TWI578657B - 無線電力控制系統 - Google Patents

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約書亞Ｂ 泰勒
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Description

無線電力控制系統
本發明係關於無線式電力傳輸。
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。若遠端裝置係放置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，用於供電及(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」系統
已有許多傳統的無線電源供應系統經配置，以便當初級線圈與次級線圈比要讓密耦合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「中距離」系統。典型的中距離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日核發的美國專利685,012號)。
採一典型中距離系統，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，用於延展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。舉例來說，第一圖顯示一已知無線電源供應系統的具體實施例。第一圖之無線電力系統包括一無線電源供應器以及一無線接收器。該無線電源供應器包括一接線連至一主電源輸入，一交流/直流電源供應器，一反相器用於將直流電力切換成交流，一槽路(tank circuit)包括一電容器與一電感器(L1)。供電時，槽路電感器(L1)耦合至包括電感器(L2)與電容器的獨立分離諧振器電路。無線接收器包括一獨立分離諧振器電路，其具有一電感器(L3)以及一電容器，與該無線電源供應器的獨立分離諧振器電路耦合。該無線接收器的獨立分離諧振電路將電力中繼至該無線接收器的次級電路。該無線接收器的次級電路包括一次級電感器(L4)，一電容器，一整流器，一控制器以及一負載。
雖然共振器的使用通常可在中距離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。一共振器也可能會中繼更多可得電力，導致要比某些應用品中所需更高的電壓。這會導致減低系統總體效率，造成接收器顯著產熱，並生成過多電壓以及循迴電流。
本發明提出一種無線電力傳送器元件，其具有一可選擇性調整的共振器電路以控制由該共振器所中繼的電量。該共振器電路可位在無線電源供應器、無線接收器、一中介共振器或任何上述之組合當中。
一具體實施例中，共振器電路係依據次級線圈電路的回授主動配置。一具體實施例中，次級電路回授係取決於一臨界值。舉例來說，係一溫度、電壓、電流或電力閾值。另一具體實施例中，共振器電路係依據來自次級線圈電路外部的回授而主動配置，例如像是電池上的一溫度感測器。
共振器電路可包括一控制子電路用於配置該共振器電路。一具體實施例中，控制子電路係與共振器電容器並聯連接至共振器電感器，並選擇性地分流共振器電容器，或選擇性地提供一電阻並聯於該共振器電容器。一具體實施例中，控制子電路係與共振器電感器及共振器電感器串聯。一具體實施例中，控制子電路包括一切換器，其選擇性地分流該共振器電容器，或選擇性地提供一電阻與該共振器電容器併聯。該切換器可以是一或多個電晶體，或其他切換元件。一具體實施例中，控制子電路包括一整流器，且該切換器係位於整流器側。一具體實施例中，控制子電路包 括一切換器能夠以直流電操作。
一具體實施例中，控制子電路改變共振器電路的品質因數，或稱「Q係數」，以改變中繼至次級電路的電量。一具體實施例中，控制子電路係藉由回授主動控制，以減少由共振器電路中繼至次級電路的電量。
一具體實施例中，次級電路包括一回授電路，驅動控制子電路。回授電路可感測次級電路中的某一特性，並主動操作該控制子電路。回授電路可操作控制子電路以滿足一閾值。一具體實施例中，若該臨界值被超過，回授電路可驅使控制子電路改變(減低或增高)共振器電路的Q係數。
一具體實施例中，控制子電路包括一元件能發揮一可變電阻器的功能。該元件可以是一電晶體，以三極模式或線性區域操作。回授電路或可能夠提供一比例回授信號給控制子電路，控制可變電阻器的數值。回授電路可包括一控制器，能夠相對依據一演算法調整該回授信號。該演算法可依據所感測特性之實際與期望數值之間的差異而改變回授信號。舉例來說，控制器可運用一比例、積分、微分(PID)演算法。
一具體實施例中，回授電路包括類比元件，提供直接回授至該控制子電路。一具體實施例中，該類比元件依據是否已達到一臨界值而提供一高值或低值信號。一具體實施例中，回授電路包括數位控制器。該數位控制器可接收一類比輸入並生成用於該控制子電路的一控制信號。
一具體實施例中，共振器電路可包括一共振器切斷電路。該共振器切斷電路可以是該控制子電路，或與該控制子電路分離獨立的一切換器。該共振器電路或控制子電路可包括一感測器用於提供與該切斷電路 之控制有關的資訊。舉例來說，共振器切斷電路可用來有效率地將共振器電路由無線接收器移除。
一具體實施例中，本發明可被納入一無線發射器中，其備有一初級電感器透過一初級共振器電路中繼電力。該無線發射器包括一控制子電路以調整初級共振器電路的Q值，以調節由該無線發射器送出的電量。一具體實施例中，該無線發射器包括一控制器，依據任何所期望控制特性操作該控制子電路。舉例來說，無線發射器可限制所發射電量以回應無線接收器的期望電量。
一具體實施例中，無線發射器係經配置以配合具有Q值控制之無線接收器操作。該無線接收器可經配置以將其Q值控制狀態通訊至該無線發射器。無線發射器可經配置，以便若所有該等無線接收器均係使用Q值控制時減低共振器電路的Q值。
本發明可提供多種優點。一具體實施例中，本發明單純共振回授及Q值控制以用於一高度共振系統。本發明可提供單純控制用於容許一場發射器供電許多接收器，包括處於不同電力位準的接收器。本發明容許控制系統控制在發射器及(或)接收器或中介元件的Q值。本發明容許具有Q值控制的一發射器限制電力或控制Q值容許多重靠近的系統，例如像是緊密耦合以及中距離系統。一具體實施例中，本發明提供一簡單電池充電器以及回授系統，可被納入一電池的一標籤。本發明可容許一系統在控制Q值的同時通訊該接收器之電力需求，並使用幹線電壓、相位控制或頻率以調整為最佳效率。本發明可容許類比Q值控制配上數位監控及通訊。一具體實施例中，本發明可被納入一控制系統，其容許固定頻率、變 動頻率、可變幹線電壓(振幅)、可變範圍(距離)及多重電力傳送協定。本發明容許控制在高度共振系統間的鬆散耦合與緊密耦合感應系統之間切換。本發明可納有一發射器，其可控制傳至許多在不同距離之接收器的電力，調整至以所需電力的最大距離，同時其他接收器減低Q值以視需要調整電力。本發明可容許依據各種因數例如像是電壓、電流或溫度的Q值控制。
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圖解所提出的操作細節、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彚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。
20‧‧‧中介共振器
22‧‧‧控制子電路
24‧‧‧控制器
26‧‧‧電流感測器
27‧‧‧電壓感測器
28‧‧‧磁場感測器
29‧‧‧拾波線圈
300‧‧‧場延展器
C3‧‧‧電容器
C4‧‧‧電容器
C 3‧‧‧電容器
Cp‧‧‧並聯共振電容器
Cs‧‧‧串聯共振電容器
D1-D4‧‧‧全橋接整流器
D5‧‧‧二極體
D5-D8‧‧‧全橋接整流器
D8‧‧‧二極體
i 3‧‧‧電流
i 4‧‧‧電流
i s‧‧‧電源
J1‧‧‧接點
J2‧‧‧接點
L1‧‧‧電感器
L2‧‧‧電感器
L3‧‧‧電感器
L 3‧‧‧電感器
L4‧‧‧電感器
L 4‧‧‧電感器
M 34‧‧‧磁感
Q1‧‧‧電晶體
