TWI577104B - 無線電力接收系統及其方法 - Google Patents

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Description

無線電力接收系統及其方法
本發明係關於無線電源供應器，更明確地說，係關於從一無線電源供應器無線式接收電力的系統。
無線電源供應系統的使用持續成長。最為常見的無線電源供應系統使用電磁場從一無線電源供應器無線式傳輸電力至與一遠端裝置關連的無線電力接收器，該遠端裝置例如像是行動電話、智慧型電話、媒體播放機或其他電子裝置。存在多種不同類型的無線電力供應系統。舉例來說，許多傳統的系統在無線電源供應器中使用一初級線圈，並在遠端裝置的無線電力接收器中使用次級線圈。初級線圈生成一電磁場由該無線電源供應器發出。無線電力接收器包括一次級線圈可被置於由初級線圈所生成的電磁場當中。若遠端裝置被放得足夠接近無線電源供應器，電磁場在次級線圈內誘發電力而可被遠端裝置使用，舉例來說，以供電及(或)充電該遠端裝置。這類型的系統通常是在初級線圈與次級線圈相對來說彼此靠近時提供最佳表現。為此緣故，這類型的系統往往被稱之為「緊密耦合的」系統
已有許多傳統的無線電源供應系統經配置，以便若初級線圈與次級線圈比要讓緊密耦合的系統有效使用通常可接受之距離更遠時能有 效率地提供電力。已知它們可在比緊密耦合的系統更遠的距離有效地傳輸電力，這些類型的無線式電力傳送系統往往被稱為「中距的」系統。一典型中距的無線式電力傳送系統要靠一百多年前由Nicola Tesla所發明的技術(舉例來說，參見1901年10月22日核準的美國專利685,012號)。採一典型中距的系統，電力傳送系統包括一對共振器安排在初級線圈與次級線圈之間，或以其他方式靠近上述兩者。各共振器係經配置以包括一電感器以及一電容器，並且不包括任何額外的重大負載。如此做法確保在共振頻率時的阻抗為最小值，而最大化電容器與電感器之間的諧振電流。接著，電感器中的電流放大在該共振器之中所被誘發的無線式電力信號。已知其有能力放大信號，該等共振器可發揮一電橋的功能，用於延伸無線電源供應系統的有效範圍。使用時，初級線圈生成一電磁場而在第一共振器中誘發電力，第一共振器生成一已放大電磁場而在第二共振器中誘發電力，且第二共振器生成一已放大電磁場而在次級線圈中誘發電力。
雖然共振器的使用通常可在中距的環境中提供改善的效率，若無線電源供應器和遠端裝置太過靠近時共振器會減低效率。這就對於納有共振器的中距的系統設下實際限制。進一步，備有一共振器的無線電源供應器通常不能與不具備一共振器的遠端裝置有效率地運作(反之亦然)。因此，無線電源供應器通常就需要搭配相符的遠端裝置。
本發明提出一種無線電力接收器，能夠最佳化其自身用於從不同類型的無線電源供應器接收無線式電力。無線電力接收器包括兩個接收器電路經配置以供用於不同操作參數。一具體實施例中，無線電力接收 器包括一主接收器電路以及一輔助接收器電路。該主接收器電路係可調整，以在一緊密耦合的模式或一共振器模式其中之一情況下操作。在緊密耦合的模式中，主接收器電路可發揮像是遠端裝置主電源的功能。在共振器模式中，主電源電路可與遠端裝置斷電/分離，並發揮像是共振器的功能以放大接收到的無線式電力信號。若主接收器電路係處於共振器模式，輔助接收器電路可經配置以發揮如同用於遠端裝置之電源的功能。若主接收器電路係處於緊密耦合的模式，輔助接收器電路也能提供電力至遠端裝置。
一具體實施例中，主接收器電路包括一接收器線圈(或其他電感器)以及一接收器電容器，該接收器線圈及該接收器電容器形成一儲能電路並耦合至該遠端裝置的電力輸入。該接收器線圈以及接收器電容器可形成一諧振儲能電路。該諧振儲能電路可經由整流電流耦合至該電力輸入，並可經適當的濾波和調節電路。主接收器電路包括一切換器經安排以容許諧振儲能電路可被選擇性地短路，以致諧振儲能電路係有效地與遠端裝置電力輸入斷電/分離，並經配置在一封閉諧振迴路中以發揮像是一共振器的功能。一具體實施例中，切換器包括兩功率電晶體(FET)耦合至一控制器的安排。若希望主接收器電路發揮共振器模式的功能，該控制器可經配置以斷路該等FET並短路該諧振儲能電路。
一具體實施例中，輔助接收器電路包括耦合至該遠端裝置之電力輸入的一接收器線圈。該輔助接收器線圈可經由整流電流電連接至該電力輸入，並可經適當的濾波和調節電路。輔助接收器線圈的特性可經選取，以致當主接收器電路係處於共振器模式時，輔助接收器線圈係經調校 以有效地由主接收器電路接收無線式電力。
一具體實施例中，輔助接收器電路也可是可調式，以在一緊密耦合的模式或一共振器模式其中之一操作。在此具體實施例中，輔助接收器可包括一接收器電容器與該接收器電感器合起來形成一儲能電路。該輔助接收器也可包括一切換器，用於選擇短路儲能電路以致它形成一封閉諧振迴路。共振器模式中，輔助接收器電路可發揮像是一共振器的功能，以放大所接收無線式電力信號。主接收器電路及輔助接收器電路可調校成不同，以各自更有效率地配合不同中距的無線電源供應器操作。
一具體實施例中，主接收器電路可具有選擇性可變的電容值及(或)選擇性可變的電感值，以致該電路可針對不同無線式電力傳送參數調校。舉例來說，電路可包括一排電容器及(或)一排電感器，並包括一控制器能夠選擇性地將期望的電容值及(或)期望的電感值連接至該接收器電路。
一具體實施例中，輔助接收器電路可備有選擇性可變的電容值及(或)選擇性可變的電感值，以致該輔助接收器電路可針對不同無線式電力傳送參數調校。舉例來說，輔助接收器電路可包括一排電容器及(或)一排電感器，並包括一控制器能夠選擇性地將期望的電容值及(或)期望的電感值連接至該接收器電路。在某些具體實施例中，主接收器電路與輔助接收器電路兩者皆可有選擇性可變的電容值及電感值。此類具體實施例中，系統可包括一單獨控制器能夠控制兩接收器電路的電容及電感。
