專利名稱：能量傳輸系統與能量傳輸端裝置的制作方法
技術領域：
本發明是有關于一種能量傳輸系統與能量傳輸端裝置，且特別是有關于一 種具有較小體積的能量傳輸系統與能量傳輸端裝置。
背景技術：
科技日新月異，人類發展出琳瑯滿目的電子產品以滿足其需求，然而諸多 電子產品系藉由有線傳輸方式的能量傳輸系統提供其所需的電源，例如變壓器 等，實不便利。為了讓使用者可不受拘束的使用電子產品，無線傳輸方式的能 量傳輸系統不斷的被開發，如何提升能量傳輸系統的傳輸效率，成為眾所追求 的目標之一。
在一個例子中，能量傳輸系統的能量傳輸端裝置中包括諧振器、饋入線圈 及共振器等等。當能量傳輸系統的能量傳輸端裝置傳輸能量訊號時，能量訊號 可透過諧振器以諧振出所需頻率，并且藉由饋入線圈將能量訊號耦合至共振器。 共振器再將能量訊號以無線地傳輸至能量傳輸系統的能量接收端裝置，以使電 子產品獲得能量訊號。然而，在傳輸過程中，諧振器的電感器會造成能量損耗， 因此將電感器與饋入線圈整合為金屬線圈。
然而，金屬線圈為滿足電感器的電感值以增加其匝數，如此，將使金屬線 圈的磁通量相對地上升，而金屬線圈與共振器間的互感值及金屬線圈與共振器 間的耦合量變大，造成了金屬線圈與共振器阻抗不匹配。若要達成阻抗匹配， 勢必增加金屬線圈與共振器的間距，來降低金屬線圈與共振器的互感值，如此 卻也增加了能量傳輸系統的體積。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的為提出一種能量傳輸系統。能量傳輸系統將饋入
5線圈與電感器整合為金屬線圈，并將金屬線圈分為兩部份，且分別以不同方向 繞制，于通電流后以降低金屬線圈的等效磁通量。如此，在不需增加金屬線圈 與共振器的間距的情況下，使得金屬線圈與共振器之間的阻抗相互匹配，進一 步可縮減能量傳輸系統的體積。
根據本發明的一方面，提出一種能量傳輸系統。能量傳輸系統包括能量傳 輸端裝置及能量接收端裝置，能量傳輸端裝置包括第一金屬線圈、第一電容以 及第一共振器。第一金屬線圈具有第一部份與第二部份，第一部份以第一方向
繞制，且具有N匝，第二部份以第二方向繞制，且具有M匝，第一部份與第二 部份相鄰，第一金屬線圈用以實現等效電感及第一耦合電路，N與M為正實數。 第一電容用以接收輸入能量訊號，第一電容與等效電感形成電感電容諧振器， 用以根據輸入能量訊號轉換得到第一內部能量訊號，并提供第一內部能量訊號 至第一耦合電路。第一耦合電路上的第一內部能量訊號耦合至第一共振器，以 使第一共振器具有第二內部能量訊號。第二內部能量訊號耦合至能量接收端裝 置，使得能量接收端裝置具有第三內部能量訊號。
根據本發明的另一方面，提出一種能量傳輸裝置，用以無線地提供輸出能 量訊號至能量接收端裝置。能量傳輸端裝置包括第一金屬線圈、第一電容及第 一共振器。第一金屬線圈具有第一部份與第二部份，第一部份以第一方向繞制， 且具有N匝，第二部份以第二方向繞制，且具有M匝，第一部份與第二部份相 鄰，第一金屬線圈實現一等效電感及第一耦合電路，N與M為正實數。第一電 容接收輸入能量訊號，第一電容與等效電感形成電感電容諧振器，用以根據輸 入能量訊號轉換得到第一內部能量訊號，并提供第一內部能量訊號至第一耦合 電路。第一共振器，第一耦合電路上的第一內部能量訊號耦合至第一共振器， 以使第一共振器具有第二內部能量訊號。其中，第一共振器上的第二內部能量 訊號更耦合至能量接收端裝置，以提供輸出能量訊號至能量接收端裝置。 為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文舉實施例，并配合附圖式，作詳細 說明如下。
圖1為本發明一實施例的能量傳輸系統的方框圖。圖2為應用圖1的能量傳輸系統的電路圖。
圖3A為圖2中金屬線圈的一例。
圖3B為圖2中金屬線圈于共振器一側的一例的側視圖。
圖4為圖2中金屬線圈于共振器一側的另一例的側視圖。
具體實施例方式
