用于諧振無(wú)線功率系統(tǒng)的異物檢測(cè)方法
【專利說(shuō)明】用于諧振無(wú)線功率系統(tǒng)的異物檢測(cè)方法
[0001]【交叉引用及相關(guān)申請(qǐng)】
[0002]本發(fā)明主張?jiān)?013年3月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/782，672的優(yōu)先權(quán)，因此在全文中合并參考該美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及無(wú)線充電器領(lǐng)域，并且特別涉及用于諧振無(wú)線功率系統(tǒng)(resonantwireless power system)的異物檢測(cè)(foreign-object detect1n)。
【【背景技術(shù)】】
[0004]許多電子設(shè)備都設(shè)計(jì)得體積小、重量輕、并便于攜帶，以符合用戶的需求。因此，各種便攜式電子設(shè)備由電子設(shè)備的制造商生產(chǎn)。常見(jiàn)的便攜式電子設(shè)備包括例如移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、掌上游戲機(jī)(例如PSP，NDSL和Gameboy系列游戲控制臺(tái))，諸如此類。
[0005]由于便攜式電子設(shè)備的可攜帶性，便攜式電子設(shè)備未能在任何時(shí)候與電源連接。為了提供供應(yīng)電源給便攜式電子設(shè)備的所需電功率(electric power)，內(nèi)置的電池通常被安裝在便攜式電子設(shè)備中。電池是可充電電池。一旦電源是可用的，則便攜式電子設(shè)備的可充電電池可以由電源根據(jù)需要進(jìn)行充電。
[0006]例如，在一種情況下，便攜式電子設(shè)備的剩余電池容量不足時(shí)，該便攜式電子設(shè)備的可充電電池可以由充電器充電。眾所周知，常規(guī)的充電器具有連接線。在連接線被插入便攜式電子設(shè)備以及常規(guī)的充電器與電源連接之后，電功率可以從充電器經(jīng)由連接線傳輸?shù)奖銛y式電子設(shè)備。然而，充電器的應(yīng)用通常受到連接線的限制。例如，在便攜式電子設(shè)備的充電過(guò)程中，連接線通常會(huì)成為操作所述充電器的障礙。
【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一方面，提供一種無(wú)線充電系統(tǒng)。該無(wú)線充電系統(tǒng)包括充電器部分，接收一個(gè)或多個(gè)便攜式元件用于無(wú)線充電，所述充電器部分控制對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)便攜式元件充電所需要的功率量；以及帶內(nèi)通信模塊，使用隨機(jī)存取模式從一個(gè)或多個(gè)便攜式元件接收帶內(nèi)通信，所述充電器部分利用所述帶內(nèi)通信以確定需要多少功率，通過(guò)基于能量的報(bào)告，充電所述一個(gè)或多個(gè)便攜式元件，避免傳送標(biāo)識(shí)信息。
[0008]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的另一方面，提供一種執(zhí)行無(wú)線充電的方法。該方法包括提供一個(gè)或多個(gè)便攜式元件，用于經(jīng)由充電器部分進(jìn)行無(wú)線充電，所述充電部分控制對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)便攜式元件充電所需要的功率量。該方法還包括通過(guò)帶內(nèi)通信模塊使用隨機(jī)存取模式從一個(gè)或多個(gè)便攜式元件接收帶內(nèi)通信，所述充電器部分利用所述帶內(nèi)通信以確定需要多少功率，通過(guò)基于能量的報(bào)告，充電所述一個(gè)或多個(gè)便攜式元件，避免傳送標(biāo)識(shí)信息。
【【附圖說(shuō)明】】
[0009]圖1為充電器系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖2為負(fù)載到源通信的阻抗變化的示意圖；
[0011]圖3為當(dāng)前可用的無(wú)線充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電器和設(shè)備定位的示意圖；
[0012]圖4A-4B為根據(jù)本發(fā)明使用的發(fā)射和接收方塊的示意圖；
[0013]圖5為根據(jù)本發(fā)明使用的功率傳輸?shù)耐诫A段的示意圖；以及
[0014]圖6功率傳輸?shù)碾S機(jī)存取階段的示意圖；
[0015]圖7為源設(shè)備功率測(cè)量窗口的示意圖；
[0016]圖8為用于單一目標(biāo)設(shè)備的目標(biāo)設(shè)備能量報(bào)告機(jī)制的示意圖；
[0017]圖9A-9B為來(lái)自兩個(gè)設(shè)備的所積累的能量和穿過(guò)源測(cè)量窗口計(jì)算的功率的曲線圖；
