CN101978571B - 用于感应功率传输的电路 - Google Patents

Abstract

用在感应功率传输***的初级单元中的电路，以生成电磁场以便通过电磁感应将功率无线传输到该***中的一个或多个次级单元，该或每个次级单元可与初级单元分离，该电路包括：多个可驱动部分，每个部分包括初级线圈或虚设线圈；驱动装置，在操作中为两个或至少两个所述部分提供驱动信号以便使得那些具有所述初级线圈的被驱动部分生成所述电磁场；和控制装置，在操作中依赖于指示一个或多个所述被驱动部分的初级或虚设线圈的特性的反馈信号来控制该电路以便有助于调节所述反馈信号，其中该电路被配置为使得：被驱动的那些部分并联地连接在一起并且具有经调谐的谐振响应；并且所述控制有助于调节每个所述被驱动的线圈的这种特性。

Description

用于感应功率传输的电路

技术领域

本发明涉及用在例如用于向便携式电气或电子设备供电的感应功率传输(inductive power transfer)***中的电路。

适于向便携式设备供电的感应功率传输***可以由两部分组成：

●初级单元，具有至少一个初级线圈，该初级单元通过该初级线圈驱动交流电，从而创建时变磁通量。

●次级单元，可与初级单元分离，具有次级线圈。

背景技术

当次级线圈被接近于由初级线圈创建的时变通量放置时，该变化的通量在次级线圈中感应出交流电，并且因此功率可以感应地从初级单元传输到次级单元。

一般地，次级单元向外部负载提供所传输的功率，并且次级单元可以承载在包含该负载的宿主对象(host object)(次级设备)中或被其包含。例如，宿主对象可以是具有可再充电电池组或电池的便携式电气或电子设备。在这种情况下，该负载可以是用于对该电池组或电池进行充电的电池组充电器电路。作为另一个选项，次级单元可以连同合适的电池组充电器电路结合在这种可再充电电池组或电池(次级设备)中。

在这样的***中对于初级单元而言，期望具有多个初级线圈，例如用于将功率同时传输到多个次级单元或向这些次级单元提供相对于初级单元放置的定位自由。即，期望利用单个初级单元将功率同时传输到两个或更多次级单元。初级线圈与次级单元之间的1∶1的关系不是必需的，并且本发明扩展到使用一个以上的初级线圈来将功率传输给次级单元。

已知向感应功率传输***中的初级单元提供多个初级线圈。然而，已经认识到与在这种已知初级单元中的电路相关的多个关于成本、性能和复杂性的缺点，甚至具有单个初级线圈的初级单元更是如此。因此，期望提供不带有一个或多个所认识到的缺点的用在初级单元中的电路和包含这种电路的初级单元和感应功率传输***。还期望提供其中可以有效地驱动和控制多个初级线圈而不必显著复制(reproduce)驱动和控制单个初级线圈所需的电路的副本的初级单元。还期望提供这样的初级单元：其电路对其与次级单元的关系的变化不敏感或例如对一个次级单元与下一个次级单元之间的差异不敏感。

发明内容

根据本发明的第一方面的实施例，提供用在感应功率传输***的初级单元中的电路，以用于生成电磁场从而使得通过电磁感应将功率无线地传输到该***中的一个或多个次级单元，该或每个次级单元可与初级单元分离，该电路包括：多个可驱动的部分，每个部分包括初级线圈或虚设线圈(dummy coil)；驱动装置(例如驱动电路)，其在操作中为两个或至少两个所述部分提供驱动信号以便使得那些具有所述初级线圈的被驱动部分生成所述电磁场；和控制装置(例如控制电路)，其可在操作中依赖于指示一个或多个所述被驱动部分的初级或虚设线圈的特性的反馈信号来控制该电路以便有助于调节所述反馈信号，其中该电路被配置为使得：被驱动的那些部分并联地连接在一起并且具有经调谐的谐振响应；并且所述控制有助于调节每个所述被驱动的线圈的这种特性。

这种线圈的特性(例如电气特性)可以是该线圈上的线圈信号的幅值(magnitude)或根据线圈上线圈信号的幅值而变化的特性。

所述部分可以永久地并联连接在一起，或可以例如利用开关暂时并联连接在一起以用于驱动。基于反馈的控制可以例如借助微处理器单元执行，该微处理器单元也可以执行对这些开关的控制。

在一个实施例中，每个可驱动部分基本上仅仅包括其所述初级线圈或虚设线圈。该实施例在需要最少的电路复制以增加初级或虚设线圈的数目方面是有利的。最少化复制在成本方面可以是有利的，并且与复制驱动和控制电路相比可以实现精致(elegant)控制。

反馈信号可以指示被驱动部分的线圈上公共的电压或功率信号的幅值。

所述电路可以包括电容，该电容被配置为与被驱动的那些部分公共(commonly)串联连接。这种电容可以有效地调谐这些部分以具有谐振响应。

在驱动周期(period)期间，所述电路可以被配置为使得：驱动信号具有特定的基频；电容具有特定的电容值；以及被驱动的部分具有组合的特定(自)电感值。在所述驱动周期期间，所述电路可以被配置为使得：被驱动的部分总是基本具有组合的特定(自)电感值。这种电路可以被认为在其设计方面是精致的，并且这些实施例可被认为在成本方面是有益的。

在一个实施例中，在驱动周期的一个间隔期间驱动的这些部分与在驱动周期的另一个这样的间隔期间驱动的部分不同。在这种实施例中，可以在不同时间有选择地驱动不同的部分。例如，如果这些部分以阵列提供，则该阵列的一部分中的对应于将被供给功率的次级单元的位置的部分可以有选择地被驱动。

所述特定电容值可以使得被驱动的部分以特定的基频谐振。即，在一个实施例中该特定电容值可以被选择成使得：当特定数目的部分被同时驱动时，电路以特定基频谐振。所述电容可以具有固定的电容值并且驱动信号可以具有固定的基频。

所述部分可以被配置为具有基本上彼此相同的电感，并且电路可被配置成使得在驱动周期的一个间隔期间被驱动的部分的数目与在驱动周期的另一个间隔期间被驱动的部分的数目相同。在该情况下，被驱动的初级线圈的数目可以随时间而不同，其中被驱动的虚设线圈的数目以对应的方式随时间变化。例如，可以期望依赖于一个或多个次级单元相对于初级单元中这种初级线圈的阵列的位置/取向而改变在特定时间驱动哪些初级线圈(并且甚至被驱动的线圈的数目)。当期望驱动较少的初级线圈时，可以期望驱动更多的虚设线圈以补偿被驱动的初级线圈的数目的减少。

在一个实施例中，电路可被配置成使得：被驱动的那些部分公共地具有以下频率响应，该频率响应具有两个主谐振峰值和峰值间基本平坦的部分，或某些具有基本平坦的部分的其他响应，该部分不会随着由于初级线圈与次级单元之间的耦合引起的电路中有效电感的变化而显著改变。在该实施例中，驱动信号可以具有定位在所述平坦部分中的基频。

被驱动的那些部分可被配置为使得：它们公共地与串联的电容和镇流器电路(例如LC镇流器电路)连接，并且该串联电容和镇流器电路可以被配置为使得：被驱动的那些部分公共地具有这种频率响应。

所述电路可被配置为使得：被驱动的那些部分具有组合的电感L₁，并且使得该串联电容具有电容C₁，并且使得L₁和C₁的值被配置为使得f₀＝1/(2π√L₁C₁)，其中f₀为基频。

所述镇流器电路可以具有与电容C₁串联的电感L₂和与串联连接的电容C₁和电感L₁并联的电容C₂，并且L₂和C₂的值可被配置成使得f₀＝1/(2π√L₂C₂)，其中f₀为基频。

L₁和L₂的值可被配置为使得两个主谐振峰值在频率方面足够远离，从而使得由于所述初级线圈与所述次级单元之间的耦合而经受的有效电感的变化对电路运行的影响基本上是小的。这可以致使这种电路在次级侧上进行有效地稳定的给定变化，并且能够稳定地运行而不管组件的公差(tolerance)。值L₁和L₂可被配置成近似地使得L₁/L₂＝4。

