在無線電力傳遞中具有負電阻的方法和設備的製作方法

2023-10-10 22:27:19 2

專利名稱：在無線電力傳遞中具有負電阻的方法和設備的製作方法
在無線電力傳遞中具有負電阻的方法和設備依據35 U.S.C. 1119主張優先權本申請案依據35 U.S.C.§ 119(e)主張以下申請案的優先權在2008年6月11日申請的題為「經由接收天線阻抗調製的反向鏈路信令 (REVERSE LINK SIGNALING VIA RECEIVE ANTENNA IMPEDANCEMODULATION) 」 的美國臨時專利申請案61/060,735 ；在2008年6月11日申請的題為「無線電力環境中的信令充電 (SI GNALINGCHARGING IN WIRELESS POWER ENVIRONMENT) 」 的美國臨時專利申 請案 61/060,738 ；在2008年5月13日申請的題為「用於無線電力傳遞的自適應調諧機制 (ADAPTIVETUNING MECHANISM FOR WIRELESS POWER TRANSFER) 」 的美國臨時 專利申請案61/053,008 ；在2008年5月13日申請的題為「用於無線電力充電系統的有效電力管 理方案(EFFICIENT POWER MANAGEMENT SCHEME FOR WIRELES S POWER CHARGINGSYSTEMS) 」的美國臨時專利申請案61/053,010 ；在2008年6月11日申請的題為「用於無線充電系統的發射電力控制 (TRANSMITPOWER CONTROL FOR A WIRELESS CHARGING SYSTEM) 」 的美國臨時
專利申請案61/060,741 ；在2008年5月13日申請的題為「用於增強無線電力傳遞的轉發器 (REPEATERSFOR ENHANCEMENT OF WIRELESS POWER TRANSFER) 」 的美國臨時 專利申請案61/053,000 ；在2008年5月13日申請的題為「用於電器和設備的無線電力傳遞 (WIRELESSPOWER TRANSFER FOR APPLIANCES AND EQUIPMENTS) 」 的美國臨時 專利申請案61/053,004 ；在2008年7月16日申請的題為「使用負電阻的無線電力傳遞(WIRELESS POWERTRANSFER USING NEGATIVE RESISTANCE) 」 的美國臨時專利申請案 61/081,332 ；在2008年5月13日申請的題為「用於無線電力傳遞的嵌入式接收天線 (EMBEDDED RECEIVE ANTENNA FOR WIRELESS POWER TRANSFER) 」 的美國臨時 專利申請案61/053,012 ；以及在2008年5月13日申請的題為「平面大面積無線充電系統(PLANAR LARGEAREAWIRELESS CHARGING SYSTEM) 」 的美國臨時專利申請案 61/053,015。
背景技術：
通常，每一電池供電裝置(例如，無線電子裝置)需要其自身的充電器和電力 源，其通常為交流(AC)電源插座。在許多裝置需要充電時，此種有線配置變得難以使用。
正開發在發射器與耦合到待充電的電子裝置的接收器之間使用空中或無線電力 發射的方法。此些方法通常落在兩個類別中。一個類別是基於發射天線與待充電的裝置 上的接收天線之間的平面波輻射(還被稱作遠場輻射)的耦合。接收天線收集所輻射的 電力且對其進行整流以供對電池充電。天線通常具有諧振長度以便改進耦合效率。此方 法的缺點為電力耦合隨著天線之間的距離增加而快速衰退。因此，在合理長度(例如， 小於1米到2米)內充電變得困難。另外，由於發射系統輻射平面波，所以如果未經由 濾波來進行適當控制，則無意的輻射可幹擾其它系統。無線能量發射技術的其它方法是基於在嵌入於(例如)「充電」墊或表面中的 發射天線與嵌入於待充電的主機電子裝置中的接收天線(加上整流電路)之間的電感性 耦合。此種方法具有以下缺點，即，發射天線與接收天線之間的間隔必須非常接近(例 如，在千分之幾米內)。儘管此種方法確實具有對相同區域中的多個裝置同時充電的能 力，但此區域通常非常小且要求用戶將所述裝置準確地定位到特定區域。因此，需要提 供一種適應發射天線和接收天線的靈活放置和定向的無線充電布置。在無線電力發射的情況下，需要用於調整天線的操作特性以適應不同環境並優 化電力傳遞特性的系統和方法。


圖1展示無線電力傳遞系統的簡化框圖。圖2展示無線電力傳遞系統的簡化示意圖。圖3展示用於本發明的示範性實施例中的環形天線的示意圖。圖4展示指示發射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。圖5A和圖5B展示根據本發明的示範性實施例的用於發射天線和接收天線的環 形天線的布局。圖6展示指示與圖5A和圖5B中所說明的正方形和圓形發射天線的各種周長大 小有關的在發射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。圖7展示指示與圖5A和圖5B中所說明的正方形和圓形發射天線的各種表面積 有關的在發射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。圖8展示接收天線相對於發射天線的各种放置點以說明在共面和同軸放置下的 耦合強度。圖9展示指示在發射天線與接收天線之間的各種距離下同軸放置的耦合強度的 模擬結果。圖10為根據本發明的示範性實施例的發射器的簡化框圖。圖11為根據本發明的示範性實施例的接收器的簡化框圖。圖12展示用於在發射器與接收器之間進行消息接發的發射電路的一部分的簡化 示意圖。圖13A到圖13C展示在各種狀態下的接收電路的一部分的簡化示意圖，以說明 接收器與發射器之間的消息接發。圖14A到圖14C展示在各種狀態下的替代性接收電路的一部分的簡化示意圖， 以說明接收器與發射器之間的消息接發。
