可植入設備的無線能量傳輸的製作方法
2023-10-24 10:20:42
本申請是申請號為201280038109.3、申請日為2012年5月31日、發明名稱為「可植入設備的無線能量傳輸」的中國發明專利申請的分案申請。
相關申請的交叉引用
本申請要求下列美國專利申請的優先權，其中每個專利申請在此通過引用被全部併入：2011年6月6日提交的u.s.13/154,131；2011年8月31日提交的u.s.13/222,915；以及2011年9月14日提交的u.s.13/232,868。
下列美國專利申請也通過引用被全部併入：2010年5月28日提交的美國專利申請no.12/789,611；2010年4月29日提交的美國專利申請no.12/770,137；2009年4月29日提交的美國臨時申請no.61/173,747；2010年4月26日提交的美國申請no.12/767,633；2009年4月24日提交的美國臨時申請no.61/172,633；2010年4月13日提交的美國申請no.12/759,047；2010年4月9日提交的美國申請no.12/757,716；2010年3月30日提交的美國申請no.12/749,571；2009年12月16日提交的美國申請no.12/639,489；2009年12月28日提交的美國申請no.12/647,705；以及2009年9月25日提交的美國申請no.12/567,716；2008年9月27日提交的美國申請no.61/100,721；2008年10月27日提交的美國申請no.61/108,743；2009年1月26日提交的美國申請no.61/147,386；2009年2月12日提交的美國申請no.61/152,086；2009年5月15日提交的美國申請no.61/178,508；2009年6月1日提交的美國申請no.61/182,768；2008年12月9日提交的美國申請no.61/121,159；2009年1月7日提交的美國申請no.61/142,977；2009年1月6日提交的美國申請no.61/142,885；2009年1月6日提交的美國申請no.61/142,796；2009年1月6日提交的美國申請no.61/142,889；2009年1月6日提交的美國申請no.61/142,880；2009年1月6日提交的美國申請no.61/142,818；2009年1月6日提交的美國申請no.61/142,887；2009年3月2日提交的美國申請no.61/156,764；2009年1月7日提交的美國申請no.61/143,058；2009年3月26日提交的美國申請no.61/163,695；2009年4月24日提交的美國申請no.61/172,633；2009年4月14日提交的美國申請no.61/169,240；2009年4月29日提交的美國申請no.61/173,747；2010年3月10日提交的美國申請no.12/721,118；2010年2月13日提交的美國申請no.12/705,582；2009年2月13日提交的美國臨時申請no.61/152,390；2010年6月4日提交的美國臨時申請no.61/351,492；以及2010年4月20日提交的美國臨時申請no.61/326,051。
本公開涉及無線能量傳輸、用於實現這樣的傳輸的方法、系統和裝置、以及應用。
背景技術：
可使用如在共同擁有的於2010年9月23日作為美國專利公布號2010/0237709公開的且標題為「resonatorarraysforwirelessenergytransfer」的美國專利申請no.12/789,611和於2010年7月22日作為美國專利公布號2010/0181843公開的且標題為「wirelessenergytransferforrefrigeratorapplication」的美國專利申請no.12/722,050中詳述的各種技術來無線地傳輸能量或功率，這些專利申請的內容如同在本文被完全闡述地一樣被全部併入。現有技術的無線能量傳輸系統被各種因素(包括對用戶安全的關心、低能量傳輸效率和對能量供應和吸收部件的限制性物理接近度/對準容限)限制。
例如機械循環支持(mcs)設備、心室輔助設備(vad)、可植入心電復律器除顫器(icd)等的可植入設備可能需要用於在延長的時間段內操作的外部能量源。在一些患者和情況中，可植入設備需要不變的或接近不變的操作，並具有需要到外部電源的連接的相當大的功率要求，需要經皮電纜或穿過患者的皮膚到外部電源的電纜，增加了感染的可能性並降低了患者舒適度。
因此存在對用於將能量輸送到可植入設備而不需要直接電線連接的方法和設計。
技術實現要素：
在各種實施例中，各種系統和過程使用耦合的諧振器提供無線能量傳輸。在一些實施例中，諧振器結構可能需要或受益於諧振器的部件的熱管理。諧振器部件可能需要冷卻來防止它們的溫度超過臨界溫度。這樣的實施例的特徵是普遍的，並可應用於寬範圍的諧振器，而不管本文討論的特定例子如何。
在實施例中，磁諧振器可包括電感器和電容器的某種組合。額外的電路元件(例如電容器、電感器、電阻器、開關等)可插在磁諧振器和電源之間和/或磁諧振器和功率負載之間。在本公開中，包括諧振器的高q電感迴路的導電線圈也可被稱為電感器和/或電感負載。電感負載當它無線地耦合(通過互感)到其它系統或外來物體時也可被稱為電感器。在本公開中，除了電感負載以外的電路元件可被稱為阻抗匹配網絡或imn的部分。應理解，被稱為阻抗匹配網絡的部分的元件中的全部、一些或沒有一個可以是磁諧振器的部分。哪些元件是諧振器的部分以及哪些元件與諧振器分離將取決於特定的磁諧振器和無線能量傳輸系統設計。
在實施例中，本文所述的無線能量傳輸可用於將功率輸送到可植入設備，而不需要通過皮膚布線。在實施例中，無線功率傳輸可用於周期性地或連續地給植入式可再充電電池、超級電容器或其它能量存儲部件供電或再充電。
在實施例中，本文描述的無線能量傳輸使用可以在患者內部或外部的中繼器諧振器來提高源和設備諧振器的範圍和容許的偏置。
在實施例中，源和設備諧振器可通過調諧源和設備的元件來控制熱的分布和能量耗散。
除非另外指示，本公開可互換地使用術語無線能量傳輸、無線功率傳輸、無線功率傳送等。本領域技術人員將理解，各種系統架構可由在本申請中描述的寬範圍的無線系統設計和功能支持。
在本文描述的無線能量傳輸系統中，功率可在至少兩個諧振器之間無線地交換。諧振器可供應、接收、保持、傳輸和分配能量。無線功率的源可被稱為源或供應器，而無線功率的接收器可被稱為設備、接收器和功率負載。諧振器可以是源、設備或同時這兩者，或可以以受控的方式從一種功能變化到另一功能。沒有到功率供應器或功率消耗的有線連接的、被配置成保持或分配能量的諧振器可被稱為中繼器。
本發明的無線能量傳輸系統的諧振器能夠在比諧振器本身的尺寸大的距離上傳輸功率。也就是說，如果諧振器尺寸以可圍住諧振器結構的最小球體的半徑為特徵，則本發明的無線能量傳輸系統可在比諧振器的特徵尺寸大的距離上傳輸功率。該系統能夠在諧振器之間交換能量，其中諧振器具有不同的特徵尺寸，且其中諧振器的電感元件具有不同的尺寸、不同的形狀，由不同的材料組成，等等。
本發明的無線能量傳輸系統可被描述為具有耦合區、通電區域或體積，所有都通過能量可在彼此分離的諧振物體之間傳輸，它們可具有離彼此可變的距離，以及可相對於彼此移動的描述方式。在一些實施例中，能量可被傳輸所經過的區域或體積被稱為有源場區域或體積。此外，無線能量傳輸系統可包括多於兩個的諧振器，每個諧振器可耦合到電源、功率負載、兩者，或不耦合到任何一個。
無線地供應的能量可用於給電氣或電子設備供電，給電池再充電或給能量存儲單元充電。多個設備可被同時充電或供電，或到多個設備的功率輸送可以是序列化的，使得一個或多個設備在一段時間內接收功率，在這段時間之後，功率輸送可被切換到其它設備。在各種實施例中，多個設備可同時、或以時間復用方式或以頻率復用方式或以空間復用方式或以方位復用方式或以時間和頻率和空間和方位復用的任何組合來與一個或多個其它設備共享來自一個或多個源的功率。多個設備可與彼此共享功率，而至少一個設備連續地、間歇地、周期性地、偶然地或暫時地被重新配置以作為無線電源工作。本領域中的普通技術人員將理解，存在各種方式來給可應用於本文描述的技術和應用的設備供電和/或充電。
本公開提到例如電容器、電感器、電阻器、二極體、變壓器、開關等的某些單獨的電路部件和元件；這些元件作為網絡、拓撲、電路等的組合；以及具有內在特徵的物體，例如具有在整個物體中分布(或與僅僅成團相反地部分地分布)的電容或電感的「自諧振」物體。本領域中的普通技術人員將理解，調節並控制電路或網絡內的可變部件可以調節該電路或網絡的性能，以及那些調節通常被描述為調諧、調節、匹配、校正等。可以單獨地，或除了調節可調諧部件(例如電感器和電容器或電感器和電容器的組)以外，使用其它方法來調諧或調節無線功率傳輸系統的操作點。本領域中的技術人員將認識到，在本公開中討論的特定拓撲可以用各種其它方式實現。
除非另外規定，本文使用的所有技術和科學術語具有與本公開所屬的領域中的普通技術人員的通常理解相同的含義。在與通過引用在本文中提到或合併的公布、專利申請、專利和其它參考資料衝突的情況下，本說明書(包括定義)將控制。
上面描述的任何特徵可單獨地或組合地使用，而不偏離本公開的範圍。本文公開的系統和方法的其它特徵、目的和優點將根據下面詳述的描述和附圖變得清楚。
附圖說明
圖1是無線能量傳輸配置的系統方框圖。
圖2a-2e是簡單的諧振器結構的示例性結構和示意圖。
圖3是具有單端放大器的無線源的方框圖。
圖4是具有差分放大器的無線源的方框圖。
圖5a和5b是感測電路的方框圖。
圖6a、6b和6c是無線源的方框圖。
圖7是示出佔空比對放大器的參數的影響的曲線圖。
圖8是具有開關放大器的無線電源的簡化電路圖。
圖9示出無線電源的參數的變化的影響的曲線。
圖10示出無線電源的參數的變化的影響的曲線。
圖11a、11b和11c是示出無線電源的參數的變化的影響的曲線。
圖12示出無線電源的參數的變化的影響的曲線。
圖13是包括具有開關放大器的無線電源和無線功率設備的無線能量傳輸系統的簡化電路圖。
圖14示出無線電源的參數的變化的影響的曲線。
圖15是示出由於磁性材料的瓦片之間的不規則間隔而引起的可能的不均勻磁場分布的諧振器的圖。
圖16是具有在磁性材料塊中的瓦片的布置的諧振器，該布置可減少磁性材料塊中的熱點。
圖17a是具有包括較小的單獨瓦片的磁性材料塊的諧振器，而圖17b和17c是具有用於熱管理的額外的熱傳導材料條的諧振器。
圖18是具有無線能量源和設備的外科手術機器人和醫院用床的實施例。
圖19是具有無線能量源和設備的外科手術機器人和醫院用床的實施例。
圖20a是具有無線能量傳輸諧振器的醫藥車。圖20b是具有無線能量傳輸諧振器的計算機車。
圖21a和21b是可植入設備的無線功率傳輸系統的方框圖。
圖22a、22b、22c和22d是描繪可植入設備的無線能量傳輸的源和設備配置的圖。
具體實施方式
如上所述，本公開涉及使用耦合的電磁諧振器的無線能量傳輸。然而，這樣的能量傳輸不限於電磁諧振器，且本文描述的無線能量傳輸系統是更普遍的，並可使用各種各樣的諧振器和諧振物體來實現。
如本領域中的技術人員將認識到的，基於諧振器的功率傳輸的重要考慮因素包括諧振器效率和諧振器耦合。例如在2010年9月23日作為us20100237709公開的且標題為「resonatorarraysforwirelessenergytransfer」的美國專利申請12/789,611和在2010年7月22日作為us20100181843公開的且標題為「wirelessenergytransferforrefrigeratorapplication」的美國專利申請12/722,050中提供了這樣的問題(例如耦合模式理論(cmt)、耦合係數和因子、品質因子(也被稱為q因子)和阻抗匹配)的廣泛討論，這兩個專利申請通過引用被全部併入本文，好像在本文被充分闡述的一樣。