在一个实施例中，每个可驱动部分可被配置为使得当被驱动时它具有如下的频率响应：该频率响应具有两个主谐振峰值和峰值间的基本平坦的部分，或一些具有基本平坦的部分的其他响应，该部分不会随着由于初级线圈与次级单元之间的耦合引起的电路中有效电感的变化而显著改变。在这种实施例中，驱动信号可以具有定位在所述平坦部分中的基频。

可驱动部分可被配置为当被驱动时具有基本上彼此相同的这种频率响应。这可以导致设计和控制的简化，并且因此导致低成本的实施例。可驱动部分可以例如具有基本上彼此相同的配置。每个可驱动部分可以包括与其线圈串联的电容和镇流器电路(比如LC镇流器电路)，并且对于每个这种可驱动部分，其线圈、其串联电容和其镇流器电路可被配置成使得可驱动部分在被驱动时具有这种频率响应。例如，初级线圈(或每个初级线圈)的电感可以基本上与虚设线圈(或每个虚设线圈)的电感相同，可驱动部分中的串联电容可以基本上彼此相同，可驱动部分中的镇流器电路可以基本上彼此相同，并且线圈、串联电容和镇流器电路可以以基本相同的方式在每个可驱动部分中配置。

对于每个可驱动部分，线圈可以具有电感L₁并且串联电容可以具有电容C₁，并且L₁和C₁的值可被配置为使得f₀＝1/(2π√L₁C₁)，其中f₀为基频。对于每个可驱动部分，镇流器电路可以具有与电容C₁串联的电感L₂和与串联连接的电容C₁和线圈并联的电容C₂，并且L₂和C₂的值可被配置成使得f₀＝1/(2π√L₂C₂)，其中f₀为基频。

对于每个所述可驱动部分，值L₁和L₂可被配置为使得两个主谐振峰值在频率方面足够远离，从而使得由于其线圈与次级单元之间的耦合而经受的有效电感变化对该部分的运行的影响基本上是小的。这可以致使该部分在次级侧上进行有效地稳定的给定变化，并且能够稳定地运行而不管组件的公差(tolerance)。值L₁和L₂可被配置成近似地使得L₁/L₂＝4。

所述电路可被配置为使得仅仅从被驱动的部分之一获得反馈信号。该反馈信号可以指示该部分的初级线圈或虚设线圈上电压或电流或功率信号。在控制电路的简化方面，有利的是，仅仅需要来自所述部分之一的反馈信号，并且因此最小化成本。

所述电路可被配置为使得从被驱动的部分中的每一个获得单独的这种反馈信号，并且控制装置可在操作中依赖于一个或多个反馈信号来执行其控制。该控制装置可在操作中依赖于所有反馈信号、或这些信号的任何子集来执行其控制，可选地依赖于从电路接收功率的次级单元的数目和/或位置/取向来执行其控制。

在一个实施例中，所述电路可被配置为使得单独的这种反馈信号从被驱动的部分中的每一个和/或从该电路感应地接收功率的该或每个次级单元获得，可驱动部分中的每一个或仅仅一个(each but one)可以包括可控的元件，并且所述控制装置可以在操作中响应于反馈信号以通过控制可控元件来执行其控制。

每部分的单独控制或所述部分相对于彼此的控制，可以由这种实施例提供。例如，所述控制装置可在操作中使用可控元件来调节被驱动线圈相对于彼此的特性(例如，被驱动线圈上的线圈信号)。

所述或每个可控元件可以是可变电抗(reactance)。所述或每个可控元件可以是可变电容。所述或每个可控元件可以在这种控制下操作以改变它的部分中的驱动信号的基频。所述或每个可控元件可以是可调谐的逆变器(inverter)或半桥电路。

每个可驱动部分可以具有与其线圈串联的电容，其可以是这种可控元件。

所述或每个虚设线圈可以是当被驱动时不会生成电磁场的电感器。这种电感器可以被屏蔽或被设计为不在驱动时进行辐射。虚设线圈(或每个虚设线圈)的电感可以与次级线圈(或每个次级线圈)的电感基本相同。

所述线圈在被驱动时可以具有彼此相同的极性，或者它们中的一个或多个可以具有不同于它们中的一个或多个其他线圈的极性。

根据本发明第二方面的实施例，提供用在感应功率传输***的初级单元中的电路，以用于生成时变的电磁场从而使得通过电磁感应将功率无线地传输到***的次级单元，该次级单元可与初级单元分离，该电路包括：可驱动的部分，其包括初级线圈；和驱动装置(例如驱动电路)，其可在操作中为所述可驱动部分提供具有预定基频的驱动信号，从而使得初级线圈生成所述电磁场，其中所述可驱动部分被配置为使得它在被驱动时具有这样的频率响应：该频率响应具有两个主谐振峰值和峰值间的基本平坦部分，或一些具有基本平坦部分的其他响应，该部分不会随着由于初级线圈与所述次级单元之间的耦合引起的电路中有效电感的变化而显著改变；并且驱动装置被配置为使得所述基频定位在所述主谐振峰值之间的频率中和所述平坦部分中。

所述部分在被驱动时可被配置为使得其初级线圈与电容串联连接并连接到镇流器电路(例如，LC镇流器电路)，并且初级线圈、串联电容和镇流器电路可被配置为在被驱动时具有这样的频率响应。

初级线圈可以具有电感(自电感)L₁并且串联电容可以具有串联的电容C₁，并且L₁和C₁的值可被配置成L₁和C₁的值可被配置为使得f₀＝1/(2π√L₁C₁)，其中f₀为基频。当可驱动部分被驱动时，镇流器电路可以具有与电容C₁串联的电感L₂和与串联连接的电容C₁和初级线圈并联的电容C₂，并且L₂和C₂的值可被配置成使得f₀＝1/(2π√L₂C₂)，其中f₀为基频。

值L₁和L₂可被配置为使得两个主谐振峰值在频率方面足够远离，从而使得由于初级线圈与所述次级单元之间的耦合而经受的有效电感的变化对电路运行的影响基本上是小的。这可以致使这种电路在次级侧上进行有效地稳定的给定变化，并且能够稳定地操作而不管组件的公差(tolerance)。值L₁和L₂可被配置成近似地使得L₁/L₂＝4。

根据本发明的第三方面的实施例，提供用在感应功率传输***中的初级单元，其包括根据本发明的上述第一或第二方面的电路。

根据本发明的第四方面的实施例，提供感应功率传输***，包括：初级单元，其在操作中生成电磁场；和至少一个次级单元，其可与初级单元分离，该次级单元被配置为在初级单元附近时通过电磁感应从该初级单元无线地接收功率，其中初级单元包括根据本发明的上述第一或第二方面的电路。

设想体现本发明的电路可被配置为处于没有所述线圈的形式，从而使得所述线圈可以在使用时稍后时刻加入。因此本发明扩展到分别对应于前述方面的、不具有这种线圈但被配置为与其连接的本发明的方面。

本发明可被扩展到在范围上对应于前述电路、初级单元和感应功率传输***方面的方法方面。

根据本发明的另一个方面，提供初级单元，其用于通过电磁感应对可与该初级单元分离的次级设备充电，该初级单元包括：至少两个初级线圈；耦合到所述至少两个初级线圈的交流电压或电流源；电压或电流或功率(power)传感器；其中初级单元测量在至少一个线圈中的电压、电流或功率并且调整交流电压或电流源的幅值，从而使得所述至少两个线圈保持基本相同的电压、电流或功率。

根据本发明的另一方面，提供一种用于通过电磁感应向可与初级单元分离的次级设备充电的方法，该方法包括以下步骤：提供至少两个初级线圈；感测在初级线圈处的电压、电流或功率；调整电压或电流源，使得这两个初级线圈保持基本相同的电压、电流或功率。

