JP6499185B2 - 誘導電力伝送システムのインピーダンス整合 - Google Patents

Description

特許協力条約に基づく本出願は、２０１４年２月２３日に出願の「Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する米国特許仮出願第６１／９４３，４７８号の優先権を主張するものであり、その開示内容は本明細書に全て組み込まれている。

本開示は、電磁誘導電力伝送システムの効率管理に関し、特に、誘導電力受信アクセサリ又は誘導電力受信電子デバイスのインピーダンスを補強するためのシステム及び方法に関する。

多くのポータブル電子デバイスは、随時再充電する外部電源を必要とする１つ以上の充電式バッテリを備える。かかるデバイスとして、携帯電話、スマートフォン、タブレットコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ウェアラブルデバイス、ナビゲーションデバイス、スポーツデバイス、健康デバイス、医療デバイス、アクセサリデバイス、周辺入力デバイスなどを挙げることができる。

いくつかの電子デバイスは、ケーブル又は有線式充電システムの代わりに、誘導充電システムを備えてもよい。これらの実施例では、ユーザは、ポータブル電子デバイスを誘導充電面（「ドック」）上に配置し、電磁誘導によって、充電式バッテリを補充することができる。これらのシステムでは、ドック内の電磁コイル（「送信機コイル」）は、ポータブル電子デバイス内の電磁コイル（「受信機コイル」）に誘導結合することができる。送信機コイルを通る電流を交流で流すか又は開閉することによって、受信機コイルに電流を誘導することができる。ポータブル電子デバイスは、充電式バッテリの充電を補充するために、受信電流を用いるように適合させてもよい。

多くのポータブル電子デバイスは、誘導電力伝送中に複数の電力モードに入る可能性がある。例えば、充電式バッテリを有するポータブル電子デバイスは、一定期間の後、低電力を引き込むトリクル充電モードから、比較的高電力を引き込む定電流充電モードへと切り替わる場合がある。幾つかの動作モードの各々は、誘導電力送信機から見ると、異なる負荷状態を提示し得る。多くの場合において、負荷状態の変化は、送信機と受信機との間の電力伝送効率を減少させる。

したがって、複数の電力モードにわたって、ポータブル電子デバイスに有用な電力を効率的かつ迅速に供給するためのシステム及び方法が現在必要とされ得る。

本明細書で説明する実施形態は、誘導充電インターフェース全体の効率を管理するための方法、システム、及び、装置に関し、それらを含み、あるいは、それらの形態をとることができる。かかる実施形態は、誘導電力送信機及び誘導電力受信機を含むことができる。インピーダンスコントローラは、電力受信インダクタに結合され、誘導電力受信機に結合されたポータブル電子デバイスの電力需要の変化に応じて、誘導電力受信機の電気インピーダンスを増加又は減少させるように構成することができる。

多くの実施形態では、インピーダンスコントローラは、ポータブル電子デバイスの全ての又は実質的に全ての負荷状態にわたって、誘導電力送信機の観点から、ポータブル電子デバイスの実効インピーダンスを実質的に同じ値に維持するように設定される構成を備えることができる。

更なる実施形態では、インピーダンスコントローラは、昇圧コンバータであり得る構成を含むことができる。特定の更なる実施形態では、インピーダンスコントローラは、降圧コンバータとしてもよい。更に別の実施形態では、ブリッジ整流器内に一体化された降圧コンバータ又は昇圧コンバータのうちの１つを含む。

本明細書に記載する更なる実施形態は、誘導電力受信装置のインピーダンスを動的に調整する方法に関し、その方法を含むか、又はその方法の形態をとることができる。例えば、特定の実施形態では、この方法は、誘導電力受信機の負荷状態を判定するステップと、受信機インピーダンスを調整するステップと、を含んでもよい。

次に、添付の図面に例示された代表的な実施形態について参照する。以下の説明は、本開示を１つの好適な実施形態に限定するよう意図していないことを理解されたい。逆に、添付の特許請求の範囲により規定されるような、記載された実施形態の趣旨及び範囲内に含まれ得る変形、修正及び均等物を網羅することが意図されている。

誘導電力伝送システムの実施例の簡略化した信号フローのブロック図である。 受信機のインピーダンスを動的に調整するように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。 受信機のインピーダンスを動的に減少させるように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。 受信機のインピーダンスを動的に増加させるように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。 受信機のインピーダンスを動的に減少させるように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。 受信機のインピーダンスを動的に変更するように適合された誘導電力伝送システムの一例の簡略化した信号フロー概念図である。 受信機のインピーダンスを動的に変更するように適合された誘導電力伝送システムの一例の簡略化した信号フロー概念図である。 受信機のインピーダンスを動的に調整する方法の動作例を示す簡略フロー図である。

異なる図面における同じ又は類似する参照番号の使用は、類似、関連、又は同一の物品を示す。

本明細書で説明する実施形態は、誘導充電インターフェースの効率を管理するための方法及び装置に関し、あるいは、それらの形態をとることができる。本明細書に記載のさまざまな実施形態、並びに、それらの機能、動作、構成要素、及び性能は、必要に応じて、他の要素と組み合わせてもよく、したがって、任意の構成要素又は特徴の任意の物理的、機能的又は動作上の説明は、他のものを除外して特定の実施形態のみに限定されるものではないことを理解されたい。

本明細書で説明する実施形態は、電力を伝送する誘導電力送信装置、及び、電力を受信するためのポータブル電子デバイス又はアクセサリを備え得る誘導充電システムに関する。かかる電子デバイスとして、メディアプレーヤ、メディア記憶装置、携帯情報端末、タブレットコンピュータ、携帯電話、ラップトップコンピュータ、スマートフォン、スタイラス、全地球測位センサ、遠隔制御デバイス、ウェアラブルデバイス、電気自動車、家電機器、医療機器、健康機器、スポーツデバイスなどを挙げることができる。

