無線功率傳輸方法和電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及一種功率傳輸系統。更具體地，本發明涉及用于無線傳輸功率的方法和電路。
【背景技術】
[0002]在便攜式電子裝置中，可采用無線功率傳輸電路而為便攜式裝置充電。例如，電動牙刷系統可包括便攜式牙刷和充電基座，該便攜式牙刷被放置進該充電基座以有助于為該牙刷中的電池充電。在這樣的系統中，可采用電感或磁耦合以從充電基座的初級電感器傳輸功率到便攜式牙刷中的次級電感器。
[0003]該初級和次級電感器的每一個通常對應于線圈，在該些電感器之間的匝數比例可以是N:1或1:N，其中N是大于零的整數。初級和次級電感器的匝數的選擇被選擇為提供足夠高的互感以將所需量的功率提供至便攜式裝置。
[0004]在很多的便攜式裝置中，空間是非常寶貴的。這樣，選擇用于電感器的電線的規格可被減小，從而減小電感器的尺寸。然而，該規格的減小趨于增加電感器的阻抗，這導致在電感中不希望的功率損失。
【發明內容】
[0005]在一個方面中，用于將功率無線傳送至接收裝置的功率電路(power circuit)包括一個或多個開關，其用于將一組線圈中的不同線圈的相應端部聯接在一起以有助于選擇性地將線圈連接為串聯配置、并聯配置、或它們的組合。該電路包括配置為控制該一個或多個開關中的每一個的導通狀態的控制器、以及與線圈電連通的功率端子，其中功率信號流動通過線圈。
[0006]在第二方面中，用于將功率無線傳送至接收裝置的方法包括:將一組線圈的不同線圈的相應的端部聯接為串聯配置、并聯配置、或它們的組合中的一種以形成第一配置。傳送至接收裝置的功率的量被確定。不同線圈的相應端部被聯接在一起形成串聯配置、并聯配置、或它們的組合中的一種，以基于確定的功率的量而形成與第一配置不同的配置組合。
【附圖說明】
[0007]圖1A和IB示出了示例性充電基座和便攜式裝置；
[0008]圖2A示出了示例性電感器，其包括可形成在印刷電路板上的一組環；
[0009]圖2B示出了與電感器接口以用于傳送功率的示例性功率電路；
[0010]圖3示出了可由功率電路執行的示例性操作；
[0011]圖4示出了處于未對齊(out-of-alignment)配置中的示例性充電基座和便攜式裝置；以及
[0012]圖5A-5C示出了可與示例性功率電路一起使用而用于傳送功率的第二示例性電感器。
【具體實施方式】
[0013]—種功率電路在下文中詳細討論，所述功率電路克服了上文中提到的問題。通常，該功率電路聯接至包括與彼此電隔離的一組環的電感器(inductor)。該功率電路包括用于將這些環聯接為各種配置以改變電感器的電感和電感器的阻抗的一組開關。功率電路監測傳送到接收裝置的功率的量并且識別電感配置以最大化功率效率(power efficiency)而同時維持最小量的功率傳輸。
[0014]圖1A和IB示出了無線充電系統100，其包括充電基座110和便攜式裝置105，當該便攜式裝置放置在充電基座110上時其被充電。充電基座110可經由插到電源插座(未示出)的電源線112而獲取功率，并且可將該功率無線傳送到便攜式裝置105。
[0015]為了有助于無線充電，該充電基座110可包括這樣的功率電路，該功率電路包括設置在充電基座110的區域120中的初級電感器，當該區域120對齊在便攜式裝置105 (見圖1B)的相應區域115的上方時、將功率傳輸至設置在便攜式裝置105中的刺激電感器。每個電感器可對應于具有N匝繞線或N個環的線圈。例如，該線圈可對應繞空氣芯部或不同的芯部材料纏繞限定次數的電線，從而提供N個環，它們共同提供希望的電感。該對應的電感通常等于一個環的電感乘以匝數的平方。每個環都構成由電感器產生的總的磁場的一部分。
[0016]從充電基座110傳輸至便攜式裝置105的功率的量部分取決于相應的電感器對齊或彼此重疊的程度、以及相應電感器之間的空間。當相應的電感器完全重疊并且相對彼此處于有可能最近的距離處時，發生最大的功率傳輸。
