无线充电接收装置、发射装置及电子设备

本发明涉及无线充电，尤其涉及一种具有高稳定性的植入式无线充电接收装置、发射装置及电子设备。

背景技术：

1、人体植入式设备通过长期植入人体中工作，以实现对功能异常器官的有效监测、辅助干预或治疗，在疾病诊断，药物传递，感知康复健康状态检测等各种领域当中展现出了广泛的应用趋势和显著的技术进步。无线充电技术作为一种电能非接触式转移技术，其摒弃了传统导线连接方式能够直接将电能从电源端无线传输至负载终端。因此，通过无线充电的方式，能够使得植入体内的医疗设备无需通过手术进行电池更换而完成电能补给，从而消除了患者因重复手术所带来的并发症风险(如创口感染等)以及额外的心理负担。

2、面对复杂的人体内部环境与多种植入物植入的差异化要求，为了最大限度地减少植入手术对患者身体的负面影响并兼顾不同植入深度的需求，传统人体植入式设备无线充电系统设计中通常面临着续航能力不足，抗偏移水平有限，微型化难度过大等诸多挑战。因此具有供能稳定与高可靠性优势的微型人体植入式无线充电磁耦合装置设计势在必行。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种无线充电接收装置、发射装置及电子设备，用以至少解决传统无线充电系统电路复杂度高、体积庞大及抗偏移性能欠佳等。

2、一方面，本发明提供一种无线充电接收装置，所述无线充电接收装置为层叠结构，依次为线圈层、软磁介质层、金属箔层和绝缘承载层；所述线圈层设置有用于连接负载的第一负载输出端和第二负载输出端；所述第一负载输出端与所述金属箔层连接，作为串联谐振腔与并联谐振腔分割点的所述第二负载输出端将所述线圈层分割成两部分区域，两部分区域分别与所述软磁介质层、所述金属箔层和绝缘承载层构成所述串联谐振腔和所述并联谐振腔。

3、可选地，所述线圈层由一层或多层结构，每层由平面螺旋线圈构成；所述并联谐振腔由第一自感与第一寄生电容并联；所述第一自感为所述第一负载输出端和所述第二负载输出端之间的平面螺旋线圈自感；所述第一寄生电容包括所述第一负载输出端和所述第二负载输出端之间平面螺旋线圈所对应的匝间电容和该平面螺旋线圈与金属箔层之间板间电容；

4、所述串联谐振腔由第二自感与第二寄生电容串联；所述第二自感为所述第二负载输出端和自由端之间的平面螺旋线圈自感；所述第二寄生电容包括所述第二负载输出端和所述自由端之间平面螺旋线圈所对应的匝间电容和该平面螺旋线圈与金属箔层之间板间电容；所述线圈层的平面螺旋线圈的外侧末端悬空，构成所述自由端。

5、可选地，所述第二负载输出端在每层螺旋线圈的位置满足串联谐振腔与并联谐振腔电容电感平衡关系：

6、

7、式中，l1表示第一自感，c1表示第一寄生电容，l2表示第二自感，c2表示第二寄生电容。

8、可选地，所述第二负载输出端在每层平面螺旋线圈的位置根据谐振频率误差最小化和约束条件确定；所述约束条件包括平面螺旋线圈刻制工艺限制条件、串联谐振腔与并联谐振腔电容电感平衡关系和平面螺旋线圈外径尺寸。

9、可选地，采用下述目标函数确定谐振频率误差ε最小化：

10、|srf-f0|<ε

11、式中，srf表示无线充电接收装置的自谐振频率，f0表示预设工作频率；

12、所述串联谐振腔与并联谐振腔电容电感平衡关系：

13、

14、式中，l1表示第一自感，c1表示第一寄生电容，l2表示第二自感，c2表示第二寄生电容。

15、可选地，软磁介质层影响的平面螺旋线圈的自感lself_fe为：

16、

17、式中，lself_fe为l1或l2；ls′elf表示整体平面螺旋线圈的自感；mfe(ri,rj)表示第i匝圆环和第j匝圆环之间的互感；n表示线圈的匝数；

18、第一寄生电容c1与第二寄生电容c2中的线圈层与金属箔层板间电容cpl均由线圈层与软磁介质层板间电容cpl(hcoil)、软磁介质层板间电容cpl(hfe)与软磁介质层与金属箔层板间电容cpl(hpl)串联而成，其满足：

19、

20、第一寄生电容c1与第二寄生电容c2中的等效匝间电容ct如下式：

21、

22、式中，is表示线圈中的电流；vs表示线圈的端口电压。

23、可选地，每层由柔性绝缘fpc材料为基底承载铜刻平面螺旋线圈构成；所述软磁介质层为由柔性铁氧体片，所述柔性铁氧体片由高频和高磁导率的材料构成，其厚度不超过0.1mm；所述绝缘承载层为柔性绝缘基板，厚度范围为0.04mm-0.06mm；所述金属箔层厚度范围为0.5oz-3oz。

