專利名稱：近程有效無線功率傳送的制作方法
近程有效無線功率傳送本申請案主張2008年4月21日申請的第61/046,757號臨時申請案的優先權，所 述臨時申請案的整個內容以引用的方式并入本文中。
背景技術：
我們先前的申請案和臨時申請案，包含(但不限于)2008年1月22日申請的題 目為“無線設備和方法(Wireless Apparatus and Methods)”的第12/018,069號美國專利申 請案(其整個揭示內容以引用的方式并入本文中)，描述了發射器與接收器之間的無線功 率傳送。發射和接收天線優選為諧振天線，其為大體上諧振的，例如10%的諧振、15% 的諧振或20%的諧振以內。天線可具有小尺寸以允許其配合到用于天線的可用空間可能 有限的移動手持裝置中。一實施例描述針對正在發射和接收的功率的特定特性和環境的 高效率天線。一個實施例通過將能量存儲在發射天線的近場中而不是以行進電磁波的形式將 能量發送到自由空間中而在兩個天線之間使用有效的功率傳送。此實施例增加了天線的 質量因數(Q)。這可減小輻射電阻(民)和損耗電阻(R1)。發明人注意到由此系統提出的許多解決方案包含在一距離下的功率遞送，例如 在從功率發射器到接收器的數英寸或英尺上的功率遞送。在我們的共同待決申請案中揭 示的技術允許以合理的效率(例如在3英尺與5英尺之間)和從5%到40%的效率來遞送 功率。
發明內容
然而，注意到許多用戶和/或制造商實際上偏好較高的功率遞送效率，且希望 以近距離接受此功率遞送。舉例來說，許多人偏好超過90%有效的功率遞送解決方案， 即使所述功率遞送解決方案使用起來不太方便。發明人注意到已用于在一距離下的功率 遞送的諧振可實際上用以當在緊密接觸情形中使用時產生非常高的效率。—方面描述一種磁耦合諧振系統，其包含抵靠其接納待被提供功率的裝置的第 一墊表面。所述裝置使用磁耦合諧振以第一功率傳送效率向所述墊表面上的裝置提供功 率。以低于所述第一效率的第二功率傳送效率向不在所述第一表面上的其它裝置提供功 率，所述其它裝置例如為遠離所述墊例如少于12英寸或少于3英尺的裝置。所述裝置和墊可各自使用具有天線的磁諧振電路，所述天線由經調諧到適當頻 率的由線圈形成的電感器和單獨電容器形成。本申請案揭示使用這些技術來形成無線桌面。無線桌面可用以對例如通信終 端、蜂窩式電話或基于計算機的外圍裝置等個人電子裝置充電，這些被充電裝置是使用 無線能量傳送技術在無電線的情況下被供電或被再充電或兩者。
圖1展示具有被無線供電項目的無線桌面；圖2展示等效電路；圖3A到3F展示具有和不具有折頁(foldout)的墊上的單個接收器；圖4展示單個接收器的效率；圖5A到5D展示具有多個接收器的墊；圖6展示多個接收器的傳送效率；圖7展示使用寄生的共面場耦合；以及圖8展示桌面寄生。
具體實施例方式一實施例使用利用磁場天線的耦合磁性諧振。實施例可在任一頻率下操作，但 兩個實施例可在LF(例如，135kHz)或HF(例如，13.56MHz)下但以近距離來操作。一個 實施例使用與電容器串聯的環形線圈作為天線。在一個實施例中，接收器部分(例如， 便攜式裝置)既定直接放置于墊上。在此實施例中，發射器與接收器之間存在相對小的 固定距離。所述固定距離例如可通過墊的材料和外殼的材料的厚度來設定。此在形成發 射器與接收器的線圈之間可小于一厘米或小于10mm。所述距離將為恒定的，因此所述 項目在被抵靠墊按壓時始終距天線相同的距離。所述固定距離取決于墊的幾何形狀和被充電項目的幾何形狀。在實施例中，天 線可經調諧為在所述恒定距離處具有最大響應。此調諧以及本說明書中描述的其它調諧 操作可經計算且隨后通過例如試錯法(trial and error)來優化。然而，不同于其它近距離充電系統，此系統還可對位于與天線相距一距離(例 如，數英寸或英尺)處的項目充電。