無線電力發(fā)射中的自適應(yīng)阻抗調(diào)諧的制作方法
【專利說明】無線電力發(fā)射中的自適應(yīng)阻抗調(diào)諧
[0001]本申請為發(fā)明名稱為“無線電力發(fā)射中的自適應(yīng)阻抗調(diào)諧”的原中國發(fā)明專利申請的分案申請。原申請的中國申請?zhí)枮?01080016833.7 ;原申請的申請日為2010年3月22號，其國際申請?zhí)枮镻CT/US2010/028189。
[0002]枏據(jù)35U.S.C.§ 119主張優(yōu)先權(quán)
[0003]本申請案根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)主張以下各申請案的優(yōu)先權(quán):
[0004]2009年3月20日申請的標(biāo)題為“無線電力阻抗控制(WIRELESS POWER IMPEDANCECONTROL) ”的美國臨時專利申請案61/162，157，和
[0005]2009年5月7日申請的標(biāo)題為“基于DC的自適應(yīng)調(diào)諧(DC-BASED ADAPTIVETUNING) ”的美國臨時專利申請案61/176，468。
技術(shù)領(lǐng)域
[0006]本發(fā)明大體上涉及無線電力傳遞，且更具體來說，涉及與自適應(yīng)地調(diào)諧接收器裝置中的阻抗以改進無線電力傳遞有關(guān)的裝置、系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0007]通常，每一電池供電裝置(例如，無線電子裝置)需要其自身的充電器和電源，所述電源通常為交流電(AC)電源引出線。當(dāng)許多裝置需要充電時，此類有線配置變得使用不便。
[0008]正在開發(fā)在發(fā)射器與耦合到待充電的電子裝置的接收器之間使用空中或無線電力發(fā)射的方法。一般將此些方法分為兩個種類。一類是基于在發(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(還稱作遠場輻射)的耦合，接收天線收集所輻射的電力且將其整流以用于對電池進行充電。天線一般具有諧振長度以便改進耦合效率。此方法遭遇以下事實:電力耦合隨天線之間的距離而快速衰減。因此，在合理距離(例如，小于1到2米)上的充電變得困難。另外，由于發(fā)射系統(tǒng)輻射平面波，因此如果未經(jīng)由濾波進行適當(dāng)控制，則無意的輻射可干擾其它系統(tǒng)。
[0009]用于無線能量發(fā)射技術(shù)的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電子裝置中的接收天線(加上整流電路)之間的感應(yīng)耦合。此方法具有發(fā)射天線與接收天線之間的間距必須非?？拷?例如，千分之幾米內(nèi))的缺點。雖然此方法確實具有同時對同一區(qū)域中的多個裝置充電的能力，但此區(qū)域通常非常小且需要用戶將裝置準(zhǔn)確地定位到特定區(qū)域中。
[0010]在無線電力傳遞系統(tǒng)中，歸因于無線電力發(fā)射過程中發(fā)生的損耗，效率較為重要。由于無線電力發(fā)射通常比有線傳遞效率低，因此在無線電力傳遞環(huán)境中效率受到更多關(guān)注。
[0011]結(jié)果，當(dāng)試圖將電力提供到一個或一個以上無線充電裝置時，需要適應(yīng)發(fā)射天線與接收天線之間的耦合的改變以優(yōu)化或以其它方式調(diào)整向耦合到接收天線的接收器裝置遞送的電力的方法和設(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在一個新穎方面中，提供一種無線電力接收器。所述接收器包含天線，其包含具有諧振電路阻抗的諧振電路，所述天線經(jīng)配置以從無線電力發(fā)射器接收無線電力信號；整流器，其耦合到天線，所述整流器經(jīng)配置以將所述無線電力信號轉(zhuǎn)換成直流輸入信號，所述直流輸入信號具有電壓信號和電流信號；直流_直流轉(zhuǎn)換器，其具有轉(zhuǎn)換阻抗，所述直流_直流轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置以至少部分地基于所述直流輸入信號而產(chǎn)生直流輸出信號，且經(jīng)配置以至少部分地基于控制信號而調(diào)整所述轉(zhuǎn)換阻抗，所述諧振電路阻抗響應(yīng)于所述直流_直流轉(zhuǎn)換器的所述轉(zhuǎn)換阻抗的調(diào)整；以及電路，其經(jīng)配置以至少部分地基于所述直流輸入信號的所述電壓信號或所述電流信號中的一者而調(diào)整所述控制信號