諧振器可被定義為可將能量存儲在至少兩個不同的形式中且其中所存儲的能量在這兩個形式之間振蕩的諧振結構。諧振結構將具有特定的振蕩模式，具有諧振(模態)頻率f和諧振(模態)場。角諧振頻率ω可被定義為ω＝2πf，諧振周期t可被定義為t＝1/f＝2π/ω，且諧振波長λ可被定義為λ＝c/f，其中c是相關的場波(對於電磁諧振器來說是光)的速度。在沒有損耗機制、耦合機制或外部能量供應或消耗機制的情況下，由諧振器存儲的能量的總量w將保持固定，但能量的形式將在諧振器所支持的這兩種形式之間振蕩，其中一種形式將在另一形式是最小的時是最大的，反之亦然。
例如，諧振器可被構造成使得所存儲的能量的兩種形式是磁能和電能。此外，諧振器可被構造成使得電場所存儲的電能主要被限制在結構內，而磁場所存儲的磁能主要在圍繞諧振器的區域中。換句話說，總的電能和磁能將是相等的，但它們的定位(localization)將是不同的。使用這樣的結構，在至少兩個結構之間的能量交換可由至少兩個諧振器的諧振磁近場來傳遞。這些類型的諧振器可被稱為磁諧振器。
在無線功率傳輸系統中使用的諧振器的重要參數是諧振器的品質因子或q-因子或q，其以能量衰減為特徵並與諧振器的能量損耗成反比。它可被定義為q＝ω*w/p，其中p是在穩定狀態下失去的時間平均的功率。也就是說，具有高q的諧振器具有相對低的本徵損失，並可在一段相對長的時間內存儲能量。因為諧振器以其本徵衰減率2γ損失能量，其q(也被稱為其本徵q)由q＝ω/2γ給出。品質因子也表示振蕩周期t的數量，它將諧振器中的能量看成為衰減了e-2π的倍數。注意，諧振器的品質因子或本徵品質因子或q是僅歸因於本徵損耗機制的。連接到或耦合到功率發生器g或負載l的諧振器的q可被稱為「有載品質因子」或「有載q」。在沒有旨在是能量傳輸系統的部分的外來物體存在的情況下諧振器的q可被稱為「擾動品質因子」或「擾動q」。
通過諧振器的近場的任何部分耦合的諧振器可交互作用並交換能量。如果諧振器以實質上相同的諧振頻率工作，則這個能量傳輸的效率可明顯提高。作為例子而不是限制，假想具有qs的源諧振器和具有qd的設備諧振器。高q無線能量傳輸系統可利用高q的諧振器。每個諧振器的q可以是高的。諧振器q的幾何平均也可以或替代地是高的。
耦合因子k是在0≤|k|≤1之間的數字，且它可以獨立於(或接近獨立於)源諧振器和設備諧振器的諧振頻率(當那些被置於子波長距離處時)。相反，耦合因子k可以主要由源和設備諧振器之間的相對幾何結構以及距離來確定，其中傳遞它們的耦合的場的物理衰減定律被考慮。在cmt中使用的耦合係數可以是諧振頻率以及諧振器結構的其它屬性的強函數。在利用諧振器的近場的無線能量傳輸的應用中，有比諧振器波長小得多的諧振器的尺寸是合乎需要的，使得通過輻射損失的功率減小。在一些實施例中，高q諧振器是子波長結構。在一些電磁實施例中，高q諧振器結構被設計成具有高於100khz的諧振頻率。在其它實施例中，諧振頻率可以小於1ghz。
在示例性實施例中，通過這些子波長諧振器輻射到遠場中的功率可通過降低諧振器的諧振頻率和系統的工作頻率來進一步減小。在其它實施例中，可通過針對兩個或多個諧振器的遠場進行布置以破壞性地在遠場中幹涉來減少遠場輻射。
在無線能量傳輸系統中，諧振器可用作無線能量源、無線能量捕獲設備、中繼器或其組合。在實施例中，諧振器可在傳輸能量、接收能量或轉送能量之間交替。在無線能量傳輸系統中，一個或多個磁諧振器可耦合到能量源並被供能以產生振蕩磁近場。在振蕩磁近場內的其它諧振器可捕獲這些場並將能量轉換成可用於給負載供電或充電的電能，從而實現有用的能量的無線傳輸。
在有用的能量交換中的所謂「有用的」能量是必須被輸送到設備以便以可接受的速率給它供電或充電的能量或功率。對應於有用的能量交換的傳輸效率可以是取決於系統或應用的。例如，傳輸數千瓦功率的高功率車輛充電應用可能需要至少80％有效，以便供應有用數量的功率，實現足以給車輛電池重新充電的有用的能量交換，而不明顯地加熱傳輸系統的各種部件。在一些消費電子應用中，有用的能量交換可包括大於10％的任何能量傳輸效率，或對保持可再充電電池「注滿」並在長的時間段內運行來說可接受的任何其它量。在植入式醫療設備應用中，有用的能量交換可以是不傷害患者但延長電池的壽命或喚醒傳感器或監控器或刺激器的任何交換。在這樣的應用中，100mw或更少的功率可能是有用的。在分布式感測應用中，微瓦的功率傳輸可能是有用的，且傳輸效率可適當地低於1％。
在供電或再充電應用中的無線能量傳輸的有用的能量交換可能是有效的、高度有效的或足夠有效的，只要浪費的能量水平、熱耗散和相關的場強在容許的限制內，並適當地與有關因素(例如成本、重量、尺寸等)協調。
諧振器可被稱為源諧振器、設備諧振器、第一諧振器、第二諧振器、中繼器諧振器等。實施方式可包括三(3)個或更多的諧振器。例如，單個源諧振器可將能量傳輸到多個設備諧振器或多個設備。能量可從第一設備傳輸到第二設備，並接著從第二設備傳輸到第三設備，依此類推。多個源可將能量傳輸到單個設備或傳輸到連接到單個設備諧振器的多個設備或傳輸到連接到多個設備諧振器的多個設備。諧振器可交替地或同時用作源、設備，和/或它們可用於將功率從在一個位置上的源轉送到在另一位置上的設備。中間電磁諧振器可用於擴展無線能量傳輸系統的距離範圍和/或產生集中的磁近場的區域。多個諧振器可以菊花式連結在一起，在延長的距離上並與各種源和設備交換能量。例如，源諧振器可經由幾個中繼器諧振器將功率傳輸到設備諧振器。來自源的能量可被傳輸到第一中繼器諧振器，第一中繼器諧振器可將功率傳輸到第二中繼器諧振器，且第二中繼器諧振器可將功率傳輸到第三中繼器諧振器，依此類推，直到最後的中繼器諧振器將它的能量傳輸到設備諧振器。在這個方面中，可通過添加中繼器諧振器來擴展和/或調整無線能量傳輸的範圍或距離。高功率水平可在多個源之間被分配，被傳輸到多個設備並在遙遠的位置處重新組合。
可使用耦合模式理論模型、電路模型、電磁場模型等來設計諧振器。諧振器可設計成具有可調諧的特徵尺寸。諧振器可設計成處理不同的功率水平。在示例性實施例中，高功率諧振器比起較低功率諧振器可能需要更大的導體和更高電流或電壓額定部件。
圖1示出無線能量傳輸系統的示例性配置和布置的圖。無線能量傳輸系統可包括耦合到能量源102和可選地耦合到傳感器和控制單元108的至少一個源諧振器(r1)104(可選地r6、112)。能量源可以是能夠轉換成可用於驅動源諧振器104的電能的任何類型的能量的源。能量源可以是電池、太陽能電池板、電力幹線、風力或水力渦輪機、電磁諧振器、發電機等。用於驅動電磁諧振器的電能通過諧振器轉換成振蕩磁場。振蕩磁場可由其它諧振器捕獲，其它諧振器可以是可選地耦合到能量消耗器110的設備諧振器(r2)106、(r3)116。振蕩場可以可選地耦合到被配置成擴展或調整無線能量傳輸區域的中繼器諧振器(r4、r5)。設備諧振器可捕獲在源諧振器、中繼器諧振器和其它設備諧振器附近的磁場，並將它們轉換成可由能量消耗器使用的電能。能量消耗器110可以是配置成接收電能的電氣、電子、機械或化學設備等。中繼器諧振器可捕獲在源、設備和中繼器諧振器附近的磁場，並將能量繼續傳遞到其它諧振器。
無線能量傳輸系統可包括耦合到能量源102的單個源諧振器104和耦合到能量消耗器110的單個設備諧振器106。在實施例中，無線能量傳輸系統可包括耦合到一個或多個能量源的多個源諧振器，並可包括耦合到一個或多個能量消耗器的多個設備諧振器。
在實施例中，能量可直接在源諧振器104和設備諧振器106之間傳輸。在其它實施例中，能量可經由任何數量的中間諧振器從一個或多個源諧振器104、112傳輸到一個或多個設備諧振器106、116，中間諧振器可以是設備諧振器、源諧振器、中繼器諧振器等。能量可經由可包括子網絡118、120的諧振器114的網絡或布置被傳輸，子網絡118、120被布置在任何組合的拓撲(例如令牌環、mesh、adhoc等)中。
在實施例中，無線能量傳輸系統可包括集中式感測和控制系統108。在實施例中，諧振器的參數、能量源、能量消耗器、網絡拓撲、操作參數等可被監測並依據控制處理器來調節以滿足系統的特定操作參數。中央控制處理器可調節系統的單獨部件的參數以優化全局能量傳輸效率，優化所傳輸的功率的量等。其它實施例可被設計成具有實質上分布式的感測和控制系統。感測和控制可合併到每個諧振器或諧振器組、能量源、能量消耗器等中，並可配置成調節組中的單獨部件的參數以最大化所傳輸的功率，最大化該組中的能量傳輸效率等。
在實施例中，無線能量傳輸系統的部件可具有到其它部件(例如設備、源、中繼器、電源、諧振器等)的無線或有線數據通信連結，並可發送或接收可用於實現分布式或集中式感測和控制的數據。無線通信通道可與無線能量傳輸通道分離，或它可以是相同的。在一個實施例中，用於能量交換的諧振器也可用於交換信息。在一些情況下，可通過調製源或設備電路中的部件並使用埠參數或其它監測設備感測該變化來交換信息。諧振器可通過對諧振器參數(例如諧振器的阻抗)進行調諧、改變、變更、顫震等來給彼此發信號，該阻抗可影響系統中的其它諧振器的反射阻抗。本文描述的系統和方法可實現無線功率傳輸系統中的諧振器之間的功率和通信信號的同時傳輸，或它可實現在不同的時間段期間或在不同的頻率下使用在無線能量傳輸期間使用的相同磁場來實現功率和通信信號的傳輸。在其它實施例中，無線通信可使用分離的無線通信通道(例如wifi、藍牙、紅外線等)來實現。
在實施例中，無線能量傳輸系統可包括多個諧振器，且總系統性能可通過對系統中的各種元件的控制來提高。例如，具有較低的功率要求的設備可調諧其諧振頻率以遠離高功率源的諧振頻率，該高功率源向具有較高的功率要求的設備供應功率。以這種方式，低和高功率設備可安全地工作或從單個高電源充電。此外，在充電區中的多個設備可找到根據各種消耗控制算法(例如先到先得(first-come-first-serve)、最佳效果(besteffort)、保證功率(guaranteedpower)等)中的任一個調整的、它們可用的功率。功率消耗算法可以在本質上是分級的，給某些用戶或某些類型的設備優先級，或它可通過同等地分享在源中可用的功率來支持任何數量的用戶。可通過在本公開中描述的復用技術中的任一種來分享功率。
在實施例中，可使用形狀、結構和配置的組合來實行或實現電磁諧振器。電磁諧振器可包括電感元件、分布式電感或具有總電感l的電感的組合和電容元件、分布式電容或具有總電容c的電容的組合。在圖2f中示出包括電容、電感和電阻的電磁諧振器的最小電路模型。諧振器可包括電感元件238和電容元件240。在被提供了初始能量(例如存儲在電容器240中的電場能量)的情況下，系統將在電容器放電時振蕩，將能量轉換成存儲在電感器238中的磁場能，電感器238轉而將能量轉換回存儲在電容器240中的電場能。在這些電磁諧振器中的本徵損耗包括由於電感和電容元件中的電阻以及由於輻射損耗而引起的損耗，並由圖2f中的電阻器r242表示。
圖2a示出示例性磁諧振器結構的簡化圖。磁諧振器可包括在導體迴路的末尾充當電感元件202和電容元件204的導體的迴路。電磁諧振器的電感器202和電容器204可以是體電路元件，或電感和電容可以是分布式的，並可從在結構中對導體進行形成、成形或定位的方式產生。
例如，可通過使導體成形為圍住表面區域來實現電感器202，如圖2a所示那樣。這種類型的諧振器可被稱為電容式加載的迴路電感器。注意，我們可使用術語「圈」或「線圈」來一般地指示以任何數量的匝包圍任何形狀和尺寸的表面的導電結構(線、管、條等)。在圖2a中，被包圍的表面區域是圓形的，但表面可以是具有各種其它形狀和尺寸中的任一種，並可設計成實現某些系統性能規格。在實施例中，可使用電感器元件、分布式電感、電感器和電感的網絡、陣列、串聯和並聯組合等來實現電感。電感可以是固定的或可變的，並可用於改變阻抗匹配以及諧振頻率操作條件。
存在各種方式來實現達到諧振器結構的期望諧振頻率所需的電容。電容器板204可如圖2a所示的那樣被形成和利用，或電容可在多圈導體的相鄰繞組之間分布或實現。可使用電容器元件、分布式電容、電容的網絡、陣列、串聯和並聯組合等來實現電容。電容可以是固定的或可變的，並可用於改變阻抗匹配以及諧振頻率操作條件。
