无线功率传送系统及方法
【专利说明】无线功率传送系统及方法
[0001 ] 分案申请的相关信息
[0002]本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2009年4月21日、申请号为200980113946.6、发明名称为“近程有效无线功率传送”的发明专利申请案。
[0003]本申请案主张2008年4月21日申请的第61/046,757号临时申请案的优先权，所述临时申请案的整个内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
[0004]本申请涉及无线功率传送系统及方法。
【背景技术】
[0005]我们先前的申请案和临时申请案，包含(但不限于)2008年1月22日申请的题目为“无线设备和方法(Wireless Apparatus and Methods)”的第12/018,069号美国专利申请案(其整个揭示内容以引用的方式并入本文中)，描述了发射器与接收器之间的无线功率传送。
[0006]发射和接收天线优选为谐振天线，其为大体上谐振的，例如10%的谐振、15%的谐振或20%的谐振以内。天线可具有小尺寸以允许其配合到用于天线的可用空间可能有限的移动手持装置中。一实施例描述针对正在发射和接收的功率的特定特性和环境的高效率天线。
[0007]—个实施例通过将能量存储在发射天线的近场中而不是以行进电磁波的形式将能量发送到自由空间中而在两个天线之间使用有效的功率传送。此实施例增加了天线的质量因数(Q)。这可减小辐射电阻(Rr)和损耗电阻(Ri)。
[0008]发明人注意到由此系统提出的许多解决方案包含在一距离下的功率递送，例如在从功率发射器到接收器的数英寸或英尺上的功率递送。在我们的共同待决申请案中揭示的技术允许以合理的效率(例如在3英尺与5英尺之间)和从5%到40%的效率来递送功率。
【发明内容】
[0009]然而，注意到许多用户和/或制造商实际上偏好较高的功率递送效率，且希望以近距离接受此功率递送。举例来说，许多人偏好超过90%有效的功率递送解决方案，即使所述功率递送解决方案使用起来不太方便。发明人注意到已用于在一距离下的功率递送的谐振可实际上用以当在紧密接触情形中使用时产生非常高的效率。
[0010]—方面描述一种磁耦合谐振系统，其包含抵靠其接纳待被提供功率的装置的第一垫表面。所述装置使用磁耦合谐振以第一功率传送效率向所述垫表面上的装置提供功率。以低于所述第一效率的第二功率传送效率向不在所述第一表面上的其它装置提供功率，所述其它装置例如为远离所述垫例如少于12英寸或少于3英尺的装置。
[0011]所述装置和垫可各自使用具有天线的磁谐振电路，所述天线由经调谐到适当频率的由线圈形成的电感器和单独电容器形成。
[0012]本申请案揭示使用这些技术来形成无线桌面。无线桌面可用以对例如通信终端、蜂窝式电话或基于计算机的外围装置等个人电子装置充电，这些被充电装置是使用无线能量传送技术在无电线的情况下被供电或被再充电或两者。
【附图说明】
[0013]图1展示具有被无线供电项目的无线桌面；
[0014]图2展示等效电路；
[0015]图3A到3F展示具有和不具有折页(foldout)的垫上的单个接收器；
[0016]图4展示单个接收器的效率；
[0017]图5A到?展示具有多个接收器的垫；
[0018]图6展示多个接收器的传送效率；
[0019]图7展示使用寄生的共面场耦合；以及
[0020]图8展示桌面寄生。
【具体实施方式】
[0021]—实施例使用利用磁场天线的耦合磁性谐振。实施例可在任一频率下操作，但两个实施例可在LF (例如，135kHz)或HF (例如，13.56MHz)下但以近距离来操作。一个实施例使用与电容器串联的环形线圈作为天线。在一个实施例中，接收器部分(例如，便携式装置)既定直接放置于垫上。在此实施例中，发射器与接收器之间存在相对小的固定距离。所述固定距离例如可通过垫的材料和外壳的材料的厚度来设定。此在形成发射器与接收器的线圈之间可小于一厘米或小于10_。所述距离将为恒定的，因此所述项目在被抵靠垫按压时始终距天线相同的距离。
[0022]所述固定距离取决于垫的几何形状和被充电项目的几何形状。在实施例中，天线可经调谐为在所述恒定距离处具有最大响应。此调谐以及本说明书中描述的其它调谐操作可经计算且随后通过例如试错法(trial and error)来优化。
[0023]然而，不同于其它近距离充电系统，此系统还可对位于与天线相距一距离(例如，数英寸或英尺)处的项目充电。天线在一距离下充电时不太有效，但仍将在所述距离下提供功率。这允许对未直接放置于充电垫上的项目充电-不同于除了在极为特定的固定距离和/或定向下之外本质上完全不提供任何电荷的纯感应系统。