[0013]在另一新穎方面中，提供一種無線地接收功率的方法。所述方法包括在無線電力接收器處接收來自無線電力發(fā)射器的無線電力信號，所述無線電力接收器包括具有諧振電路阻抗的諧振電路；將所述無線電力信號整流成直流輸入信號；將所述直流輸入信號轉(zhuǎn)換成直流輸出信號；以及部分基于所述直流輸入信號來調(diào)整所述直流輸出信號的功率輸出，以修改所述諧振電路阻抗并調(diào)整所述無線電力接收器的接收帶寬
[0014]在又一新穎方面中，提供一種無線電力接收器。所述接收器包含用于從無線電力發(fā)射器接收無線電力信號的裝置，該接收裝置具有諧振阻抗；用于將所述無線電力信號整流成直流輸入信號的裝置；用于將所述直流輸入信號轉(zhuǎn)換成直流輸出信號的裝置；以及用于修改所述接收裝置的交流阻抗的裝置，其包含用于至少部分地基于所述直流輸入信號來調(diào)整所述用于至少部分地基于所述直流輸入信號將所述直流輸入信號轉(zhuǎn)換成直流輸出信號的裝置的輸入轉(zhuǎn)換器阻抗以修改所述諧振阻抗的裝置。
【附圖說明】
[0015]圖1展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化方框圖。
[0016]圖2展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化示意圖。
[0017]圖3展示用于在本發(fā)明的示范性實施例中使用的環(huán)形天線的示意圖。
[0018]圖4為根據(jù)本發(fā)明的一示范性實施例的發(fā)射器的簡化方框圖。
[0019]圖5為根據(jù)本發(fā)明的一示范性實施例的接收器的簡化方框圖。
[0020]圖6展示發(fā)射電路和接收電路的示意圖，其展示其間的耦合和可調(diào)整的DC負載。
[0021]圖7A到圖7B展示史密斯圖表，其說明響應(yīng)于接收器裝置處的DC阻抗的改變而產(chǎn)生的耦合線圈對的輸入阻抗的改變。
[0022]圖8A到圖8B展示振幅曲線，其展示耦合線圈對之間的響應(yīng)于接收器裝置處的DC阻抗的改變的經(jīng)改進耦合。
[0023]圖9A到圖9B展示接收器裝置的簡化示意圖，其說明用于調(diào)整接收器裝置處的DC阻抗的示范性實施例。
[0024]圖10A到圖10D展示接收器裝置的簡化示意圖，其說明用于使用脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器來調(diào)整接收器裝置處的DC阻抗的示范性實施例。
[0025]圖11說明在調(diào)整接收器裝置處的DC阻抗時可使用的各種輸入和輸出參數(shù)。
【具體實施方式】
[0026]在本文中使用詞語“示范性”以指“充當(dāng)一實例、例子或說明”。本文中描述為“示范性”的任何實施例沒有必要被解釋為比其它實施例優(yōu)選或有利。
[0027]下文結(jié)合附圖所陳述的詳細描述意欲作為對本發(fā)明的示范性實施例的描述，且無意表示可實踐本發(fā)明的僅有實施例。在整個此描述中所使用的術(shù)語“示范性”是指“用作一實例、例子或說明”，且應(yīng)沒有必要被解釋為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。所述詳細描述出于提供對本發(fā)明的示范性實施例的徹底理解的目的而包括特定細節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易明白，可在無這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的示范性實施例。在一些例子中，以方框圖形式展示眾所周知的結(jié)構(gòu)和裝置，以便避免使本文中所呈現(xiàn)的示范性實施例的新穎性模糊不清。
[0028]在本文中使用詞語“無線電力”以指在不使用物理電磁導(dǎo)體的情況下在從發(fā)射器到接收器之間發(fā)射的與電場、磁場、電磁場或其它物相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量。
