用于無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射電力控制的設(shè)備和方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 分案申請(qǐng)的相關(guān)信息
[0002] 本發(fā)明是分案申請(qǐng)。該分案的母案是申請(qǐng)日為2009年5月11日、申請(qǐng)?zhí)枮?200980117095. 2、發(fā)明名稱為"用于無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射電力控制"的發(fā)明專利申請(qǐng)案。
[0003] 依據(jù)35 U. S. C. § 119主張優(yōu)先權(quán)
[0004] 本申請(qǐng)案依據(jù)35U. S. C. § 119(e)主張以下申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)：
[0005] 在2008年6月11日申請(qǐng)的題為"經(jīng)由接收天線阻抗調(diào)制的反向鏈路信令 (REVERSE LINK SIGNALING VIA RECEIVE ANTENNA IMPEDANCE MODULATION)"的美國(guó)臨時(shí)專 利申請(qǐng)案61/060, 735 ;
[0006] 在2008年6月11日申請(qǐng)的題為"無(wú)線電力環(huán)境中的信令充電（SIGNALING CHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT)" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/060, 738;
[0007] 在2008年5月13日申請(qǐng)的題為"用于無(wú)線電力傳遞的自適應(yīng)調(diào)諧機(jī)制（ADAPTIVE TUNING MECHANISM FOR WIRELESS POWER TRANSFER)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/053, 008 ;
[0008] 在2008年5月13日申請(qǐng)的題為"用于無(wú)線電力充電系統(tǒng)的有效電力管理方案 (EFFICIENT POWER MANAGEMENT SCHEME FOR WIRELESS POWER CHARGING SYSTEMS)"的美國(guó) 臨時(shí)專利申請(qǐng)案61/053, 010 ;
[0009] 在2008年6月11日申請(qǐng)的題為"用于無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射電力控制（TRANSMIT POWER CONTROL FOR A WIRELESS CHARGING SYSTEM)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/060, 741 ;
[0010] 在2008年5月13日申請(qǐng)的題為"用于增強(qiáng)無(wú)線電力傳遞的轉(zhuǎn)發(fā)器（REPEATERS FOR ENHANCEMENT OF WIRELESS POWER TRANSFER)" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/053, 000;
[0011] 在2008年5月13日申請(qǐng)的題為"用于電器和設(shè)備的無(wú)線電力傳遞（WIRELESS POWER TRANSFER FOR APPLIANCES AND EQUIPMENTS)"的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/053, 004;
[0012] 在2008年7月16日申請(qǐng)的題為"使用負(fù)電阻的無(wú)線電力傳遞（WIRELESS POWER TRANSFER USING NEGATIVE RESISTANCE)" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/081，332;
[0013] 在2008年5月13日申請(qǐng)的題為"用于無(wú)線電力傳遞的嵌入式接收天線（EMBEDDED RECEIVE ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSFER)" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/053, 012; 以及