天線在一距離下充電時不太有效，但仍將在所述距 離下提供功率。這允許對未直接放置于充電墊上的項目充電-不同于除了在極為特定的 固定距離和/或定向下之外本質上完全不提供任何電荷的純感應系統。這產生了某些優點，包含在將裝置放置于充電墊上時使用較小精度的能力。即 使裝置未放置于墊上，其仍將從附近以較低電平接收充電。即使當裝置未精確放置于墊 上時，較低電平電荷也可例如在0.05瓦與0.25瓦之間。為了有效地利用桌面空間且減少桌面布線，功率發射器/功率基座的天線可并 入到通常存在于桌面上的主機裝置中。實施例將所述主機裝置描述為包含PC監視器或 燈，但可為任何其它項目，例如打印機、掃描儀、傳真機、電話、路由器等。發射器單元可從已經存在于此主機裝置中的110/230VAC電源直接供電，因此不 需要額外的電源線或功率連接。在一個實施例中，如圖1所示，發射天線嵌入于PC監視器屏幕100的底座104 中或桌燈110的底座112中。底座可為圓盤形以容納產生對稱磁場的圓形線環形天線。 此場在桌上在天線環的平面中的任何位置處幾乎都是垂直極化的。此實施例支持集成在 具有無線功率功能的裝置中的天線環的共面定向；也就是說，當接收裝置中的環形線圈 定向于與發射裝置中的環形線圈大體上平行的平面中時將獲得最佳功率傳送。充電基座 的表面可大體上與線圈平行，使得可維持共面關系。圖7說明共面操作可如何擴展到桌
5面上的所有項目。此共面定向可例如用于(在以通常方式放置的情況下)集成到鍵盤、鼠標裝置和 例如移動電話、MP3播放器、PDA等許多其它電子裝置中的線環形天線。然而，此可在 其它應用中使用。在另一實施例中，在如圖1所示的桌面上可能存在一個以上功率基座。功率從 最靠近接收裝置的基座或從多個不同源供應。每一功率基座還可提供用以將裝置直接放置于線環形天線上的區域，從而導致 最強耦合，因此實現高效率下的高功率傳送。此緊密接近耦合是通過提供例如鄰近于充 電線圈的表面105來實現。在此實施例中，一個以上裝置可放置于此充電墊表面105上。 這具有的另一優點是允許較大的用于發射的線圈，其還提供改進的效率。具有較長的電池使用時間(battery autonomy)的低功率裝置(例如鍵盤或計算機 鼠標)可放置于功率基座的附近以通過接近耦合來充電。用于這些裝置的可用功率和傳 送效率將低于固定距離耦合的情況。然而，這些裝置可恒定地充電且間歇地使用。因 此，這些裝置不需要連續充電。在一個實施例中，當其它裝置另外放置于充電墊上時充 電量可能減少，因為多個裝置可比單個裝置對系統造成更重負擔。功率基座附近的磁場強度將優選低于安全臨界水平。功率基座可另外提供在人 員正接近的情況下自動減少磁場強度的功能。此功能可使用紅外線或微波人員檢測108。 此可為接近檢測器(proximity detector)，例如可通過用戶接近而激活的檢測器。第一實施例手動致動接近檢測器。在磁場存在的情況下感到不舒服的人員可開 啟所述功能。此功能將還可致使附近的裝置在人員位于附近時的時間期間停止接收功 率。這可例如使用IR檢測器來檢測人員的存在。另一實施例可始終使接近檢測器處于活動中，且在...時自動關閉所述功能。例如無繩電話、數碼相機等其它裝置可放置于充電臺上。這允許使無線功率接 收器及其天線成為再充電臺的組成部分。充電臺可提供較多區域和/或空間來集成有效 的功率接收器而不是便攜式裝置本身。舉例來說，這可使用電觸點，或通過使用無線技 術或無線寄生天線，如本文描述。充電臺本身可經配置為且用作功率中繼器或寄生天 線，其改進發射器與接收電荷的便攜式裝置之間的耦合。在圖1所示的實施例中，在用戶的“桌面”上可能存在若干不同的電操作裝 置，其可為用戶用于每日工作的項目。一個此項目是用于PC的監視器100。此消耗由 插入到AC電源插座中的IlOV連接102提供的功率而操作。