具有并聯(lián)共振電源路徑的無線電源的制作方法
【專利說明】具有并聯(lián)共振電源路徑的無線電源
[0001] 優(yōu)先權(quán)信息
[0002] 本申請(qǐng)要求如下申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán):2014年8月6日遞交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/862,585的美國 臨時(shí)案，在此合并參考上述申請(qǐng)案的全部內(nèi)容。
【背景技術(shù)】
[0003] 本發(fā)明設(shè)及一種充電設(shè)備(charging device)領(lǐng)域，更特別地，設(shè)及一種具有大的 充電區(qū)域而有源電路(active circuit)極少(minimal)的多個(gè)設(shè)備無線充電器(multiple-device wireless charger)。
[0004] 設(shè)計(jì)多個(gè)設(shè)備充電器的傳統(tǒng)方法是：（a)使用具有多個(gè)有源器件(active device) 的多個(gè)線圈（coil), W選擇性地激活(activate)它們;或者，（b)使用單個(gè)的大線圈來覆蓋 整個(gè)充電區(qū)域。
[0005] 由于被選擇性激活地線圈具有高禪合系數(shù)(coupling factor)，因此，方法(a)能 夠提供良好的效率。高禪合系數(shù)導(dǎo)致高效率。然而，由于方法(a)要求每個(gè)線圈具有至少一 個(gè)有源器件，因此，該解決方案的復(fù)雜度、成本、尺寸及重量隨充電區(qū)域增加。
[0006] 由于大的源線圈（source coil)禪合到小的接收線圈（receiver coil)中的此結(jié) 構(gòu)(arrangement)具有低禪合系數(shù)，因此，方法(b)傾向于不提供良好的效率。低禪合系數(shù)意 味著低效率。使用方法(b)的另一問題是，當(dāng)相比于接收設(shè)備源線圈是大的（large)時(shí)，接收 設(shè)備中的任何金屬將影響源線圈的電感（inductance)。運(yùn)種效應(yīng)被稱作金屬失諧(metal detuning)C
[0007] 在現(xiàn)有技術(shù)中，中繼器(repeater)(無源共振器，passive resonator)已被用來改 善源線圈和接收線圈之間的禪合，該源線圈和接收線圈被長距離分離開來，或者，具有相對(duì) 大的尺寸比（size ratio)。在本發(fā)明中，使用多個(gè)并行的(parallel)中繼器來改善源線圈 和接收線圈之間的禪合。此外，我們使用接收器的金屬失諧效應(yīng)來改善電源傳輸(power transf er)的選擇性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種無線充電器，用于給多個(gè)設(shè)備充電。該無線充電 器包括一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，禪接于驅(qū)動(dòng)放大器。多個(gè)中繼線圈禪合到所述一個(gè)或多個(gè)驅(qū) 動(dòng)線圈。一個(gè)或多個(gè)接收線圈禪合到所述中繼線圈。所述一個(gè)或多個(gè)中繼線圈被調(diào)諧，W使 得當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)接收線圈極為接近(in close proximity)時(shí)，所述中繼線圈才是共振 的（resonant)。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種形成(form)無線充電器的方法，用于給多個(gè) 設(shè)備充電。該方法包括:提供一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈，所述一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈禪接于驅(qū)動(dòng)放 大器。此外，該方法包括:放置(positioning)多個(gè)中繼線圈，所述多個(gè)中繼線圈禪合到所述 一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈。此外，該方法包括:放置一個(gè)或多個(gè)接收線圈，所述一個(gè)或多個(gè)接收 線圈禪合到所述中繼線圈。所述一個(gè)或多個(gè)中繼線圈被調(diào)諧(tuned), W使得當(dāng)一個(gè)或多個(gè) 共振線圈極為接近時(shí)，該中繼線圈才是共振的。