一具體實施例中，無線電力接收器包括一通訊系統能夠接收從一無線電源供應器而來的通訊。此具體實施例中，無線電力接收器可接 收通訊指出是要在緊密耦合的模式下操作還是在中距的模式下操作。中距的模式中，無線電力接收器可包括一控制器，其接通FET或其他切換器以造成主電力接收器如一共振器操作。主接收器電路及(或)輔助接收器電路包括可變電容值及(或)可變電感值的系統當中，通訊系統也可用來通訊期望的電容值及(或)電感值，或用來通訊資訊指出適當的電容值及(或)電感值。
一具體實施例中，無線電力接收器可經配置以不需從無線電源供應器而來的通訊判定適當操作模式。一具體實施例中，無線電力接收器可包括一感測器能夠測量在主接收器電路及(或)輔助接收器電路中所誘發的電流及(或)電壓。無線電力接收器可包括一控制器，能夠依據由感測器所測得電流及(或)電壓判定適當操作模式。該控制器可依據所誘發電力的不同特性做決定，例如像是電流及(或)電壓的峰值或均方根值，或電流及(或)電壓是以何頻率變化。另一示範例中，可依據電流及(或)電壓改變的速率做決定。無線電力接收器可包括一控制器，能夠將主接收器電路中測得電流及(或)電壓與輔助接收器電路中測得電流及(或)電壓做比較，並由此比較決定適當的操作模式。
本發明提出一種簡單且有效率的無線電力接收器，可從不同類型的無線電源供應器接收電力。一具體實施例中，一單獨電力接收器可被選擇性地加以配置以發揮像是一近距離接收器或用於一中距的接收器之共振器的功能。一具體實施例中，主接收器電路及輔助接收器電路兩者皆能夠發揮像是共振器的功能，因而提供該無線電力接收器適應於不同中距的無線電源供應器的能力。一具體實施例中，在主接收器電路及(或)輔 助接收器電路中的可變電感值及(或)可變電容值可被用來容許該系統為大範圍之無線電源供應器操作特性的改進效率予以調校。本發明也提供多種用於判定適當操作模式的替代系統及方法。如此容許本發明輕易被納入各式各樣不同無線電源供應系統。
參考本文之具體實施例的詳細描述以及圖示，將更能全面理解並領會本發明的這些以及其他目標、優點及特徵。
在詳加解說本發明的具體實施例之前，應能了解本發明並不限於在以下詳細描述或圖示中所提出的操作細節、構造細節以及組件配置。本發明可實施在各種其他具體實施例中，並可採用本文並未明白揭示之替代方法實行或達成。而且，可想而知本文所用詞彙及用語係為描述之目的，並不應視為限制。所用「包括(including)」和「包含(comprising)」以及其變異用法，是要涵括以上所列物件以及其等效品，以及與其等效的額外物件。進一步，編號可被用在不同具體實施例的描述當中。除非另行明白指出，所使用編號不應視為限制本發明為任何特殊組件順序或組件數目。編號的使用也不應被視為由本發明的範疇中排除可和所編號步驟或組件組合或合併的任何額外步驟或組件。
D‧‧‧遠端裝置
10‧‧‧無線電力接收器
12‧‧‧主接收器電路
14‧‧‧輔助接收器電路
16‧‧‧切換器
18‧‧‧控制器
20‧‧‧儲能電路
22‧‧‧電感器
24‧‧‧電容器
26‧‧‧整流器
28a-d‧‧‧二極體
30a-b‧‧‧功率電晶體
32a-b‧‧‧閘極
34‧‧‧參照電壓
40‧‧‧電感器
42‧‧‧整流器
44a-d‧‧‧二極體
100‧‧‧無線電源供應器
100’‧‧‧無線電源供應器
102’‧‧‧共振器
210‧‧‧無線電力接收器
212‧‧‧主接收器電路
220‧‧‧儲能電路
238‧‧‧識別電容器
310‧‧‧無線電力接收器
312‧‧‧主接收器電路
314‧‧‧輔助接收器電路
324‧‧‧共振電容器
338‧‧‧識別電容器
340‧‧‧電感器
410‧‧‧無線電力接收器
412‧‧‧主接收器電路
414‧‧‧輔助接收器電路
416‧‧‧切換器
418‧‧‧控制器
454‧‧‧切換器
456‧‧‧共振電容器
510‧‧‧無線電力接收器
512‧‧‧主接收器電路
514‧‧‧輔助接收器電路
518‧‧‧控制器
550‧‧‧電容器
552‧‧‧電容器
558a-b‧‧‧功率電晶體
560a-b‧‧‧功率電晶體
562‧‧‧切換器
564‧‧‧切換器
610‧‧‧無線電力接收器
612‧‧‧主接收器電路
614‧‧‧輔助接收器電路
620‧‧‧儲能電路
670a-b‧‧‧整流器
672a-d‧‧‧切換器
674a-d‧‧‧切換器
第一圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本發明一具體實施例的一緊密耦合的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第二圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本發明一具體實施例的一中距的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第三圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本 