[0029]圖1說明根據(jù)本發(fā)明的各種示范性實施例的無線發(fā)射或充電系統(tǒng)100。將輸入電力102提供到發(fā)射器104以用于產(chǎn)生用于提供能量傳遞的輻射場106。接收器108耦合到輻射場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)存儲或消耗。發(fā)射器104與接收器108兩者相隔一距離112。在一個示范性實施例中，根據(jù)相互諧振關(guān)系來配置發(fā)射器104與接收器108，且當(dāng)接收器108位于輻射場106的“近場”中時，當(dāng)接收器108的諧振頻率與發(fā)射器104的諧振頻率非常接近時，發(fā)射器104與接收器108之間的發(fā)射損耗為最小。
[0030]發(fā)射器104進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)的裝置來設(shè)計發(fā)射天線和接收天線的大小。如所陳述，通過將發(fā)射天線的近場中的大部分能量耦合到接收天線而非以電磁波形式將大部分能量傳播到遠場而進行有效能量傳遞。當(dāng)處于此近場中時，可在發(fā)射天線114與接收天線118之間形成耦合模式。天線114和118周圍的可發(fā)生此近場耦合的區(qū)域在本文中稱作耦合模式區(qū)。
[0031]圖2展示無線電力傳遞系統(tǒng)的簡化示意圖。發(fā)射器104包括振蕩器122、功率放大器124以及濾波器和匹配電路126。所述振蕩器經(jīng)配置以產(chǎn)生所要頻率，所述所要頻率可響應(yīng)于調(diào)整信號123來調(diào)整。振蕩器信號可由功率放大器124以響應(yīng)于控制信號125的放大量來放大?？砂V波器和匹配電路126以濾除諧波或其它非所要的頻率且使發(fā)射器104的阻抗與發(fā)射天線114匹配。
[0032]接收器108可包括匹配電路132以及整流器和切換電路134以產(chǎn)生DC電力輸出來對電池136(如圖2中所展示)進行充電或向耦合到接收器的裝置(未圖示)供電?？砂ㄆヅ潆娐?32以使接收器108的阻抗與接收天線118匹配。接收器108與發(fā)射器104可在單獨通信信道119 (例如，藍牙、zigbee、蜂窩式等)上通信。
[0033]如圖3中所說明，示范性實施例中所使用的天線可經(jīng)配置為“環(huán)形”天線150，其在本文中還可稱作“磁性”天線。環(huán)形天線可經(jīng)配置以包括空氣芯或物理芯(例如，鐵氧體芯)?？諝庑经h(huán)形天線可能更可容許放置于所述芯附近的外來物理裝置。此外，空氣芯環(huán)形天線允許其它組件放置于芯區(qū)域內(nèi)。另外，空氣芯環(huán)可更容易實現(xiàn)接收天線118 (圖2)在發(fā)射天線114(圖2)的平面內(nèi)的放置，在所述平面中，發(fā)射天線114(圖2)的耦合模式區(qū)可更強大。
[0034]如所陳述，在發(fā)射器104與接收器108之間的匹配或幾乎匹配的諧振期間發(fā)生發(fā)射器104與接收器108之間的有效能量傳遞。然而，甚至當(dāng)發(fā)射器104與接收器108之間的諧振不匹配時，還可以較低效率傳遞能量。通過將來自發(fā)射天線的近場的能量耦合到駐留于建立了此近場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而發(fā)生能量的傳遞。
[0035]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)形天線中的電感一般僅為由所述環(huán)形產(chǎn)生的電感，而一般將電容添加到環(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)。作為非限制性實例，可將電容器152和電容器154添加到天線以產(chǎn)生產(chǎn)生諧振信號156的諧振電路。因此，對于較大直徑的環(huán)形天線來說，誘發(fā)諧振所需的電容的大小隨著環(huán)形天線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，近場的有效能量傳遞區(qū)域增加。當(dāng)然，其它諧振電路是可能的。作為另一非限制性實例，電容器可并聯(lián)地放置于環(huán)形天線的兩個端子之間。另外，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，對于發(fā)射天線，諧振信號156可為到環(huán)形天線150的輸入。
[0036]本發(fā)明的示范性實施例包括在處于彼此的近場中的兩個天線之間耦合電力。如所陳述，近場為在天線周圍的存在電磁場但可能并不遠離所述天線傳播或輻射的區(qū)域。所述電磁場通常被限于所