【附圖說明】
[0010] 圖1是說明無線電源系統(tǒng)的通用電路的示意圖；
[0011] 圖2是說明普通線圈結(jié)構(gòu)的示例；
[0012] 圖3是說明圖2所示線圈結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0013] 圖4是根據(jù)本發(fā)明說明一種1:2禪合的磁性系統(tǒng)的示意圖；
[0014] 圖5是說明圖4所示線圈結(jié)構(gòu)模式的示意圖；
[0015] 圖6是根據(jù)本發(fā)明說明一種1:2并聯(lián)禪合的磁性系統(tǒng)的示意圖；
[0016] 圖7是說明圖6所示線圈結(jié)構(gòu)模式的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明描述了一種用W設(shè)計(jì)多個(gè)設(shè)備無線充電器的技術(shù)，該多個(gè)設(shè)備無線充電器 具有大充電區(qū)域而有源電路極小。本發(fā)明刻意(del化erately)調(diào)整(tune)中繼器偏離共振 (off resonance), W使得中繼器僅在接收器金屬存在時(shí)才是諧振的（in化ne)。
[0018] 圖1示出了一種共振式無線電源(resonant wireless power,RWP)系統(tǒng)102?？蒞 用來描述RWP系統(tǒng)的大部分重要方面的兩個(gè)復(fù)數(shù)阻抗（complex impedance)是：開路阻抗 (open-circuit impedance)Zoc和反射阻抗（refIected impedance)Zref?？蒞W多種不同 的方式建模源線圈（source coil)L1和接收線圈（receiver coil)L2之間的互感(Mutual inductance)(或禪合，coupling)。禪合可W被表示為互感M，或無量綱禪合系數(shù)(unitless coupling coefficient)k?；ジ蠱、禪合系數(shù)k和線圈電感LI、L2服從等式1所表示的關(guān)系。
[0019] M二化拓奇 等式1
[0020] 在此情形中，禪合k被模型化為（is modeled as)與接收線圈L2串聯(lián)的流控電壓源 (current-controlled vol1:age source)。此電壓源Voc看到的阻抗（包括線圈L2、匹配網(wǎng)絡(luò) 106和負(fù)載(整流器、dc/dc、負(fù)載電流））為Zoc。在源端（source side)，當(dāng)禪合存在時(shí)，可W 將該禪合效應(yīng)建模為與源線圈Ll串聯(lián)的阻抗，該阻抗被稱作反射阻抗Zref。開路阻抗和反 射阻抗均為復(fù)數(shù)(complex quantity)，它們具有實(shí)部(有功部分)和虛部(無功部分）。對(duì)于 1:1的RWP系統(tǒng)，反射阻抗與開路阻抗的關(guān)系如等式2。
[0021] Z喊=等式2 '厶OC
[0022] 圖2描繪了 S線圈無線電源系統(tǒng)2的一種示例。被標(biāo)注為"src"的源放大器(source amplifier巧區(qū)動(dòng)一驅(qū)動(dòng)線圈（化ive coil化1，W形成發(fā)射器(transmitterM。此驅(qū)動(dòng)線圈 Ll通過禪合系數(shù)kl2禪合到具有線圈電感L2的中繼線圈6。中繼器6通過禪合k23并經(jīng)由接收 線圈L3禪合到接收器(receiver)RX。也存在直接禪合kl3,但此禪合可W被忽略。中繼L2直 接連接至電容C。
[0023] 圖3示出了 一種圖2所示普通（standard)線圈結(jié)構(gòu)的模型（model)。發(fā)射器 (transmitter)4被模型化為具有電阻（resistance)Rs、可變電壓源（variable voltage sou;rce)Vs、源匹配網(wǎng)絡(luò)（source matching network)4和電感LI。發(fā)射器4通過禪合kl2磁禪 合到中繼器6。中繼器6被模型化為具有電感L2,該電感L2禪接于電容Cl。中繼器6通過禪合 k23磁禪合到接收器8。接收器8被模型化為具有電感L3a、接收匹配網(wǎng)絡(luò)16和電阻Rla。在發(fā) 射器4上，可W構(gòu)造等效電路結(jié)構(gòu)，W簡(jiǎn)化中繼器6和接收器8的負(fù)載模型。該等效電路結(jié)構(gòu) 12包括電壓源Rs、源匹配網(wǎng)絡(luò)18、電感Ll和反射阻抗（refIected impedance)Zref，該反射 阻抗Zref與中繼器6和接收器8有關(guān)。
[0024] 實(shí)