專利名稱：用于探測無線功率傳輸系統中的裝置的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及功 率傳輸技術。
背景技術：
為了對諸如蜂窩電話、PDA、遙控器、筆記本計算機等電池供電裝置的電池進行供電，或者對諸如燈或廚房電器的裝置直接供電，可以應用使能實現無線功率傳遞的感應功率系統。例如從W02008/050260知曉用于傳遞功率或者對移動裝置充電的感應功率系統。 這種系統通常包括在下文中稱為發射器的功率發射裝置，其包括可以單獨地被激勵的多個發射線圈，由此生成交變磁場。感應功率系統還包括功率接收裝置，該功率接收裝置包括需要功率的負載。為了接收功率，功率接收裝置設有接收線圈，由被激勵的發射器線圈提供的交變磁場在該接收線圈中感應電流。這個電流可以驅動接收裝置的負載，例如對電池充電或者將燈點亮。在下文中功率接收裝置是指包括接收線圈和負載的接收器。使能實現低的，優選地(幾乎)零的待機功率是非常重要的。例如，當無線功率發射器上沒有裝置時，功耗應幾乎為零。美國專利申請US2008/0157909提供一種用于探測功率發射裝置的發射器線圈和功率接收裝置的接收線圈之間的耦合的系統。當激勵發射器線圈時，電流傳感器監測通過發射器線圈的電流以判定功率接收裝置的接收線圈是否耦合到發射器線圈。該系統要求定期地激勵發射器線圈并且導致功率發射裝置太多的能耗，特別是當不存在功率接收裝置時。如果所述美國專利申請的系統用于包括多個發射器線圈的功率發射裝置中，每一個發射器線圈必須定期地被激勵，引起功率使用的進一步增加。另外，發射器線圈的定期激勵在定期的時間引入電磁場，該電磁場會導致例如電磁干擾，或者例如當銀行卡偶然放置在功率發射裝置上時，會擦除銀行卡的磁條上的信息。
發明內容
提供在待機模式中具有低功耗的方法和發射器將是有利的。本發明的第一方面提供如權利要求1所述的一種利用發射器探測接收器的方法。 本發明的第二方面提供如權利要求8所述的一種用于探測接收器的發射器。本發明的第三方面提供如權利要求12所述的一種利用發射器探測接收器的方法。本發明的第四方面提供如權利要求13所述的一種用于探測接收器的發射器。有利實施例在從屬權利要求中限定。依據本發明的第一方面，提供了一種利用發射器探測接收器的方法。該發射器旨在以感應方式發射功率到接收器。發射器包括作為第一電極的第一發射線圈并且包括第二電極。第一電極和第二電極形成電容器。該方法包括應用電壓到任何一個該電極的步驟， 并且包括探測電容器的電容變化的步驟。本發明提出一種用于通過電容探測來探測接收器是否安置在發射器的表面上的方法和裝置，其是快速的且不干涉感應功率傳遞。因此，對無線充電墊上的裝置的探測不受到在同一墊上已經被充電的另一裝置干涉。再者，所提出的探測方法以很小(或者幾乎沒有)功耗起作用。該方法是基于這樣的事實，安置在發射器的表面上的裝置將改變位于發射器表面下方的兩個電極之間，或者在一個電極與接地之間，或者在一個電極和接收器之間的電容。 將這種裝置安置在發射器表面上改變存在于不同電極之間的電容器的電容。這是源于兩個電極之間的空間的介電常數的感應變化，或者兩個電極之間的介電 距離的感應變化，或者介電常數和介電距離的變化的組合。在本發明的上下文中，這種方法也稱為"電容探測方法"。與感應探測相比，可以比較功率高效地執行電容變化的探測。只要電容不改變并且當DC電壓被使用時，沒有電流流自/流向電容器一只有當電容變化時少量電流流自或流向電容器。另外如果AC電壓應用到電容器且AC電壓可以恰當地設置大小，則比較少量電流流過電容器。因而，通過電容器的電流可以比較小或者基本上等于零，并且因此該電容探測方法的功耗比較低。例如借助低功耗集成電路，可以功率高效地執行探測。因而，探測接收器的方法是比較功率高效的。另外，電容探測不要求發射線圈的感應工作，并且因而無電磁場生成并且無電磁干擾產生。此外，使用第一發射線圈作為一個所述電極減小了構建使用電容探測來探測接收器的發射器所需要的部件的數目。