無線供電本地計算系統的製作方法

2023-04-26 18:47:11

專利名稱：無線供電本地計算系統的製作方法
技術領域：
描述的實施例一般地涉及無線充電，更具體地涉及與向可位於無線功率系統中的接收機設備分配功率有關的設備、系統和方法。
背景技術：
能量或者功率可以採用各種已知的輻射(或遠場)以及非輻射(或近場)技術來進行傳送。例如，採用低定向性天線的輻射式無線信息傳送(諸如在無線電和蜂窩通信系統以及家庭計算機網絡中使用的那些)可以被認為是無線能量傳送。然而，這種類型的輻射傳送是非常低效的，因為所提供或輻射的功率中只有很小一部分(也就是朝著接收機方向並且與接收機相重疊的那部分)被接收。絕大部分功率在所有其它方向上輻射掉而損失在自由空間中。這樣的低效功率傳送對於數據傳輸來說是可接受的，但對於出於諸如為電設備充電這種工作目的而傳送有用的電能量來說是不切實際的。提高某些輻射能量傳送方案的傳送效率的一種方式是利用定向天線來限制輻射能量以及優選地將輻射能量引向接收機。然而，這些定向輻射方案可能需要不中斷的視線以及在移動發射機和/或接收機的情況下可能會很複雜的跟蹤和轉向機制。此外，當中到大功率量被傳輸時，這些方案可能對穿過或橫過輻射束的物體或人帶來危險。已知的非輻射或近場無線能量傳送方案——通常被稱為感應或傳統感應——不(有意地)輻射功率，而是利用通過初級線圈的振蕩電流來生成振蕩磁近場，該振蕩磁近場在附近的接收線圈(或次級線圈)中感應出電流。傳統感應方案已經證實了中到大功率量的傳輸，但僅僅是在非常短的距離內，並且在初級供電單元和次級接收機單元之間具有非常小的偏移容限。變壓器和接近式充電器是採用這些已知的短距離近場能量傳送方案的設備的一些例子。需要的是在無線供電的本地計算環境中在外圍設備之間進行高效且用戶友好的交互的方法、系統和裝置。

實用新型內容本文描述了涉及用於從無線供電器無線提供功率到多個外圍設備中的任何一個或多個的系統、方法和裝置的多個實施例。本公開的一個實施例的一個目的是實現在無線供電的本地計算環境中在外圍設備之間的高效且用戶友好的交互。根據一個實施例，提供一種無線供電本地計算系統，所述無線供電本地計算系統包括被配置為利用共振信道傳送可用的能量到位於近場距離D內的共振電路的近場磁共振(NFMR)供電器，該距離D定義了所述NFMR供電器的最遠範圍，所述無線供電本地計算系統包括:向所述NFMR供電器提供處理資源的中央處理單元；和多個外圍設備，分別具有適合於從所述NFMR供電器無線接收功率的可調諧共振電路，其中當所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備位於所述NFMR供電器的範圍內時，所述至少一個外圍設備將所述共振電路調諧到所述NFMR供電器的共振頻率中的至少一個並且隨後將所述共振電路解諧，以利用共振電路負載因子的變化向所述NFMR供電器提供設備標識，其中所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備包括被配置為將所述至少一個外圍設備從所述NFMR供電器接收到的功率的一部分無線提供給所述多個外圍設備中的至少另一個外圍設備的再共振器電路。根據一個實施例，所述中央處理單元是使用動態調諧在所述多個外圍設備之間仲裁功率的中央處理單元。根據一個實施例，最大功率在並非中心共振頻率的共振頻率處被傳送到所述多個外圍設備中的每一個。根據一個實施例，所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備是計算機滑鼠。根據一個實施例，所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備是鍵盤。根據一個實施例，所述中央處理單元被容納在桌上型計算機中。根據一個實施例，所述中央處理單元被容納在可攜式計算機中。根據一個實施例，所述可調諧共振電路至少包括圓極化源共振器。根據一個實施例，所述可調諧共振電路至少包括高頻正交帶內功率發射機。根據一個實施例，所述圓極化源共振器包括:提供高頻(HF)功率的基底盤和至少兩個「D」形共振器。根據一個實施例，所述至少兩個「D」形共振器相互之間以180°異相被驅動。根據本公開的一個方面，描述了一種近場磁共振(NFMR)供電器,該NFMR供電器被配置為利用共振信道傳送能量到近場距離D內的共振電路，該距離D定義了該NFMR供電器的最遠範圍。該NFMR供電器至少包括:用於提供高頻、正交帶內功率的高頻(HF)功率源，耦接到HF供電器並提供高頻(HF)功率的基底盤，以及被配置為從基底盤接收HF功率、相互之間以180°異相被驅動、並且產生的磁場在共振頻率處提供對稱的磁場的至少兩個「D」形共振器。根據一個實施例，所述對稱的磁場是圓極化的。根據一個實施例，功率是從所述NFMR供電器被無線傳送到在所述共振頻率處與所述圓極化磁場共振的外圍設備的。根據一個實施例，所述外圍設備包括:被配置為封裝和支撐至少操作部件和電池的底座；和電耦接到所述電池的共振器結構，該共振器結構具有根據所述至少兩個「D」形共振器而定的尺寸和形狀。根據一個實施例，NFMR供電器進一步包括:被配置為向所述NFMR供電器提供處理資源的中央處理單元；以及外殼，所述外殼的至少一部分是由金屬形成的並且用作被配置為再次共振從所述「D」形共振器到所述外圍設備的圓極化磁場的再共振器，其中用作再共振器的外殼部分是可配置的以便調整共振頻率。根據一個實施例，所述外圍設備進一步包括:處理器；與所述處理器通信並且適合於從所述NFMR供電器無線接收功率的動態可調諧共振電路，其中所述處理器指引所述動態可調諧共振電路調諧到所述NFMR供電器的共振頻率中的至少一個。