TWI448032B - 感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置 - Google Patents

Description

感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置

本發明是有關於一種無線充電技術，且特別是有關於一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路。

隨著電子裝置的輕量化及薄型化，使用者已漸漸習慣隨身攜帶這些電子裝置。一般常見的電子裝置，例如手機、個人數位助理器(PDA，Personal Digital Assistance)、筆記型電腦、平板電腦、數位相機與數位攝錄影機(digital camcorder)等等，已經普遍為社會大眾廣泛使用，成為現代資訊生活不可或缺的一部分。

為了減少接線充電的麻煩，利用電磁感應原理而提供無線電源的系統的概念，在多前年已經被提出。由於先前感應技術的實際限制，先前的無線充電系統受到相當大的限制。例如，為了提供合理的效率操作，先前技術的無線感應充電系統需要在初級線圈及第二線圈之間密切及精確的對齊，另外，在感應電源供應中的電子裝置及遠方裝置中的電子裝置之間，需要高度的調協(coordinated tuning)。由於不同的遠方裝置可能需要非常不同數量的電源，這些問題更加複雜。

目前的無線充電應用，僅止於一對一應用。換句話說，一個行動裝置必須對應一個指定的無線充電裝置。然，當產品不同時，無線充電裝置不可以相容使用。因此，申請人提出一種相容於多個產品的無線電源供應系統。

本發明的目的是提供一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路同時可以在感應耦合電能傳輸模式時，以磁場傳輸電力給外部裝置，並且在電場耦合電能傳輸模式時，以電場傳輸電力給外部裝置。

為了達成本發明的上述目的及其他目的，本發明提出一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路。此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路用於在感應耦合電能傳輸模式時，輸出一磁場電力以對一第一外部裝置進行充電，並且在電場耦合電能傳輸模式時，輸出一電場電力以對一第二外部裝置進行充電，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路裝置包括一電源轉換器、一控制電路、一無線通訊接收電路以及一金屬平板。電源轉換器接收一輸入電壓，轉換輸入電壓為一特定電壓。控制電路用以控制電源轉換器。無線通訊接收電路用於接收一功率辨識訊號，其中，功率辨識訊號係來自第一或第二外部裝置的電能需求資訊。金屬平板耦接電源轉換器。

當無線通訊接收電路接收到第一外部裝置的功率辨識訊號，感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置進行感應耦合電能傳輸模式，控制電路控制該電源轉換器輸出該磁場電力以對該第一外部裝置進行充電。當無線通訊接收電路接收到該第二外部裝置的功率辨識訊號，感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置進行電場耦合電能傳輸模式，控制電路控制電源轉換器輸出一高 頻高壓電給金屬平板，以輸出電場電力以對第二外部裝置進行充電。

本發明的精神主要是整合感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸的電路，讓此無線充電器可以支援市面上的兩種主流的無線電力傳輸模式，且整合後的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸的電路，元件更加節省。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。

(第一實施例)

圖1繪示為本發明第一實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的電路方塊圖。請參考圖1，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置包括一電源轉換器101、一控制電路102、一無線通訊接收電路103以及一金屬平板104。為了說明本發明的精神，本實施例的電路圖還額外繪示了第一外部裝置105以及第二外部裝置106。電源轉換器101接收一輸入電壓VIN，用以轉換輸入電壓VIN為一特定電壓VOUT。控制電路102用以控制電源轉換器101。無線通訊接收電路103耦接控制電路102，用於接收來自第一外部裝置 105的功率辨識訊號ID1或來自第二外部裝置106的功率辨識訊號ID2，其中，功率辨識訊號ID1、ID2分別包含第一外部裝置105或第二外部裝置106的電能需求資訊。金屬平板104耦接電源轉換器101。

假設，第一外部裝置105是採用感應耦合電能傳輸進行充電(也就是磁場充電)，且第二外部裝置106是採用電場耦合電能傳輸進行充電(也就是電場充電)。

假設第一外部裝置105被配置在此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置上，此時，第一外部裝置105所發出的功率辨識訊號ID1會被無線通訊接收電路103所接收到，無線通訊接收電路103便會通知控制電路102，以進入感應耦合電能傳輸模式。此時，控制電路102控制電源轉換器101輸出該磁場電力以對第一外部裝置105進行充電。