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
R3‧‧‧電阻器
R 3‧‧‧電阻器
R L‧‧‧總負載
R s‧‧‧電阻
T1‧‧‧電流變壓器
U1‧‧‧電壓偵測器
v 3‧‧‧電壓
Z‧‧‧距離
Z1‧‧‧齊納二極體
第一圖係一共振無線電源供應系統的代表視圖，其包括具有一初級線圈與一初級共振器的一無線電源供應器，以及具有一次級共振器與一次級線圈的一無線接收器。
第二圖係依據一具體實施例的一無線接收器之代表示意圖。
第三圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，其經配置具有發光二極體指示器。
第四圖係依據一具體實施例的一無線接收器之代表示意圖，其具有發光二極體指示器以及視覺上獨立分離的回授電路。
第五圖係依據一具體實施例的一無線接收器之代表示意圖，其具有一數位回授電路係經配置具有一電容元件用於負載調變。
第六圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，其經配置具有一電阻元件用於負載調變。
第七圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，其經配置具有主動整流電路。
第八圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，其經配置具有主動整流電路以及一電流感測變壓器耦合至一共振器電路。
第九圖係該無線接收器之一具體實施例的代表示意圖，其包括數位回授電路用於輔助類比回授電路。
第十圖係該無線測試接收器的一示波器快照，示範本發明一具體實施例之共振器電路為啟用時的操作。
第十一圖係該無線測試接收器的一示波器快照，其共振器電路使用Q值控制。
第十二a圖係該無線測試接收器的一示波器快照，其由一停用狀態變至一啟用狀態。
第十二b圖係該無線測試接收器的一示波器快照，其由一停 用狀態變至一啟用狀態。
第十三圖係依據一具體實施例的一傳統無線接收器與一無線接收器之熱影像。
第十四圖係各種無線接收器的代表圖示，其中有些包括Q值控制，以不同位置顯示接收到適當電力(X/Y/Z軸位置)。
第十五圖係三種不同充電表面的代表圖示，各自具有一不同厚度，其中依據一具體實施例的該無線接收器或可能夠接收電力穿過。
第十六圖係依據一具體實施例之無線接收器的代表圖示，其係能夠由多種感應式電力傳送器接收電力。
第十七圖係一無線發射器的代表圖示，其包括Q值控制電路並且能夠選擇半橋式、全橋式或其組合的驅動電路。
第十八圖係依據被納入一電池之具體實施例的一無線接收器之代表示意圖。
第十九圖係依據一具體實施例之無線接收器的代表示意圖，經配置備有一控制子電路具有背靠背場效電晶體。
第二十圖係依據一具體實施例之無線接收器的代表示意圖，經配置備有一控制子電路具有背靠背場效電晶體以及一可變電阻回授。
第二十一圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，其經配置具有一可選的斷路。
第二十二圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，其經配置以視需要地將共振器電路及初級線圈電路耦合至一接收器輸出。
第二十三圖係依據一具體實施例的無線接收器之代表示意圖，並經配置在該控制子電路中備有一串聯電阻用於Q值控制。
第二十四圖係依據一具體實施例的一無線接收器之代表示意圖，其經配置具有光學上獨立分離的回授電路。
第二十五圖係一無線接收器與一感應式電源供應器之多個線圈之間的空間關係的代表示意圖。
第二十六圖係一無線接收器與一感應式電源供應器之多個線圈之間的空間關係的代表示意圖。
第二十七圖是可納入一無線接收器之具體實施例的某些可選元件的代表示意圖。
第二十八圖是用於一中距離發射器的一控制方法之代表流程圖。
第二十九圖是用於相容於一Q值控制無線接收器的一緊密耦合發射器之控制方法的代表流程圖。
第三十圖是一具有Q值控制之無線接收器的代表示意圖。
第三十一圖是一無線電力傳送器以及一具有Q值控制之便攜式裝置的代表示圖。
第三十二圖是經配置以控制Q值之無線式電力接收器的代表示圖。
第三十三圖是被納入感應式炊具之無線式電力接收器的代表示圖。
第三十四圖是依據本發明一具體實施例的一場延展器之代 表示圖。
第三十五圖係一接收器側無線電力傳輸網路的電路拓撲。
第三十六圖顯示該接收器側無線電力傳輸網路之電路分析的電流及電壓圖。
傳統的中距離無線供電系統可包括共振器，將由無線電力傳送器而來的電力中繼至無線電力接收器。一般而言，共振器的Q值越高，相對於共振器所儲存能量的能量耗損率越低。也就是說，Q值越高，振盪在共振器中消失得越慢。因此，共振器的Q值係與在一給定距離可由共振器中繼而來的電量相關。較高Q值會導致較高電力中繼，且較低Q值會減低所中繼電量。主動地配置一或多個共振器以控制共振器電路的Q值，可容許流經無線式電力傳送系統之電量的調節，例如像是藉由調節由無線電源供應器發出的電量，或遠端裝置中所接收的電量。依據本發明一具體實施例的一無線接收器，顯示於第二圖。此具體實施例中，無線接收器包括一共振器電路，一次級電路，以及一控制子電路用於改變該共振器電路的Q值，此係藉由依據由次級電路而來的回授主動配置該共振器。此具體實施例中，控制子電路係連接至與共振器電容器(C3)並聯的共振器電感器(L3)。控制子電路包括一電晶體(Q1)可被致動以選擇性地分流共振器電容器(C3)，並因而大幅減低共振器的Q值。雖然共振器的Q值會被減低，在次級共振器(L3)中的所誘發電流可將磁場更為延展至次級電感器(L4)。如此一來，次級電感器(L4)中所接收的電力會少於若Q值並未減低而接收到之電量。當諧振電容器(C3)被分流時，次級共振器(L3)可發揮像是一非諧振、低 Q值共振器的功能，並將一減量的場延展至次級電感器(L4)。雖然電流可流經該分流器，本具體實施例中的分流器並不是要浪費共振器中的過多電力。反而，電路的較低Q值可諧振較少量的磁場扺達次級電感器(L4)，容許接收器持續以可接受數量之電壓、電力操作，或兩者皆然。
如圖中所示，此具體實施例的次級電路包括一回授，其係用於控制電晶體(Q1)的操作。此具體實施例中，當回授超過一臨界值的時候，電晶體(Q1)被致動以減低共振器的Q值操作時，無線接收器可被置入一電磁場中，以至在共振器電路中所誘發的交流電流和電力被中繼至該次級電路。
一可調整共振器可被納入該無線式電力傳送系統的基本上該任何元件，以在基本上任何電力傳送階段容許電力控制。舉例來說，一可調整共振器可被納入無線發射器、無線接收器及(或)一中介共振器取代一傳統共振器。若可調整共振器被納入一中介共振器，該電路可經配置以諧振某一磁場量，因而可能避免一無法接受之數量的磁場集中於該中介共振器周圍。舉例來說，若一無線電源供應器係位於一房間中央，且中介共振器係置圍繞該房間設置，各共振器可經配置以提供達到某個量的共振磁場。這可避免當遠端裝置被放得太靠近該等中介共振器時會受過多磁場位準損害。此等中介共振器可依據諧振電路中所誘發的電流或電壓判定最大或最小磁場位準，或可使用一外部磁場感測器。
如上述，第二圖係納入本發明一具體實施例之無線接收器的示意代表圖。該無線接收器係經配置，以無線式接收由一無線電力傳送器(未顯示)而來的電力。無線電力傳送器可包括生成磁通的一初級電感器，以及一共振器。無線接收器可被耦合至一遠端裝置的一電力輸入。舉例來 說，J1和J2可被耦合至該遠端裝置的電力輸入。舉例來說，J1和J2可以是輸出接頭、焊墊，或電路板上用於接線的孔洞。遠端裝置基本上可以是任何運用電力的元件。舉例來說，遠端裝置可能是一行動電話、一智慧型電話、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。由無線接收器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及(或)充電用於該遠端裝置的電池。無線接收器可由製造商直接整合入該遠端裝置當中。此類具體實施例中，遠端裝置可經配置以將該無線接收器容納於該遠端裝置的外殼當中，且電源輸入可以是從無線電力接收器傳送電力至該遠端裝置之電源管理單元(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或充電該遠端裝置的電池。或者，無線電力接收器可經配置以連接至並不是要無線式接收電力的遠端裝置，以容許該遠端裝置無線式接收電力。