多くの実施例において、ポータブル電子デバイスが、誘導電力送信装置（例えば、「ドック」又は「充電ステーション」）の電力送信インダクタ（例えば、「送信機コイル」）に近接して配置されると、ポータブル電子デバイスが電力を受信する準備ができていることを誘導電力送信装置に伝達するために、ポータブル電子デバイスは、電力受信インダクタ（例えば、「受信機コイル」）を含む誘導充電回路をアクティブ化させることができる。他の実施例では、電力受信インダクタ及び／又はポータブル電子デバイスは、事前の通信なく、ただ、充電ステーションから電力を受信することができる。送信機コイルに交流電流又は他の開閉電流を印加することによって、電流を受信機コイルに誘導することができる。ポータブル電子デバイスは、１つ以上の充電式バッテリの充電を補充するために、受信された電流を使用してもよい。

電力管理の実施形態は、誘導エネルギーの送信機及び受信機の双方の中における適応電力管理システムの形態をとることができる。例えば、ポータブル電子デバイスが、誘導充電ステーションの近くに配置されると、誘導充電ステーションは誘導電力伝送回路をアクティブ化することができる。他の全ての時には、相互作用式の電力伝送回路の電源は完全に切断してもよい。他の実施例では、送信機コイルは常に電力を送信してもよい。かかる例では、ポータブル電子デバイスは、送信機コイルに近接して配置されると、誘導電力を受信することができる。更に別の実施例では、送信機コイルは、電力を間欠的に送信してもよい。

他の実施形態では、電力送信機コイルが電力受信機コイルと誘導結合し得る。結合時に、送信機コイルは、負荷の増加に遭遇することがある。したがって、ポータブル電子デバイスの電力需要が変化すると、送信機コイルが遭遇する負荷もまた変化し得る。例えば、ポータブル電子デバイスは、複数の電力受信負荷状態を含むことがある。別の実施例として、ポータブルデバイスが完全に充電されると、そのデバイスに対応する負荷が低下することがある。

一実施形態では、ポータブル電子デバイスは、少なくとも間欠的に、又は時々、トリクル充電モードで動作してもよい。これらの実施形態では、ポータブル電子デバイスは、誘導電力受信機から受信した電力を比較的低い電流で、内部バッテリに導くことができる。トリクル充電は、一実施例では、内部バッテリの自己放電速度に実質的に等しい速度で、完全に充電されたバッテリを完成するために、使用することができる。別の実施例では、トリクル充電は、実質的に消耗したバッテリを補充するために使用してもよい。多くのバッテリの種類について、実質的な消耗に対してトリクル充電を行えば、バッテリの寿命を延ばすことができる。トリクル充電の間、ポータブル電子デバイスは、誘導電力受信機から比較的低電力を引き出すことができる。

更に、ポータブル電子デバイスは、定電流充電モードを含んでもよい。かかる実施形態では、ポータブル電子デバイスは、誘導電力受信機から受信した電力を定電流で内部バッテリに導くことができる。多くの実施例では、引き出される電流は、同じ電池をトリクル充電するために使用される電流より高い場合がある。これらの実施例では、ポータブル電子デバイスは、誘導電力受信機から比較的高い電力を引き出すことがある。

更に別の選択肢として、ポータブル電子デバイスは、その構成要素が、誘導電力受信機から受信した電力によって、完全にあるいは実質的に動作することができる直接電力モードを含んでもよい。これらの実施形態では、ポータブル電子デバイスは、さまざまな量の電力を使用し得る１つ以上の構成要素を含むことがある。例えば、いくつかのポータブル電子デバイスでは、その電力消費が、所望輝度の関数であり得るバックライトを有するディスプレイを含むことがある。別の実施例では、いくつかのポータブル電子デバイスでは、その電力消費が、処理タスクの間で異なり得る１つ以上のプロセッサを含むことがある。更に別の実施例として、電子デバイスは、動作モードにおいて、スタンバイモードよりも多くの電力を消費する可能性がある。

それぞれの異なるパワーモードについて、消費電力、したがって、ポータブル電子デバイスによって示される抵抗負荷は変化し得るが、それによって、いくつかの場合には、電力伝送効率が減少する恐れがある。多くの場合、負荷抵抗の変動は、一般に、動作抵抗負荷部分と瞬間抵抗負荷部分に細分化することができる。共に、動作抵抗負荷部分及び瞬間抵抗負荷部分は組み合わさって、ポータブル電子デバイスによって示される抵抗負荷を構成する。

多くの実施例では、動作抵抗負荷部分は、瞬間抵抗負荷部分よりも大きくなり得る。動作抵抗負荷部分は、ポータブル電子デバイスの電力モードによって少なくとも部分的に規定され得る。例えば、ポータブル電子デバイスは、トリクル充電モードにあるときに、直接電力モードにあるときとは、異なる動作抵抗負荷を有し得る。これらの実施例では、多くの場合、ポータブル電子デバイスは、比較的まれにしか電力モードを切り替えないので、ポータブル電子デバイスは、誘導電力送信機に、動作抵抗負荷に関する情報を伝達することができる。