根據一個實施例，通過由所述處理器指引所述動態可調諧共振電路隨後解諧從而改變共振電路負載因子，所述外圍設備向所述NFMR供電器提供標識。根據一個實施例，所述共振電路負載因子的改變由所述NFMR供電器檢測並被NFMR供電器的處理器使用來提供解諧的外圍設備的設備標識。根據一個實施例，所述NFMR供電器是通過改變至少一個「D」形共振器的形狀來動態地調諧的NFMR供電器。根據一個實施例，所述至少一個「D」形共振器的形狀是利用壓電整形機制來實現的。根據一個實施例，所述NFMR供電器的共振頻率是通過改變中心共振頻率來動態地調諧的，以便補償寄生電容。在描述的實施例的一個方面，該對稱的磁場是圓極化的。該圓極化磁場關於至少兩個軸在空間上對稱，從而提供了在外圍設備處的、與該外圍設備和NFMR供電器之間的空間關係無關的對稱功率接收。在另一方面，至少通過利用例如壓電整形技術改變NFMR的共振器的形狀，NFMR供電器的共振頻率可動態調諧到任何頻率。根據本公開的另一個方面，在另一個實施例中，公開了一種無線供電本地計算環境。該無線供電本地計算環境至少包括包含第一對稱磁共振器結構的近場磁共振(NFMR)供電器和至少一個外圍設備。所述外圍設備又包括其形狀根據第一對稱磁共振器結構而定的第二對稱磁共振器結構。該NFMR供電器利用第一對稱磁共振器結構來產生對稱磁場和用於耦合NFMR供電器與所述至少一個外圍設備的的共振信道，用於從第一對稱磁共振器結構和第二磁共振器結構傳送可用的能量。該無線供電本地計算環境還至少包括與NFMR供電器通信的中央處理單元，該中央處理單元為該NFMR供電器提供處理資源。根據一個實施例，至少一個所述外圍設備包括被配置為將該外圍設備從所述NFMR供電器接收到的功率的一部分無線提供給至少一個其它外圍設備的再共振器電路。根據一個實施例，無線供電本地計算環境進一步包括:金屬性表面，所述金屬性表面被用作被配置為增加所述對稱磁場的本地磁通量的磁通量集中器。根據一個實施例，無線供電本地計算環境進一步包括:與所述第一對稱磁共振器結構鄰近的地梳，所述地梳包括:第一多個磁活性元件，和第二多個磁活性元件，與所述第一多個磁活性元件相關聯地布置以形成至少一個孔，其中所述第一和第二多個磁活性元件允許入射磁場僅在所述孔處傳輸通過所述地梳。根據本公開的一個實施例的一個技術效果是提供了能夠在無線供電的本地計算環境中在外圍設備之間進行高效且用戶友好的交互的系統和裝置。本實用新型的其它方面和優點將會從
以下結合附圖的詳細說明中變得明顯，其中附圖以例子的形式示例了描述的實施例的原理。

圖1是例示出無線功率傳遞系統的框圖，該無線功率傳遞系統包括功率發射單元和目標電子設備，其中利用磁波將功率無線地傳遞到目標電子設備。圖2示出無線功率傳送系統的簡化示意圖。圖3是依照一個實施例的發射機的簡化框圖。[0041]圖4示意了示例的實施例中採用的天線，其可被配置為「環形」天線。圖5示意了根據描述的實施例被配置為利用圓極化磁場傳送功率的無線功率源。圖6A-6E根據描述的實施例示意了無線系統的基本配置。圖7示意了一個實施例，其中外圍設備採取在無線供電器的有效範圍D內的鍵盤的形式。圖8A和8B依照描述的實施例示意了磁地梳(ground comb)。圖9依照描述的實施例示意了典型的無線本地計算環境。
具體實施方式
在這一部分描述了基於本實用新型的裝置和方法的示例應用。提供這些例子僅僅是為了增加上下文環境和幫助理解本實用新型。因此，本實用新型可以在無需一些或全部這些具體細節的情況下而實施，這對於本領域技術人員來說是顯而易見的。在其它實例中，已知的流程步驟沒有進行詳細描述是為了避免對本實用新型不必要的混淆。其它應用也是可以的，因此下面的例子 不是作為限制。下面涉及的是用於在無線充電環境內無線地向設備提供有用的功率量的技術和裝置。在一個實施例中，該無線充電環境可包括像桌上型計算機、膝上型計算機、上網本計算機、平板計算機等各種計算設備。在一些情況下，無線供電器可以被用來無線地提供功率給各種電子設備，諸如包括用於移動操作的可攜式電源的智慧型電話(如由加州庫珀蒂諾的蘋果公司製造的iPhone )。由無線供電器提供的功率可以用於電子設備的操作、電子設備內可攜式供電器的充電、或其任意組合。在描述的實施例中，有效的無線非輻射能量傳送可以利用長壽命的振蕩共振電磁模式來實現，其具有採用了已知的共振耦合原理(即，兩個相同頻率的共振物體趨於耦合，而與其它非共振的環境物體的相互作用很弱)的局部化的緩慢漸消場模式。更具體地，並且特別地，共振耦合是一種共振漸消耦合，其中通過兩個物體的非輻射近場的重疊來實現耦合機制。儘管已經知道能量可以在非常近的場內在耦合物體之間以無線方式有效地傳輸(例如，在光波導或空腔耦合器中以及在共振感應變壓器中)，但在目前描述的實施例中，能量可以在中等距離上被有效傳送，該中等距離比能量傳送涉及的兩個物體的最大尺寸要大幾倍(以下稱為有效距離d)。特別地，通過建立強耦合，很少能量被浪費到其它非共振物體上。在描述的實施例中，物體之間的強耦合可以根據等式(I)來定義:等式(I)