發明一第一可替換具體實施例的一中距的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第四圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本發明一第二可替換具體實施例的一緊密耦合的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第五圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本發明一第三可替換具體實施例的一中距的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第六圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本發明一第四可替換具體實施例的一中距的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第七圖係一無線電源供應系統的示意代表圖，其具有符合本發明一第五可替換具體實施例的一中距的無線電源供應器與一無線電力接收器。
第一及第二圖顯示依據本發明一具體實施例之無線電力接收器。此具體實施例的無線電力接收器(10)係經配置以無線式接收由一緊密耦合的無線電源供應器(100)(參見第一圖)或由一中距的無線電源供應器(100’)(參見第二圖)而來的電力。該無線電力接收器(10)係耦合至一遠端裝置(D)，以致它可將無線式接收到的電力供應至遠端裝置(D)。無線電力接收器(10)能夠選擇性地經過配置以在緊密耦合的模式或在中距的模式之下操作，以容許它有效地接收由不同類型無線電源供應器(100,100’)而來 的電力。此具體實施例的無線電力接收器(10)一般而言包括一主接收器電路(12)、一輔助接收器電路(14)，以及一控制器(18)用於控制該無線電力接收器(10)的操作。此具體實施例中，主接收器電路(12)與輔助接收器電路(14)係並聯連接至一遠端裝置(D)的一電力輸入，以致該兩者皆能傳輸電力至該遠端裝置(D)。此具體實施例的主接收器電路(12)包括一諧振儲能電路，並且能夠選擇性地經配置以如同一緊密耦合的接收器或用於中距的電力傳送系統的共振器操作。主接收器電路(12)可經調校以配合緊密耦合的無線電源供應器(100)當作是一接收器有效操作，及配合一中距的無線電源供應器(100’)當作是一共振器般有效操作。此具體實施例的輔助接收器電路(14)包括一電感器，且係經配置以便當該主接收器電路(12)係經配置以當作一共振器操作時有效地接收由該主接收器電路(12)而來的無線式電力。使用時，控制器(18)能夠判定適當的操作模式並配置該主接收器電路(12)，以當作一緊密耦合的接收器或當作一共振器適度發揮功能。本發明揭示多種用於判定適當操作模式的系統及方法。
第一及第二圖係符合本發明一具體實施例之無線電力接收器(10)的示意圖。此具體實施例的無線電力接收器(10)可被耦合至一遠端裝置(D)的一電力輸入。該遠端裝置(D)基本上可以是任何運用電力的元件。舉例來說，遠端裝置(D)可能是一行動電話、智慧型電話、一媒體播放機、一個人數位助理、一膝上型電腦、一筆記型電腦或一平板電腦。由無線電力接收器(10)所傳送的電力基本上可被用於任何方式，例如像是直接供電一遠端裝置(D)及(或)充電用於該遠端裝置(D)的電池。無線電力接收器(10)可由製造商被直接整合入該遠端裝置(D)當中。此類具體實施例中，遠端裝置 (D)可經配置以將該無線電力接收器(10)容納於該遠端裝置(D)的外殼當中，且電源輸入可以是從無線電力接收器(10)傳送電力至該遠端裝置(D)之電源管理單元(未顯示)的內部電連接。一電源管理單元(未顯示)可依期望控制電力使用，舉例來說，藉由使用傳統的電源控制演算法以提供電力至遠端裝置(D)或充電該遠端裝置(D)的電池。或者，無線電力接收器(10)可經配置以連接至並不想要無線式接收電力的遠端裝置(D)，以容許該遠端裝置(D)無線式接收電力。
如前文所提及，第一圖的無線電力接收器(10)一般而言包括一主接收器電路(12)、一輔助接收器電路(14)，以及一控制器(18)用於控制該無線電力接收器(10)的操作。主接收器電路(12)與輔助接收器電路(14)可被連接至一遠端裝置(D)的一電力輸入，以致該兩者皆能傳輸電力至該遠端裝置(D)。此具體實施例中，主接收器電路(12)與輔助接收器電路(14)係並聯電連接至該遠端裝置(D)的一電力輸入。雖然未顯示，兩接收器電路(12,14)可被並聯連接至一電力管理單元(未顯示)的一電力輸入，以致他們可透過該電源管理單元交替地或同時地供應電力至該遠端裝置(D)。此具體實施例中，主接收器電路(12)包括一儲能電路(20)，若有一適當電磁場出現時在其中誘發電力。此具體實施例的儲能電路(20)包括一電感器(22)以及一電容器(24)。電感器(22)可以是一導線線圈，例如像是李茲線，或其他能夠回應電力供應而生成一電磁場的元件。電容器(24)可以是一傳統的電容器，或其他具有適於儲能電路(20)之電容值的其他元件。儲能電路電感器(22)及儲能電路電容器(24)具有經過選取的特性，以調校主接收器電路(12)要以一緊密耦合的無線電源供應器(100)的預期操作特性有效地運作。舉例來說，電感 器(22)及電容器(24)可經選取，以在該功率位準以及該無線電源供應器(100)所預期操作頻率提供最佳性能。這可包括變化該電感器的基本上任何相關特性，例如像是電感值、線圈形狀、線圈半徑、導線匝數、導線類型、導線間距，以及(或)電容器的基本上任何相關特性例如像是電容值和電容器類型。