不是引入附加的第一電極和第二電極，本發明的方法僅僅要求引入第二電極，并且因此發射器具有較不復雜的設計并且節約成本。在一實施例中，發射器還包括第二發射線圈，其充當第二電極。也就是說，兩個相鄰發射線圈可以用作電容器的兩個電極。對接收線圈的存在和位置的探測可以借助測量由兩個發射線圈形成的電容器的電容變化來完成。第一發射線圈用作第一電容器電極，其連接到第一端子。相鄰發射線圈用作第二電容器電極，其連接到第二端子。附近的另一線圈例如作為第三電容器電極，其連接到第三端子。相對于發射器線圈位置的接收線圈位置確定第一和第二端子之間，或者例如第一和第三端子之間的電容。換言之，發射器可具有多于一個發射線圈。發射器的每對發射線圈可形成電容器。 通過使用第一發射線圈作為第一電極以及使用第二發射線圈作為第二電極，實現了對發射器的部件的高效利用。無需在發射器的表面內引入附加電極，這防止發射器的發射線圈和附加電極之間的可能的相互作用。如果接收器安置在第一發射線圈的頂部上，在第二發射線圈的頂部上，或者部分地在第一發射線圈上和/或部分地在第二發射線圈上，由兩個發射線圈形成的電容器的電容變化，該變化被探測電路系統探測到。因而，該探測揭示接收器安置在或靠近該第一發射線圈，和/或安置在或靠近該第二發射線圈。這個知識可以開始由發射器進行接收器確認的另一過程，或者可以由第一發射線圈和/或第二發射線圈開始功率傳遞到接收器。如果發射器具有多個發射線圈以及如果在每對相鄰發射線圈的電容被監測以探測電容變化，則可以獲得接收器位置相對于發射線圈位置的相當精確的估算。所探測的位置可以用于激活接收器確認的另一過程，或者利用靠近或最靠近所探測的接收器位置的發射線圈，開始功率傳遞到接收器。作為此實施例的示例，探測電路系統連接到第二線圈，并且電壓應用到第一發射線圈，所述探測電路系統被用于監測由第一線圈和第二線圈形成的電容器之間的電容變化。
在另一實施例中，電容的第二電極定位在第一發射線圈的中心。實施例提出通過使用電容探測來局部化接收器。該方法將幾乎不涉及任何功耗， 是快速的并且不干涉感應功率傳遞。在作為第一電極的初級線圈和定位在初級線圈中心的第二電極之間實現探測電容器。接收器的探測因此直接對應于功率發射器線圈的位置并且需要較不復雜的局部化算法。換言之，在第一發射線圈的中心提供電極允許更精確探測相對于第一發射線圈位置的接收器位置。特別地，發射器能夠更精確地區分其中接收器恰好定位于第一發射線圈頂部上的情形和其中接收器部分地覆蓋第一發射線圈的另一情形。如果接收器恰好定位于第一發射線圈頂部上，電容變化將大于接收器部分地定位于第一發射線圈頂部上的情形。另外，如果發射器包括多個發射線圈，每個發射線圈設有在發射線圈中心的電極， 每一個該發射線圈與其中心電極形成電容器。如果接收器安置在發射器的表面上，一個該電容器表現出其電容的最大變化。所述電容器為由發射線圈和最靠近接收器的其相應中心電極形成的電容器。因而，判定哪個發射器線圈最靠近接收器是比較簡單的。第二電極可具有若干種形狀，包括有可能具有狹縫以減小渦電流的圓形、橢圓形、 矩形金屬板，線圈，在一側彼此連接的一組細導體等等。第二電極可以恰好定位于第一發射線圈的中心，然而，為了在第一發射線圈和第二電極之間形成電容器，第二電極也可以偏離中心定位。僅僅要求將第二電極定位于第一發射線圈內。作為此實施例的示例，探測電路系統連接到電容器的任何一個該電極，并且電壓應用到第一發射線圈，探測電路系統探測由第一發射線圈和在第一發射線圈中心的第二電極形成的電容器之間的電容變化。一種用于探測接收器裝置的無線功率發射器，所述發射器包括作為電容器的第一電極的第一發射線圈以及定位在第一發射線圈中心的電容器的第二電極，該發射器還包括連接到電容器的任何一個該電極的探測電路系統，所述發射器包括
第一單元，其用于應用電壓到第一發射線圈，