KI」Γ'、Γ' ο I其中，Γ 1；2是物體的本徵(吸收、輻射等)損耗造成的共振寬度，並且K是耦合係數。因此，對於表徵漸消(無損)固定近場的低(S卩，慢)本徵損耗率Γ，有效的能量傳送需要高Q= ω / 2Γ的共振模式。此外，比物體的特徵尺寸大的距離需要強(牢固)耦合率K，因此，由於近場延伸到環繞有限尺寸共振物體的空氣中的程度典型地被設置為波長，因此中等距離非輻射耦合可以利用具有亞波長大小並從而具有明顯更長的漸消場尾部的共振物體來實現。因此，近場的全向但固定(無損)特性使得該機制適合於移動無線接收機，例如電子設備(便攜的或固定的)、計算系統等等。[0055]相應地，高效的無線功率傳送可以很好地適用於可攜式應用。由於便攜性的需求，多數可攜式電子設備基於由耦接的電池提供的功率來工作。這些設備中的電子電路消耗的功率量決定了電池使用時間。這對於這些設備的使用帶來了直接的限制，即需要經常對電池再充電以保持設備處於可操作狀態。為了這些設備的操作連續性，用戶經常攜帶額外的電池。電池的再充電操作典型地取決於電力供應的可用性，以及兼容的電力插座的可用性。然而，為了消除這些依賴性和不便性，提供了無線功率傳送系統，其至少部分地可用於無線地對電池進行充電。例如，描述的無線功率傳送系統可以提供功率發射單元，其採用磁共振裝置和/或其它近場能量傳遞技術(諸如具有目標共振頻率的非輻射磁場波)來對位於其附近且能夠接收作為非輻射磁場而傳輸的功率的遠程設備進行供電。這樣，該無線功率傳送系統可以考慮到電池再充電操作的自動啟動，其中可以無需打斷當前操作而進行再充電。本實用新型的實施例旨在利用磁能量從遠程功率源(站)對電池就地充電。這種對遠程設備中的電池再充電的解決方案可適用於功率源與具有可再充電電池的目標設備之間的相當遠的距離。在一些實施例中，功率的無線傳遞通過與目標設備共振耦合的功率源之間的高頻共振磁耦合來進行，該目標設備是基於包括在其中的可攜式可再充電電池而運行的電子設備。通常，功率源和目標設備被調諧到相同頻率。這引起目標設備中的磁共振以便由功率源以空氣(就此而言，或真空)作為功率傳送的媒介來無線地發射功率。依照一個實施例，由功率發射單元生成的磁場與目標設備之間的磁耦合使得能夠實現功率傳送。通過對磁生成線圈進行適當的整形來將磁場引導朝向目標設備。該系統可基於變壓器原理操作但是具有空氣芯並且跨過更長的距離。並且，在該設置中的功率傳送與使用RF電磁信號的共振功率傳送相比更有意義，因為功率源和目標設備相對很接近，並且在功率發射單元和目標設備之間使用了共同的頻率。例如，本實施例的系統可利用布置在計算設備中的一個或多個線圈。該計算設備可以是像iMac 桌上型計算機的桌上型計算機形式，或者是可攜式計算機的形式，例如由加州庫伯蒂諾的蘋果公司製造的MacBookPro 。應當指出的是，除了不顯眼的線圈配置以外，還可以將金屬性部件(諸如用於支撐內部部件的外殼)配置作為(一個或多個)共振器。例如，iMac 桌上型計算機的鋁外殼的至少一部分可以被用作共振器。在一些情況下，小形狀因子的電子設備，例如iPhone ，可以包括至少一部分由金屬構成的外殼。例如，用來為iPhone 提供結構支撐的金屬鑲邊可以被用作單環共振器。這樣，該金屬鑲邊可以無線接收功率以用於操作該電子設備和對電池充電(無論哪一個是必需的)。在另一個例子中，諸如滑鼠之類的外圍設備的金屬性外殼可以被用作共振器來提供功率以操作滑鼠和/或對用於存儲供滑鼠操作的電力的電池進行充電。由功率源產生的磁信號/磁場可以被目標設備的天線/線圈接收。接收到的信號/場在目標設備處通過二極體對電容器充電。這樣的電容器的陣列可以利用多個二極體而串聯連接。該電容和多個二極體的陣列幫助從AC (交流)到DC (直流)的整流並且可將DC電壓放大到足以對目標設備中的電池進行充電的值。根據本實施例的一個方面，共振功率無線傳輸支持至少從功率發射單元到目標設備的通信。這些通信可包括與充電相關的信息或其它信息。由於功率發射單元和目標設備之間的強無線耦合，利用該技術可以支持高數據率的通信。對於從目標設備到功率發射單元的通信，可以採用相同的原理。然而，在一些實施例中，從目標設備到功率發射單元的通信可以由其它無線技術來支持，諸如無線區域網(WLAN)操作，例如IEEE802.llx，以及無線個域網(WPAN)操作，例如藍牙、紅外通信、蜂窩通信和/或其它技術。在一個實施例中，無線功率可以由至少一個具有圓極化源共振器的無線功率源來提供。該至少一個無線功率源可包括高頻、正交帶內功率發射機。該至少一個無線功率源可包括提供高頻(HF)功率的基底盤和至少兩個「D」形共振器。該至少兩個「D」形共振器相互之間以180°異相被驅動。從而，由該至少兩個「D」形共振器產生的磁場可以提供圓極化磁場。該圓極化磁場可與具有對應形狀的底座和共振器天線的外圍設備(例如滑鼠)相互作用。在一個實施例中，該外圍底座包括可以接收從無線功率源無線傳遞的功率的電子部件。這些電子部件可以包括可從該無線供電器接收充電電流的電池。由於磁場極化的圓形特性，當滑鼠在支撐基底盤的表面上移動時，滑鼠和無線供電器之間的共振耦合可以基本上不受影響。需要指出的是，通過更改該至少兩個「D」形磁場的朝向或者通過更改橢圓形磁場的軸的朝向，該圓極化磁場可被「轉向」。在一個實施方式中，目標設備可以具有單朝向接收機的形式。在一個實施例中，外圍設備可以被成形為形成具有適合與無線功率源發出的圓極化磁場相互作用的形狀的共振器。例如，鍵盤可具有金屬架，用來相對於支撐表面以人體工程學友好的角度來支撐該鍵盤。該金屬架可具有根據由上述至少兩個「D」形共振器形成的圓極化磁場而定的形狀。這樣，該金屬架可以與該圓極化磁場相互作用以便支持從無線功率源無線地接收功率。在另一個實施例中，無線供電器的共振頻率可以被調諧到任何頻率並且可以從任何頻率解諧。共振頻率的調諧可通過改變至少一個共振器的形狀來動態完成。在一個實施例中，至少一個共振器形狀的改變可以通過例如壓電整形技術來實現。在一些實施例中，寄生電容可以被用來調諧/解諧共振器。在一些情況下，無線功率發射機可以改變中心共振頻率以便補償寄生電容。