第二圖的無線接收器一般而言包括一共振器電路、一次級電路，以及一控制子電路。共振器電路可包括一共振器電感器(L3)以反一共振器電容器(C3)。共振器電感器及共振器電容器的特性可依應用例、期望次級電路輸出，或其他電路元件的選擇而有所改變。所描繪具體實施例中，共振器電容器(C3)係一高品質0.1uF 600V 3%金屬polypro cap，例如像是國際牌ECG ECW-F6104，且該共振器電感器(13)是一平面繞成線圈，其為12匝圈、28 AWG、40mm。其他具體實施例中，共振器電感器(L3)可以是任何其他種類的電感器，像是一李茲線的線圈，一印刷電路板線圈，或一印刷線圈。各式各樣的共振電容器及共振電感器可被運用於共振器電路中。舉 例來說，額定值為約100伏特及約2安培電流以及低等效串聯電阻(ESR)之電感器及電容器的不同組合，可提供與各式各樣消費電子裝置之電力需求相稱的一期望輸出電壓，像是行動電話或具有整合式無線接收器的電池。只需在此提出，基本上任何種類、價值之共振器電感器及共振器電容器的組合，可被運用來將無線式電力繼至一次級線圈電路。
如第二圖所繪出，控制子電路可包括一交流/直流轉換器以及一切換器。第二圖的具體實施例中，交流/直流轉換器係一全橋接整流器(D1-D4)，且切換器係一電晶體Q1配上一電阻器R1。電晶體Q1可以是一SC73封裝(NXP BUK9875-100A,115)內的一7A 100V 72mΩ Rds N-通道邏輯位準場效電晶體，。電阻器R1可以是一100K 1/8W 5%金屬薄膜電阻器1202 SMD-digikey PN P100ECT。使用時，若回授電路(詳述於後)係處於一未定義狀態，電阻器R1可維持電晶體Q1斷電。
如第二圖所繪，控制子電路係連接至與共振器電容器(C3)並聯的共振器電感器(L3)。一具體實施例中，控制子電路可用來選擇性地分流電流繞過電容器(C3)。一具體實施例中，控制子電路可被用來選擇性地提供一並聯電阻。舉例來說，電晶體(Q1)可採三極模式操作，以選擇性地提供一並聯至該電容器(C3)的可變電阻。另舉一例，控制電路可包括一電阻器與電晶體(Q1)串聯。第二圖的具體實施例中，整流器可特別有助於使用一單獨低成本電晶體(Q1)以分流該共振器電容器(C3)，或提供一電阻並聯至該共振器電容器(C3)。其他應用例中，共振器電路中的整流器可被移除(參見第十九圖及第二十圖)。
此具體實施例中，共振器電路係被納入一無線接收器，並被 耦合至一次級電路。次級電路的設計及組態可依應用例而有所不同。第二圖的具體實施例中，次級電路一般而言包括一次級電感器(L4)、一交流/直流轉換器，以及一回授電路。一般而言，當一適當電磁場出現時，該次級電感器(L4)生成交流電力。該交流/直流轉換器將所誘發交流電力轉換成為直流電力。所描繪具體實施例中，交流/直流轉換器係一全橋接整流器(D5-D8)，但整流器可視需要隨應用例而有所不同。舉例來說，全橋接整流器可代之以一半橋式整流器(例如，參見第二十七圖)。在遠端裝置係經配置以在由次級電感器(L4)所生成頻率接收交流電力的應用例中，一交流/直流轉換器可能並非必要。某些應用例中，可能期望提供次級電路一槽路。此類應用例中，加入的電容器可與次級電感器串聯或並聯(例如，參見第二十七圖)。某些應用例中，可能期望包括一識別電容器與該次級電感器(L4)並聯。識別電容器的數值可經選取以在所期望的識別頻率提供共振回應，例如像是要與Qi®互通式無線電力標準相容之遠端裝置係採用1MHz。
在此具體實施例中，共振電路的Q值係依據由次級電路而來的回授調整。第二圖中，回授電路係一類比回授電路，此係指其接收由次級電路而來的一類比信號。回授電路的輸出基本上可以是數位式(例如一信號要「通電」或「斷電」電晶體)，或可以是類比式(例如一可變信號可操作處於三極模式的電晶體以致電晶體(Q1)像是一可變電阻器)。其他具體實施例中，如後詳述，一不同類型的回授電路可取代或輔助第二圖中所描繪的類比回授電路。
此具體實施例中，回授電路係係經配置以依據次級電路中的直流電壓驅動該控制電路。此具體實施例中，回授電路係耦合至該次級電 路之電力輸出的高壓側，在該整流器的直流側。回授電路可依據所期望控制因子(像是溫度、電壓、電流或電力)耦合至該次級電路的不同位置。某些應用例中，回授電路可耦合至次級電路之外的元件。舉例來說，若電池溫度是控制因子，回授電路可耦合至緊鄰該遠端裝置之電池放置的一溫度感測器。雖然該溫度感測器可以是該次級電路的一部分，它可替換地在次級電路之外。舉例來說，溫度感測器可被整合入遠端裝置的電路內，或可被直接整合入該共振電路。
第二圖中，次級電路回授係隨該類比回授電路所設定之臨界電壓值而變化。更明確地說，此具體實施例中，回授電路的輸出是依據次級電路中的電壓是否超過一臨界值而決定。其他依據臨界值的類比回授具體實施例中，回授可以隨一溫度閾限、電流閾限、電力閾限或某些其他閾限而改變。第二圖的具體實施例中，類比回授電路包括一齊納二極體(Z1)以及一電壓偵測器(U1)。可替換的具體實施例中，類比回授電路可包括生成一回授信號的不同元件。舉例來說，類比回授電路可包括一比較器電路、一運算放大器，或能夠產生一回授信號的其他電路。所繪出具體實施例的回授信號若非高值就是低值，後者係當次級電路內的電壓超過一臨界值時斷電電晶體(Q1)。其他具體實施例中，回授電路可經配置以產生一「高值」輸出，操作處於三極模式某一特定點或線性區的該電晶體，因而導致電晶體有效地發揮如一電阻器的功能。回授電路可經配置以提供一「高值」輸出，回應需要造成電晶體提供所期望電阻的信號。可替換的具體實施例中，回授電路可經配置以提供一可變輸出而不是簡單的「高值」或「低值」輸出。此具體實施例中，輸出可改變以斷電該電晶體，通電該電晶體，或操 作在其三極模式中基本上任一點的該電晶體(Q1)。操作處於三極模式的電晶體，容許該電晶體發揮有如一電阻器的功能。藉由提供一選擇性變化的回授信號，此替代的具體實施例容許電晶體有效地如一可變電阻器操作。該電晶體可依據控制因子而在不同狀態操作。舉例來說，配合一閾值控制因子，電晶體的操作狀態可依據超過臨界值多遠而改變。若控制因子超過閾值相對較小數量，電晶體可在處於三極模式中呈現出相對高電阻的某一點操作。若控制因子超過閾值相對較大數量，電晶體可完全接通或在處於三極模式中呈現出相對小電阻的某一點操作。
第二圖的具體實施例中，齊納二極體以及電壓偵測器的特性控制該類比回授電路的臨界值。本具體實施例中，(Z1)是一8.7V、500mW齊納minimelf表面黏著封裝-Diodes,Inc.Zmm5238B-7；且(U1)是TO-92封裝Panasonic-SSG MN1381SUU中的一電壓偵測器晶片，具有約4.6V閾值互補式金氧半導體非反相輸出。操作時，若輸出電壓並未超過4.6V則(U1)輸出一「低值」信號，或者當輸出電壓確實超過4.6V時輸出一「高值」信號。臨界值可藉由調整齊納二極體及(或)電壓偵測器的特性而改變。
操作期間，當次級電路中的輸出電壓超過4.6V之閾值電壓時，控制電路操作以選擇性地減低共振器電路的Q值。更明確地說，若次級輸出電壓係在閾值之上，控制子電路配置該共振器電路以降低共振器電路的Q值，因而減少由共振器電路中繼的電量，並有效地減少次級電路中所接收電力。若次級輸出電壓係低於閾值，控制子電路容許共振器電路維持在最大Q值。在此具體實施例中，控制電路係由回授電路致動，其提供由該次級電路而來的一反饋迴路。此反饋迴路造成一循環式控制架構，其 中若次級輸出電壓係超過閾值時該回授電路生成一「高值」回授信號。作為回應，控制子電路接通電晶體(Q1)以重新配置共振器電路以擁有一較低Q值，其減少有共振器所中繼電力並造成次級輸出電壓降低。若次級輸出電壓降至低於閾值電壓，回授電路會停止輸出一「高值」回授至該控制子電路。若控制子電路停止接收由該回授電路而來的一「高值」回授，那麼控制子電路會斷電該電晶體(Q1)，如此容許共振器電路回復其原本Q值。若共振器電路回復原本Q值，次級輸出電壓可再度提升。若一次級輸出電壓超過該閾值電壓，那麼整個程序又再開始。如此一來，無線接收器可主動調整共振器電路的Q值，以避免一特定輸出電壓被超過。