在磁諧振器中使用的電感元件可包含多於一個的圈，並可向內或向外或向上或向下或在方向的某種組合中盤旋。通常，磁諧振器可具有各種形狀、尺寸和匝數，且它們可由各種導電材料組成。導體210例如可以是電線、litz線、帶、管、從導電油墨、油漆、凝膠等形成的跡線或從印刷在電路板上的單個或多個跡線形成的跡線。在圖2b中描繪了形成導電圈的襯底208上的跡線圖案的示例性實施例。
在實施例中，可使用具有任何尺寸、形狀厚度等和具有寬範圍的導磁率和損耗值的材料的磁性材料形成電感元件。這些磁性材料可以是固體塊，它們可包圍中空體積，它們可從平鋪和/或堆疊在一起的很多較小的磁性材料片形成，且它們可與由高度導電的材料製成的導電薄片和外殼整合。導體可纏繞在磁性材料周圍以產生磁場。這些導體可纏繞在結構的一個或多於一個軸周圍。多個導體可纏繞在磁性材料周圍且被並聯或串聯或經由開關地組合，以形成定製的近場圖案和/或使結構的偶極矩定向。在圖2c、2d、2e中描繪了包括磁性材料的諧振器的例子。在圖2d中，諧振器包括纏繞在磁性材料222的核心周圍的導體224的圈，產生具有平行於導體224的圈的軸的磁偶極矩228的結構。諧振器可包括在正交方向上纏繞在磁性材料214周圍的導體216、212的多個圈，形成具有可在如圖2c所示的多於一個方向上定向(取決於導體如何被驅動)的磁偶極矩218、220的諧振器。
電磁諧振器可具有由其物理屬性確定的特徵頻率、固有頻率或諧振頻率。這個諧振頻率是諧振器所存儲的能量在諧振器的電場we(we＝q2/2c，其中q是電容器c上的電荷)所存儲的能量和磁場wb(wb＝li2/2，其中i是穿過電感器l的電流)所存儲的能量之間振蕩所處於的頻率。這個能量被交換所處於的頻率可被稱為諧振器的特徵頻率、固有頻率或諧振頻率，並由ω給出，
可通過調節諧振器的電感l和/或電容c來改變諧振器的諧振頻率。在一個實施例中，系統參數是動態地可調節或可調諧的，以儘可能接近地實現最佳操作條件。然而，基於上面的討論，足夠有效的能量交換可實現，即使一些系統參數不是可變的，或部件不能夠動態地調節。
在實施例中，諧振器可包括耦合到布置在電容器和電路元件的網絡中的多於一個電容器的電感元件。在實施例中，電容器和電路元件的耦合網絡可用於限定諧振器的多於一個的諧振頻率。在實施例中，諧振器可以在多於一個頻率下是諧振的或部分諧振的。
在實施例中，無線電源可包括耦合到功率供應器的至少一個諧振器線圈，功率供應器可以是開關放大器，例如d類放大器或e類放大器或其組合。在這種情況下，諧振器線圈實際上是功率供應器的功率負載。在實施例中，無線功率設備可包括耦合到功率負載的至少一個諧振器線圈，功率負載可以是開關整流器，例如d類整流器或e類整流器或其組合。在這種情況下，諧振器線圈實際上是用於功率負載的功率供應器，且負載的阻抗還與來自諧振器線圈的負載的工作消耗率(work-drainagerate)直接有關。在功率供應器和功率負載之間的功率傳輸的效率可被電源的輸出阻抗被如何緊密地匹配到負載的輸入阻抗影響。當負載的輸入阻抗等於功率供應器的內部阻抗的復共軛時，功率可在最大可能的效率下被輸送到負載。設計功率供應器或功率負載的阻抗以得到最大功率傳輸效率常常被稱為「阻抗匹配」，並且也可被稱為優化系統中的有用功率與損失功率之比。可通過添加元件(例如電容器、電感器、變壓器、開關、電阻器等)的網絡或集合來執行阻抗匹配，以形成功率供應器和功率負載之間的阻抗匹配網絡。在實施例中，在元件定位中的機械調節和變化可用於實現阻抗匹配。對於變化的負載，阻抗匹配網絡可包括可變的部件，可變的部件動態地被調節以確保在朝著負載看的在功率供應器端子處的阻抗和功率供應器的特徵阻抗保持實質上是彼此的復共軛，即使在動態環境和操作情況中也是如此。
在實施例中，可通過調諧功率供應器的驅動信號的佔空比和/或相位和/或頻率，或通過調節功率供應器內的物理部件(例如電容器)來實現阻抗匹配。這樣的調諧機制可以是有利的，因為它可在不使用可調諧阻抗匹配網絡，或使用簡化的可調諧阻抗匹配網絡(例如具有較少的可調諧部件的阻抗匹配網絡)的情況下允許功率供應器和負載之間的阻抗匹配。在實施例中，調諧用於功率供應器的驅動信號的佔空比和/或頻率和/或相位可產生具有擴展的調諧範圍或精確度、具有較高的功率、電壓和/或電流能力、具有較快的電子控制、具有較少的外部部件等的動態阻抗匹配系統。
在一些無線能量傳輸系統中，諧振器的參數(例如電感)可被環境條件(例如周圍的物體、溫度、其它諧振器的方位、數量和位置)等影響。在諧振器的操作參數中的變化可改變某些系統參數，例如在無線能量傳輸中的所傳輸的功率的效率。例如，位於諧振器附近的高導電性材料可移動諧振器的諧振頻率，並使其與其它諧振物體失諧。在一些實施例中，使用諧振器反饋機制，諧振器反饋機制通過改變電抗元件(例如，電感元件或電容元件)來校正其頻率。為了實現可接受的匹配條件，至少一些系統參數可能需要是動態可調節的或可調諧的。所有系統參數可以是動態可調節的或可調諧的，以大致實現最佳操作條件。然而，即使所有或一些系統參數不是可變的，足夠有效的能量交換也可被實現。在一些例子中，至少一些設備可以不被動態地調節。在一些例子中，至少一些源可以不被動態地調節。在一些例子中，至少一些中間諧振器可以不被動態地調節。在一些例子中，沒有一個系統參數可以被動態地調節。
在一些實施例中，當受到操作環境或操作點中的差異時，可通過選擇具有在補充或相反的方式或方向上改變的特徵的部件來減輕部件的參數中的變化。在實施例中，系統可被設計有具有歸因於溫度、功率水平、頻率等的相反的相關性或參數波動的部件(例如電容器)。在一些實施例中，作為溫度的函數的部件值可存儲在系統微控制器中的查找表中，且來自溫度傳感器的讀數可在系統控制反饋迴路中使用來調節其它參數以補償溫度引起的部件值變化。
在一些實施例中，可使用包括可調諧部件的有源調諧電路來補償部件的參數值中的變化。監控部件和系統的操作環境和操作點的電路可被併入設計中。監控電路可提供主動補償部件的參數中的變化所必需的信號。例如，溫度讀數可用於計算系統的電容的預期變化或指示系統的電容的以前測量的值，允許通過切換到其它電容器中或調諧電容器以維持期望電容來在一定範圍的溫度上進行補償。在實施例中，rf放大器開關波形可被調節以補償系統中的部件值或負載變化。在一些實施例中，可使用主動冷卻、加熱、主動環境調節等來補償部件的參數中的變化。
參數測量電路可測量或監測系統中的某個功率、電壓和電流、信號，且處理器或控制電路可基於那些測量來調節某些設置或操作參數。此外，在整個系統中的電壓和電流信號的幅值和相位以及功率信號的幅值可被訪問以測量或監測系統性能。在整個本公開中提到的所測量的信號可以是埠參數信號以及電壓信號、電流信號、功率信號、溫度信號等的任何組合。這些參數可使用模擬或數位技術來測量，它們可被採樣和處理，且它們可使用若干已知的模擬和數字處理技術來被數位化或轉換。在實施例中，某些所測量的量的預設值被裝載在系統控制器或存儲器位置中並在各種反饋和控制迴路中被使用。在實施例中，所測量、監測和/或預設的信號的任何組合可在反饋電路或系統中被使用以控制諧振器和/或系統的操作。
調節算法可用於調節磁諧振器的頻率、q和/或阻抗。算法可採用與離系統的期望操作點的偏差程度有關的參考信號作為輸入，並可輸出與該偏差有關的校正或控制信號，該校正或控制信號控制系統的可變或可調諧元件以將系統帶回到一個或多個期望操作點。磁諧振器的參考信號可在諧振器在無線功率傳輸系統中交換功率時被獲取，或它們可在系統操作期間被切換出電路。可連續地、周期性地、在閾值超出時、數字地、使用模擬方法等來應用或執行對系統的校正。
在實施例中，有損外來材料和物體可通過吸收無線功率傳輸系統的諧振器的磁能和/或電能而帶來效率的可能減小。那些影響在各種實施例中可通過定位諧振器以最小化有損外來材料的效果並通過放置結構場成形元件(例如，導電結構、板和薄片、磁性材料結構、板和薄片以及其組合)以最小化其效果來減輕。
減小有損材料對諧振器的影響的一種方式是使用高導電性材料、磁性材料或其組合以使諧振器場成形，以致它們避開有損物體。在示例性實施例中，高導電性材料和磁性材料的分層結構可對諧振器的電磁場進行調整、成形、定向、重新定向等，使得通過使場偏轉來使它們避開在其附近的有損物體。圖2d示出具有在磁性材料之下的導體226的薄片的諧振器的頂視圖，其可用於調整諧振器的場，使得它們避開可能在導體226的薄片之下的有損物體。良導體226的層或薄片可包括任何高導電性材料例如銅、銀、鋁，如可能最適合於給定的應用的高導電性材料。在某些實施例中，良導體的層或薄片比在諧振器操作頻率下的導體的趨膚厚度厚。導體薄片可優選地大於諧振器的尺寸，延伸出諧振器的物理範圍之外。
在所傳輸的功率的量可呈現對可能侵入有源場體積中的人或動物具有安全危害的環境和系統中，安全措施可被包括在系統中。在功率水平需要特殊化的安全措施的實施例中，諧振器的封裝、結構、材料等可被設計成提供距磁諧振器中的導電迴路的間隔或「避開」區。為了提供進一步的保護，高q諧振器以及功率和控制電路可位於外殼中，外殼將高電壓或電流限制在外殼內，保護諧振器和電氣部件免受天氣、溼氣、沙、灰塵和其它外部元素以及撞擊、振動、刮擦、爆炸和其它類型的機械衝擊的影響。這樣的外殼要求注意各種因素(例如熱耗散)以維持電氣部件和諧振器的可接受的操作溫度範圍。在實施例中，外殼可由無損材料例如複合物、塑料、木材、混凝土等構造，並可用於提供從有損物體到諧振器部件的最小距離。離有損物體或可能包括金屬物體、鹽水、油等的環境的最小分離距離可提高無線能量傳輸的效率。在實施例中，「避開」區可用於增加諧振器或諧振器的系統的擾動q。在實施例中，最小分離距離可提供諧振器的更可靠或更恆定的操作參數。
在實施例中，諧振器及其相應的傳感器和控制電路可具有與其它電子和控制系統和子系統的各種水平的集成。在一些實施例中，功率和控制電路和設備諧振器是完全分離的模塊或外殼，具有對現有系統的最小集成，提供了功率輸出以及控制和診斷界面。在一些實施例中，設備配置成在外殼內部的腔中容納諧振器和電路組件，或集成到設備的殼體或外殼內。
示例性諧振器電路
圖3和圖4顯示描繪無線能量傳輸系統的示例性源的功率產生、監測和控制部件的高層次方框圖。圖3是包括半橋開關功率放大器和一些相關的測量、調諧和控制電路的源的方框圖。圖4是包括全橋開關功率放大器和一些相關的測量、調諧和控制電路的源的方框圖。
在圖3中描繪的半橋系統拓撲可包括執行控制算法328的處理單元。執行控制算法328的處理單元可以是微控制器、專用電路、現場可編程門陣列、處理器、數位訊號處理器等。處理單元可以是單個設備，或它可以是設備的網絡。控制算法可在處理單元的任何部分上運行。算法可被針對某些應用來定製，並可包括模擬和數字電路和信號的組合。主算法可測量並調節電壓信號和水平、電流信號和水平、信號相位、數字計數設置等。
系統可包括耦合到無線通信電路312的可選的源/設備和/或源/其它諧振器通信控制器332。可選的源/設備和/或源/其它諧振器通信控制器332可以是執行主控制算法的同一處理單元的部分，它可以是微控制器302內的一部分或電路，它可以在無線功率傳輸模塊的外部，它可以實質上類似於在有線供電或電池供電的應用中使用的但被配置為包括某種新的或不同的功能以增強或支持無線功率傳輸的通信控制器。
系統可包括耦合到至少兩個電晶體門驅動器334的pwm發生器306，並可由控制算法控制。兩個電晶體門驅動器334可直接或經由門驅動變壓器耦合到兩個功率電晶體336，兩個功率電晶體336通過阻抗匹配網絡部件342驅動源諧振器線圈344的。功率電晶體336可與可調節的dc電源304耦合併使用可調節的dc電源304供電，且可調節的dc電源304可由可變總線電壓vbus控制。vbus控制器可由控制算法328控制，並且可以是微控制器302或其它集成電路的部分或被集成到微兩個功率電晶體336控制器302或其它集成電路中。vbus控制器326可控制可調節的dc電源304的電壓輸出，可調節的dc電源304可用於控制放大器的功率輸出和輸送到諧振器線圈344的功率。