某些應用例中，可能希望遠端裝置(D)或無線電力接收器中的控制器(或微控制器)盡快通電。舉例來說，某些無線電源供應系統中，無線電力接收器或遠端裝置(D)被期望要與無線電源供應器(100,100’)通訊。這些通訊可用於各種用途，例如像是用來確定無線電源供應器(100,100’)與無線電力接收器(10)之間的相容性，或用來通訊在設定無線電源供應器(100,100’)、無線電力接收器(10)或遠端裝置(D)之操作參數時有用的資訊。無線電力接收器(10)或遠端裝置(D)不能夠快速通訊，可能造成無線電源供應器(100,100’)停止供應電力或以其他方式影響操作。在確定控制器能儘速接通電源相當重要的應用例中(舉例來說，為了與無線電源供應器交換通訊)，可能希望能調校主接收器電路(12)的儲能電路(20)，以致即使主接收器電路(12)係處於緊密耦合的配置，從一中距的無線電源供應器(100’)誘發足夠電力以供電該控制器。這可能包括要和用一緊密耦合的無線電源供應器(100)操作時的效率有所取捨。
在此具體實施例中，主接收器電路(12)係經配置以提供經整流的電力至該遠端裝置(D)。因此，儲能電路(20)係經由一整流器耦合至該遠端裝置(D)的電力輸入。雖然整流器可隨應用例不同而有所變化，本具體實施例的主接收器電路(12)包括一全波整流器(26)，其具有四個二極體 (28a-d)排列成兩二極體對。整流器的類型(例如，全波式或半波式)以及特定的整流器電路(例如，電橋整流器、中分接頭、二極體電橋)可如期望隨應用例不同而有所變化。遠端裝置(D)依靠交流電力操作或有其自備整流器的應用例中，主接收器電路(12)可以不包括一整流器。遠端裝置(D)靠交流電力操作的應用例中，可能最好在電路中包括額外的切換器，以將儲能電路(20)由遠端裝置(D)斷電/切離。若有所需，整流器(26)的輸出可流經濾波及(或)調節電路，例如像是一平流電路(未顯示)經配置以減低已整流電力中的漣波。舉例來說，可有一充電電容器或平滑電容器耦合至該整流器(26)的輸出。
如前文所討論，無線電力接收器(10)係經配置以選擇性地在緊密耦合的模式或中距的模式下操作。此具體實施例中，所期望操作模式係藉由改變主接收器電路(12)的配置而達成。第一圖的具體實施例中，主接收器電路(12)能夠被選擇性地係經配置，以當作一緊密耦合的接收器或當作一共振器操作。為容許此重新配置，主接收器電路(12)包括一切換器(16)經安排以致它可被接通以選擇性地短路該儲能電路(20)以導致儲能電路(20)形成一封閉諧振迴路。雖然切換器(16)的配置可改變，所繪出具體實施例的切換器(16)包括兩FET(30a-b)被安排於一參照電壓(34)(例如像是接地)的相對側。各FET(30a-b)包括一閘極(32a-b)係由控制器(18)電驅動，以致FET(30a-b)可由該控制器(18)開路或閉合。替代的切換器類型可包括繼電器、電晶體或TRIAC或能夠在一交流電路中提供切換功能的任何其他電子組件之佈局。若切換器(16)係斷路，儲能電路(20)經由整流器(26)保持耦合至遠端裝置(D)的電力輸入。在此配置中，主接收器電路(12)有效地作為一 緊密耦合的接收器操作。若切換器(16)係通路，儲能電路(20)被短路並有效地成為與遠端裝置(D)的電力輸入斷電/切離。此配置中，儲能電路(20)成為一封閉諧振迴路並發揮像是一共振器的功能，能夠有效地由一中距的無線電源供應器接收、放大並傳送電力。共振器藉由生成一經放大的電磁場再傳送電力。無線電力接收器(10)係經調校以致由共振器所產生的經放大電磁場有效地在輔助接收器電路(14)中誘發電力。
如上述，此具體實施例的無線電力接收器(10)包括一控制器(18)係經配置以選擇性地在緊密耦合的模式與中距的模式之間切換該無線電力接收器(10)的操作模式。控制器(18)能夠控制施加至FET(30a-b)之閘極(32a-b)的驅動信號。舉例來說，控制器(18)可具有一單獨輸出驅動兩閘極(32a-b)，或可為各閘極(32a-b)備有分別獨立的輸出。或者，控制器(18)可控制施加驅動信號至閘極(32a-b)的中介元件。若控制器(18)的輸出並不足以直接控制閘極(32a-b)，可使用此替換作法。某些應用例中，無線電力接收器(10)會有它自己的控制器，且在其他應用例中，無線電力接收器(10)可與遠端裝置(D)共用一控制器。舉例來說，某些應用例中，控制器(18)可實施為在該遠端裝置(D)之一部分的一控制器。使用時，此具體實施例的控制器(18)能夠開路切換器(16)以配置主接收器電路(12)在緊密耦合的模式下操作，或閉合切換器(16)以配置該主接收器電路(12)當作用於中距的模式的共振器操作。無線電力接收器(10)可經配置，以使用多種不同方式判定適當的操作模式。一具體實施例中，無線電力接收器(10)可使用與無線電源供應器(100,100’)的通訊判定操作模式。舉例來說，無線電源供應器(100,100’)及無線電力接收器(10)兩者可皆包括無線通信收發器，例如像是藍芽、WiFi或 NFC通訊收發器。無線電力接收器(10)可使用內建於該遠端裝置(D)之中的一通訊系統，或可有其自己的專屬通訊系統。使用時，無線電力接收器(10)可使用通訊能力詢問無線電源供應器(100,100’)適當的操作模式，且控制器(18)可依此配置該主接收器電路(12)。另一示範例中，無線電源供應器(100,100’)及無線電力接收器(10)可經配置以經由電力傳送線圈通訊。此示範例的一具體實施例中，無線電力接收器(10)可以是能夠接收從無線電源供應器(100,100’)而來的通訊，使用背向散射調變或能夠經由電力傳送線圈通訊的基本上任何通訊類型。
控制器(18)可替換地能夠藉由試誤判定適當操作模式。舉例來說，控制器(18)可在第一時段以緊密耦合的模式操作並在第二時段以中距的模式操作，並可選擇證實為較佳的模式下操作，例如像是提供最大電量至遠端裝置(D)的模式。