圖15A到圖15C為 說明用於發射器與接收器之間的通信的消息接發協議的時序圖。圖16A到圖16D為說明用於在發射器與接收器之間發射電力的信標電力模式的 簡化框圖。圖17A說明大發射天線，其中較小轉發器天線與所述發射天線共面和同軸地安置。圖17B說明發射天線，其中較大轉發器天線相對於所述發射天線同軸放置。圖18A說明大發射天線，其中三個不同的較小轉發器天線與所述發射天線共面 地安置且安置於所述發射天線的周邊內。圖18B說明大發射天線，其中較小轉發器天線相對於發射天線有偏移地同軸放 置和有偏移地共面放置。圖19展示指示發射天線、轉發器天線和接收天線之間的耦合強度的模擬結果。圖20A展示指示在不具有轉發器天線的情況下在發射天線與接收天線之間的耦 合強度的模擬結果。圖20B展示指示在具有轉發器天線的情況下在發射天線與接收天線之間的耦合 強度的模擬結果。圖21說明構成負電阻轉換器的具有正和負反饋的示範性運算放大器。圖22A到圖22C說明分別包括用於發射天線、轉發器天線和接收器天線的負電 阻的示範性天線電路。
具體實施例方式詞語「示範性」在本文中用以指「充當實例、例子或說明」。本文中描述為 「示範性」的任何實施例不必理解為比其它實施例優選或有利。在下文結合附圖陳述的詳細描述意欲作為對本發明的示範性實施例的描述且無 意表示可實踐本發明的僅有實施例。在整個此描述中所使用的術語「示範性」指「充當 實例、例子或說明」且應沒有必要理解為比其它示範性實施例優選或有利。所述詳細描 述包括特定細節以用於提供對本發明的示範性實施例的徹底理解的目的。所屬領域的技 術人員將明白，可在無這些特定細節的情況下實踐本發明的示範性實施例。在一些例子 中，以框圖形式來展示眾所周知的結構和裝置以便避免使本文所呈現的示範性實施例的 新穎性模糊不清。詞語「無線電力」在本文中用以指與在不使用物理電磁導體的情況下從發射器 發射到接收器的電場、磁場、電磁場或其它相關聯的任何形式的能量。圖1說明根據本發明的各種示範性實施例的無線發射或充電系統100。將輸入電 力102提供到發射器104以供產生用於提供能量傳遞的輻射場106。接收器108耦合到 輻射場106且產生輸出電力110以供耦合到輸出電力110的裝置(未圖示)存儲或消耗。 發射器104與接收器108兩者相隔距離112。在一個示範性實施例中，根據相互諧振關係 來配置發射器104和接收器108，且當接收器108位於輻射場106的「近場」中時，在接 收器108的諧振頻率與發射器104的諧振頻率完全相同時，發射器104與接收器108之間 的發射損失是最小的。
發射器104進一步包括用於提供用於能量發射的裝置的發射天線114，且接收器 108進一步包括用於提供用於能量接收的裝置的接收天線118。根據應用和將與其相關 聯的裝置來設計發射天線和接收天線的大小。如所陳述，通過將發射天線的近場中的能 量的大部分耦合到接收天線而非以電磁波形式將大多數能量傳播到遠場來進行有效能量 傳遞。當在此近場中時，可在發射天線114與接收天線118之間形成耦合模式。在天線 114和118周圍的可發生此近場耦合的區域在本文中被稱作耦合模式區。圖2展示無線電力傳遞系統的簡化示意圖。發射器104包括振蕩器122、功率放 大器124以及濾波和匹配電路126。所述振蕩器經配置以在所要頻率下產生，可響應於調 整信號123來調整所述所要頻率。可由功率放大器124以響應於控制信號125的放大量 來放大振蕩器信號。可包括濾波和匹配電路126以濾出諧波或其它不想要的頻率且將發 射器104的阻抗與發射天線114匹配。 接收器可包括匹配電路132以及整流和切換電路以產生DC電力輸出，以對電池 136(如圖2所示)充電或向耦合到接收器的裝置(未圖示)供電。可包括匹配電路132 以將接收器108的阻抗與接收天線118匹配。如圖3中所說明，示範性實施例中所使用的天線可經配置為「環形」天線150， 其在本文中還可被稱作「磁性」天線。環形天線可經配置以包括空氣芯或實體芯(例 如，鐵氧體芯)。空氣芯環形天線可更能容忍放置於所述芯附近的外來實體裝置。此 夕卜，空氣芯環形天線允許其它元件放置於芯區域內。另外，空氣芯環形可更易於使得能 夠將接收天線118 (圖2)放置於發射天線114 (圖2)的平面內，在所述平面內，發射天線 114(圖2)的耦合模式區可更強大。如所陳述，在發射器104與接收器108之間的諧振匹配或近似匹配期間，發生發 射器104與接收器108之間的有效能量傳遞。然而，即使當發射器104與接收器108之 間的諧振不匹配時，還可在較低效率下傳遞能量。通過將來自發射天線的近場的能量耦 合到駐留於形成了此近場的鄰域中的接收天線而非將能量從發射天線傳播到自由空間中 來進行能量傳遞。 環形或磁性天線的諧振頻率是基於電感和電容。環形天線中的電感通常僅為由 所述環形產生的電感，而通常將電容添加到環形天線的電感以在所要諧振頻率下產生諧 振結構。作為非限制性實例，可將電容器152和電容器154添加到所述天線以創建產生諧 振信號156的諧振電路。因此，對於較大直徑的環形天線來說，誘發諧振所需的電容的 大小隨著環形的直徑或電感增加而減小。此外，隨著環形或磁性天線的直徑增加，近場 的有效能量傳遞區域增加。當然，其它諧振電路為可能的。作為另一非限制性實例，電 容器可並行地放置於環形天線的兩個端子之間。另外，所屬領域的技術人員將認識到， 對於發射天線，諧振信號156可為環形天線150的輸入。 本發明的示範性實施例包括在處於彼此的近場中的兩個天線之間耦合電力。如 所陳述，近場為在天線周圍的存在磁場但不可傳播或輻射遠離所述天線的區域。其通常 限於接近所述天線的物理體積的體積。在本發明的示範性實施例中，磁性型天線(例 如，單匝環形天線和多匝環形天線)用於發射(Tx)和接收(Rx)天線系統兩者，因為與電 型天線(例如，小偶極)的電近場相比，磁性型天線的磁近場振幅趨於更高。此允許所 述對天線之間的潛在較高耦合。此外，還涵蓋「電」天線(例如，偶極和單極)或磁性天線與電天線的組合。