系統可包括包含信號濾波和緩衝電路318、320的感測和測量電路，信號濾波和緩衝電路318、320可例如在信號被輸入到處理器和/或轉換器(例如模數轉換器(adc)314、316)之前對信號進行成形、修改、濾波、處理、緩衝等信號。處理器和轉換器(例如adc314、316)可集成到微控制器302中，或可以是可耦合到處理核心330的分離的電路。基於所測量的信號，控制算法328可產生、限制、發起、結束、控制、調節或修改pwm發生器306、通信控制器332、vbus控制裝置326、源阻抗匹配控制器338、濾波器/緩衝元件318、320、轉換器314、316、諧振器線圈344中的任一個的操作，並且可以是是微控制器302或單獨電路的部分或集成到微控制器302或單獨電路中。阻抗匹配網絡342和諧振器線圈344可包括可電氣地控制的、可變的或可調諧的部件(例如如本文所述的電容器、開關、電感器等)，且這些部件可具有根據從源阻抗匹配控制器338接收的信號而被調節的其部件值或操作點。部件可被調諧以調節諧振器的操作和特性，包括輸送到諧振器並由諧振器輸送的功率、諧振器的諧振頻率、諧振器的阻抗、諧振器的q和任何其它耦合系統等。諧振器可以是本文描述的任何類型或結構的諧振器，包括電容性加載迴路諧振器、包括磁性材料的平面諧振器或其任何組合。
在圖4中描繪的全橋系統拓撲可包括執行主控制算法328的處理單元。執行控制算法328的處理單元可以是微控制器、專用電路、現場可編程門陣列、處理器、數位訊號處理器等。系統可包括耦合到無線通信電路312的源/設備和/或源/其它諧振器通信控制器332。源/設備和/或源/其它諧振器通信控制器332可以是執行該主控制算法的同一處理單元的部分，它可以是微控制器302內的一部分或電路，它可以在無線功率傳輸模塊外部，它可以實質上類似於在有線供電或電池供電的應用中使用的但被配置為包括某種新的或不同的功能以增強或支持無線功率傳輸的通信控制器。
系統可包括具有耦合到至少四個電晶體門驅動器334的至少兩個輸出的pwm發生器410，電晶體門驅動器334可由在主控制算法中產生的信號控制。四個電晶體門驅動器334可直接地或經由門驅動變壓器耦合到四個功率電晶體336，四個功率電晶體336可通過阻抗匹配網絡部件342驅動源諧振器線圈344。功率電晶體336可與可調節的dc電源304耦合併使用可調節的dc電源304來供電，且可調節的dc電源304可由可變總線電壓vbus控制，vbus控制器可由主控制算法控制。vbus控制器326可控制可調節的dc電源304的電壓輸出，可調節的dc電源304可用於控制放大器的功率輸出和輸送到諧振器線圈344的功率。
系統可包括包含信號濾波和緩衝電路318、320和差分/單端轉換電路402、404的感測和測量電路，信號濾波和緩衝電路318、320和差分/單端轉換電路402、404可例如在信號被輸入到處理器和/或轉換器(例如模數轉換器(adc)314、316)之前對信號進行成形、修改、過濾、處理、緩衝等。處理器和/或轉換器(例如adc314、316)可集成到微控制器302中，或可以是可耦合到處理核心330的單獨電路。基於所測量的信號，主控制算法可產生、限制、發起、結束、控制、調節或修改pwm發生器410、通信控制器332、vbus控制器326、源阻抗匹配控制器338、濾波器/緩衝元件318、320、差分/單端轉換電路402、404、轉換器314、316、諧振器線圈344中的任一個的操作，並且可以是微控制器302或單獨電路的部分或集成到微控制器302或單獨電路中。
阻抗匹配網絡342和諧振器線圈344可包括可電氣地控制的、可變的或可調諧的部件(例如如本文所述的電容器、開關、電感器等)，且這些部件可具有根據從源阻抗匹配控制器338接收的信號而調節的其部件值或操作點。部件可被調諧以實現諧振器的操作和特性的調諧，包括輸送到諧振器並由諧振器輸送的功率、諧振器的諧振頻率、諧振器的阻抗、諧振器的q和任何其它耦合系統等。諧振器可以是本文描述的任何類型或結構的諧振器，包括電容性加載迴路諧振器、包括磁性材料的平面諧振器或其任何組合。
阻抗匹配網絡可包括固定值部件，例如電容器、電感器和如本文所述的部件的網絡。如本文描述的，阻抗匹配網絡的部分a、b和c可包括電感器、電容器、變壓器及這樣的部件的串聯和並聯組合。在一些實施例中，阻抗匹配網絡的部分a、b和c可以是空的(短路的)。在一些實施例中，部分b包括電感器和電容器的串聯組合，且部分c是空的。
全橋拓撲可使用同一dc總線電壓作為等效的半橋放大器來允許在較高的輸出功率水平處的操作。圖3的半橋示例性拓撲可提供單端驅動信號，而圖4的示例性全橋拓撲可提供對源諧振器308的差分驅動。如本文討論的，阻抗匹配拓撲和部件和諧振器結構可能對於這兩個系統是不同的。
在圖3和4中描繪的示例性系統還可包括可用於觸發源放大器中的微控制器的關閉或可用於改變或中斷放大器的操作的故障檢測電路340。這個保護電路可包括一個或多個高速比較器以監測放大器返回電流、來自dc電源304的放大器總線電壓(vbus)、源諧振器308和/或可選的調諧板兩端的電壓或可引起對系統中的部件的損壞或可產生不合乎需要的操作條件的任何其它電壓或電流信號。優選的實施例可取決於與不同的應用相關的可能不合乎需要的操作模式。在一些實施例中，保護電路可能不被實現或電路可能不被聚集(populated)。在一些實施例中，系統和部件保護可被實現為主控制算法以及其它系統監測和控制電路的部分。在實施例中，專用故障電路340可包括耦合到主控制算法328的輸出(未示出)，主控制算法328可觸發系統關閉、輸出功率的減小(例如，vbus的減小)、對pwm發生器的改變、操作頻率的改變、對調諧元件的改變、或可由控制算法328實現來調節操作點模式、提高系統性能和/或提供保護的任何其它合理的行動。
如本文所述的，在無線功率傳輸系統中的源可使用驅動源諧振器線圈344的阻抗匹配網絡242的輸入阻抗的測量結果作為可以是主控制算法的部分的系統控制迴路的誤差或控制信號。在示例性實施例中，在三個參數的任何組合中的變化可用於調諧無線電源以補償環境條件中的變化、耦合中的變化、設備功率要求中的變化、模塊、電路、部件或子系統性能中的變化、系統中的源、設備或中繼器的數量的增加或降低、用戶發起的改變等。在示例性實施例中，對放大器佔空比、對可變電氣部件(例如可變電容器和電感器)的部件值以及對dc總線電壓的改變可用於改變無線源的操作點或操作範圍並提高某個系統操作值。被用於不同的應用的控制算法的細節可根據期望的系統性能和行為而改變。
例如在本文描述和在圖3和4中示出的阻抗測量電路可使用二通道同時採樣的adc來實現，且這些adc可集成到微控制器晶片中或可以是單獨電路的部分。對源諧振器的阻抗匹配網絡和/或源諧振器的輸入處的電壓和電流信號的同時採樣可產生電流和電壓信號的相位和幅值信息，並可使用已知的信號處理技術來處理以產生復阻抗參數。在一些實施例中，監測僅僅電壓信號或僅僅電流信號可能就足夠了。
本文所述的阻抗測量可使用直接採樣方法，直接採樣方法可能比某種其它已知的採樣方法相對更簡單。在實施例中，可在所測量的電壓和電流信號被輸入到adc之前通過濾波/緩衝電路來對所測量的電壓和電流信號進行調節、過濾和按比例調整。在實施例中，濾波/緩衝電路可以是可調節的，以在各種信號水平和頻率下工作，且可手動地、電子地、自動地響應於控制信號通過主控制算法等來調節電路參數(例如濾波器形狀和寬度)。在圖3、4和5中示出了濾波器/緩衝電路的示例性實施例。
圖5示出可在濾波/緩衝電路中使用的示例性電路部件的更詳細視圖。在實施例中且根據在系統設計中使用的adc的類型，單端放大器拓撲可通過消除對從差分信號格式轉換到單端信號格式的硬體的需要來降低用於表徵系統、子系統、模塊和/或部件性能的模擬信號測量路徑的複雜度。在其它實施例中，差分信號格式可能是優選的。圖5所示的實施方式是示例性的，且不應被解釋為實現本文描述的功能的唯一可能的方式。相反，應理解，模擬信號路徑可使用具有不同的輸入要求的部件，且因此可具有不同的信號路徑架構。
在單端和差分放大器拓撲中，可通過測量電容器324兩端的電壓或經由某種類型的電流傳感器來得到驅動諧振器線圈344的阻抗匹配網絡342的輸入電流。對於圖3中的示例性單端放大器拓撲，電流可在來自阻抗匹配網絡342的地返迴路徑上被感測到。對於在圖4中描繪的示例性差分功率放大器，可使用電容器324的端子兩端的差分放大器或經由某種類型的電流傳感器來測量驅動諧振器線圈344的阻抗匹配網絡342的輸入電流。在圖4的差分拓撲中，電容器324可在源功率放大器的負輸出端子處被複製。
在這兩種拓撲中，在表示源諧振器和阻抗匹配網絡的輸入電壓和電流的單端信號被得到之後，信號可被濾波(502)以得到信號波形的期望部分。在實施例中，信號可被過濾以得到信號的基本分量。在實施例中，所執行的濾波的類型(例如低通、帶通、陷波等)以及所使用的濾波器拓撲例如(橢圓、chebyshev、butterworth等)可取決於系統的特定要求。在一些實施例中，沒有濾波將是需要的。
電壓和電流信號可被可選的放大器504放大。可選的放大器504的增益可以是固定的或可變的。可響應於控制信號等來手動地、電子地、自動地控制放大器的增益。可在反饋迴路中響應於控制算法通過主控制算法等來調節放大器的增益。在實施例中，放大器的所需性能規格可取決於信號強度和期望的測量準確度，並且對不同的應用情況和控制算法可能是不同的。
所測量的模擬信號可具有添加到它們的dc偏移506，其可能是將信號帶到adc的輸入電壓範圍內所需要的，輸入電壓對於一些系統可以是0到3.3v。在一些系統中，這個階段可能不是需要的，取決於所使用的特定adc的規格。
如上所述，在功率發生器和功率負載之間的功率傳輸的效率可被該發生器的輸出阻抗與該負載的輸入阻抗如何緊密地匹配影響。在如圖6a所示的示例性系統中，當負載604的輸入阻抗等於功率發生器或功率放大器602的內部阻抗的復共軛時，功率可在最大可能的效率下輸送到負載。設計發生器或負載阻抗以得到高和/或最大功率傳輸效率可被稱為「阻抗匹配」。阻抗匹配可通過插入元件(例如電容器、電阻器、電感器、變壓器、開關等)的適當網絡或集合來執行，以形成在如圖6b所示的功率發生器602和功率負載604之間的阻抗匹配網絡606。在其它實施例中，元件定位中的機械調節和改變可用於實現阻抗匹配。如上面針對變化的負載描述的，阻抗匹配網絡606可包括可變部件，可變部件動態地被調節以甚至在動態環境和操作情況中，確保在向負載看的發生器端子處的阻抗和發生器的特徵阻抗實質上保持彼此的復共軛。在實施例中，可通過調諧功率發生器的驅動信號的佔空比和/或相位和/或頻率，或通過調諧功率發生器內的物理部件(例如如圖6c所示的電容器)來實現阻抗匹配。這樣的調節機制可以是有利的，因為它可在不使用可調諧阻抗匹配網絡或使用簡化的可調諧阻抗匹配網絡606(例如具有較少的可調諧部件的阻抗匹配網絡)的情況下允許功率發生器608和負載之間的阻抗匹配。在實施例中，調諧功率發生器的驅動信號的佔空比和/或頻率和/或相位可產生具有擴展的調諧範圍或精度、具有較高的功率、電壓和/或電流能力、具有較快的電子控制、具有較少的外部部件等的動態阻抗匹配系統。下面描述的阻抗匹配方法、架構、算法、協議、電路、測量、控制等可能在功率發生器驅動高q磁諧振器的系統中和在如本文所述的高q無線功率傳輸系統中是有用的。在無線功率傳輸系統中，功率發生器可以是驅動有時被稱為源諧振器的諧振器的功率放大器，源諧振器可以是功率放大器的負載。在無線功率應用中，控制功率放大器和諧振器負載之間的阻抗匹配以控制從功率放大器到諧振器的功率輸送的效率可能是優選的。通過調諧或調節驅動諧振器的功率放大器的驅動信號的佔空比和/或相位和/或頻率來實現或部分地實現阻抗匹配。
開關放大器的效率
當沒有功率在放大器的開關元件上被耗散時，開關放大器例(如d、e、f類放大器等或其任何組合)以最大效率將功率輸送到負載。這個操作條件可通過設計該系統以使得最關鍵的開關操作(即，最可能導致開關損耗的那些開關操作)在開關元件兩端的電壓和穿過開關元件的電流都為零時完成來實現。這些條件可分別被稱為零電壓開關(zvs)和零電流開關(zcs)條件。當放大器在zvs和zcs處操作時，在開關元件兩端的電壓或穿過開關元件的電流為零，且因此沒有功率可在開關中被耗散。因為開關放大器可在特定的頻率或頻率範圍下將dc(或非常低頻率的ac)功率轉換成ac功率，濾波器可在負載之前被引入以防止可能通過開關過程產生的不需要的諧波達到負載並在那裡被耗散。在實施例中，開關放大器可設計成在連接到具有非平凡品質因子(比如q>5)和特定阻抗的諧振負載時在功率轉換的最大效率下操作，其導致同時的zvs和zcs。我們將zo＝ro-jxo定義為放大器的特徵阻抗，使得實現最大功率傳輸效率等效於將諧振負載與放大器的特徵阻抗進行阻抗匹配。