根据本发明的另一方面，提供初级单元，其用于通过电磁感应向可与该初级单元分离的次级设备充电，该初级单元包括：至少两个初级线圈；耦合到所述至少两个初级线圈的交流电压或电流源；耦合到至少一个初级线圈的至少一个可变阻抗；电压或电流或功率传感器；其中初级单元测量在至少一个线圈中的电压、电流或功率并且调整可变阻抗以独立于另一个线圈改变该线圈中的电压、电流或功率。

根据本发明的另一方面，提供一种用于通过电磁感应向可与初级单元分离的次级设备充电的方法，该初级单元包括以下步骤：提供至少两个初级线圈；向所述至少两个初级线圈提供电压、电流或功率；以及改变耦合到所述线圈之一的阻抗，使得输送给所述线圈的电压、电流或功率独立于另一个线圈而改变。

附图说明

现在将通过示例参考附图，在附图中：

图1是以前考虑的感应功率传输***的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的***的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图4呈现了一组示意图，对理解根据本发明的一个或多个实施例的初级单元中的镇流器电路的益处有用；

图5是根据本发明的一个实施例的***的示意图，其对于执行仿真是有用的；

图6是基于图5电路的仿真结果的图；

图7是示出电感器比率(inductor ratio)对谐振峰值之间的分隔(separation)的影响的仿真结果的图；

图8是示出图5电路中镇流器电感器的电感值对图5电路的初级线圈中电流的影响的仿真结果的图；

图9是根据本发明的一个实施例的***的示意图；

图10是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图11是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图12-15是分别形成本发明的不同实施例的初级单元的示意图；

图16是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图17是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图18是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图19-20是在根据本发明的一些实施例的初级单元的充电表面上可能的初级线圈布局的示意图；

图21是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图；

图22是表现本发明的多个实施例的初级单元的示意图；

图23是用在本发明的一个实施例中的驱动器的示意图；

图24是根据本发明的一个实施例的初级单元的示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的实施例，将首先参考示例性感应功率传输***1，其不直接体现本发明但对于理解本发明实施例有用。

图1是***1的示意图。***1包括初级单元(充电器)100和次级单元(在该情况下是便携式设备)200。

初级单元100包括DC/DC转换器102、逆变器104、电容器(或电容)106、初级线圈108、缓冲器110和微处理器单元(MPU)112。次级单元200包括次级线圈202、电容器(或电容)204、整流器206、DC/DC转换器208和负载210。缓冲器110可以被认为是峰值检测器，并且可以被用于测量初级线圈108上的峰值电压。

初级单元100被配置为生成电磁场，并且该场可以在初级线圈108附近被感应出(作为相对于初级单元的充电表面或功率传输表面的水平或竖直场)。应当理解，该场的配置依赖于初级线圈108的配置(即物理布局)。该电磁场可以用在***1中以将功率传输到位于初级单元108附近的需要功率的次级单元200。

初级单元100可以具有任何合适的形式，例如具有形成功率传输表面的平坦的平台，可以将所述或每个次级单元200放置在该平台上或其附近。在一种情况下，所述电磁场可以分布在所述表面的功率传输区上，如GB-A-2388716中所述，该文献的全部内容通过引用合并于此。应当理解，初级单元的该形式可允许一个或多个次级单元200同时定位在初级单元附近以从中接收功率。可以理解，初级单元100的许多其他形式可以允许一个或多个次级单元200同时定位在初级单元附近以从中接收功率。初级单元100的另一个可能的形式是支架(shelf)，该支架上可以放置次级单元200以接收功率。这种形式对于允许部分次级设备位于磁场之外可以是有利的。

图1中的次级单元200可与初级单元100分离并且包括次级线圈202，当次级单元200位于初级单元100附近时该次级线圈202与由初级单元100生成的电磁场耦合。以此方式，功率可以感应地从初级单元100传输到次级单元200，而在该初级单元和次级单元间无需直接的导电连接。

为了感应地传输功率，由初级线圈108生成的磁场/通量应当是时变的。因此初级单元100被配置为向初级线圈108提供时变电信号，比如交变信号。

初级线圈108和次级线圈202可以具有任何适当的形式，但是可以例如由缠绕高磁导率线圈架(比如铁氧体或非晶态金属)的铜线构成。绞合线是可以在这些情形中使用的特定类型的线。绞合线具有很多股扭绞在一起的线并且可以有助于减少趋肤效应和邻近效应。初级和次级线圈108、202可以例如在尺寸、匝数、芯的类型和物理布局等方面彼此不同。可以使用多个初级和次级线圈，并且初级和次级线圈的数目可以彼此不同。

根据图1应当理解，次级单元200被示出为作为需要功率的对象的便携式设备。为了简化起见，该便携式设备被示出为与次级单元200相同，然而次级单元200可以是便携式设备的构成(例如，可移除的)部份。因此，负载210可以被认为是次级单元200的实际负载，尽管它可以是单独的或与次级单元200可分离的。***1的初级单元100被示出为充电器，其在操作中通过电磁感应对便携式设备200进行充电。初级单元可以更广义地被认为是无线电源。即，对电池组(或其他能量存储单元)进行充电仅仅是这种初级单元的一个示例性应用。

因此，次级单元200可被认为仅仅是图1中设备的一部分，例如仅仅为次级线圈202或次级线圈202、电容器204、整流器206和DC/DC转换器208的组合。因此，次级单元200可以被连接到外部负载(负载210)，并且可被配置为向该外部负载提供感应接收的功率。次级单元200可以在需要功率的对象(次级设备)中承载或被该对象承载，比如便携式电气或电子设备或可再充电电池组或电池。关于次级单元200和可被次级单元200供电的对象(次级设备)的可能设计的其他信息可以在GB-A-2388716(参见上文)中找到。在GB-A-2388716中，这种次级单元可被称为次级设备。次级单元200仅仅被示为便携式设备以促进对本发明的理解。

在本发明的上下文中，次级单元(和/或包含这种单元的次级设备)可被认为是需要功率的任何电气或电子设备，并且可以是便携式的这样的设备，例如(即，非排他地)移动电话、PDA(个人数字助理)、膝上型计算机、个人立体声设备、MP3播放器等等、无线头戴式耳机、车载充电单元、家用电器(比如厨房电器)、个人卡(比如***)和用于跟踪商品的无线标签。

在***1的初级单元100内，DC/DC转换器102被连接以接收外部DC输入并且在操作中将所接收的DC输入向下转换为较低的DC电压V_d。DC/DC转换器102可以是开关模式降压转换器以用于达到高效。DC/DC转换器102被连接以驱动逆变器104，该逆变器104在其输出端生成AC电压。逆变器104可以是由基准振荡器(未示出)驱动的MOSFET半桥。

由逆变器104输出的AC电压用于驱动初级感应线圈108。电容器106与该初级线圈串联连接，并且线圈/电容器组合被配置为使得它在逆变器104的工作频率(基频)处谐振。初级单元100在某些情况下可以没有串联谐振电容器106。为了减少驱动初级线圈的电驱动信号(即逆变器104的输出)中存在的谐波(harmonic)，可以期望在逆变器104与初级线圈108之间提供LC镇流器电路(未示出)。初级线圈108中的峰值线圈电压V_pc典型地远远大于DC电压V_d，因为逆变器后面的电路(即包括初级线圈108和电容器106)被配置为谐振的。

为了效率的原因，所述工作频率可被认为是恒定的或可以是可变的(即可调谐的)。事实上，所述频率可通过调节线圈电压(即线圈中电驱动信号的幅值)的方法来被调谐。例如，如果初级线圈108被配置为谐振的，则可以通过改变所述频率来改变驱动信号的幅值。

在***1的次级单元200(便携式设备)中，次级线圈202连接到与电容器204串联的整流器206的输入端，再次使得线圈/电容器组合是谐振的。次级单元200在某些情况下可以没有串联的谐振电容器204。在使用中，次级线圈202向整流器206提供经由电磁感应而从初级线圈108的接收的AC电压。整流器206整流该AC电压以输出DC电压到DC/DC转换器208。DC/DC转换器208将整流的来自线圈的电压向下转换以匹配负载210所需的输入电压。

