用于包含寄生諧振儲能電路的電子裝置的無線功率發(fā)射的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于包含寄生諧振儲能電路的電子裝置的無線功率發(fā)射。示范性實(shí)施例是針對無線功率傳送。無線功率接收器包含接收天線，其用于與產(chǎn)生近磁場的發(fā)射器的發(fā)射天線耦合。所述接收天線從所述近磁場接收無線功率，且包含諧振儲能電路和以無線方式耦合到所述諧振儲能電路的寄生諧振儲能電路。無線功率發(fā)射器包含發(fā)射天線，其用于與接收器的接收天線耦合。所述發(fā)射天線產(chǎn)生用于無線功率發(fā)射的近磁場，且包含諧振儲能電路和耦合到所述諧振儲能電路的寄生諧振儲能電路。
【專利說明】
用于包含寄生諧振儲能電路的電子裝置的無線功率發(fā)射
[0001 ] 分案申請的相關(guān)信息
[0002] 本案是分案申請。該分案的母案是申請日為2009年7月28日、申請?zhí)枮?200980129768.6、發(fā)明名稱為"用于包含寄生諧振儲能電路的電子裝置的無線功率發(fā)射"的 發(fā)明專利申請案。
[0003] 依據(jù)35 U.S.C.§119主張優(yōu)先權(quán)
[0004] 本申請案依據(jù)35 U.S.C.§119(e)主張以下申請案的優(yōu)先權(quán):2008年7月28日申請 的題目為"無線供電和充電（WIRELESS POWERING&CHARGING)"的第61/084,246號美國臨時(shí) 專利申請案，所述專利申請案的揭示內(nèi)容全文以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本申請所揭示的實(shí)施例涉及電子裝置的無線功率發(fā)射，更特定而言涉及用于包含 寄生諧振儲能電路的電子裝置的無線功率發(fā)射。
【背景技術(shù)】
[0006] 通常，例如無線電子裝置等每一電池供電裝置需要其自身的充電器和電源，所述 電源通常為交流電(AC)功率出口。此有線配置在許多裝置需要充電時(shí)變得不便利。
[0007] 正開發(fā)使用耦合到待充電的電子裝置的發(fā)射器與接收器之間的空中或無線功率 發(fā)射的方法。此類方法一般分為兩個(gè)類別。一類是基于待充電裝置上的發(fā)射天線與接收天 線之間的平面波輻射(也稱為遠(yuǎn)場輻射)的耦合。接收天線收集所輻射功率并對其整流以用 于為電池充電。天線一般具有諧振長度，以便改進(jìn)輻射或接收效率。此方法受到以下事實(shí)影 響：功率耦合隨天線之間的距離增加而快速下降。因此合理距離(例如，〇. 5到2米范圍內(nèi)）上 的充電變得低效。另外，由于發(fā)射系統(tǒng)輻射平面波，所以無意的輻射如果未經(jīng)由濾波適當(dāng)控 制則可能干擾其它系統(tǒng)。
[0008] 無線能量發(fā)射的其它方法是基于例如內(nèi)嵌在"充電底板"或表面中的發(fā)射天線與 內(nèi)嵌在待充電的主機(jī)電子裝置中的接收天線(和整流電路)之間的電感性耦合。此方法具有 發(fā)射天線與接收天線之間的間隔必須非?？拷?例如，在幾厘米內(nèi)）的缺點(diǎn)。盡管此方法的 確具有在同一區(qū)域中同時(shí)對多個(gè)裝置充電的能力，但此區(qū)域通常非常小且要求用戶正確地 將裝置定位到特定區(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 的無線充電布置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的一實(shí)施例涉及一種設(shè)備，該設(shè)備包括:無線功率接收器，其包括天線電 路，其包括串聯(lián)諧振儲能電路，所述串聯(lián)諧振儲能電路經(jīng)配置以基于經(jīng)由近磁場所接收的 功率而產(chǎn)生交流電(AC);功率轉(zhuǎn)換電路，其耦合至所述天線電路，并經(jīng)配置以至少部分地基 于所述交流電(AC)而輸出直流電(DC)從而對電池進(jìn)行充電，所述功率轉(zhuǎn)換電路包含切換元 件；以及控制電路，其經(jīng)配置以改變用以驅(qū)動(dòng)所述切換元件的波形以控制所述功率轉(zhuǎn)換電 路的阻抗，所述阻抗在所述功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處呈現(xiàn)給所述天線電路。
[0010] 本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種設(shè)備，該設(shè)備包括:無線功率接收器，其包括天線電 路，其包括并聯(lián)諧振儲能電路，所述并聯(lián)諧振儲能電路經(jīng)配置以基于經(jīng)由近磁場所接收的 功率而產(chǎn)生交流電(AC);功率轉(zhuǎn)換電路，其耦合至所述天線電路，并經(jīng)配置以至少部分地基 于所述交流電(AC)而輸出直流電(DC)從而對電池進(jìn)行充電，所述功率轉(zhuǎn)換電路包含切換元 件；以及控制電路，其經(jīng)配置以改變用以驅(qū)動(dòng)所述切換元件的波形以控制所述功率轉(zhuǎn)換電 路的阻抗，所述阻抗在所述功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處呈現(xiàn)給所述天線電路。
[0011] 本發(fā)明的另一實(shí)施例涉及一種用于接收無線功率的方法，該方法包括:基于經(jīng)由 近磁場所接收的功率由諧振儲能天線電路產(chǎn)生交流電（AC);至少部分地基于所述交流電 (AC)由包含切換元件的功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生直流電(DC)從而對電池進(jìn)行充電；以及由控制電 路來改變用以驅(qū)動(dòng)所述切換元件的波形以控制所述功率轉(zhuǎn)換電路的阻抗，所述阻抗在所述 功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處呈現(xiàn)給所述天線電路。
[0012] 本發(fā)明的又一實(shí)施例涉及一種無線功率接收器，該接收器包括：用于基于經(jīng)由近 磁場所接收的功率產(chǎn)生交流電(AC)的裝置;用于至少部分地基于所述交流電(AC)產(chǎn)生直流 電(DC)從而對電池進(jìn)行充電的裝置；以及用于改變用以控制用于產(chǎn)生所述直流電（DC)的所 述裝置的波形以控制用于產(chǎn)生直流電(DC)的所述裝置的輸入處的阻抗的裝置。
【附圖說明】
[0013] 圖1說明無線功率發(fā)射系統(tǒng)的簡化框圖。
[0014] 圖2說明無線功率發(fā)射系統(tǒng)的簡化示意圖。
[0015] 圖3說明根據(jù)示范性實(shí)施例的環(huán)形天線的示意圖。
[0016] 圖4A-4C說明根據(jù)示范性實(shí)施例的包含發(fā)射器和接收器的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的物 理實(shí)施方案。
[0017] 圖5A-5B說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射器、能量中繼器和接收器的物理實(shí)施方案。 [0018]圖6說明根據(jù)示范性實(shí)施例的經(jīng)配置以接收以無線方式發(fā)射的功率并發(fā)射無線功 率的裝置。
[0019] 圖7說明有線功率發(fā)射系統(tǒng)。
[0020] 圖8說明根據(jù)各種示范性實(shí)施例的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的功能框圖。
[0021] 圖9說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第一耦合變型的電路 圖。
[0022] 圖10說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第二耦合變型的電路 圖。
[0023] 圖11說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第三耦合變型的電路 圖。
[0024] 圖12說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第四耦合變型的電路 圖。
[0025] 圖13說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第五耦合變型的電路 圖。
[0026] 圖14說明根據(jù)示范性實(shí)施例的低頻/高頻(LF-HF)發(fā)射器。
[0027]圖15A-15C說明根據(jù)示范性實(shí)施例的多級發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的各種配置。
[0028]圖16A-16D說明根據(jù)示范性實(shí)施例的單級發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的各種配置。
[0029] 圖17說明根據(jù)示范性實(shí)施例的LF-HF接收器。
[0030] 圖18A-18H說明根據(jù)各種示范性實(shí)施例的接收功率轉(zhuǎn)換單元的各種配置。