被共振器電路所截獲磁通量係足夠供共振器電路以其原本Q值中繼足夠磁通(即中繼電力)以持續超過該閾值電壓的狀況中，控制電路可在操作期間快速耦合及脫離控制電路。這種共振器的主動重新組態可達成一長期的平均Q值。也就是說，藉由在提供一第一Q值的第一組態與提供一第二Q值的第二組態之間選擇性地配置共振器，可提供一有效Q值介於第一Q值和第二Q值之間。一具體實施例中，第一組態係一斷路組態且第二組態係一分流組態。藉由在斷路組態與分流組態之間主動重新配置，無線接收器可選擇性地調整共振器電路以控制由共振器電路中繼至次級電感器(L4)的電力。一可替換的具體實施例中，其中一組態可以是一並聯電阻組態。
操作期間，次級輸出電壓可由於除共振器之Q值之外的其他因子而被重新配置。舉例來說，無線接收器的負載可改變電磁場內的遠端裝置數目，或無線接收器與電源之間的距離可改變。該系統可自動將這些 變化列入考量，因為回授係依據次級輸出電壓。
雖然第二圖的切換器係連接至共振器電感器(L3)，該切換器的組態可隨應用例不同而有所變化。舉例來說，第十九圖及第二十圖所繪出的可替換具體實施例中，控制子電路可包括一切換器與該共振器電容器(C3)以及共振器電感器(L3)串聯。第十九圖及第二十圖的具體實施例中，切換器包括兩背靠背場效電晶體將其閘極接在一起。超過一閾值電壓的一閘極電壓將該共振器電路配置為一斷路組態，且低於一閾值電壓的一閘極電壓將該共振器電路配置為一獨立分離共振器電路組態。雖然第十九圖及第二十圖所顯示背靠背電晶體係與該共振器電容器以及共振器電感器串聯，該等背靠背電晶體可替換地能連接至該共振器電感器與共振器電容器平行。
第二圖及第十九圖兩具體實施例中，控制子電路可操作用來改變共振器的Q值，並因而用來控制透過共振器中繼的電量。第二圖中，若電晶體(Q1)為停用，控制子電路對共振器電路的Q值有最小作用。若電晶體(Q1)為啟用，控制子電路對共振器電路的Q值有重大作用。若電晶體(Q1)採三極模式操作，Q值是在啟用組態與停用組態的Q值之間變化。
第十九圖中，若控制子電路係處於一斷路組態，控制子電路對共振器電路的Q值有重大作用。舉例來說，若控制子電路處於斷路組態，共振器電路Q值約為零。
第二圖及第十九圖的兩具體實施例中，共振器的Q值可藉由控制時間的量來調整，即控制子電路係以不同的組態。舉例來說，在有具有不同的Q值或一時間平均的Q值的多重組態之處可藉由控制控制子電路 在每個多重組態中的時間比率而達成。時間平均的Q值可直接與共振器在各組態中的時間數量成比例。舉例來說，在時間平均的Q值成線性比例的共振器電路中，在一組態中的Q值是100而在另一組態中的Q值是0，50的Q值可藉由控制子電路係在一組態中約50%的時間及在另一組態中約50%的時間而達成。不同Q值可藉由改變此比率達成。舉例來說，上述成線性比例的應用例中，可藉由約25%的時間處於提供100之Q值的組態，且約75%的時間處於提供Q值為零的組態，達成約25的Q值。一具體實施例中，系統可控制在一特定Q值。舉例來說，共振器電路之不同的組態的Q值可預先決定，且控制器或可能夠主動重新組態該共振器電路以達成期望的Q值或Q值範圍。共振器之Q值的變換週期，可依該系統所包含電容數值等比例調整。具有最小量電容的應用例中，可能期望要增加共振器之工作週期的頻率，以將系統中的電壓漣波減至最小。舉例來說，切換的頻率可採電力傳送器頻率實施，其中Q值係為該共振器中電流的一單週期(single period)的多個部分作調整。舉例來說，Q值可為該共振器中所流電流之單週期的前20%增加，且為該週期的剩餘80%減少。其他應用例中，系統可依據額外的或替代的因子控制Q值，例如像是溫度、電壓、電流或電力。這些其他應用例中，並不需要讓系統知道共振器電路在其各個組態當中的電感、電容或Q值。
一具體實施例中，控制子電路包括一元件能發揮一可變電阻器的功能。該元件可以是一電晶體，以三極模式或在線性區域操作。回授電路或可能夠提供一比例回授信號給控制子電路，以控制可變電阻器的數值。回授電路可包括一控制器，其能夠相對依據一演算法調整該回授信號。 該演算法可依據所感測特性之實際與期望數值之間的差異而改變回授信號。舉例來說，控制器可運用一控制迴圈，例如像是一比例、積分、微分(PID)演算法。一具體實施例中，回授信號的工作週期可和次級輸出電壓與閾值之間的差成比例。
本具體實施例中，D1至D8可為2A 100V高速二極體-Diodes,inc B1100LB-13-F。
濾波器電容器(C4)為可選的。某些具體實施例中，可提供額外的濾波器元件用來濾波次級電路輸出。本具體實施例中，濾波電容器(C4)提供約22ms時間常數用於負載出現重新偵測。一具體實施例中，(C4)可以是一1uf 50V陶瓷X5R包裝於一1210表面黏著封裝-Panasonic,ECG EGJ-4YB1H105K。一具體實施例中，依據所需輸出電壓，可使用一16伏特等級的濾波電容器。
無線接收器的一具體實施例包括一或多個指示器。參照第三圖，一具體實施例包括一發光二極體指示器(LED)用於指示何時Q值控制為啟動，以及一LED指示器用於指示何時充電正在進行。
無線接收器的一具體實施例中包括一光學隔離器，將共振器電路及控制子電路與次級電路隔離。參照第四圖，繪出具有LED指示器及光學上獨立分離回授電路之無線接收器的代表示意圖。該光學隔離器可協助避免一側的高電壓或快速改變電壓損害在另一側的元件或扭曲信號。第二十四圖繪出包括一光學隔離器的一具體實施例。
現在轉而參照第五至九圖及第十九至第二十二圖所繪出具體實施例，其係一無線接收器的一具體實施例或與上述具體實施例類似但 有幾點不同。第五至第九圖及第十九至第二十二圖之具體實施例的回授電路包括一控制器係經配置以提供回授至共振器電路，以便控制由該共振器中繼的電力。與其他具體實施例一樣，回授電路可提供控制信號以主動控制該控制子電路。回授電路可包括一場效電晶體如第二圖至第九圖之具體實施例所繪，或包括兩背靠背場效電晶體如第十九至第二十二圖之具體實施例所繪。第十九圖中，回授電路可經配置以提供較高值或低值之輸出，在交替的狀態之間切換控制子電路。第二十圖中，回授電路包括一運算放大器，提供該控制子電路的比例控制舉例來說，回授電路可具有一類比輸出以容許背靠背電晶體發揮像是一可變電阻的功能。第十九圖及第二十圖，無線接收器可包括一控制器，其可監控回授電路的輸出、次級電路的輸出，或兩者皆然。進一步，控制器可如本說明書別處所描述般通訊。
一具體實施例中，如第二十二圖中所示，控制器可選擇一雙重線圈電力接收模式，在此由共振器電路及主動整流電路而來的直流輸出可使用一切換器耦合在一起。以此組態，若控制器判定共振器及初級線圈係緊密耦合至該感應式電源供應器，那麼控制器可藉由接通一雙重電力切換器而配置該無線接收器，以使用由共振器電感器(L3)及次級電感器(L4)兩者的電力。第五圖所繪出具體實施例中，回授電路的控制器納入一感測器，其係調適感測關於次級線圈電路之輸出的資訊。可替換的具體實施例中，感測器可以是與控制器獨立分離的組件。如上述，所感測資訊可包括電壓、電流、溫度，以及電力特性至少其中一項。所繪出具體實施例中，控制器可依據在次級電路一輸出例如像是(J1)所感測電壓，提供回授至共振器電路。舉例來說，與其他具體實施例類似，控制器可控制控制子電路以選擇 性地分流或選擇性地提供一並聯電阻至該共振器電路，以回應所感測電壓已達一閾值。如此一來，控制器可藉由選擇一Q值用於第一持續期間及另一Q值用於另一持續期間，選擇性地主動地控制共振器電路的Q值，因而得到一時間平均的Q值係依據第一持續期間相對於第二持續期間的相對時間。