在一些情形中，DC/DC转换器208优选地是开关模式转换器(类似于转换器102)而非线性转换器。开关模式转换器典型地能够比线性转换器远远更加高效地从一个DC电压转换到另一个DC电压。而且，与线性转换器相比，对于开关模式转换器，典型地在效率方面随输入电压的变化更小。线性转换器一般地降低电阻两端的任何过电压。因此，输入电压与输出电压之间的差越大，效率越低。效率随着输入电压的这种变化可以致使由***1的次级单元200汲取的功率不独立于输入电压，这可能不是所期望的。

可选地，次级单元200的DC/DC转换器208被配置为将恒定电压输送给负载122。该恒定电压可以借助反馈回路(未示出)来维持。例如，DC/DC转换器208的输出电压可以用于控制DC/DC转换器208的占空比以便保持负载210的所需输入电压V_load，而不管DC/DC转换器210的输入电压的变化。

例如如果负载210是具有充电周期的电池组，则负载210所需的电压可能随着时间变化。这种电池组可以具有这种充电周期的恒定电流和恒定电压部分，并且因此应当理解在不同的时间可将注意力集中在电流而不是电压上。DC/DC转换器208可被配置为使得所需的负载电压V_load针对这种充电周期的不同部分保持在不同的电平。然而，所需的负载电压V_load典型地在相对较慢的时标(timescale)(分钟)上变化，从而使得在较短的时间段(秒)上它表现为相对恒定。然而，在快速的时标(毫秒)上可能存在发生的“瞬态”，一般是罕见的。次级单元的移动或次级单元的某一特定能力(例如，如果它具有RF功能，比如在移动电话中)可能产生这种瞬态。

***1的初级单元100将初级线圈电压V_pc调节为预定的电压电平。这可以借助包含缓冲器(峰值检测器)110和微处理器单元112的反馈回路来实现。如图1所示，初级线圈电压基本上由缓冲器110缓冲并且输入到微处理器单元(MPU)112。基于初级线圈电压，微处理器单元112可以控制DC/DC转换器102的占空比以便使得初级线圈电压V_pc保持预定电平，而不管由次级单元200提供的负载(和/或任何其他这种所提供的负载)。

***1的初级单元100可被配置为确定经由初级线圈108汲取的功率的量或通过初级线圈108的电流的量，取代测量初级线圈电压V_pc或除了该电压之外。即，可以基于电压、电流或功率测量来进行调节。例如，如果考虑功率，初级单元100可被考虑以测量从DC/DC转换器102汲取的电压V_d和电流I_d。在该点处测量电压和电流具有以下优点：信号是DC的。在微处理器单元112内，可以使用模拟-数字转换器(ADC)来采样所关注的信号并且对该信号进行低通滤波以减少噪声。取平均可被用作该滤波的一部分。电压V_d和电流I_d的值于是可以例如在微处理器单元116内确定并将这两个值相乘以确定所汲取的功率。

下面的描述将详述本发明的多个示例性实施例。应当理解，在所附权利要求的范围内其他实施例是可能的。在本文详述的实施例中，相似的元件用相似的参考数字表示，并且因此省略了重复的描述。因此，应当理解，例如***1的特征和相关描述同样可以类似地应用于本发明的实施例。

图2是根据本发明的一个实施例的***300的示意图。***300包括初级单元302和多个次级单元200。***300因此可以用于向两个或更多次级单元200感应地同时提供功率(或逐个地提供功率，例如不必将一个设备与另一个设备交换)。

应当理解，图2是在电路电平下呈现的，并且在本发明的该相关实施例中聚焦在电路特征上。然而，如与电路相关一样，本发明扩展到初级单元本身(该初级单元可以包括超出所示的电路特征的特征，例如其物理结构)并扩展到包含这种初级单元的整个功率传输***。

在图2中，次级单元200被显示为每个次级单元都包括次级线圈202，但是被显示为表示对应的电路设备。这说明次级单元200可以是这种次级设备的仅有的组件，并且也使得该示意图简化。因此，在本发明的一个实施例中，次级单元200可以与图1中的次级单元相同。在本发明的另一个实施例中，图2中的(和其他图中的)次级单元200可以不同于图1中的次级单元，并且可以彼此不同。

初级单元302不同于图1中的初级单元100，这是因为它包括多个初级线圈108。初级线圈108并联地连接在一起。尽管图2中示出了三个这样的初级线圈，但是应当理解可以提供两个或更多这样的线圈并且线圈的数目可以较大，例如高达10或高达50或更大。

在图2的实施例中，初级线圈108中的两个被示出为在其附近具有次级单元200，并且第三初级线圈108被显示为在其附近没有次级单元200。这仅仅作为示例，并且应当理解任何数目的初级线圈108(或没有一个初级线圈)在其附近可以具有一个或多个次级单元200，这依赖于初级线圈108的配置和需要功率的次级单元200的数目。初级单元(依赖于其配置)可以同时将功率传输到一个以上的次级单元。相似地，次级单元可以同时从相同初级单元中的一个以上的初级线圈接收功率。

图2的实施例至少由于下面的理由而是有利的。与图1的示例性***相比，初级单元302提供有经由多个初级线圈108传输功率的能力，而无需在电路中进行大的复制。特别地，在初级单元302中额外的能力(与图1的***相比)是通过添加额外的并联的初级线圈108而提供的。以此方式，会导致最小的附加成本和复杂性。

一般地，向所述额外能力提供电路中的低复制的实施例可以比其中复制更低额定(lower-rated)部分的实施例需要更高额定(更高功率能力)的组件。一般地，使用更高额定的组件比增加组件数量可以成本更低。

而且，每个初级线圈108上的电压可被调节而无需提供附加的电路，因为初级线圈电压V_pc对于所有并联连接的初级线圈108而言是相同的。因此，并联组合两端的峰值电压被感测并且经由微处理器单元112而被反馈回，并且因此控制***被布置为使得它将所有初级线圈108保持在相同的调节的电压电平。图2的***被配置为当在所有初级线圈108附近或仅仅在一些初级线圈108附近存在负载(次级单元/设备)时运行。图2的***能够在不同初级线圈108上存在不同负载时运行。基于在单个点处对初级线圈电压V_pc的感测的调节是令人满意的，因为初级线圈108相互并联。串联电容器106被公共地提供到所有初级线圈108。因此，初级线圈108被配置为在预期的频率处谐振(即被调谐的)。预期的频率可以是这样的频率：在该频率处逆变器104生成其交流电(即在交流电的基频处)。

图3是根据本发明的一个实施例的初级单元306的示意图。初级单元306可以例如与图2实施例中的初级单元302可交换地使用。

初级单元306不同于初级单元302，因为提供了镇流器电路308。此外，从图3更清楚地显示，可以彼此并联地提供任何数目的初级线圈108。

镇流器电路308被提供在逆变器104与电容器106和线圈108的组合之间。镇流器电路308包括电感器310和电容器312。因此，镇流器电路308可被称为LC镇流器电路。电感器308串联连接在逆变器104与电容器106之间。电容器312与电容器106和线圈108的组合并联连接。

在本发明中，镇流器电路308是有利的，因为它充当低通滤波器并减少初级线圈108上的信号中存在的谐波的幅值。这可能有助于减少或避免初级单元306生成不想要的射频干扰和电磁干扰。

初级单元306中的镇流器电路308的存在从初级单元的运行稳定的观点来看和在调节初级单元的运行方面也可以是有利的。当初级单元具有单个初级线圈108和当初级单元具有多个初级线圈时，这都是真实的。这种镇流器电路可被有利地配置为通过对组件值的适当选择提高***的稳定性。现在将进一步考虑与镇流器电路308相关的优点。

图4呈现一组示意图，其对理解感应功率传输***的初级单元中的镇流器电路的益处有用。

图4A是表示图2的***的一部分的示意图。假设初级侧被提供有固定的交流电，使得初级线圈108生成电磁场以将功率感应地传输到次级侧。还假设次级侧的特性是未知的，例如次级单元中的负载、存在的次级单元的数目等等。还假设没有提供对初级线圈108中的信号的调节。重要的是，在图4A的电路中不存在镇流器电路。