瞬間抵抗負荷部分は、少なくとも部分的には、ポータブル電子デバイスの非同期又はその他の予測不可能な機能の変化によって、規定され得る。例えば、ポータブル電子デバイスに結合されたディスプレイがイネーブルされて、オンされている場合、例えば、ユーザが、デバイスと対話しているときに、瞬間抵抗負荷は増加する可能性がある。他の実施例では、デバイスの１つ以上のセンサが作動しているときに、瞬間抵抗負荷は増加し得る。他の実施例では、デバイスのタイマが経過して、デバイスが音を発し、触覚応答を提供し、通知光を照射し、又は画面を発光させるときに、瞬間抵抗負荷は増加する可能性がある。他の実施例では、デバイスがアイドルであると判定した後、デバイスが低電力モードに入るときに、瞬間抵抗負荷は減少し得る。しかし、動作抵抗負荷とは異なり、多くの実施形態では、ポータブル電子デバイスが、瞬間抵抗負荷の変化を誘導電力送信機に伝達することは困難であり得る。したがって、本明細書に記載の多くの実施形態に関して、ポータブル電子デバイスは、誘導電力送信機に伝達することなく、瞬間抵抗負荷を内部的に補償することがある。

瞬間抵抗負荷及び動作抵抗負荷の変化について多くの実施例を上に掲げたが、これらの実施例は限定的でも網羅的でもないことが理解されよう。

多くの実施形態では、誘導電力送信機は、電力送信の１つ以上の特性（例えば、選択可能な及び／又は制御可能なデューティサイクル、電圧、電流、周波数など）を調節することにより、誘導電力受信機及びポータブル電子デバイスの瞬間電力需要を考慮して、伝送効率を向上させることができる。多くの実施例では、誘導電力受信機の電力需要の変化に対する誘導電力送信機の応答は、幾分遅延する恐れがある。例えば、誘導電力送信機は、送信電力を増加又は減少させる前に、誘導電力受信機からの通信を必要とすることがある。これらの遅延のせいで、多くの実施例では、誘導電力送信機が、誘導電力受信機の電力需要を確認するか、又はそうでなければ、発見する期間中に、非効率的な量の電力が転送されることになる。例えば、電力送信の特性を調整することができる前の期間に、誘導電力送信機は、多すぎるか又は少なすぎる電力を送信する恐れがある。

したがって、本明細書に記載の多くの実施形態は、誘導電力受信装置内にインピーダンスコントローラを備える。インピーダンスコントローラは、ポータブル電子デバイスの電力需要の変化に直接応答して、誘導電力受信機のインピーダンスを動的に調整することができる。このようにして、誘導電力送信機は、誘導電力受信機又はポータブル電子デバイス内の瞬間的な変化とは無関係に、連続的で一貫した負荷を考慮することができる。

図１は、誘導電力伝送システムの例の簡略化した信号フローのブロック図である。誘導電力伝送システム１００は、誘導電力送信機１０２及び誘導電力受信機１０４を含むことができる。誘導電力送信機１０２及び誘導電力受信機１０４は、間隙１０６によって分離されてもよい。多くの実施形態では、間隙１０６として、空気の間隙としてもよく、及び／又は、送信機及び／又は受信機の筐体（その実施例として、ドックの筐体及びデバイスの筐体などが挙げられる）などの１つ以上の筐体を挙げることができる。

誘導電力受信機１０４は、ウェアラブル通信デバイス、ウェアラブル健康アシスタント、スマートフォン、又はメディアプレーヤなどの、任意の好適な電子デバイスとすることができる。例えば、ウェアラブル健康アシスタントは、ユーザ、認可された第３者、及び／又は、関連する監視デバイスへ、健康関連情報を提供する（リアルタイムか否かに関わらず）ことができる。このデバイスは、心拍データ、血圧データ、温度データ、酸素濃度データ、食事／栄養情報、医療メモ、健康関連の助言又は情報、又は他の健康関連データなどの健康関連情報又はデータを、これらには限定されないが、提供するように構成することができる。監視デバイスは、例えば、タブレットコンピューティング装置、携帯電話、携帯情報端末、コンピュータなどとしてもよい。

別の実施例として、ウェアラブル通信デバイスは、メモリ、１つ以上の通信インターフェース、ディスプレイ及びスピーカなどの出力デバイス、及び１つ以上の入力デバイスと結合された又はそれらと通信することができるプロセッサを含んでもよい。通信インターフェース（単数又は複数）は、通信デバイスと、任意の外部通信ネットワーク、デバイス又はプラットフォーム、との間の電子通信を提供することができ、この例として、無線インターフェース、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）インターフェース、ＵＳＢインターフェース、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）インターフェース、ＴＣＰ／ＩＰインターフェース、ネットワーク通信インターフェース、又は任意の従来の通信インターフェースなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。ウェアラブル通信デバイスは、通信のみならず、時間、健康、状態、又は外部接続されたデバイス又は通信デバイスに関する情報、及び／又はかかるデバイス上で実行されるソフトウェア、メッセージ、ビデオ、操作コマンドなどを提供する（そして、外部デバイスから上記のいずれかを受け取ることができる）ことができる。

誘導充電システム１００は、コントローラ１０２−１０及び直流コンバータ１０２−６に動作可能に接続されたクロック回路１０２−２などの発振器を含んでもよい。クロック回路１０２−２は、誘導充電システム１００の１つ以上のタイミング信号を生成することができる。

コントローラ１０２−１０は、電源１０２−４に結合してもよい。電源１０２−４は、直流電源としてもよいが、必ずしも必要なことではない。特定の実施形態では、コントローラ１０２−１０は、電源１０２−４から入力される電力を利用することができる直流コンバータ１０２−６の状態を、制御することができる。一実施形態では、クロック回路１０２−２は、サイクル毎に、直流コンバータ１０２−６のスイッチをアクティブ化及び非アクティブ化するために、コントローラ１０２−１０によって使用される周期的な信号を生成する。このスイッチによって、電源１０２−４からの直流電流を、送信機コイル１０２−１２を励起するのに好適な交流電流に変換することができる。