同樣的，假設第二外部裝置106被配置在此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置上，此時，第二外部裝置106所發出的功率辨識訊號ID2會被無線通訊接收電路103所接收到，無線通訊接收電路103便會通知控制電路102，以進入電場耦合電能傳輸模式。此時，控制電路102控制電源轉換器101輸出一高頻高壓電HV給金屬平板104。透過此金屬平板104，傳輸電場給第二外部裝置106以對第二外部裝置106進行充電。

一般來說，感應耦合電能傳輸模式主要是利用線圈輸出磁場，因此第一外部裝置105內部也必然會有一線圈接收磁場。電場耦合電能傳輸模式則是利用平板進行電場輸出，因此第二外部裝置106內部也必然會有一金屬平板。 然，電場耦合電能傳輸模式需要電源轉換器將電壓提升到約1.5KV，因此整體控制是完全不同的。

為了讓電路整合性更加提升，以下提供一種整合平板與線圈的實施例給所屬技術領域具有通常知識者做參考。

(第二實施例)

圖2繪示為本發明第二實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的金屬平板的俯視圖。請參考圖2，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的金屬平板係包括一平板線圈201，此平板線圈201的繞線配置在一平面上，並且繞線的寬度為L。此平板線圈201的繞線是由內部的第一端202繞到外部的第二端203。由此俯視圖可以看出，此平板線圈201的結構非常類似於一個平板。從此平板線圈201的俯視圖可以看出，此平板線圈201可以被視為是將一個平板金屬的細微線圈(間隙)部分204腐蝕掉後，殘留下來的平板。

(第三實施例)

圖3繪示為本發明第三實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置應用在感應耦合電能傳輸(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)的電路方塊示意圖。請參考圖3，當此圖2的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈被用在感應耦合電能傳輸的場合時，此平板線圈201是被當作是線圈來使用，因此，電路結構上，線圈的第一端會被用來輸入一個整流後的電壓VDC(例如台灣市電110V經過橋式整流後的電壓)。線圈的第 二端會耦接電源轉換器101的開關301，其中，此開關301係接收由控制電路102所輸出的脈波寬度調變(Pulse Width Modulation)訊號PWM。因此，控制電路102藉由控制電源轉換器101的開關301的導通與截止，可以控制此平板線圈201所輸出的磁場，以傳輸電力給第一外部裝置105。

(第四實施例)

圖4繪示為本發明第四實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置應用在電場耦合電能傳輸的電路方塊示意圖。請參考圖4，當此圖1的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈被用在電場耦合電能傳輸(Electrical-Field Coupled Power Transfer，ECPT)的場合時，此平板線圈201是被當作是平板使用。此時，平板線圈201的第二端是空接，也就是與接地完全隔絕的。控制電路102藉由控制電源轉換器101輸出的電壓HV之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對第二外部裝置106進行充電。

(第五實施例)

圖5繪示為本發明第五實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的金屬平板的俯視圖。請參考圖5，上述實施例雖然是以圓形線圈作為舉例，在此實施例特別以矩形線圈做舉例。同樣的道理，此平板線圈501的繞線配置在一平面上，並且繞線的寬度為L。此平板線圈501的繞線是由內部的第一端502繞到外部的第二端503 。並且呈現一矩形形狀。此種繞線的好處在於，一般行動裝置，基本上都會設計成實質上為矩形結構，因此，若本案的繞線為矩形，可以與外部裝置產品更加吻合，因此，矩形繞線可以增加上述耦合面積A。

上述幾個實施例雖然只有舉出矩形與圓形繞線，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，繞線形狀可以根據不同設計而改變，例如三角形、梯行或橢圓形等等，本發明不以此為限。

綜上所述，本發明的精神主要是整合感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸的電路，讓此無線充電器可以支援市面上的兩種主流的無線電力傳輸模式，且整合後的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸的電路，元件更加節省。

在本發明的實施例中，線圈電線之形狀改成平板形狀，並且把此線圈配置在同一個平面上。因此，當在感應耦合電能傳輸模式時，此兩用平板線圈的第一端輸入一第一外部電壓，並透過兩用平板線圈的第二端的開關切換，以輸出磁場電力以對第一外部裝置進行充電。當在電場耦合電能傳輸模式時，上述兩用平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且上述兩用平板線圈的第二端開路，透過控制第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對第二外部裝置進行充電。

