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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Antenne zur Verwendung in drahtlosen Ladeanwendungen wie beispielsweise drahtlos wiederaufladbare Vorrichtungen und drahtlose Ladegeräte und eine drahtlos wiederaufladbare Vorrichtung und ein drahtloses Ladegerät mit der Antenne.
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Hintergrund der Erfindung
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Es besteht ein zunehmendes Interesse an dem Gebiet des drahtlosen Ladens für batteriebestromte tragbare Vorrichtungen wie beispielsweise Mobiltelefone, Tabletrechner und dergleichen. Vorrichtungen, die zum drahtlosen Laden fähig sind, müssen nicht physikalisch mit einer Ladestromquelle wie beispielsweise einem netzbestromten Ladegerät verbunden sein. Stattdessen können solche Vorrichtungen einfach auf ein drahtloses Ladegerät gelegt werden, das drahtlos Ladeenergie für die Vorrichtung bereitstellt, typischerweise durch induktive Kopplung.
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Es gibt eine Anzahl verschiedener Normen zum drahtlosen Laden, die durch verschiedene Organisationen gefördert werden. Beispielsweise hat das Wireless Power Consortium eine als die Qi-Spezifikation bekannte Norm entwickelt, während die Alliance for Wireless Power (A4WP) ihre eigene Norm entwickelt hat. Zusätzlich werden durch das NFC-Forum zur Verwendung von Nahfeldkommunikations-(NFC – Near Field Communication)Technik Vorschläge zum drahtlosen Laden entwickelt.
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Momentan entstehen die Normen A4WP und NFC-Forum, während viele Vorrichtungen bestehen, die Qi zum drahtlosen Laden benutzen. Diese Lage kann sich zukünftig ändern, da die A4WP-Norm durch eine zunehmende Anzahl von Vorrichtungsherstellern akzeptiert wird. Letztendlich kann sich die Norm des NFC-Forums jedoch als die kostengünstigste für viele Anwendungen erweisen, da NFC-Systeme und Antennen bereits in einer Anzahl von Vorrichtungen vorhanden sind und die Verwendung von NFC zuzunehmen bestimmt ist. Die bei der Zufügung drahtloser Ladeschaltungen zu bestehenden NFC-ausgerüsteten Vorrichtungen aufkommenden Kosten zum Zulassen drahtlosen Ladens bei NFC-Frequenzen werden aufgrund der bestehenden NFC-Infrastrukur in den Vorrichtungen minimal sein.
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Bis eine der bestehenden und vorgeschlagenen Normen zu drahtlosem Laden eine Stellung von Marktvorherrscherschaft erreicht, sehen sich Vorrichtungshersteller einer schwierigen Wahl gegenüber, welche Norm anzunehmen ist. Eine Lösung dieses Problems besteht in der Herstellung von Hardware zum drahtlosen Laden entweder für das Ladegerät oder die zu ladende Vorrichtung (oder beide), die unter allen drei Normen fungieren kann.
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Die bestehenden oder vorgeschlagenen Normen sind jedoch unverträglich zueinander, da sie auf verschiedenen Frequenzbändern wirken. Die Qi-Norm benutzt eine Ladefrequenz von rund 100 kHz, während die A4WP-Norm eine Ladefrequenz von rund 6,78 MHz benutzt, und die durch das NFC-Forum vorgeschlagene Norm benutzt eine Ladefrequenz von rund 13,56 MHz. Dieser Bereich von Frequenzen stellt eine bedeutsame Herausforderung dar, da, obwohl Breitbandverstärker, die diesen Frequenzbereich unterstützen, leicht verfügbar sind, Antennen, die über diesen Frequenzbereich wirksam fungieren, es nicht sind.
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Kurzfassung der Erfindung
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Antenne zum drahtlosen Laden vorgesehen, wobei die Antenne eine Spule mit einer festen Induktivität und eine feste Fläche umfasst, so dass die Antenne in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 13,56 MHz betreibbar ist.
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Die feste Induktivität kann beispielsweise rund 8 μH betragen.
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Die feste Fläche kann im Bereich von rund 1089 mm2 bis rund 1899 mm2 liegen.
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Die feste Fläche kann beispielsweise rund 1450 mm2 betragen.
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Die Spule kann allgemein spiralförmig sein.