[0018]圖10A-10B為來(lái)自兩個(gè)設(shè)備的所積累的能量和穿過(guò)源測(cè)量窗口計(jì)算的功率的曲線圖；以及
[0019]圖11為使用從兩個(gè)目標(biāo)設(shè)備情景所報(bào)告的低通濾波后的能量值的功率誤差的機(jī)率密度函數(shù)。
【【具體實(shí)施方式】】
[0020]本發(fā)明提供了為了功率管理的目的，使用無(wú)線充電介質(zhì)將消息從充電設(shè)備發(fā)送到源(source)的可行性，而不需要充電設(shè)備通過(guò)注冊(cè)或通過(guò)某些其它機(jī)制來(lái)提供消息確認(rèn)或傳達(dá)獨(dú)特的標(biāo)識(shí)符(隱式的或顯式的)。無(wú)線充電是當(dāng)能量從源轉(zhuǎn)移到負(fù)載而沒(méi)有物理連接。在這種情況下，一個(gè)典型的例子是位于平坦表面上的充電板(pad)充當(dāng)源，放在充電板或靠近充電板的移動(dòng)電話充當(dāng)負(fù)載。
[0021]圖1示出包括帶內(nèi)通信系統(tǒng)2的無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)(wireless power transfersystem)。相比帶外解決方案來(lái)說(shuō)，帶內(nèi)通信系統(tǒng)2具有的優(yōu)點(diǎn)是作為成本更低的解決方案。帶內(nèi)通信允許:(1)異物檢測(cè)；(2)匹配至負(fù)載的功率(vs全TX功率)；(3)每個(gè)負(fù)載的功率分配；(4)手機(jī)可獲知充電器狀態(tài)；以及(5)配置/計(jì)費(fèi)(provis1ning/billing)。
[0022]本發(fā)明的無(wú)線功率傳輸帶內(nèi)通信系統(tǒng)不同于目前市場(chǎng)上或其它公司提出的系統(tǒng)，因?yàn)樗捎昧藢Ｓ玫那爸么a(preamble)同步方法和用于消息糾錯(cuò)(message errorcorrect1n)的信道編碼。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，負(fù)載設(shè)備4需要與源8進(jìn)行通信，以提供功率控制命令(command)、狀態(tài)和異物檢測(cè)的信息。有可能通過(guò)改變從源8看到的負(fù)載4的反射阻抗來(lái)調(diào)制發(fā)射功率波形上的信號(hào)，以促進(jìn)負(fù)載和源之間的通信。圖2示出了可以如何改變負(fù)載阻抗6(點(diǎn)A)來(lái)調(diào)制在源8處的發(fā)送信號(hào)。調(diào)制成分可以是電容性或電阻性的。
[0023]需要注意的是，現(xiàn)任感應(yīng)無(wú)線充電的設(shè)置要求該設(shè)備(負(fù)載)6與充電器(源)8是處于非常特定的方位上，如圖3所示。緊密靠近和固定方位兩者均導(dǎo)致非常良好的無(wú)線充電器通信信道條件一一因而允許簡(jiǎn)單的通信方案。
[0024]本發(fā)明的無(wú)線充電系統(tǒng)可以利用較大的形狀因素(form factor)，以允許多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電。本發(fā)明的無(wú)線充電系統(tǒng)可以具有多個(gè)任意方位的設(shè)備。這些設(shè)備不必非?？拷蚓哂泄潭ǖ姆轿?。設(shè)備的任意偏移和位置導(dǎo)致了非常惡劣的(hostile)帶內(nèi)無(wú)線充電通信信道條件。這使得負(fù)載和源之間的通信變得困難。
[0025]通信系統(tǒng)必須具備低復(fù)雜度以及足夠穩(wěn)健，以確保負(fù)載(發(fā)射器)和源(接收器)之間的良好通信。復(fù)雜度是一個(gè)重要的因素，因?yàn)榘l(fā)送和接收這兩種通信必須能夠在相對(duì)簡(jiǎn)單的MCU上實(shí)施。圖4A和圖4B示出發(fā)送路徑和接收路徑的方框圖。詳細(xì)地，圖4A示出消息編碼模塊22正在接收消息。該消息編碼模塊22執(zhí)行必要的編碼程序來(lái)準(zhǔn)備用于傳輸?shù)南?。消息編碼模塊22發(fā)送編碼后的消息到數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)24進(jìn)行處理。DAC 24將編碼后的消息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)以供傳輸。DAC 24通過(guò)改變由源看到的負(fù)載的阻抗來(lái)發(fā)送該模擬信號(hào)到模擬TX電路26。一種簡(jiǎn)單的方法可以用轉(zhuǎn)換阻抗(switched impedance)來(lái)代替DAC 24。模擬TX電路26包括將模擬信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌?0所需的所有元件，諸如次級(jí)線圈28，如圖4B所示。