動態調諧可以用來提供共振器的標識。例如，當共振器被解諧(或調諧)時，與該共振器相關聯的共振阻抗將被移出(或添加到)供電器中的初級共振器與該共振器之間的磁迴路。共振阻抗的改變可被供電器檢測到，從而與阻抗改變相關聯的該共振器可被推斷出並被存儲以供以後使用。動態調諧也可用於在多個接收設備之間仲裁功率。例如，可以在相繼地調諧一個或多個模式後進行詢問，以請求確認在特定頻率處接收功率的那些設備接收到了多少功率。這樣，與原始中心頻率不相等的共振模式可被確定。從而，可以在所確定的共振頻率之一處傳送最大功率。這樣，最有效的功率傳送可以出現在原始中心頻率處，但是，最大的功率量可以在共振模式頻率之一處傳送。可以通過採用例如反向信道使特定的接收設備無效(null out)，來確定共振模式。這樣，當無線功率發射機在某個共振模式上廣播時，該無線功率發射機可以查找阻抗的改變。這樣，通過掃過特定的頻帶，若干個共振模式可被確定。在一些情況下，多個共振器可以I禹合在一起以形成連結的再共振器(re-resonator)。在另一個實施例中，傳導材料可用作波導和/或磁通量集中器。特別地，金屬性表面和結構可被用來通過例如增大耦合係數K來引導/集中高頻率共振。傳導表面(諸如桌面、計算機外殼等等)可用作通量集中器以及金屬外殼。在另一個實施例中，地梳可被用於優先地阻塞磁通量以及優先地允許其它磁通量通過。該地梳可由磁活性材料形成並具有指狀物的形式，這些指狀物相互間隔開以允許至少一些磁通量通過間隙。然而，至少可應用第二組指狀物，其與第一組指狀物交叉以形成孔。這些孔只允許入射磁場的選定部分和量通過，磁場的剩餘部分被阻塞。這些以及其它的實施例將在下面參考附圖1-9進行討論。然而，本領域技術人員很容易理解的是，這裡結合附圖的詳細描述僅僅是出於示例目的，不應解釋為限制。圖1是例示出無線功率傳遞系統100的框圖，系統100包括功率發射單元103和目標電子設備115，其中利用磁波無線地傳遞功率。功率傳遞系統100用於傳遞電功率到一個或多個目標設備，並且目標設備利用所傳遞的功率來進行操作或對電池再充電或者兩者兼顧。功率傳遞系統100包括功率發射單元103、目標電子設備115和其它能夠接收所發射的功率的目標設備。功率發射單元103包括能夠產生供功率傳輸的功率的功率源105和能夠利用磁波111發射功率的發送共振耦合部件131，其中磁波111諸如是具有指定的目標共振頻率的非輻射磁場波。功率發射單元103還包括源功率管理器107和目標設備認證器109。功率發射單元103能夠將功率發射動態調諧到與目標電子設備115相關聯的目標共振頻率，其中該目標共振頻率是動態指定的。功率發射單元還包括通信模塊110，其可操作以通過磁波111和/或通過射頻(RF)通信113發送通信信號到目標電子設備115。RF通信113可包括諸如IEEE 802.1lx通信的無線區域網(WLAN)通信，以及無線個域網(WPAN)通信，例如藍牙通信、蜂窩通信、專用接口通信，或其它RF通信技術。通信模塊110還可包括有線通信鏈路，例如，諸如乙太網、電纜數據機之類的區域網(LAN)，廣域網(WAN)和/或其它有線通信方式。例如，該有線通信鏈路可提供到網際網路的高速上行鏈路。目標電子設備115包括共振充電模塊117、用戶授權模塊121、源共振頻率選擇器123、通信模塊125和目標設備功率管理器127。該共振充電模塊117包括接收共振耦合部件141、充電控制器119和可再充電電池129。該接收共振耦合部件141，有時候也被稱為接收共振充電部件，用於接收由功率發射單元113利用目標共振頻率提供的功率發射。目標電子設備115利用接收的功率以操作目標電子設備115以及對目標電子設備115中的可再充電電池129進行充電。功率傳遞系統100利用功率發射單元103的發送共振耦合部件113來生成磁場，該磁場用於傳輸功率到目標設備，如目標電子設備115。典型地，發送共振耦合部件113包括利用以目標共振頻率振蕩的非輻射磁場填充其周圍空間的共振線圈，其中該非輻射磁場由目標電子設備115利用接收共振耦合部件141來接收。目標設備還包括通信模塊125，其可操作以通過磁耦合和/或通過RF通信與功率發射單元103的通信模塊110進行通信。在從功率源105到目標電子設備115的共振功率傳遞期間，包含功率源105的功率發射單元103與目標電子設備115相互通信耦合。利用「無線場」111來無線地實現共振耦合，在一些實施例中，該「無線場」111是非輻射磁場。「無線場」111是功率傳遞信道，而「無線鏈路」 113是控制信號信道。在一個實施例中，利用相同的頻率(或者換句話說，在相同的信道上，即無線場111)進行功率和控制信號的傳輸。在另一個實施例中，功率鏈路(例如磁場)、控制信號以及正常的通信(即，正常功能)操作在分別的信道上進行。例如，功率發射單元103被實現在行動電話的基站中，其中，與行動電話的正常通信操作(從基站)、共振功率傳遞和控制信號傳輸都在行動電話(作為目標電子設備)和基站之間進行，但採用不同的信道。功率源105是產生所需功率的模塊，該功率將採用實質上的「無線手段」 111以非福射磁模式或福射磁模式被傳輸。功率源105將功率提供給發送共振稱合部件131,後者例如產生非輻射磁場來發射功率。源功率管理器107管理無線功率發射。圖2是參照圖1描述的無線功率傳遞系統100的另一個實施例200的簡化示意框圖。無線功率系統200可包括至少一個發射機204，該發射機包括振蕩器222、功率放大器224以及濾波器和匹配電路226。該振蕩器被配置用於生成期望的頻率，該頻率可響應於調整信號223而被調整。