在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為准。

101‧‧‧電源轉換器

102‧‧‧控制電路

103‧‧‧無線通訊接收電路

104‧‧‧金屬平板

105‧‧‧第一外部裝置

106‧‧‧第二外部裝置

201、501‧‧‧平板線圈

202‧‧‧平板線圈101的第一端

203‧‧‧平板線圈101的第二端

204‧‧‧平板線圈101的間隙

301‧‧‧開關

501‧‧‧平板線圈

502‧‧‧平板線圈501的第一端

503‧‧‧平板線圈501的第二端

ID1、ID2‧‧‧功率辨識訊號

VDC‧‧‧電壓

PWM‧‧‧脈波寬度調變訊號

圖1繪示為本發明第一實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的電路方塊圖。

圖2繪示為本發明第二實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的金屬平板的俯視圖。

圖3繪示為本發明第三實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置應用在感應耦合電能傳輸(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)的電路方塊示意圖。

圖4繪示為本發明第四實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置應用在電場耦合電能傳輸的電路方塊示意圖。

圖5繪示為本發明第五實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置的金屬平板的俯視圖。

101‧‧‧電源轉換器

102‧‧‧控制電路

103‧‧‧無線通訊接收電路

104‧‧‧金屬平板

105‧‧‧第一外部裝置

106‧‧‧第二外部裝置

ID1、ID2‧‧‧功率辨識訊號

Claims (6)

1. 一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置，用於在感應耦合電能傳輸模式時，輸出一磁場電力以對一第一外部裝置進行充電，並且在電場耦合電能傳輸模式時，輸出一電場電力以對一第二外部裝置進行充電，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置包括：一電源轉換器，接收一輸入電壓，轉換該輸入電壓為一特定電壓；一控制電路，用以控制該電源轉換器；一無線通訊接收電路，用於接收一第一功率辨識訊號及/或第二功率辨識訊號，其中，該第一功率辨識訊號係包含該第一外部裝置的電能需求資訊，該第二功率辨識訊號係包含該第二外部裝置的電能需求資訊；以及一金屬平板，耦接該電源轉換器；其中，當該無線通訊接收電路接收到該第一外部裝置的功率辨識訊號，該感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置進行感應耦合電能傳輸模式，該控制電路控制該電源轉換器輸出該磁場電力以對該第一外部裝置進行充電，其中，當該無線通訊接收電路接收到該第二外部裝置的功率辨識訊號，該感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置進行電場耦合電能傳輸模式，該控制電路控制該電源轉換器輸出一高頻高壓電給該金屬平板，以輸出該電場電力以對該第二外部裝置進行充電。
2. 如申請專利範圍第1所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用電路，其中，該金屬平板為：一平板線圈，其中，此平板線圈的線材部分，具有一指定寬度，並呈現扁平狀，且該平板線圈在一平面上進行繞線，其中，該平面與該平板線圈的平板平行，其中，當在感應耦合電能傳輸模式時，該電源轉換器對該平板線圈的第一端輸入一第一外部電壓，且該電源轉換器的開關耦接該平板線圈的第二端，該電源轉換器透過該平板線圈的第二端的開關切換，以輸出該磁場電力以對該第一外部裝置進行充電，其中，當在電場耦合電能傳輸模式時，該電源轉換器由該平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且該電源轉換器控制該平板線圈的第二端開路，透過控制該第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出該電場電力以對該第二外部裝置進行充電，其中，該第二外部電壓係該高頻高壓電。
3. 如申請專利範圍第2所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置，其中，該平板線圈具有一圓心，且該平板線圈繞線為透過該圓心成同心圓放射式繞線。
4. 如申請專利範圍第3所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置，其中，該平板線圈的金屬平面部分佔據由平板線圈的圓心到平板線圈的半徑構成的圓面積超過80%以上的面積。
5. 如申請專利範圍第2所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置，其中，該平板線圈具有一中心點，且該平板線圈繞線為透過該中心點成矩形放射式繞線。
6. 如申請專利範圍第5所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用裝置，其中，該平板線圈的金屬平面部分佔據該平板線圈的外圍所圍成的矩形面積超過80%以上的面積。