專利名稱：用于改善平面感應(yīng)充電平臺性能的輔助線圈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對電氣設(shè)備和電子設(shè)備進(jìn)行非接觸充電的裝置，并特 別涉及具有平面充電表面的這種裝置，該平面充電表面具有改善的充 電性能。10背景技術(shù)例如移動電話和個人數(shù)字助理(PDA)的便攜式電子設(shè)備通常使用 可充電電池。電源適配器(或AC-DC電源轉(zhuǎn)換器)通常用于對電子設(shè) 備中的電池進(jìn)行充電。由于便攜式電子產(chǎn)品的廣泛使用，如今很多人 都有各種各樣的電源適配器，這是因為沒有對不同類型的便攜式電子 15 設(shè)備進(jìn)行充電的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有技術(shù)近來，已經(jīng)提出了多種類型的平面感應(yīng)充電平臺。在GB2399225A 中介紹了一個例子，其由沿著充電表面2 "水平"流動的通量線產(chǎn)生 20 AC電磁通量1，如圖1A所示。在這種充電平臺中使用一種分布式線圈 來產(chǎn)生AC通量。該原理實(shí)際上類似于圓柱形馬達(dá)(cylindrical motor) 中產(chǎn)生的AC電磁通量，區(qū)別在于圓柱形結(jié)構(gòu)被壓縮成扁平薄餅形狀。 由于通量需要沿著上表面和下表面水平流動，所以存在兩個固有限制。 首先，電磁通量引導(dǎo)必須用于沿著底部表面引導(dǎo)通量。這通常是 25—層例如鐵酸鹽或非晶質(zhì)合金的軟磁材料。為了提供足夠的通量，該 層必須足夠"厚"以使通量能夠沿著軟磁材料層流動而沒有磁飽和。 第二，將類似情況施加于次級設(shè)備，其必須在充電平臺的上表面上接 收通量(和能量)。圖1B示出需要用于圖1A的充電平臺的裝置。這包含磁芯3和線 30圈。為了使線圈能感知AC通量，通量必須流入橫截面區(qū)域(圖1B中 陰影處)。因此，該橫截面區(qū)域必須足夠大以使次級裝置能夠接收足夠4的通量和能量。應(yīng)該注意到，該次級裝置必須被容納在要在充電平臺 上充電的電子設(shè)備中。次級裝置的厚度對于該裝置的適用性和實(shí)用性 是至關(guān)重要的。如果它太厚，顯然它不能被容納在電子設(shè)備中。在GB2389720A中介紹了另一種平面感應(yīng)電池充電平臺。不同于 5 GB2399225A， GB2389720A中介紹的充電平臺使用多層平面線圈陣列來 產(chǎn)生在整個充電表面5上大小幾乎相同的AC通量4。該充電平臺的通 量線"垂直"流入和流出充電表面，如圖2中所示。通量的這種垂直 流動是非常有益的，因為它使能量在(待充電的)電子設(shè)備放置于其 上的表面上轉(zhuǎn)移。io 對于上述兩種平面充電平臺，必須使用底部表面上的電磁防護(hù)罩6。如果將充電平臺放在金屬桌上，則充電平臺中產(chǎn)生的AC通量可以 在金屬桌中感生電流，導(dǎo)致不正確的能量轉(zhuǎn)移和甚至是金屬桌中的熱 效果。已經(jīng)示出了美國專利6， 501， 364是對于這種類型平面充電平臺 的一種有效的電磁防護(hù)罩。US6,501，364中的電磁防護(hù)罩簡單薄層的15 (例如鐵酸鹽的)軟磁材料和(例如銅的)薄層導(dǎo)電材料。關(guān)于從平面表面上的能量轉(zhuǎn)移，由Hui和Tang[EP935263A; Chung， H. ， 'Coreless printed-circuit board transformers for signal and energy transfer， ， Electronics Letters, Volume: 34 Issue: 11， 28 May 1998, Page(s): 1052-1054; Hui， S. Y. R. ; Henry Shu-Hung20Chung; Tang， S. C. ， ' Coreless printed circuit board (PCB) transformer for power M0SFET/IGBT gate drive circuit' ， IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 14 Issue: 3， May 1999， Page(s) : 422-430; Tang， S. C. ; hui， S. Y. R. ; Henry Shu-Hung Chung， 'Coreless printed circuit board (PCB) transformer with multiple25secondary windings for complementary gate drive circuits' ， IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 14Issue:3， May 1999， Page (s) : 431-437; Hui， S. Y. R. ; Tang， S. C. ; Henry Shu-Hung Chung， 'Optimal operation of coreless PCB transformer-isolated gate drive circuits with wide