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Alternativ kann die Spule allgemein rechteckförmig sein.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine drahtlos wiederaufladbare Vorrichtung mit einer Antenne gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen.
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Die drahtlos wiederaufladbare Vorrichtung kann ferner eine Abstimmkomponente zum Abstimmen der Antenne auf eine gewünschte Resonanzfrequenz umfassen.
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Die Abstimmkomponente kann eine veränderliche Kapazität umfassen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein drahtloses Ladegerät, umfassend eine Antenne nach dem ersten Aspekt bereitgestellt.
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Das drahtlose Ladegerät kann ferner eine Abstimmkomponente zum Abstimmen der Antenne auf eine gewünschte Resonanzfrequenz umfassen.
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Die Abstimmkomponente kann eine veränderliche Kapazität umfassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es werden nunmehr Ausführungsformen der Erfindung strenggenommen nur beispielhaft beschrieben unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, von denen
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1 eine schematische Darstellung eines drahtlosen Ladesystems ist;
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2 eine schematische Darstellung mit beispielhaften alternativen Antennenformen ist;
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3 eine grafische Darstellung von Empfangsleistung an einer Zielvorrichtung mit einer Universalantenne ist, wenn eine Ladefrequenz von 13,56 MHz benutzt wird; und
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4 eine grafische Darstellung von Empfangsleistung an einer Zielvorrichtung unter Verwendung einer Universalantenne ist, wenn eine Ladefrequenz von zwischen rund 100 kHz und rund 200 kHz benutzt wird.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 ist eine schematische Darstellung eines drahtlosen Ladesystems. Das drahtlose Ladesystem ist allgemein bei 10 dargestellt und umfasst ein drahtloses Ladegerät 20 und eine Zielvorrichtung 30, enthaltend eine zu ladende wiederaufladbare Batterie. Der Deutlichkeit und Kürze halber sind in 1 nur diejenigen Komponenten des drahtlosen Ladegeräts 20 und der Zielvorrichtung 30 gezeigt, die für die gegenwärtige Erfindung relevant sind, aber es versteht sich, dass das drahtlose Ladegerät 20 und die Zielvorrichtung 30 zusätzliche Komponenten umfassen werden.
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Das drahtlose Ladegerät 20 umfasst eine Ladeantenne 22 und eine Abstimmkapazität 24, die zusammen einen Reihenresonanzkreis bilden. Ein Leistungsverstärker des drahtlosen Ladegeräts 20 treibt bzw. steuert die Ladeantenne 22 und Abstimmkapazität 24 mit einem Trägersignal mit einer durch die benutzte drahtlose Ladenorm definierten Frequenz an. Wenn beispielsweise das drahtlose Ladegerät 20 der Qi-Norm entspricht, liegt die Frequenz des Trägersignals in der Größenordnung von 100–150 kHz, während, wenn das drahtlose Ladegerät 20 der A4WP-Norm entspricht, die Frequenz des Trägersignals rund 6,78 MHz beträgt und wenn das drahtlose Ladegerät 20 der NFC-Forum-Norm entspricht, die Frequenz des Trägersignals rund 13,56 MHz beträgt. Die Abstimmkapazität 24 ist eine Kapazität festen Wertes, der ausgewählt wird, sicherzustellen, dass die Ladeantenne 22 auf der durch das drahtlose Ladegerät 20 benutzten Trägerfrequenz resonant ist, um eine optimale Leistungsübertragung zur Zielvorrichtung 30 zu erleichtern.
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Auch enthält das drahtlose Ladegerät 20 einen mit der Ladeantenne 22 verbundenen Widerstand 26, der zum Erkennen eines von der Zielvorrichtung 30 empfangenen Signals als Lastmodulation benutzt wird. Ein Ladungssteuerungskanal kann auf der gleichen Frequenz wie die Ladungsträgerfrequenz betrieben werden. Dies kann unter Verwendung von Kommunikationsverfahren ähnlich den bei NFC benutzten unter Verwendung von Amplitudenmodulation vom Ladegerät 20 zur Zielvorrichtung 30 und Lastmodulation von der Zielvorrichtung 30 zum Ladegerät 20 erreicht werden.