任意の好適な直流コンバータ１０２−６を、誘導充電システム１００に使用することができる。例えば、一実施形態では、直流コンバータとして、Ｈブリッジを使用してもよい。

一部の実施形態では、Ｈブリッジは必要ではあり得ない。例えば、単一のスイッチで、直流コンバータ１０２−６からの電流の流れを制御することができる。この方法では、直流コンバータ１０２−６は、矩形波発生器として機能することができる。

直流コンバータ１０２−６によって生成される時間変化信号又は矩形波信号は、変圧器に入力してもよい。典型的には、上述した有線式電力伝送システムで使用されるような変圧器は、受信機コイルに結合された送信機コイルを含み、各コイルは、共通のコアの回りに巻き付けられる。しかし、本明細書において説明する誘導充電システム１００は、典型的には、間隙１０６によって分離された一次コイル１０２−１２及び受信機コイル１０４−１２、そして、いくつかの実施形態では、各コイルを含む各筐体、を備えている。図示のように、変圧器は、必ずしも物理的要素でなくてもよいが、送信機コイル１０２−１２及び受信機コイル１０４−１２などの２つの誘導近接電磁コイル間の関係及びインターフェースのことを指してもよい。

上述のものは、送信機及びそれと誘導電力伝送システムの受信機コイル１０４−１２との相互作用に関する簡略化した説明である。受信機コイル１０４−１２内に電圧を誘導するために、送信機は、送信機コイル１０２−１２に時間変化電圧を提供するように構成することができる。交流電流及び矩形波の双方を、具体例として使用しているが、他の波形も想到されることが理解されよう。かかる場合、コントローラ１０２−１０は、直流コンバータ１０２−６の複数の状態を制御することができる。例えば、コントローラ１０２−１０は、電圧、電流、デューティサイクル、波形、周波数、又はそれらの任意の組み合わせを制御することができる。

電力送信回路の動作効率を増加させるために、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２に印加される波形の種々の特性を周期的に変更することができる。種々の変更はリアルタイムに、所定のシーケンスで行われ、あるいは、適宜固定されてもよい。特定の状況に対して、特定の変更が望ましいことが理解されよう。

例えば、特定の場合において、受信機コイル１０４−１２は送信機コイル１０２−１２に誘導近接していない、と判定された場合、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２への全ての電力を停止してもよい。この判定は、任意の数の好適な方法で達成することができる。例えば、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２の誘導負荷を検出するように構成することができる。誘導性負荷が、ある特定の選択された閾値を下回る場合、コントローラ１０２−１０が、受信機コイル１０４−１２は送信機コイル１０２−１２に誘導近接して（例えば、電力を受信するか、又は、しきい値を超える電力を受信するのに十分送信機コイルに接近している）いないと判定することができる。かかる場合、コントローラ１０２−１０は送信機コイル１０２−１２への全ての電力を停止してもよい。

他の場合に、一実施形態では、コントローラ１０２−１０は、変圧器の共振周波数又はそれに近い周波数で、デューティサイクルを設定してもよい。別の実施例では、デューティサイクルのアクティブ状態（例えば、高）を規定する波形の周期は、変圧器の共振周波数又はそれに近い周波数とするように選択することができる。かかる選択によって、送信機コイル１０２−１２と受信機コイル１０４−１２との間の電力伝送効率を増加させ、したがって、システム内の熱損失を減少することができることが理解されよう。

別の実施例では、誘導性負荷に突然のスパイクが検出された場合、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２への全ての電力を停止してもよい。例えば、誘導性負荷が特定の選択された閾値を上回る特定の割合でスパイクする場合、コントローラ１０２−１０は、中間オブジェクトが送信機コイル１０２−１２に誘導近接して配置された可能性があると、判断することができる。かかる場合、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２への全ての電力を停止してもよい。あるいは、誘導性負荷のかかるスパイクは、誘導充電をアクティブ化する、したがって、送信機コイル１０２−１２に電力を供給する信号として、使用することができる。

更に他の実施例では、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２に印加される波形の他の特性を変更することができる。例えば、受信機回路が、追加の電力を必要とする場合、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２に印加される波形のデューティサイクルを増加させてもよい。関連する実施例では、受信回路がより少ない電力しか必要としない場合、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２に印加される波形のデューティサイクルを減少させてもよい。これらの実施例の各々において、送信機コイル１０２−１２に印加される時間平均電力を変更することができる。

別の実施例では、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２に印加される波形の振幅を変更するように構成することができる。かかる例では、受信機回路が追加の電力を必要とする場合、コントローラ１０２−１０は、送信機コイル１０２−１２に印加される波形の最大電圧を増幅してもよい。関連する場合に、受信回路がより少ない電力しか必要としない場合、波形の最大電圧を減少させることができる。

誘導電力伝送システム１００の送信機１０２部分は、送信機コイル１０２−１２と受信機コイル１０４−１２との間の誘導結合を介して、受信機の受信機コイル１０４−１２内に電圧を誘導するために、送信機コイル１０２−１２に時間変化信号を提供するように構成してもよい。このようにして、電力送信機コイル１０２−１２内の時間変化信号によって変化する磁束の生成を介して、送信機コイル１０２−１２から受信機コイル１０４−１２に電力を伝送することができる。