Tx天線可在足夠低的頻率下和在天線大小足夠大的情況下操作，以在顯著大於 由早先所提及的遠場和電感方法允許的距離的距離下實現到小Rx天線的良好耦合(例 如，>_4dB)。如果正確地設計Tx天線的大小，則在主機裝置上的Rx天線放置於受 驅動Tx環形天線的耦合模式區(即，在近場中)內時，可實現高耦合程度(例如，_2 到 _4dB)。圖4展示指示發射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。曲線170和172 分別指示對發射天線和接收天線的電力接受的測量。換句話說，在大負數的情況下，存 在非常緊密的阻抗匹配，且大多數電力被接受且因此由發射天線輻射。相反，小負數指 示許多電力從天線反射回，因為在給定頻率下不存在緊密阻抗匹配。在圖4中，調諧發 射天線和接收天線以使其具有約13.56MHz的諧振頻率。曲線170說明在各個頻率處的從發射天線發射的電力量。因此，在對應於約 13.528MHz和13.593MHz的點Ia和3a處，許多電力被反射且不發射到發射天線外。然 而，在對應於約13.56MHz的點2a處，可看到，大量電力被接受且被發射到天線外。類似地，曲線172說明在各個頻率處由接收天線接收的電力量。因此，在對應 於約13.528MHz和13.593MHz的點Ib和3b處，許多電力被反射且不經由接收天線輸送 並進入接收器中。然而，在對應於約13.56MHz的點2b處，可看到，大量電力被接收天 線接受且輸送到接收器中。曲線174指示在經由發射天線從發射器發送、經由接收天線接收且輸送到接收 器後在接收器處接收到的電力量。因此，在對應於約13.528MHz和13.593MHz的點Ic 和3c處，發送到發射器外的許多電力在接收器處為不可用的，因為(1)發射天線拒絕從 發射器發送到其的許多電力和(2)發射天線與接收天線之間的耦合隨著頻率遠離諧振頻 率而效率降低。然而，在對應於約13.56MHz的點2c處，可看到，從發射器發射的大量 電力在接收器處為可用的，從而指示發射天線與接收天線之間的高耦合程度。圖5A和圖5B展示根據本發明的示範性實施例的用於發射天線和接收天線的環 形天線的布局。可以許多不同方式來配置環形天線，其中單個環或多個環具有廣泛多種 大小。另外，所述環可呈許多不同形狀，例如(僅舉例)圓形、橢圓形、正方形和矩形。 圖5A說明大正方形環形發射天線114S和小正方形環形接收天線118，小正方形環形接收 天線118與發射天線114S放置於相同平面中且接近發射天線114S的中心。圖5B說明 大圓形環形發射天線114C和小正方形環形接收天線118'，小正方形環形接收天線118' 與發射天線114C放置於相同平面中且接近發射天線114C的中心。正方形環形發射天線 114S具有邊長「a」，而圓形環形發射天線114C具有直徑「Φ」。對於正方形環形來 說，可展示存在等效圓形環形，其直徑可界定為O6q = 4a/π。圖6展示指示與圖4Α和圖4Β中所說明的正方形和圓形發射天線的各種周長有 關的在發射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。因此，曲線180展示在圓形環 形發射天線114C的各種周長大小下圓形環形發射天線114C與接收天線118之間的耦合 強度。類似地，曲線182展示在正方形環形發射天線114S的各種等效周長大小下正方形 環形發射天線114S與接收天線118'之間的耦合強度。圖7展示指示與圖5Α和圖5Β中所說明的正方形和圓形發射天線的各種表面積有關的在發射天線與接收天線之間的耦合強度的模擬結果。因此，曲線190展示在圓形 環形發射天線114C的各種表面積下圓形環形發射天線114C與接收天線118之間的耦合 強度。類似地，曲線192展示在正方形環形發射天線114S的各種表面積下正方形環形發 射天線114S與接收天線118'之間的耦合強度。圖8展示接收天線相對於發射天線的各种放置點以說明在共面和同軸放置中的 耦合強度。如本文所使用，「共面」指發射天線與接收天線具有大體上對準的平面(即， 具有指向大體上相同的方向的表面法線)且發射天線與接收天線的平面之間不具有距離 (或具有小距離)。如本文所使用，「同軸」指發射天線與接收天線具有大體上對準的 平面(即，具有指向大體上相同的方向的表面法線)且所述兩個平面之間的距離並非細微 的，且此外，發射天線與接收天線的表面法線大體上沿著相同向量展現，或所述兩個法 線排成梯隊。作為實例，點pi、p2、p3和p7為接收天線相對於發射天線的所有共面放置點。 作為另一實例，點p5和p6為接收天線相對於發射天線的同軸放置點。下表展示在圖8 中所說明的各個放置點(pi到p7)處的耦合強度(S21)和耦合效率(表達為從發射天線發 射的到達接收天線的電力的百分比)。表 1
位置 距平面的距離(cm) S21效率(% ) 效率(TX DC電力入對RXDC電力出) 046^828
~2 055^036
05L535
2^549^030
VL524^515
VL50302