[0014] 在2008年5月13日申請(qǐng)的題為"平面大面積無(wú)線充電系統(tǒng)（PLANAR LARGE AREA WIRELESS CHARGING SYSTEM)" 的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案 61/053, 015。
技術(shù)領(lǐng)域
[0015] 本申請(qǐng)涉及發(fā)射電力控制，具體地，涉及無(wú)線充電系統(tǒng)的發(fā)射電力控制。
【背景技術(shù)】
[0016] 通常，每一電池供電裝置（例如，例如手機(jī)的無(wú)線通信裝置）需要自身的充電器和 電源，其通常為AC電力插座。在許多裝置需要充電時(shí)，此變得難以使用。
[0017] 正開發(fā)在發(fā)射器與待充電的裝置之間使用空中電力發(fā)射的方法。這些方法通常落 在兩個(gè)類別中。一個(gè)類別是基于發(fā)射天線與待充電的裝置上的接收天線之間的平面波輻射 (還稱作遠(yuǎn)場(chǎng)輻射）的耦合，所述待充電的裝置收集所輻射電力且對(duì)其整流以用于對(duì)電池 充電。天線通常具有諧振長(zhǎng)度以便改進(jìn)耦合效率。此方法的缺點(diǎn)為電力耦合隨著天線之間 的距離增加而快速衰退。因此，跨越合理距離（例如，>1-2米）來(lái)充電變得困難。另外，由 于系統(tǒng)輻射平面波，所以如果未經(jīng)由濾波來(lái)進(jìn)行適當(dāng)控制，則無(wú)意的輻射可干擾其它系統(tǒng)。
[0018] 其它方法是基于嵌入于（例如）"充電"墊或表面中的發(fā)射天線與嵌入于待充電 的主機(jī)裝置中的接收天線加上整流電路之間的電感耦合。此種方法具有以下缺點(diǎn)，即，發(fā)射 天線與接收天線之間的間隔必須非常近（例如，幾毫米）。盡管此種方法確實(shí)具有對(duì)相同區(qū) 域中的多個(gè)裝置同時(shí)充電的能力，但此區(qū)域通常較小，因此用戶必須將所述裝置定位到特 定區(qū)域。因此，需要提供一種適應(yīng)發(fā)射天線和接收天線的靈活放置和定向的無(wú)線充電布置。
[0019] 在無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)中，歸因于無(wú)線電力發(fā)射過(guò)程中發(fā)生的損耗，效率較為重要。 由于無(wú)線電力發(fā)射通常比有線傳遞效率較差，所以在無(wú)線電力傳遞環(huán)境中效率為更大的問(wèn) 題。因此，在試圖將電力提供到一個(gè)或一個(gè)以上充電裝置時(shí)，需要用于在發(fā)射器與接收器之 間通信以確定接收器的電力要求的方法和設(shè)備。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1展示無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。
[0021] 圖2展示無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。
[0022] 圖3展示用于本發(fā)明的示范性實(shí)施例中的環(huán)形天線的示意圖。
[0023] 圖4展示指示發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強(qiáng)度的模擬結(jié)果。
[0024] 圖5A和圖5B展示根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的用于發(fā)射天線和接收天線的環(huán)形 天線的布局。
[0025] 圖6展示指示與圖5A和圖5B中所說(shuō)明的正方形和圓形發(fā)射天線的各種周長(zhǎng)大小 有關(guān)的在發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強(qiáng)度的模擬結(jié)果。
[0026] 圖7展示指示與圖5A和圖5B中所說(shuō)明的正方形和圓形發(fā)射天線的各種表面積有 關(guān)的在發(fā)射天線與接收天線之間的耦合強(qiáng)度的模擬結(jié)果。
[0027] 圖8展示接收天線相對(duì)于發(fā)射天線的各種放置點(diǎn)以說(shuō)明在共面和同軸放置下的 親合強(qiáng)度。
[0028] 圖9展示指示在發(fā)射天線與接收天線之間的各種距離下同軸放置的耦合強(qiáng)度的 模擬結(jié)果。