功率放大器224可以根據響應於控制信號225的放大量來放大振蕩器信號。濾波器和匹配電路226可被包括在內以便過濾諧波或其它不想要的頻率以及將發射機204的阻抗與發射天線214進行匹配。接收機208可包含匹配電路232以及整流器和開關電路234，以生成用於對電池236充電(如圖3所示)或向耦合到該接收機的設備(未示出)供電的DC功率輸出。匹配電路232可被包括在內以將接收機208的阻抗與接收天線218進行匹配。接收機208和發射機204可在單獨的通信信道113 (例如，藍牙、蜂窩、WiFi等)上通信。如圖3所述，在示例的實施例中採用的天線可被配置為「環形」天線350，這裡也可被稱為「磁」天線。環形天線可被配置為包含空氣芯或諸如鐵氧體芯之類的物體芯。空氣芯環形天線可以更能容忍放置在該芯附近的無關物理設備。此外，空氣芯環形天線允許在芯區域內放置其它部件。發射機204和接收機208之間的有效能量傳送在發射機204和接收機208之間匹配或幾乎匹配共振期間進行。然而，即使發射機204和接收機208之間的共振不匹配，能量也可以以較低的效率傳送。能量傳送是通過將能量從發射天線的近場耦合到位於已經建立了該近場的鄰近區域中的接收天線而進行的，而不是將能量從發射天線傳播到自由空間中。環形或磁天線的共振頻率是基於電感和電容的。環形天線中的電感通常僅僅是由環產生的電感，而電容通常被添加到該環形天線的電感從而在期望的共振頻率處形成共振結構。作為一個非限制性例子，電容器352和電容器354可被添加到天線以形成產生共振信號356的共振電路。因此，對於直徑較大的環形天線，隨著環的直徑或電感的增大，引起共振所需的電容的大小減小。此外，隨著環形或者磁性天線的直徑的增大，近場的有效能量傳送區域增大。當然，其它共振電路也是可以的。作為另一個非限制性例子，電容器可以並聯在環形天線的兩端之間。此外，本領域技術人員將意識到，對於發射天線，共振信號356可以是到環形天線350的輸入。圖4是發射電路402及相關聯的發射天線404的簡化框圖。通常，發射電路402通過提供振蕩信號向發射天線404提供RF功率，導致在發射天線404附近產生近場能量。舉例來說，發射電路402可工作在13.56MHz ISM頻帶。發射電路402包括固定阻抗匹配電路406和低通濾波器(LPF)408，該阻抗匹配電路406用於將發射電路402的阻抗(例如，50歐姆)與發射天線404進行匹配，而低通濾波器408被配置為將諧波發射降低到可防止耦接到接收機208的器件自幹擾的水平。其它示例性實施例可包括不同的濾波器拓撲，包括但不限於陷波濾波器，其在衰減特定頻率的同時讓其它頻率通過，並且可包括自適應阻抗匹配，該阻抗匹配可根據可測量的發射量度(諸如到天線的輸出功率或由功率放大器引出的DC電流)而改變。發射電路402進一步包括功率放大器410，被配置為驅動由振蕩器412確定的RF信號。該發射電路可由分立的器件或電路構成，或者可替換地，可由集成組件構成。示例性的發射天線404的RF功率輸出可大約是2.5到8.0瓦。[0075]發射電路402進一步包括控制器414，其用於在針對特定接收機的發射階段期間(或工作循環期間)使能振蕩器412，調整振蕩器的頻率，以及調整輸出功率水平以便實現用於與鄰居設備通過其附接的接收機而交互的通信協議。發射電路402可進一步包括負載感測電路416，其用於檢測在由發射天線404產生的近場附近是否存在活動的接收機。舉例來說，負載感測電路416監測流向功率放大器410的電流，該電流受到在由發射天線404產生的近場附近是否存在活動的接收機這一因素的影響。對功率放大器410上負載改變的檢測由控制器414監視，以用於確定是否要使能振蕩器412來發射能量以便與活動的接收機通 目。發射天線404可被實施為帶狀天線，其厚度、寬度和金屬類型被選擇為保持低的電阻損耗。在慣常的實施方式中，發射天線404通常可被配置為與較大的結構(諸如桌子、墊子、燈或者其它不太便攜的結構)相關聯。因此，為了具有實用的尺度，發射天線404通常不需要「多個圈」。發射天線404的一個示例性實施方式可以「在電學意義上小」(B卩，波長的若干分之一)，並且通過利用電容器定義共振頻率而被調諧到在較低的可用頻率處共振。在一個示例性應用中，相對於接收天線，發射天線404可直徑更大或邊長更大(如果是方形環)(例如，0.50米)，發射天線404將不一定需要大量的圈數來獲得適當的電容。發射電路402可收集並跟蹤關於可與發射電路402相關聯的接收機設備的行蹤和狀態的信息。因此，發射電路402可包括連接到控制器414 (這裡也稱為處理器)的存在檢測器、封閉檢測器、或者其組合。在一個實施例中，無線功率可以由至少一個具有圓極化源共振器的無線功率源提供。更具體地，依照描述的實施例，圖5示出了被配置為利用圓極化磁場傳送功率的無線供電器500。無線供電器500可包括功率源502。在描述的實施例中，功率源502可以具有高頻、正交帶內功率發射機的形式，其可以提供高頻(HF)功率到基底盤504。基底盤504接著提供HF功率到可具有「D」形共振器形式的共振器506。這樣，每一個「D」形共振器506可作為圓極化磁場源共振器，其可以將提供給基底盤504的HF功率中的至少一些轉換為分別的磁場分量B1和B2，這兩個磁場 分量可以相互組合以形成所得到的磁場508。在一種特別有用的配置中，至少兩個「D」形共振器506可以由基底盤504以相互大約180°異相驅動，從而得到的磁場分量B1和B2相互之間也是180°異相。兩個異相磁場分量B1和B2的組合可以得到圓極化的磁場。應當指出的是，對於圓極化磁場，極化面以螺旋方式旋轉，在每個波長期間形成一圈完整的旋轉。