[0031] 圖19說明根據(jù)示范性實(shí)施例的用于接收無線功率的方法的流程圖。
[0032] 圖20說明根據(jù)示范性實(shí)施例的用于發(fā)射無線功率的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 詞語"示范性的"在本文中意味著"充當(dāng)實(shí)例、例子或說明"。本文中被描述為"示范 性的"任何實(shí)施例不必須被理解為比其它實(shí)施例優(yōu)選或有利。
[0034] 希望下文結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述作為對本發(fā)明的示范性實(shí)施例的描述，且并不 希望表示可實(shí)踐本發(fā)明的僅有實(shí)施例。貫穿此描述所使用的術(shù)語"示范性"意味著"充當(dāng)實(shí) 例、例子或說明"，且應(yīng)不必將其解釋為比其它示范性實(shí)施例優(yōu)選或有利。出于提供對本發(fā) 明的示范性實(shí)施例的透徹理解的目的，詳細(xì)描述包括特定細(xì)節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將顯 而易見，可在無這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐本發(fā)明的示范性實(shí)施例。在一些情況下，以框圖 形式展示眾所周知的結(jié)構(gòu)及裝置，以避免使本文中所呈現(xiàn)的示范性實(shí)施例的新穎性模糊不 清。
[0035] 本文使用詞語"無線功率"來表示在不使用物理電磁導(dǎo)體的情況下發(fā)射器到接收 器之間發(fā)射的與電場、磁場、電磁場或其它相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量。本文中描述系統(tǒng)中的 功率轉(zhuǎn)換以用無線方式對包含(例如)移動(dòng)電話、無繩電話、iP〇d、MP3播放器、手持機(jī)等的裝 置進(jìn)行充電。一般來說，無線能量傳送的一個(gè)基本原理包含使用例如30MHz以下的頻率的磁 性耦合諧振（即，諧振感應(yīng)）。然而，可采用各種頻率，包含準(zhǔn)許相對高輻射等級下的免許可 (1 icense-exempt)操作的頻率，例如135kHz (LF)以下或13.56MHz (HF)。在通常由射頻識別 (RFID)系統(tǒng)使用的這些頻率下，系統(tǒng)必須遵守例如歐洲EN 300330或美國FCC第15部分規(guī)范 等干擾和安全性標(biāo)準(zhǔn)。借助說明而非限制，本文使用縮寫詞LF和HF，其中"LF"指代f〇 = 135kHz 且 "ΗΓ 指代 f〇 = 13 · 56MHz。
[0036] 圖1說明根據(jù)各種示范性實(shí)施例的無線功率發(fā)射系統(tǒng)100。將輸入功率102提供到 用于產(chǎn)生用于提供能量傳送的磁場106的發(fā)射器104。接收器108耦合到磁場106并產(chǎn)生輸出 功率110供耦合到輸出功率110的裝置(未圖示)存儲或消耗。發(fā)射器104與接收器108兩者分 開距離112。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，發(fā)射器104和接收器108根據(jù)相互諧振關(guān)系而配置，且 當(dāng)接收器108的諧振頻率與發(fā)射器104的諧振頻率匹配時(shí)，當(dāng)接收器108位于磁場106的"近 場"中時(shí)發(fā)射器104與接收器108之間的發(fā)射損失最小。
[0037]發(fā)射器104進(jìn)一步包含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)一步包含用于提供用于能量接收的裝置的接收天線118。發(fā)射天線和接收天線是根據(jù) 待與之相關(guān)聯(lián)的應(yīng)用和裝置來定大小。如所陳述，通過將發(fā)射天線的近場中的能量的大部 分耦合到接收天線而不是將大部分能量在電磁波中傳播到遠(yuǎn)場而發(fā)生有效能量傳送。在此 近場中，可在發(fā)射天線114與接收天線118之間建立耦合。天線114和118周圍的可能發(fā)生此 近場耦合的區(qū)域在本文中稱為耦合模式區(qū)。
[0038]圖2展示無線功率發(fā)射系統(tǒng)的簡化示意圖。由輸入功率102驅(qū)動(dòng)的發(fā)射器104包含 振蕩器122、功率放大器124和濾波器及匹配電路126。振蕩器經(jīng)配置以產(chǎn)生所需頻率，可響 應(yīng)于調(diào)節(jié)信號123來調(diào)節(jié)所述所需頻率。振蕩器信號可由功率放大器124放大，其中放大量 響應(yīng)于控制信號125?？砂瑸V波器及匹配電路126以濾除諧波或其它不想要的頻率，且使 發(fā)射器104的阻抗與發(fā)射天線114匹配。
[0039] 接收器108可包含匹配電路132和整流器及切換電路134以產(chǎn)生DC功率輸出來對如 圖2所示的電池136充電或?qū)︸詈系浇邮掌鞯难b置(未圖示)供電?？砂ヅ潆娐?32以使 接收器108的阻抗與接收天線118匹配。
[0040] 如圖3中說明，示范性實(shí)施例中使用的天線可配置為"環(huán)形"天線150，其在本文中 也可稱為"磁性"或"諧振"天線。環(huán)形天線可經(jīng)配置以包含空氣磁心或例如鐵氧體磁心等物 理磁心。此外，空氣磁心環(huán)形天線允許將其它組件放置在磁心區(qū)域內(nèi)。另外，空氣磁心環(huán)形 可容易實(shí)現(xiàn)將接收天線118(圖2)放置在其中發(fā)射天線114(圖2)的耦合模式區(qū)可更有效的 發(fā)射天線114(圖2)平面內(nèi)。
[0041] 如所陳述，發(fā)射器104與接收器108之間的能量的有效傳送在發(fā)射器104與接收器 108之間的匹配或近乎匹配的諧振期間發(fā)生。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)，也可在較低效率下傳送能量。通過將來自發(fā)射天線的近場的能量耦合到駐存 在建立此近場的鄰近處的接收天線而不是將來自發(fā)射天線的能量傳播到自由空間中而發(fā) 生能量的傳送。
[0042] 環(huán)形天線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為環(huán) 形所創(chuàng)建的電感，而電容通常添加到環(huán)形天線的電感以在所需諧振頻率下創(chuàng)建諧振結(jié)構(gòu)。 作為一非限制性實(shí)例，電容器152和電容器154可添加到天線以創(chuàng)建產(chǎn)生正弦或準(zhǔn)正弦信號 156的諧振電路。因此，對于較大直徑環(huán)形天線，引發(fā)諧振所需的電容大小隨環(huán)形的直徑或 電感增加而減小。此外，隨著環(huán)形天線或磁性天線的直徑增加，近場的有效能量傳送區(qū)域針 對"接近"耦合裝置增加。當(dāng)然，其它諧振電路是可能的。作為另一非限制性實(shí)例，電容器可 并聯(lián)放置在環(huán)形天線的兩個(gè)端子之間。另外，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認(rèn)識到，對于發(fā)射 天線，諧振信號156可輸入到環(huán)形天線150。
[0043] 本發(fā)明的示范性實(shí)施例包含處于彼此的近場中的兩個(gè)天線之間的耦合功率。如所 陳述，近場是天線周圍存在電磁場但電磁場不能從天線傳播或輻射出去的區(qū)域。其通常限 于接近天線的物理體積的體積。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，例如單匝和多匝環(huán)形天線等 磁性類型天線用于發(fā)射(Tx)和接收(Rx)天線系統(tǒng)兩者，因?yàn)樘炀€周圍的可能環(huán)境的大部分 是介電的，且因此與電場相比對磁場具有較少影響。此外，還預(yù)期"電"天線(例如，偶極和單 極)或磁性天線與電天線的組合。
[0044] Tx天線可在足夠低的頻率下操作，且具有足夠大以實(shí)現(xiàn)在比早先提及的遠(yuǎn)場和感 應(yīng)方法所允許的距離顯著更大的距離處到小Rx天線的良好耦合效率(例如，>10%)的天線 大小。如果Tx天線正確地定大小，那么可在主機(jī)裝置上的Rx天線放置在被驅(qū)動(dòng)的Tx環(huán)形天 線的耦合模式區(qū)（即，在近場中）內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)高耦合效率(例如，30% )。
[0045] 本文揭示的各種示范性實(shí)施例指明了基于不同功率轉(zhuǎn)換方法的不同耦合變型，以 及包含裝置定位靈活性的發(fā)射范圍（例如，用于在幾乎零距離處的充電墊解決方案的接近 "近程"耦合，或用于短程無線功率解決方案的"接近"耦合）。接近近程耦合應(yīng)用（強(qiáng)耦合體 系，耦合因數(shù)通常為k>0.1)依據(jù)天線大小而提供通常大約數(shù)毫米或數(shù)厘米的短或極短距離 上的能量傳送。接近耦合應(yīng)用(松散耦合體系，耦合因數(shù)通常為k〈0.1)依據(jù)天線大小而提供 通常1 Ocm到2m范圍內(nèi)的距離上的相對低效率的能量傳送。