探測電路系統，其用于探測由第一和第二電極形成的電容器的電容變化。在一實施例中，第一發射線圈的繞組包括繞組的內部分和繞組的外部分。繞組的內部分為第一電極并且繞組的外部分為第二電極。例如在發射裝置的待機模式中，如果內繞組和外繞組彼此斷開，該布置變為電容布置，其中內部分和外部分用作電極。如果具有電容屬性的裝置安置在該布置頂部上，這些電極之間的容量增大。通過使用所描述的方法其中之一測量電容，可以探測到裝置。如果裝置被探測到，內繞組和外繞組可以被連接從而使該發射器線圈用作感應功率發射器。不必在發射器的表面中提供附加電極。使用內繞組和外繞組允許精確探測相對于第一發射線圈位置的接收器位置。在另一實施例中，所探測的電容變化表明接收器鄰近發射器。該方法還包括步驟 激活發射器，使得發射器開始與接收器交流(communicate)或發射功率到接收器。
該實施例允許發射器進入低功率休眠狀態，在探測到與無線功率接收器有關的事件時發射器從該休眠狀態被喚醒。這種事件可以是探測到電容變化。換言之，當沒有接收器被探測到時，發射器處于待機模式，這意味著沒有發射線圈被激活從而發射功率或者與接收器交流。如果電容變化被探測到，最有可能的是接收器安置在發射器上。因而，發射器被喚醒，這意味著待機模式結束并且發射器進入工作模式。在工作模式中，發射器可以以感應方式提供功率到接收器，或者可以首先以附加交流過程啟動以進一步確認接收器。在工作模式中，發射器的一個或多個發射線圈被用于以感應方式傳遞功率到接收器，或者以感應方式與接收器交流。 在一實施例中，所應用的電壓為AC電壓，或者DC電壓，或者電壓脈沖，或者階梯函數。如果應用到電容器的一個電極的電壓為AC電壓，與電容器的電容成比例的電流流過該電容器。通過正確地調整AC電壓的值和頻率，電流可以比較小，使得少量功率耗散。 電流變化涉及接收器可能安置在發射器上。例如通過探測電流是否超過預定義值，和/或通過探測電流是否減小低于預定義值，探測電流變化是比較簡單的并且可以功率高效地執行。如果所應用的電壓為電壓脈沖或階梯函數，電容器在時域中的響應可以由探測電路系統分析。取決于電容器的電容，特定響應可以被探測到。如果接收器安置在發射器上， 響應不同于接收器不安置在無線功率裝置上的情形。可以通過將電阻與電容器串聯耦合并且應用電壓脈沖或階梯函數到該串聯布置， 完成響應特性的測量。當電壓從中性變化到預定義值時，電容兩端的電壓上升，并且取決于電壓的預定義值和電容器的電容，比上升(specific raise)可以被測量。當裝置被安置時電容增大，并且因此如果裝置被安置，上升時間更長。當定義長度的電壓脈沖應用到該串聯布置時，在所應用的電壓從預定義電壓下降到中性電壓時，電容器兩端的電壓逐漸減小。衰變時間為對電容器的電容的度量。在另一實施例中，發射器包括由各第一和第二電極對形成的多個電容。該方法還包括探測每一個所述多個電容器的電容變化的步驟，并且包括依據哪個所述多個電容器的電容變化被探測到而確定接收器的位置的步驟。通過提供多個電極，每個相鄰對的電極形成電容器。通過探測每一個這些電極對之間的電容變化，發射器能夠比較精確地探測接收器定位于發射器上哪個位置。具有最大電容變化的電容靠近接收器。根據本發明的第二方面，提出了一種用于探測接收器的發射器。發射器旨在以感應方式發射到接收器。發射器包括作為第一電極的第一發射線圈和第二電極。第一電極和第二電極形成電容器。發射器還包括第一單元，其用于應用電壓到任何一個該電極；以及探測電路系統，其連接到電容的任何一個該電極以用于探測電容器的電容變化。在一實施例中，該發射器還包括第二發射線圈，其為第二電極。在另一實施例中，第二電極定位在第一發射線圈的中心。在另一實施例中，電容變化的探測表明接收器鄰近發射器，以及發射器包括用于激活發射器的第二單元，使得發射器可以啟動與接收器交流或者發射功率到接收器。發射器以及發射器實施例提供與根據本發明第一方面的方法和根據本發明第一方面的方法的相應實施例相同的益處。發射器具有類似的實施例，所述實施例具有與方法的相應實施例相似的效果。根據本發明的第三方面，提供了另一種利用發射器探測接收器的方法。發射器旨在以感應方式發射功率到接收器。