switching frequency range' , IEEE30Transactions on Power Electronics, Volume: 14 Issue: 3， May 1999， Page (s) : 506-514; Tang， S. C. ; Hui， S. Y. R. ; Henry Shu_Hung Chung，'Coreless plaimr printed-circuit-board (PCB) transformer-a fundamental concept for signal and energy transfer ， ， IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 15 Issue: 5, Sept. 2000， Page(s): 931-941]發(fā)明的一種無芯平面印刷電路板(PCB)變 5 壓器技術(shù)已經(jīng)被證明是一種有效途徑。基于圖3中所示的兩個平行平面上的平面線圈，已經(jīng)示出能量和 信號兩者都能從一個平面線圈轉(zhuǎn)移到另一平面線圈。這種平面PCB變 壓器技術(shù)已經(jīng)在某些應(yīng)用范圍內(nèi)應(yīng)用。在2004年，它被應(yīng)用于Choi B.， Nho J. ， Cha H. and Choi S. :，'Design and implementation ofio low—profile contactless battery charger using planar printed circuit board windings as energy transfer device ， ， IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 51， No. 1， Feb. 2004， pp. 140-147中的用于移動電話的非接觸電池充電器。Choi等使用一個 平面線圈作為初級充電板，而獨(dú)立的平面線圈作為次級線圈，如圖4A15 和4B所示。圖5示出這種非接觸充電系統(tǒng)的等效電路圖。象Choi等 所介紹的那樣，無芯PCB變壓器的電路工作是基于Hui等提出的理論。 應(yīng)該注意到初級電路是基于Hui等描述的諧振電路，而次級電路的前 功率級是具有為充電電路提供整流DC電壓的二極管整流器的標(biāo)準(zhǔn)線 圈。20 由Choi等提出的圖5的充電系統(tǒng)遇到的兩個主要問題(1)次級模塊的平面線圈必須直接放在初級單元的平面線圈的頂部。如果它稍 微放錯位置，則將嚴(yán)重妨礙能量轉(zhuǎn)移。(2)使用次級模塊中的一個螺 旋形平面線圈來接收由初級線圈發(fā)射的能量需要選擇的切換 (switching)頻率非常高。在Choi等中，工作頻率必須為950 kHz。 25 這么高的切換頻率導(dǎo)致初級變換器電路中較高的切換損失、PCB銅跡線 中較高的AC阻抗以及更重要的高電磁干擾(EMI)發(fā)射。通過基于多層平面線圈陣列結(jié)構(gòu)使用平面感應(yīng)充電平臺可以解決 問題(1)，其中多層平面線圈陣列結(jié)構(gòu)允許被充電的電子設(shè)備放在充 電表面上的任何位置，如GB2389720A中所述。不過需要多層充電平臺 30增加了充電平臺的復(fù)雜性，這是不希望的。可以用兩種方式構(gòu)建用垂直于平面表面流動的通量線(圖2)產(chǎn)生磁場的平面感應(yīng)電池充電平臺。第一種和最簡單的方式是用AC電源激勵線圈，如圖6A中所示。第二種方式是使用圖6B中所示的多層線圈 矩陣結(jié)構(gòu)，類似于GB2389720A中所描述的。不過，在這兩種情況下， 已被指出存在中心電壓下陷現(xiàn)象(Liu， X. : Chan， P. W. ; Hui， S. Y. R.;， 5 "Finite element simulation of a universal contactless battery charging platform，， ， IEEE Applied Power Electronics Conference 2005. APEC 2005. Volume 3， 6-10 March 2005 Page (s): 1927-1932)。 實(shí)際上，使用次級模塊(或能量接收單元)接收能量用于對負(fù)載充電。 圖7示出在一個實(shí)際的實(shí)驗性機(jī)構(gòu)中，由平面表面上的次級模塊接收 io 的整流DC電壓在平面表面上不是處處相同的，尤其在平面表面的中心 部分減小。這被稱為中心電壓下陷現(xiàn)象。這種電壓下陷隨著充電區(qū)域 表面面積的增加而增大。發(fā)明內(nèi)容15 根據(jù)本發(fā)明提供一種電池充電裝置，其包括包含待充電電子設(shè)備放置于其上的充電表面的感應(yīng)充電平臺，用于產(chǎn)生通常垂直于充電 表面的磁通量線的第一線圈，以及位于由第一線圈限定的區(qū)域內(nèi)、用 于產(chǎn)生通常垂直于充電表面的輔助磁通量的第二線圈。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第二線圈位于使第二線圈產(chǎn)生的通量 20 能補(bǔ)償?shù)谝痪€圈產(chǎn)生的通量中減少的位置處。