[0046]如本文所描述，可將"近程"耦合和"接近"耦合視為使功率源/功率耗散器與天線/ 耦合網(wǎng)絡(luò)匹配的不同方法。此外，各種示范性實(shí)施例提供針對LF和HF應(yīng)用兩者以及針對發(fā) 射器和接收器的系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)計(jì)目標(biāo)、實(shí)施方案變型和規(guī)范。這些參數(shù)和規(guī)范中的一些可例 如視需要變化以較好地與特定功率轉(zhuǎn)換方法匹配。系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)可包含各種優(yōu)先權(quán)和折 衷。特定來說，發(fā)射器和接收器子系統(tǒng)考慮因素可包含電路的高發(fā)射效率、低復(fù)雜性，從而 產(chǎn)生低成本實(shí)施方案。
[0047]圖4A-4C說明根據(jù)示范性實(shí)施例的包含發(fā)射器和接收器的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的物 理實(shí)施方案。在圖4A的一個(gè)示范性實(shí)施例中，發(fā)射器可配置在包含發(fā)射天線202的單裝置充 電墊(SDCP)200內(nèi)。SDCP 200也可為可縮放的且擴(kuò)展為包含發(fā)射天線206和發(fā)射天線208(圖 4A中說明）的多裝置充電墊204以包含多個(gè)SDCP。圖4B說明包含與一裝置(例如，手機(jī)、PDA、 MP3播放器等)耦合的發(fā)射天線（未圖示）的SDCP 200,所述裝置包含用于在裝置210處接收 以無線方式傳送的功率的接收天線(未圖示）。圖4B還說明包含分別用于對裝置212和裝置 214充電的第一發(fā)射天線（未圖示)和第二發(fā)射天線(未圖示）的多裝置充電墊204。類似地， 圖4C說明包含與另一形狀因數(shù)的微裝置216(例如，無線手持機(jī)等)耦合的發(fā)射天線（未圖 示）的SDCP 200,所述裝置216包含用于在裝置216處接收以無線方式傳送的功率的接收天 線(未圖示）。圖4C還說明包含分別用于對裝置218和裝置220充電的第一發(fā)射天線(未圖示） 和第二發(fā)射天線(未圖示)的多裝置充電墊204。
[0048] SDCP可以各種方式配置且具有各種能力，借助實(shí)例而非限制，SDCP可針對用于需 要大約4瓦的充電功率的中等大小裝置的高效充電而配置?；蛘?，SDCP可針對用于需要1瓦 以下的充電功率的例如手持機(jī)、MP3播放器等小形狀因數(shù)的極低功率裝置的中等效率充電 而配置。
[0049] 圖5A-5B說明根據(jù)示范性實(shí)施例的包含發(fā)射器、能量中繼器和接收器的無線功率 發(fā)射系統(tǒng)的物理實(shí)施方案。無線功率傳送可使用寄生諧振天線(也稱為"能量中繼器"線圈/ 天線/環(huán)形或"轉(zhuǎn)發(fā)器"線圈/天線/環(huán)形)來擴(kuò)展。雖然發(fā)射器與接收器之間的"接近"耦合不 可提供高效能量傳送，但"接近"耦合提供相對于發(fā)射器天線定位接收器(裝置附接到所述 接收器)的靈活性。
[0050] 圖5A說明根據(jù)示范性實(shí)施例的包含中間能量中繼器的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的配置。 無線功率發(fā)射系統(tǒng)250包含說明為SDCP的發(fā)射器252。發(fā)射器252進(jìn)一步包含發(fā)射天線254， 且發(fā)射器252接收輸入功率256。
[0051]無線功率發(fā)射系統(tǒng)250進(jìn)一步包含耦合到相應(yīng)裝置或集成在相應(yīng)裝置內(nèi)的一個(gè)或 一個(gè)以上接收器260,且所述接收器260位于距發(fā)射器252-距離處。無線功率發(fā)射系統(tǒng)250 進(jìn)一步包含包括中繼天線272的能量中繼器270。如圖5A中說明，能量中繼器270作為發(fā)射器 252與接收器260之間的中間能量中繼器而操作，發(fā)射器與接收器之間的耦合可稱為"接近" 耦合。
[0052]在操作中，發(fā)射器252充當(dāng)能量中繼器270的"激勵(lì)器"，其導(dǎo)致中繼天線272周圍的 近磁場的產(chǎn)生。能量中繼器270的近磁場接著耦合到接收器260的接收天線262。因此，中間 能量中繼器270促進(jìn)發(fā)射天線254處展現(xiàn)的能量的傳送得以有效地在接收天線262處接收。 借助實(shí)例，能量中繼器270的典型Q值可大約為300到800之間的Q值。
[0053]圖5B說明根據(jù)示范性實(shí)施例的包含環(huán)繞能量中繼器的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的配置。 無線功率發(fā)射系統(tǒng)280包含說明為SDCP的發(fā)射器282。發(fā)射器282進(jìn)一步包含發(fā)射天線284， 且發(fā)射器282接收輸入功率286。
[0054]無線功率發(fā)射系統(tǒng)280進(jìn)一步包含耦合到相應(yīng)裝置或集成在相應(yīng)裝置內(nèi)的一個(gè)或 一個(gè)以上接收器290,且所述接收器290位于距發(fā)射器282-距離處。無線功率發(fā)射系統(tǒng)280 進(jìn)一步包含包括中繼天線302的能量中繼器300。如圖5B中說明，能量中繼器300作為發(fā)射器 282與接收器290之間的中間能量中繼器操作，發(fā)射器與接收器之間的耦合也可稱為"接近" 耦合。
[0055]在操作中，發(fā)射器282充當(dāng)能量中繼器300的"激勵(lì)器"，其產(chǎn)生中繼天線302周圍的 近磁場。能量中繼器300的近磁場接著耦合到接收器290的接收天線292。因此，中間能量中 繼器300促進(jìn)發(fā)射天線284處展現(xiàn)的能量的傳送得以有效地在接收天線292處接收。借助實(shí) 例，能量中繼器300的典型Q值可大約為300到800之間的Q值。
[0056]圖6說明根據(jù)示范性實(shí)施例的經(jīng)配置以接收以無線方式發(fā)射的功率并發(fā)射無線功 率的裝置。裝置400包含上文相對于圖2描述的發(fā)射器104和接收器108。針對其中接收器可 經(jīng)再配置以作為到又一接收器的發(fā)射器而操作的示范性實(shí)施例，裝置400進(jìn)一步包含可根 據(jù)發(fā)射器104與接收器108之間的開關(guān)418而切換的發(fā)射/接收天線416。此外，裝置400進(jìn)一 步包含電池136,其可根據(jù)開關(guān)420而可切換地耦合以從接收器108接收電荷或?qū)⑤斎牍β?102提供到發(fā)射器104。
[0057]在作為接收器的操作中，裝置400可經(jīng)配置以從單獨(dú)的發(fā)射器(未圖示)接收以無 線方式發(fā)射的功率，并在作為接收器的裝置操作期間將以無線方式接收的功率存儲在電池 136中。在作為發(fā)射器的操作中，裝置400可經(jīng)配置以使用存儲在電池136中的能量作為輸入 功率102而產(chǎn)生近磁場。
[0058]圖7說明有線功率發(fā)射系統(tǒng)。有線功率發(fā)射系統(tǒng)500包含在AC頻率fAC下操作的AC輸 入功率IAG、VAG。輸入功率輸入到在切換頻率fsw下操作的AC/DC轉(zhuǎn)換器502中。DC軟線504將DC 功率V DGL、IDa運(yùn)載到裝置506,而開關(guān)508選擇性地將輸入功率運(yùn)載到電池510。
[0059] 可計(jì)算發(fā)射效率，其中AC輸入功率PACin定義為，
[0060]
1AC 0 · J +AC' >
[00611且裝置輸入充電端子處的DC輸入功率P'Da定義為，
[0062]
X 5W 0 · 人"
[0063]而電池端子處的DC輸入功率PDa定義為，
[0064]
[0065] 因此，如裝置端子處定義的效率定義為，
[0066]
[0067] 且總體(端對端)效率定義為，
[0068]
[0069] 而典型的所測量效率約為60%_70%。
[0070]圖8說明根據(jù)各種示范性實(shí)施例的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的功能框圖。圖8中識別各種 端口，包含輸入端口602和輸出端口610,用于在說明耦合變型的后續(xù)圖中進(jìn)行比較。無線功 率發(fā)射系統(tǒng)600包含發(fā)射器604和接收器608。輸入功率P TXin提供到發(fā)射器604以用于產(chǎn)生主 要非福射場606(具有親合k)，以便提供能量傳送。接收器608親合到非福射場606且產(chǎn)生輸 出功率P RXQUt供耦合到輸出端口 610的電池或負(fù)載636存儲或消耗。發(fā)射器604與接收器608兩 者分開一距離。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，發(fā)射器604和接收器608根據(jù)相互諧振關(guān)系而配置， 且當(dāng)接收器608的諧振頻率fo與發(fā)射器604的諧振頻率匹配時(shí)，當(dāng)接收器608位于輻射場606 的"近場"中時(shí)發(fā)射器604與接收器608之間的發(fā)射損失最小。