图4B是图4A的初级侧中电路的频率响应的示意性表示。实曲线表明图4A的电路可以具有含有单个主峰值的谐振响应。用虚线示出的曲线将表示其中谐振响应可以随着次级侧变化(例如改变负载、次级单元的数目等等)而变化的方式。如图所示，曲线的斜率可以在谐振峰值任一侧改变或者峰值频率可以改变，或事实上这些改变的组合可能出现。

应当理解，如果初级侧中的信号在特定频率下(例如由图4B中垂直虚线所示)，则变化的频率响应在初级侧中增加了显著的负担(burden)，如果期望调节例如初级线圈上的电压的话。该问题在图4A中的单个初级线圈108中存在，并且在图2中的多个相互并联的初级线圈108中恶化。

图4C是表示图3的***的一部分的示意图。再次假设初级侧被提供有固定的交流电，使得初级线圈108生成电磁场以将功率感应地传输到次级侧。还假设次级侧的特性是未知的，例如次级单元中的负载、存在的次级单元的数目等等是未知的。还假设没有提供对初级线圈108中的信号的调节。然而，在这种情况下，在电路中存在镇流器电路308。

图4D是图4C的初级侧中电路的频率响应的示意性表示。实曲线指示图4C的电路可以被配置为具有含有两个由相对平坦的部分连接的主峰值的谐振响应。用虚线示出的曲线将表示其中谐振响应可以随着次级侧变化(例如改变负载、次级单元的数目等等)而变化的方式。如图所示，尽管峰值的形式可以改变，并且尽管峰值的任一侧上的斜率可以改变，但是基本平坦的中心部分(在图4D中用标记为“X”的方框标记)经受很小的(如果有的话)的变化。

因此，如果初级侧中的信号处于被选择为舒适地(comfortably)在方框X内(即在相对稳定的中心部分中)的特定基频，随后随着次级侧的改变而改变的频率响应在初级侧中增加了很少的负担或基本不增加负担，如果期望调节例如初级线圈上的电压的话。有效地，初级侧对次级侧上的变化不敏感(desensitized)。在图4A的电路上，该益处被提供在存在的单个初级线圈108上，并且如果存在多个初级线圈，可能更是如此。因此，图3的电路被认为体现了本发明，即使仅仅提供一个初级线圈108时也是如此。

图5是类似于图4C的(即其中初级侧具有镇流器电路的、根据本发明的一个实施例的***的)示意图。该示意图已经用于仿真***的运行，以说明镇流器电路的益处。

为了容易地理解图5中的电路，用与图1-4中对应元件相同的参考标记来表示相关元件。简言之，初级侧电路被逆变器104驱动并且包括电感器310(镇流器，L_bal)和电容器312(槽路(tank)，C_tank)，它们的值被选择成使得其被调谐到频率f₀＝1/(2π√LC)。该电路进一步包括初级线圈108(焊盘(pad)电感器，L_pad或L_p)和电容器106(串联谐振盖(cap)，C_p)，它们也可被调谐到f₀。频率f₀被选择为针对本仿真的逆变器104的开关频率，该频率典型地针对无线功率传输应用处于100-500kHz内。为了与图3的实施例一致，初级芯(core)108(焊盘电感器(pad inductor)，L_pad)可以是单个初级线圈108或多个相互并联的(或甚至串联连接)的线圈。图5中的附加标签是用于所述仿真的指示符。

对于所述仿真，电感器310(镇流器)和电容器312(槽路)由恒定的AC电压(从逆变器104提供的)驱动并且可以有效地充当恒定的电流源或被用于提供恒定的线圈电压。这有效地独立于小的组件公差，因为(如上所述的)操作(operation)是在频率响应曲线的两个主谐振峰值之间的平坦区域中执行的。

图6是基于图5的电路的仿真结果的图。特别地，图6是使用其下面展示的参数值获得的频率响应曲线。这些参数的标记对应于图5中的标记。工作频率被选择为323kHz(0.323MHz)。

如从图6所示的实线的曲线可以看出，该频率响应被发现与图4D中所示的几乎一样(much as)，即具有两个主谐振峰值，峰值间具有基本平坦的部分。工作频率323kHz被选择在两个主峰值之间的曲线的中心，在该处该曲线是基本平坦的。实线的曲线示出在不存在次级单元时的响应，而虚线曲线示出在存在次级侧并且以全功率工作时的响应。可以看出，曲线中的工作点(在平坦部分中)在这两种情形之间不会显著改变。

在本发明的一个实施例中，有利的是，使得每对组件-即作为一对的电感器310和电容器312和作为另一对的电容器106和初级线圈108-保持被调谐到相同的频率f₀(通过适当选择它们的电感和电容值)，因为这保持了相同的基本谐振曲线形状。在该约束内，增加镇流器电感器308的电感与初级芯108的电感的比率(“电感器比率”)(即，L_bal/L_pad)使得频率中的谐振峰值进一步分移开，并且降低镇流器电感器308的电感增加了初级线圈中的电流(焊盘电流)。下面的公式对于理解这些关系是有用的。

谐振峰值被如下定位：

$\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{peak}}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\sqrt{\frac{\mathrm{\β}+\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-4}}{2}},\sqrt{\frac{\mathrm{\β}-\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-4}}{2}}$ $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{Lbal}}{\mathrm{Lpad}}+2$

其中ω_peak是峰值角频率(以弧度为单位)，ω₀是工作角频率(以弧度为单位)，即响应曲线的中心频率，L_bal是镇流器电感器310的电感，而L_pad是初级线圈108的电感。

初级线圈108中的电流由下式近似地给出：

$\mathrm{Ipad}=\frac{\mathrm{Vinp}}{{\mathrm{\ω}}_0\·\mathrm{Lbal}}$

其中V_inp是如图5所示的输入交流电压的峰值幅值。

初级线圈上的峰值电压由下式近似地给出：

$\mathrm{Vpad}=\mathrm{Vinp}\·\frac{\mathrm{Lpad}}{\mathrm{Lbal}}$

V_inp是由逆变器104生成的基频(在f₀处的正弦分量)的幅值。这可被认为等于逆变器干线(rail)电压乘以2/π。

图7是示出电感器比率对谐振峰值之间的分隔的影响的仿真结果的图。y轴表示以频率为单位的峰值之间的分隔除以中心频率。中心频率在图6中x轴的中心。图8是示出镇流器电感器310的电感值对初级线圈108中的电流(初级电流)的影响的仿真结果的图。

基于上文，在本发明的一个实施例中，用于设计如图5中的电路的示例性设计过程可以如下：

步骤1：选择镇流器电感器310的电感值L_bal和槽路电容312的电容值C_tank，使得这一对被调谐到频率f₀＝1/(2π√LC)。还有，选择初级线圈108的电感值L_pad和串联谐振电容器106的电容值C_p，使得这一对被调谐到频率f₀。随后，选择频率f₀作为逆变器104的开关频率。

步骤2：选择电感器比率L_bal/L_pad的值，使得谐振峰值足够远离从而组件公差的影响基本上很小。已经发现L_bal/L_pad＝1/4近似地为合理的起点。

步骤3：因此(一个或多个)初级线圈108上的预期电压近似为：

$\mathrm{Vpad}=\mathrm{Vinp}\·\frac{\mathrm{Lpad}}{\mathrm{Lbal}}$

初级线圈中的匝数可被选择以与实际逆变器电压、初级线圈电压和初级线圈电流一起合作。逆变器和线圈电压的选择典型地受到可用的FET、效率要求、成本和EMC(电磁相容性)考虑的影响。设计折衷方案可能意味着步骤2中所选的比率被相应地调整。

步骤4：如果合适，执行对整体设计的微调。例如，镇流器电感器310和槽路电容器312对的谐振频率可被轻微调整以允许零电压开关(zero-voltage switching)在所有公差条件下被逆变器FET使用。零电压开关(ZVS)的使用导致低开关噪声且损耗减少。