在開關放大器中，開關元件的開關頻率fswitch(其中fswitch＝ω/2π)和開關元件的接通開關狀態持續時間的佔空比dc可以對放大器的所有開關元件來說是相同的。在該實施例中，我們將使用術語「d類」來表示d類和de類放大器，即，具有dc<＝50％的開關放大器。
放大器的特徵阻抗的值可取決於開關元件的操作頻率、放大器拓撲和開關次序。在一些實施例中，開關放大器可以是半橋拓撲，且在一些實施例中是全橋拓撲。在一些實施例中，開關放大器可以d類，且在一些實施例中是e類。在上述實施例的任一個中，假設橋的元件是對稱的，開關放大器的特徵阻抗具有以下形式：
ro＝fr(dc)/ωca，xo＝fx(dc)/ωca，(1)
其中dc是開關元件的接通開關狀態的佔空比，函數fr(dc)和fx(dc)在圖7中繪製出(都針對d類和e類)，ω是開關元件被切換所處於的頻率，且ca＝nacswitch，其中cswitch是每個開關兩端的電容，包括電晶體輸出電容以及還有與開關並聯放置的可能的外部電容器，而對於全橋，na＝1且對於半橋。na＝2。對於d類，也可寫出分析表達式：
fr(dc)＝sin2u/π，fx(dc)＝(u-sinu*cosu)/π，(2)其中u＝π(1-2*dc)，指示當佔空比dc下降到50％時，d類放大器的特徵阻抗水平降低。對於具有dc＝50％的d類放大器操作，只有當開關元件實際上沒有輸出電容(ca＝0)且負載確切地處於諧振(xo＝0)時，實現zvs和zcs才是可能的，其中ro可以是任意的。
阻抗匹配網絡
在應用中，驅動負載可具有與它連接到的外部驅動電路的特徵阻抗非常不同的阻抗。此外，驅動負載可以不是諧振網絡。阻抗匹配網絡(imn)是可如在圖6b中的連接在負載之前的電路網絡，以便調節在由imn電路和負載組成的網絡的輸入處看到的阻抗。imn電路可一般通過產生接近驅動頻率的諧振來實現這個調節。因為這樣的imn電路實現最大化從發生器到負載的功率傳輸效率所需的所有條件(諧振和阻抗匹配——對開關放大器的zvs和zcs)，在實施例中，imn電路可在驅動電路和負載之間被使用。
對於圖6b所示的布置，讓由阻抗匹配網絡(imn)電路和負載(從現在起被共同表示為imn+負載)組成的網絡的輸入阻抗為zl＝rl(ω)+jxl(ω)。這個網絡與具有特徵阻抗zo＝ro-jxo的外部電路的阻抗匹配條件於是為rl(ω)＝ro、xl(ω)＝xo。
用於可變負載的可調諧阻抗匹配的方法
在負載可能是可變的實施例中，在負載和外部驅動電路(例如線性或開關功率放大器)之間的阻抗匹配可通過使用imn電路中的可調節/可調諧部件來實現，imn電路可被調節以使變化的負載與外部電路(圖6b)的固定特徵阻抗zo匹配。為了使阻抗的實部和虛部匹配，可能需要imn電路中的兩個可調諧/可變元件。
在實施例中，負載可以是電感的(例如諧振器線圈)，具有阻抗r+jωl，所以imn電路中的兩個可調諧元件可以是兩個可調諧電容網絡，或一個可調諧電容網絡和一個可調諧電感網絡，或一個可調諧電容網絡和一個可調諧互感網絡。
在負載可能是可變的實施例中，在負載和驅動電路(例如線性或開關功率放大器)之間的阻抗匹配可通過使用放大器電路中的可調節/可調諧部件或參數來實現，放大器電路可被調節以使放大器的特徵阻抗zo與由imn電路和負載(imn+負載)組成的網絡的變化(由於負載變化)的輸入阻抗匹配，其中imn電路也可以是可調諧的(圖6c)。為了使阻抗的實部和虛部匹配，可能需要放大器和imn電路中的總共兩個可調諧/可變元件或參數。所公開的阻抗匹配方法可減小imn電路中的可調諧/可變元件的所需數量或甚至完全消除對imn電路中的可調諧/可變元件的要求。在一些例子中，可使用功率放大器中的一個可調諧元件和imn電路中的一個可調諧元件。在一些例子中，可使用功率放大器中的兩個可調諧元件並且不使用imn電路中的可調諧元件。
在實施例中，功率放大器中的可調諧元件或參數可以是施加到電晶體、開關、二極體等的驅動信號的頻率、振幅、相位、波形、佔空比等。
在實施例中，具有可調諧特徵阻抗的功率放大器可以是d、e、f類的可調諧開關放大器或其任何組合。組合方程(1)和(2)，這個網絡的阻抗匹配條件是：
rl(ω)＝fr(dc)/ωca,xl(ω)＝fx(dc)/ωca(3)
在可調諧開關放大器的一些例子中，一個可調諧元件可以是電容ca，其可通過調諧與開關元件並聯放置的外部電容器來調諧。
在可調諧開關放大器的一些例子中，一個可調諧元件可以是放大器的開關元件的接通開關狀態的佔空比dc。經由脈衝寬度調製(pwm)調節佔空比dc已在開關放大器中被使用來實現輸出功率控制。在這個說明書中，我們公開了pwm也可用於實現阻抗匹配，即，滿足方程(3)，並因此最大化放大器效率。
在可調諧開關放大器的一些例子中，一個可調諧元件可以是開關頻率，其也是imn+負載網絡的驅動頻率並且也可設計成實質上接近imn+負載網絡的諧振頻率。調諧開關頻率可改變放大器的特徵阻抗和imn+負載網絡的阻抗。放大器的開關頻率可連同另一可調諧參數一起被適當地調諧，使得方程(3)被滿足。
調諧放大器的佔空比和/或驅動頻率以用於動態阻抗匹配的益處是，這些參數可電子地、快速地和在寬範圍上被調節。相反，例如可忍受大電壓並具有足夠大的可調諧範圍和品質因子的可調諧電容器可能是昂貴的、緩慢的或在必要的部件規則下是不可獲得的。
用於可變負載的可調諧阻抗匹配的方法的例子
在圖8中示出d類功率放大器802、阻抗匹配網絡804和電感負載806的電路級結構的簡化電路圖。該圖示出具有包括電源810、開關元件808和電容器的開關放大器804的系統的基本部件。阻抗匹配網絡804包括電感器和電容器，以及負載806被建模為電感器和電阻器。
如圖8所示，這個創造性調諧方案的示例性實施例包括在開關頻率f處操作並經由imn驅動電感元件r+jωl的半橋d類放大器。
在一些實施例中，l′可以是可調諧的。可通過電感器上的可變分接點或通過將可調諧電容器串聯或並聯地連接到電感器來調諧l′。在一些實施例中，ca可以是可調諧的。對於半橋拓撲，可通過改變一個或兩個電容器cswitch來調諧ca，因為只有這些電容器的並聯和對於放大器操作來說是重要的。對於全橋拓撲，可通過改變一個、兩個、三個或所有電容器cswitch來調諧ca，因為只有它們的組合(與橋的兩個半部分相關的兩個並聯和的串聯和)對於放大器操作來說是重要的。
在可調諧阻抗匹配的一些實施例中，imn的部件中的兩個可以是可調諧的。在一些實施例中，l′和c2可被調諧。然後，圖9示出作為電感元件的變化的r和l的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧分量的值和對於f＝250khz、dc＝40％、ca＝640pf和c1＝10nf的放大器的(在給定的dc總線電壓處的)輸出功率的相關變化。因為imn總是調節到放大器的固定特徵阻抗，當電感元件是變化的時候，輸出功率總是不變的。
在可調諧阻抗匹配的一些實施例中，開關放大器中的元件也可以是可調諧的。在一些實施例中，電容ca連同imn電容器c2一起可被調諧。然後，圖10示出作為電感元件的變化的r和l的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧分量的值，和對於f＝250khz、dc＝40％、c1＝10nf和ωl′＝1000ω的放大器的(在給定的dc總線電壓處)輸出功率的相關變化。從圖10可推斷出，需要主要響應於l中的變化來調諧c2，以及當r增加時輸出功率降低。
在可調諧阻抗匹配的一些實施例中，佔空比dc和imn電容器c2一起可被調諧。然後，圖11示出作為電感元件的變化的r和l的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧分量的值和對於f＝250khz、ca＝640pf、c1＝10nf和ωl′＝1000ω的放大器的(在給定的dc總線電壓處)輸出功率的相關變化。從圖11可推斷出，需要主要響應於l中的變化來調諧c2，以及當r增加時輸出功率降低。
在可調諧阻抗匹配的一些實施例中，電容ca和imn電感器l′一起可被調諧。然後，圖11a示出作為電感元件的變化的r的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧參數的值和對於f＝250khz、dc＝40％、c1＝10nf和c2＝7.5nf的放大器的(在給定的dc總線電壓處)輸出功率的相關變化。從圖11a可推斷出，當r增加時輸出功率降低。
在一些可調諧阻抗匹配的一些實施例中，佔空比dc和imn電感器l′一起可被調諧。然後，圖11b示出作為電感元件的變化的r的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧參數的值和作為電感元件的變化的r的函數的對於f＝250khz、ca＝640pf、c1＝10nf和c2＝7.5nf的放大器的(在給定的dc總線電壓處)輸出功率的相關變化。從圖11b可推斷出，當r增加時輸出功率降低。
在一些可調諧阻抗匹配的一些實施例中，只有開關放大器中的元件可以是可調諧的，而在imn中沒有可調諧元件。在一些實施例中，佔空比dc和電容ca一起可被調諧。然後，圖11c示出作為電感元件的變化的r的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧參數的值和對於f＝250khz、c1＝10nf、c2＝7.5nf和ωl′＝1000ω的放大器的輸出功率(在給定的dc總線電壓處)的相關變化。從圖11c可推斷出，輸出功率是r的非單調函數。當l中的變化是適度的(以及因此諧振頻率中的變化是適度的)時，這些實施例可能夠實現動態阻抗匹配。
在一些實施例中，也當l如早些時候解釋地那樣極大地變化時，與imn內部的固定元件的動態阻抗匹配可通過改變外部頻率f(例如，開關放大器的開關頻率)的驅動頻率使得它跟隨諧振器的變化的諧振頻率來實現。使用開關頻率f和開關佔空比dc作為兩個可變的參數，當r和l是變化的時，全阻抗匹配可被實現，而不需要任何可變部件。然後，圖12示出作為電感元件的變化的r和l的函數的實現阻抗匹配所需的兩個可調諧參數的值和對於ca＝640pf、c1＝10nf、c2＝7.5nf和l′＝637μh的放大器的(在給定的dc總線電壓處)輸出功率的相關變化。從圖12可推斷出，如早些時候解釋的，需要主要響應於l的變化來調諧頻率f。
用於無線功率傳輸的系統的可調諧阻抗匹配
在無線功率傳輸的應用中，低損耗電感元件可以是耦合到一個或多個設備諧振器或其它諧振器(例如中繼器諧振器)的源諧振器的線圈。電感元件r+jωl的阻抗可包括在源諧振器的線圈上的其它諧振器的反射阻抗。電感元件的r和l的變化可由於在源諧振器和/或其它諧振器附近的外部擾動或部件的熱漂移而出現。由於設備和其它諧振器相對於源的相對運動，電感元件的r和l的變化也可在無線功率傳輸系統的正常使用期間出現。這些設備和其它諧振器相對於源的相對運動或其它源的相對運動或位置可導致設備到源的變化的耦合(以及因此變化的反射阻抗)。此外，由於其它耦合諧振器內的變化(例如在其負載的功率消耗器中的變化)，電感元件的r和l的變化也可在無線功率傳輸系統的正常使用期間出現。到目前為止公開的所有方法和實施例也適用於這種情況，以便實現這個電感元件與驅動它的外部電路的動態阻抗匹配。
為了展示無線功率傳輸系統的目前公開的動態阻抗匹配方法，考慮包括低損耗源線圈的源諧振器，該低損耗源線圈電感地耦合到驅動電阻性負載的設備諧振器的設備線圈。
在一些實施例中，可在源電路處實現動態阻抗匹配。在一些實施例中，也可在設備電路處實現動態阻抗匹配。當全阻抗匹配被獲得(在源和設備處)時，源電感元件的有效電阻(即，源線圈rs的電阻加上來自設備的反射阻抗)是(類似地，設備電感元件的有效電阻是其中rd是設備線圈的電阻。)由於運動而引起的在線圈之間的互感的動態變化導致了的動態變化。因此，當源和設備都被動態地調諧時，互感的變化從源電路側被看作源電感元件電阻r的變化。注意，在這種類型的變化中，諧振器的諧振頻率可以實質上不改變，因為l可以不改變。因此，針對動態阻抗匹配提出的所有方法和例子可用於無線功率傳輸系統的源電路。