[0026]圖4B示出初級(jí)線圈32和負(fù)載阻抗感測(cè)模塊34正在接收模擬信號(hào)以準(zhǔn)備用于解碼的模擬信號(hào)。負(fù)載阻抗感測(cè)模塊34發(fā)送該模擬信號(hào)到抗混疊(ant1-aliasing)模塊36?？够殳B模塊36用于防止連續(xù)信號(hào)轉(zhuǎn)換回樣本時(shí)的混疊現(xiàn)象?？够殳B模塊36發(fā)送抗混疊信號(hào)到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 38?？够殳B信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并且該數(shù)字被提供給濾波器40。濾波器40是高通濾波器，去除與模擬信號(hào)的傳輸相關(guān)聯(lián)的任何附屬噪聲。濾波器40將其輸出提供給消息檢測(cè)器和同步模塊42以及消息解碼模塊44。消息檢測(cè)器和同步模塊42使用各種同步方案來(lái)同步數(shù)字信號(hào)以用于解碼，并相應(yīng)提供其信息給消息解碼模塊44來(lái)解碼該數(shù)字信號(hào)。
[0027]諧振無(wú)線功率(Resonant Wireless Power，RWP)充電器是由通常被插入到壁式插座上的低電壓電源(low voltage power supply)供電。當(dāng)沒(méi)有負(fù)載設(shè)備存在時(shí)，RWP充電器工作在待機(jī)模式(其為低功率狀態(tài))中。每200ms，RWP充電器會(huì)“喚醒”并為附近的任意負(fù)載設(shè)備傳遞最低量的功率以上電(power up)(如果需要)，并開(kāi)始充電。此時(shí)，負(fù)載設(shè)備將利用呈現(xiàn)給充電器的反射阻抗中的增量變化(incremental change)的形式來(lái)發(fā)送功率控制命令給充電器。當(dāng)RWP充電器接收功率控制命令時(shí)，它采用功率控制算法，包括多設(shè)備考慮(如果有必要)，以設(shè)定合適的功率電平。
[0028]帶內(nèi)通信方案有兩種變化可用在RWP充電器中:(1)具有低數(shù)據(jù)速率的同步一一典型的2kbps比特率；和(2)具有低數(shù)據(jù)速率的隨機(jī)存取一一典型的4kbps比特率。
[0029]負(fù)載設(shè)備只傳送功率管理信息到RWP充電器，如上電或掉電(power down)請(qǐng)求、接收的功率和故障狀態(tài)的凸顯(highlight)。該RWP充電器從所有接收器接收消息并仲裁(arbitrate)請(qǐng)求，以提供最佳的用戶體驗(yàn)。負(fù)載設(shè)備將通過(guò)限壓技術(shù)來(lái)限制任何潛在過(guò)度接收的線圈電壓。
[0030]當(dāng)所有負(fù)載設(shè)備被完全充電或從充電區(qū)移除時(shí)，RWP充電器返回到待機(jī)模式。如果進(jìn)入該場(chǎng)(field)的設(shè)備不是有效的接收器，所述RWP充電器同樣地識(shí)別它，并返回到待機(jī)模式。
[0031]RWP充電器通過(guò)提供給負(fù)載的功率中的增量變化的方式，提供消息同步和協(xié)調(diào)、以及消息確認(rèn)給負(fù)載。同步標(biāo)記每隔一定時(shí)間從充電器發(fā)送到負(fù)載(一個(gè)或多個(gè))，以使負(fù)載(一個(gè)或多個(gè))可以發(fā)送功率管理狀態(tài)和功率變化請(qǐng)求消息到充電器并最小化與充電板(charging pad)上其他負(fù)載設(shè)備消息碰撞的可能性。一種同步方法可以通過(guò)逐漸增加或減少至負(fù)載的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。帶內(nèi)通信使用與用于功率傳輸相同的6.78MHz交流磁場(chǎng)。沒(méi)有使用次要頻率(secondary frequency) 0無(wú)線充電系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為要求負(fù)載設(shè)備被放置成與操作于近場(chǎng)(near field)的充電板的表面接觸。在最壞的情況下，負(fù)載設(shè)備必須在充電板表面4cm以內(nèi)。這滿足了 RF能量被局部產(chǎn)生和使用的要求。RWP充電器的輻射發(fā)射(radiatedemiss1n)符合如前所述的福射發(fā)射。
[0032]對(duì)于同步帶內(nèi)通信，功率傳輸行為可分成四個(gè)不同的階段，如圖5所示。
[0033]當(dāng)充電器上電或沒(méi)有檢測(cè)到負(fù)載設(shè)備時(shí)，充電器進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式50。在待機(jī)模式50期間，充電器將定期選通(strobe)以檢測(cè)負(fù)載的存在。在選通期間充電器提供的功率電平將足以對(duì)負(fù)載上的控制