上述步骤在实践中可能需要一起执行或部分地重复执行。在实际的实现方式中，可能存在对组件值的限制，使得对组件值的选择可能不是完全自由的。

回头看图4-8，可以理解，初级线圈具有自感L_pad或L_p，其是隔离的线圈的电抗(忽略寄生现象，比如绕组间(inter-winding)电容)。然而当该线圈耦合到次级单元中的次级线圈时，有效电感可能出现不同并且可以依赖于次级线圈的电感L_s、两个线圈之间的耦合程度和由次级单元施加的负载的阻抗而被修改。因此，所看到的有效电感可能不同于测量的隔离的电感。所述有效电感可以依赖于耦合的强度而变化并且因此可以依赖于初级和次级线圈的对准程度。它也可以依赖于次级负载并且因此可以随时间变化。该有效电感通常确定***的谐振频率。因此，如在图4B中，可能的是，工作频率有时、或甚至经常或总是不同于当时的谐振频率，从而使得***通常稍微“非谐振(off resonance)”运行。图4D中的电路的益处因此可以是：***有意地在两个谐振峰值之间的频率处运行，即该***被设计为非谐振运行。因此，***可被认为有些对所看到的有效电感中的变化免疫(immune)或不敏感(即基本稳定的)。

图9是根据本发明的一个实施例的***350的示意图。与***300类似，***350包括初级单元352和多个次级单元200。

初级单元352通常与初级单元306相同，除了仅仅显示两个次级线圈108之外，并除了显示初级线圈108的特定示例性实现方式之外。初级单元352中的每个初级线圈108包括充当初级芯109的棒状铁氧体块，其中相应的初级线圈108的线匝缠绕该初级芯并且沿着其长度分布。***350的次级单元200中的次级线圈302也具有相似的配置。即，图9的每一个次级单元200中的次级线圈202包括充当次级芯203的棒状铁氧体块，其中相应的次级线圈202的线匝缠绕该次级芯并且沿着其长度分布。

在该实施例中，次级线圈202(和芯203)具有比初级线圈108(和芯109)稍小的尺寸，从而在设备定位方面给出了一些放置自由。在本发明的另一个实施例中，初级线圈108可以具有与次级线圈相同的尺寸(或比其稍小的尺寸)。

在该实施例中，初级线圈108物理上被设置为使得它们共享公共的线圈轴，然而他们被设置为使得相邻的这些初级线圈具有彼此相反的极性。这在图9中通过以下被例证：彼此相邻的两个示出的初级线圈108的线圈端部被公共地连接在一起并且类似地相隔最远的端部被公共地连接在一起。该布局的优点在于，由初级线圈108生成的远场电磁场在某种程度上可被取消，这可以减少由初级单元352产生的干扰。在该方式中，大量的初级线圈108可以被设置为行，具有交替的极性。在本发明的另一个实施例中，初级线圈108可以以不同的方式布置，例如并排布置。在其他实施例中，初级线圈都可以具有相同的极性，或可以从单独的异相的驱动***提供相反的极性。

本实施例的初级线圈108的布置适用于上述初级单元的支架格式。该初级线圈108的行可以坐落在该支架下方，从而将支架本身作为功率传输表面。随后，次级单元200可以被布置在支架上以从支架感应地接收功率。

图10是根据本发明的一个实施例的初级单元362的示意图。如前所述，本文提出的初级单元中提供的初级线圈108的数目可以随着实施例而变化。据此，初级单元362可以例如与初级单元302、306和352可交换地使用。

初级单元362不同于初级单元306的地方如下。首先，包含镇流器电路308、电容器106和初级线圈108之一的电路部分按每个初级线圈108而被重复，并且这些部分并联连接在一起。其次，缓冲器110(峰值检测器)仅仅连接到初级线圈108之一。

因此，在初级单元362中，镇流器电路全都连接到逆变器104，使得逆变器104能够同时驱动它们所有。初级单元362的该配置利用了上面详细讨论的镇流器电路308的益处。即，逆变器104被配置为使得其基本输出频率在每个并联连接的部分的频率响应曲线的基本平坦部分中。通过配置并联连接的部分使得它们彼此相似，它可被布置为使得每个并联连接的部分的频率响应曲线的基本平坦部分在频率上近似地处在相同的位置。因此，并联连接的部分的整个组合(和单独地每个这样的部分)对次级侧的变化(例如对次级单元200的存在/不存在，或次级单元200的类型)不敏感。这是为什么可以调节每个初级单元108上的电压而同时仅仅感测这些线圈108之一(在该情况下为最高线圈108)的电压的一个原因。即，通过调节初级线圈108中的一个的运行，所有初级线圈108的运行都被调节。在成本和复杂性方面有利的是，不需要每个初级线圈108的单独调节的电路(例如需要每个线圈108的单独缓冲器和更复杂的MPU112)。

图11是根据本发明的一个实施例的初级单元372的示意图。初级单元372可以例如与初级单元302、306、352和362可交换地使用。

初级单元372一般与初级单元362相同，除了每个初级线圈108被提供有经由缓冲器10(峰值检测器)的反馈路径。而且具有多个输入端的MPU 374被提供以取代MPU112。

初级单元372在操作中感测每个初级线圈108上的电压并且调节该初级线圈的运行，在这种情况下通过依赖于任何一个或多个那些感测的电压而控制DC/DC转换器102的运行来实现。在某些情况下，例如当仅仅存在一个次级单元200时，可能有利的是基于来自特定初级线圈108的感测的电压控制调节，以用于精确控制该特定线圈。在其他情况下，可能有利的是使调节基于在不同时间不同线圈108上的电压。总的来说，在初级单元372中提供了高的控制能力。

图12-15分别呈现了初级单元382、392、402和412的示意图，每个示意图构成本发明的不同实施例。这些初级单元中的每一个可以例如与初级单元302、306、352、362和372中任一个可交换地使用。

初级单元382、392、402和412中的每一个一般地与初级单元302相同，除了下面的差异之外。应当理解这些实施例意欲说明反馈信号(感测电路的运行)可以在初级单元电路中若干不同点中任一个处获得。

在图12的初级单元382中，如在初级单元302中一样，但从电容器106与逆变器104之间提供AC电压感测。在图13的初级单元392中AC电流传感器394被提供在初级线圈(表示为电流互感器)处。在图14的初级单元402中，DC电压感测被提供在DC/DC转换器102与逆变器104之间。在图15的初级单元412中，DC电流感测(由串联电阻器414和运算放大器416形成)被提供在DC/DC转换器102与逆变器104之间。

图16是根据本发明的一个实施例的初级单元422的示意图。初级单元422可以例如与初级单元302、306、352、362、372、382、392、402和412中任一个可交换地使用。

初级单元422一般相似于初级单元372，不同之处在于，并联部分没有镇流器电路(但另一个实施例可以包括这种镇流器电路)，并且每个并联部分中的电容器106用可变电抗(可变电容器)424取代。而且，初级单元422具有MPU426(取代MPU112)，MPU426具有每个电压感测的输入(经由缓冲器110)并具有每个可变电抗424的输出，从而使得控制这些电抗的值。

因此，在初级单元422中，每个并联部分具有串联连接在一起的初级线圈108和可变电抗424。每个可变电抗424在该实施例中被实现为可变电容器，由在MPU426的控制下可被接入或断开的电容器阵列形成。通过示例，可变电容器可以使用MOSFET或MEM来制造。可变电容器的值由MPU426控制。

当可变电抗424中的电容值改变时，(初级线圈108和可变电抗424的)LC组合被调谐成使得该组合被带入谐振或失去谐振。以此方式，所关注的峰值线圈电压可以基于将LC组合的谐振频率朝向或远离逆变器104的基频调谐而被可控地改变。

因此，在初级单元422中，每个初级线圈108的峰值电压被感测，并且这些反馈信号可被MPU426用来控制DC/DC转换器102和可变电抗424。每个初级线圈108可以调节为处在不同的电压电平。应当理解，尽管本文公开的实施例聚焦于电压感测和调节，本发明的其他实施例可以调节初级线圈108中的电流或功率。