[0017]圖2A示出了可對應于上文所述的初級和次級電感器中的一個或兩者的電感器230的一種實施方式。在示例性實施例中，電感器230包括一組環235a-d，該組環可對應于設置在印刷電路板(未示出)的多個不同層的一個中上的導電跡線。在替代實施例中，環235a-d中的兩個或多個可同心地布置在相同的層上。在特定實施例中，導電材料可對應于諸如銅的材料。該材料可被設計圖案為限定總體閉合的區域，并具有一對端部240a-d。該圖案可限定方形圖案，如圖所示，或不同的圖案，諸如圓形圖案、橢圓圖案等。環235a-d的端部240a-d聚到一起，以提供用于將端子焊接到環235a-d的接觸點。端部240a_d可以以各種組合而聯接到一起，以有助于將環235a-d聯接為串聯配置、并聯配置、或它們的組合。盡管圖2A示出了四個環235a-d，但是應當理解的是，電感器230可包括不同數量的環235a-d，并且環235a-d的數量可以被選擇為滿足希望的電感。
[0018]圖2B示出了具有示例性功率電路202的功率系統200，該功率電路202可被設置在充電基座110和/或便攜式裝置105中以用于經由電感器230而傳送功率。該功率電路202可包括控制器205、一組開關210a-c、功率輸入引腳220a_b、以及輸入/輸出端口232a-d以用于將該功率電路202聯接到電感器230。在一些實施方式中，保護裝置215 (諸如正溫度系數(PTC)裝置)可被提供以避免過流狀況的出現。盡管示出了三個開關和四個端口，但是應當理解的是，開關和端口的數量僅僅是示例性的，并且可取決于希望的環的數量而改變。例如，圖2B示出了電感器230，其中環235a-d中的一些聯接到一起，而其他的聯接到電感器端口 232a-d。然而，可提供附加的端口和開關，使得不同數量的端部240a-d可被聯接到開關210，以有助于附加的電感器配置。
[0019]當用于充電基座110中時，控制器205可被配置為確定傳送到便攜式裝置105的功率的量。例如，控制器205可包括有助于測量施加到初級電感器230的電壓和流入初級電感器230的電流之間的相位差的電路。接近或等于90度的相位差可指示幾乎純無功的負載，表面實際上沒有功率被傳送至接收裝置。另一方面，接近O度的相位差可指示功率正在被傳送。
[0020]替代地或附加地，控制器205可被配置為基于從便攜式裝置105的反饋而確定所傳送的功率的量。例如，指示功率使用的消息可從便攜式裝置105無線傳送至充電基座IlOo
[0021]在又一實施例方式中，不同的系統可經由上面描述的任一方法而確定功率使用，并且可傳送信號至控制器205用于控制開關210a-c。
[0022]功率電路202的操作參考圖3進行描述。在方框300處，功率電路202的開關210a-c可初始地配置為最大化初級電感器230的電感。例如，控制器205可控制開關210a以進入閉合或導通狀態。控制器205可控制開關210b和210c以進入開路(open)狀態或高阻抗狀態。開關的這種配置將相應的環235a-d置于串聯配置中，這最大化了初級電感器230的電感。更大的電感導致在充電基座110中的初級電感器230和便攜式裝置105中的次級電感器230之間的更大的互感(mutual inductance)，并且因此，增加的功率傳送至便攜式裝置105。該配置有利地放松了便攜式裝置105和充電基座110之間的對齊(alignment)要求，并且當相應的單元稍微不對齊時(如圖4所示)有助于向便攜式裝置充電。例如，電感、以及由此所傳送的功率的量，可被設為約20 μ H(微亨)，當相應的電感器重疊約10%時，這可足夠有助于向便攜式裝置105充電或激活該便攜式裝置105。在該配置中，電感器的阻抗可以為約0.5歐姆。
[0023]在方框305處，傳送至便攜式裝置105的功率的量被確定。例如，控制器205可通過測量經過初級電感器的電壓和流過初級電感器的電流之間的相位差而確定所傳送的功率。控制器205可從便攜式裝置105接收指示被便攜式