TW201731194A - 無線電源中的電容性元件耦接技術 - Google Patents

無線電源中的電容性元件耦接技術 Download PDF

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Abstract

無線電源系統中的電容性耦接之技術在此被說明。此等技術可包括形成發送線圈，此發送線圈被電感性地耦接至待充電裝置(DUC)的接收線圈。此等技術可包括形成此發送線圈的電容性元件，此電容性元件被電容性地耦接至此DUC的導電組件。

Description

無線電源中的電容性元件耦接技術
此揭示一般有關於無線充電的技術。特別而言，此揭示有關於電感性元件至待充電裝置的導電組件之電容性耦接。
磁性共振無線充電可使用發送(Tx)線圈與接收(Rx)線圈之間的磁性耦接。Tx線圈與Rx線圈可根據共振的電感性耦接來予以耦接，其中，由於各個線圈被調諧至以實質類似的頻率共振，所以電能自Tx線圈被發送至Rx線圈。在某些方案中，當與Tx線圈相關聯的磁場與接收裝置的導電組件(諸如，金屬機殼)互動時，會使Tx線圈失諧。例如，若待充電裝置具有與Tx線圈的磁場互動之金屬組件時，在此金屬組件上會感應出渦電流(Eddy current)，其中，產生與Tx線圈的磁場反向之反應(reactive)磁場。在此方案中，藉由反應磁場之Tx線圈的失諧導致較低的功率轉移效率。
102‧‧‧Tx電路
104‧‧‧Tx線圈
106‧‧‧調諧電容器
108‧‧‧電容性元件
110‧‧‧導電組件
112‧‧‧電容器
202‧‧‧Tx電路
204‧‧‧Tx線圈
206‧‧‧調諧電容器
208‧‧‧電容性元件
210‧‧‧金屬物件
212‧‧‧虛線框
300‧‧‧電源發送單元
302‧‧‧電源發送單元的底部圖
304‧‧‧電源發送單元的頂部圖
306‧‧‧電源發送單元的剖面圖
308‧‧‧導電電極板
310‧‧‧鐵氧磁體材料
312‧‧‧Tx線圈
400A‧‧‧電源發送單元
400B‧‧‧電源發送單元
402‧‧‧電容性耦接板
404‧‧‧電容性耦接板
406‧‧‧Tx線圈
410‧‧‧待充電裝置
412‧‧‧長度
414‧‧‧間隔
416‧‧‧共面條狀電容
418‧‧‧並聯板電容
420‧‧‧耦接板
422‧‧‧介電質覆蓋
424‧‧‧括號
圖1A係繪示與發送器線圈串聯的電容性元件之圖形；圖1B係繪示耦接至導電組件的電容性元件之圖形；圖1C係繪示與圖1B的圖形等效之電路的圖形；圖2A係繪示與發送器線圈並聯的電容性元件之圖形；圖2B係繪示與此發送器線圈並聯之耦接至導電組件的電容性元件之圖形；圖2C係繪示與圖2B的圖形等效之電路的圖形；圖3係繪示具有電容性元件的範例電源發送單元之圖形；圖4A係具有以指叉形式形成的電容性元件之電源發送單元的上視圖之例圖；圖4B係具有以指叉形式形成的電容性元件之電源發送單元的剖面圖；圖5A繪示電源發送單元與不同方位的待充電裝置之上視圖；圖5B繪示電源發送單元與多個待充電裝置的上視圖；圖6係繪示形成具有電容性元件的電源發送單元之方法的方塊圖；以及圖7係繪示無線電源系統中的電容性耦接之方法。
遍及此揭示及此等圖示的相同標號被使用引用類似的 組件及特性。100系列中的標號係指圖1中所最初發現的特性；200系列中的標號係指圖2中所最初發現的特性；以此類推。
【發明內容及實施方式】
本揭示一般有關於調整無線充電系統中的電感之變化的技術。如同以上所討論的，磁性共振無線充電系統可使用發送(Tx)線圈與接收(Rx)線圈之間的電感性耦接，其中，待充電裝置(DUC)可包括導電組件，當此Tx線圈的磁場與此等導電組件互動時，此等導電組件導致電感性耦接的變化。在此所述的技術包括電容性元件，其被組構成被電容性地耦接至此DUC的導電組件。在某些方面，電容性元件與導電組件之間的電容性耦接可至少部分地補償電感性耦接的變化。