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Die Zielvorrichtung 30 umfasst eine Universalantenne 32, das heißt eine Antenne, die wirkungsvoll auf den durch die gegenwärtig verfügbaren oder in Betracht gezogenen drahtlosen Ladenormen benutzten Frequenzen ohne jede Neuausbildung der Antenne 32 selbst arbeitet. So ist die in der Zielvorrichtung 30 benutzte Universalantenne 32 in einem Frequenzbereich von rund 100 kHz bis rund 13,56 MHz betreibbar.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die Universalantenne 32 hier als in der Zielvorrichtung 30 enthalten beschrieben wird, da die Antenne 32 zum Fungieren mit beständigen Qi-Ladegeräten fähig sein muss, die Ladeantennen bestimmter Größen aufweisen. Wenn es jedoch keine Größenbeschränkungen gäbe (wie es vorkommen kann, sowie alternative drahtlose Ladenormen Marktanziehung gewinnen), dann könnte eine Universalantenne 32 entweder an dem Ladegerät 20 oder der Zielvorrichtung 30 angebracht werden. Das Grundkonzept einer Antenne mit einer festen Selbstinduktivität, die einen weiten Frequenzbereich überspannen kann und dabei auch hohe Leistungsübertragungswirkungsgrade zum drahtlosen Laden erreicht, ist auf jede Antennengröße oder -geometrie anwendbar.
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Die Universalantenne 32 kann parallel zu einer Abstimmkapazität 34 geschaltet werden, um mit der Abstimmkapazität 34 eine Parallelresonanzschaltung zu bilden. Alternativ kann die Zielvorrichtung 30 eine aus der universellen Antenne und einer Reihenabstimmkapazität 34 gebildete Reihenresonanzschaltung benutzen. Die Wahl einer Parallel- oder Reihenresonanzschaltung in der Zielvorrichtung 30 wird von der Lage und Anwendung abhängig sein, da jeder Ansatz seine Vorteile und Nachteile aufweist. Die Abstimmkapazität 34 ist veränderlich zum Abstimmen der Universalantenne 32 auf die durch ein drahtloses Ladegerät 20 benutzte bestimmte Trägerfrequenz, von denen die Zielvorrichtung 30 Ladestrom empfangen soll.
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In der schematischen Darstellung der 1 ist die Universalantenne 32 als parallel zu einer Impedanz 36 geschaltet dargestellt. Dies stellt entweder eine Lastimpedanz der Zielvorrichtung 30 oder eine mit der Universalantenne 32 verbundene bestimmte Impedanz oder eine Kombination beider dar. Auf jeden Fall ist die Impedanz 36 einstellbar, damit die Zielvorrichtung 30 durch drahtlose Ladegeräte 20 ladbar ist, die nach verschiedenen Normen arbeiten, wie unten erläutert wird.
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Die Universalantenne 32 ist ausgelegt zum Arbeiten im Frequenzbereich 100 kHz bis 13,56 MHz, um ein Laden der Zielvorrichtung unter Verwendung eines drahtlosen Ladegeräts 20 zuzulassen, das mit einem beliebigen der drei verfügbaren oder in Betracht gezogenen drahtlosen Ladenormen arbeitet, ohne jede Neuausbildung der Antenne 32 selbst zu erfordern, wie oben besprochen. Dahingehend umfasst die Universalantenne 32 eine Spule mit fester Selbstinduktivität und fester Fläche. Die Anmelderin hat festgestellt, dass eine Spule mit einer festen Selbstinduktivität von rund 8 μH und einer festen Fläche von rund 1450 mm2 besonders geeignet ist, aber es wird in Betracht gezogen, dass andere Induktivitätswert- und Flächenkombinationen ebenfalls annehmbare Ergebnisse bereitstellen würden. In diesem Zusammenhang bezieht sich der Begriff „Fläche” auf die durch die Antenne 32 belegte maximale Fläche, d. h. das Quadrat einer längsten Dimension der Antenne 32.
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Die Universalantenne 32 kann beispielsweise aus einer oder mehreren Bahnen eines leitfähigen Materials wie Kupfer gebildet werden, das auf einem Substrat wie beispielsweise einer Leiterplatte aufgedruckt, aufgeätzt oder sonstwie bereitgestellt ist. Die Bahnen können auf nur einer Seite des Substrats bereitgestellt werden oder können auf zwei gegenüberliegenden Seiten oder Oberflächen des Substrats bereitgestellt werden.