[0071]發(fā)射器604進(jìn)一步包含用于提供用于能量發(fā)射的裝置的發(fā)射天線614,且接收器 608進(jìn)一步包含用于提供用于能量接收的裝置的接收天線618。發(fā)射器604進(jìn)一步包含至少 部分充當(dāng)AC/AC轉(zhuǎn)換器的發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元620。接收器608進(jìn)一步包含至少部分充當(dāng)AC/DC 轉(zhuǎn)換器的接收功率轉(zhuǎn)換單元622。圖8中識別各種內(nèi)部端口電流、電壓和功率，用于后續(xù)圖中 各種耦合變型的比較。
[0072] 圖9說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第一耦合變型的電路 圖。圖9的耦合變型630說明例如圖4A-4C的單裝置充電墊(SDCP)200中的"近程"耦合變型尋 找應(yīng)用。耦合變型630包含說明為發(fā)射天線614'和接收天線618'的串聯(lián)儲能電路（tank circuit)。發(fā)射天線614'包含由電容器&和電感器1^組成的串聯(lián)儲能電路，且接收天線618' 包含由電容器C 2和電感器1^2組成的另一串聯(lián)儲能電路。
[0073] 如果耦合因數(shù)k12和/或接收器負(fù)載(未圖示)改變，那么經(jīng)耦合串聯(lián)儲能電路通常 不展現(xiàn)失諧效應(yīng)。此外，具有開放端子的串聯(lián)儲能電路理論上不吸收發(fā)射器的緊密近程處 的能量，這與含有可獨(dú)立于接收端子處的加載而吸收相對大量功率的并聯(lián)L-C結(jié)構(gòu)的其它 耦合變型形成對比。因此，經(jīng)耦合串聯(lián)回路的耦合變型630為例如相對于圖4A-4C說明的單 一或多個(gè)接收器配置提供有效無線功率發(fā)射。
[0074] 圖10說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第二耦合變型的電路 圖。圖10的耦合變型650說明"接近"耦合變型，且可用于耦合到用于"接近"耦合的高Q諧振 儲能電路。耦合變型650變換阻抗以與功率轉(zhuǎn)換電路匹配，從而產(chǎn)生經(jīng)改善的或高傳送效 率。特定來說，耦合變型650包含諧振發(fā)射天線614〃和諧振接收天線618"。
[0075] 發(fā)射天線614〃包含高Q儲能諧振器652(其包含電容器Q和電感器1^)以及耦合環(huán) 形/線圈654。耦合環(huán)形/線圈654將發(fā)射器的其它部分與高Q儲能諧振器652匹配。接收天線 618〃包含高Q儲能諧振器656(其包含電容器&和電感器L 2)以及耦合環(huán)形/線圈658。耦合環(huán) 形/線圈658將接收器的其它部分與高Q儲能諧振器656匹配。
[0076]圖11說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第三耦合變型的電路 圖。耦合變型670使用電容性耦合代替電感性耦合以變換高Q并聯(lián)儲能電路的高阻抗以與圖 8的發(fā)射和接收功率轉(zhuǎn)換單元匹配。特定來說，耦合變型670包含發(fā)射天線614'"和接收天線 618，"。
[0077] 發(fā)射天線614'〃包含高Q并聯(lián)儲能諧振器672(其包含電容器&和電感器1^)以及耦 合電容器674。耦合電容器674將發(fā)射器的其它部分與高Q并聯(lián)儲能諧振器672匹配。接收天 線618'〃包含高Q并聯(lián)儲能諧振器676(其包含電容器C 2和電感器L2)以及耦合電容器678。耦 合電容器678將接收器的其它部分與高Q并聯(lián)儲能諧振器676匹配。
[0078] 圖12說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第四耦合變型的電路 圖。耦合變型690使用串聯(lián)和并聯(lián)儲能電路的混合配置，其在一些示范性實(shí)施例中可提供關(guān) 于發(fā)射或接收功率轉(zhuǎn)換的阻抗匹配的特定優(yōu)點(diǎn)。特定來說，耦合變型690包含發(fā)射天線 614〃〃和接收天線618〃〃。
[0079] 發(fā)射天線614〃〃可類似于圖9的發(fā)射天線614'進(jìn)行配置。發(fā)射天線614〃〃包含串聯(lián) 儲能諧振器692(其包含電容器C!和電感器1^)，且接收天線618〃〃包含并聯(lián)儲能諧振器696 (其包含電容器C2和電感器L2)。
[0080] 圖13說明根據(jù)示范性實(shí)施例的發(fā)射天線與接收天線之間的第五耦合變型的電路 圖。圖13的耦合變型700說明用于使用用于"接近"耦合的串聯(lián)諧振電路來擴(kuò)展通常設(shè)計(jì)用 于"近程"耦合的系統(tǒng)的實(shí)施例。耦合變型700包含發(fā)射天線614'〃〃和接收天線618'〃〃。發(fā)射 天線614'〃〃包含串聯(lián)儲能諧振器704(其包含電容器&和電感器LO,且接收天線618'〃〃包含 串聯(lián)儲能諧振器706(其包含電容器&和電感器L 2)。發(fā)射天線614 ' 〃〃和接收天線618 ' 〃〃還可 包含一個(gè)或一個(gè)以上寄生高Q諧振器702。
[00811 在耦合變型700中，添加寄生高Q諧振器702作為發(fā)射天線614'〃〃中的寄生高Q諧振 器702A、接收天線618 ' 〃〃中的寄生高Q諧振器702B，或發(fā)射天線614 ' 〃〃與接收天線618 ' 〃〃兩 者中的寄生高Q諧振器702A、702B。此外，可通過改變耦合因數(shù)kn，和/或k22，來控制匹配。借 助實(shí)例，寄生高Q諧振器702A的典型Q值可大約為大于300的Q值，且寄生高Q諧振器702B的典 型Q值可大約為80到200之間的Q值。
[0082] 萬一耦合因數(shù)k12將歸因于裝置定位而變化，則寄生儲能電路還可用于耦合變型的 輸入端口 602 (圖8)和輸出端口 610 (圖8)處的阻抗調(diào)節(jié)。特定來說，如果耦合因數(shù)k12變化，那 么如輸入端口 602處所見的阻抗和輸出端口 610處的最佳負(fù)載阻抗可顯著改變，從而導(dǎo)致需 要通常通過發(fā)射和接收功率轉(zhuǎn)換器620、622(圖8)實(shí)現(xiàn)的在功率傳送鏈路的兩側(cè)上的阻抗 適應(yīng)。使用具有到其串聯(lián)儲能電路的固定耦合(kn，）的寄生儲能電路可使此阻抗在某種程 度上穩(wěn)定，同時(shí)放松對發(fā)射和接收功率轉(zhuǎn)換單元620、622的要求。
[0083] -般來說，諧振天線系統(tǒng)為來自外來物體的去諧效應(yīng)的主體。接收天線通常在集 成到主機(jī)裝置中時(shí)歸因于裝置主體對磁場和電場的影響而去諧。此影響可通過設(shè)計(jì)和組件 選擇來解決。這與去諧可依據(jù)裝置的位置而變化的發(fā)射天線形成對比。另外，未加載Q因數(shù) 通常將歸因于裝置主體中的渦電流損失和電介質(zhì)損失而下降。
[0084] 對于緊密"近程"耦合來說，可能不太需要天線的諧振頻率的調(diào)諧，因?yàn)橹C振天線 將可能高度負(fù)載（即，低負(fù)載Q因數(shù)）。這在針對"接近"耦合設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中可能不同，在針對 "接近"耦合設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，操作Q因數(shù)將可能為高，因此需要補(bǔ)償任何去諧效應(yīng)。此外，因裝 置中的損失造成的Q下降不能得到補(bǔ)償，而是必須接受。依據(jù)解決方案，其可能影響發(fā)射器 和接收器兩者。
[0085]如上文參看圖8-13陳述，無線功率發(fā)射系統(tǒng)600包含如圖8中說明的發(fā)射器604和 接收器608。無線功率發(fā)射系統(tǒng)可經(jīng)配置以在包含"低"和"高"頻率的各種諧振頻率下操作。 描述低和高頻率實(shí)施例的實(shí)例。描述低頻(LF)實(shí)施例，其中發(fā)射頻率f Q= 135kHz(針對RFID 系統(tǒng)的LF ISM帶）。描述高頻(HF)實(shí)施例，其中發(fā)射頻率f ο = 13 · 56MHz (針對RFID系統(tǒng)的HF ISM帶）。在以下圖式中，指明LF系統(tǒng)與HF系統(tǒng)之間的差異。
[0086]關(guān)于發(fā)射器，低頻或高頻(LF-HF)發(fā)射器包括兩個(gè)主要部分，（1)發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單 元，和（2)發(fā)射天線（耦合單元）。發(fā)射天線基本上由環(huán)形/線圈天線和反電抗器（電容器)組 成以使系統(tǒng)處于諧振。