O5^9如可看到，共面放置點pi、ρ2和ρ3均展示相對高的耦合效率。放置點ρ7也為 共面放置點，但在發射環形天線外部。雖然放置點ρ7不具有高耦合效率，但很明顯存在 一些耦合且耦合模式區延伸超出發射環形天線的周邊。放置點ρ5與發射天線同軸且展示相當大的耦合效率。放置點ρ5的耦合效率不 如共面放置點的耦合效率高。然而，放置點Ρ5的耦合效率為足夠高的，使得可在同軸放 置的發射天線與接收天線之間輸送相當多的電力。放置點ρ4處於發射天線的周長內但在發射天線的平面上方的很小距離處的位置 中，其可被稱作偏移同軸放置(即，表面法線在大體上相同的方向上但處於不同位置處) 或偏移共面(即，表面法線在大體上相同的方向上但平面彼此相對偏移)。從所述表可看至|J，在偏移距 離為2.5cm的情況下，放置點p4仍具有相對良好的耦合效率。放置點p6說明在發射天線的周長外部且處於發射天線的平面上方相當大距離處 的放置點。如可從所述表看到，放置點p7展示發射天線與接收天線之間的很小的耦合效率。圖9展示指示在發射天線與接收天線之間的各種距離處同軸放置的耦合強度的 模擬結果。圖9的模擬針對處於同軸放置的正方形發射和接收天線，其均具有約1.2米的 邊且處於IOMHz的發射頻率下。可看到，在小於約0.5米的距離處，耦合強度保持相當
高且均一。圖10為根據本發明的示範性實施例的發射器的簡化框圖。發射器200包括發 射電路202和發射天線204。通常，發射電路202通過提供導致在發射天線204周圍產 生近場能量的振蕩信號來將RF電力提供到發射天線204。舉例來說，發射器200可在 13.56MHz ISM頻帶處操作。示範性發射電路202包括用於將發射電路202的阻抗(例如，50歐姆)匹配到 發射天線204的固定阻抗匹配電路206，和經配置以將諧波發射減少到防止耦合到接收器 108 (圖1)的裝置的自幹擾的水平的低通濾波器(LPF) 208。其它實施例可包括不同濾波 器拓撲(包括但不限於使特定頻率衰減同時使其它頻率通過的陷波濾波器)，且可包括自 適應阻抗匹配，其可基於可測量的發射量度(例如，到天線的輸出電力或由功率放大器 汲取的DC電流)而改變。發射電路202進一步包括經配置以驅動由振蕩器212確定的 RF信號的功率放大器210。發射電路可包含離散裝置或電路，或替代地，可包含集成組 合件。來自發射天線204的示範性RF電力輸出可為約2.5瓦。發射電路202進一步包括處理器214，所述處理器214用於在特定接收器的發射 階段(或工作循環)期間啟用振蕩器212、用於調整所述振蕩器的頻率，以及用於調整用 於實施通信協議(用於經由相鄰裝置所附接的接收器與相鄰裝置交互)的輸出電力水平。發射電路202可進一步包括用於檢測在由發射天線204產生的近場附近是否存在 活動接收器的負載感測電路216。舉例來說，負載感測電路216監視流動到功率放大器 210的電流，其受在由發射天線204產生的近場附近的活動接收器的存在與否影響。由處 理器214監視對功率放大器210上的負載改變的檢測，以用於確定是否啟用振蕩器212以 發射能量以與活動接收器通信。發射天線204可實施為天線條，其具有經選擇以使電阻性損失保持為低的厚 度、寬度和金屬類型。在常規實施方案中，發射天線204可通常經配置以與較大結構 (例如，桌子、墊、燈或其它較不便攜的配置)相關聯。因此，發射天線204通常將不 需要「若干匝」以便具有特定尺寸。發射天線204的示範性實施方案可為「電學上小 的」(即，波長的分數)且經調諧以通過使用電容器來界定諧振頻率而在較低的可用頻率 下諧振。在發射天線204在直徑或邊長(如果為正方形環形)方面相對於接收天線可為 較大(例如，0.50米)的示範性應用中，發射天線204將沒有必要需要較大匝數以獲得合 理電容。圖11為根據本發明的實施例的接收器的框圖。接收器300包括接收電路302和 接收天線304。接收器300進一步耦合到裝置350以向其提供所接收的電力。請注意， 將接收器300說明為在裝置350外部但可集成於裝置350中。通常，能量無線地傳播到接收天線304且接著經由接收電路302而耦合到裝置350。接收天線304經調諧以在與發射天線204 (圖10)相同的頻率下或幾乎相同的頻率下諧振。接收天線304可與發射天線204類似地設計尺寸，或可基於相關聯裝置350 的尺寸來不同地設計大小。舉例來說，裝置350可為具有小於發射天線204的直徑或長 度的直徑或長度尺寸的可攜式電子裝置。在此類實例中，接收天線304可實施為多匝天 線以便減少調諧電容器(未圖示)的電容值且增加接收天線的阻抗。舉例來說，接收天 線304可放置在裝置350的實質周長周圍，以便最大化天線直徑並減少接收天線的環形匝 (即，繞組)的數目和繞組間電容。接收電路302提供與接收天線304的阻抗匹配。接收電路302包括用於將所接收 的RF能量源轉換為供裝置350使用的充電電力的電力轉換電路306。電力轉換電路306 包括RF到DC轉換器308且還可包括DC到DC轉換器310。RF到DC轉換器308將接 收天線304處接收到的RF能量信號整流為非交變電力，而DC到DC轉換器310將經整 流的RF能量信號轉換為可與裝置350兼容的能量勢(例如，電壓)。涵蓋各種RF到DC 轉換器，包括部分和全整流器、調節器、橋接器、倍增器以及線性和切換轉換器。接收電路302可進一步包括用於將接收天線304連接到電力轉換電路306或替代 地用於將電力轉換電路306斷開的切換電路312。如下文更充分地解釋，將接收天線304 與電力轉換電路306斷開不僅中止對裝置350的充電，且還改變發射器200 (圖2)所「看 至IJ」的「負載」。如上文所揭示，發射器200包括負載感測電路216，其檢測提供到發 射器功率放大器210的偏置電流的波動。因此，發射器200具有用於確定接收器何時存 在於發射器的近場中的機制。當多個接收器300存在於發射器的近場中時，可能需要對一個或一個以上接收 器的加載和卸載進行時間多路復用以使其它接收器能夠更有效地耦合到發射器。還可掩 蔽接收器以便消除到其它附近的接收器的耦合或減少附近發射器上的負載。接收器的此