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Die Universalantenne 32 kann ausgelegt sein, allgemein den physikalischen Abmessungen einer durch unter der Qi-Norm arbeitende bestehende drahtlose Ladegeräte benutzten Ladeantenne zu entsprechen.
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So kann die Universalantenne 32 als eine wie bei 40 in 2 dargestellte Spirale vorgesehen auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Substrats wie beispielsweise einer Leiterplatte und mit einer Anzahl (z. B. von drei oder vier) Windungen auf jeder Seite des Substrats ausgeführt sein. Die Spirale kann einen maximalen Außendurchmesser im Bereich 33–43 mm und einen minimalen Innendurchmesser von rund 20 mm aufweisen. In diesem Fall liegt die Fläche der Antenne 32 im Bereich 1089 mm2 bis 1849 mm2 (d. h. 332 bis 432 mm2). Die Bahnen können eine Breite von rund 1 mm aufweisen. Alternativ kann die Universalantenne 32 wie bei 50 in 2 dargestellt als eine allgemein rechteckige Spule ausgeführt sein.
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Im Betrieb des drahtlosen Ladesystems 10 kommuniziert das drahtlose Ladegerät 20 mit der Zielvorrichtung 30 zum Bestimmen, dass die Zielvorrichtung 30 Laden erfordert und zum Bestimmen des Strompegels, der zum Laden der Zielvorrichtung 30 erforderlich ist. In einem nach der Norm des NFC-Forums arbeitenden drahtlosen Ladegerät 20 kann diese Kommunikation über NFC stattfinden. Alternativ, oder wo das drahtlose Ladegerät 20 nach einer unterschiedlichen drahtlosen Ladenorm arbeitet, kann diese Kommunikation über einen alternativen Kommunikationskanal wie beispielsweise eine Bluetooth®-Verbindung zwischen dem Ladegerät 20 und der Zielvorrichtung 30 oder eine WiFi-Direktverbindung stattfinden.
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Sobald die Ladungserfordernisse der Zielvorrichtung 30 festgelegt worden sind und die Zielvorrichtung 30 die durch das drahtlose Ladegerät 20 benutzte Trägerfrequenz erkannt hat oder darüber informiert worden ist, führt die Zielvorrichtung 30 sofern erforderlich eine Rekonfiguration durch, um sicherzustellen, dass die Universalantenne 32 auf der durch das Ladegerät 20 benutzten Trägerfrequenz resonant sein wird. Wenn daher das drahtlose Ladegerät 20 nach der Qi-Norm arbeitet, muss die Universalantenne 32 zwischen 100 und 200 kHz, typischerweise bei 150 kHz resonant sein, während, wenn das drahtlose Ladegerät 20 nach der A4WP-Norm arbeitet, die Universalantenne 32 bei rund 6,78 MHz resonant sein muss, und wenn das Ladegerät 20 nach der NFC-Forum-Norm arbeitet, muss die Universalantenne 32 bei rund 13,56 MHz resonant sein.
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Zum Konfigurieren der Zielvorrichtung 30 zum Betrieb mit verschiedenen, durch verschiedene drahtlose Ladenormen benutzten Trägerfrequenzen wird die veränderliche Kapazität 34 auf einen Wert verändert, der bewirkt, dass die Universalantenne 32 auf der durch das drahtlose Ladegerät 20 benutzten Trägerfrequenz resonant ist.
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Da die Lastimpedanz (die durch die Impedanz 36 in 1 dargestellt sein kann) der Zielvorrichtung 30 den Wert der Antennenkopplung zwischen der Ladeantenne 22 des drahtlosen Ladegeräts und der Universalantenne 32 der Zielvorrichtung 30 beeinflusst, kann die Zielvorrichtung 30 die Impedanz 36 auch auf einem Wert einstellen, der für die optimale Kopplung zwischen der Ladeantenne 22 und der Universalantenne 32 förderlich ist.
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3 ist eine grafische Darstellung 60 der Empfangsleistungsübertragung an eine Zielvorrichtung 30 unter der Verwendung der Universalantenne 32 für verschiedene Lastimpedanzen in der Zielvorrichtung 30, wenn eine Ladefrequenz von 13,56 MHz benutzt wird.