一具體實施例中，控制器可主動控制共振器電路的Q值，此係藉由選擇一Q值用於一週期並選另一Q值用於週期的其他部分。舉例來說，系統可在高Q值共振器電路(L3,C3)用一分流負載以將它由高Q值共振器轉換成低Q值共振器，像是第二圖至第九圖所示任何一電路。當分流時，低Q值共振器仍可將若干磁場諧振進入接收器(L4)，然而由於在(L3)出現的電流被減量，少許能量在分流時耗損。(L3)的分流可出於在(L3)中的再循環電流的數個週期，或者可在一逐週(cycle by cycle)基礎上被完成(該逐週基礎即分流是周期循環的(duty-cycled))，或被施以各期間的百分比。此外，分流的正時也可在週期間任何時點實施。分流為每週期實施一次或兩次的一具體實施例中，正時可對應至共振器電路L3/C3所接收電力之電流波形的零值交會。舉例來說，分流可在每次零值交會後維持關閉或停用達該週期某百分比或持續時間，並且接著在該週期的其餘時間啟用。另舉一例，分流可在零值交會時啟用達該週期某百分比或持續時間，並且接著在該週期的其餘時間被停用。若分流是在逐週的基礎上控制，(L4)所接收的電壓循環採一較高頻率，容許較小的大型電容器將漣波電壓濾除。藉由調整共振器在高Q值狀態與低Q值狀態之間的工作週期，接收器可調整(L3)當中的電流量，因而調整(L4)所接收的電量。舉例來說，若遠端裝置係放在一發射器上 配以較高耦合量，在高Q值狀態期間(L3)共振器中的電流會増加。為補償此增加並避免接收器受到過量電壓，可增加分流的工作週期，以增加低Q值狀態的工作週期以減少由遠端裝置所接收的總電力。
現在參照第三十五及第三十六圖，描繪的是操作期間在數個Q值之間循環之系統的模型。明確地說，所描繪的是依據本發明一具體實施例的四線圈系統(換句話說，一兩線圈接收器電路以及一兩線圈發射器電路)之分析及摹擬。
參照第三十五圖，顯示的是用於本分析之四線圈無線電力傳輸網路的接收器側。它包括一電阻R s ，可經切換橫跨(L 3-C 3)槽路。此電路中，(R 3)是電感器(L 3)的等效串聯電阻(ESR)，且電容器(C3)視為無耗損。(L 4)的ESR可被視為總負載(R L)的部分。
為簡化此分析，由無線電力傳輸(WPT)網路之發射器側而來的時變磁通在第三十五圖中是由一電源i s摹擬。(若發射器側共振器與接收器側共振器之間的磁通耦合係數小，此假設或可成立)。
WPT網路的狀態方程式如下：
狀態方程式是以(dX/dt)=AX+BU的形式呈現，其中X是系統狀態的行向量，A是狀態轉換矩陣，且B是輸入向量U的加權矩陣。在此 例中，有一刺激物驅動該系統，且U是一純量(i s )系統狀態是電感器(L 3)中的電流(i 3)，電感器(L 4)中的電流(i 4)，以及橫跨電容器(C 3)的電壓(v 3)。
若第三十五圖中所示電路的切換器為斷路，R s的有效數值變成無限，且A(3,3)變成0。第三十六圖所顯示波形是藉由解開下列係收的狀態方程式而得。
˙L 3=33.3μH；L 4=12.1μH；M 34=10.67μH；C 3=91.39nF；R 3=0.083Ω；R s=0.05Ω；˙i s=2 sin(2 π×100kHz t)，其中t是以秒為單位的時間。
電源的數值係經判定為配上一時變網路(即，R s=∞)在正弦波、持續態激發情況下，在(L 3-C 3)生成11.5A的循環電流。
第三十五圖的短路策略是要在(v 3)每次零值交會時切換(R s)跨過(C 3)並停留50μs。用於第三十五圖之Q值切換網路的啟始摹擬(全部初始條件為0)顯示於第三十六圖，其使用一策略在電壓(v 3)零值交會那刻施加(R s)與(C 3)並聯並插入此接線一段50μs的持續時間。此期間終了，切換器斷路。可明顯看出，當(R s)被插入時電流(i 4)陡降。回授電路也可包括共振器感測器電路調適於感測關於共振器電路或控制子電路的資訊，舉例來說，包括電壓、電流、溫度，或一電力特性至少其中之一。第五圖所繪出具體實施例中，共振器感測器電路係經配置以感測電壓，並且包括一分壓器以及一齊納二極體。分壓器可提供一輸出至該控制器，此輸出係與共振器電路內的電壓成比例。齊納二極體可保護控制器不受超出控制器之輸入電壓閾值的輸出電壓損害。第八圖所繪出具體實施例中，共振器感測器電路係經配置以使用一電流變壓器(T1)感測電流，它對控制器的輸出會與流經共振 器電路之電壓成比例。
依據從共振器感測器電路所感測資訊，控制器可控制該控制子電路以便控制由共振器電路中繼的電力回應由共振器感測器電路之所感測資訊為超過一閾值，不管關於次級電路之輸出的感測資訊為低於一閾值。可替換的具體實施例中，控制器可啟動一斷電電路，以便依據由共振器感測器電路而來之所感測資訊有效地將共振器電路從接收器電路移除。第二十一圖所繪出具體實施例中包括一斷電電路，其回應被切換至一斷路狀態，可有效地將共振器電路從接收器電路中移除。舉例來說，控制器可依據共振器電路中的電力位準維持為高值的指示而啟動該斷電電路，不管藉由控制該控制子電路要減少次級電路之輸出電力的嘗試。
回至第五圖所繪出具體實施例，回授電路可包括負載調變電路經配置以透過接收器電路與感應式電源供應器之間的感應式耦合將資訊通訊至一感應式電源供應器。負載調變電路可包括一阻抗元件，例如像是一電容式元件、一電阻式元件，一感應式元件，或上述之組合，可選擇性地調變以發射資訊。舉例來說，第五圖所繪出具體實施例中的阻抗元件係一電容器，且第六圖所繪出具體實施例中為一電阻器。
調變阻抗元件透過接收器電路與感應式電源供應器之間的感應式耦合改變反射阻抗，這可由感應式電源供應器感測以便解調變資訊。如此一來，資訊可使用調變或背向散射調變發射，包括振幅調變、頻率調變，以及相位調變。為揭示之目的，資訊可使用回授電路被發射至感應式電源供應器，但其他電路布局可用來通訊資訊，例如像是2009年4月21日發給Baarman的美國專利第7,522,878號，標題為《具有通訊之適應性感應 式電源供應器》，此專利以其整體納入本文列為參考。其他通訊系統，例如像是獨立接收器及發射器，例如藍芽，也可用來通訊資訊。
如第七及第八圖所繪出具體實施例顯示，接收器電路也可包括通訊電路經配置以使用加密調變發射資訊至感應式電源供應器，以在一變頻電力傳輸信號上編碼固定頻率通訊。換句話說，與各位元關連的調變數可依據通訊頻率對於載波信號頻率的比值而動態變化。為揭示之目的，資訊可使用通訊電路被發射至感應式電源供應器，但其他通訊電路也可用來通訊資訊，例如像是2011年11月28日由Norconk等人提出列案的美國專利申請案序號61/564,130，其題名為《在一無線電力傳送系統中提供通訊的系統及其方法》，該文件係以其整體納入本文列為參考。雖然第七及第八圖所繪出具體實施例中顯示兩種用於通訊資訊的電路，可想而知接收器電路可包括負載調變電路而無通訊電路，或包括通訊電路而無負載調變電路。也可以兩者皆存在，如圖中所示，以便提供該接收器電路多重可用通訊系統。
某些具體實施例中，回授電路可包括一控制器以及類比回授電路兩者，以控制由共振器中繼的電力。舉例來說，如第九圖所示，控制器可經由共振器感測器電路監控共振器電路並經由負載調變電路通訊至一感應式電源供應器，且類比回授電路可提供回授至該控制子電路如前文相對於第二圖的描述。
參照第二十八圖，所繪出的具體實施例是用於一中距離無線發射器的一控制方法。該發射器可經編程以等待一裝置被置於電力傳送表面之上或其附近。一具體實施例中，發射器定期回音檢查以辨識是否有一裝置被放上來。舉例來說，無線發射器可定期通電一電感器並分析反射阻 抗，以識別由於一無線接收器被放在電力傳送表面附近所生成阻抗變化。一具體實施例中，發射器回音檢查可用一無線通訊啟始通信輔助或取代。
回應偵測到一裝置，該中距離電力傳送器可增加其電力位準。舉例來說，中距離電力傳送器若包括一共振器可增加其Q值，或可增加幹線電壓以增加被發射的電量。中距離發射器可判定是否所有出現的裝置都在充電。若做出一決定指出並非所有裝置均在充電，那麼電力可反覆增加直到足夠電力被提供至充電所有這些裝置。一具體實施例中，判定是否所有裝置均在充電的一種方法是經由與各裝置的通訊。
一具體實施例中，中距離無線電力傳送器可判定是否在附近的所有無線接收器均減低其Q值。舉例來說，各個無線接收器可經編程以通訊至中距離無線發射器指出它們正接收太多電力並正在減低其Q值。視需要地，各個無線接收器可將其Q值報告至發射器。回應所有附近無線接收器都正在減少其Q值的判定，無線發射器可減少被無線式發射的電量。一具體實施例中，無線發射器可反覆減少被無線式發射的電量，直到其一無線接收器報告指出並未減少其Q值。一具體實施例中，中距離無線電力傳送器可依據所報告Q值而智慧地減少電量至一位準，其中至少一無線接收器並不會減低其Q值。如此一來，複數個無線接收器可在某位準同時充電，此位準為多重無線接收器提供有效充電而無需提供多餘能量。
雖然本具體實施例描述一控制方法其中至少一裝置並不減低其Q值，可替換的具體實施例中該控制方法可包括反覆減低電力直到一臨界值數量的無線接收器並不減低其Q值。如此一來，控制器可智慧地判定適當數量的要被傳輸之能量，有效率地平衡傳輸電力以及確保無線接收 器有足夠能量以充電。