這樣，圓極化波在水平和垂直面上以及它們之間的所有面上輻射能量。沿傳播方向看，如果旋轉是順時針的，則該方向被稱為右手圓(RHC)。如果旋轉是逆時針的，則該方向被稱為左手圓(LHC)。這樣，所得到的圓極化磁場508可在所有面上發射，使得行動裝置(例如計算機滑鼠)更有可能能夠建立可靠的共振鏈路，而不用考慮該行動裝置和無線供電器500的相對天線朝向。圖6Α-6Ε示意了依照描述的實施例的無線系統600的基本配置，該無線系統600包括被配置為輻射圓極化磁場508的無線供電器500。特別地，圖6Α示意了在無線供電器500和外圍設備之間可形成共振信道。外圍設備602可被配置為可移動到無線供電器500的有效距離d內的任何位置的行動裝置。有效距離d可表示外圍設備602可以從無線供電器500接收有用功率量的、與無線供電器500相距的距離。有效距離d的範圍可以是從幾釐米到幾米。應當指出的是，除了共振器504的尺寸和形狀以及包括在外圍設備602中的共振器604的尺寸和形狀以外，有效距離d還可能受到很多因素的影響。無論如何，下面的討論的假設是，通過將距無線供電器500的當前距離總是保持為小於距離Clmax，外圍設備602保持在無線供電器500的最大距離D (即，D=dmax)內。應當指出的是，最大距離D表示在外圍設備602處可以從供電器500無線接收到最小預定量的功率Pmin的、在供電器500周圍的區域。例如，功率Pmin可被設為20mW，其表示可被傳送到外圍設備602以使外圍設備602以完全可工作的方式來工作的最小功率量。當然，取決於板載電源(如果有的話)的當前狀態，功率Pmin可以變化，從而改變供電器500的有效範圍D。所得到的磁場508可以通過組合由無線供電器500內的共振器504生成的磁場分量&和民來形成。在該實施例中，外圍設備602可採用計算機滑鼠602的形式。計算機滑鼠602可包括共振器604,每個共振器具有與包含在無線供電器500內的共振器506相關聯的形狀因子。換句話說，共振器604也可以是「D」形的。這樣，「D」形共振器604的相互作用可以被優化以用於最有效的無線功率傳輸。除了提供有效的無線功率傳送，所得到的磁場508的圓極化特性還允許計算機滑鼠602在支撐表面上或在自由空間中保持任意的空間朝向而仍然維持無線供電器500與計算機滑鼠602之間基本恆定的功率傳送(如下所示)。相應地，圖6B示出了外圍設備602沿著線AA的橫截面，示意了耦接到底座608的外殼606。特別地，外殼606可以封裝與底座608內的電池610和操作部件612電耦接的共振器604。這樣，電池610和操作部件612可以通過共振器604從無線供電器500接收相對恆定的功率供應。應當指出的是，在一些實施例中，電池610不是必要的，因為可以從無線供電器500無線接收功率，從而避免了對任何板載電源的需要。如圖6C-6E所示，磁場508的對稱性使得無論外圍設備的朝向如何，功率都可以在外圍設備602處以可接受的水平被無線接收。例如，如圖6C所示，滑鼠602形式的外圍設備602可包括大小基本相等並且相互大致成直角的共振器604。這樣，共振器604的幾何特性可基於圓極化磁場508的特性而調整。由於圓極化磁場508與共振器604之間的匹配對稱性，無論計算機滑鼠602相對於供電器500 (尤其地，共振器504)的空間朝向如何，來自供電器500的功率都可以在可接受的水平或其之上被接收。進一步如圖6D所示，外圍設備602可以從圖6C所不的朝向旋轉大約90度,並且仍然相對於供電器500內的共振器506和計算機滑鼠602內的共振器604保持有利朝向。應當指出的是，由供電器500提供的磁場實際上可以為橢圓形(圓形是橢圓形的特例)，如圖6E所示。相應地，外圍設備602中的共振器604也可以為相對應的橢圓形，從而優化從供電器500傳送到外圍設備602的功率量並且優化功率傳送效率。應當指出的是，通過更改由「D」形共振器506生成的至少兩個「D」形磁場的朝向(例如，通過更改橢圓形磁場的軸的朝向)，圓極化磁場508可被「轉向」。應當指出的是，在一個實施例中，目標設備(在該示例中是計算機滑鼠)可以只包括單朝向接收機，這雖然降低了可通過利用多個共振器獲得的功率傳送率，但是當可用空間或大小是一個重要考慮方面時，這可能是合適的解決方案。圖7不意了一個實施例,其中外圍設備602具有位於無線供電器500的最大範圍D內的鍵盤700的形式。特別地，圖7示意了鍵盤700的頂視圖，鍵盤700具有作為鍵盤700結構的一部分的無線功率接收機單元702。例如，鍵盤700可以由金屬(諸如鋁)形成。無線功率接收機單元702可包括至少一個共振器704。在一個特定實施例中，共振器704可具有與無線供電器500中的共振器504相匹配的「D」形共振器的形式。這樣，無論鍵盤700相對於無線供電器500的朝向如何，鍵盤700都可以通過圓極化磁場508無線接收功率。然而應當指出的是，在一些實施例中，無線供電器500可以合併到另一個設備中，諸如計算系統706中。在這種情況下，鍵盤700相對於計算系統706的實際空間朝向是非常有限的(不像計算機滑鼠那樣)。因此，共振器704可被限制為單個「D」形共振器，其可被製作為鍵盤700的一部分而對鍵盤700至少接收足以使鍵盤700完全工作的功率量的能力沒有明顯不利影響。在另一個實施例中，如圖8A所示的地梳800可用於選擇性阻塞一些磁通量而優先允許其它磁通量通過。地梳800可以由磁活性材料形成並具有第一組指狀物802的形式，這些指狀物相互間隔開以允許至少一些磁通量B通過間隙。然而，可應用至少第二組指狀物804，其與第一組指狀物組802交叉以形成孔806。