該發射器包括作為電極的第一發射線圈。該方法包括下述步驟應用電壓到電極，以及探測由第一電極和接地形成或者由第一電極和接收器形成的電容器的電容變化。第一電極與接地或者與接收器形成電容。如果接收器變得鄰近第一電極，電容變化并且電荷朝向第一電極或離開第一電極流動。通過探測流向或流自第一電極的電流，獲得了用于探測接收器的有效和高效的方案，該方案不是一種復雜設計并且因此節約成本。根據本發明的第四方面，還提供了一種用于探測接收器的發射器。發射器旨在以感應方式發射功率到接收器。該發射器包括作為第一電極的第一發射線圈；第一單元，其用于應用電壓到電極；以及探測電路系統，其連接到電極以用于探測由電極和接地或者電極和接收器形成的電容器的電容變化。在此文件的上下文中，應注意措詞電容器的使用 并不指集總(lumped)電容器。另夕卜，發射器、功率發射器和無線功率發射器在本發明的上下文中是可互換的術語。發射器的特性在于發射器旨在以感應方式發射功率到接收器。接收器、接收器裝置和功率接收器裝置在本發明上下文中是可互換的術語。接收器的特性在于接收器旨在以感應方式接收功率。另外，用于應用電壓到任何一個該電極或者任何一個該發射線圈的第一單元可以是電壓源。本發明的這些和其它方面通過下述實施例而顯見，并且參考下述實施例將得以闡述。本領域技術人員將理解，兩個或更多個上述本發明的實施例、實施方式和/或方面可以按照任何被認為是有用的方式組合。本領域技術人員可以基于本說明書來實施與系統的所述調整和變化對應的該系統和/或方法的調整和變化。
在圖中
圖1描述根據本發明的電容探測的原理，
圖2a描述根據本發明的電容探測的基本結構，
圖2b描述用于電容探測的多個不同電路拓撲，
圖3描述根據本發明的自由位置發射器的示意性框圖表示系統，
圖4描述圖3中的系統的示意性表示電路，
圖5描述根據本發明第一實施例的電路，
圖6描述圖5的等效電路，
圖7描述被多個線圈覆蓋的發射器表面，
圖8描述根據實施例的電容探測系統，
圖9描述根據實施例的電容探測系統，
圖10描述根據另一實施例的具有局部化的電容探測系統，圖11描述當應用DC電壓 時探測電路系統的第一示例， 圖12描述當應用DC電壓時探測電路系統的第二示例， 圖13描述當應用DC電壓時探測電路系統的第三示例， 圖14描述當應用AC電壓時探測電路系統的第四示例， 圖15描述在初級線圈的中心具有星形電極的示例， 圖16描述具有由Ll代表的單個線圈和探測電容器的發射器， 圖17描述探測單元測量電壓而不是電流的實施例， 圖18描述兩個線圈之間的電容測量電路的概述(outline)， 圖19描述線圈和中心的電極之間的電容測量電路的基本概述， 圖20a描述具有實施的電容的機械概述， 圖20b描述所描述的測量方法的等效電路， 圖20c描述該測量方法的所描述的第二實施例的等效電路，
圖21描述在寬的頻率范圍上介電常數譜的曲線圖。介電常數的實部和虛部被示出，并且描述了各種過程離子和偶極弛豫，以及在更高能量的原子和電子諧振， 圖22描述低待機功率架構， 圖23示意性示出本發明的方法的流程圖。應注意，在不同圖中用相同附圖標記表示的項具有相同結構特征和相同功能，或者為相同信號。在已經解釋這一項的功能和/或結構的情況下，無需在詳細描述中對其重復解釋。各圖純粹是圖解性的且未按比例繪制。特別是為了清楚，一些尺寸被強烈夸大。
具體實施例方式圖1描述根據本發明的探測安置在發射器表面102上的裝置106的方法的原理。 發射器表面下方的電極108、110、112、114用于探測安置在發射器表面102上待充電的裝置 106。該方法是基于這樣的事實安置在發射器表面102上的裝置106將改變位于發射器頂表面102下的兩個電極108、110、112、114之間的電容。將這種裝置106安置在發射器表面102上改變存在于不同電極108、110、112、114之間電容的值。這起因于由電極108、110、 112、114形成的兩個電容器極板之間空間的一部分的介電常數的感應變化，兩個電極的介電距離的感應變化，或者其組合。電容變化在圖1中由被覆蓋和未被覆蓋的表面之間的電場線104模式差異來表示。對于平行板電容器，兩個電極之間的電容由下式給出 C=^(1)