本發明提出了一種能量傳輸系統，包括能量傳輸端裝置及括能量接收端裝 置。能量傳輸端裝置，包括第一金屬線圈、第一電容及第一共振器。第一金屬 線圈具有第一部份與第二部份，第一部份以第一方向繞制，且具有N匝，第二
部份以第二方向繞制，且具有M匝，第一部份與第二部份相鄰，第一金屬線圈 用以實現等效電感及第一耦合電路，N與M為正實數。第一電容接收輸入能量 訊號，第一電容與等效電感形成電感電容諧振器，用以根據輸入能量訊號轉換 得到第一內部能量訊號，并提供第一內部能量訊號至第一耦合電路。第一共振 器，第一耦合電路上的第一內部能量訊號耦合至第一共振器，以使第一共振器 具有第二內部能量訊號。能量接收端裝置，第二內部能量訊號耦合至能量接收 端裝置，使得能量接收端裝置具有第三內部能量訊號。現舉一實施例說明如下。
請參照圖1,其為本發明一實施例的能量傳輸系統的方框圖。能量傳輸系統 100包括能量傳輸端裝置10及能量接收端裝置30。能量傳輸端裝置10包括金 屬線圈M1、電容C1及共振器12。電容C1與金屬線圈M1彼此耦接，電容C1 接收輸入能量訊號Pi。舉例來說，輸入能量訊號Pi為一方波能量訊號。
請參照圖2，其為圖1中能量傳輸系統的詳細電路圖。金屬線圈M1例如用 以實現等效電感L1及耦合電路Cpl。等效電感Ll與電容C1形成電感電容諧振 器14，用以根據輸入能量訊號Pi轉換得到內部能量訊號Pa，并將內部能量訊號 Pa提供至耦合電路Cpl。舉例來說，內部能量訊號Pa為弦波能量訊號。本實施 例的輸入能量訊號并不以此為限制，在其它例子中，能量訊號Pa也可為三角波 或其它波形的訊號。
耦合電路Cpl上的能量訊號Pa耦合至共振器12，使共振器12具有內部能 量訊號Pb。舉例來說，共振器12包括金屬線圈M2及電容C2。金屬線圈M2 的一端耦接至電容C2的一端，而金屬線圈M2與電容C2的另一端分別耦接至
7接點A1與接點A2。其中，接點Al與接點A2可連接至地，于另一例子中，接 點Al與接點A2也可不連接至地。金屬線圈M2實現等效電感，與電容C2形 成電感電容共振器。
共振器12上的內部能量訊號Pb更耦合至能量接收端裝置30，使能量接收 端裝置30具有內部能量訊號。舉例來說，能量接收端裝置30包括共振器32及 耦合電路34。共振器12上的內部能量訊號Pb耦合至能量接收端裝置30的共振 器32，使共振器32具有內部能量訊號Pc。共振器32上的內部能量訊號Pc耦 合至耦合電路34，如此，耦合電路34可對應地提供輸出能量訊號Po。
舉例來說，共振器32包括金屬線圈M3及電容C3。金屬線圈M3的一端耦 接至電容C3的一端，金屬線圈M3與電容C3的另一端分別耦接至接點A3與 接點A4。其中，接點A3與接點A4可連接至地，于另一例子中，接點A3與接 點A4也可不連接至地。金屬線圈M3實現等效電感，與電容C3形成電感電容 共振器。
舉例來說，金屬線圈M1需具有較高的線圈匝數以有效地實現等效電感L1 及耦合電路Cpl。傳統上，具有較高線圈匝數的金屬線圈通電后將產生較高的磁 通量，為維持金屬線圈與共振器間的互感值，耦合量需對應地下降，即須對應 地增加間距，以使金屬線圈與共振器的阻抗能相互匹配。在一個例子中，金屬 線圈Ml以不同方向分為兩部份繞制，以降低金屬線圈Ml產生的等效磁通量。 如此，在維持同樣的互感值下，因耦合量的下降，金屬線圈Ml與共振器12間 之間距可對應地下降，而金屬線圈Ml與共振器12仍可達到阻抗匹配。接下來， 茲舉一例如下說明。
請參照圖3A，其為圖2中金屬線圈的一例。金屬線圈Ml具有第一部份SI 與第二部份S2,第一部份SI以方向Dl繞制，且具有N匝，第二部份以方向 D2繞制，且具有M匝，第一部份S1與第二部份S2相鄰，N與M均為正實數。 舉例來說，若金屬線圈Ml原先具有五匝，將其分為第一部份SI及第二部份S2， 且其分別具有三匝與兩匝。第一部份SI的繞制方向Dl與第二部份S2的方向 D2例如彼此相反。