IlOV連接100為監視器的 操作提供功率，且還為集成到監視器的基座中的無線表面104提供功率。充電墊可使用 本文詳細描述的技術。無線接近充電可在區域105中啟用，區域105形成基座上的平坦表面。根據此 實施例，無線接近充電可針對近距離連接特定調諧，但其也可在較遠距離連接上適當操 作。表面105可經定尺寸以使得例如手機和PDA(例如107)等裝置可擱置于表面上。雖 然充電針對區域105優化，但充電也在其它區域中實施。在此實施例中，還存在作為桌燈110的一部分的另一充電基座。此形成其上具 有區域113的充電基座112。如在104充電基座中一樣，充電經優化以用于使用磁耦合諧 振實施例如114等項目的近距離(up close)接近充電。其也可對距充電基座較遠的項目充電。除了在充電基座上對例如114等項目充電之外，項目中的任一者或兩者還產生 磁諧振輸出功率，所述磁諧振輸出功率耦合到為無線充電而啟用的遠程裝置。這些遠程 裝置例如可在其中包含以與發射相同的頻率諧振的磁諧振天線。在一實施例中，這可處 于13.56MHz或處于135Khz或處于任何其它頻率。被充電裝置可包含數碼相機121、無線鼠標122和無線鍵盤123。這些裝置中的 每一者例如可在其中包含電池，所述電池通過裝置的操作而充電。一個重要特征在于，近距離充電(up close charge)可以高效率實施，或遠距離充 電(distance charge)可以較低效率實施。圖2展示功率發射系統的等效電路，且說明可如何計算效率。功率源200部分 包含功率源205，例如AC插座。功率源205具有等效損耗電阻210。損耗電阻210對 電阻和功率轉換損耗進行建模。或者，例如在來自功率源的功率改變到某一其它頻率或 某一其它功率值的情況下，功率源可包含轉換電子元件的一些部分。功率源205經由端子215連接到天線部分220。天線包含電感器230和串聯電 容235。電感器和電容的LC常數經調諧以大體上處于源205的頻率。天線還展示損耗 電阻值235，其為表示發射天線損耗的寄生值，所述損耗包含內部損耗、外部損耗和輻射 損耗。磁場250在天線230附近產生。其耦合到接收器的天線240。如在天線230中 一樣，天線240包含電感器242電容器244。電感器和電容器形成與接收到的所接收頻率 諧振的電路。串聯電阻246展現接收天線損耗。輸入功率&經由端子248連接到負載260。 負載260還包含展示為串聯電阻的接收功率損耗262，其可作為系統中的損耗來建模。這些損耗可包含功率轉換損耗以及串聯電阻損耗。另一系統可嘗試在各種不同情境中獲得最大效率。舉例來說，在一種情境中， 可通過在存在未加載的接收器的情況下改變電容以獲得操作頻率下的諧振來調諧發射天 線。在未加載的接收器情境中，負載的電阻是無限大的。經加載的接收器改變此電阻。 還可通過在存在未加載的發射器的情況下或在多個發射器的情況下調諧接收天線以改變 電容等來實施接收器測量。可測量不同的值。電容值調整可用于例如未加載、適度加載(例如，單個負載) 或高程度加載的系統。可動態切換不同的電容值以產生最高效率值且以所述值操作。圖3A到3F展示充電的不同情境。圖3A展示大的充電墊305上的常規PDA 300。在所述實施例中，這可為可具有26cm直徑的低頻率充電墊。另一實施例可使用 PDA 310,其包含折頁式天線部分315。折頁式天線部分315可包含可遠離裝置的主體而 折疊以改進耦合效率的環形天線。圖3C展示小的墊實施例，其中墊320大體上與PDA 300尺寸相同。在此實施 例中，墊可為6x 9cm。圖3B展示此墊可如何與折頁實施例(其中翼片(flap) 315直接配 合在墊320上)一起使用。圖3E和3F中展示中型墊。在此實施例中，中型墊330上包 含PDA300，或其折頁平坦的折頁式PDA 310。中型墊在此實施例中直徑可為18cm。這些裝置的效率結果在圖4中展示，圖4展示不同尺寸的裝置可如何在不同尺寸