α
其中ε為極板之間的介質的介電常數，A為極板的面積以及d為極板之間的距離。因此，電容線性地依賴于極板之間的介質的介電常數。對于同一平面內的兩個極板，存在更復雜的關系。然而，仍存在對介電常數的依存性。對于在發射器表面102下的兩個電極108、 110、112、114之間形成的電容器，當裝置106安置在發射器頂表面102上時，介電常數將改變(增大)。可以通過若干方式探測到得到的電容變化。圖2a描述根據一實施例的探測方法。采用電壓源216應用電壓到一個電極204(代表一個電容器極板)，該電壓源可以是幅值大于或等于零的AC或DC電壓。連接到另一電極206 (代表第二電容器極板)的探測電路系統212用于監測形成電容器202的兩個電極 204,206之間的電容。電容變化表示裝置214安置并且這個事件將借助探測信號208而發出信號。線210代表電容器202的電極204、206之間的電場線。當在電容器202兩端應用DC電壓時以及當裝置214隨后安置于發射器上時，電荷重新分布導致小的電流，該電流可以作為檢測電阻兩端的電壓被探測到。存儲在電容器極板上的電荷的變化由下式給出
權利要求
1.一種利用發射器(800)探測接收器(106，214，2311，2521)的方法(2600)，其中該發射器(800)旨在以感應方式發射功率到該接收器(106，214，2311，2521)，該發射器(800) 包括作為第一電極(204，704，810，904，1504)的第一發射線圈(218，704，810，1504)和第二電極(206，702，812，906，1506)，第一電極(204，704，810，904，1504)和第二電極(206，702， 812,906,1506)形成電容器(202，802)，該方法(2600)包括下述步驟應用(2602)電壓到任何一個該電極(204，206，702，704,810,812,904,906,1504， 1506)，探測(2604)該電容器(202，802)的電容變化。
2.根據權利要求1的方法(2600)，其中該發射器(800)還包括第二發射線圈(702， 812)，其中該第二發射線圈(702，812)為該第二電極(206，702，812，906，1506)。
3.根據權利要求1的方法(2600)，其中該電容器(202，802)的第二電極(206，702， 812,906,1506)定位在該第一發射線圈(218，704，810，1504)的中心。
4.根據權利要求1的方法(2600)，其中該第一發射線圈(218，704，810，1504)的繞組包括繞組的內部分和繞組的外部分，其中該繞組的內部分為該第一電極(204，704，810， 904，1504)并且該繞組的外部分為該第二電極(206，702，812，906，1506)。
5.根據權利要求1至4中任意一項的方法(2600)，其中該發射器(800)包括由多個該第一電極和該第二電極對形成的多個電容器，該方法(2600)還包括下述步驟探測每一個所述多個電容器的電容變化，依據哪個所述多個電容器的電容變化被探測到，確定該接收器(106，214，2311，2521) 的位置。
6.根據權利要求1至4中任意一項的方法(2600)，其中所探測的電容變化表明該接收器(106，214，2311，2521)鄰近該發射器(800)，以及其中該方法還包括下述步驟激活(2606)該發射器(800)，使得該發射器(800)開始與該接收器(106，214，2311， 2521)交流或者發射功率到該接收器(106，214，2311，2521 )。
7.根據權利要求5的方法(2600)，其中所探測的電容變化表明該接收器(106，214， 2311,2521)鄰近該發射器(800)，以及其中該方法還包括下述步驟激活(2606)該發射器(800)，使得該發射器(800)開始與該接收器(106，214，2311， 2521)交流或者發射功率到該接收器(106，214，2311，2521)。