24、另一方面，本发明还提供一种无线充电发射装置，所述无线充电发射装置包括发射层和软磁介质层；所述发射层主要由基板的两面分别刻制的线圈构成，其中第一面的线圈为四个共面方型线圈，四个共面方型线圈对角配置，分成两组，每组中两对线圈的绕向呈镜像相反；第二面的线圈为菱型线圈，第二面的线圈位于所述基板和所述软磁介质层之间。

25、可选地，所述两组共面方型线圈分别采用独立激励，使两组共面方型线圈中的激励电流在幅值上保持一致而在相位上相差恰好90度；所述菱型线圈采用独立激励。

26、再一方面，本发明实施例又提供一种电子设备，所述电子设备包括如上任意一项无线充电接收装置和/或如上任意一项所述无线充电发射装置。

27、本发明中无线充电接收装置简单电路复杂度低、参数稳定性高，同时在设计过程中放弃了对物理电容器的选用从而使得整体结构更加安全可靠。接收装置整体结构紧凑体积小，能够将人体植入物对人体内部环境的影响降到最低。

28、无线充电发射装置具有强的抗偏移性能。基于动态旋转磁场原理，采用独特的线圈布局(包括四个方型线圈对角反向绕制与菱型线圈居中排布)和相位控制策略，成功实现了宽范围、低波动且全向抗偏移的磁场发射。

29、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

技术特征：

1.一种无线充电接收装置，其特征在于，所述无线充电接收装置为层叠结构，依次为线圈层、软磁介质层、金属箔层和绝缘承载层；所述线圈层设置有用于连接负载的第一负载输出端和第二负载输出端；所述第一负载输出端与所述金属箔层连接，作为串联谐振腔与并联谐振腔分割点的所述第二负载输出端将所述线圈层分割成两部分区域，两部分区域分别与所述软磁介质层、所述金属箔层和绝缘承载层构成所述串联谐振腔和所述并联谐振腔。

2.根据权利要求1所述的无线充电接收装置，其特征在于，所述线圈层由一层或多层结构，每层由平面螺旋线圈构成；所述并联谐振腔由第一自感与第一寄生电容并联；所述第一自感为所述第一负载输出端和所述第二负载输出端之间的平面螺旋线圈自感；所述第一寄生电容包括所述第一负载输出端和所述第二负载输出端之间平面螺旋线圈所对应的匝间电容和该平面螺旋线圈与金属箔层之间板间电容；

3.根据权利要求2所述的无线充电接收装置，其特征在于，所述第二负载输出端在每层螺旋线圈的位置满足串联谐振腔与并联谐振腔电容电感平衡关系：

4.根据权利要求2所述的无线充电接收装置，其特征在于，所述第二负载输出端在每层平面螺旋线圈的位置根据谐振频率误差最小化和约束条件确定；所述约束条件包括平面螺旋线圈刻制工艺限制条件、串联谐振腔与并联谐振腔电容电感平衡关系和平面螺旋线圈外径尺寸。

5.根据权利要求4所述的无线充电接收装置，其特征在于，采用下述目标函数确定谐振频率误差ε最小化：

6.根据权利要求5所述的无线充电接收装置，其特征在于，软磁介质层影响的平面螺旋线圈的自感lself_fe为：

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的无线充电接收装置，其特征在于，每层由柔性绝缘fpc材料为基底承载铜刻平面螺旋线圈构成；所述软磁介质层为由柔性铁氧体片，所述柔性铁氧体片由高频和高磁导率的材料构成，其厚度不超过0.1mm；所述绝缘承载层为柔性绝缘基板，厚度范围为0.04mm-0.06mm；所述金属箔层厚度范围为0.5oz-3oz。

8.一种无线充电发射装置，其特征在于，所述无线充电发射装置包括发射层和软磁介质层；所述发射层主要由基板的两面分别刻制的线圈构成，其中第一面的线圈为四个共面方型线圈，四个共面方型线圈对角配置，分成两组，每组中两对线圈的绕向呈镜像相反；第二面的线圈为菱型线圈，第二面的线圈位于所述基板和所述软磁介质层之间。

9.根据权利要求8所述的无线充电发射装置，其特征在于，所述两组共面方型线圈分别采用独立激励，使两组共面方型线圈中的激励电流在幅值上保持一致而在相位上相差恰好90度；所述菱型线圈采用独立激励。

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1-8中任意一项无线充电接收装置和/或如权利要求8-9中任意一项所述无线充电发射装置。

技术总结
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种无线充电接收装置、发射装置及电子设备，所述无线充电接收装置为层叠结构，依次为线圈层、软磁介质层、金属箔层和绝缘承载层。所述无线充电发射装置包括发射层和软磁介质层。所述电子设备包括所述无线充电接收装置和/或所述无线充电发射装置。本发明有效解决传统无线充电系统电路复杂度高、体积庞大及抗偏移性能欠佳。

技术研发人员：蔡春伟,焦宇杰,武帅,柴文萍,任秀云
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：
技术公布日：2025/4/17