在初级单元422中，对于每个初级线圈108而言，不是必需具有可变电抗424。例如，初级线圈108中的一个可以具有固定的电容器，比如电容器106，而其他初级线圈可以具有可变电抗。可以通过控制DC/DC转换器102来一起调节初级线圈108，并且可以通过控制可变电抗424来相对于彼此(和相对于具有固定电容器106的线圈108)调节初级单元108。更一般地，可以使用可变阻抗(结合了电阻)，然而在一些实施例中，与该电阻相关联的损耗(表示为热耗散)可能是不期望的。

图17是根据本发明的一个实施例的初级单元432的示意图。如前所述，初级单元432可以与先前描述的体现本发明的初级单元可交换地使用。

初级单元432与初级单元422相同，除了以下不同：取代被公共逆变器104驱动的并联部分，每个这样的部分被半桥434驱动，其中半桥434被公共的驱动器436和振荡器438驱动。

专注于初级单元422和432中的LC组合，应当理解，存在若干种形成可变电容器的方法(例如使用变容二极管或各种串联和并联的电容器组合)。可替代地，可以使用与可变电感串联的固定电容器，因为改变L或C将改变整个LC组合。这可以利用各个导体的开关阵列来实现，或例如通过提供缠绕铁氧体棒的线圈，线圈中带有分接头(tap)，从而使得不同线匝组可以减短或被选择以改变整个电感。

图18是根据本发明的一个实施例的初级单元442的示意图。如前所述，初级单元442可以与先前描述的体现本发明的初级单元可交换地使用。

初级单元442非常相似于初级单元432，除了以下不同：每个并联部分提供有其自己的逆变器104来取代半桥434(以及驱动器436和振荡器438)。而且用固定电容器106替代了每个可变电抗424。

为了提供对每个并联部分的可控性。类似于图17，每个逆变器提供有其自己的可由MPU426控制的可调谐振荡器444。因此，提供给每个初级线圈108的驱动频率(即所关注的逆变器104的基本输出频率)可以被调整以使得它朝向或远离谐振，由此调整其上的AC电压(峰值电压或例如RMS电压)。如在图17中一样，每个初级线圈上的信号经由缓冲器(峰值检测器)110而被感测。并且MPU426在操作中动态控制其输出端上的信号以执行***控制/调节。因此，MPU426可以选择性地控制DC/DC转换器102的运行和/或一个或多个可调谐振荡器444的运行。MPU426在操作中动态调节每个初级线圈108中的电压(或在其他实施例中，调节电流或功率)，从而按照需要使所有的线圈的电压达到相同的电平或不同的电平。

如前所述，对每个逆变器104而言，不是必需提供有其自己的可调谐振荡器444。例如，逆变器104中的一个可以提供有固定频率的振荡器，而其他逆变器可以具有可调谐的振荡器444。可以通过控制DC/DC转换器102调节初级线圈108，并且可以通过控制可调谐振荡器444来相对于彼此(和相对于具有固定频率振荡器的线圈108)调节初级线圈108。

图19和20是根据本发明的一些实施例的初级单元的充电表面上可能的初级线圈108布局的示意图。在这些实施例中，预期次级单元200可以放置在要被充电的初级单元的这样的充电表面上的任何地方或基本上任何地方。在这种情况下，所关注的初级单元可以包括多个初级线圈。

在图19中充电表面具有缠绕铁氧体的线圈450的阵列，即铁氧体背板452上缠绕的线圈450的阵列。在图20中，充电表面具有蚀刻到PCB(印刷电路板)462上的印刷的六边形螺旋形线圈460的阵列，其下面可以具有铁氧体和/或具有金属屏蔽。在图20中，每个六边形布置460可以被认为是单独的线圈。矩形464表示放置在所关注的将被充电(即从中感应地接收功率)的初级单元的充电表面上的次级单元200或结合了该次级单元的次级设备的可能印迹(footprint)。

应当理解，在一些实施例中，次级单元200的印迹可以小于充电表面上的充电区域，使得可以同时对多个次级单元进行充电。在如图19和20所示的那些阵列中，可以将初级线圈108接入和断开，使得在特定时间只有某些线圈是活动的(active)。当一个初级线圈108被断开时，可以期望改为接入电感器(虚设线圈)，以保留相同的整体电感并保持***谐振。该思想同样可以应用于任何前述实施例以形成本发明的新实施例，并且本文稍后将更详细地探究该思想。即使仅仅单个次级单元接收功率，该概念也可能是有利的，因为不同的初级单元乃至不同数目的初级线圈可能需要依赖于次级单元相对于充电表面的位置和/或取向是活动的。因此，依赖于这种位置/取向，在不同时间可能需要不同的虚设线圈或不同数目的虚设线圈是活动的以保持***谐振。

“虚设线圈”可以是标准的电感器，其可以比初级线圈更小且更轻。而且，它们可被屏蔽或设计以避免辐射，使得不影响由初级线圈生成的电磁场。虚设线圈可以位于远离功率传输区的初级单元中，使得最小化来自它们的任何影响(热、辐射或其他)。因此，可以使用虚设线圈保持从驱动电路看到的电感，而无需影响所生成的电磁场的那些虚设线圈。

图21是根据本发明的一个实施例的初级单元472的示意图。如前所述，初级单元472可以与先前描述的体现本发明的任何一个初级单元可交换地使用。

如前实施例，“虚设线圈”的思想可以应用于先前描述的任何实施例，并且初级单元472是应用于图3的初级单元306的该思想的一个示例。

从图21可以看出，每个初级线圈108与开关474串联设置，使得它可以被接入或断开(例如在MPU112的控制下)。与初级线圈108(和开关474)并联地，提供与开关478串联连接的对应的电感器476(充当虚设线圈)。因此，当一个初级线圈108断开时，电感器(虚设线圈)476可以被接入，以便保持初级线圈108和电感器476的并联布置整体电感相同。

上述解释假设初级线圈108与电感器(虚设线圈)476的电感之间1∶1的关系，使得在电路中一种可以连接进来以取代另一种。在考虑初级单元472时，进一步假设是提供相同数目的初级线圈108和电感器(虚设线圈)476。尽管这对于本发明的一个实施例而言是真实的，但是对于其他实施例而言不是真实的。例如，在本发明的一个实施例中，可能已知在任何一个时间，将仅仅断开达到特定数目的初级线圈108。在该情况下，可能的是仅仅提供所述特定数目的电感器476(其数目可以小于初级线圈108的数目)。还有，例如，在本发明的另一个实施例中，可能已知当初级线圈108断开时将总是存在至少特定数目的初级线圈被断开。在该情况下，可能的是配置电感器(虚设线圈)476中的一个，使得它具有与该特定数目的初级线圈108(该数目可以大于1)相同的电感。应当理解，初级线圈108和电感器(虚设线圈)476的其它布置是可能的，从而形成本发明的其他实施例。

图22是表现本发明的多个实施例的初级单元492的示意图。

初级单元482意图一般地说明接入和断开初级线圈108和电感器(虚设线圈)476的思想可以如何应用于本发明的实施例。初级单元482包括初级线圈108和电感器476的阵列、驱动器484和开关单元486。初级线圈108和电感器476在一端处经由开关单元486公共地连接到驱动器484中的接地端。每个初级线圈108和电感器476的另一端选择性地在开关单元486的控制下可连接到驱动器484的输出端1或输出端2。如将清楚的是，驱动器484可以具有任意数目的输出端，为了方便起见仅仅示出了两个。

初级单元484的配置一般适用于本文所公开的初级单元的实施例。例如，初级线圈108可以是图19或20中的阵列。还有例如，考虑仅仅具有一个输出端(或其他输出端未被连接)的驱动器484，初级线圈108和电感器476可以是图21中的那些，开关单元484可以是图21中的开关474和478的组合，并且驱动器484可以是图21中电路的剩余部分，其中该驱动器输出端在图21中的电容器106与缓冲器110之间。

在驱动器484中提供一个以上的输出端的益处在于，初级线圈108和电感器476可以分组控制，每输出端对应一个组，使得(例如)一组可以被调节在与另一组不同的电压处。如图22中所例证，任何数目的初级线圈108和电感器476可以被连接到任何的驱动器输出端。