「卸載」在本文中還被稱為「掩蔽」。此外，如下文更充分地解釋，由接收器300控制 且由發射器200檢測的卸載與加載之間的此切換提供從接收器300到發射器200的通信機 制。另外，協議可與所述切換相關聯，其實現從接收器300到發射器200的消息發送。 舉例來說，切換速度可為約100微秒。在一示範性實施例中，發射器與接收器之間的通信指代裝置感測和充電控制機 制，而非常規雙向通信。換句話說，發射器使用所發射信號的通/斷鍵控來調整能量在 近場中是否可用。接收器將這些能量改變解譯為來自發射器的消息。從接收器側，接收 器使用接收天線的調諧和去諧來調整正從近場接受多少電力。發射器可檢測來自近場的 所使用電力的此差異且將這些改變解譯為來自接收器的消息。接收電路302可進一步包括用以識別接收到的能量波動的信令檢測器和信標電 路314，所述能量波動可對應於從發射器到接收器的信息性信令。此外，信令和信標電路 314還可用以檢測減少的RF信號能量(即，信標信號)的發射並將所述減少的RF信號能 量整流成標稱電力以用於喚醒接收電路302內的未供電或電力耗盡的電路以便配置接收 電路302以進行無線充電。接收電路302進一步包括用於協調本文所描述的接收器300的處理(包括對本文 所描述的切換電路312的控制)的處理器316。對接收器300的掩蔽還可在發生其它事件(包括檢測到向裝置350提供充電電力的外部有線充電源(例如，壁式/USB電力))後即 刻發生。除了控制接收器的掩蔽外，處理器316還可監視信標電路314以確定信標狀態 並提取從發射器發射的消息。處理器316還可調整DC到DC轉換器310以獲得改進的性 能。圖12展示用於在發射 器與接收器之間進行消息接發的發射電路的一部分的簡化 示意圖。在本發明的一些示範性實施例中，可在發射器與接收器之間啟用用於通信的裝 置。在圖12中，功率放大器210驅動發射天線204以產生輻射場。所述功率放大器由 在對於發射天線204為所要的頻率下振蕩的載波信號220來驅動。使用發射調製信號224 來控制功率放大器210的輸出。發射電路可通過對功率放大器210使用通/斷鍵控過程來將信號發射到接收器。 換句話說，在斷言發射調製信號224時，功率放大器210將在發射天線204上驅動出載波 信號220的頻率。在否定發射調製信號224時，功率放大器在發射天線204上將不驅動 出任何頻率。圖12的發射電路還包括將電力供應到功率放大器210且產生接收信號235輸出 的負載感測電路216。在負載感測電路216中，跨電阻器Rs的電壓降形成於電力入信號 226與功率放大器210的電力供應228之間。功率放大器210所消耗的電力的任何改變 將引起將由差動放大器230放大的電壓降的改變。當發射天線與接收器(未展示於圖12 中)中的接收天線處於耦合模式時，由功率放大器210汲取的電流量將改變。換句話說， 如果發射天線210不存在耦合模式諧振，則驅動輻射場所需的電力將為第一量。如果存 在耦合模式諧振，則功率放大器210所消耗的電力量將上升，因為許多電力耦合到接收 天線中。因此，如下文所解釋，接收天線235可指示耦合到發射天線235的接收天線的 存在且還可檢測從接收天線發射的信號。另外，將可在發射器的功率放大器電流汲取中 觀測到接收器電流汲取的改變，且如下文所解釋，此改變可用以檢測來自接收天線的信 號。圖13A到圖13C展示在各種狀態下的接收電路的一部分的簡化示意圖以說明接 收器與發射器之間的消息接發。圖13A到圖13C均展示相同電路元件，不同之處為各 個開關的狀態。接收天線304包括特性電感Li，其驅動節點350。節點350經由開關 SlA選擇性地耦合到接地。節點350還經由開關SlB選擇性地耦合到二極體Dl和整流 器318。整流器318將DC電力信號322供應到接收裝置(未圖示)以向所述接收裝置供 電、對電池充電，或其組合。二極體Dl與電容器C3和電阻器Rl—起耦合到發射信號 320，發射信號320經濾波以移除諧波和不想要的頻率。因此，Dl、C3和Rl的組合可 在發射信號320上產生信號，其模仿由上文參看圖12中的發射器而論述的發射調製信號 224所產生的發射調製。本發明的示範性實施例包括對接收裝置的電流汲取的調製和對接收天線的阻抗 的調製以實現反向鏈路信令。參看圖13A和圖12兩者，在接收裝置的電力汲取改變時， 負載感測電路216檢測發射天線上的所得電力改變，且從這些改變可產生接收信號235。在圖13A到圖13C的實施例中，可通過修改開關SlA和S2A的狀態來改變經由 發射器的電流汲取。在圖13A中，開關SlA和開關S2A均斷開而形成「DC斷開狀態」 且實質上從發射天線204移除負載。此減少發射器所經歷的電流。
在圖13B中，開關S lA閉合且開關S2A斷開，從而形成接收天線304的「DC 短路狀態」。因此，可使用圖13B中的狀態來增加在發射器中經歷的電流。在圖13C中，開關SlA斷開且開關S2A閉合，從而形成正常接收模式(在本文 中還被稱作「DC操作狀態」)，其中電力可由DC輸出信號322供應且可檢測到發射信 號320。在圖13C所示的狀態下，接收器接收正常電力量，因此消耗比DC斷開狀態或 DC短路狀態時多或少的來自發射天線的電力。可通過DC操作狀態(圖13C)與DC短路狀態(圖13B)之間的切換來實現反向 鏈路信令。還可通過DC操作狀態(圖13C)與DC斷開狀態(圖13A)之間的切換來實 現反向鏈路信令。圖14A到圖14C展示在各種狀態下的替代性接收電路的一部分的簡化示意圖以 說明接收器與發射器之間的消息接發。圖14A到圖14C均展示相同電路元件，不同之處為各個開關的狀態。接收天線 304包括特性電感Li，其驅動節點350。節點350經由電容器Cl和開關SlB而選擇性地 耦合到接地。節點350還經由電容器C2而AC耦合到二極體Dl和整流器318。