參照第二十九圖，所繪出的具體實施例是用於一緊密耦合無線發射器的一控制方法。發射器可經編程以等待一或多個無線接收器被放置在該電力傳送表面的附近。如第二十八圖，發射器可定期回音檢查以辨識是否有一裝置被放置，無線接收器可報告其存在，或可運用某些其他辨識方法。一無線接收器可指示它需要額外的電力，舉例來說藉由與發射器的通訊並且發射器可藉由增加輸出電力而回應。一無線接收器也可指示它需要較少電力，此時無線電力傳送器減少所發射的電力。緊密耦合發射器的方法可與具有Q值控制之無線接收器配合使用。緊密耦合發射器控制方法或可不受具有Q值控制之無線接收器影響。也就是說，具有Q值控制之無線接收器可自己行動適度改變共振器的Q值，如後文關於第三十圖所描述。如此一來，具有Q值控制的無線接收器可同時相容於緊密耦合發射器以及中距離無線發射器。
參照第三十圖，顯示一種用於控制一無線接收器之Q值的方法。回應從一無線發射器接收到無線式電力，無線接收器測量共振器中的電流、電壓，或某些其他特性。無線接收器可有一程序以判定送出電力的無線電力傳送器是否為一緊密耦合發射器。本具體實施例中，所測量的是共振器電感器(L3)內的電流，共振器的Q值被減低，然後當Q值已減低時再次測量共振器電感器(L3)內的電流。
如果當Q值被減低時電流增加，無線接收器可能是從一緊密耦合發射器接收能量。因此，共振器電路可切換脫離無線接收器，且電力可透過與無線電力傳送器的通訊被調整。一具體實施例中，第二十二圖的 雙電橋整流器組態可被運用來回應無線電力傳送器為緊密耦合式的判定。
若電流減少或沒有變化，那麼無線接收器很可能是從一鬆散耦合無線電力傳送器接收無線電力，例如像是一中距離無線電力傳送器。無線接收器判定是否有足夠電力供充電。若並沒有足夠電力，可要求額外的電力。若有足夠電力，無線接收器可判定是否有太多電力。若並無太多電力，無線接收器可使用前文所描述不同具體實施例的其中一項，如其描述減低共振器的Q值。若並無太多電力，那麼無線接收器可繼續充電，並定期檢查看看電力位準是否需要調整。
第十至第十二圖係一系列示波器快照，顯示一無線測試接收器採不同的組態以示範本發明一具體實施例的一般操作。第十圖的示波器快照顯示具有一共振器電路之無線測試接收器，其Q值控制並未啟用。第十圖所示具體實施例中，無線測試接收器係接收約5瓦的電力。頻道1顯示輸出負載電壓切至一10歐姆負載。頻道2顯示共振器電感器(L3)內的電流。頻道3顯示已整流的峰值參考電壓，其顯示為低於一13.3伏特閾值，因此在共振器電路配置中係維持高Q值且配置為共振器電路組態。
第十一圖係該無線測試接收器的一示波器快照，其共振器電路配置為一分流組態。第十一圖所顯示的具體實施例中，頻道3顯示當負載被移開時已整流峰值參考電壓上升超過13.3伏特。也就是說，次級輸出突破閾值。為回應，共振器中的Q值係藉由次級電路回授受到抑制。這抑制造成通過共振電感器(L3)的電流減少，在頻道2上測出。本具體實施例中，通過共振電感器(L3)的電流係減少四倍，這就有效地減少電感器(L3)所共振之電力達約十六倍。
第十二a圖係具有Q值控制電路之無線測試接收器的一示波器快照，其由一停用狀態切換至啟用狀態。也就是說，該快照攝得當共振電路由一共振器電路組態轉變至一分流組態那一刻。此負載出現重新偵測的示波器快照顯示，若負載移除那麼次級輸出電壓會上升超過18伏特，且共振器電感器電流會增加至超過4安培，造成共振器電感器(L3)顯著加熱。所描繪具體實施例中，無線發射器與無線測試接收器之間的距離(Z)係約為1.22吋，其中發射器與接收器之間的耦合並不那麼強。若距離(Z)更小，Q值控制電路可保護不受較大電壓損害。
第十二b圖顯示第十二a圖之示波器快照的加註版。註解指示出何處負載被移開，何處已整流電壓上升太高，以及何處係藉由將切換器(Q1)接通而啟用Q值控制，因而改變共振器電路的Q值。
第十三圖係依據一具體實施例的一傳統無線接收器與一無線接收器操作約15分鐘之熱影像。該影像顯示傳統的無線接收器要比無線接收器更熱。熱影像顯示兩無線接收器：影像右上方的無線接收器係接收約5W電力至其負載，且左下方的接收器並未加載但具有Q值控制電路避免它過熱。
第十四圖係各種無線接收器的代表圖示，其中有些包括Q值控制電路，以不同位置顯示接收到適當電力(X/Y/Z軸位置)。Q值控制電路使得各無線接收器能夠依據所期望輸出自行調節Q值。一無線接收器可被直接放在該表面上，並依據該無線發射器的位置為以緊密耦合或中距離耦合接合。一無線接收器可被放在一提包、工具箱、背包或其他容器之內，然後該容器可被放置在電力傳送表面上。無線發射器可採緊密耦合 或中距離耦合兩者其一，與容器內的無線接收器耦合。具Q值控制電路的共振器線圈可被放置在電力傳送表面上，該電力傳送表面可中繼電力至自身也具有Q值控制電路的另一無線接收器。進一步，不具Q值控制電路的一共振器線圈也可被放置在該電力傳送表面上，該電力傳送表面可中繼電力至自身也具有Q值控制電路的另一無線接收器。
第十五圖係三種不同充電表面的代表圖示，各自具有一不同厚度，其中依據一具體實施例的該無線接收器或可能夠透過該等三種表面任何一項接收電力。一具體實施例中，發射器可被安裝或放置在該表面的一側。接收器可被放在該表面與發射器相對另一側，以便接收無線式電力。Q值控制電路可主動調整接收器的Q值，以依據無線電力傳送器與無線電源供應器之間的距離(Z)接收適當電量。如此一來，可實施一組發射器所用電路以及一組無線接收器所用電路而不需要為特定距離(Z)調校電路。使用者可購買一Q值控制系統並把它安裝在任何表面，該系統可為特定間隙以Q值控制適度調整。
第十六圖是具有Q值控制電路之無線電力系統的代表示圖。圖中顯示具有Q值控制的一無線接收器係與各式不同無線接收器相容，包括一緊密耦合定頻電力傳送器，一變頻緊密耦合電力傳送器，在一第一距離提供電力的一鬆散耦合定頻電力傳送器，以及在一第二距離提供電力的一定頻鬆散耦合電力傳送器。依據一具體實施例的一無線接收器可從多重無線電力傳送器接收電力。該無線接收器係相容於一情況，其中有一無線接收器以及一無線發射器磁場，配上每線圈陣列場控制頻道一接收器。無線接收器也相容於鬆散耦合發射器，其在一發射器磁場之內發射電 力至多重接收器。
第十七圖係一無線發射器的代表視圖，其包括Q值控制電路並能夠選擇半橋式、全橋式，或以上組合之驅動電路。
第十八圖係依據被納入一電池標籤之具體實施例的一無線接收器之代表示意圖。該標籤可包括多重分層。所繪出具體實施例中，電池標籤包括一彩色層、一導線層、一半導體裝置暨元件層、另一導線層、一屏蔽層、一基板，以及一黏劑層。該等分層可以是箔片層或印製層。該標籤可擁有一正極舌片與一負極舌片，以至傳送至該電池標籤的無線電力可被用來提供至充電該電池。雖然所顯示僅為代表，電池標籤中的無線接收器可包括一可調整共振器，例如像是前文所描述任何其他無線接收器具體實施例中的那些共振器。
第二十三圖係依據一具體實施例的一無線接收器之代表示意圖。該無線接收器在控制子電路中包括一電阻器(R2)用於Q值控制。電阻器(R2)的數值可依應用例而有所不同。一具體實施例中，(R2)電阻器係經選取以提供Q值控制額外的解析度。舉例來說，當電晶體(Q1)為啟用且共振器電路的Q值會被電阻器(R2)影響的時候。還有，當電晶體(Q1)為停用且共振器電路的Q值不會被電阻器(R2)影響的時候。當(Q1)為啟用且(R2)存在時的共振器電路Q值，與(R2)並未出現時之共振器電路的Q值不同。如前述，Q值可藉由主動控制(Q1)電晶體為啟用的時間而受到控制。平均Q值的解析度會有一限制，因為(Q1)為啟動之時間僅能夠以一特定解析度受到控制。藉由增加一電阻器(R2)(或控制Q1電晶體處於三極模式當作是一可變電阻器)，電晶體(Q1)為啟用時的Q值會不同。當(R2)在電路中的Q值更接近共振器電 路組態之Q值的時候，同樣對於(Q1)之正時的控制可對Q值有更精確作用。舉例來說，兩組態中Q值在0與100之間變化的情況下，若在兩組態中Q值在50與100之間變化，那麼相對正時的改變對於時間平均的Q值具有更精確作用。本發明可使用各式方法達成一時間平均的Q值，包括前文所描述的那些方法。舉例來說，共振器電路(L3/C3)可選擇性地被分流超過電力信號的多重週期(multiple time period)或依據一逐週的基礎。另一範例中，共振器電路(L3/C3)可經控制而選擇一週期的部分的一Q值及選擇該週期的另一部分的另一Q值。