7的墊上定位。六種情形中的五種具有大于80%的效率。即使由具有在電話中的集成接收 器的大的墊產生的最低效率也具有50%的傳送效率。圖5A到5D中展示的另一實施例可使用全部在同一墊上的多個接收器。由于墊 (尤其是大的和中型的墊)具有足夠大以物理上保持多個不同電話的尺寸，因此多個不同 裝置可全部放置于所述墊上。圖5A到5D說明這些不同實施例。在圖5A中，墊305上包含三個PDA電話/ 裝置，展示為400、402和404;然而，所述墊可包含更多或更少的裝置。在圖5B實施例中，裝置具有折頁式天線(其中裝置510、512和514各自表示墊 上的一 PDA)，且其折頁抵靠墊而平坦且遠離電話的主體。圖5C展示中型墊330，其上具有兩個電話400、402，而圖5B展示此同一墊， 其上具有兩個折頁510、512。圖6展示此系統的測得的效率，其中大多數的效率再次大于80%。系統的效率na可計算為端子215上的輸入功率除以端子248上的接收功率^ na = Pr/Pto圖8中所示的另一實施例形成功率中繼器作為寄生天線，其改進能量源與散能 裝置(energy sink)之間的耦合。能量源由諧振天線810形成，其可為諧振電容器和電感 器。可使用寄生天線800，其也可以相同頻率諧振。此寄生天線可經擴展以覆蓋桌面區 域820的大部分，如圖所示。此寄生環路可安裝在桌下方，或建置到桌面表面中，或放 在桌的表面上例如作為平坦結構(例如，桌墊板)。寄生裝置可由單個且小的有源功率基 座來激勵，且可用以顯著改進所述區域中的無線桌面供電和充電的性能和效率。然而來自小的功率基座的感應性激勵可為方便的解決方案，因為其不需要任何零 件的集成。在寄生天線以不可見方式集成到桌面中時尤其如此。圖8說明大的寄生環路， 借此改進功率基座與接收器裝置之間的耦合。寄生環路可覆蓋整個桌表面，從而提供遍及 所述桌表面的熱區。寄生天線在此實施例中提供功率向整個桌面區域的無源中繼。同一種類的天線在另一實施例中也可直接從發射器單元來驅動。本文描述可用以實現實施較一般目標的不同方式的一般結構和技術以及較特定 的實施例。雖然上文已詳細揭示僅幾個實施例，但其它實施例是可能的且發明人既定這些 涵蓋于本說明書內。說明書描述特定實例以實現可以另一方式實現的較一般目標。本發 明既定為示范性的，且權利要求書既定涵蓋所屬領域的一般技術人員可能可預測的任何 修改或替代。而且，發明人既定僅使用詞語“用于...的裝置”的那些權利要求既定根據 35USC 112第六章來解釋。此外，來自說明書的任何限制均不既定在任何權利要求中加 入另外的意思，除非在權利要求中明確包含那些限制。在本文提到特定數值的情況下，應考慮到所述值可增加或減小20%，同時仍保 持在本申請案的教示內，除非明確提到某一不同范圍。在使用指定邏輯意義的情況下， 也既定涵蓋相反的邏輯意義。
權利要求
1.一種系統，其包括磁耦合諧振系統，其包含待被提供功率的裝置抵靠其定位的第一表面，且以第一功 率傳送效率向所述第一表面上的所述裝置提供功率，且以低于所述第一效率的第二功率 傳送效率向不在所述第一表面上的其它裝置提供功率，所述裝置中的每一者使用鄰近于 所述第一表面的發射天線與至少一個裝置中的接收天線之間的磁耦合諧振來接收所述功率。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述系統針對所述第一表面上的最大效率而被調諧。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述發射天線針對所述墊的材料的厚度而被調諧。
4.根據權利要求1所述的系統，其中不在所述第一表面上的所述裝置遠離所述第一表 面數英寸。