[0029] 圖10為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的發(fā)射器的簡(jiǎn)化框圖。
[0030] 圖11為根據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的接收器的簡(jiǎn)化框圖。
[0031] 圖12展示用于在發(fā)射器與接收器之間進(jìn)行消息接發(fā)的發(fā)射電路的一部分的簡(jiǎn)化 示意圖。
[0032] 圖13A到圖13C展示在各種狀態(tài)下的接收電路的一部分的簡(jiǎn)化示意圖，以說(shuō)明接 收器與發(fā)射器之間的消息接發(fā)。
[0033] 圖14A到圖14C展示在各種狀態(tài)下的替代性接收電路的一部分的簡(jiǎn)化示意圖，以 說(shuō)明接收器與發(fā)射器之間的消息接發(fā)。
[0034] 圖15A到圖15C為說(shuō)明用于發(fā)射器與接收器之間的通信的消息接發(fā)協(xié)議的時(shí)序 圖。
[0035] 圖16A到圖16D為說(shuō)明用于在發(fā)射器與接收器之間發(fā)射電力的信標(biāo)電力模式的簡(jiǎn) 化框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 詞語(yǔ)"示范性"在本文中用以指"充當(dāng)實(shí)例、例子或說(shuō)明"。本文中描述為"示范性" 的任何實(shí)施例不必理解為比其它實(shí)施例優(yōu)選或有利。
[0037] 在下文結(jié)合附圖陳述的詳細(xì)描述意欲作為對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的描述且無(wú) 意表示可實(shí)踐本發(fā)明的僅有實(shí)施例。在整個(gè)此描述中所使用的術(shù)語(yǔ)"示范性"指"充當(dāng)實(shí)例、 例子或說(shuō)明"且應(yīng)沒(méi)有必要理解為比其它示范性實(shí)施例優(yōu)選或有利。所述詳細(xì)描述包括特 定細(xì)節(jié)以用于提供對(duì)本發(fā)明的示范性實(shí)施例的徹底理解的目的。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明 白，可在無(wú)這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在一些例子中，以框圖形式 來(lái)展示眾所周知的結(jié)構(gòu)和裝置以便避免使本文所呈現(xiàn)的示范性實(shí)施例的新穎性模糊不清。
[0038] 詞語(yǔ)"無(wú)線電力"在本文中用以指與在不使用物理電磁導(dǎo)體的情況下從發(fā)射器發(fā) 射到接收器的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)或其它相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量。
[0039] 圖1說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的各種示范性實(shí)施例的無(wú)線發(fā)射或充電系統(tǒng)100。將輸入電 力102提供到發(fā)射器104以供產(chǎn)生用于提供能量傳遞的輻射場(chǎng)106。接收器108耦合到輻 射場(chǎng)106且產(chǎn)生輸出電力110以供耦合到輸出電力110的裝置（未圖示）存儲(chǔ)或消耗。發(fā) 射器104與接收器108兩者相隔距離112。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，根據(jù)相互諧振關(guān)系來(lái)配 置發(fā)射器104和接收器108,且當(dāng)接收器108位于輻射場(chǎng)106的"近場(chǎng)"中時(shí)，在接收器108 的諧振頻率與發(fā)射器104的諧振頻率完全相同時(shí)，發(fā)射器104與接收器108之間的發(fā)射損 失是最小的。
[0040] 發(fā)射器104進(jìn)一步包括用于提供用于能量發(fā)射的裝置的發(fā)射天線114,且接收器 108進(jìn)一步包括用于提供用于能量接收的裝置的接收天線118。根據(jù)應(yīng)用和將與其相關(guān)聯(lián) 的裝置來(lái)設(shè)計(jì)發(fā)射天線和接收天線的大小。如所陳述，通過(guò)將發(fā)射天線的近場(chǎng)中的能量的 大部分耦合到接收天線而非以電磁波形式將大多數(shù)能量傳播到遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)進(jìn)行有效能量傳遞。 當(dāng)在此近場(chǎng)中時(shí)，可在發(fā)射天線114與接收天線118之間形成耦合模式。在天線114和118 周圍的可發(fā)生此近場(chǎng)耦合的區(qū)域在本文中被稱作耦合模式區(qū)。