另一替代的方案，控制器(18)或可藉由感測該主接收器電路(12)及(或)輔助接收器電路(14)中所接收電力的一或多個特性來判定適當操作模式。一具體實施例中，主接收器電路(12)包括一電流感測器(未顯示)能夠判定在主接收器電路(12)中所誘發電流的強度。該電流感測器可由一電壓感測器取代。在某些具體實施例中，主接收器電路(12)可包括電流感測器以及電壓感測器兩者。控制器(18)可評估所測得信號的不同特性，例如像是電流及(或)電壓的峰值或均方根值、電流及(或)電壓變化的頻率，或電流及(或)電壓的變化率。有多種電流以及電壓感測器為熟習此項技術者所悉知。控制器(18)可經編程，以依據所感測數值判定正確的操作模式。舉例來說，在主接收器電路(12)包括一電流感測器的具體實施例中，控制器 (18)可將所測得電流與預定數值做比較，以判定無線式電力(10)是否應在緊密耦合的模式或中距的模式下操作。另一範例，接收器電路(12)及輔助接收器電路(14)各自包括電流感測器、電壓感測器或兩者皆有的一具體實施例中，控制器(18)可比較兩感測器取得的測量值以判定適當的操作模式。
如上述，輔助接收器電路(14)也可以耦合至遠端裝置(D)的電力輸入。輔助接收器電路(14)係經調校，以便當一主接收器電路(12)係被配置為當作一共振器操作時能有效地在主接收器電路所生成的電磁場出現時誘發電力。此具體實施例中，輔助接收器電路(14)包括一電感器(40)，當有一適當電磁場出現時在其中誘發電力。電感器(40)可以是一導線線圈，例如像是李茲線，或其他能夠回應電力供應而生成一電磁場的元件。電感器(40)係經選取，其特性是要調校輔助接收器電路(14)在所預期包括一共振器(102’)之中距的無線電源供應器(100’)的操作特性下有效地操作。舉例來說，電感器(40)可經選取，以便當在共振器模式下操作之主接收器電路(12)所產生已放大電磁場出現時能有效地誘發最大電力。如關於電感器(24)的說明，這可包括變化該電感器的基本上任何相關特性，例如像是電感值、線圈形狀、線圈半徑、導線匝數、導線類型、導線間距，以及(或)電容器的特性例如像是電容值和電容器類型。
所繪出具體實施例中，輔助接收器電路(14)並不包括一共振電容器，但若有所需，可附加一電容器以提供該輔助接收器電路(14)一儲能電路。在此具體實施例中，電容器係被排除，以容許輔助接收器電路(14)能在更寬廣的頻率值域間以增進的效能操作。一般而言，增加共振電容器可提供在一較小操作頻率值域中增加的效率，但可能會減低那值域之外的 效率。因此，若無線電源供應器可合理地預期它要在電容器之有效值域內供應電力，有時可能會希望附加一共振電容器至該輔助接收器電路(14)。
在此具體實施例中，輔助接收器電路(14)係經配置以提供經整流的電力至該遠端裝置(D)。因此，電感器(40)係經由一整流器耦合至該遠端裝置(D)的電力輸入。雖然整流器可隨應用例不同而有所變化，本具體實施例的輔助接收器電路(14)包括一全波整流器(42)，其具有四個二極體(44a-d)排列成兩二極體對。整流器的類型(例如，全波式或半波式)以及特定的整流器電路(例如，電橋整流器、中分接頭或二極體電橋)可如期望隨應用例不同而有所變化。遠端裝置(D)靠交流電力操作或有其自備整流器的應用例中，輔助接收器電路(14)可以不包括一整流器。若有所需，整流器(42)的輸出可流經濾波及(或)調節電路，例如像是一平流電路(未顯示)經配置以減低已整流電力中的漣波。舉例來說，可有一充電電容器或平滑電容器耦合至該整流器(42)的輸出。
某些應用例中，可能希望該系統包括一整合式識別電容器，能夠用來容許一無線電源供應器識別及(或)辨認遠端裝置的相容性。第三圖顯示該無線電力接收器(210)一替代的具體實施例。除非另有揭示，無線電力接收器(210)一般而言係與無線電力接收器(10)一模一樣，且無線電力接收器(210)的特定元件係與無線電力接收器(10)所使用參照編號一致，除了之前加個「2」。在此可替換的具體實施例中，主接收器電路(212)包括一識別電容器(238)安排為與該儲能電路(220)並聯。識別電容器(238)的數值可經選取以提供在所期望的頻率有共振回應，例如像是要與Qi®互通式無線電力標準相容之遠端裝置是以1MHz。
雖然第三圖的無線電力接收器(210)在其主接收器電路(212)中包括識別電容器(238)，識別電容器(238)可置於其他別處。第四圖顯示一替代的無線電力接收器(310)，其中識別電容器(338)係整合入該輔助接收器電路(314)。舉例來說，所繪出具體實施例中，識別電容器(338)係安排為與電感器(340)並聯。此具體實施例中，串聯共振電容器(324)(即主接收器電路(312)中的儲能電路電容器)係與並聯識別電容器(338)分離。將這些不同電容器連接至不同線圈，可在某些應用例中調校電路時提供若干懮勢。除非另有揭示，無線電力接收器(310)一般而言係與無線電力接收器(10)一模一樣，且無線電力接收器(310)的特定元件係與無線電力接收器(10)所使用參照編號一致，除了之前加個「3」。