圖1A為繪示與發送器線圈串聯的電容性元件之圖形。Tx電路102可包括Tx線圈104、調諧電容器106、及電容性元件108。調諧電容器106可被組構成調諧Tx線圈，以在與給定的Rx線圈相關聯之所想要的頻率共振。然而，如參考圖1B之以下所討論的，Tx線圈104(具有電感「L」)和Rx線圈(未顯示)可與DUC的導電組件互動。
共振頻率「f0」可藉由以下的方程式1來予以定義：
在方程式1中，L為引入任何導電組件之前的電感， 而「C」為此調諧電路的電容，或如圖1A中所表示的Cs。
圖1B為繪示耦接至導電組件的電容性元件之圖形。導電組件110可為DUC的組件或部分。在某些方面，如圖1B中所表示，導電組件110為金屬物件(諸如，金屬機殼、電池、等等)。由於Tx線圈104與導電組件110之間的互動，所以Tx線圈104的電感「L」減少△L。因此，電感「L’」等於L-△L。由於藉由導電組件110所致使的任何電感減少△L，所以形成於金屬物件110與電容性元件108之間的耦接電容(如圖1B中的Cc所表示)可至少部分地補償共振頻率改變。
圖1C為繪示與圖1B的圖形等效之電路的圖形。形成於圖1B中的電容性元件108與金屬物件之間的電容係等效於加入圖1C中的電容器112，其也被表示為藉由以下的方程式2來予以定義之Cp：C p =C c /2 方程式2
在方程式2中，如圖1B中所表示，Cc為形成於金屬物件110與電容性元件108之間的耦接電容。圖1B中及圖1C中所繪示的等效電路中之產生的共振頻率f2係藉由以下的方程式3來予以定義：
因此，如同以上所討論的，Tx線圈104的共振頻率之改變可至少部分地藉由電容性元件108的引入來予以調整。
除了圖1A、1B、及1C中所述、以及如參考圖3之以下所討論的電容性元件之串聯之外，如參考圖2A、2B、2C、及4A和4B之以下所討論的，電容性元件還可以並聯組態而被連接至此Tx線圈。
圖2A為繪示與發送器線圈並聯的電容性元件之圖形。Tx電路202可包括Tx線圈204、調諧電容器206、及電容性元件208。如同參考圖1A-1C之以上所討論的，調諧電容器206可被組構成調諧Tx線圈204，以在藉由方程式1所定義之所想要的頻率(諸如，頻率f0)共振。在此方案中，如同以下更詳細討論的，此電容性元件被配置成與Tx線圈204成並聯關係。
圖2B為繪示與此發送器線圈並聯之耦接至導電組件的電容性元件之圖形。在此範例中，電容Cc被表示於圖2B中，並且鑑於金屬物件210的電容性元件208之產生的電感L”藉由以下的方程式4來予以定義：
圖2C為繪示與圖2B的圖形等效之電路的圖形。如同藉由虛線框212之圖2C中所繪示者，等效的電容性元件208係與Tx線圈204並聯。
在並聯組態(諸如，在圖2A-2C中)，或在串聯組態(諸如，在圖1A-1C中)中，形成於電容性元件與金屬物件之間的電容可導致Tx線圈的調諧之調整，其反過來影響發送線圈與接收線圈之間的電源轉移效率，然而，由於並聯的阻抗轉換特性，所以並聯組態可提供略低的效率。對 於連接至線圈的功率放大器而言，當加入更多的待充電裝置而產生呈現給功率放大器之相當高的阻抗時，此特性會是有助益的。
如圖1A及1B的108所繪示之串聯，或如圖2A及2B中的204所繪示之並聯的電容性元件之態樣可以任何適當的設計來予以實施。某些範例設計在以下予以討論。
圖3為繪示具有電容性元件的範例電源發送單元之圖形。電源發送單元300的底部圖被繪示在302，電源發送單元300的頂部圖被繪示在304，而電源發送單元300的剖面圖被繪示在306。電源發送單元300包括電容性元件，如底部圖302及剖面圖306中所繪示，此電容性元件包括兩個導電電極板308。在某些方面，導電電極板308可為銅，或任何其他適當的導電材料。電極板308可被通訊地耦接至Tx調諧電路，此Tx調諧電路被組構成調諧電源發送單元300。在其他方面，無論待充電裝置的配置為何，導電電極板308可被圖案化成使得達成相等的覆蓋區域。鐵氧磁體材料310也被使用於電極板與線圈之間，以使增加的金屬電極板對線圈的效應減少，然而，鐵氧磁體材料310可藉由採用在電極上的某些圖案而被消除，使得其不會影響Tx線圈的效能。另外，介電質覆蓋310可讓導電電極板308能夠電容性地補償藉由待充電裝置的導電組件所致使之電感的偏移之至少部分。例如，如同圖3的頂部圖304及剖面圖306所繪示者，具有接收線圈的裝置可被放置於電源發送單元300的頂部上，以被電感性地耦 接至Tx線圈312。