[0087]圖14說明根據(jù)示范性實(shí)施例的LF-HF發(fā)射器。LF-HF發(fā)射器800包含發(fā)射天線802， 其說明為包含電容器&和電感器1^的串聯(lián)諧振儲能電路804。圖14還說明等效電阻器806,其 表示天線的內(nèi)部損失和歸因于天線附近的物體的諧振阻尼效應(yīng)而帶來的外部損失。LF-HF 發(fā)射器800進(jìn)一步包含發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808,其包括AC/AC轉(zhuǎn)換器子單元810、頻率產(chǎn)生和 控制子單元812,以及用于將功率供應(yīng)到頻率產(chǎn)生和控制子單元812的輔助轉(zhuǎn)換器814。 [0088]圖15A-15C說明根據(jù)示范性實(shí)施例的多級發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的各種配置。圖15A說 明用于產(chǎn)生LF-HF功率的LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的一般化二級示范性實(shí)施例，其包含第一 級中的AC/DC轉(zhuǎn)換，之后是LF-HF功率級。LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808A包含具有可變輸出功 率的AC/DC轉(zhuǎn)換器820,以及由形成頻率產(chǎn)生和控制子單元812的一部分的頻率產(chǎn)生器(未圖 示)驅(qū)動(dòng)的LF-HF功率級822。輔助轉(zhuǎn)換器814在通常較低且固定的電壓下提供供給功率。圖 15A的雙級方法的一個(gè)益處是可用于控制到耦合網(wǎng)絡(luò)中的功率(P Tx?t)的功率級的可變DC供 應(yīng)。
[0089]圖15B說明用于產(chǎn)生LF-HF功率的LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的示范性實(shí)施例，其包 含半橋反相器功率級。LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808A'包含處于形成半橋反相器832的配置 中的兩個(gè)FET開關(guān)830A、830B。理想地，為實(shí)現(xiàn)高效率，半橋反相器832在電壓/電流零交叉處 切換。因此，例如針對具有fo = 135kHz門驅(qū)動(dòng)波形的LF和具有f〇 = 13.56MHz門驅(qū)動(dòng)波形的HF 的工作循環(huán)固定在約50%。通過DC/DC轉(zhuǎn)換器834提供PWM受控可變輸出電壓VDC1來實(shí)現(xiàn)功率 控制。50%工作循環(huán)還使諧波含量最小化。然而，在一些情況下半橋反相器832的額外PWM控 制可為有用的。
[0090] DC/DC轉(zhuǎn)換器834可在操作頻率下或在按要求調(diào)整的不同頻率(例如，200kHz或更 高）下切換。發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808A'的輸出處的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)836可用以依據(jù)耦合網(wǎng)絡(luò)來抑制 諧波和/或增加效率。在當(dāng)前示范性實(shí)施例中，雖然可能需要多個(gè)FET開關(guān)830,但通常與單 一FET功率級相比存在FET的較少電壓應(yīng)力，因此可使用較低成本裝置。此外，在當(dāng)前示范性 實(shí)施例中，半橋反相器功率級如同電壓源(低阻抗)那樣操作且因此可驅(qū)動(dòng)任何負(fù)載阻抗， 只要電流和/或功率不超過FET額定值即可。半橋反相器尤其適于驅(qū)動(dòng)串聯(lián)諧振儲能電路。
[0091] 圖15C說明用于產(chǎn)生LF-HF功率的LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的另一示范性實(shí)施例， 其包含類似于"升壓轉(zhuǎn)換器"或E類配置功率級。LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808A 〃包含經(jīng)配置 以形成類似于"升壓轉(zhuǎn)換器"或E類電路的一個(gè)FET開關(guān)830，其中FET開關(guān)在零電壓下"準(zhǔn)時(shí)" 發(fā)生(E類或軟切換方法）。
[0092]如果LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元將驅(qū)動(dòng)配置為串聯(lián)諧振儲能電路的發(fā)射天線，那么 此串聯(lián)諧振儲能電路接著充當(dāng)通常用于E類操作的串聯(lián)C-L-Rl負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的一部分。門驅(qū)動(dòng) 可出于阻抗匹配或功率控制目的而受額外PWM控制。一般來說，在50%工作循環(huán)處實(shí)現(xiàn)最高 效率。DC/DC步降轉(zhuǎn)換器842可在操作頻率下或在按要求調(diào)整的不同頻率(例如，200kHz或更 高）下切換。發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808A"的輸出處的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)844可用以依據(jù)耦合網(wǎng)絡(luò)來抑制 諧波和/或增加效率和匹配。
[0093]圖16A-16D說明根據(jù)示范性實(shí)施例的單級發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的各種配置。圖16A中 說明使用單級方法直接從主AC電壓產(chǎn)生LF-HF功率。由于DC電源電壓可為固定的且較高(例 如，在120-315VDC范圍內(nèi)），所以可借助切換波形(PWM)的工作循環(huán)實(shí)現(xiàn)功率控制。在此方法 中，AC/AC轉(zhuǎn)換器850可視為變壓器隔離AC/DC電源的一部分。耦合網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)隔離變壓器，但 具有高泄漏或雜散電感。發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808B進(jìn)一步包含頻率產(chǎn)生與控制子單元812和 用于將功率供應(yīng)到頻率產(chǎn)生與控制子單元812的輔助轉(zhuǎn)換器814。
[0094]圖16B說明用于產(chǎn)生LF-HF功率的LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的示范性實(shí)施例。LF-HF 發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808B'包含一個(gè)FET開關(guān)830，且LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808B '中的輸出 功率控制是使用針對LF的fQ= 135kHz和針對HF的fQ= 13.56MHz的PWM門驅(qū)動(dòng)波形來實(shí)現(xiàn)，這 意味著在低工作循環(huán)（即，傳導(dǎo)角）下，效率可能稍微受到損害。然而，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率所需的 工作循環(huán)可通過設(shè)計(jì)具有變換比η: 1 (η>1)的耦合網(wǎng)絡(luò)來增加，這意味著高初級電壓變換為 低次級電壓。
[0095]如果LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元將驅(qū)動(dòng)配置為串聯(lián)諧振儲能電路的發(fā)射天線，那么 此串聯(lián)諧振儲能電路接著充當(dāng)通常用于E類操作的串聯(lián)C-L-Rl負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的一部分。發(fā)射功 率轉(zhuǎn)換單元808B'的輸出處的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)844可用以依據(jù)耦合網(wǎng)絡(luò)來抑制諧波和/或增加效率 和匹配。這對于PWM方法可能尤其重要，因?yàn)橹C波含量隨工作循環(huán)減小而增加。
[0096]圖16C說明用于產(chǎn)生LF-HF功率的LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的另一示范性實(shí)施例。 LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808B 〃包含一個(gè)FET開關(guān)830,其形成功率級。發(fā)射天線802的諧振儲 能電路804在DC電源電壓與接地之間"懸置"，其中功率級連接到所得儲能電路的"熱端"。 [0097]圖16D說明用于產(chǎn)生LF-HF功率的LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元的另一示范性實(shí)施例。 LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808B'〃包含F(xiàn)ET開關(guān)830,其與一并聯(lián)電感--電感器852串聯(lián)而操 作。LF-HF發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元808B'"可驅(qū)動(dòng)配置為串聯(lián)諧振儲能電路的發(fā)射天線802。