受信機コイル１０４−１２で生成された時間変化信号は、それを直流信号に変換する直流コンバータ１０４−６によって受信することができる。誘導充電システム１００において、任意の好適な直流コンバータ１０４−６を使用することができる。例えば、一実施形態では、直流コンバータとして、整流器を使用してもよい。直流信号は、次いで、プログラム可能負荷１０４−１２によって受信することができる。

一部の実施形態では、受信機の直流コンバータ１０４−６は、ハーフブリッジとしてもよい。かかる例において、受信機コイル１０４−１２は増加した数の巻線を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態では、受信機コイルは、２倍の巻き数を有してもよい。この方法では、明らかであるように、受信機コイル１０４−１２にわたる誘導電圧は、ハーフブリッジ整流器により、効果的に半減させることができる。ある場合には、この構成によれば、実質的により少ない数の電子構成要素しか必要でないことがある。例えば、ハーフブリッジ整流器では、全波ブリッジ整流器の半分のトランジスタしか必要ではあり得ない。電子構成要素の数がより少ない結果として、抵抗損失を実質的に低減することができる。

あるいくつかの実施形態では、受信機はまた、送信機内に存在する磁化インダクタンスを調整するか、又は減少させる回路を備えることができる。一般に、磁化インダクタンスは、不完全に結合されたコイルによって形成される変圧器内の損失をもたらす恐れがある。この磁化インダクタンスは、漏れインダクタンスの中でもとりわけ、送信機の効率を実質的に低減する恐れがある。磁化インダクタンスは、送信機コイルと受信機コイルとの間の結合の関数であり得るので、必ずしも送信機自体の中で完全に補償することができないことが、更に理解されよう。したがって、本明細書で説明した特定の実施形態では、同調回路を受信機内に含んでもよい。例えば、特定の実施形態では、プログラム可能負荷１０４−１２に平行にコンデンサを配置してもよい。

更に別の実施例において、コントローラによって、上記で参照したサンプルの修正の組合せを行うことができる。例えば、コントローラ１０２−１０は、デューティサイクルを減少させるのみならず、電圧を２倍にすることができる。別の実施例では、コントローラは、時間と共に電圧を増加させると同時に、時間と共にデューティサイクルを減少させることができる。本明細書で、任意の数の好適な組み合わせが想到されることが理解されよう。

図２は、受信機のインピーダンスを動的に調整するように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。誘導電力受信機２００は、整流器２０６に結合された受信機コイル２１０を含むことができる。この整流器２０６もまた、可変抵抗負荷２１４に直流電圧を出力し得るインピーダンスコントローラ２１２に結合することができる。多くの実施例では、受信機コイル２１０は、誘導電力受信機２００の誘導電力送信機との共振を容易にするために、共振コンデンサに接続してもよい。共振により、誘導電力送信機から誘導電力受信機への電力伝送効率を向上することができることが理解されよう。

受信機コイル２１０は、整流器２０６に結合してもよい。特定の実施形態では、整流器は、全波整流器、半波整流器、受動型整流器又はアクティブ整流器としてもよい。整流器２０６は、受信機コイル２１０から受信した交流を、ポータブル電子デバイスに有用な直流に変換するように構成することができる。多くの実施形態では、整流器２０６の出力から特定のノイズをフィルタリングするために、フィルタコンデンサ２１６を整流器２０６の出力に結合してもよい。このように、フィルタコンデンサ２１６は、整流器２０６から出力される直流電流を平滑化することができる。

整流器２０６は、インピーダンスコントローラ２１２に結合してもよい。インピーダンスコントローラは、可変抵抗負荷２１４が示す負荷条件の変化に応じて、整流器２０６及び受信機コイル２１０を介して、関連付けられた送信機コイルから見ると、一定又は実質的に一定のインピーダンスを提供するように構成され、適合されてもよい。例えば、特定の実施形態では、可変抵抗負荷２１４は、ポータブル電子デバイスとしてもよい。上述したように、ポータブル電子デバイスは、その異なる機能について異なる負荷状態を示すことができる。

例えば、ポータブル電子デバイスがディスプレイを含む場合、ディスプレイがイネーブルされて、オンされているとき、例えば、ユーザが、デバイスと対話しているときに、ポータブル電子デバイスは、より多くの電力（したがって、より低い実効抵抗を有する）を必要とすることがある。他の実施例では、デバイスの１つ以上のセンサが作動しているときに、ポータブル電子デバイスは、より多くの電力（したがって、より低い実効抵抗を有する）を必要とすることがある。他の実施例では、デバイスのタイマが経過して、デバイスは音を発し、触覚応答を提供し、通知光を照射し、又は画面を発光させるときに、ポータブル電子デバイスは、より多くの電力を必要とすることがある。他の実施例では、デバイスがアイドルであることを判定した後、デバイスが低電力モードに入ると、ポータブル電子デバイスは、低電力（したがって、より高い実効抵抗を有する）しか必要としないことがある。

これらの実施例において、異なる負荷状態間の急速な遷移によって、ポータブル電子デバイスは、急速に変化するインピーダンスを示し、これは、上述したように、電力送信機から電力受信機への電力伝送効率に実質的に影響を及ぼす可能性がある。

可変抵抗負荷２１４の変化する電力需要に応答して、インピーダンスコントローラ２１２は、自身を調整して補償することができる。例えば、可変抵抗負荷２１４が、設定された出力電圧において、追加の電力を必要とする場合、電流が増加し、負荷インピーダンスが低下することがある。インピーダンスコントローラ２１２は、負荷のインピーダンスを増加させることによって応答し、効率を維持することができる。同様に、可変抵抗負荷２１４がより少ない電力しか必要としない場合、実効負荷インピーダンスは増加するであろう。インピーダンスコントローラ２１２は、負荷のインピーダンスを低下させることによって応答し、効率を維持することができる。