第二十五圖係一無線接收器(L3,L4)與一感應式電源供應器(L1,L2)的多個電感器之間的空間關係的代表示意圖。第二十六圖是一無線接收器之電感器與一無線電源供應器之電感器之間的鬆散耦合場區域以及緊密耦合場區域的代表視圖。參照第二十五及第二十六圖所繪出具體實施例，所顯示的是一無線接收器之電感器(L3，L4)與感應式電源供應器之電感器(L1,L2)之間的鬆散耦合場區域以及緊密耦合場區域的代表視圖。如圖中所描繪，共振器電感器(L3)和次級電感器(L4)係位在鬆散耦合場區域內。電感器(L3)和(L4)可移動，舉例來說像是使用者相對於該感應式電源供應器移動無線接收器，此移動可在鬆散耦合場區域之中，或移至緊密耦合場區域。
如第二十七圖所繪出具體實施例中所顯示，次級線圈(L4)可耦合至一串聯共振電容器(Cs)，一並聯共振電容器(Cp)，或以上之組合。這些電容器(Cs,Cp)，單獨或其組合，可供用於次級線圈(L4)的共振操作。某些具體實施例中，一感應式電源供應器可經配置以依據電容器(Cs,Cp)的單獨或合併出現而識別無線接收器。舉例來說，並聯共振電容器(Cp)可為無 線接收器提供一共振頻率簽章，容許用於依據偵測到該簽章而識別無線接收器。
第二十七圖所繪出具體實施例也包括一半波整流器(D5,D8)供電該類比回授電路，包括驅動器(U1)以及齊納二極體(Z1)。一分離獨立的全橋接整流器(未顯示)可用來從次級線圈(L4)提供電力至一負載。
第三十一圖描繪出被納入一便攜式裝置的一無線接收器之具體實施例。該無線接收器包括Q值控制電路以及監控電路兩者，皆耦合至一次級電感器以及一共振器電感器。以此組態，便攜式裝置可控制傳送至通訊及調節電路的電量，以致調節電路可接收一適當值域之內的電力。
第三十二圖所描繪的具體實施例包括一溫度感測器提供資訊至一控制器，其可依據所感測溫度資訊控制Q值控制電路的操作。舉例來說，若所該電路或例如像是板面的所感測溫度係高於一閾值，Q值控制電路可配置該共振器線圈以減少所接收電量。另舉一例，若所感測溫度係低於一閾值，Q值控制電路可配置該共振器線圈增加所接收的電量。
第三十三圖所繪出具體實施例中，其他具體實施例的電路可被納入感應式炊具用於控制由該共振器所接收的電量。舉例來說，感應式炊具可包括溫度控制電路及控制電路用於控制所接收電量以維持一期望溫度。也就是說，依據一感測溫度，Q值控制電路可藉由影響該共振器電路的Q值增加或減少所接收電量。
為揭示之目的，第三十三圖所繪出具體實施例中Q值控制電路係關於感應式炊具加以描述，但其他感應式炊具也可使用，例如像是2011年7月6日由Baarman等人提出的美國專利申請序號13/143,517號之《智慧型 炊具》，以及2012年1月8日由Baarman等人提出之美國專利申請序號61/584,281號之《感應式烹調系統》，此等文件均以其整體納入本文列為參考。
舉例來說，第三十四圖所繪出具體實施例中，係依據本發明一具體實施例的一獨立場延展器(300)並納有一中介共振器(20)。如前文提及，中介共振器(20)可與一無線接收器及一無線發射器分開放置。如此一來，一或多個中介共振器(20)可納入一獨立式組態中，例如像是獨立式場延展器(300)。
此具體實施例中，獨立式場延展器(300)也可包括與相對於第二圖所繪出具體實施例所描述之控制子電路類似的控制電路(22)。獨立式場延展器(300)可視需要地包括一控制器(24)，類似於相對於本文其他具體實施例所描述之控制器。也就是說，控制器(24)可耦合至控制子電路(22)以控制中介共振器(20)的Q值以及場位準。控制器(24)可將Q值控制建基於由一或多個感測器而來的輸出。舉例來說，獨立式場延展器(300)可納有一電流感測器(26)、一電壓感測器(27)，或一磁場感測器(28)，或以上之組合，以將所感測資訊提供至控制器(24)。
獨立式場延展器(300)的一具體實施例中，控制器(24)可藉由透過一整流器(未顯示)耦合至該中介共振器(20)而接收電力。以此組態，獨立式場延伸器(300)可以不納有其自己的電源供應器或經由直接電接點接收操作電力。或者，獨立式場延展器(300)可納有一可選的拾波線圈(29)能感應式接收電力並供電該控制器(24)以及獨立式場延展器(300)之中的其他電路。
方向性用語，例如像是「垂直」、「水平」、「上方」、「下方」、「在上」、「在下」、「內部」、「朝內」、「外部」、「朝外」，是要用來協助描述本發明，其係依據圖解中所示具體實施例的方位。方向性用語的使用，不應被解讀為限制本發明為任何特殊的定向。
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。
C3．．．電容器
C4．．．電容器
D1-D4．．．全橋接整流器
D5．．．二極體
D5-D8．．．全橋接整流器
J1．．．接點
J2．．．接點
L3．．．電感器
L4．．．電感器
R1．．．電阻器
U1．．．電壓偵測器
Z1．．．齊納二極體

Claims (57)

  1. 一種無線電力傳送元件，其包含：一共振器電路，其適於中繼一無線電力傳送器的無線電力至一無線電力接收器，該共振器電路具有一Q值；以及一Q值控制子電路，其經組態而選擇性地調整該共振器電路的該Q值而控制由該共振器電路所中繼的一電力量。
  2. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該共振器電路及該Q值控制子電路係置於一無線電力傳送器、一無線電力接收器和經組態而中繼該無線電力傳送器的電力至該無線電力接收器的一中介電力中繼元件至少一者內。
  3. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該共振器電路包括一電感及一電容。
  4. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該共振器電路包括一具有一電感器及一電容器的槽路。
  5. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該Q值控制子電路係經組態而使該Q值在一第一Q值與一第二Q值間變化，該第二Q值係與該第一Q值不同。
  6. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該Q值控制子電路係經組態而使該Q值在一電源供應週期的一第一部分的一第一Q值與該電源供應週期的一第二部分的一第二Q值間變化，該第一Q值係與該第二Q值不同。
  7. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該Q值控制子電路係 經組態而使該Q值在第一複數個電源供應週期的一第一Q值與第二複數個電源供應週期的一第二Q值間變化，該第一Q值係與該第二Q值不同。
  8. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該共振器電路及該Q值控制子電路係置於一無線式電力接收器和一中介電力中繼元件至少一者內；以及進一步包括一通訊傳送器，其經組態而傳送代表該Q值的多個通訊至一無線電力傳送器，藉此該無線電力傳送器基於該Q值控制由該無線電力傳送器所傳送的一電力量。
  9. 如申請專利範圍第4項的無線電力傳送元件，其中該Q值控制子電路係耦合至該共振器電路且係經組態而選擇性地分路該電容器。
  10. 如申請專利範圍第4項的無線電力傳送元件，其中該Q值控制子電路係耦合至該共振器電路且係經組態而選擇性地提供一並聯至該電容器的電阻。
  11. 如申請專利範圍第1項的無線電力傳送元件，其中該Q值控制子電路係與該電感器及該電容器串聯耦合。
  12. 一種共振器電路，其包含：一共振電感器；一共振電容器，該共振電感器及該共振電容器經配置而形成一具有一Q值的槽路；以及其中該共振器電路係經組態響應一控制變數主動地調整該槽路的該Q值而控制由該共振電路中繼的一電力量。
  13. 如申請專利範圍第12項的共振器電路，其中該控制變數係代表一無線 式電力接收器的一操作特性。
  14. 如申請專利範圍第13項的共振器電路，其中該操作特性係該無線式電力接收器的溫度、電壓、電流及電力至少一者。
