针对电容性无线供电系统的电击穿保护的制作方法
【专利说明】针对电容性无线供电系统的电击穿保护
[0001]本发明一般地涉及用于无线功率传输的电容性供电系统，并且更特别地涉及在大面积的表面上的无线功率传输以及保护这样的表面以防电击穿。
[0002]无线功率传输指的是在不具有任何线或接触的情况下的电功率的供应，由此通过无线介质执行电子设备的供电。无线(无接触)供电的一个受欢迎的应用是用于便携电子设备(例如移动电话、膝上型计算机等)的充电。
[0003]无线功率传输的一个实施方式是通过电感性供电系统。在这样的系统中，电源(发射器)和设备(接收器)之间的电磁感允许无线功率传输。发射器和接收器二者都装配有电线圈，并且当被使得物理接近时，电信号从发射器流到接收器。
[0004]在电感性供电系统中，在线圈内聚集生成的磁场。作为结果，到接收器拾取(pick-up)场的功率传输在空间中是非常集中的。该现象建立了在系统中的热点，这限制了该系统的效率。为了改进功率传输的效率，需要每个线圈的高品质因数。为此，线圈应当具有以下特征:电感与电阻的最优比例，由具有低电阻的材料构成，以及使用利兹线(Litze-wire)工艺制造以降低集肤效应。而且，线圈应当被设计为满足复杂的几何结构以避免涡电流。因此，对于高效率的电感性供电系统，要求昂贵的线圈。用于大面积的无接触功率传输系统的设计将使很多昂贵的线圈成为必需。因而，针对这样的应用，电感性供电系统可能不是可行的。
[0005]电容性耦合是用于无线地传输功率的另一技术。该技术被主要地用于数据传输和感测应用。粘合在窗户上的具有汽车内的拾取元件的汽车收音机天线是电容性耦合的示例。电容性耦合技术还用于电子设备的无接触充电。针对这样的应用，充电单元(实施电容性耦合)在设备的固有谐振频率之外的频率下操作。
[0006]在相关领域中，还讨论了使能LED照明的电容性功率传输电路。该电路是基于电源(驱动器)中的电感器。照此，仅单个的接收器可被使用，并且发射器应当被调谐以传输最大的功率。在试图设计具有多个接收器的系统时，这样的系统将要求在接收器和发射器未被完美地对准时确保来自接收器和发射器的功率传输的像素化的电极。然而，增大像素化电极的数量增大了到电极的连接的数量，由此增大功率损耗。如果没有使用像素化电极，则调谐所有的接收器到同一谐振频率将不是可行的。因此，当仅具有单个接收器和有限尺寸的电极时，在相关领域中讨论的电容性功率传输电路不能在大的面积(例如窗、墙等)上供应功率。
[0007]设计用于大面积的低成本且高效率的无线功率传输系统中的另一挑战涉及系统的发射器侧和接收器侧之间的绝缘体的电击穿。为了提供低成本系统，利用低成本的非传导材料作为绝缘层。然而，这样的材料往往在相对低的击穿电压下电击穿。通常，电击穿指的是例如电线或绝缘层的绝缘体的击穿，引起绝缘体变成导电的。电击穿在引起绝缘体的至少一部分变成导电的最小电压的击穿电压下发生。
[0008]为了保护电容性功率传输系统以防电击穿，可以在绝缘层中利用对这样的击穿鲁棒的(robust)非传导材料。然而，这样的材料成本显著多于脆弱的(frail)材料。因此，针对被设计用于大面积表面上的功率传输的电容性功率传输系统，整个表面(例如墙的表面)需要被覆盖有鲁棒材料以提供被保护以防电击穿的绝缘层。然而，这样的设计将显著增大电容性功率传输系统的成本。
[0009]因此，将有利的是，提供低成本且可行的解决方案来保护被设计用于大面积的无线供电系统以防电击穿。
[0010]本文公开的某些实施例包括一种用于保护电容性功率传输系统以防电击穿的制品。该制品包括由第一类型的非传导材料制成的非传导层；以及由第二类型的非传导材料制成的保护层，其中第二类型的非传导材料的击穿电压高于第一类型的非传导材料的击穿电压，其中保护层仅覆盖非传导层的一部分，其中非传导层和保护层形成电容性功率传输系统的绝缘层。