注意，因為電阻r代表源線圈和設備線圈到源線圈的反射阻抗，在圖9-12中，當r由於增大的u而增大時，相關的無線功率傳輸效率增加。在一些實施例中，在由設備電路驅動的負載處可能需要近似恆定的功率。為了實現傳輸到設備的功率的恆定水平，當u增加時，源電路的所需輸出功率可能需要降低。如果動態阻抗匹配通過調諧一些放大器參數而實現，則放大器的輸出功率可相應地改變。在一些實施例中，輸出功率的自動變化優選地隨著r而單調降低，使得它匹配恆定的設備功率要求。在通過調節功率發生器的dc驅動電壓來實現輸出功率水平的實施例中，使用導致單調降低的輸出功率vs.r的阻抗匹配的可調諧參數集合將意味著恆定的功率可保持在設備中的功率負載處，而只有該dc驅動電壓的適度調節。在用於調節輸出功率水平的「旋鈕」是開關放大器或阻抗匹配網絡內部的部件的佔空比dc或相位的實施例中，使用導致單調降低的輸出功率vs.r的阻抗匹配的可調諧參數集合將意味著恆定的功率可保持在設備中的功率負載處，而只有這個功率「旋鈕」的適度調節。
在圖9-12的例子中，如果rs＝0.19ω，則範圍r＝0.2-2ω近似地對應於usd＝0.3-10.5。對於這些值，在圖14中，當源和設備都動態地阻抗匹配時，我們用虛線顯示保持負載處的恆定的功率水平所需的輸出功率(被歸一化到dc電壓平方)。在實線和虛線之間的類似趨勢解釋了為什麼具有輸出功率的如此變化的一組可調諧參數可以是優選的。
在一些實施例中，動態阻抗匹配可在源電路處實現，但阻抗匹配在設備電路處可以不實現或可以只部分地實現。當源線圈和設備線圈之間的互感改變時，設備到源的變化的反射阻抗可導致源電感元件的有效電阻r和有效電感l的變化。到目前為止提出用於動態阻抗匹配的方法是可適用的，並可用於無線功率傳輸系統的可調諧源電路。
作為例子，考慮圖14的電路，其中f＝250khz、ca＝640pf、rs＝0.19ω、ls＝100μh、c1s＝10nf、ωls′＝1000ω、rd＝0.3ω、ld＝40μh、c1d＝87.5nf、c2d＝13nf、ωld′＝400ω和zl＝50ω，其中s和d分別表示源和設備諧振器，並且系統在usd＝3處匹配。調諧開關放大器的佔空比dc和電容器c2s可用於，在不可調諧的設備正相對於源移動而改變了源和設備之間的互感m時對源進行動態阻抗匹配。在圖14中，我們顯示可調諧參數的所需值連同放大器的每dc電壓的輸出功率。虛線再次指示將被需要的放大器的輸出功率，使得負載處的功率是恆定值。
在一些實施例中，調諧源驅動電路的驅動頻率f可仍然用於針對在源和一個或多個設備之間的無線功率傳輸的系統，實現在源處的動態阻抗匹配。如早些時候解釋的，該方法實現源的全動態阻抗匹配，即使存在源電感ls的變化和因而存在源諧振頻率的變化也是如此。對於從源到設備的有效功率傳輸，設備諧振頻率必須被調諧以跟隨匹配的驅動和源諧振頻率的變化。當存在源或設備諧振器的諧振頻率的變化時，調諧設備電容(例如，在圖13的實施例中是c1d或c2d)可能是必要的。事實上，在具有多個源和設備的無線功率傳輸系統中，調諧驅動頻率減輕了對只調諧一個源-對象諧振頻率的需要，然而，所有其餘對象可能需要機制(例如，可調諧電容)來調諧其諧振頻率以匹配驅動頻率。
諧振器熱管理
在無線能量傳輸系統中，在無線傳輸過程期間損失的能量的一部分作為熱被耗散。能量可在諧振器部件本身中被耗散。例如，甚至高q導體和部件也具有一定損耗或電阻，且這些導體和部件可在電流和/或電磁場流經它們時變熱。能量可在諧振器周圍的材料和物體中被耗散。例如，在諧振器周圍或附近的有缺陷的導體或電介質中耗散的渦流電流可加熱那些物體。除了影響那些物體的材料屬性以外，這個熱還可通過傳導、輻射或對流過程傳輸到諧振器部件。這些加熱效應中的任一個可影響諧振器q、阻抗、頻率等和因而影響無線能量傳輸系統的性能。
在包括磁性材料的塊或核心的諧振器中，由於從感應渦流電流產生的磁滯損耗和電阻損耗，熱可在磁性材料中產生。這兩個效應都取決於材料中的磁通量密度，且都可產生相當大量的熱，特別是在通量密度或渦流電流可被集中或局部化的區域中。除了通量密度以外，振蕩磁場的頻率、磁性材料成分和損耗以及磁性材料的環境或工作溫度都可影響磁滯和電阻損耗如何加熱材料。
在實施例中，可針對特定的操作功率水平和環境來選擇磁性材料的屬性(例如材料的類型、塊的尺寸等)和磁場參數以最小化對磁性材料的加熱。在一些實施例中，在磁性材料塊中的變化、裂縫或缺陷可在無線功率傳輸應用中增加磁性材料的損耗和加熱。
對於具有缺陷或由布置在較大的單元中的較小尺寸的磁性材料瓦片或片組成的磁性塊，塊中的損耗可能是不均勻的，且可集中在相鄰的磁性材料瓦片或片之間存在不均勻性或相對窄的間隙的區域中。例如，如果不規則的間隙存在於磁性材料塊中，則穿過材料的各種磁通量路徑的有效磁阻可能實質上是不規則的，且磁場可更集中在磁阻最低的塊的部分中。在一些情況下，在瓦片或片之間的間隙最窄的地方，或在缺陷的密度最低的地方，有效磁阻可能最低。因為磁性材料引導磁場，磁通量密度可能在整個塊中實質上不是均勻的，但可集中在提供相對較低的磁阻的區域中。在磁性材料塊內的磁場的不規則集中可能不是合乎需要的，因為它們可導致材料中的不均勻損耗和熱耗散。
例如，考慮包括纏繞在由磁性材料的兩個單獨瓦片1502、1504組成的磁性材料塊周圍的導體1506的磁諧振器，這兩個單獨瓦片1502、1504結合，使得它們形成垂直於導體1506的迴路的軸的縫1508，如在圖15中描繪的那樣。在磁性材料瓦片1502、1504之間的縫1508中的不規則間隙可迫使諧振器中的磁場1512(示意性地由虛磁場線表示)集中在磁性材料的橫截面的子區1510中。因為磁場將遵循最小磁阻的路徑，包括兩個磁性材料片之間的空氣間隙的路徑可在磁性材料片接觸或具有較小的空氣間隙的點處產生比橫穿磁性材料的寬度的路徑實際上更高磁阻的路徑。磁通量密度可因此優先流經磁性材料的相對小的橫截面區域，導致在該小區域1510中的磁通量的高度集中。
在很多所關注的磁性材料中，較不均勻的通量密度分布導致較高的總損耗。而且，較不均勻的通量密度分布可導致材料飽和並引起磁通量被集中的區域的局部加熱。局部加熱可改變磁性材料的屬性，在一些情況下加重損耗。例如，在一些材料的相關操作狀態中，磁滯和電阻損耗隨著溫度而增加。如果加熱該材料增加了材料損耗，導致更多的加熱，則材料的溫度可能繼續增加並甚至失控(如果沒有矯正行動被採取的話)。在一些實例中，溫度可達到100c或更多，並可降低磁性材料的屬性和無線功率傳輸的性能。在一些實例中，磁性材料可被損壞，或周圍的電子部件、封裝和/或外殼可被額外的熱量損壞。
在實施例中，可通過對瓦片或片的邊緣進行機器加工、磨光、研磨以確保磁性材料瓦片之間的緊密配合等來最小化在磁性材料塊的瓦片或片之間的變化或不規則性，提供穿過磁性材料塊的整個橫截面的實質上更均勻的磁阻。在實施例中，磁性材料塊可能需要用於提供瓦片之間的壓縮力以確保瓦片緊密地壓在一起而沒有間隙的裝置。在實施例中，可在瓦片之間使用粘合劑以確保它們保持緊密接觸。
在實施例中，可通過添加相鄰的磁性材料瓦片之間的故意的間隙來減小相鄰的磁性材料瓦片的不規則間隔。在實施例中，故意的間隙可用作間隔物以確保磁性材料瓦片或片之間的均勻或規則分離。柔性材料的故意的間隙也可減少由於瓦片運動或振動引起的間隔中的不規則性。在實施例中，可利用電絕緣體來捆住、浸漬、塗覆等相鄰的磁性材料瓦片的邊緣，以防止渦流電流流經塊的減小的橫截面區域，因而降低材料中的渦流電流損耗。在實施例中，可將分離器集成到諧振器封裝中。間隔物可提供1mm或更小的間隔。
在實施例中，可選擇在瓦片之間的間隔物的機械屬性，以便提高總體結構對機械效應的容限，該機械效應例如是由於本徵效應(例如，磁致伸縮、熱膨脹等)以及外部震動和振動引起的瓦片的尺寸和/或形狀的變化。例如，間隔物可具有期望數量的機械彈性以適應單獨瓦片的膨脹和/或收縮，並可在它們受到機械振動時幫助減小瓦片上的應力，從而幫助減小在磁性材料中的裂縫和其它缺陷的出現。
在實施例中，可優選的是，將包括磁性材料塊的單獨瓦片布置成最小化與諧振器的偶極矩垂直的瓦片之間的縫或間隙的數量。在實施例中，可優選的是，將磁性材料瓦片布置和定向成最小化與由包括諧振器的導體的圈所形成的軸垂直的瓦片之間的間隙。
例如，考慮圖16所描繪的諧振器結構。諧振器包括纏繞在磁性材料塊周圍的導體1604，磁性材料塊包括被布置在3乘2陣列中的六個分開的單獨瓦片1602。當在一個方向上橫穿磁性材料塊時，瓦片的布置導致兩個瓦片縫1606、1608，而當在垂直方向上橫穿磁性材料塊時，瓦片的布置導致僅僅一個瓦片縫1610。在實施例中，可優選的是，將導體電線1604纏繞在磁性材料塊周圍使得諧振器的偶極矩垂直於最少數量的瓦片縫。發明人觀察到，存在在平行於諧振器的偶極矩的縫和間隙1606、1608周圍感應的相對較少的加熱。垂直於諧振器的偶極矩延伸的縫和間隙也可被稱為臨界縫或臨界縫區域。然而使平行於諧振器的偶極矩延伸的間隙(例如1606和1608)電絕緣以便減小渦流電流損耗可能仍然是合乎需要的。通過這樣的平行間隙分開的瓦片之間的不均勻接觸可使渦流電流流經窄接觸點，導致在這樣的點處的大損耗。
在實施例中，當磁性材料加熱時，可以用臨界縫區域的足夠冷卻來容許間隔中的不規則性以防止材料屬性的局部退化。將磁性材料的溫度維持在臨界溫度之下可防止由足夠高的溫度引起的失控效應。不管由於瓦片之間的不規則間隔、裂縫或間隙而引起的額外的損耗和加熱效應如何，利用臨界縫區域的適當冷卻，無線能量傳輸性能可能是令人滿意的。
用於防止磁性材料的過分的局部加熱的諧振器結構的有效散熱提出幾個挑戰。一般用於散熱和熱傳導的金屬材料可與用於通過諧振器的無線能量傳輸的磁場交互作用，並影響系統的性能。它們的位置、尺寸、方位和用途應被設計成在存在這些散熱材料的情況下不過分降低諧振器的擾動q。此外，由於磁性材料(例如鐵素體)的相對差的熱傳導性，在散熱器和磁性材料之間的相對大的接觸區域可能需要提供足夠的冷卻，足夠的冷卻可能需要相當大量的有損材料放置成接近磁諧振器。
在實施例中，諧振器的足夠冷卻可使用熱傳導材料的策略性放置來實現，而對無線能量傳輸性能具有最小的影響。在實施例中，熱傳導材料條可放置在導電線的迴路之間並與磁性材料塊熱接觸。
在圖17中描繪了具有熱傳導材料條的諧振器的一個示例性實施例。圖17a示出具有傳導條的諧振器結構，且諧振器結構包括形成間隙或縫的較小的磁性材料瓦片。熱傳導材料條1708可放置在導體1702的迴路之間並如圖17b和17c中描繪的那樣與磁性材料塊1704熱接觸。為了最小化該條對諧振器的參數的影響，在一些實施例中，可優選的是，布置平行於導體的迴路或垂直於諧振器的偶極矩的條。導體條可放置成覆蓋瓦片之間的儘可能多的縫或間隙，特別是垂直於諧振器的偶極矩的瓦片之間的縫。
在實施例中，熱傳導材料可包括銅、鋁、黃銅、熱環氧樹脂、膏(paste)、襯墊等，並且可以是具有至少是諧振器中的磁性材料的熱傳導率(對於一些鐵素體材料來說～5w/(k-m))的熱傳導率的任何材料。在熱傳導材料也導電的實施例中，材料可能需要電絕緣體的層或塗層以防止與磁性材料或諧振器的導體的迴路的短路和直接電接觸。
在實施例中，熱傳導材料條可用於將熱從諧振器結構傳導到可安全地耗散熱能的結構或介質。在實施例中，熱傳導條可連接到散熱器，散熱器例如是位於導體條之上的大板，導體條可使用被動或強制對流、輻射或傳導將熱能耗散到環境。在實施例中，系統可包括可以在諧振器結構的外部或內部的任何數量的主動冷卻系統，該主動冷卻系統可耗散來自熱傳導條的熱能並可包括液體冷卻系統、強制空氣系統等。例如，熱傳導條可以是中空的，或包括用於可被泵送或強制通過以冷卻磁性材料的冷卻劑的通道。在實施例中，由良電導體(例如銅、銀、鋁等)製成的場偏轉器可雙重地作為散熱裝置。將熱傳導和電傳導條添加到磁性材料和場偏轉器之間的空間可具有對擾動q的微小影響，因為在該空間中的電磁場一般被場偏轉器的存在抑制。這樣的傳導條可熱連接到磁性材料和場偏轉器以使在不同的條當中的溫度分布更均勻。