在很多情況下，這將意 味著第二線圈關(guān)于第一線圈同心定位，雖然根據(jù)第一線圈的形狀和所 導(dǎo)致的通量圖其它位置也可能是必要的。第一和第二線圈可以是優(yōu)選位于同一平面上的平面線圈，或可以是位于平行平面上的平面線圈。 25 可以將第一和第二線圈形成為導(dǎo)電線圈，或可以形成為一個或多個印刷電路板上的導(dǎo)電跡線?？梢詫⒌谝缓偷诙€圈串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起，還可以用相同相 位和相同極性進(jìn)行驅(qū)動或可以被獨(dú)立驅(qū)動。第一線圈優(yōu)選可以關(guān)于充電表面的外圍延伸，而第二線圈可以位 30 于充電表面的中心處。優(yōu)選第二線圈是螺旋形線圈。第一線圈和第二 線圈通?？梢允蔷匦位驁A形。在單個第二線圈不足以補(bǔ)償電壓下陷的情況下，將第三線圈設(shè)置 在位于由所述第一線圈限定的所述區(qū)域內(nèi)。


5 現(xiàn)在將通過例子并參考附圖對本發(fā)明的一些實(shí)施例進(jìn)行介紹，其中圖1A和IB分別示出現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)電池充電平臺和其中使用的 相應(yīng)的次級能量接收單元，圖2示出另一種形式的現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)電池充電平臺，io 圖3示出典型的現(xiàn)有技術(shù)的平面線圈，其可以應(yīng)用于例如印刷電路板的相反側(cè)，圖4A和4B分別示出兩個平行平面上的平面線圈以及它們在現(xiàn)有 技術(shù)電池充電平臺中的使用，圖5示出圖4B的系統(tǒng)的等效電路， 15 圖6A和6B分別示出用垂直流入和流出線圈平面的通量線產(chǎn)生磁場的單個線圈和用于產(chǎn)生垂直通量線的多層結(jié)構(gòu)，圖7示出放在現(xiàn)有技術(shù)平面感應(yīng)充電平臺的表面上的次級模塊中 感生的電壓，圖8A和8B分別示出(a)平面充電平臺的示意圖和(b)根據(jù)本 20發(fā)明實(shí)施例的平面充電平臺的示意圖，圖9示出由圖8B實(shí)施例的主線圈和輔助線圈產(chǎn)生的磁通量導(dǎo)致的 感生電壓，以及圖10示出由圖8 (b)實(shí)施例的平面充電平臺的能量接收單元接收 的測量電壓。2具體實(shí)施方式
為了補(bǔ)償平面感應(yīng)電池充電平臺的中心區(qū)域中的電壓下陷現(xiàn)象， 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以將第二輔助線圈放在充電表面的中心區(qū)域 中，以便在該區(qū)域中增加電磁通量來補(bǔ)償電壓下陷現(xiàn)象。30 圖8A示出基于圍繞充電表面的單個平面初級線圈7的平面感應(yīng)充電平臺的示意圖。在本文中術(shù)語"初級"與變壓器是同一個意思，而能量接收單元將包括"次級"。圖8B示出帶有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的第二輔助線圈的平面感應(yīng)充電平臺的示意圖。如圖8B所示，本發(fā)明的該 實(shí)施例包括如圖8A中所示圍繞充電表面的第一初級平面線圈7，但還 包括位于由第一和主初級線圈限定的區(qū)域內(nèi)的第二螺旋形初級平面線 5 圈8。優(yōu)選地，第二輔助線圈通常位于與主線圈同心的位置上，從而使 輔助線圈的螺旋中心位于主初級線圈的中心，這里電壓下陷處于其最4>ii上山極乂而。圖9示出由兩個受激線圈(主初級線圈和輔助線圈)導(dǎo)致的由次 級模塊接收的相應(yīng)感生電壓。由中心區(qū)域內(nèi)的輔助線圈產(chǎn)生的磁通量 io 導(dǎo)致的附加電壓(曲線Y)補(bǔ)償平面充電平臺中的中心電壓下陷現(xiàn)象。 圖10示出具有以與第一初級線圈相同的方式激勵的這種輔助線圈的充 電平臺的實(shí)際例子?？梢钥闯鲭妷合孪荼淮蟠鬁p小。該示例性結(jié)果肯 定了由輔助線圈導(dǎo)致的充電平臺充電能力的改善。應(yīng)理解，由第一初級線圈產(chǎn)生的通量大于由輔助第二線圈產(chǎn)生的 15 通量。第二線圈的目的是補(bǔ)償電壓下陷現(xiàn)象，因此不用太費(fèi)勁就可驅(qū) 動第二線圈使它產(chǎn)生足夠的通量來提供這種補(bǔ)償并在第二線圈的位置 處產(chǎn)生電壓峰值。應(yīng)理解，圖8B中示出的實(shí)施例的多種變化都是可能的。例如主線 圈和輔助初級線圈可以形成為導(dǎo)電線圈或可以形成為印刷電路板 20 (PCB)上的導(dǎo)電跡線。主線圈和輔助線圈優(yōu)選可以形成在相同平面上 (例如如果它們形成在同一個PCB上)，或可以形成在平行但稍微分隔 開的平面上。此外，當(dāng)圖8A和8B中所示的線圈為矩形形狀時，這不 是必須的，線圈可以采用例如圓形線圈的其他形狀。輔助線圈應(yīng)該位于或接近于充電表面上發(fā)生電壓下陷的部分。通 25常這可能在平臺的中心處，但要取決于主線圈的設(shè)計，如果下陷發(fā)生 在別處則輔助線圈應(yīng)相應(yīng)地定位。