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Die erste Spur 62 des Graphens 60 zeigt die Leistung der Universalantenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 13,5 MHz und einer Lastimpedanz von 200 Ohm. Die zweite Spur 64 zeigt die Leistung der Antenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 13,5 MHz und einer Lastimpedanz von 500 Ohm, während die dritte Spur 66 die Leistung der Antenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 13,5 MHz und einer Lastimpedanz von 1000 Ohm zeigt.
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Die maximal verfügbare Sendeleistung von rund 7,5 Watt wird durch die Spur 68 angedeutet. Wie aus 3 ersichtlich, liegt für verschiedene Antennenkopplungsfaktoren und Lastimpedanzen die Empfangsleistung an der Zielvorrichtung 30 dicht bei der maximal verfügbaren Sendeleistung und zeigt damit den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung in einer Zielvorrichtung 30 unter Verwendung der Antenne 32 bei der höchsten gegenwärtig durch die oben besprochenen drahtlosen Ladenormen benutzten Frequenz.
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4 ist eine grafische Darstellung 70 der Empfangsleistungsübertragung bei einer Zielvorrichtung 30 unter Verwendung der Universalantenne 32 für unterschiedliche Lastimpedanzen in der Zielvorrichtung 30, wenn eine Ladefrequenz von 100 kHz oder 150 kHz benutzt wird.
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Die erste Spur 72 des Graphen 70 zeigt die Leistung der Universalantenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 100 kHz und einer Lastimpedanz von 4 Ohm. Die zweite Spur 74 zeigt die Leistung der Antenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 100 kHz und einer Lastimpedanz von 10 Ohm, während die dritte Spur 76 die Leistung der Antenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 100 kHz und einer Lastimpedanz von 20 Ohm zeigt.
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Die vierte Spur 78 des Graphen 70 zeigt die Leistung der Universalantenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 150 kHz und einer Lastimpedanz von 5 Ohm. Die fünfte Spur 80 zeigt die Leistung der Antenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 150 kHz und einer Lastimpedanz von 10 Ohm, während die sechste Spur 82 die Leistung der Antenne 32 bei einer Trägerfrequenz von 150 kHz und einer Lastimpedanz von 20 Ohm zeigt.
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Die maximal verfügbare Sendeleistung von rund 7,5 Watt wird durch Spur 84 angedeutet. Wie aus 4 ersichtlich, liegt für unterschiedliche Antennenkopplungsfaktoren und Lastimpedanzen die Empfangsleistung an der Zielvorrichtung 30 dicht bei der maximal verfügbaren Sendeleistung und zeigt damit den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung in einer Zielvorrichtung 30 unter Verwendung der Antenne 32 bei der niedrigsten gegenwärtig durch die oben besprochenen drahtlosen Ladenormen benutzten Frequenz.
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Obwohl die Universalantenne 32 als in einer Zielvorrichtung 30 (d. h. einer Vorrichtung, die Ladestrom von einem drahtlosen Ladegerät empfängt) benutzt oben beschrieben und in 1 dargestellt worden ist, wird offenbar sein, dass die hier beschriebene Universalantenne 32 gleichermaßen als die Ladeantenne 22 eines drahtlosen Ladegeräts 20 benutzt werden kann. In diesem Fall müsste die Kapazität 24 des drahtlosen Ladegeräts 20 variabel sein, um die Universalantenne 32 auf die bestimmte, durch das drahtlose Ladegerät 20 benutzte oder ausgewählte Trägerfrequenz abzustimmen.
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Aus der obigen Beschreibung wird offenbar sein, dass die oben beschriebene Universalantenne 32 eine flexible Weise zum Realisieren drahtloser Ladefunktionalität nach verschiedenen drahtlosen Ladenormen sowohl in Zielvorrichtungen als auch drahtlosen Ladegeräten bietet, ohne mehrere unterschiedliche Antennen oder eine einzelne umkonfigurierbare Antenne benutzen zu müssen. Die erforderliche drahtlose Funktionalität kann durch Verwendung einer einzelnen Universalantenne 32 mit fester Selbstinduktivität und -fläche realisiert werden, wobei einfache umkonfigurierbare abgestimmte Kreise zum Berücksichtigen unterschiedlicher, durch unterschiedliche drahtlose Ladenormen benutzte Trägerfrequenzen benutzt werden.