第一圖的無線電力接收器(10)容許兩個不同操作模式：一模式用於緊密耦合的而另一模式用於中距的電力供應。某些應用例中，可能需要進一步增進無線電力接收器的適應性。第五圖顯示無線電力接收器的一替代的具體實施例(410)，其係經配置以提供額外的適應性。除非另有揭示，無線電力接收器(410)一般而言係與無線電力接收器(10)一模一樣，且無線電力接收器(410)的特定元件係與無線電力接收器(10)所使用參照編號一致，除了之前加個「4」。第五圖的無線電源供應器(410)在主接收器電路(412)及輔助接收器電路(414)中皆包括切換器(416,454)。除了切換器(454)之外，一串聯共振電容器(456)也被附加至該輔助接收器電路(414)。輔助接收器電路(414)中的額外切換器(454)及電容器(456)使能額外的操作模式成為可能，此係藉由容許輔助接收器電路(414)和主接收器電路(412)一樣，發揮像是一共振器的功能。舉例來說，此具體實施例中，兩切換器皆可維持開路 以容許主接收器電路(412)及(或)輔助接收器電路(414)從一緊密耦合的無線電源供應器接收電力，或切換器(416,454)其中之一可為閉合以容許無線電力接收器(410)從一中距的無線電源供應器有效地接收電力。使用時，切換器(416)可被閉合以容許主接收器電路(412)當作用於該輔助接收器電路(414)的一共振器操作，或切換器(454)可被開路以容許輔助接收器電路(414)當作用於該主接收器電路(414)的一共振器操作。藉由適當調校主接收器電路(412)及輔助接收器電路(414)的元件，無線電力接收器(410)可經配置以從具有不同操作特性之中距的無線電源供應器有效地接收電力。舉例來說，主接收器電路(412)可經配置以當作一有效共振器操作，用於具有一第一電力位準及一第一操作頻率的一中距的無線電源供應器，且輔助接收器電路(414)可經配置以當作一有效共振器操作，用於具有一不同電力位準及(或)一不同操作頻率的一中距的無線電源供應器。
兩切換器(416,454)可藉由控制器(418)予以控制。舉例來說，控制器(418)或可生成驅動信號，此等信號選擇性地開路或閉合切換器(416,454)以實施所期望的操作模式。如第一圖所示具體實施例，控制器(418)或可依據基本上任何系統及方法判定適當的操作模式。舉例來說，無線電力接收器(410)可依據與無線電源供應器的通訊、循序測試不同操作模式，或在主接收器電路(412)及(或)輔助接收器電路(414)之電力特性的測量值，判定適當操作模式。
某些應用例中，可能希望提供無線電力接收器額外的調校選項。第六圖顯示一替代的無線電力接收器(510)，其中主接收器電路(512)包括可選的電容器(550,552)可被選擇性地單獨或彼此合併切換進入該電路。 別的不提，額外的電容器(550,552)可容許主接收器電路(512)針對不同操作參數調校。舉例來說，在調校主接收器電路(512)以從依一固定頻率操作之無線電源供應器有效地接收電力時，可選的電容器(550,552)之使用或可特別有用。另一示範例中，若希望要限制無線電力接收器(510)中所接收電量，可選的電容器(550,552)可被用來解調校該電路。可選的電容器(550,552)可與儲能電路電容器(524)並聯連接，並可包括分別獨立的切換器(562,564)。雖然可使用不同類型的切換器，各個切換器(562,564)可包括一對背對背FET(558a-b)、(560a-b)以及必要的控制電路。此具體實施例中，控制器(518)可經配置以控制傳到FET(558a-b)及(560a-b)之閘極的驅動信號，以視期望開路或閉合切換器(562,564)，以切換可選的電容器(550,552)進入或脫離該電路。控制器(518)或可判定適當的電容值。舉例來說，控制器(518)可依據與無線電源供應器(100,100’)的通訊、以不同電容值循序測試該系統，或主接收器電路(512)及(或)輔助接收器電路(514)內之電力特性的測量值，判定適當的電容值。除非另有揭示，無線電力接收器(510)一般而言係與無線電力接收器(10)一模一樣，且無線電力接收器(510)的特定元件係與無線電力接收器(10)所使用參照編號一致，除了之前加個「5」。
雖然所繪出具體實施例包括兩個可選的電容器，主接收器電路(512)可包括任何期望數目的可選的電容器。進一步，所繪出具體實施例顯示主接收器電路(512)內的可選的電容器。此外或替代的，可選的電容器可被附加至該輔助接收器電路(514)以容許調校輔助接收器電路(514)。而且，第六圖的具體實施例繪出一具有可調整電容值的系統。某些應用例中，可能希望提供主接收器電路(512)或輔助接收器電路(514)可調整電感值。此 類應用例中，電路可包括可選的一或多個線圈或線圈段，其可依期望被切換進入或脫離該電路。在某些具體實施例中，電路可包括一單獨的多抽頭線圈，且可使用不同抽頭以改變該電路的電感值。可調整電感值可單獨使用或與可調整電容值合併使用。
第一圖至第六圖的具體實施例包括一切換器用於選擇性地短路儲能電路，以配置該主接收器電路發揮像是共振器的功能。某些應用例中，主接收器電路可能已包括能夠提供切換器功能的元件。此類應用例中，可能並不需要一獨立分離的切換器。舉例來說，第七圖顯示無線電源供應系器(610)的一具體實施例，其中主接收器電路(612)及輔助接收器電路(614)各自包括一使用中的整流器(670a-b)。除非另有揭示，無線電力接收器(610)一般而言係與無線電力接收器(10)一模一樣，且無線電力接收器(610)的特定元件係與無線電力接收器(10)所使用參照編號一致，除了之前加個「6」。此具體實施例中，作用中的整流器(670a-b)係包括一串切換器(672a-b)及(674a-b)(例如像是FET)的半同步整流器，其通常是以一適當順序驅動以整流在該電路中所誘發的交流電力。此具體實施例中，主接收器電路(612)內的整流器切換器(672a-d)可經操作以短路儲能電路(620)並重新配置該主接收器電路(612)當作一共振器操作。更明確地說，若希望重新配置主接收器電路(612)以當作用於輔助接收器電路(614)的一共振器操作，控制器(618)可經配置以閉合切換器(672a,672b)。一旦閉合，切換器(672a)及(672b)在儲能電路(620)中造成一封閉諧振迴路並基本上避免電力經過切換器(672c)及(672d)流至遠端裝置(D)。雖然是依主接收器電路(612)繪制，此替代的方法也可被納入輔助接收器電路(614)。舉例來說，輔助接收器電路(614)使用中 整流器(670b)內的切換器可由控制器(618)操作，以容許輔助接收器電路(614)選擇性地作為一共振器操作。