在某些方案中，導電電極板308的耦接電容可依據導電電極板308與待充電裝置的導電組件之間的距離。另外，在某些方面，導電電極板308的耦接電容可依據待充電裝置的尺寸。在於此所述的方面，策略距離、電極尺寸、介電質覆蓋材料、等等可根據多種型式的待充電裝置、多種模型的待充電裝置、等等之待充電裝置的導電組件之平均距離來予以選擇。另外，在某些其他方面，如同參考圖6之更詳細討論的，策略距離、電極尺寸、介電質覆蓋材料、等等可被選擇成使得多個待充電裝置可被耦接至Tx線圈312。
圖4A為具有以指叉形式形成的電容性元件之電源發送單元的上視圖之例圖。如同圖4中所繪示者，多個電容性元件(諸如，電容性耦接板402，404)被包括於電源發送單元400A中。與圖3的介電質覆蓋310類似，電容性耦接板402，404可被配置於介電質覆蓋材料之下。在此範例中，電容性耦接板402，404被配置於電源發送單元400A的Tx線圈406之頂部上。如同圖4A中所繪示者，間隔的指叉形式被使用來降低藉由在其之下的Tx線圈406所產生之磁場的干擾。電容性耦接板402包括連接在一起的多個臂，且此等臂係與具有類似結構的電容性耦接板404相交錯。如同以下更詳細討論的，當藉由框410所表示的待充電裝置被放置於電源發送單元400A上時，電容性耦接板402，404的電容可依據待充電裝置410的長 度412，及電容性耦接板402，404之間的間隔414。
圖4B為具有以指叉形式形成的電容性元件之電源發送單元的剖面圖。在圖4B中，繪示電容性耦接板402，404，以及Tx線圈406的匝。在相鄰電容性耦接板402，404之間，如同圖4B中的416所表示者，形成共面條狀電容Ccs。當待充電裝置410被配置於電源發送單元400B的頂部上時，418的並聯板電容(Cpp)被形成於待充電裝置410中的導電組件與被待充電裝置410覆蓋的電容性耦接板402，404之間。電容性耦接板402，404的電容可藉由以下的方程式5、6、及7來予以判定。
在以上的方程式中，K為第一種的完整橢圓積分，「l」為如同藉由圖4A中之虛線箭頭412所表示的待充電裝置之長度，「w」為各個耦接板420的寬度，「s」為如同藉由以上的圖4A中之虛線箭頭414所表示的相鄰電容性耦接板402，404之間的間隔，而「d」為如同藉由括號424所表示的介電質覆蓋422之厚度。以上的參數之組合可被使用來達成如同藉由方程式8所表示之恆共振頻率的條件。
L(C s +C s )=L'(C s +C cs +C pp )=L"(C s +C cs +2C pp )=L'''(C s +C cs +3C pp )方程式8
在方程式8中，當1、2、及3的待充電裝置以預定的分隔距離「D」而被放置於此Tx線圈的頂部上時，L’、L”、及L'''的各者表示失諧的Tx線圈之電感。在一個範例中，寬度「w」為2毫米(mm)，此介電質覆蓋的厚度「d」為1.3mm，待充電裝置410的長度「l」之長度為120mm，相鄰電容性耦接板402，404之間的間隔「s」414為35mm，而待充電裝置之間的分隔「D」為6mm。
圖5A繪示電源發送單元與不同方位的待充電裝置之上視圖。電容性耦接板402，404策略上被隔開，以提供大的位置彈性，使得如同502、504、506的各者所表示的，無論待充電裝置410被放置於什麼方位/位置，在待充電裝置410與兩個耦接板402，404之間，總是有大約相同的覆蓋量。
圖5B繪示電源發送單元與多個待充電裝置的上視圖。當多個具有導電組件的待充電裝置被放置於此電源發送單元上時，會使導電組件(諸如，待充電裝置410內的金屬物件)的失諧效應放大。在某些方面，如由508、510、512所表示，在此所述的技術可補償多個待充電裝置410中的額外導電組件。