図３は、受信機のインピーダンスを動的に減少させるように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。誘導電力受信機３００は、整流器３０６に結合された受信機コイル３１０を含むことができる。この整流器３０６もまた、可変抵抗負荷３１４に直流電圧を出力し得る昇圧コンバータ３１２に結合することができる。

昇圧コンバータ３１２は、可変抵抗負荷３１４への電圧を昇圧するように動作することができる。多くの実施形態では、昇圧コンバータ３１２の変換係数は動的に変化することができる。例えば、特定の実施形態では、可変抵抗負荷３１４により示される負荷が変化するにつれて、昇圧コンバータ３１２の変換係数を連続的に調整することができる。このようにして、整流器から見ると、回路の等価抵抗は一定のままである。

可変抵抗負荷３１４が、特に高い抵抗を示し、比較的低い電流を消費する際に、昇圧コンバータ３１２を調整することができる。昇圧コンバータ３１２の変換係数を動的に調整することによって、可変抵抗負荷３１４の実効抵抗（例えば、インピーダンス）を低減することができる。

他の実施例では、昇圧コンバータ３１２から出力された電圧は、昇圧コンバータ３１２の変換係数を動的に調整することによって、低減することができる。例えば、第１のモードでは、昇圧コンバータ３１２の変換係数は、１．０よりも大きい第１の値に設定することができる。その後、昇圧コンバータ３１２から出力される電圧を減少しなければならない場合、昇圧コンバータ３１２の変換係数を１．０に向かって減少させることができる。

多くの実施形態では、整流器３０６の出力から特定のノイズをフィルタリングするために、フィルタコンデンサ３１６を整流器３０６の出力に結合してもよい。このように、フィルタコンデンサ３１６は、整流器３０６から出力される直流電流を平滑化することができる。

直流回路、又は回路の直流部分について、「インピーダンス」及び「抵抗」という用語は、実質的に互換性のあることが理解されよう。これは、交流電流が存在しない場合、回路のリアクタンスは、実質的に無視することができるからである。

図４は、受信機のインピーダンスを動的に増加させるように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。誘導電力受信機４００は、整流器４０６に結合された受信機コイル４１０を含むことができる。この整流器４０６もまた、可変抵抗負荷４１４に直流電圧を出力し得る降圧コンバータ４１２に結合することができる。

降圧コンバータ４１２は、可変抵抗負荷４１４への電圧を減少させるように動作することができる。多くの実施形態では、降圧コンバータ４１２の変換係数は、動的に変化することができる。例えば、図３に示されるような昇圧コンバータの場合と同様に、可変抵抗負荷４１４によって示される負荷が変化するにつれて、降圧コンバータ４１２の変換係数を連続的に調整することができる。このように、整流器４０６から見ると、回路の等価抵抗は一定のままである。降圧コンバータ４１２の変換係数を動的に調整することによって、可変抵抗負荷４１４の実効抵抗（例えば、インピーダンス）を増加させることができる。

他の実施例では、降圧コンバータ４１２から出力された電圧は、降圧コンバータ４１２の変換係数を動的に調整することによって、増加させることができる。例えば、第１のモードでは、昇圧コンバータ４１２の変換係数は、１．０より小さい第１の値に設定することができる。その後、昇圧コンバータ４１２から出力される電圧を減少しなければならない場合、昇圧コンバータ４１２の変換係数は、１．０に向かって増加させることができる。

多くの実施形態では、整流器４０６の出力から特定のノイズをフィルタリングするために、フィルタコンデンサ４１６を整流器４０６の出力に結合してもよい。このように、フィルタコンデンサ４１６は、整流器４０６から出力される直流電流を平滑化することができる。

図５は、受信機のインピーダンスを動的に減少させるように適合された誘導電力受信機の一例の簡略化した信号フロー図である。例えば、誘導電力受信機５００は、可変抵抗負荷５１４に結合されたインピーダンス制御整流器５０６を含むことができる。インピーダンス制御整流器５０６は、特定の実施形態では、受信機コイル５１０に対して、同じ実効インピーダンスを提示するために、可変抵抗負荷５１４への電圧を昇圧するのに好適な昇圧コンバータとしてもよい。

別の特定の実施形態では、インピーダンス制御整流器５０６は、アクティブ整流器回路内に一体化された昇圧コンバータとしてもよい。例えば、アクティブ整流器のスイッチは、昇圧コンバータのスイッチ素子として使用することができる。多くの実施形態では、アクティブ整流器内への昇圧コンバータの組合せは、多くの方法で、効率を向上するように適合させることができる。例えば、受動型整流器のダイオードの代わりにアクティブ整流器のスイッチを使用すると、各ダイオードの必要とされるターンオン電圧に起因する効率損失を低減することができる。別の実施例では、昇圧コンバータ及びアクティブ整流器を組み合わせると、誘導電力受信機５００内の複雑さ及び必要とされる構成要素の数を低減することができる。

アクティブ整流器と組み合わせた昇圧コンバータは、いくつかの好適な形態をとることができる。例えば、一実施形態では、アクティブ整流器は、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４を含んでもよい。典型的な例では、受信機コイル５１０の第１端子が正であるとき（例えば、完全な波又はサイクルの半分）はいつも、Ｓ１及びＳ３をオンとすることができるのに対して、受信機コイル５１０の第２端子が正であるとき（例えば、完全な波又はサイクルの他の半分）はいつも、Ｓ２及びＳ４をオンとすることができる。このようにして、交流電流又は開閉電流は、可変抵抗負荷５１４に有用な直流に変換することができる。