[0011]本文公开的某些实施例还包括一种被设计成保护以防电容性功率传输系统中的电击穿的制品。该制品包括由传导材料制成的一对电极；由第一类型的非传导材料制成的覆盖该对电极的一侧的非传导层；以及由第二类型的非传导材料制成的覆盖该对电极的另一侧的保护层，其中第二类型的非传导材料的击穿电压高于第一类型的非传导材料的击穿电压，其中非传导层和保护层形成电容性功率传输系统的绝缘层。
[0012]本文公开的某些实施例还包括一种电容性供电系统，该系统包括通过电感器连接到负载的一对接收器电极，其中该电感器耦合到负载以在串联谐振频率下使系统谐振；连接到驱动器的一对发射器电极；以及包括由第一类型的非传导材料制成的非传导层和由第二类型的非传导材料制成的保护层的绝缘层，其中第二类型的非传导材料的击穿电压高于第一类型的非传导材料的击穿电压，保护层仅覆盖非传导层的一部分，其中该对发射器电极和该对接收器电极被定位在绝缘层的相对侧上，使得在该对发射器电极和该对接收器电极之间形成电容性阻抗，其中当由驱动器生成的功率信号的频率与第一电感器和电容性阻抗的串联谐振频率匹配时，由驱动器生成的功率信号被无线地从该对发射器电极传输到该对接收器电极，而不引起系统中的电击穿。
[0013]在说明书的结尾处的权利要求中特别地指出并且清楚地要求保护被认为是本发明的主题。依据结合附图的以下详细描述，本发明的前述的和其它的特征以及优点将是明显的。
[0014]图1是被用于描述本文公开的各个实施例的电容性功率传输系统的图示。
[0015]图2是根据一个实施例构造的绝缘层的横截面图。
[0016]图3描绘了针对绝缘层的不同布置所测量的电流泄漏和击穿电压的示例性图。
[0017]图4是根据一个实施例的被设计成包括电击穿保护层的电容性功率传输系统的接收器的图示。
[0018]图5是根据一个实施例的被设计成包括电击穿保护层的电容性功率传输系统的基础结构的图不。
[0019]重要的是，注意实施例仅仅是本文的创新教导的许多有利的用途的示例。一般地，在本申请的说明书中做出的陈述并不必然限制各种所要求保护的发明中的任何发明。而且，一些陈述可以适用于一些发明的特征，但是不适用于其他的特征。一般地，除非另有声明，单数元件可以是复数并且反之亦然，而不损失普遍性。在绘图中，类似的数字意在指代若干个视图中的类似的部件。
[0020]图1示出被用于描述本文公开的各种实施例的电容性功率传输系统100的示意图。系统100使能大面积功率传输。系统100可在大面积上传输功率，并且因此可被用于对安装在墙、窗户、镜子、地板、座位、走廊等上的设备进行供电。
[0021]系统100包括连接到一对发射器电极121、122的驱动器110，该对发射器电极121,122附接到绝缘层130。系统100还包括连接到负载150和电感器160的一对接收器电极141和142。可选地，系统100可包括耦合到驱动器110的电感器112。
[0022]在某些配置中，发射器电极121、122到驱动器110之间的连接是借助电流接触(galvanic contact)。在另一实施例中，可以在驱动器110和电极121、122之间应用电容性内親合(in-coupling)，由此不需要线连接。该实施例在用于基础结构的容易延拓(extens1n)的模块化基础结构中是有利的。
[0023]通过将接收器电极141、142靠近发射器电极121和122放置而不具有接收器和发射器电极之间的直接接触，功率被供应到负载150。因此，为了对负载150进行供电，不要求机械连接或电气接触。负载150允许AC双向电流流动。负载150可以是但不限于照明元件(例如LED、LED串、灯等)、显示器、计算机、充电器、扬声器等。在某些配置中，负载150可包括二极管或在本地生成DC电压的AC/DC变换器