圖6為繪示形成具有電容性元件的電源發送單元之方法的方塊圖。在方塊602，方法600包括形成發送線圈，此發送線圈被電感性地耦接至待充電裝置(DUC)的接收線圈。在方塊604，方法600包括形成此發送線圈的電容性元件，此電容性元件被電容性地耦接至此DUC的導電組 件。
如同以上所討論的，此電容性元件可以並聯組態、串聯組態、或其任何組合來予以形成。在這些組態的任一者中，由於Tx線圈與DUC的導電組件之互動，所以Tx線圈與Rx線圈之間的電感性耦接會被Tx線圈的共振頻率之改變所影響。另外，共振頻率的改變會影響Tx線圈與Rx線圈之間的電源轉移之效率。在某些方案中，電容性元件被形成為在線圈之下的電極板。在其他方案中，電容性元件被形成為呈指叉形式的複數個板。
圖7為繪示無線電源系統中的電容性耦接之方法。如同以上所討論的，電源發送單元可被電感性地耦接至電源接收單元。然而，電源接收單元的導電組件可與電感性耦接互動。在方塊702，在電源發送單元與電源接收單元之間的電感性耦接可藉由在602所形成的電容性元件(其被耦接至導電組件)間之電容性耦接來予以調整。在704，電感性耦接的改變(諸如，在調整期間(702))補償由於導電組件而導致的改變。在706，改變電感性耦接可為相對於共振頻率及效率的改變。在所形成的電容性元件與DUC的導電組件之間的電感性耦接導致Tx線圈的共振頻率(因此，在Tx線圈與Rx線圈之間的電感性耦接)之調整。
範例1
在此所述的技術一般有關於無線發送，及產生與待充電裝置(DUC)的導電組件相耦接的電容性裝置(諸如，電容 性元件)。例如，DUC可具有可捨棄發送線圈與此DUC的接收線圈之間所打算的電感性耦接之各種導電組件(諸如，此DUC的框體中之金屬)。
範例2
在此所述的技術可包括無線充電組件，其包括發送線圈，及被耦接至待充電裝置(DUC)的導電組件之電容性裝置(諸如，電容性元件)。雖然此發送線圈係要被電感性地耦接至此DUC的接收線圈，但是此電容性裝置藉由此DUC的導電組件而對電感性耦接干擾(disruption)進行調整。
範例3
在此所述的技術可包括待充電裝置(DUC)的無線電源接收單元。此接收單元可包括被電感性地耦接至電源發送單元的發送線圈之接收線圈。此接收單元可包括係要被電容性地耦接至此發送線圈的電容性元件之此DUC的導電組件(諸如，金屬框體)，或其他的計算組件。此導電組件與此電容性元件之間的電容性耦接可對此接收線圈與此發送線圈之間之電感性耦接的干擾(否則會由於此DUC的此導電組件而發生)進行調整。
範例4
在此所述的技術可包括無線電源發送單元，其包括發 送線圈及電容性元件。接收單元可包括被電感性地耦接至此發送線圈的接收線圈。此接收單元可包括係要被電容性地耦接至此電容性元件之DUC的導電組件(諸如，金屬框體)，或其他的計算組件。此導電組件與此電容性元件之間的電容性耦接可對此接收線圈與此發送線圈之間之電感性耦接的干擾(否則會由於此DUC的此導電組件而發生)進行調整。
在此所述及所繪示之所有的組件、特性、結構、特徵等不需要被包括於特定的範例或態樣中。若此說明書陳述「可(may)」、「可(might)」、「可(can)」、或「可(could)」例如包括組件、特性、結構、或特徵，則不需要包括此特定的組件、特性、結構、或特徵。若此說明書或申請專利範圍提及「一(a)」或「一(an)」元件，則此不意謂此元件僅有一個。若此說明書或申請專利範圍提及「額外的」元件，則此不排除此額外的元件超過一個。
要注意的是，雖然某些態樣已參考特定的實施來予以說明，但是依據某些態樣的其他實施是可行的。另外，圖式中所繪示及/或在此所述的電路元件或其他特性之配置及/或順序不需要以所繪示及所述的特定方式來予以配置。依據某些態樣的許多其他配置是可行的。
在圖示中所顯示的各個系統中，某些情況中的元件各自可具有用以暗示所表示的元件可為不同及/或類似之相同的參考標號或不同的參考標號。然而，元件可具有不同的實施之足夠的彈性，且與在此所顯示或所述之系統的某 些或全部一起工作。圖示中所顯示的各種元件可為相同或不同。哪一個被稱為第一元件，而那一個被稱為第二元件是隨意的。