5.根據權利要求1所述的系統，其中不在所述第一表面上的所述裝置遠離所述第一表 面數英尺。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一表面集成到桌面組件中。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述桌面組件是監視器的基座。
8.根據權利要求6所述的系統，其中所述桌面組件是燈的基座。
9.根據權利要求6所述的系統，其中所述桌面組件是監視器的基座。
10.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一表面平行于所述第一表面中的天線的 線圈。
11.根據權利要求1所述的系統，其進一步包括允許檢測人員的接近且在檢測到人員 的所述接近后即刻終止發射的裝置。
12.根據權利要求11所述的系統，其中所述裝置接通以檢測所述人員的接近，且斷開 以連續發射功率。
13.—種系統，其包括磁耦合諧振系統，其使用磁耦合諧振向裝置提供功率，裝置，其耦合到所述磁耦合諧振系統，所述裝置允許檢測人員的接近且在檢測到人 員的所述接近后即刻終止發射。
14.根據權利要求13所述的系統，其中所述裝置接通以檢測所述人員的所述接近，且 斷開以連續發射功率。
15.根據權利要求13所述的系統，其中所述磁耦合諧振系統包含待被充電的裝置抵靠 其定位的第一表面，且以第一功率傳送效率向所述第一表面上的裝置提供功率，所述裝 置中的每一者使用鄰近于所述第一表面的發射天線與至少一個裝置中的接收天線之間的 磁耦合諧振來接收所述功率。
16.根據權利要求15所述的系統，其中所述磁耦合諧振系統進一步以低于所述第一效 率的第二功率傳送效率向不在所述第一表面上的其它裝置提供功率。
17.根據權利要求16所述的系統，其中所述系統針對所述第一表面上的最大效率而被 調諧。
18.根據權利要求16所述的系統，其中所述發射天線針對所述墊的材料的厚度而被調諧。
19.根據權利要求16所述的系統，其中不在所述第一表面上的所述裝置遠離所述第一 表面少于12英寸。
20.根據權利要求16所述的系統，其中不在所述第一表面上的所述裝置遠離所述第一 表面少于3英尺。
21.根據權利要求16所述的系統，其中所述第一表面集成到桌面組件中。
22.根據權利要求21所述的系統，其中所述桌面組件是監視器的基座。
23.根據權利要求21所述的系統，其中所述桌面組件是燈的基座。
24.根據權利要求21所述的系統，其中所述桌面組件是監視器的基座。
25.根據權利要求16所述的系統，其中所述第一表面平行于所述第一表面中的天線的 線圈。
26.—種方法，其包括通過抵靠待被提供功率的裝置抵靠其定位的第一表面擱置第一裝置，使用磁耦合諧 振系統以無線方式對所述第一裝置進行第一供電，所述第一供電以第一功率傳送效率向 所述第一表面上的裝置提供功率；以低于所述第一效率的第二功率傳送效率以無線方式 對第二裝置進行第二供電，所述第二裝置不在所述第一表面上，所述第二裝置中的每一 者使用鄰近于所述第一表面的發射天線與至少一個裝置中的接收天線之間的磁耦合諧振 來接收所述功率。
全文摘要
使用磁耦合諧振從近距離(例如，一表面上)或者從較遠距離或在較遠距離上以無線方式對裝置供電。
文檔編號H02J17/00GK102017361SQ200980113946
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月21日 優先權日2008年4月21日
發明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·P·庫克, 漢斯彼得·威德默 申請人:高通股份有限公司