しかし、いくつかの実施形態では、アクティブ整流器に関連付けられたスイッチ素子は、半サイクル毎に１回よりも頻繁に切り替えてもよい。例えば、Ｓ１は、受信機コイル５１０の第１端子が正であるサイクルのうちの特定部分の期間中に周期的に閉鎖されてもよい。スイッチＳ１が同じサイクルの間に閉鎖される場合、それに応じて、漏れインダクタンスは増大し得る。スイッチＳ１が同じサイクルの間に再び開かれると、同調コンデンサは、電荷の収集を開始することができる。このように、アクティブ整流器スイッチのデューティサイクルが５０％の場合、インピーダンス制御整流器５０６の出力で、電圧は２倍となり得る。同時に、インピーダンス制御整流器５０６の入力で、負荷電流は２倍となり得る。このようにして、インピーダンス制御整流器５０６及び可変抵抗負荷５１４の実効入力抵抗は、一定に維持される。

換言すれば、受信機コイル５１０の漏れインダクタンスは、昇圧コンバータに必要なインダクタとして使用される。同様に、アクティブ整流器のスイッチは、昇圧コンバータのスイッチング素子として使用することができる。したがって、インピーダンス制御整流器５０６と関連付けられた昇圧コンバータの変換係数を動的に調整することによって、可変抵抗負荷の実効抵抗（例えば、インピーダンス）は、可変抵抗負荷５１４の電力需要の変化を補償することができる。

更に別の実施形態では、インピーダンス制御整流器５０６に関連付けられたスイッチは、各サイクルの一部の期間に、受信機コイル５０６の両端子を効果的に接地することができる。このようにして、インピーダンス制御整流器５１０は、漏れインダクタンスに対して、より低いインピーダンスを示すことにより、結果として電流を増加させ、これを可変抵抗負荷５１４に放出することができる。

図６は、受信機インピーダンスを動的に変更するように適合された誘導電力伝送システムの一例の簡略化した信号フロー概念図である。例えば、誘導電力伝送システム６００は、送信機部分及び受信機部分を備え、それぞれが送信機コイル６１０及び受信機コイル６１２を含んでもよい。抵抗器６１４及びインダクタ６１６は、システム６００内の漏れインダクタンスを表す。説明の簡略化のため、誘導電力伝送システム６００の、特定の標識のない構成要素が例示されている。理想的な電気的構成要素として例示されるこれらの要素は、誘導電力伝送システム６００の１つ以上の部分の電気的特性を表し得ることが理解されよう。

送信機コイル６１０の受信機コイル６１２に対する巻数比は、実施形態によって異なり得るが、多くの実施例では、受信機部分によって必要とされる電力の伝送に対して最適化することができる。更に別の実施例では、受信機部分では、受信機コイル６１２に誘導された交流電流を直流電流に整流する必要がある。したがって、受信機部分は、いくつかの実施形態では、全波整流器であり得る整流器６０６を含んでもよい。多くの実施形態では、整流器６０６は、例示するような受動型整流器としてもよい。

降圧コンバータ６０８としてここに示すインピーダンスコントローラを、整流器の出力に結合することができる。降圧コンバータ６０８の出力は、ポータブル電子デバイスなどの可変抵抗負荷に、電力を導くことができる。

これらの実施形態では、誘導電力伝送システム６００は、高インピーダンスに対して最適化することができる。降圧コンバータ６０８は、電圧を減少させ、可変抵抗負荷を通る電流を上昇させることができる。例えば、可変抵抗負荷が高い場合には、誘導電力送信機から誘導電力受信機へ電力を伝送するために、低い周波数を使用してもよい。同様に、可変抵抗負荷が低い場合には、より高い周波数を使用してもよい。送信機と受信機との間の電力伝送効率は、可変抵抗負荷の全負荷特性に対して最適化することができる。なお、いくつかの実施形態では、コンバータの降圧／昇圧を制御するために、プログラマブル昇圧−降圧コンバータを使用してもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、プログラマブル昇圧−降圧コンバータは、負荷の変化を補償するように、動的に制御する（例えば、フィードバックループによって）ことができる。いくつかの実施形態では、固定された降圧コンバータを使用してもよい。

図７は、受信機インピーダンスを動的に変更するように適合された誘導電力伝送システムの一例の簡略化した信号フロー概念図である。図６と同様に、誘導電力伝送システム７００は、送信機コイル７１０及び受信機コイル７１２を備え、受信機コイル７１２は整流器７０６に結合することができる。この整流器７０６の出力は、インピーダンスコントローラ７０８を介して、可変抵抗負荷に結合される。しかし、図示のように、整流器７０６は、アクティブ整流器としてもよい。例えば、コントローラ（図示せず）は、整流器７０６の４つのスイッチの各々に結合することができる。コントローラは、整流器７０６のスイッチのうちの１つ以上を選択的に開閉することができる。このように、整流器７０６のスイッチは、同期整流器を表すことができる。しかし、多くの実施形態では、従来のアクティブ整流器のとり得る値を超えて出力電圧を昇圧させるように、スイッチの制御信号を変更してもよい。したがって、整流器７０６は、昇圧コンバータとして機能することができる。

図６と同様に、説明の簡略化のため、誘導電力伝送システム７００の、特定の標識のない構成要素が例示されている。理想的な電気的構成要素として例示されるこれらの要素は、誘導電力伝送システム７００の１つ以上の部分の電気的特性を表し得ることが理解されよう。