[0098]關(guān)于接收器，LF-HF接收器包括兩個(gè)主要部分：（1)接收天線（耦合單元）；以及（2) 接收功率轉(zhuǎn)換單元。接收天線基本上由回路/線圈天線和反電抗器（電容器)組成以使系統(tǒng) 處于諧振。
[0099]圖17說明根據(jù)示范性實(shí)施例的LF-HF接收器。LF-HF接收器900包含接收天線902， 其說明為包含電容器C2和電感器1^2的串聯(lián)諧振儲能電路904。圖17還說明等效電阻器906,其 表示天線的內(nèi)部損失和歸因于天線附近的物體的諧振阻尼效應(yīng)而帶來的外部損失。LF-HF 接收器900進(jìn)一步包含接收功率轉(zhuǎn)換單元908,其包括AC/AC轉(zhuǎn)換器子單元910以及頻率產(chǎn)生 和控制子單元912。圖17進(jìn)一步說明耦合到裝置的負(fù)載916的LF-HF接收器900。
[0100] 一般來說，發(fā)射天線802的各種以上描述也可應(yīng)用于接收天線902。供應(yīng)頻率產(chǎn)生 和控制子單元912所需的功率可從接收功率轉(zhuǎn)換單元908接收。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，接 收功率轉(zhuǎn)換單元908通過獨(dú)立于負(fù)載916(例如，電池)將功率供應(yīng)到接收功率轉(zhuǎn)換單元908 的任何能力而產(chǎn)生足夠的功率以對頻率產(chǎn)生和控制子單元912進(jìn)行饋送，而在"最小模式" 中操作，條件是從接收天線接收的功率超過閾值。一旦頻率產(chǎn)生和控制單元908完全操作， 接收功率轉(zhuǎn)換單元908就進(jìn)入"正常模式"并將功率遞送到負(fù)載916。
[0101] 在接收功率轉(zhuǎn)換單元908中，可能需要頻率以進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換和/或同步整流。利用 同步整流器，功率流可經(jīng)顛倒以使得接收器充當(dāng)功率發(fā)射器。在最小模式中，AC/DC轉(zhuǎn)換器 910充當(dāng)無源二極管整流器，其具有額外組件以感測充電電壓和電流，且具有開關(guān)(未圖示） 以斷開負(fù)載916(例如，電池）。圖17還說明端口和接口并指定端口電流、電壓和功率。
[0102] 圖18A-18H說明根據(jù)各種示范性實(shí)施例的接收功率轉(zhuǎn)換單元的各種配置。圖18A說 明根據(jù)示范性實(shí)施例的接收功率轉(zhuǎn)換單元。LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單元908A包含AC整流器920 和DC/DC轉(zhuǎn)換器單元922 JC/DC轉(zhuǎn)換器單元922用于通過AC整流器920的輸入端口處的耦合 網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整所見的負(fù)載阻抗以便使傳送效率最大化。在各種負(fù)載范圍中，如果負(fù)載阻抗改 變，那么效率不會(huì)顯著改變。接收負(fù)載阻抗控制還可用于調(diào)節(jié)耦合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射端口處的阻 抗。
[0103] 圖18B說明LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單元的另一示范性實(shí)施例。LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單 元908A '包含四二極管全波全橋整流器920 '和DC/DC轉(zhuǎn)換器單元922 '。此外，還預(yù)期整流器 920的整流器結(jié)構(gòu)變化。
[0104] 在各種實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載916(例如，電池)具有低電壓(例如，4V)和高電流(例如， 1A)，因此強(qiáng)加需要步降轉(zhuǎn)換器的低電阻低(例如，4歐姆）。因此，DC/DC轉(zhuǎn)換器的使用尤其有 利，因?yàn)镈C/DC轉(zhuǎn)換器允許整流器920在較高輸入電壓V A2下操作，其中二極管的閾值電壓具 有較少影響，因此增加整流器920的效率。理論上，DC/DC步降轉(zhuǎn)換器922'可在經(jīng)確定以實(shí)現(xiàn) 最大效率的不同頻率下切換。可借助PWM切換波形的工作循環(huán)而調(diào)整負(fù)載電流。
[0105] 圖18C說明LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單元的另一示范性實(shí)施例。LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單 元908B是基于同步整流，這意味著使用有源FET開關(guān)（未圖示）對所接收LF-HF功率進(jìn)行整 流。切換波形必須與所接收信號同步，且必須調(diào)整波形的相位。調(diào)整可使用電壓/電流感測 來實(shí)現(xiàn)。
[0106] 頻率產(chǎn)生與控制單元912產(chǎn)生切換波形且可借助PWM而執(zhí)行負(fù)載功率和阻抗控制。 在此示范性實(shí)施例中，AC/DC轉(zhuǎn)換器924可視為變壓器隔離AC/DC電源的次級部分。耦合網(wǎng)絡(luò) 充當(dāng)隔離變壓器但具有高泄漏或雜散電感。
[0107] 圖18D說明AC/DC轉(zhuǎn)換器的示范性實(shí)施例。在示范性實(shí)施例中，AC/DC轉(zhuǎn)換器924A和 AC/DC轉(zhuǎn)換器924B經(jīng)配置以還根據(jù)單一 FET同步整流器926來執(zhí)行同步整流。需要時(shí)鐘恢復(fù) 和相角控制928以適當(dāng)?shù)貙ET驅(qū)動(dòng)波形與所接收波形對準(zhǔn)，使得同步整流器在右V-I象限 中操作。這些功能可視為頻率產(chǎn)生與控制子單元912的一部分。FET同步整流器926可以減 少/增加的工作循環(huán)來操作以控制轉(zhuǎn)換器輸入阻抗和功率。AC/DC轉(zhuǎn)換器924A可應(yīng)用于接收 天線中的并聯(lián)諧振儲能電路，且AC/DC轉(zhuǎn)換器924B可應(yīng)用于接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電 路。
[0108] 如果AC/DC轉(zhuǎn)換器924A耦合到接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需要并 聯(lián)電容器Cp2 930以及通過FET同步整流器926在零伏處切換以避免FET切換應(yīng)力。然而，電容 器Cp2 930趨向于減小轉(zhuǎn)換器輸入阻抗，其可在強(qiáng)耦合體系(發(fā)射器和接收器緊密接近)中起 相反作用。如果AC/DC轉(zhuǎn)換器924B耦合到接收天線中的并聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需要串 聯(lián)電感器L s2 932,且FET同步整流器926應(yīng)僅在零電流下斷開以避免FET切換應(yīng)力。
[0109] 圖18E說明LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單元的另一示范性實(shí)施例。LF-HF接收功率轉(zhuǎn)換單 元908C是基于無源二極管整流器934,且被認(rèn)為尤其適于其中最終傳送效率可能不是主要 問題的極小形狀因數(shù)微功率裝置。然而，無源二極管整流器通常可能在負(fù)載阻抗匹配和輸 出功率方面難以控制。因此，接收器應(yīng)根據(jù)在所構(gòu)想應(yīng)用或使用情況中最有可能的耦合體 系而經(jīng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化?？衫缤ㄟ^使用靜態(tài)FET開關(guān)改變二極管整流器的配置而仍然并入有 限的控制。二極管整流器和整流器一般來說可進(jìn)行分類，如所示： 「01101
[0111]~圖18F說明無源二極管整流器的示范性實(shí)施例。在示范性實(shí)施例中，無源二極管整, 流器934A為與接收天線中的并聯(lián)諧振儲能電路協(xié)作的適宜結(jié)構(gòu)。無源二極管整流器934A展 現(xiàn)比其負(fù)載阻抗高的輸入阻抗，因此執(zhí)行電壓下降轉(zhuǎn)換。無源二極管整流器934B為與接收 天線中的串聯(lián)諧振儲能電路協(xié)作的適宜結(jié)構(gòu)。
