝的抽头304的附加抽头。图5A和图5B测试带有附加MST组件的常规线圈。图6A、图6B、图7A和图7B测试没有MST组件的常规线圈。下面讨论本发明的某些实施例的性能。测试是通过利用根据x-y平面中的位置定位在线圈平面上方一定距离处的MST接收线圈来测量MST传输失败或成功来执行的。此外，也可以测试y-z平面中的性能。

图5A和图5B示出MST操作图(operation map)和测试结果，其中，测试发射线圈所连接的MST段。在没有MST开关的情况下，待测试的线圈连接在AC1和AC2之间，如图4中针对发射线圈300所示的，并且用作MST线圈。V_rect被设置为4.2V，数据传输速率被设置为900μS的波特率。包括发射线圈和MST线圈的被测试的发射线圈是具有电感L＝20.48μH和1.8欧姆的电阻R的线圈。图5A示出在X-Y平面中的地图，其中，接收线圈的中心被定位在被测试的发射线圈上方2cm处并且被定位在所指示的x-y位置。图5B示出类似的z-y地图，其中，x设置在0cm处。通常，发射线圈的面积是x-y平面，而距发射线圈的距离被指定为z方向。图5A和图5B示出在可以发射MST数据的情况下接收线圈关于诸如线圈300之类的发射线圈的相关位置的范围。如图5A所示，对于在每个位置处的数据的传输，在x-y平面中的合格率是在153个位置中总共有116个合格(成功率为75.8％)。如在2018年7月5日提交的美国申请号16/028,207中公开的那样，此处的测试是通过经切换的MST执行的，该申请的全部内容通过引用并入本文。

图6A和图6B示出利用相同测试线圈的类似测试，其中未使用相关联的MST线圈。如通过图4中的发射线圈300所示，测试线圈连接在AC1和AC2之间。在这个测试配置中，V_rect设置为4V，MST波特率设置为300μS。发射线圈(无MST部分)具有L＝8.5μH的电感和电阻R＝0.36ohm。线圈电流保持在3A。如前所述，图6A示出在x-y平面中使用接收线圈的数据传输的效果，该接收线圈在发射线圈的x-y平面上方距离z＝2cm处并且被定位在所指示的x-y位置。图6B示出在x被保持为0的y-z平面中的效果。如图6A所示，x-y平面中的合格率总计为120(78.4％)，这比图5A和图5B中所示的结构略好。

图7A和图7B示出类似的测试，其中，如图6A和图6B所述配置测试线圈，通过线圈的电流增大。图7A示出在x-y平面中MST数据传输的性能，其中，接收器线圈被定位在发射线圈的x-y平面上方2cm的z距离处。图7B示出当接收线圈在x＝0的y-z平面上四处移动时的性能。如图7A所示，x-y平面中的合格率上升到总计129(84.3％)，合格率得到了改善。

因此，该测试是仅在如图4所示的AC1和AC2之间连接无线电力线圈(无MST线圈)的情况下进行的。V_rect＝4V且MST波特率设置为300μS。如上所述，线圈具有L＝8.5μH的电感和0.36欧姆的电阻。线圈电流被设置为3.8A。如图7A和图7B所示，增加的电流提供数据的MST的更好性能。

如图3A和图3B所示的本发明的实施例可以导致更高的测试结果。在如上所述的类似测试中，在图4所示的开关406接合的情况下，如上所述的线圈312可以得到在线圈308和线圈310组合时的x-y平面中总计170的合格率。仅使用线圈308，合格率可以是142。此外，如上所述，发射线圈300可以被配置为调节发射线圈300的有效部分的大小，从而在电力传送期间减少热量。使用发射线圈结构312可以使MST性能更好，并且可以通过增大通过发射线圈312的电流来提高性能。

除了提供具有多个抽头的发射线圈(例如，如图3A和图3B所示的发射线圈300)之外，还可以调节MST线圈310的形状以优化MST传输性能。图8A、图8B和图8C示出线圈形状在无线电力传送和MST数据传送二者中对发射线圈的性能的一些影响。

图8A示出根据本发明一些实施例的椭圆形MST线圈800，其可以用作如图3B所示的线圈310。椭圆形MST线圈800可以包括形成在基板804上的椭圆形绕组802。在一些实施例中，基板804可以是铁氧体材料。类似地，图8B示出圆形MST线圈810，其可以用作如图3B所示的MST线圈310。圆形线圈810包括布置在基板814上的绕组812。同样，基板814可以是铁氧体材料。在一些实施例中，圆形线圈810可以代表系统中不存在MST线圈310时的线圈308(例如，通过发射线圈308执行MST传输)。

图8C示出作为被测试的线圈上方2cm的高度处的位置的函数的磁场的y分量的磁场强度。在图8C的图示中，椭圆形发射线圈800和圆形发射线圈810的抽头使用整个线圈。在图8C中，曲线820示出由6厘米宽(沿y方向)椭圆形线圈800产生的磁场的y分量的磁场强度。曲线822示出由10厘米直径的圆形线圈810产生的磁场的y分量的磁场强度。线圈可以布置为具有相同的线圈电阻特性。如图所示，WPC线圈和MST线圈以及单独的WPC线圈二者都通过了MST测试。在一些实施例中，额外的铁氧体可以用于椭圆形线圈800。此外，可以在圆形发射线圈810中使用大电流。曲线824示出常规的WPC线圈。可以看出，椭圆形线圈极大地增强了线圈区域上方的磁场的y分量。