當電流于第一部份S1的起始端T1且由方向D1流入，并于第二部份S2的 終端T2且由方向D2流出后，第一部份Sl與第二部份S2所產生的磁通量是相反，使金屬線圈M1的等效磁通量實質上對應至一匝金屬線圈的磁通量。如此， 金屬線圈M1與共振器12之間因耦合量的下降，間距可對應地下降，而金屬線 圈Ml與共振器12因互感值仍相等因而可達成阻抗匹配。
雖然，本實施例的第一部份Sl與第二部份S2是以具有的匝數不相同為例 作說明，然并不以此為限制。舉例來說，第一部份S1與第二部份S2具有的匣 數也可相同。當第一部份Sl與第二部份S2具有相同匝數時，金屬線圈Ml產 生的等效磁通量接近零。如此，可使能量傳輸端裝置10整體上具有較低的電磁 能量。這樣一來，可使能量傳輸端裝置10能更容易的符合相關產品的電磁干擾 (Electro Magnetic Interference, EMI)的規定。茲舉一例詳細說明如下。
請同時參照圖2與圖3B，圖3B為圖2中金屬線圈于共振器一側的一例的 側視圖。共振器12與金屬線圈M1位于同平面上，且金屬線圈M1與共振器12 的間距實質上為零。共振器12的軸心與金屬線圈M1的軸心平行，例如共振器 12的軸心與金屬線圈Ml的第一部份Sl與第二部份S2的軸心實質上平行，但 并不以此為限制。
舉例來說，共振器12的金屬線圈M2與金屬線圈Ml的第一部份Sl的電流 方向系相同，其產生第一方向的磁通量。金屬線圈M2與金屬線圈M1的第二部 份S2的電流方向與第一部份Sl(即是金屬線圈M2的電流方向)相反，其分別產 生第二方向的磁通量及第一方向的磁通量，其中第一及第二方向彼此互為相反 方向。在這個例子中，方向相同的磁通量彼此耦合產生正極性的磁能耦合量， 而方向相反的磁通量彼此耦合產生負極性的磁能耦合量。舉例來說，在第一部 份Sl與金屬線圈M2定義的區域b產生的磁能耦合量和由第二部份S2與金屬 線圈M2定義的區域d產生的磁能耦合量對應地具有第一極性(例如是正極性)。 由第一部份Sl與金屬線圈M2定義的區域a產生的磁能耦合量與由第二部份S2 和由第二部份S2與金屬線圈M2定義的區域c產生的磁能耦合量對應地具有第 二極性(例如是負極性)。金屬線圈Ml與M2的等效耦合量由前述各區域a-d產 生的磁能耦合量的和來決定，而透過調整區域a-d的面積大小可相對應改變金屬 線圈Ml與M2的等效磁能耦合量。然而，更可透過調整金屬線圈M2繞制的面 積，相對地改變區域a-d產生的磁能耦合量的極性，進而改變金屬線圈Ml與 M2的等效磁能耦合量。茲舉另一例說明如下。請參照圖4，其為圖2中金屬線圈于共振器一側的另一例的側視圖。請同時 參照圖3B與圖4，舉例來說，假設電流方向與圖3所述相同，相較于區域a與 區域b，金屬線圈M2A與第一部分SlA定義的區域al例如是只具有單一極性(例 如系正極性)，相較于區域c與區域d，金屬線圈M2A與第二部分S1A定義的區 域a2例如是具有單一極性(例如系負極性)，如此，金屬線圈M1A與M2A的等 效耦合量由前述的區域al、區域a2產生的磁能耦合量的和來決定。雖然，本實 施例以此為例作說明，但并不以此為限制，只要金屬線圈M1A的第一部份S1A 與第二部份S2A與金屬線圈M2A定義的區域能隨著所需要的耦合量而調整者， 皆在本發明的范圍內。
本發明上述實施例所揭露的能量傳輸系統與能量傳輸端裝置的金屬線圈可 降低等效磁通量，使得金屬線圈與共振器間的互感值與間距相對地下降仍可有 效的達成阻抗匹配，進而縮小能量傳輸裝置及系統的體積，增加其應用范疇。
權利要求
1.一種能量傳輸系統，其特征在于包括一能量傳輸端裝置，包括第一金屬線圈，具有第一部份與第二部份，該第一部份以第一方向繞制，且具有N匝，該第二部份以一第二方向繞制，且具有M匝，該第一部份與該第二部份相鄰，該第一金屬線圈用以實現等效電感及第一耦合電路，N與M為正實數；第一電容，接收一輸入能量訊號，該等效電感與該第一電容形成電感電容諧振器，用以根據該輸入能量訊號轉換得到第一內部能量訊號，并提供該第一內部能量訊號至該第一耦合電路；及第一共振器，該第一耦合電路上的該第一內部能量訊號耦合至該第一共振器，以使該第一共振器具有一第二內部能量訊號；以及能量接收端裝置，該第二內部能量訊號耦合至該能量接收端裝置，使得該能量接收端裝置具有第三內部能量訊號。