[0112]如果無源二極管整流器934A耦合到接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需 要并聯(lián)電容器Cp2 936以避免二極管切換應(yīng)力。然而，電容器Cp2 936趨向于減小轉(zhuǎn)換器輸入 阻抗，其可在強(qiáng)耦合體系（即，發(fā)射器和接收器緊密接近）中起相反作用。如果無源二極管整 流器934B耦合到接收天線中的并聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需要串聯(lián)電感器L s2 938以避免 二極管切換應(yīng)力。
[0113]圖18G說明無源二極管整流器的示范性實(shí)施例。在示范性實(shí)施例中，無源二極管整 流器934C、934D為雙二極管整流器。無源二極管整流器934C為與接收天線中的并聯(lián)諧振儲 能電路協(xié)作的適宜結(jié)構(gòu)。無源二極管整流器934C展現(xiàn)比其負(fù)載阻抗高且比以無源二極管整 流器934A所實(shí)現(xiàn)的輸入阻抗高的輸入阻抗。無源二極管整流器934D為無源二極管整流器 934B的雙二極管結(jié)構(gòu)，且較適于從接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電路驅(qū)動(dòng)。然而，無源二極管 整流器934D展現(xiàn)比其負(fù)載阻抗低且比以無源二極管整流器934B所實(shí)現(xiàn)的輸入阻抗低的輸 入阻抗。
[0114]如果無源二極管整流器934C耦合到接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需 要并聯(lián)電容器Cp2 940以避免二極管切換應(yīng)力（高dV/dt)。然而，并聯(lián)電容器Cp2 940趨向于 減小轉(zhuǎn)換器輸入阻抗，其可在強(qiáng)耦合體系(發(fā)射器和接收器緊密接近）中起相反作用。如果 無源二極管整流器934D耦合到接收天線中的并聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需要串聯(lián)電感器 L s2 942以避免二極管切換應(yīng)力(高dl/dt)。
[0115]圖18H說明無源二極管整流器的示范性實(shí)施例。在示范性實(shí)施例中，無源二極管整 流器934E、934F為四二極管整流器，且可視為以"推-拉"形式(反相)操作的一對半橋(D類） 整流器。無源二極管整流器934E作為電流匯而操作，且是與接收天線中的并聯(lián)諧振儲能電 路協(xié)作的適宜結(jié)構(gòu)。無源二極管整流器934E展現(xiàn)比其負(fù)載阻抗高且是以無源二極管整流器 934C所實(shí)現(xiàn)的輸入阻抗的兩倍的輸入阻抗。無源二極管整流器934F作為電壓匯而操作，且 是無源二極管整流器934D的雙結(jié)構(gòu)，因此較適于從接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電路驅(qū)動(dòng)。 然而，無源二極管整流器934F展現(xiàn)比其負(fù)載阻抗低且是無源二極管整流器934D的輸入阻抗 的兩倍的輸入阻抗，這在強(qiáng)耦合體系中是有利的。
[0116] 如果無源二極管整流器934E耦合到接收天線中的串聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需 要并聯(lián)電容器Cp2 944以避免二極管切換應(yīng)力（高dV/dt)。然而，并聯(lián)電容器Cp2 944趨向于 減小轉(zhuǎn)換器輸入阻抗，其可在強(qiáng)耦合體系(發(fā)射器和接收器緊密接近）中起相反作用。如果 無源二極管整流器934F耦合到接收天線中的并聯(lián)諧振儲能電路，那么可能需要串聯(lián)電感器 L s2 946以避免二極管切換應(yīng)力(高dl/dt)。
[0117] 圖19說明根據(jù)示范性實(shí)施例的用于接收無線功率的方法的流程圖。用于接收無線 功率的方法1000由本文描述的各種結(jié)構(gòu)和電路支持。方法1000包含步驟1002,其用于當(dāng)接 收天線與發(fā)射天線近程耦合時(shí)在接收天線的串聯(lián)配置的諧振儲能電路處接收由發(fā)射天線 產(chǎn)生的近磁場中的無線功率。方法1000進(jìn)一步包含步驟1004,其用于當(dāng)接收天線與發(fā)射天 線近程耦合時(shí)在接收天線的串聯(lián)配置的諧振儲能電路處接收由發(fā)射天線產(chǎn)生的近磁場中 的無線功率。此外，方法1000進(jìn)一步包含步驟1006,其用于當(dāng)接收天線與發(fā)射天線接近耦合 時(shí)在接收天線的寄生諧振儲能電路處接收由發(fā)射天線產(chǎn)生的近磁場的無線功率。方法1000 進(jìn)一步包含步驟1006,其用于對無線功率進(jìn)行整流。
[0118] 圖20說明根據(jù)示范性實(shí)施例的用于發(fā)射無線功率的方法的流程圖。用于發(fā)射無線 功率的方法1100由本文描述的各種結(jié)構(gòu)和電路來支持。方法1100包含步驟1102,其用于當(dāng) 接收天線與發(fā)射天線近程耦合時(shí)在發(fā)射天線的串聯(lián)配置的諧振儲能電路處產(chǎn)生近磁場中 的無線功率。方法1100進(jìn)一步包含步驟1104,其用于當(dāng)接收天線與發(fā)射天線接近耦合時(shí)在 發(fā)射天線的寄生諧振儲能電路處產(chǎn)生近磁場的無線功率。
[0119] 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，可使用多種不同技術(shù)和技藝中的任一者來表示信息 和信號。舉例來說，可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁粒子、光場或光粒子或其任何組合來 表示可能在整個(gè)以上描述中所參考的數(shù)據(jù)、指令、命令、信息、信號、位、符號及碼片。
[0120] 所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將進(jìn)一步了解，可將結(jié)合本文中所揭示的實(shí)施例而描述的各 種說明性邏輯塊、模塊、電路和算法步驟實(shí)施為電子硬件、由計(jì)算機(jī)軟件控制或兩者的組 合。為清楚說明硬件與軟件的此互換性，上文已大致關(guān)于其功能性而描述了各種說明性組 件、塊、模塊、電路及步驟。所述功能性是實(shí)施且控制為硬件還是軟件取決于特定應(yīng)用及施 加于整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可針對每一特定應(yīng)用以不同方式實(shí)施所述 功能性，但此等實(shí)施決策不應(yīng)被解釋為會(huì)導(dǎo)致脫離本發(fā)明的示范性實(shí)施例的范圍。
[0121] 結(jié)合本文所揭示的實(shí)施例所描述的各種說明性邏輯塊、模塊及電路可用通用處理 器、數(shù)字信號處理器(DSP)、專用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或其它可編程 邏輯裝置、離散門或晶體管邏輯、離散硬件組件，或其經(jīng)設(shè)計(jì)以執(zhí)行本文所描述的功能的任 何組合來控制。通用處理器可為微處理器，但在替代例中，處理器可為任何常規(guī)的處理器、 控制器、微控制器或狀態(tài)機(jī)。處理器還可實(shí)施為計(jì)算裝置的組合，例如，DSP與微處理器的組 合、多個(gè)微處理器的組合、一個(gè)或一個(gè)以上微處理器與DSP核心的聯(lián)合，或任何其它此配置。
[0122] 結(jié)合本文中所揭示的實(shí)施例而描述的方法或算法的步驟可直接包含于硬件中、由 處理器執(zhí)行的軟件模塊中或所述兩者的組合中。軟件模塊可駐留于隨機(jī)存取存儲器(RAM)、 快閃存儲器、只讀存儲器(ROM)、電可編程R0M(EPROM)、電可擦除可編程R0M(EEPR0M)、寄存 器、硬盤、可裝卸盤、CD-ROM或此項(xiàng)技術(shù)中已知的任何其它形式的存儲媒體中。示范性存儲 媒體耦合到處理器，使得所述處理器可從存儲媒體讀取信息及將信息寫入到存儲媒體。在 替代方案中，存儲媒體可與處理器成一體式。處理器及存儲媒體可駐留于ASIC中。ASIC可駐 留于用戶終端中。在替代例中，處理器及存儲媒體可作為離散組件駐留于用戶終端中。