以上係本發明之具體實施例的描述。可有許多變異及改變而不會偏離文後隨附申請專利範圍所定義之本發明的精神及其更寬廣觀點，申請專利範圍應以包括均等論在內的專利法原則加以解釋。本說明書是為示範目的而呈現，並不應解讀為係本發明所有具體實施例的排他性描述，或解讀為申請專例範圍侷限於關於這些具體實施例所繪出或描述的特定元件。舉例來說，但不限於，本發明的任何(單數或複數)個別元件可由替代元件取代，前提是其提供實質上類似機能或以其他方式提供適當操作。舉例來說，這就包括目前已知的替代元件，例如像是熟悉本技藝人士目前已知的元件，以及未來可能發展出來的替代元件，例如像是一旦發展出這種東西，熟悉本技藝人士即可認出是一替代元件。進一步，所揭示具體實施例包括一起描述的複數個特徵並可共同提供一堆好處。本發明並不僅限於包括所有這些特徵的具體實施例，或是僅限於包括全部所提出好處的具體實施例，除非在所提出申請專利範圍中另有明白指出。以單數指稱的任何申請專利範圍之元素，例如用「一個(a、an)」、「該(the)」、「所稱(said)」，不應解讀為是要限制該元素為單數。
D‧‧‧遠端裝置
10‧‧‧無線電力接收器
12‧‧‧主接收器電路
14‧‧‧輔助接收器電路
16‧‧‧切換器
18‧‧‧控制器
20‧‧‧儲能電路
22‧‧‧電感器
24‧‧‧電容器
26‧‧‧整流器
28a-d‧‧‧二極體
30a-b‧‧‧功率電晶體
32a-b‧‧‧閘極
34‧‧‧參照電壓
40‧‧‧電感器
42‧‧‧整流器
44a-d‧‧‧二極體
100‧‧‧無線電源供應器

Claims (32)

  1. 一種無線電力接收器，其包含：一主接收器電路，其具有一耦合至一電力輸出的儲能電路及一跨接於該儲能電路之相異端的切換器；一輔助接收器電路，其具有一耦合至該電力輸出的電感器；以及一控制器，其經組態而選擇性地操作該切換器於一開路模式與一閉合模式，其中，於該開路模式中在該儲能電路中被誘發的電力被傳送至該電力輸出，其中，於該閉合模式中在該儲能電路中該切換器產生一封閉的共振迴路，藉以該主接收器電路作為一共振器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該儲能電路包括一電感器及一電容器，當該切換器於該開路模式時該電感器與該電容器經選取而與一緊密耦合的無線電源供應器有效地耦合。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，當該切換器於該閉合模式時該電感器與該電容器經選取而與一中距的無線電源供應器有效地耦合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該輔助接收器包括一電容器，當該切換器於該閉合模式時該電容器經選取而有效地耦合至該封閉的共振迴路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該切換器包括經配置串聯在一參考之相異側的一對場效電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該主接收器電路包括一整流器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該輔助接收器電路包括一整流器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該輔助接收器電路包括一電容器，該輔助接收器電路電感器及該輔助接收器電路電容器形成一儲能電路，該輔助接收器電路包括一跨接於該儲能電路之相異端的切換器。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的無線電力接收器，其中，該控制器係經組態而選擇性地操作該輔助接收器電路切換器於一開路模式與一閉合模式，其中，於該開路模式中在該輔助接收器電路儲能電路中被誘發的電力被傳送至該電力輸出，其中，於該閉合模式中在該輔助接收器電路儲能電路中該切換器產生一封閉的共振迴路，藉以該輔助接收器電路作為一共振器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該主接收器電路與該輔助接收器電路至少一者包括一可選的電容器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該主接收器電路與該輔助接收器電路至少一者包括一可選的電感器。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的無線電力接收器，其中，該主接收器電路包括一具有複數個整流切換器的主動整流器，該主接收器電路切換器包括至少兩個該整流切換器；以及其中，該控制器係經組態而選擇性地操作至少兩個該等整流切換器以在該儲能電路中產生一封閉的共振迴路。