図８は、受信機のインピーダンスを動的に調整する方法の動作例を示す簡略化したフロー図である。この方法は、誘導電力送信機から誘導電力を受信するように動作可能な誘導電力受信機から開始することができる。動作８０２において、誘導電力は、誘導電力受信機によって受信してもよい。その後、８０４において、誘導電力受信機は、負荷状態が変化したと判定することができる。例えば、誘導電力受信機は、より少ない電力しか必要としないことがある。動作８０６において、誘導電力受信機の実効インピーダンスは、８０４で判定された負荷状態の関数として、又はその負荷状態に応じて変化させてもよい。

本開示において、開示された方法は、デバイスによって読み取り可能な命令のセット、又はソフトウェアとして、実施することができる。更に、開示された方法における動作の具体的な順序又は階層は、サンプル方法の実施例であることが理解される。いくつかの実施形態では、方法におけるステップの具体的な順序又は階層は、開示の主題の範囲内で再編成することができる。添付の方法の請求項は、サンプル順序におけるさまざまなステップの要素を提示し、必ずしも、提示される具体的な順序又は階層に限定することを意図してはいない。

上述の説明は、記載される実施形態の完全な理解を提供するために、説明を目的として、特定の用語を使用した。しかし、記載される実施形態を実施するために、特定の詳細が必要でないことは、当業者にとって明らかであろう。このように、本明細書で説明した具体的な実施形態の上述の説明は、例示及び説明の目的のために提示されるものである。それらは、網羅的であることも、又は、実施形態を開示される厳密な形態に限定することも、目的とするものではない。上記の教示を考慮して、多くの変更及び変形が可能であることが当業者には明らかとなるであろう。

Claims (12)

1. 電磁誘導の電力伝送装置であって、
   誘導電力送信機と、誘導電力受信機とを備え、
   前記誘導電力送信機は、
   アクティブ状態及び非アクティブ状態を有し、選択可能なデューティサイクルで前記アクティブ状態と前記非アクティブ状態との間で切り替わるように構成された電源、及び、
   前記電源に結合された電力送信インダクタ、
   を含み、
   前記誘導電力受信機は、
   前記電力送信インダクタに誘導的に近接して配置された電力受信インダクタ、
   プログラム可能負荷、及び
   前記電力受信インダクタに結合され、昇圧コンバータを含み、前記プログラム可能負荷の電力需要の変化に応じて、前記電力受信インダクタの漏れインダクタンスを前記昇圧コンバータのインダクタとして使用して前記誘導電力受信機の電気インピーダンスを増加又は減少させるように構成されたインピーダンスコントローラ、
   を含む、電磁誘導の電力伝送装置。
2. 前記インピーダンスコントローラは、同期ブリッジ整流器を含み、前記同期ブリッジ整流器は、
   制御可能なデューティサイクルを有する発振器と、
   複数のスイッチであって、それぞれが、前記電力受信インダクタの電圧極性と、前記発振器の電圧の大きさとに少なくとも部分的に応じて切り替え可能である、複数のスイッチと、
   を含む、請求項１に記載の電力伝送装置。
3. 電磁誘導の電力受信装置であって、
   電力受信インダクタと、
   プログラム可能負荷と、
   前記電力受信インダクタに結合され、昇圧コンバータを含み、前記プログラム可能負荷の電力需要の変化に応じて、前記電力受信インダクタの漏れインダクタンスを前記昇圧コンバータのインダクタとして使用して前記電力受信インダクタの電気インピーダンスを増加又は減少させるように構成された、インピーダンスコントローラと、
   を備える、電磁誘導の電力受信装置。
4. 前記インピーダンスコントローラは、同期ブリッジ整流器を含み、前記同期ブリッジ整流器は、
   制御可能なデューティサイクルを有する発振器と、
   複数のスイッチであって、それぞれが、前記電力受信インダクタの電圧極性と、前記発振器の電圧の大きさとに少なくとも部分的に応じて切り替え可能である、複数のスイッチと、
   を含む、請求項３に記載の電力受信装置。
5. ポータブル電子デバイスと関連付けられた誘導電力受信機を動作させる方法であって、
   前記ポータブル電子デバイスの負荷状態を判定することと、
   誘導電力送信機からの誘導電力を受信することと、
   前記判定された負荷状態に応じて、前記誘導電力受信機の漏れインダクタンスを昇圧コンバータのインダクタとして使用することによって、前記誘導電力受信機のインピーダンスを調整することと、
   を含む方法。
6. 前記誘導電力受信機の前記インピーダンスを調整する前記動作は、前記昇圧コンバータを含んだインピーダンスコントローラにより少なくとも部分的に実行される、
   請求項５に記載の方法。
7. 前記ポータブル電子デバイスの前記負荷状態が変化したと判定すること、
   をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記ポータブル電子デバイスの前記負荷状態が増大したと判定すること、
   をさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記ポータブル電子デバイスの前記負荷状態が増大したと判定したことに応じて、前記誘導電力受信機の実効的な前記インピーダンスを減少させること、
   をさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ポータブル電子デバイスの前記負荷状態が減少したと判定すること、
    をさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記ポータブル電子デバイスの前記負荷状態が減少したと判定したことに応じて、前記誘導電力受信機の実効的な前記インピーダンスを増大させること、
    をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記インピーダンスコントローラは、同期ブリッジ整流器を含み、前記同期ブリッジ整流器は、
    制御可能なデューティサイクルを有する発振器と、
    複数のスイッチであって、それぞれが、電力受信インダクタの電圧極性と、前記発振器の電圧の大きさとに少なくとも部分的に応じて切り替え可能である、複数のスイッチと、
    を含む、請求項６に記載の方法。

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