在實施例中，熱傳導條被間隔開以允許導體的至少一個迴路纏繞在磁性材料周圍。在實施例中，熱傳導材料條可只被定位於磁性材料的間隙或縫處。在其它實施例中，該條可定位成接觸實質上在其整個長度處的磁性材料。在其它實施例中，該條可分布成匹配磁性材料內的通量密度。在諧振器的正常操作下可具有較高的磁通量密度的磁性材料的區域可具有與熱傳導條的較高密度的接觸。在例如圖17a中描繪的實施例中，在磁性材料中的最高磁通量密度可被觀察到朝著磁性材料塊的中心，且較低的密度可在諧振器的偶極矩的方向上朝著塊的端部。
為了顯示熱傳導條的使用如何幫助減小磁性材料中的總體溫度以及在潛在的熱點處的溫度，發明人執行與圖17c中描繪的諧振器結構類似的諧振器結構的有限元模擬。模擬在235khz的頻率處工作並包括測量起來30cmx30cmx5mm的epcosn95磁性材料塊的結構，該磁性材料塊由10匝litz線(對稱地放置在離結構的對稱平面的25mm、40mm、55mm、90mm和105mm處)激發的，該litz線每個承載40a的峰值電流，並通過三個鋁(合金6063)的3x3/4x1』中空方形管(1/8」壁厚)熱連接到50cmx50cmx4mm的場偏轉器，中空方形管的中心軸放置在離該結構的對稱平面的-75mm、0mm和+75mm處。歸因於場偏轉器和中空管的擾動q被發現是1400(與對沒有中空管的相同結構的1710比較)。在屏障和管中耗散的功率被計算為35.6w，而在磁性材料中耗散的功率是58.3w。假設該結構通過空氣對流和輻射以及24℃的環境溫度被冷卻，結構中的最大溫度是85℃(在中空管之間大約中間的磁性材料中的點處)，同時在與中空管接觸的磁性材料的部分中的溫度為大約68℃。比較起來，沒有熱傳導中空管的相同諧振器對於40w峰值的相同激發電流在磁性材料中耗散62.0w，且磁性材料中的最大溫度被發現是111℃。
如果我們在與管良好地熱接觸的磁性材料的一部分中引入缺陷，則傳導條的優點更加明顯。放置在磁性材料的中心處0.5mm並定向成垂直於偶極矩的10cm長的空氣間隙10將在磁性材料中耗散的功率增加到69.9w(相對於前面討論的無缺陷例子的額外的11.6w高度集中在間隙附近)，但傳導管確保磁性材料中的最大溫度只有11℃到96℃的相對適度的增加。相反，沒有傳導管的相同缺陷導致在缺陷附近的161℃的最大溫度。除了對流和輻射以外的冷卻解決方案(例如將傳導管主體與大的熱塊熱連接或主動冷卻它們可得到在同一電流水平處針對這個諧振器的甚至更低的工作溫度。
在實施例中，熱傳導材料條可被定位於可具有出現可引起在磁性材料中的不規則間隙的裂縫的最高概率的區域中。這樣的區域可以是材料上的高應力或應變的區域或具有來自諧振器的封裝的差支持或後援的區域。被策略地定位的熱傳導條可確保當裂縫或不規則間隙在磁性材料中出現時，磁性材料的溫度將被維持在其臨界溫度之下。臨界溫度可被定義為磁性材料的居裡溫度或諧振器的特性已退化到期望性能參數之外時的任何溫度。
在實施例中，散熱結構可提供對磁性材料的機械支持。在實施例中，散熱結構可被設計成具有期望數量的機械彈性(例如，通過使用具有適當的機械屬性的環氧樹脂、熱焊盤等來熱連接結構的不同元件)，以便給諧振器提供對其元件的本徵尺寸的變化(由於熱膨脹、磁致伸縮等所致)以及外部震動和振動的較大量的容限，並防止裂縫和其它缺陷的形成。
在諧振器包括纏繞在磁性材料周圍的正交繞組的實施例中，傳導材料條可被調整以做出與在由兩組正交的相鄰迴路所定界的區域內的磁性材料的熱接觸。在實施例中，條可包含適當的凹陷以安裝在至少一個正交繞組的導體周圍，同時在至少一個點處做出與磁性材料的熱接觸。在實施例中，磁性材料可以與放置在相鄰迴路之間的多個熱傳導塊熱接觸。熱傳導塊轉而可通過良熱導體和/或散熱器熱連接到彼此。
在整個這個描述中，雖然術語「熱傳導材料條」用作材料的形狀的示例性試樣，但本領域中的技術人員應理解，任何形狀和輪廓可被代替，而不偏離本發明的精神。正方形、卵形、條、點、細長形狀等都將在本發明的精神內。
醫療和外科應用
可在醫院和手術室環境中使用無線功率傳輸。在醫院和手術室中使用大量電氣和電子設備以監控患者、施與藥物、執行醫學流程、維持管理和醫學記錄等。電氣和電子設備常常被移動、重新定位、隨著患者一起移動或附接到患者。頻繁的移動可導致與對設備的功率輸送有關的問題。常常被移動和重新定位的設備和電子設備可能產生電力電纜危害和由於變得纏結、繃緊、被拔去插頭的電纜(其變成脫扣危害等)而產生的管理問題。每當設備被使用或重新定位時，能夠在一段時間內操作而沒有直接電連接的具有電池後備的設備需要頻繁的再充電或插上插頭和從電源插座拔去插頭。無線功率傳輸可用於消除在醫院和手術室環境中的傳統有線連接的問題和危害。
無線功率傳輸可用於給外科手術機器人、設備、傳感器等供電。很多醫療過程和外科手術利用機器人或機器人設備來執行或幫助醫療流程或手術。無線功率傳輸可用於將功率傳輸到機器人設備、設備的部分或由設備操縱的儀器或工具，其可減少系統的潛在地危險和麻煩的布線。
在圖18中示出利用無線功率傳輸的外科手術機器人的一個示例性配置。該圖描繪外科手術機器人1806和手術床1804。可從嵌在床、地板或其它結構中的無線源無線地給外科手術機器人供電。無線能量傳輸可允許機器人重新定位，而不改變電力電纜的位置。在一些實施例中，外科手術機器人可無線地接收功率用於手術或給其電池或能量存儲系統充電。所接收的功率可經由常規有線方法被分配到系統或例如電動機、控制器等的部件。外科手術機器人可具有在其底座1816、頸部1802、主要結構1808等中的設備諧振器用於捕獲源所產生的振蕩磁能。在一些實施例中，可從被集成、附接或靠近手術床的源1814給機器人無線地供電。
在一些實施例中，源諧振器或設備諧振器可安裝在關節連接的臂或如在圖19中描繪的移動或可配置的擴展部分上。臂或移動擴展部分1902可配置成響應於機器人的位置變化、功率要求或無線功率傳輸的效率來重新定位源或設備以確保足夠水平的功率被輸送到機器人。在一些實施例中，可移動的源或設備可由操作人員手動地移動，或可以是自動的或計算機化的並配置成對準或維持源和設備之間的特定的分離範圍或方位。
在實施例中，可在可能存在源和設備之間的位置偏移、失配、較遲的偏移或高度偏移的情況或配置中使用可移動臂或擴展部分。在實施例中，容納或用於定位源或設備諧振器的可移動臂可以是計算機控制的，並可自動定位自身以得到最佳功率傳輸效率。臂例如可在所有方向上移動，掃描最有效的配置或位置，並可使用學習或其它算法來微調其位置和對準。在實施例中，控制器可使用來自傳感器的任何數量的測量結果來試圖對準或尋找最好或最有效的位置，該測量結果包括但不限於阻抗、功率、效率、電壓、電流、品質因子、耦合率、耦合係數測量等。
在其它實施例中，外科手術機器人可使用無線功率傳輸來給機器人所操縱的或集成到機器人中的電動機、傳感器、工具、電路、設備或機器人的系統供電。例如，很多外科手術機器人可具有複雜的附屬物，該附屬物具有多個運動自由度。由於電線的笨重、不靈活性或不可靠性，沿著或穿過附屬物的各種關節或運動部件提供功率可能很難。
同樣，對流程必要的各種工具或儀器的供電可能在存在體液的情況下提出電力連接和連接器的可靠性和安全性問題。外科手術機器人可利用位於附屬物或工具中的一個或多個源諧振器1802和一個或多個設備諧振器1810、1812以給電動機、電子器件或設備供電以允許附屬物的移動或機器人操作的可能在患者內部或外部的工具、攝像機等的供電。功率可在沒有任何電線的情況下被無線地傳輸而不考慮附屬物的接合或旋轉，並可增加附屬物的限度或接合能力。在一些實施例中，源可集成到機器人中並由可無線地或從有線連接接收其自己的功率的機器人供電。在一些實施例中，給附屬物和工具供電的源可安裝在手術床上、在床下或在患者附近。
如本領域中的技術人員將認識到的，在附圖中描述和示出的系統是特定的示例性實施例，且系統可利用具有各種形狀和能力的很多不同的機器人設備、工具等中的任一個。同樣，源可取決於機器人的應用和使用，被安裝在具有各種尺寸的任何數量的物體上。源可如圖18所示安裝在手術室床或臺座上。在其它實施例中，源可安裝在地板、牆壁、天花板、其它設備等中。
無線功率傳輸可用於給可行動裝置(例如iv或藥物輸送機架或計算機支架)供電或重新充電。這樣的支架或機架常常被臨時重新定位或隨著患者一起從一個位置移動到另一位置。附接到這些機架的電子設備常常具有電池後備，允許它們在沒有直接電連接的情況下工作一段時間，使得它們可被移動或重新定位並維持其功能。然而，每當傳統機架被移動或重新定位時，它需要被拔去插頭並將插頭插回到電源插座中用於再充電或供電，且電纜必須是與其它電纜盤繞或從其它電纜解開。
可通過將無線功率傳輸系統集成到設備來克服傳統可移動的有線的藥物輸送、患者監控或計算機機架所具有的問題。例如，在圖20a和圖20b中描繪了藥物輸送機架和計算機機架的示範性實施例。設備諧振器2008、2006以及功率和控制電路可被集成或附接到機架或支持結構的底座或主體，允許來自安裝到地板、牆壁、充電站或其它物體中的源諧振器的無線功率傳輸。為了被充電或供電，機架2002或支架2014可位於源的附近、源的一米距離內或源的一英尺間隔內。使能無線功率傳輸的機架和電氣設備不需要插入插頭或拔去插頭或電纜管理。可通過將機架或電氣設備定位在房間的特定區域內或源附近來給使能無線功率傳輸的機架和電氣設備供電，該源可集成到地板、地毯、牆壁、護壁板和其它設備等中。在這個配置中，例如只可在短時間段內使用以測量或診斷患者的設備或機架可能從充電位置被移動並帶到接近患者的任何地方以進行測量，以及被移動回到充電位置，而不需要設備的精確定位或插入插頭或拔去插頭。
在一些實施例中，捕獲無線能量的設備除了諧振器以外還可能需要額外的電氣和電子部件。如本文所描述的，額外的ac到dc轉換器、ac到ac轉換器、匹配網絡、有源部件可能對將來自諧振器的電壓和電流調理、控制和轉換到可由待供電的設備使用的電壓和電流來說是必要的。在一些設備和實施例中，諧振器的電壓和電流可被直接使用，而沒有額外的調理或轉換步驟。外科手術工具(例如燒灼器、電動解剖刀等)使用振蕩高電壓來有效地切割、刺激或燒灼組織。設備諧振器上的振蕩電壓可直接用於給這樣的設備供電，減小了它們的尺寸、成本和複雜度。
例如，在一些實施例中，外科手術工具(例如燒灼器)可安裝有能夠捕獲來自一個或多個源諧振器的磁能的設備諧振器。根據電感、品質因子、電阻、到源諧振器的相對距離、源諧振器的功率輸出、頻率等，設備諧振器上的電壓和電流的參數可足以直接燒灼或切割組織。具有1khz至超過5mhz的頻率的30或更大伏特的電壓可在設備諧振器上產生，並可直接用作外科手術工具的輸出。在一些實施例中，可將監測電路(例如電壓或電流感測電路)連同無線通信能力集成到設備諧振器中以將所測量的值轉送到源。源可監測所接收的電流和電壓值，並調節其操作參數以維持設備處的特定的電壓、頻率或電流或響應於操作員輸入來調節電流或電壓。
可植入設備的無線功率傳輸
在實施例中，無線功率傳輸可用於將功率輸送到可被植入人或動物中的電子設備、機械設備和類似設備。例如機械循環支持(mcs)設備、心室輔助設備(vad)、可植入心電復律器去纖顫器(icd)等的可植入設備可能需要外部能量源以在延長的時間段內操作。在一些患者和情況中，可植入設備需要恆定或接近恆定的操作，並具有需要到外部電源的連接的相當大的功率要求，需要經皮電纜或穿過患者的皮膚到外部電源的電纜，增加了感染的可能性並降低了患者舒適度。
一些可植入設備可能對周期性或連續的手術需要1瓦或更大的功率或10瓦或更大的功率，使只根據植入患者體內的電池能量來操作的獨立自給的系統變得不實際，因為電池將需要頻繁的更換或在可植入設備被啟動之後的更換。
在實施例中，本文描述的無線功率傳輸可用於將功率輸送到植入式設備，而不需要通過皮膚布線。在實施例中，無線功率傳輸可用於周期性地或連續地給植入式可再充電電池、超級電容器或其它能量存儲部件供電或再充電。