  13. 一種無線電力接收器，其適合使用於緊密的耦合及中距的無線電源供 應器，該無線電力接受器包含：一具有一儲能電路的第一接收器電路，該第一接收器電路具有一緊密耦合的組態及一共振器組態，其中，在該緊密耦合的組態中該儲能電路係耦合至一電力輸出，其中，在該共振器組態中該儲能電路係與該電力輸出斷接或隔離且形成一封閉的共振迴路；以及一第二接收器電路具有一耦合至該電力輸出的電感器，該第二接收器電路經組態而與該封閉的共振迴路耦合。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的無線電力接收器，其中，該第一接收器電路包括一跨接於該儲能電路之相異端的切換器，該切換器係選擇性地可閉合而導致該儲能電路形成該封閉的共振迴路。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的無線電力接收器，其進一步包括一經組態而選擇性地操作該開關的控制器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的無線電力接收器，其中，該切換器包括經配置串聯在一參考之相異側的一對場效電晶體。
  17. 如申請專利範圍第13項所述的無線電力接收器，其中，該第一接收器電路包括一整流器。
  18. 如申請專利範圍第13項所述的無線電力接收器，其中，該第二接收器電路包括一整流器。
  19. 如申請專利範圍第15項所述的無線電力接收器，其中，該第二接收器電路進一步包括一電容器，該第二接收器電路電感器及該第二接收器電路電容器形成一儲能電路，該第一接收器電路具有一緊密耦合的組態及一共振器組態，其中，在該緊密耦合的組態中該第二接收器電路儲 能電路係耦合至一電力輸出，其中，在該共振器組態中該第二接收器電路儲能電路係與該電力輸出斷接或隔離且形成一封閉的共振迴路。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的無線電力接收器，其中，該第二接收器電路包括一跨接於該第二接收器電路儲能電路之相異端的切換器。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的無線電力接收器，其中，該控制器係經組態而選擇性地操作該第二接收器電路切換器。
  22. 如申請專利範圍第13項所述的無線電力接收器，其中，該第一接收器電路包括一可選的電容器。
  23. 如申請專利範圍第13項所述的無線電力接收器，其中，該第一接收器電路包括一可選的電感器。
  24. 如申請專利範圍第15項所述的無線電力接收器，其中，該第一接收器電路包括一具有複數個整流切換器主動整流器，該第一接收器電路切換器包括至少兩個該整流切換器；以及其中，該控制器係經組態而選擇性地操作至少兩個該等整流切換器以在該第一接收器電路儲能電路中產生一封閉的共振迴路。
  25. 一種用於操作一無線電力接收器的方法，該方法包含的步驟有：提供一第一接收器電路，該第一接收器電路能夠經組態而操作於一緊密耦合的模式中作為一電源供應器電路及於一中距的模式中作為一共振器；提供一第二接收器電路，該第二接收器電路能夠操作於該中距的模式中作為一電源供應器，當該第一接收器電路係經組態而作為一共振器操作時該第二接收器電路經調校而與第一接收器電路有效地耦合； 測定一無線電源供應器係該緊密耦合的無線電源供應器或該中距的無線電源供應器；當一測定即該無線電源供應器係該緊密耦合的無線電源供應器時，組態該第一接收器電路而操作作為一電源供應器電路；以及當一測定即該無線電源供應器係該中距的無線電源供應器，組態該第一接收器電路而操作作為一共振器。
  26. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，提供一第一接收器電路的步驟包括提供一儲能電路予該第一接收器電路及適於選擇性地短路該儲能電路成為一封閉的共振迴路的一切換器；以及其中，組態該第一接收器電路而操作作為一電源供應器電路的步驟包括開路該切換器。
  27. 如申請專利範圍第25項所述的方法，其中，提供一第一接收器電路的步驟包括提供一儲能電路予該第一接收器電路及適於選擇性地短路該儲能電路成為一封閉的共振迴路的一切換器；以及其中，組態該第一接收器電路而操作作為一共振器的步驟包括閉合該切換器。
  28. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該切換器包括一對場效電晶體。
  29. 如申請專利範圍第2.7項所述的方法，其中，該第一接收器電路包括一可選的電容器；以及進一步包括選擇性地切換該可選的電容器進入該第一接收器電路的步驟。
  30. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該測定步驟包括：從一無線電源供應器取得一無線通訊指示該無線電源供應器係一緊密耦合的無線電源供應器或一中距的無線電源供應器；以及依據該通訊測定該無線電源供應器係一緊密耦合的無線電源供應器或一中距的無線電源供應器。
  31. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該測定步驟包括：測量該第一接收器電路及該第二接收器電路至少一者中的電力特性；以及依據該測量的特性測定該無線電源供應器係一緊密耦合的無線電源供應器或一中距的無線電源供應器。
  32. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中，該測定步驟包括：測量該第一接收器電路中的電力特性；測量該第二接收器電路中的電力特性；以及依據該測量的特性測定該無線電源供應器係一緊密耦合的無線電源供應器或一中距的無線電源供應器。
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