  15. 如申請專利範圍第12項的共振器電路，其中該控制變數係代表一無線電力接收器以外的一操作特性。
  16. 如申請專利範圍第15項的共振器電路，其中該操作特性係一電池的溫度。
  17. 如申請專利範圍第12項的共振器電路，其中該共振器電路係經組態而使該Q值在一第一Q值與和該第一Q值不同的第二Q值間變化。
  18. 如申請專利範圍第12項的共振器電路，其中該共振器電路係經組態而使該Q值在一電源供應週期的一第一部分的一第一Q值與該電源供應週期的一第二部分的一第二Q值間變化，該第一Q值係與該第二Q值不同。
  19. 如申請專利範圍第12項的共振器電路，其中該共振器電路係經組態而使該Q值在第一複數個電源供應週期的一第一Q值與第二複數個電源供應週期的一第二Q值間變化，該第一Q值係與該第二Q值不同。
  20. 一種共振器電路，其包含：一共振電感器；一共振電容器，該共振電感器與該共振電容器經配置而形成一具有一Q值的槽路；以及一Q值控制子電路，其耦合至該槽路且係可選擇性地可調而選擇性地改變該槽路的該Q值，該Q值控制子電路經組態響應一控制變數選擇性地調整該Q值而控制由該共振電路被中繼至一次級電路的一電力量。
  21. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係並聯該共振電感器地連接至該共振電容器。
  22. 如申請專利範圍第21項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係經組態而選擇性地分路該共振電容器。
  23. 如申請專利範圍第21項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係經組態而選擇性地並聯該共振電容器地施加一電阻。
  24. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係串聯連接至該共振電容器和該共振電感器。
  25. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，其中該Q值控制子電路包括一切換器而選擇性地分路該共振電容器或選擇性地並聯該共振電容器地提供一電阻。
  26. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該切換器包括一或更多個電晶體。
  27. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該Q值控制子電路包括一整流器且該切換器係置於一整流側。
  28. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該切換器係一交流切換器。
  29. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該控制變數係代表一無線式電力接收器的一操作特性。
  30. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係經組態而使該Q值在一第一Q值與和該第一Q值不同的第二Q值間變化。
  31. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係經組態而使該Q值在一電源供應週期的一第一部分的一第一Q值與該電源供應 週期的一第二部分的一第二Q值間變化，該第一Q值係與該第二Q值不同。
  32. 如申請專利範圍第25項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係經組態而使該Q值在第一複數個電源供應週期的一第一Q值與第二複數個電源供應週期的一第二Q值間變化，該第一Q值係與該第二Q值不同。
  33. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係藉由回授主動地被控制而控制一電力量。
  34. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，進一步包括一次級電路，該次級電路包括一經組態而致動該Q值控制子電路的回授電路。
  35. 如申請專利範圍第34項的共振器電路，其中該回授電路包括一經組態而感測在該次級電路中的一特性的感測器，該回授電路經組態依據被感測到的特性致動該Q值控制子電路。
  36. 如申請專利範圍第35項的共振器電路，其中被感測到的特性係溫度、電壓、電流或電力至少一者。
  37. 如申請專利範圍第34項的共振器電路，其中該回授電路致動該Q值控制子電路以符合一閥值。
  38. 如申請專利範圍第37項的共振器電路，其中當該閥值被越過時該回授電路致動該Q值控制子電路。
  39. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，其中該Q值控制子電路包括一可變電阻器。
  40. 如申請專利範圍第39項的共振器電路，其中該可變電阻器係一以一三極模式或一線性區操作的電晶體。
  41. 如申請專利範圍第39項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係藉由 一回授電路主動地被控制，該回授電路經組態而提供一比例回授信號至該Q值控制子電路按照該回授信號的比例改變該可變電阻器的一數值。
  42. 如申請專利範圍第39項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係藉由一回授電路主動地被控制，該回授電路包括一控制器能夠基於一演算法調整一回授信號。
  43. 如申請專利範圍第42項的共振器電路，其中該演算法係經組態而基於被感測到的特性之一感測數值與一期望數值間的一相對差異調整該回授信號。
  44. 如申請專利範圍第43項的共振器電路，其中該演算法係一比例、積分、微分演算法。
  45. 如申請專利範圍第39項的共振器電路，其中該Q值控制子電路係藉由一回授電路主動地被控制，該回授電路包括至少一類比元件提供該Q值控制子電路的直接回授。
  46. 如申請專利範圍第45項的共振器電路，其中該至少一類比元件係經組態而依據是否符合一閥值而提供一高的信號或一低的信號。
  47. 如申請專利範圍第45項的共振器電路，其中該回授電路包括一數位控制器，該數位控制器接收一類比輸入且經組態而產生一控制信號予該Q值控制子電路。
  48. 如申請專利範圍第20項的共振器電路，進一步包括一切斷電路能夠關閉該共振器電路而有效地從一無線電源供應系統中排除該共振器電路。
  49. 如申請專利範圍第48項的共振器電路，其中該Q值控制子電路作為該切斷電路。
  50. 如申請專利範圍第48項的共振器電路，其中該切斷電路係與該Q值控制子電路分離。
  51. 如申請專利範圍第48項的共振器電路，進一步包括一感測器用以感測與控制該切斷電路相關的一數值。
  52. 一種無線電力傳送器，其包含：一初級共振器電路，其具有一Q值；以及一Q值控制子電路，其經組態而選擇性地調整該Q值以調節從該無線電力傳送器所發出的一電力量。
  53. 如申請專利範圍第52項的無線電力傳送器，其中該Q值控制子電路包括一經組態而依據一控制特性控制該Q值控制子電路的控制器。
  54. 如申請專利範圍第53項的無線電力傳送器，其中該控制特性係經選取以致該Q值係被調整限制傳送的一電力量而對應由一或更多個無線電力接收器所需的一電力量。
  55. 如申請專利範圍第52項的無線電力傳送器，其進一步包括一或更多個無線電力接收器，每個該等無線電力接收器具有一Q值控制狀態且係經組態而傳遞該Q值控制狀態至該無線電力傳送器。
  56. 如申請專利範圍第55項的無線電力傳送器，其中該無線電力傳送器係經組態而當該Q值控制狀態指示所有該等無線電力接收器使用Q值控制以限制一接收的電力量時減低該初級共振器電路的該Q值。
  57. 如申請專利範圍第55項的無線電力傳送器，其中該無線電力傳送器係經組態而當該Q值控制狀態指示所有無線電力接收器使用Q值控制以限制接收的電力量時減少一傳送的電力量。
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