例如，如在圖21a中描繪的，需要電能的植入式設備2208可被布線2206到植入患者2202或動物中的高q設備諧振器2204。設備諧振器可配置成經由振蕩磁場從一個或多個外部高q諧振器2212無線地接收能量。在實施例中，額外的電池或能量存儲部件可被植入患者內並被耦合到設備諧振器和植入式設備。可使用來自設備諧振器的所捕獲的能量來對內部電池再充電，允許植入式設備工作一段時間，即使無線功率不被傳輸到患者或對患者臨時中斷。在圖21b中描繪了包括無線功率系統的實施例的塊部件。植入患者內部並耦合到控制並調諧諧振器的操作的功率和控制電路(未示出)的設備諧振器2204可耦合到也植入患者體內的可再充電電池或其它能量存儲元件2210。由設備諧振器捕獲的能量可用於直接使用由外部諧振器2212產生的所捕獲的能量來給電池充電或給植入式設備2208供電。
基於本文描述的高q諧振器源和設備的無線能量傳輸系統可比傳統的基於感應的系統容許更大的分隔距離和更大的橫向偏移。植入患者內的設備諧振器可通過患者的多個側和角度被供能。例如，植入患者的腹部內的設備諧振器可使用來自患者的背部的源被供能。也可從位於患者的前腹部側中的源給同一設備諧振器供能，為源提供更靈活的定位和方位配置選項。
在實施例中，諧振器和電池可與植入式設備一起集成到一個實質上連續的單元內。在其它實施例中，設備諧振器和電池可與植入式設備分離，並可電氣地布線到設備。諧振器可植入與設備不同的身體的一部分中，外部源諧振器可能更易接近、對患者更不顯眼的身體的一部分中，等等。在實施例中，設備諧振器可植入患者的半邊臀部或患者的下背等中或靠近患者的半邊臀部或患者的下背等。在實施例中，諧振器的尺寸和放置可取決於植入式設備所需的功率的量、無線功率傳輸的距離、功率輸送或再充電的頻率等。在一些實施例中，例如，可優選的是，使用小於7cm乘7cm的設備諧振器使得它更容易植入人體內同時能夠以至少2cm的間隔輸送5瓦或更多的功率。
在實施例中，植入式設備諧振器可包括圓形或矩形平面電容性加載的導體圈，該圈包括耦合到如本文所述的電容器網絡的litz導體的五個圈。在實施例中，可優選地將植入式設備諧振器包圍在主要包括非金屬材料以最小化損耗的外殼中，或包圍在具有包括非金屬材料的至少一側的外殼中。
在實施例中，植入式醫療設備可包括由任何匝數的litz線、磁線、標準線、導電帶(例如印刷電路板上的跡線等)組成的電感元件。在實施例中，植入式醫療設備可包括磁性材料、鐵素體等，並可針對特定的頻率或頻率範圍(例如13.56mhz或100或更大的khz)來優化。
在實施例中，患者可具有被無線地供電或再充電的多於一個植入式設備。在實施例中，多個設備可由單個源或多個源供電或充電。在實施例中，多個設備可在相同的諧振頻率下或在不同的諧振頻率下操作。源、中繼器或設備諧振器可調諧其頻率以接收或共享功率。
在實施例中，磁諧振器可包括用於與其它磁諧振器通信的裝置。這樣的通信可用於與其它無線系統協調無線供電的醫療設備的操作。在示例性環境中，植入式設備諧振器可調節在另一無線功率系統的高功率源附近的其操作參數。在實施例中，醫療設備源可與區域中的另一無線電源通信，並與患者通信以在這樣的區域避開或小心謹慎。
包括高q設備諧振器和可選地高q源諧振器的實施例允許更有效的無線功率傳輸，並可比傳統的基於感應的系統容許源和設備諧振器的更大的分隔距離和橫向偏移。本文描述的無線功率傳輸系統的高效率減少了在諧振器中的加熱和熱建立，該加熱和熱建立可能對植入患者體內的諧振器非常重要。所描述的諧振器可傳輸5瓦或更多的功率，而沒有元件的明顯加熱，使得部件的溫度不超過50c。
在外部源諧振器和植入式設備諧振器之間的分隔距離和橫向偏移的容限允許源諧振器的放置的較大自由度。如本文所述的無線功率傳輸系統的使用也可向患者提供較大的安全性，因為源諧振器的運動或移位將不幹擾對可植入設備的功率傳輸。
在實施例中，功率可從患者佩戴在背包、腰包、衣服物品等中的源諧振器傳輸到可植入設備諧振器。例如，如在圖22a中描繪的，源諧振器2304可嵌入衣服中並由人2302佩戴，源諧振器2304可被布線到功率和控制電路和電池(未示出)以將功率輸送到植入式設備諧振器(未示出)。在其它實施例中，源諧振器和電源可包含在如在圖22b、22c和22d中描繪的背包或包中。背包2306或其它包2312可與源諧振器2308、2314一起集成在一位置中，使得當被患者佩戴時，源諧振器將與患者體內的植入式設備諧振器基本上對準。例如，對於植入半邊臀部或下背中的設備諧振器，當背包如圖22d所示被患者佩戴時，具有集成到下背部分中的源諧振器的背包提供源和設備諧振器的基本上的對準。在實施例中，背包或包還可包括用於對包內部的內部能量存儲器或電池進行無線充電的額外的設備諧振器2310。背包可放置在外部源諧振器或充電站附近並被無線地充電。在一些實施例中，背包或包的源和設備諧振器可以是取決於使用，在源和設備之間交替功能的同一物理諧振器。
在實施例中，外部源諧振器可集成到家具例如椅子、床、長沙發、汽車座椅等中。由於本文描述的高q功率傳輸系統的對失配的容限，設備諧振器可集成到在相對接近植入式設備諧振器的區域中(即，在25cm內)的家具內，並在患者正在桌子處工作和坐在椅子中、坐在長沙發中、駕駛、睡覺等時將功率傳輸到植入式設備諧振器和植入式設備。
在實施例中，用於可植入設備的無線功率傳輸系統可包括中繼器諧振器。中繼器諧振器可用於提高源和設備諧振器之間的能量傳輸，並可用於增加總體耦合和功率傳輸效率。如在本文描述的，位於設備諧振器附近的中繼器諧振器可增大從遠處的源諧振器到設備諧振器的無線功率傳輸效率。
在實施例中，中繼器諧振器被定位成提高在源和設備之間的能量傳輸。提供在效率或耦合方面的最高改進的中繼器諧振器的位置可取決於應用、諧振器的尺寸、距離、諧振器的方位、有損物體的位置等。在一些實施例中，在無線能量傳輸效率方面的改進可通過將中繼器諧振器定位在源諧振器和設備諧振器之間來得到。在其它實施例中，將中繼器諧振器定位為成一角度或比設備更遠離源可能是有益的。可針對特定配置、功率要求、植入式設備等根據實驗，用試錯法、用模擬或計算來確定中繼器諧振器的確切放置。
在系統的實施例中，中繼器諧振器可被定位或位於患者內部，或它們可位於患者外部，或系統可具有內部和外部諧振器。中繼器諧振器可以是內部的或植入到患者體內。中繼器諧振器可植入患者的皮膚下以改進到設備諧振器的耦合。因為中繼器諧振器不需要連接到設備，所以比起連接到可植入醫療設備的設備諧振器，定位或植入更大的中繼器諧振器可能更容易。由於在諧振器和醫療設備之間的距離限制或尺寸限制，設備諧振器可能必須更深地植入到患者內部。中繼器諧振器可包括連接到電容器的網絡的導體的圈，如litz線。中繼器諧振器可被裝入柔性材料或封裝(例如矽或其它可植入的塑料)中。整個結構可被植入皮膚下的身體內部，以提供在外部源和植入式設備之間的無線能量傳輸的精調。
在實施例中，中繼器諧振器可位於患者外部，在患者外的衣物、包、家具等中。例如，具有20cm或更大直徑的較大中繼器諧振器可集成到衣物物品(例如背心、長袍等)或可附接的墊中，並由患者佩戴，使得中繼器諧振器與可植入設備諧振器重疊或接近可植入設備諧振器。中繼器諧振器可以是完全被動的或它可具有用於功率和控制的額外電路。將中繼器諧振器定位成接近植入式設備諧振器有效地將可植入諧振器的尺寸增加到實質上中繼器諧振器的尺寸或接近於中繼器諧振器的尺寸，並可允許在較大的距離上到植入式設備諧振器和設備的更有效的無線功率傳輸。中繼器諧振器可以比用於植入人體內可行的諧振器大得多。
在實施例中，在患者內部或外部的多個中繼器諧振器可布置在身體周圍的陣列或模式中以允許在大範圍的偏移上從源到可植入設備的無線能量傳輸。每個中繼器諧振器可特別被調諧或配置成基於其離設備諧振器的相對位置來提供到植入式設備諧振器的足夠耦合。
在實施例中，房間、浴室、車輛等可安裝有大的源諧振器以經由中繼器諧振器將足夠的功率傳輸到患者，允許當淋浴、睡覺、烹調、工作等時連續的功率傳輸和對移動性的限制。
在實施例中，中繼器諧振器可包括用於將具有不相容的參數的無線能量轉化成具有與可植入設備諧振器相容的參數的振蕩磁場的無線功率轉換器功能。集成到背心、包等中的無線功率轉換器諧振器可由患者佩戴，並捕獲來自各種源的無線功率和將所捕獲的無線功率傳輸到具有與植入式設備諧振器相容的參數的植入式設備諧振器。在實施例中，無線功率轉換器可配置成捕獲來自太陽能、rf源、移動、運動等的無線功率。在實施例中，中繼器諧振器可充當限制輸送到植入式設備諧振器的功率的功率轉換器，防止太多的功率被輸送給患者。
在實施例中，中繼器諧振器或無線功率轉換器當它不再接收到功率時可具有聽覺、視覺或振動警報。中繼器諧振器可檢測到它何時不耦合到植入式設備，或可檢測到它沒有從外部源接收到足夠的功率，並可配置成警告患者。
在實施例中，充分集成的外部源諧振器可被裝入防水外殼(包括可再充電電池、rf放大器和源諧振器)中。集成的源和電路可具有可以附接有皮帶或帶的形狀因素，允許患者在集成的源原封不動的情況下遊泳或淋浴。集成源和電路也可具有內部電池充電電路和整流器，所以它可通過將諧振器和電子設備切換到捕獲模式來被無線地充電。
在系統的實施例中，設備和源和中繼器諧振器可包括調諧能力以控制植入式諧振器中的熱耗散。在無線能量傳輸期間，由於歐姆損耗、內部損耗等，在無線能量傳輸期間由源諧振器的磁場在設備諧振器中感應的電流和電壓可引起諧振器元件的加熱。植入式諧振器可具有對在將周圍組織的溫度升高到不希望有的水平之前它可安全地耗散的熱的量的限制。可被安全地耗散的功率的量可取決於諧振器的尺寸、諧振器的位置等。在一些系統中，一瓦或多瓦的功率可在患者體內被安全地耗散。
在患者外部的源或中繼器諧振器可被設計成容許較高水平的熱耗散。外部源或中繼器諧振器可具有對安全功率耗散或加熱的更高限制。在患者外部的源或中繼器諧振器可設計成安全地耗散5瓦或更多的熱，並可包括主動冷卻裝置(例如風扇或水冷)，並可能夠安全地耗散15瓦或更多的功率。在實施例中，無線能量傳輸系統可控制在設備諧振器中耗散的熱的量。因為源或中繼器諧振器能夠比設備諧振器容許更多的熱耗散，無線能量傳輸系統可被調諧以減少在設備諧振器處的熱耗散。被調諧來減少設備處的熱耗散的系統可具有更高的總熱耗散，而增加的熱耗散出現在源或中繼器諧振器處。
可通過減少在可植入設備諧振器中振蕩的電流來控制設備諧振器中的熱耗散。可通過調諧諧振器的諧振頻率來控制在設備諧振器中的電流。可通過調諧諧振器的阻抗來控制設備諧振器中的電流。
在實施例中，設備諧振器可包括一個或多個溫度傳感器以及監測電路和控制邏輯。當檢測到溫度閾值時，監測和控制電路可使諧振頻率去諧以遠離源或中繼器諧振器的諧振頻率。監測和控制電路可將諧振頻率去諧到源或中繼器諧振器的諧振頻率之上。監測和控制電路可將諧振頻率去諧到源或中繼器諧振器的諧振頻率之下。設備可被遞增地去諧，直到設備諧振器的溫度穩定。在實施例中，頻率可被去諧1％或更多或以1khz或更大的增量被去諧。
如本領域中的技術人員將認識到的，諧振頻率可隨著設備諧振器(例如可變電容器、電感器、電容器組等)中的可變分量而改變。
在實施例中，設備諧振器的諧振頻率的去諧可降低在源或中繼器和設備之間的能量傳輸的效率。為了維持被輸送到設備的同一水平的功率，源可能需要增加功率輸出以補償效率的降低。在實施例中，設備諧振器可用信號向源諧振器通知可能需要對其諧振頻率以及源諧振器的功率輸出的調節的溫度條件。
類似於控制諧振頻率，可通過調節諧振器的部件(例如電感和電容)來控制可影響諧振器中的電流和電壓的設備諧振器的有效阻抗。在實施例中，可通過改變設備的功率要求或通過控制整流器的開關頻率、相位等或設備的開關dc到dc轉換器來調諧阻抗。
設備諧振器可連續地監測部件的溫度並監測溫度的趨勢並調節部件的頻率和值以穩定溫度。
在實施例中，無線能量傳輸系統可被調諧來減少設備諧振器中的熱耗散，並將熱耗散分布到中繼器諧振器。植入式中繼器諧振器可以比設備諧振器大，並可能能夠比較小的設備諧振器耗散更多的熱。同樣，中繼器諧振器可以被植入得更接近患者的皮膚，因而允許中繼器諧振器使用患者所佩戴的外部冷卻包或墊通過皮膚被冷卻。
雖然結合某些優選實施例描述了本發明，其它實施例將被本領域中的普通技術人員理解並預期落在本公開的範圍內，本公開的範圍應在法律可允許的最寬的意義上被解釋。
本文提到的所有文件特此通過引用被全部併入，如同在本文被充分闡述的一樣。