二極體 Dl與電容器C3和電阻器Rl —起耦合到發射信號320，發射信號320經濾波以移除諧波 和不想要的頻率。因此，Dl、C3和Rl的組合可在發射信號320上產生一信號，其模仿 由上文參看圖12中的發射器而論述的發射調製信號224所產生的發射調製。整流器318連接到開關S2B，開關S2B與電阻器R2和接地串聯連接。整流器 318還連接到開關S3B。開關S3B的另一側將DC電力信號322供應到接收裝置(未圖 示)以向所述接收裝置供電、對電池充電，或其組合。在圖13A到圖13C中，通過經由開關SlB選擇性地將接收天線304耦合到接地 來改變所述接收天線的DC阻抗。相比而言，在圖14A到圖14C的實施例中，可通過修 改開關SIB、S2B和S3B的狀態以改變接收天線304的AC阻抗來修改天線的阻抗以產生 反向鏈路信令。在圖14A到圖14C中，可使用電容器C2來調諧接收天線304的諧振頻 率。因此，可通過使用開關SlB經由電容器Cl來選擇性地耦合接收天線304 (實質上將 諧振電路改變到將處於將與發射天線最佳耦合的範圍外的不同頻率)來改變接收天線304 的AC阻抗。如果接收天線304的諧振頻率接近發射天線的諧振頻率，且接收天線304處 於發射天線的近場中，則可形成耦合模式，其中接收器可從輻射場106汲取顯著電力。在圖14A中，開關SlB閉合，此將天線去諧且形成「AC掩蔽狀態」，所述 「AC掩蔽狀態」實質上「掩蔽」接收天線304使其不被發射天線204檢測到，因為接收
天線不在發射天線的頻率處諧振。由於接收天線將不處於耦合模式下，所以開關S2B和 S3B的狀態對於本論述來說並非特別重要。在圖14B中，開關SlB斷開，開關S2B閉合，且開關S3B斷開，從而形成接收 天線304的「經調諧假負載狀態」。因為開關SlB斷開，所以電容器Cl不影響諧振電 路，且與電容器C2組合的接收天線304將處於可與發射天線的諧振頻率匹配的諧振頻率 下。開關S3B斷開與開關S2B閉合的組合對於整流器來說形成相對高電流假負載，其 將經由接收天線304汲取更多電力，此可由發射天線感測到。另外，可檢測到發射信號 320，因為接收天線處於從發射天線接收電力的狀態下。在圖14C中，開關SlB斷開，開關S2B斷開，且開關S3B閉合，從而形成接收天線304的「經調諧操作狀態」。因為開關SlB斷開，所以電容器Cl不影響諧振電路， 且與電容器C2組合的接收天線304將處於可與發射天線的諧振頻率匹配的諧振頻率下。 開關S2B斷開與開關S3B閉合的組合形成正常操作狀態，其中可由DC出信號322供應 電力且可檢測到發射信號320。 可通過經調諧操作狀態(圖14C)與AC掩蔽狀態(圖14A)之間的切換來實現 反向鏈路信令。還可通過經調諧假負載狀態(圖14B)與AC掩蔽狀態(圖14A)之間的 切換來實現反向鏈路信令。還可通過經調諧操作狀態(圖14C)與經調諧假負載狀態(圖 14B)之間的切換來實現反向鏈路信令，因為接收器所消耗的電力量將存在差異，此可由 發射器中的負載感測電路檢測到。當然，所屬領域的技術人員將認識到，可使用開關SIB、S2B和S3B的其它組 合來形成掩蔽、產生反向鏈路信令以及將電力供應到接收裝置。另外，可將開關SlA和 SlB添加到圖14A到圖14C的電路以形成用於掩蔽、反向鏈路信令以及將電力供應到接 收裝置的其它可能組合。因此，在處於耦合模式下時，如上文參看圖12所論述，可將信號從發射器發送 到接收器。另外，在處於耦合模式下時，如上文參看圖13A到圖13C和圖14A到圖14C 所論述，可將信號從接收器發送到發射器。圖15A到圖15C為說明用於使用上文所論述的信令技術在發射器與接收器之間 通信的消息接發協議的時序圖。在一種示範性方法中，從發射器到接收器的信號在本文 中被稱作「前向鏈路」且使用正常振蕩與無振蕩之間的簡單AM調製。還涵蓋其它調製 技術。作為非限制性實例，信號存在可解譯為1，且無信號存在可解譯為0。通過對接收裝置所汲取的電力進行調製來提供反向鏈路信令，其可由發射器中 的負載感測電路檢測到。作為非限制性實例，較高電力狀態可解譯為1，且較低電力狀態 可解譯為0。請注意，發射器必須開啟以使接收器能夠執行反向鏈路信令。另外，在前 向鏈路信令期間接收器應不執行反向鏈路信令。此外，如果兩個接收裝置試圖同時執行 反向鏈路信令，則衝突可發生，此將使發射器難以(如果非不可能)解碼適當反向鏈路信 號。在本文所描述的示範性實施例中，信令類似於具有開始位、數據字節、奇偶位 和停止位的通用異步接收發射(UART)串行通信協議。當然，任何串行通信協議可適合 於實行本文所描述的本發明的示範性實施例。為便於描述且並非限制，將描述消息接發 協議，使得用於傳送每一字節發射的周期為約10mS。圖15A說明消息接發協議的最簡單且最低電力的形式。將在每個重現周期 410(在示範性實施例中為約一秒)重複同步脈衝420。作為非限制性實例，同步脈衝工 作時間可為約40mS。在發射器開啟時，具有至少一同步脈衝420的重現周期410可無限 地重複。請注意，「同步脈衝」略微用詞不當，因為如由「空白」脈衝420'所說明， 同步脈衝350可為在脈衝周期期間的穩態頻率。同步脈衝420還可包括使用上文所論述 的通/斷鍵控且如「陰影」脈衝420所說明的在諧振頻率處的信令。圖15A說明最小電 力狀態，其中在同步脈衝420期間供應諧振頻率處的電力且發射天線在供電周期450期間 為關閉的。允許所有接收裝置在同步脈衝420期間接收電力。圖15B說明具有同步脈衝420、反向鏈路周期430和供電周期450'的重現周期410，其中發射天線開啟且通過在諧振頻率處振蕩且不執行任何信令來供應全部電力。上 面的時序圖說明整個重現周期410，且下面的時序圖說明同步脈衝420和反向鏈路周期 430的分解圖。如下文所解釋，供電周期450'可分成用於多個接收裝置的不同周期。