8.一種用于探測接收器(106，214，2311，2521)的發射器(800)，該發射器(800)旨在以感應方式發射功率到該接收器(106，214，2311，2521 )，該發射器(800)包括作為第一電極(204，704，810，904，1504)的第一發射線圈(218，704，810，1504)和第二電極(206，702，812，906，1506)，該第一電極(204，704，810，904，1504)和該第二電極(206， 702,812,906,1506)形成電容器(202，802)，第一單元(216)，其用于應用電壓到任何一個該電極(204，206，702，704，810、812， 904,906,1504，1506)，探測電路系統(212)，其連接到該電容器(202，802)的任何一個該電極(204，206，702， 704，810、812，904、906，1504，1506)以用于探測該電容器(202，802)的電容變化。
9.根據權利要求8的發射器(800)，還包括第二發射線圈(702，812)，其中該第二發射線圈(702，812)為該第二電極(206，702，812，906，1506)。
10.根據權利要求8的發射器(800)，其中該第二電極(206，702，812，906，1506)定位在該第一發射線圈(218，704，810，1504)的中心。
11.根據權利要求8至10中任意一項的發射器(800)，其中所探測的電容變化表明該接收器(106，214，2311，2521)鄰近該發射器(800)，并且該發射器(800)包括第二單元以用于激活該發射器，使得該發射器(800)開始與該接收器(106，214，2311，2521)交流或者發射功率到該接收器(106，214，2311，2521 )。
12.一種利用發射器(800)探測接收器的方法(2600)，其中該發射器(800)旨在以感應方式發射功率到該接收器(106，214，2311，2521)，該發射器(800)包括第一發射線圈 (218，704，810，1504)作為電極(220)，該方法包括下述步驟應用(2602)電壓到該電極(220)，探測(2604 )由該電極(220 )和接地(222 )形成的或者由該電極(220 )和該接收器形成的電容器的電容變化。
13.一種用于探測接收器(106，214，2311，2521)的發射器(800)，該發射器(800)旨在以感應方式發射功率到該接收器(106，214，2311，2521 )，該發射器(800)包括第一發射線圈，其作為第一電極(220)，第一單元(216)，其用于應用電壓到該電極(220)，探測電路系統(212)，其連接到該電極(220)以用于探測由該電極(220)和接地(222) 形成的或者由該電極(220)和該接收器形成的電容器的電容變化。
全文摘要
提供了利用發射器探測接收器(214)的方法和用于探測接收器的發射器。發射器旨在以感應方式發射功率到接收器(214)。發射器包括作為第一電極(204)的第一發射線圈和第二電極(206)。第一電極(204)和第二電極(206)形成電容器(202)。該方法包括下述步驟應用電壓(216)到任何一個該電極(204，206)并且探測電容器(202)的電容變化。
文檔編號H02J7/02GK102449874SQ201080023051
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月14日 優先權日2009年5月25日
發明者范瓦格寧根 A., M. D. 博爾 B., 勒夫 C., 瓦芬施密特 E., 伊塞博特 L., a. 特雷弗斯 M. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司