在一些实施例中，如上所述，使用椭圆形线圈可以看到MST的改善。此外，可以使用额外的铁氧体。可以预期线圈电阻(DC电阻和AC电阻)与如图3B所示的发射线圈308的电阻匹配。这样的布置可以提供约25％的更好覆盖率，而合格率测试结果要高得多。此外，在一些实施例中可以使用更大的电流。但是，这种方法可能会导致铁氧体饱和、电池消耗增加、以及控制器IC大小增加。

图9A、图9B、图9C和图9D示出根据本发明的一些实施例的可以用作线圈结构312中的线圈310的各种形状的线圈。图9A示出圆形线圈902。图9B示出椭圆形线圈904。图9C示出“蛋形”线圈906。图9D示出方形线圈908。如关于图3B所示的线圈结构312的线圈310所讨论的，线圈902、线圈904、线圈906和线圈908中的每个线圈都可以与具有多个抽头的发射线圈308组合，从而调节发射线圈的有效面积以减少热量。如结合图8C所讨论的，椭圆形发射线圈904可以导致沿中心轴线的磁通量增加约25％。然而，蛋形发射线圈906可以在电话的顶部提供最大的场，这是期望通量以获得更好的MST传送的地方。

提供以上详细描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是旨在进行限制。在本发明的范围内的许多变化和修改是可能的。本发明在所附权利要求中阐述。

Claims

1.一种用于无线发射器的线圈结构，包括：

无线电力发射线圈，具有多个线匝，所述多个线匝耦接在第一抽头和第二抽头之间，所述第一抽头耦接到最内部线匝，所述第二抽头耦接到最外部线匝；

至少一个调节抽头，所述至少一个调节抽头耦接到所述无线电力发射线圈的在所述最内部线匝和所述最外部线匝之间的至少一个线匝，所述调节抽头调节所述多个线匝相对于接收线圈的面积；以及

耦接到所述多个线匝的所述第一抽头或所述第二抽头中的至少一个的磁安全传输MST线圈，所述MST线圈与所述发射线圈分离。

2.根据权利要求1所述的线圈结构，其中，所述MST线圈包括形成为圆形的多个线匝。

3.根据权利要求1所述的线圈结构，其中，所述MST线圈包括形成为椭圆形的多个线匝。

4.根据权利要求1所述的线圈结构，其中，所述MST线圈包括形成为蛋形的多个线匝。

5.根据权利要求1所述的线圈结构，其中，所述MST线圈包括形成为方形的多个线匝。

6.根据权利要求1所述的线圈结构，还包括铁氧体材料。

7.一种无线电力传输系统，包括：

传输控制器；

无线电力发射线圈，所述无线电力发射线圈包括多个线匝和至少一个调节抽头，所述多个线匝具有最内部线匝和最外部线匝，所述最内部线匝耦接到第一抽头，所述最外部线匝耦接到第二抽头，所述至少一个调节抽头耦接到所述无线电力发射线圈的在所述最内部线匝和所述最外部线匝之间的至少一个线匝，所述第二抽头耦接到所述控制器的第一输出节点并且所述第一抽头耦接到所述控制器的第二输出节点；

至少一个开关，所述至少一个开关由所述控制器控制并且耦接在所述第二抽头和所述至少一个调节抽头之间，

其中，传输控制器调节所述至少一个开关以控制所述无线电力发射线圈相对于接收线圈的有效面积，以及

其中，所述无线电力传输系统还包括：磁安全传输MST线圈，所述MST线圈耦接到所述发射线圈的所述第一抽头或所述第二抽头中的至少一个，其中，所述传输控制器还耦接到所述磁安全传输MST线圈。

8.根据权利要求7所述的传输系统，其中，所述发射线圈的有效面积由所述传输控制器调节为小于接收器线圈的面积。

9.根据权利要求7所述的传输系统，其中，所述发射线圈的所述多个线匝形成在包括铁氧体的基板上。

10.根据权利要求7所述的传输系统，其中，所述MST线圈包括布置成圆形的多个线匝。

11.根据权利要求7所述的传输系统，其中，所述MST线圈包括布置成椭圆形的多个线匝。

12.根据权利要求7所述的传输系统，其中，所述MST线圈包括布置成蛋形的多个线匝。

13.一种用于无线传输电力的方法，包括：

驱动无线电力发射线圈，所述无线电力发射线圈包括多个线匝和至少一个调节抽头，所述多个线匝具有最内部线匝和最外部线匝，所述最内部线匝耦接到第一抽头，所述最外部线匝耦接到第二抽头，所述至少一个调节抽头耦接到所述无线电力发射线圈的在所述最内部线匝和所述最外部线匝之间的至少一个线匝；

驱动耦接到所述多个线匝的所述第一抽头或所述第二抽头中的至少一个的磁安全传输MST线圈；以及

根据接收器线圈的面积，使用所述至少一个调节抽头来调节所述无线电力发射线圈的面积。