圖 15B展示用於三個不同接收裝置的三個供電區段Pdl、Pd2和Pdn。 在前向鏈路信令發生時，同步脈衝420可包括熱身周期422、前向鏈路周期424 和監聽周期426。監聽周期426可包括移交周期427和開始反向鏈路周期428。在同步 脈衝420期間，發射器可在前向鏈路周期400 (由「陰影」部分指示)期間發送出前向鏈 路消息且在監聽周期426期間等待來自接收器的答覆。在圖15B中，無接收器答覆，此 由監聽周期426期間的「空白」部分指示。圖15C類似於圖15B，不同之處在於如由「交叉影線」部分所指示，接收器在開 始反向鏈路周期428和反向鏈路周期430期間答覆。在圖15中，在同步脈衝420期間， 發射器在前向鏈路周期400期間發送出前向鏈路消息且在監聽周期426期間等待來自接收 器的答覆。將要進行答覆的任何接收器在移交周期427結束之前、在開始反向鏈路周期 428期間以及可能在反向鏈路周期430期間開始其答覆。作為非限制性實例，表2展示可由發射器和接收器發射的一些可能消息。表權利要求
1.一種無線電力接收電路，其包含接收天線，其用於在諧振頻率處與近場輻射耦合；電容元件，其可操作地與所述接收天線串聯耦合且包含電容值和等效串聯電阻值； 負電阻產生器，其可操作地與所述電容元件串聯耦合且包含負電阻值；以及 負載，其可操作地與所述負電阻產生器串聯耦合且用於在所述無線電力接收電路大 體上在所述諧振頻率附近振蕩時汲取來自所述近場輻射的電力。
2.根據權利要求1所述的無線電力接收電路，其中所述負電阻產生器用於產生所述負 電阻值以抵銷所述等效串聯電阻值、所述接收天線的歐姆電阻或其組合中的至少一些。
3.根據權利要求1所述的無線電力接收電路，其中所述負電阻產生器包含 運算放大器，其包含放大器輸出、正輸入和負輸入，所述負輸入可操作地耦合到所述負電阻產生器的第一端子；第一反饋電阻器，其可操作地耦合在所述放大器輸出與所述負輸入之間； 第二反饋電阻器，其可操作地耦合在所述放大器輸出與所述正輸入之間；以及 輸入電阻器，其可操作地耦合在所述負電阻產生器的第二端子與所述正輸入之間。
4.根據權利要求3所述的無線電力接收電路，其中所述第一反饋電阻器、所述第二反 饋電阻器和所述輸入電阻器經選擇以產生所述負電阻值，以抵銷所述等效串聯電阻值、 所述接收天線的歐姆電阻或其組合中的至少一些。
5.—種無線電力發射電路，其包含發射天線，其用於在諧振頻率處產生近場輻射；電容元件，其可操作地與所述發射天線串聯耦合且包含電容值和等效串聯電阻值； 負電阻產生器，其可操作地與所述電容元件串聯耦合且包含負電阻值；以及 信號產生器，其可操作地與所述負電阻產生器串聯耦合，且用於將信號電力施加 到所述無線電力發射電路，以使得所述無線電力發射電路大體上在所述諧振頻率附近振 蕩。
6.根據權利要求5所述的無線電力發射電路，其中所述負電阻產生器用於產生所述負 電阻值以抵銷所述等效串聯電阻值、所述發射天線的歐姆電阻或其組合中的至少一些。
7.根據權利要求5所述的無線電力發射電路，其中所述負電阻產生器包含 運算放大器，其包含放大器輸出、正輸入和負輸入，所述負輸入可操作地耦合到所述負電阻產生器的第一端子；第一反饋電阻器，其可操作地耦合在所述放大器輸出與所述負輸入之間； 第二反饋電阻器，其可操作地耦合在所述放大器輸出與所述正輸入之間；以及 輸入電阻器，其可操作地耦合在所述負電阻產生器的第二端子與所述正輸入之間。
8.根據權利要求7所述的無線電力發射電路，其中所述第一反饋電阻器、所述第二反 饋電阻器和所述輸入電阻器經選擇以產生所述負電阻值，以抵銷所述等效串聯電阻值、 所述發射天線的歐姆電阻或其組合中的至少一些。
9.一種無線電力轉發器電路，其包含轉發器天線，其用於在諧振頻率處與在耦合模式區中的近場輻射耦合，且產生不同 於所述耦合模式區的經轉發耦合模式區；電容元件，其可操作地與所述轉發器天線串聯耦合且包含電容值和等效串聯電阻值；以及負電阻產生器，其可操作地與所述電容元件串聯耦合且包含負電阻值。
10.根據權利要求9所述的無線電力轉發器電路，其中所述負電阻產生器用於產生所 述負電阻值以抵銷所述等效串聯電阻值、所述轉發器天線的歐姆電阻或其組合中的至少一些。
11.根據權利要求9所述的無線電力轉發器電路，其中所述負電阻產生器包含 運算放大器，其包含放大器輸出、正輸入和負輸入，所述負輸入可操作地耦合到所述負電阻產生器的第一端子；第一反饋電阻器，其可操作地耦合在所述放大器輸出與所述負輸入之間； 第二反饋電阻器，其可操作地耦合在所述放大器輸出與所述正輸入之間；以及 輸入電阻器，其可操作地耦合在所述負電阻產生器的第二端子與所述正輸入之間。
12.根據權利要求11所述的無線電力轉發器電路，其中所述第一反饋電阻器、所述第 二反饋電阻器和所述輸入電阻器經選擇以產生所述負電阻值，以抵銷所述等效串聯電阻 值、所述轉發器天線的歐姆電阻或其組合中的至少一些。
13.—種方法，其包含在發射天線的諧振頻率處產生電磁場以在所述發射天線的近場內形成耦合模式區；以及使用安置於所述耦合模式區內的接收天線來接收來自所述耦合模式區的電力，其中 所述接收天線大體上在所述諧振頻率附近諧振；其中所述產生所述電磁場包括設定所述發射天線的發射組件的負電阻值以抵銷所述 發射天線的其它發射組件的等效串聯電阻值中的至少一些。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述接收來自所述耦合模式區的電力包括設定 所述接收天線的接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組件的等效串聯電 阻值中的至少一些。