要瞭解的是，以上所提及的範例中之特性可被使用於一或多個方面中的任何地方。例如，相對於在此所述的方法或電腦可讀取媒體之任一者，也可實施以上所述之計算裝置的所有選用特性。再者，雖然流程圖及/或狀態圖在此已可被使用來說明態樣，但是此等技術不受限於那些圖，或在此對應的說明。例如，流程不需要經由各個所繪示的框或狀態，或以與在此所繪示及所述確切相同的順序而移動。
本技術不受限於在此所列出的特定細節。更確切而言，知曉此揭示的優點之熟習此項技術者將理解的是，在本技術的範圍內，可實施來自上述的說明及圖式之許多其他的變化。因此，下面的申請專利範圍(包括對此的修正)界定本技術的範圍。
102‧‧‧Tx電路
104‧‧‧Tx線圈
106‧‧‧調諧電容器
108‧‧‧電容性元件

Claims (15)

  1. 一種無線電源發送單元之形成方法，包含：形成發送線圈，該發送線圈被電感性地耦接至待充電裝置(DUC)的接收線圈；以及形成該發送線圈的電容性元件，該電容性元件被電容性地耦接至該DUC的導電組件，其中，該電容性元件被形成為與該發送線圈成並聯關係。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該電容性元件與該導電組件之間的電容性耦接導致該發送線圈與該接收線圈之間的電感性耦接之調整。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該調整至少部分地補償由於該DUC的該導電組件而發生該電感性耦接的改變。
  4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該電感性耦接的該改變係有關於該發送線圈的共振頻率及該發送線圈與該接收線圈間之電源轉移的效率之改變。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該電容性元件包含形成於該發送線圈之下的電極板。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該電容性元件包含複數個電極板，該複數個電極板呈指叉形式而被形成於該發送線圈與該發送線圈用的介電質蓋層之間。
  7. 一種無線充電組件，包含：發送線圈，被電感性地耦接至待充電裝置(DUC)的接 收線圈；以及該發送線圈的電容性元件，該電容性元件被電容性地耦接至該DUC的導電組件，其中，該電容性元件被配置成與該發送線圈並聯。
  8. 如申請專利範圍第7項之無線充電組件，其中，該電容性元件與該導電組件之間的電容性耦接導致該發送線圈與該接收線圈之間的電感性耦接之調整。
  9. 如申請專利範圍第8項之無線充電組件，其中，該調整至少部分地補償由於該DUC的該導電組件而發生該電感性耦接的改變。
  10. 如申請專利範圍第9項之無線充電組件，其中，該電感性耦接的該改變係有關於該發送線圈的共振頻率及該發送線圈與該接收線圈間之電源轉移的效率之改變。
  11. 如申請專利範圍第7項之無線充電組件，其中，該電容性元件包含形成於該發送線圈之下的電極板。
  12. 如申請專利範圍第7項之無線充電組件，其中，該電容性元件包含複數個電極板，該複數個電極板呈指叉形式而被形成於該發送線圈與該發送線圈用的介電質蓋層之間。
  13. 一種待充電裝置(DUC)的無線電源接收單元，包含：接收線圈，被電感性地耦接至電源發送單元的發送線圈；以及該DUC的導電組件，該導電組件被電容性地耦接至 該發送線圈的電容性元件，其中，該發送線圈係要被電感性地耦接至該接收線圈，其中，該電容性元件被配置成與該發送線圈並聯。
  14. 如申請專利範圍第13項之無線電源接收單元，其中，該電容性元件與該導電組件之間的電容性耦接導致該發送線圈與該接收線圈之間的電感性耦接之調整。
  15. 如申請專利範圍第14項之無線電源接收單元，其中，該調整至少部分地補償由於該DUC的該導電組件而發生該電感性耦接的改變。
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