孔806被配置為只允許入射磁場Binc中的選定部分和量作為磁場Brat通過，而入射磁場Bin。的剩餘部分被阻塞，如圖SB所示。應當指出的是，通過改變共振器的幾何特性，無線供電器的共振頻率可調諧到任何頻率以及從任何頻率解諧。在一個實施例中，通過改變至少一個共振器的形狀，可動態完成共振頻率的調諧。在一個實施例中，至少一個共振器形狀的改變可利用例如壓電整形技術來執行。在一個實施例中，寄生電容可用來調諧/解諧共振器。在一些情況下，為了補償寄生電容，無線功率發射機可改變中心共振頻率。應當注意，磁場的頻率可至少部分基於磁功率傳送系統的組成部分的特徵尺寸。例如，功率共振器以及任何的接收共振器的特徵尺寸可被用於確定該磁場頻率。除了特徵尺寸，要傳送的功率量也可能影響該頻率，因為更多的功率可能需要更高的頻率。並且，可利用通信信道(有時候稱為反向信道)以任何合適的通信方式，例如WiFi 、藍牙等等，來獲得該對在接收機處無線接收到的功率量的指示。對接收到的功率量的確定表示最大功率。該確定可基於被指定作為特定系統的最大功率的預定功率量，或者可基於與先前的對接收至IJ的功率的指示的比較。動態調諧還可用於在多個接收設備之間仲裁功率。例如，可以在相繼地調諧一個或多個模式後進行詢問，以請求確認在特定頻率接收功率的那些設備接收到了多少功率。這樣，與原始中心頻率不相等的共振模式可被確定。從而，可以在所確定的共振頻率之一處傳送最大功率。這樣，最有效的功率傳送可以出現在原始中心頻率處，但是，最大的功率量可以在其它共振模式頻率之一上傳送。可以通過採用例如反向信道使特定的接收設備無效，來確定共振模式。這樣，當無線功率發射機在某個共振模式上廣播時，該無線功率發射機可以查找阻抗的改變。這樣，通過掃過特定的頻帶，若干個共振模式可被確定。在一些情況下，多個共振器可以耦合在一起以形成連結的再共振器。圖9示出了依照描述的實施例的代表性的虛擬(virtual)充電區域1000。虛擬充電區域1000提供區域R以對置於區域R內的適當配置的設備進行充電。NFMR供電器可位於中心單元(諸如桌上型計算機)中。這樣，該桌上型計算機可提供具有計算資源的NFMR供電器。應當指出的是，近場磁共振(NFMR)供電器可包括依賴於近場磁耦合的高Q迴路，該近場磁耦合通過在功率源和宿的共振之間形成的共振信道來傳送功率。NFMR供電器可以是例如被包含在桌上型計算機、膝上型計算機、平板計算機等等之中的獨立的單元。在其它一些實施例中，NFMR供電器可以具有可攜式單元的形式，諸如可以連接到合法設備(諸如桌上型計算機)從而提供更新設備的能力的電子狗(dongle)。而在另外一些實施例中，用於封裝NFMR功率源的外殼或外殼的一部分可以用於延伸NFMR供電器的可用範圍。這樣，可以直接從NFMR供電器對適當配置的外圍設備供電。這樣，當調諧到合適的頻率時，外圍設備可以從NFMR供電器無線接收功率。這樣，適當調諧的外圍設備可以被認為是共振電路的一部分，其中該共振電路可包括NFMR供電器和這樣調諧的任何其它外圍設備。作為這種電路的一部分，每個設備關聯有相對應的可被NFMR供電器感測到的負載。這樣，該共振電路可以具有特徵負載，該特徵負載可以通過向該共振電路增加設備或從該共振電路刪除設備而改變。例如，如果諸如可攜式媒體播放器之類的適當配置的設備被帶入NFMR供電器的範圍內，則當(以及如果)該可攜式媒體播放器被適當調諧時，與該可攜式媒體播放器相關聯的負載可被NFMR供電器感測到。應當指出的是，在一些情況下，被帶入NFMR供電器的範圍內的設備可利用標準通信協議(諸如WiFi或藍牙)來通知其初始存在。然而，一旦合併入該共振電路，該設備可採用如下詳細描述的通信反向信道。相應地，該共振電路的特徵負載因子的任何改變可以傳達信息，該信息可被NFMR供電器使用以便通過例如分配功率等來控制該共振電路中的各個設備。在一些實施例中，外圍設備中的某些可被配置為包含可直接從NFMR供電器接收功率的再共振器電路。這樣的設備還可以將接收到的功率的一部分傳送給其它外圍設備。虛擬充電區域1000包括可包含NFMR供電器的中央單元1002 (桌上型計算機)、鍵盤1004、滑鼠1006以及可攜式媒體播放器1008。在一個實施例中，鍵盤1004可被配置為直接從包含在桌上型計算機1002中的NFMR供電器接收功率，滑鼠1006和可攜式媒體播放器1008也可以如此。 在一些情況下，例如，桌上型計算機1002直接向滑鼠1006提供功率的能力可能因許多因素而降低。這些因素可包括，例如，在區域R內增加了其它需要來自NFMR供電器的功率的設備，有障礙物幹擾在NFMR和滑鼠1006之間形成的直接功率信道，等等。在這種情況下，鍵盤1004可以作為再共振器，從而，從NFMR供電器傳遞到鍵盤1004的功率的一部分可以藉助於鍵盤1004中的再共振器發射單元(未示出)被繼續傳遞。這樣，滑鼠1006的任何功率損耗可通過從鍵盤1004接收功率而改善。這種配置可以是暫時的，或者可以只要滑鼠1006不能直接從NFMR供電器接收足夠的功率就一直持續。在其它情況下，可攜式媒體播放器1008位於區域R內可能會降低鍵盤1004和滑鼠1006可用的功率量。在這種情況下，如果鍵盤1006中的電池是充滿電的(或者不需要額外的充電)，則鍵盤1006可以斷開充電電路，同時仍然維持再共振器電路為滑鼠1006提供功率。應當指出的是，傳導材料1012可用作波導和/或磁通量集中器。特別地，金屬性表面和結構可被用來通過例如增大耦合係數K來引導/集中高頻率共振。傳導表面(諸如桌面、計算機外殼等)可用作通量集中器以及金屬外殼。