15.—種方法，其包含在發射天線的諧振頻率處產生電磁場以在所述發射天線的近場內形成耦合模式區；以及使用安置於所述耦合模式區內的接收天線來接收來自所述耦合模式區的電力，其中 所述接收天線大體上在所述諧振頻率附近諧振；其中所述接收來自所述耦合模式區的電力包括設定所述接收天線的接收組件的負電 阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組件的等效串聯電阻值中的至少一些。
16.根據權利要求15所述的方法，其中所述產生所述電磁場包括設定所述發射天線的 發射組件的負電阻值以抵銷所述發射天線的其它發射組件的等效串聯電阻值中的至少一 些。
17.—種方法，其包含在發射天線的諧振頻率處產生電磁場以在所述發射天線的近場內形成耦合模式區； 使用轉發器天線轉發所述電磁場以形成不同於所述耦合模式區的經轉發耦合模式 區；以及使用安置於所述耦合模式區內的接收天線來接收來自所述經轉發耦合模式區的電力，其中所述接收天線大體上在所述諧振頻率附近諧振；其中所述產生所述電磁場包括設定所述發射天線的發射組件的負電阻值以抵銷所述 發射天線的其它發射組件的等效串聯電阻值中的至少一些。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述接收來自所述耦合模式區的電力包括設定 所述接收天線的接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組件的等效串聯電 阻值中的至少一些。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述轉發所述電磁場包括設定所述轉發器天線 的轉發器組件的負電阻值以抵銷所述轉發器天線的其它轉發器組件的等效串聯電阻值中 的至少一些。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述接收來自所述耦合模式區的電力包括設定 所述接收天線的接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組件的等效串聯電 阻值中的至少一些。
21.—種無線電力傳遞系統，其包含用於在發射天線的諧振頻率處產生電磁場以在所述發射天線的近場內形成耦合模式 區的裝置；以及用於使用安置於所述耦合模式區內的接收天線來接收來自所述耦合模式區的電力的 裝置，其中所述接收天線大體上在所述諧振頻率附近諧振；其中所述用於產生所述電磁場的裝置包括用於設定所述發射天線的發射組件的負電 阻值以抵銷所述發射天線的其它發射組件的等效串聯電阻值中的至少一些的裝置。
22.根據權利要求21所述的系統，其中所述用於接收來自所述耦合模式區的電力的裝 置包括用於設定所述接收天線的接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組 件的等效串聯電阻值中的至少一些的裝置。
23.—種無線電力傳遞系統，其包含用於在發射天線的諧振頻率處產生電磁場以在所述發射天線的近場內形成耦合模式 區的裝置；以及用於使用安置於所述耦合模式區內的接收天線來接收來自所述耦合模式區的電力的 裝置，其中所述接收天線大體上在所述諧振頻率附近諧振；其中所述用於接收來自所述耦合模式區的電力的裝置包括用於設定所述接收天線的 接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組件的等效串聯電阻值中的至少一 些的裝置。
24.根據權利要求23所述的系統，其中所述用於產生所述電磁場的裝置包括用於設定 所述發射天線的發射組件的負電阻值以抵銷所述發射天線的其它發射組件的等效串聯電 阻值中的至少一些的裝置。
25.—種無線電力傳遞系統，其包含用於在發射天線的諧振頻率處產生電磁場以在所述發射天線的近場內形成耦合模式 區的裝置；用於使用轉發器天線轉發所述電磁場以形成不同於所述耦合模式區的經轉發耦合模 式區的裝置；以及用於使用安置於所述經轉發耦合模式區內的接收天線來接收來自所述經轉發耦合模式區的電力的裝置，其中所述接收天線大體上在所述諧振頻率附近諧振；其中所述用於產生所述電磁場的裝置包括用於設定所述發射天線的發射組件的負電 阻值以抵銷所述發射天線的其它發射組件的等效串聯電阻值中的至少一些的裝置。
26.根據權利要求25所述的系統，其中所述用於接收來自所述耦合模式區的電力的裝 置包括用於設定所述接收天線的接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組 件的等效串聯電阻值中的至少一些的裝置。
27.根據權利要求25所述的系統，其中所述用於轉發所述電磁場的裝置包括用於設定 所述轉發器天線的轉發器組件的負電阻值以抵銷所述轉發器天線的其它轉發器組件的等 效串聯電阻值中的至少一些的裝置。
28.根據權利要求27所述的系統，其中所述用於接收來自所述耦合模式區的電力的裝 置包括用於設定所述接收天線的接收組件的負電阻值以抵銷所述接收天線的其它接收組 件的等效串聯電阻值中的至少一些的裝置。
全文摘要
示範性實施例針對於無線電力傳遞。天線電路使用負電阻來抵銷來自電路中的其它元件的電阻。所述天線電路包括天線，其用於在諧振頻率處與近場輻射耦合；以及電容元件，其與接收天線串聯連接。所述天線電路還包括與所述電容元件串聯連接的負電阻產生器。在接收天線和可能轉發器天線的情況下，負載與所述負電阻產生器串聯連接。在所述天線電路在所述諧振頻率附近振蕩時，所述負載可汲取來自所述近場輻射的電力。在發射天線的情況下，信號產生器與所述天線串聯耦合，以用於將信號電力施加到所述天線電路，以在所述諧振頻率處產生電磁場，從而在近場內形成耦合模式區。
文檔編號H04B5/02GK102027683SQ200980116829
公開日2011年4月20日 申請日期2009年5月11日 優先權日2008年5月13日
發明者阿里禮薩·荷姆茲·穆罕默點 申請人:高通股份有限公司