[0041] 圖2展示無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖。發(fā)射器104包括振蕩器122、功率放大 器124以及濾波和匹配電路126。所述振蕩器經(jīng)配置以在所要頻率下產(chǎn)生，可響應(yīng)于調(diào)整信 號(hào)123來(lái)調(diào)整所述所要頻率。可由功率放大器124以響應(yīng)于控制信號(hào)125的放大量來(lái)放大 振蕩器信號(hào)。可包括濾波和匹配電路126以濾出諧波或其它不想要的頻率且將發(fā)射器104 的阻抗與發(fā)射天線114匹配。
[0042] 接收器可包括匹配電路132以及整流和切換電路以產(chǎn)生DC電力輸出，以對(duì)電池 136 (如圖2所示）充電或向耦合到接收器的裝置（未圖示）供電?？砂ㄆヅ潆娐?32以 將接收器108的阻抗與接收天線118匹配。
[0043] 如圖3中所說(shuō)明，示范性實(shí)施例中所使用的天線可經(jīng)配置為"環(huán)形"天線150,其 在本文中還可被稱作"磁性"天線。環(huán)形天線可經(jīng)配置以包括空氣芯或?qū)嶓w芯（例如，鐵氧 體芯）?？諝庑经h(huán)形天線可更能容忍放置于所述芯附近的外來(lái)實(shí)體裝置。此外，空氣芯環(huán) 形天線允許其它元件放置于芯區(qū)域內(nèi)。另外，空氣芯環(huán)形可更易于使得能夠?qū)⒔邮仗炀€ 118 (圖2)放置于發(fā)射天線114 (圖2)的平面內(nèi)，在所述平面內(nèi)，發(fā)射天線114 (圖2)的耦 合模式區(qū)可更強(qiáng)大。
[0044] 如所陳述，在發(fā)射器104與接收器108之間的諧振匹配或近似匹配期間，發(fā)生發(fā)射 器104與接收器108之間的有效能量傳遞。然而，即使當(dāng)發(fā)射器104與接收器108之間的 諧振不匹配時(shí)，還可在較低效率下傳遞能量。通過(guò)將來(lái)自發(fā)射天線的近場(chǎng)的能量耦合到駐 留于形成了此近場(chǎng)的鄰域中的接收天線而非將能量從發(fā)射天線傳播到自由空間中來(lái)進(jìn)行 能量傳遞。
[0045] 環(huán)形或磁性天線的諧振頻率是基于電感和電容。環(huán)形天線中的電感通常僅為由所 述環(huán)形產(chǎn)生的電感，而通常將電容添加到環(huán)形天線的電感以在所要諧振頻率下產(chǎn)生諧振結(jié) 構(gòu)。作為非限制性實(shí)例，可將電容器152和電容器154添加到所述天線以創(chuàng)建產(chǎn)生諧振信 號(hào)156的諧振電路。因此，對(duì)于較大直徑的環(huán)形天線來(lái)說(shuō)，誘發(fā)諧振所需的電容的大小隨著 環(huán)形的直徑或電感增加而減小。此外，隨著環(huán)形或磁性天線的直徑增加，近場(chǎng)的有效能量傳 遞區(qū)域增加。當(dāng)然，其它諧振電路為可能的。作為另一非限制性實(shí)例，電容器可并行地放置 于環(huán)形天線的兩個(gè)端子之間。另外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)于發(fā)射天線，諧振信 號(hào)156可為環(huán)形天線150的輸入。
[0046] 本發(fā)明的示范性實(shí)施例包括在處于彼此的近場(chǎng)中的兩個(gè)天線之間耦合電力。如所 陳述，近場(chǎng)為在天線周圍的存在磁場(chǎng)但不可傳播或輻射遠(yuǎn)離所述天線的區(qū)域。其通常限于 接近所述天線的物理體積的體積。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，磁性型天線（例如，單匝環(huán) 形天線和多匝環(huán)形天線）用于發(fā)射（Tx)和接收（Rx)天線系統(tǒng)兩者，因?yàn)榕c電型天線（例 如，小偶極）的電近場(chǎng)相比，磁性型天線的磁近場(chǎng)振幅趨于更高。此允許所述對(duì)天線之間的 潛在較高耦合。此外，還涵蓋"電"天線（例如，偶極和單極）或磁性天線與電天線的組合。
[0047] Tx天線可在足夠低的頻率下和在天線大小足夠大的情況下操作，