描述的實施例的各個方面、實施例、實施方式或特徵可單獨使用或以任何結合方式使用。描述的實施例的各個方面可以以軟體、硬體或者軟體與硬體結合的形式來實施。描述的實施例還可以表現為非暫態計算機可讀介質上的計算機可讀代碼。該計算機可讀介質被定義為可存儲之後可由計算機系統讀取的數據的任何數據存儲設備。計算機可讀介質的例子包括只讀存儲器、隨機存取存儲器、CD-ROM、DVD、磁帶以及光數據存儲設備。計算機可讀介質還可分布於經網絡耦接的計算機系統，從而可以分布式地存儲和執行計算機可讀代碼。出於解釋目的，前面的描述採用了具體的術語來提供對描述的實施例的全面理解。然而，本領域技術人員將清楚，具體的細節對於實施所描述的實施例而言不是必需的。因此，對這裡描述的具體實施例的前述說明是出於示例和說明的目的而給出的。它們的目的不在於窮舉或將實施例限制到所公開的精確形式。本領域普通技術人員將清楚，根據以上的教導，可以存在許多修改和變形。描述的實施例的優點很多。不同的方面、實施例或實施方式可以產生一個或多個以下優點。本實施例的許多特徵和優點由於所記載的描述而變得明顯，因此意在由所附的權利要求書來覆蓋本實用新型的所有這些特徵和優點。進一步地，由於大量修改和改變對於本領域技術人員來說是容易的，實施例不應當被限制到所示例和描述的精確結構和操作。因此，所有適當的修改和等同方式可被認為是落入本實用新型的範圍內。
權利要求1.一種無線供電本地計算系統，所述無線供電本地計算系統包括被配置為利用共振信道傳送可用的能量到位於近場距離D內的共振電路的近場磁共振(NFMR)供電器，該距離D定義了所述NFMR供電器的最遠範圍，其特徵在於，所述無線供電本地計算系統包括: 向所述NFMR供電器提供處理資源的中央處理單元；和 多個外圍設備，分別具有適合於從所述NFMR供電器無線接收功率的可調諧共振電路，其中當所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備位於所述NFMR供電器的範圍內時，所述至少一個外圍設備將所述共振電路調諧到所述NFMR供電器的共振頻率中的至少一個並且隨後將所述共振電路解諧，以利用共振電路負載因子的變化向所述NFMR供電器提供設備標識，其中所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備包括被配置為將所述至少一個外圍設備從所述NFMR供電器接收到的功率的一部分無線提供給所述多個外圍設備中的至少另一個外圍設備的再共振器電路。
2.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述中央處理單元是使用動態調諧在所述多個外圍設備之間仲裁功率的中央處理單元。
3.如權利要求2所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，最大功率在並非中心共振頻率的共振頻率處被傳送到所述多個外圍設備中的每一個。
4.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備是計算機滑鼠。
5.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述多個外圍設備中的至少一個外圍設備是鍵盤。
6.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述中央處理單元被容納在桌上型計算機中。
7.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述中央處理單元被容納在可攜式計算機中。
8.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述可調諧共振電路至少包括圓極化源共振器。
9.如權利要求1所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述可調諧共振電路至少包括高頻正交帶內功率發射機。
10.如權利要求8所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述圓極化源共振器包括:提供高頻(HF)功率的基底盤和至少兩個「D」形共振器。
11.如權利要求10所述的無線供電本地計算系統，其特徵在於，所述至少兩個「D」形共振器相互之間以180°異相被驅動。
專利摘要本公開涉及無線供電本地計算系統，包括被配置為利用共振信道傳送能量到共振電路的近場磁共振(NFMR)供電器，該本地計算系統包括向NFMR供電器提供處理資源的中央處理單元；和多個外圍設備，分別具有適於從NFMR供電器無線接收功率的可調諧共振電路，其中當至少一個外圍設備位於NFMR供電器的範圍內時，該外圍設備將共振電路調諧到NFMR供電器的至少一個共振頻率並隨後將其解諧，以利用共振電路負載因子的變化向NFMR供電器提供設備標識。至少一個外圍設備包括將其從NFMR供電器接收到的功率的一部分無線提供給至少另一個外圍設備的再共振器電路。本公開的實施例解決的一個問題是如何在無線供電本地計算環境中在外圍設備之間進行高效且用戶友好的交互。
文檔編號H02J17/00GK202997711SQ201220523878
公開日2013年6月12日 申請日期2011年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者P·M·阿諾德, B·C·比爾布裡, M·卡伯特, R·W·德瓦爾, D·I·西蒙, M·薩瓦爾 申請人:蘋果公司