[0123] 在一個(gè)或一個(gè)以上示范性實(shí)施例中，所描述的控制功能可實(shí)施于硬件、軟件、固件 或其任一組合中。如果實(shí)施于軟件中，則可將功能作為計(jì)算機(jī)可讀媒體上的一個(gè)或一個(gè)以 上指令或代碼而加以存儲或傳輸。計(jì)算機(jī)可讀媒體包括計(jì)算機(jī)存儲媒體與包括促進(jìn)計(jì)算機(jī) 程序從一處傳遞到另一處的任何媒體的通信媒體兩者。存儲媒體可為可由計(jì)算機(jī)存取的任 何可用媒體。以實(shí)例方式(且并非限制），所述計(jì)算機(jī)可讀媒體可包含RAM、R0M、EEPR0M、CD-R0M或其它光盤存儲裝置、磁盤存儲裝置或其它磁性存儲裝置，或可用于載送或存儲呈指令 或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的形式的所要程序代碼且可由計(jì)算機(jī)存取的任何其它媒體。同樣，可恰當(dāng)?shù)貙?任何連接稱作計(jì)算機(jī)可讀媒體。舉例來說，如果使用同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數(shù)字訂戶 線(DSL)或例如紅外線、無線電及微波的無線技術(shù)從網(wǎng)站、服務(wù)器或其它遠(yuǎn)程源傳輸軟件， 則同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或例如紅外線、無線電及微波的無線技術(shù)包括于媒體的 定義中。如本文中所使用，磁盤及光盤包括緊密光盤(CD)、激光光盤、光學(xué)光盤、數(shù)字多功能 光盤(DVD)、軟盤及藍(lán)光光盤，其中磁盤通常磁性地復(fù)制數(shù)據(jù)，而光盤使用激光光學(xué)地復(fù)制 數(shù)據(jù)。上文的組合也應(yīng)包括在計(jì)算機(jī)可讀媒體的范圍內(nèi)。
[0124] 提供所揭示示范性實(shí)施例的先前描述是為了使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作或 使用本發(fā)明。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將易于了解對這些示范性實(shí)施例的各種修改，且在不脫 離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，本文中界定的一般原理可應(yīng)用于其它實(shí)施例。因此，不希 望將本發(fā)明限于本文中所展示的實(shí)施例，而是賦予其與本文所揭示的原理及新穎特征一致 的最廣范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種設(shè)備，其包括： 無線功率接收器，其包括： 天線電路，其包括串聯(lián)諧振儲能電路，所述串聯(lián)諧振儲能電路經(jīng)配置以基于經(jīng)由近磁 場所接收的功率而產(chǎn)生交流電(AC); 功率轉(zhuǎn)換電路，其耦合至所述天線電路，并經(jīng)配置以至少部分地基于所述交流電(AC) 而輸出直流電(DC)從而對電池進(jìn)行充電，所述功率轉(zhuǎn)換電路包含切換元件；以及 控制電路，其經(jīng)配置以改變用以驅(qū)動(dòng)所述切換元件的波形以控制所述功率轉(zhuǎn)換電路的 阻抗，所述阻抗在所述功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處呈現(xiàn)給所述天線電路。2. -種設(shè)備，其包括： 無線功率接收器，其包括： 天線電路，其包括并聯(lián)諧振儲能電路，所述并聯(lián)諧振儲能電路經(jīng)配置以基于經(jīng)由近磁 場所接收的功率而產(chǎn)生交流電(AC); 功率轉(zhuǎn)換電路，其耦合至所述天線電路，并經(jīng)配置以至少部分地基于所述交流電(AC) 而輸出直流電(DC)從而對電池進(jìn)行充電，所述功率轉(zhuǎn)換電路包含切換元件；以及 控制電路，其經(jīng)配置以改變用以驅(qū)動(dòng)所述切換元件的波形以控制所述功率轉(zhuǎn)換電路的 阻抗，所述阻抗在所述功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處呈現(xiàn)給所述天線電路。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中所述并聯(lián)諧振儲能電路包含與第一電容并聯(lián)的第 一電感，所述第一電感和所述第一電容與第二電感串聯(lián)連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述功率轉(zhuǎn)換電路包含同步整流器，且所述切 換元件包含一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)經(jīng)配置以對所述交流電(AC)進(jìn)行整流。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述控制電路經(jīng)配置以將用以驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或多 個(gè)開關(guān)的所述波形與所述交流電(AC)同步。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述控制電路包含進(jìn)一步經(jīng)配置以感測電壓和電 流中的至少一者的電壓感測電路和電流感測電路，所述控制電路經(jīng)配置以基于所述電壓和 所述電流中的至少一者來同步所述波形。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)一步包含具有一個(gè)或多個(gè) 開關(guān)的同步整流器，且其中所述控制電路經(jīng)配置以： 提供所述波形以驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，且 基于脈沖寬度調(diào)制來改變所述波形以驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述控制電路進(jìn)一步包含時(shí)鐘恢復(fù)和相角控制 電路，所述時(shí)鐘恢復(fù)和相角控制電路經(jīng)配置以響應(yīng)于所述功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處的電流測 量而調(diào)節(jié)FET驅(qū)動(dòng)波形的相位。9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述控制電路經(jīng)配置以增加或減少所述波形的 工作循環(huán)以調(diào)節(jié)所述功率轉(zhuǎn)換電路的功率輸出。10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述無線功率接收器經(jīng)配置以根據(jù)以下至少 一者進(jìn)行操作： 最小模式，其中所述無線功率接收器獨(dú)立于所述電池將功率供應(yīng)到所述無線功率接收 器而產(chǎn)生用于所述控制電路的功率，所述最小模式基于對接收自所述近磁場的功率超過閾 值的確定而啟用，以及 正常模式，其中所述無線功率接收器將功率提供至所述電池。11. 一種用于接收無線功率的方法，其包括： 基于經(jīng)由近磁場所接收的功率由諧振儲能天線電路產(chǎn)生交流電(AC); 至少部分地基于所述交流電(AC)由包含切換元件的功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生直流電（DC)從 而對電池進(jìn)行充電；以及 由控制電路來改變用以驅(qū)動(dòng)所述切換元件的波形以控制所述功率轉(zhuǎn)換電路的阻抗，所 述阻抗在所述功率轉(zhuǎn)換電路的輸入處呈現(xiàn)給所述天線電路。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述諧振儲能電路包含與第一電感串聯(lián)的第一 電容，所述第一電容和所述第一電感與第二電容并聯(lián)連接，所述第二電容經(jīng)配置以減少所 述功率轉(zhuǎn)換電路的所述阻抗。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述諧振儲能電路包含與第一電容并聯(lián)的第一 電感，所述第一電感和所述第一電容與第二電感串聯(lián)連接。14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述功率轉(zhuǎn)換電路包含同步整流器，且所述切換 元件包含一個(gè)或多個(gè)開關(guān)，所述一個(gè)或多個(gè)開關(guān)經(jīng)配置以對所述交流電(AC)進(jìn)行整流。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述控制電路經(jīng)配置以將用以驅(qū)動(dòng)所述一個(gè)或 多個(gè)開關(guān)的所述波形與所述交流電(AC)同步。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述控制電路包含經(jīng)配置以感測電壓和電流中 的至少一者的電壓感測電路和電流感測電路，所述控制電路經(jīng)配置以基于所述電壓和所述 電流中的至少一者來同步所述波形。17. -種無線功率接收器，其包括： 用于基于經(jīng)由近磁場所接收的功率產(chǎn)生交流電(AC)的裝置； 用于至少部分地基于所述交流電(AC)產(chǎn)生直流電（DC)從而對電池進(jìn)行充電的裝置；以 及 用于改變用以控制用于產(chǎn)生所述直流電（DC)的所述裝置的波形以控制用于產(chǎn)生直流 電(DC)的所述裝置的輸入處的阻抗的裝置。
【文檔編號】H01Q1/22GK105896750SQ201610353470
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2009年7月28日
【發(fā)明人】奈杰爾·庫克, 盧卡斯·西貝爾, 漢斯彼得·威德默
【申請人】高通股份有限公司