[0024]这产生了某些优点，包含在将装置放置于充电垫上时使用较小精度的能力。即使装置未放置于垫上，其仍将从附近以较低电平接收充电。即使当装置未精确放置于垫上时，较低电平电荷也可例如在0.05瓦与0.25瓦之间。
[0025]为了有效地利用桌面空间且减少桌面布线，功率发射器/功率基座的天线可并入到通常存在于桌面上的主机装置中。实施例将所述主机装置描述为包含PC监视器或灯，但可为任何其它项目，例如打印机、扫描仪、传真机、电话、路由器等。
[0026]发射器单元可从已经存在于此主机装置中的110/230VAC电源直接供电，因此不需要额外的电源线或功率连接。
[0027]在一个实施例中，如图1所示，发射天线嵌入于PC监视器屏幕100的底座104中或桌灯110的底座112中。底座可为圆盘形以容纳产生对称磁场的圆形线环形天线。此场在桌上在天线环的平面中的任何位置处几乎都是垂直极化的。此实施例支持集成在具有无线功率功能的装置中的天线环的共面定向；也就是说，当接收装置中的环形线圈定向于与发射装置中的环形线圈大体上平行的平面中时将获得最佳功率传送。充电基座的表面可大体上与线圈平行，使得可维持共面关系。图7说明共面操作可如何扩展到桌面上的所有项目。
[0028]此共面定向可例如用于(在以通常方式放置的情况下)集成到键盘、鼠标装置和例如移动电话、MP3播放器、PDA等许多其它电子装置中的线环形天线。然而，此可在其它应用中使用。
[0029]在另一实施例中，在如图1所示的桌面上可能存在一个以上功率基座。功率从最靠近接收装置的基座或从多个不同源供应。
[0030]每一功率基座还可提供用以将装置直接放置于线环形天线上的区域，从而导致最强耦合，因此实现高效率下的高功率传送。此紧密接近耦合是通过提供例如邻近于充电线圈的表面105来实现。在此实施例中，一个以上装置可放置于此充电垫表面105上。这具有的另一优点是允许较大的用于发射的线圈，其还提供改进的效率。
[°031 ]具有较长的电池使用时间(battery autonomy)的低功率装置(例如键盘或计算机鼠标)可放置于功率基座的附近以通过接近耦合来充电。用于这些装置的可用功率和传送效率将低于固定距离耦合的情况。然而，这些装置可恒定地充电且间歇地使用。因此，这些装置不需要连续充电。在一个实施例中，当其它装置另外放置于充电垫上时充电量可能减少，因为多个装置可比单个装置对系统造成更重负担。
[0032]功率基座附近的磁场强度将优选低于安全临界水平。功率基座可另外提供在人员正接近的情况下自动减少磁场强度的功能。此功能可使用红外线或微波人员检测108。此可为接近检测器(proximity detector)，例如可通过用户接近而激活的检测器。
[0033]第一实施例手动致动接近检测器。在磁场存在的情况下感到不舒服的人员可开启所述功能。此功能将还可致使附近的装置在人员位于附近时的时间期间停止接收功率。这可例如使用IR检测器来检测人员的存在。
[0034]另一实施例可始终使接近检测器处于活动中，且在…时自动关闭所述功能。
[0035]例如无绳电话、数码相机等其它装置可放置于充电台上。这允许使无线功率接收器及其天线成为再充电台的组成部分。充电台可提供较多区域和/或空间来集成有效的功率接收器而不是便携式装置本身。举例来说，这可使用电触点，或通过使用无线技术或无线寄生天线，如本文描述。充电台本身可经配置为且用作功率中继器或寄生天线，其改进发射器与接收电荷的便携式装置之间的耦合。
[0036]在图1所示的实施例中，在用户的“桌面”上可能存在若干不同的电操作装置，其可为用户用于每日工作的项目。一个此项目是用于PC的监视器100。此消耗由插入到AC电源插座中的110V连接102提供的功率而操作。110V连接100为监视器的操作提供功率，且还为集成到监视器的基座中的无线表面104提供功率。充电垫可使用本文详细描述的技术。
[0037]无线接近充电可在区域105中启用，区域105形成基座上的平坦表面。根据此实施例，无线接近充电可针对近距离连接特定调谐，但其也可在较远距离连接上适当操作。表面105可经定尺寸以使得例如手机和TOA(例如107)等装置可搁置于表面上。虽然充电针对区域105优化，但充电也在其它区域中实施。
[0038]在此实施例中，还存在作为桌灯110的一部分的另一充电基座。此形成其上具有区域113的充电基座112。如在104充电基座中一样，充电经优化以用于使用磁耦合谐振实施例如114等项目的近距离(up close)接近充电。其也可对距充电基座较远的项目充电。
[0039]除了在充电基座上对例如114等项目充电之外，项目中的任一者或两者还产生磁谐振输出功率，所述磁谐振输出功率耦合到为无线充电而启用的远程装置。这些远程装置例如可在其中包含以与发射相同的频率谐振的磁谐振天线。在一实施例中，这可处于13.56MHz或处于135Khz或处于任何其它频率。