通常一個輔助線圈可能足以補(bǔ)償電 壓下陷，但如果不能，例如如果充電表面特別大，則可以使用兩個或 更多個輔助線圈。主線圈和輔助線圈可以并聯(lián)或串聯(lián)地連接在一起并可以用相位和 30相同極性驅(qū)動?？蛇x地，輔助線圈可以獨(dú)立于主線圈被驅(qū)動，以使輔 助線圈產(chǎn)生的通量能夠被控制成足以補(bǔ)償電壓下陷而不產(chǎn)生任何不希望的通量峰值，這是因為希望充電平臺的表面上產(chǎn)生的通量應(yīng)該盡可 能相同。應(yīng)理解，在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明特別適于使用平面線圈，這里 橫向尺寸(即矩形線圈的寬度和長度或圓形線圈的圓周)基本上大于 線圈的厚度或高度，無論它是例如PCB上導(dǎo)電跡線的非常薄的線圈、 還是由導(dǎo)線線圈形成的有些厚的線圈。這種線圈通常被認(rèn)為位于一個 平面內(nèi)，即便是它們?nèi)跃哂邢薅ê穸?，即使該厚度較小也是如此。不 過本發(fā)明還可以應(yīng)用于一些實(shí)施例中，其中線圈的厚度或高度變得更 顯著且平面條件也不容易應(yīng)用。
權(quán)利要求
1、一種電池充電裝置，包括包含待充電電子設(shè)備放置于其上的充電表面的感應(yīng)充電平臺，用于產(chǎn)生通常垂直于所述充電表面的磁通量線的第一線圈，以及位于由所述第一線圈限定的區(qū)域內(nèi)、用于產(chǎn)生通常垂直于所述充電表面的輔助磁通量的第二線圈。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二線圈被定位成使得 由所述第二線圈產(chǎn)生的通量補(bǔ)償由所述第一線圈產(chǎn)生的通量的減少。10
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述第二線圈關(guān)于所述第一 線圈被同心定位。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一項所述的裝置，其中所述第一和第 15 二線圈是平面線圈。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第一和第二平面線圈位 于相同平面內(nèi)。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第一和第二平面線圈位于平行的平面內(nèi)。
7、 根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一和第二線 圈形成為導(dǎo)電線圈。25
8、 根據(jù)權(quán)利要求1至6的任一項所述的裝置，其中所述第一和第 二線圈形成為印刷電路板上的導(dǎo)電跡線。
9、 根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一和第二線 30圈以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接在一起。
10、 根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一和第二 線圈以相同相位和相同極性驅(qū)動。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1至9的任一項所述的裝置，其中所述第一和 5 第二線圈被獨(dú)立驅(qū)動。
12、 根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一線圈關(guān) 于所述充電表面的外圍延伸，并且其中所述第二線圈位于所述充電表 面的中心。
13、 根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第二線圈是 螺旋形線圈。
14、 根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第一線圈和 15 所述第二線圈通常是矩形。
15、 根據(jù)權(quán)利要求1至13的任一項所述的裝置，其中所述第一線 圈和所述第二線圈通常是圓形。
16、根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中所述第三線圈被設(shè)置在位于由所述第一線圈限定的所述區(qū)域內(nèi)。
17、根據(jù)上述任一項權(quán)利要求所述的裝置，其中由所述第一線圈 產(chǎn)生的通量大小大于由所述第二線圈產(chǎn)生的通量大小。
全文摘要
一種電池充電裝置包括包括待充電電子設(shè)備放置于其上的充電表面的感應(yīng)充電平臺，和用于產(chǎn)生通常垂直于所述充電表面的磁通量線的第一線圈。為了補(bǔ)償由第一線圈產(chǎn)生通量的減少導(dǎo)致的電壓下陷，使第二線圈位于由第一線圈限定的區(qū)域內(nèi)，用于產(chǎn)生通常垂直于充電表面的輔助磁通量。
文檔編號H01F38/14GK101243593SQ200680030162
公開日2008年8月13日 申請日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月19日
發(fā)明者S-Y·R·輝, X·劉 申請人:香港城市大學(xué)