2. 如權利要求1所述的能量傳輸系統，其特征在于該第一共振器包括 第二金屬線圈，該第二金屬線圈的一端接地；以及第二電容，該第二電容的一端電性連接該第二金屬線圈的另一端，該第二 電容的另一端接地。
3. 如權利要求1所述的能量傳輸系統，其特征在于該能量接收端裝置包括-第二共振器，該第一共振器上的該第二內部能量訊號系耦合至該第二共振器，以使該第二共振器具有該第三內部能量訊號；以及第二耦合電路，該第二共振器上的該第三內部能量訊號耦合至該第二耦合 電路，以輸出一輸出能量訊號。
4. 如權利要求1所述的能量傳輸系統，其特征在于該第二共振器包括 第三金屬線圈，該第三金屬線圈的一端接地；以及第三電容，該第三電容的一端電性連接該第三金屬線圈的另一端，該第三 電容的另一端接地。
5. 如權利要求1所述的能量傳輸系統，其特征在于該輸入能量訊號為一方 波訊號，該方波訊號經由該電感電容諧振器以形成一弦波訊號。
6. 如權利要求1所述的能量傳輸裝置，其特征在于該第一金屬線圈位于該 第一共振器的一側，并且相隔一間距；該間距的大小與該第一金屬線圈的該第 二部份的磁通量相關。
7. 如權利要求1所述的能量傳輸裝置，其中，該第一共振器的軸心與該第 一金屬線圈的軸心實質上平行。
8. —種能量傳輸端裝置，用以無線地提供一輸出能量訊號至一能量接收端 裝置，其特征在于該能量傳輸端裝置包括第一金屬線圈，具有第一部份與第二部份，該第一部份以第一方向繞制， 且具有N匝，該第二部份以第二方向繞制，且具有M匝，該第一部份與該第二 部份相鄰，該第一金屬線圈并用以接收實現等效電感及第一耦合電路，N與M 為正實數；第一電容，用以接收一輸入能量訊號，該等效電感與該第一電容形成電感 電容諧振器，用以根據該輸入能量訊號轉換得到第一內部能量訊號，并提供該 第一內部能量訊號至該第一耦合電路；以及第一共振器，該第一耦合電路上的該第一內部能量訊號耦合至該第一共振 器，以使該第一共振器具有一第二內部能量訊號；其中，該第一共振器上的該第二內部能量訊號更耦合至該能量接收端裝置， 以提供該輸出能量訊號至該能量接收端裝置。
9. 如權利要求8所述的能量傳輸端裝置，其特征在于該第一共振器包括 第二金屬線圈，該第二金屬線圈的一端接地；以及第二電容，該第二電容的一端電性連接該第二金屬線圈的另一端，該第二 電容的另一端系接地。
10. 如權利要求8所述的能量傳輸端裝置，其特征在于該輸入能量訊號為一 方波訊號，該方波訊號經由該電感電容諧振器以形成一弦波訊號。
11. 如權利要求8所述的能量傳輸端裝置，其特征在于，該第一金屬線圈位 于該第一共振器的一側，并且相隔一間距；該間距的大小與該第一金屬線圈的 該第二部份的磁通量相關。
12.如權利要求8所述的能量傳輸端裝置，其特征在于該第一共振器的軸心與該第一金屬線圈的軸心平行。
全文摘要
能量傳輸系統與能量傳輸端裝置，該能量傳輸系統包括一能量傳輸端裝置，其包括第一金屬線圈，該第一部份以第一方向繞制，且具有N匝，該第二部份以一第二方向繞制，且具有M匝，該第一部份與該第二部份相鄰，該第一金屬線圈用以實現等效電感及第一耦合電路；第一電容，接收一輸入能量訊號，該等效電感與該第一電容形成電感電容諧振器，及第一共振器，該第一耦合電路上的該第一內部能量訊號耦合至該第一共振器，以使該第一共振器具有一第二內部能量訊號；以及能量接收端裝置，該第二內部能量訊號耦合至該能量接收端裝置，使得該能量接收端裝置具有第三內部能量訊號。
文檔編號H02J17/00GK101594010SQ200910145618
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月15日 優先權日2009年5月15日
發明者何闿廷, 林志隆 申請人:蘇州達方電子有限公司;達方電子股份有限公司