图23是可以与驱动器484互换以形成本发明的实施例的驱动器492的示意图。应当理解，驱动器492与图23的初级单元492相同，除了以下不同：初级线圈108已经被去除从而留下输出端1和2，并且半桥434的剩余的下面的输出端公共地连接在一起以用于与图22的公共接地兼容。因此，应当理解，一组初级线圈108(或电感器476)可以(经由输出端1)被调节在一个电压下，而另一组初级线圈108(或电感器476)可(经由输出端2)被调节在另一个电压下。再次如前所述，调节可以是电压、电流或功率调节。

将不同的初级线圈108调节到不同的初级线圈电压可以用于向在相同充电表面上的或者至少从相同初级单元感应地接收功率的不同的负载(例如不同类型的次级单元200或次级设备)提供不同水平的功率。这也可能是有用的，因为初级单元与次级单元之间的耦合可以依赖于次级单元相对于初级单元的位置和/或取向而广泛改变。而且，实际的电容器和电感器中的公差可能导致一个次级单元或设备与下一个的差异。

耦合的该变化可能导致次级单元/设备必须应付较大的电压输入范围，并且一般地期望限制次级单元/设备必须应付的电压范围，使得它可以包括较低的电压额定的组件，由此减少成本并改进效率。由此，在本发明的一个实施例中，初级和次级单元可被配置为彼此相互通信。例如，本发明的一个实施例中的次级设备可被配置为向初级单元传达表示其需要的功率的信息。作为响应，初级单元可被配置为相应地调节相关的初级线圈。应当认识到，在一些实施例中，这种通信可能仅仅需要是单向通信，例如从次级单元到初级单元，尽管更加鲁棒的通信可以利用双向通信。

图24是根据本发明的一个实施例的初级单元502的示意图。初级单元502是初级单元582的示例性实现方式，其中初级单元108和电感器(虚设线圈)476的叠层体(bank)被单独地示出(如图21)并且其中开关单元486的示例性实现方式被明确示出。而且，示出了对开关单元486的控制可以由MPU504来处理，该MPU504可以是本文所公开的本发明的其他实施例中示出的MPU的一部分或与之分离。

在本发明的一个实施例中，与图18类似，可能有利的是可控地改变初级单元上的驱动频率。例如如果次级单元不包括DC/DC转换器而改为将反馈信息传达到初级单元，这可能是有用的。例如，在一个实施例中，初级单元可以潜在地在一个频率处为一个次级单元驱动一个或多个初级线圈并且在不同的频率处为不同的次级单元驱动不同的一个或多个初级线圈，这依赖于来自这些次级单元的反馈信号。在至少在这一点上，一些实施例可以获得来自次级侧的反馈信号(以及或作为代替，来自初级侧的反馈信号)。

应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明的其他实施例是可能的。

Claims (45)

1.一种用在感应功率传输***的初级单元中的电路，用以生成电磁场从而使得通过电磁感应将功率无线地传输到该***中的一个或多个次级单元，该或每个次级单元能与初级单元分离，该电路包括：

多个可驱动部分，每个部分包括初级线圈或虚设线圈；

驱动电路，在操作中向两个或至少两个所述部分提供驱动信号以便使得那些具有所述初级线圈的被驱动部分生成所述电磁场；和

控制电路，在操作中依赖于指示一个或多个所述被驱动部分的初级线圈或虚设线圈的特性的反馈信号来控制该电路以便有助于调节所述反馈信号，

其中该电路被配置为使得：

被驱动的那些部分并联地连接在一起并且具有经调谐的谐振响应；并且

所述控制有助于调节每个所述被驱动的线圈的这种特性；

每个所述可驱动部分基本上仅仅包括其所述初级线圈或虚设线圈；

该电路被配置成使得被驱动的那些部分具有公共的频率响应，该频率响应具有两个主谐振峰值和峰值间基本平坦的部分；以及

驱动信号具有定位在所述主谐振峰值之间的频率中和定位在所述平坦部分中的基频。

2.如权利要求1所述的电路，其中所述线圈的特性是该线圈上线圈信号的幅值。

3.如权利要求1所述的电路，被配置为使得所述反馈信号指示被驱动部分的线圈上公共的电压信号的幅值。

4.如权利要求1所述的电路，包括被配置为与被驱动的那些部分公共串联连接的电容。

5.如权利要求4所述的电路，被配置为在驱动周期期间使得：

驱动信号具有特定的基频；

电容具有特定的电容值；以及

被驱动的部分具有组合的特定电感值。

6.如权利要求5所述的电路，在所述驱动周期期间被配置为使得：被驱动的部分总是基本具有组合的特定电感值。

7.如权利要求5所述的电路，被配置为使得在驱动周期的一个间隔期间被驱动的那些部分与在驱动周期的另一个这样的间隔期间被驱动的部分不同。

8.如权利要求5所述的电路，其中特定电容值使得被驱动的部分以特定的基频谐振。

9.如权利要求5所述的电路，其中所述电容具有固定的电容值并且其中驱动信号具有固定的基频。

10.如权利要求5所述的电路，其中：

所述部分被配置为具有基本上彼此相同的电感；并且

该电路被配置成使得在驱动周期的一个间隔期间被驱动的部分的数目与在驱动周期的另一个间隔期间被驱动的部分的数目相同。

11.如权利要求1所述的电路，其中：

被驱动的那些部分被配置使得它们公共地与串联的电容和镇流器电路连接；并且

该串联的电容和镇流器电路被配置为使得被驱动的那些部分具有公共的这种频率响应。

12.如权利要求1所述的电路，其中：

该电路被配置为使得单独的这种反馈信号从被驱动的部分中的每一个和/或从该电路感应地接收功率的该或每个次级单元获得；

可驱动部分中的每一个或仅仅一个包括可控元件；并且

所述控制电路在操作中响应于所述反馈信号以通过控制该可控元件来执行所述控制。

13.如权利要求12所述的电路，其中所述控制装置在操作中使用所述可控元件来调节被驱动线圈相对于彼此的特性。

14.如权利要求12所述的电路，其中该或每个所述可控元件是可变电抗。

15.如权利要求12所述的电路，其中该或每个所述可控元件是可变电容。

16.如权利要求12所述的电路，其中该或每个所述可控元件在操作中在这种控制下改变其所述部分中的所述驱动信号的基频。

17.如权利要求16所述的电路，其中该或每个所述可控元件是可调谐的逆变器或半桥电路。

18.如权利要求12所述的电路，其中每个所述可驱动部分具有与其线圈串联的电容。

19.如权利要求1所述的电路，其中该或每个所述虚设线圈是当被驱动时不会生成电磁场的电感器。

20.如权利要求19所述的电路，其中所述虚设线圈的电感与所述初级线圈的电感基本相同。

21.如权利要求1所述的电路，被配置为使得所述线圈在被驱动时具有彼此相同的极性。

22.如权利要求1所述的电路，被配置为使得一个或多个所述线圈在被驱动时具有不同于一个或多个其他所述线圈的极性。

23.一种用在感应功率传输***的初级单元中的电路，用以生成电磁场从而使得通过电磁感应将功率无线地传输到该***中的一个或多个次级单元，该或每个次级单元能与初级单元分离，该电路包括：

多个可驱动部分，每个部分包括初级线圈或虚设线圈；

驱动电路，在操作中向两个或至少两个所述部分提供驱动信号以便使得那些具有所述初级线圈的被驱动部分生成所述电磁场；和

控制电路，在操作中依赖于指示一个或多个所述被驱动部分的初级线圈或虚设线圈的特性的反馈信号来控制该电路以便有助于调节所述反馈信号，

其中该电路被配置为使得：

被驱动的那些部分并联地连接在一起并且具有经调谐的谐振响应；并且

所述控制有助于调节每个所述被驱动的线圈的这种特性；

每个所述可驱动部分被配置为使得当被驱动时它具有如下的频率响应：该频率响应具有两个主谐振峰值和峰值间的基本平坦部分；以及

驱动信号具有定位在所述主谐振峰值之间的频率中和在所述平坦部分中的基频。

24.如权利要求23所述的电路，其中所述线圈的特性是该线圈上线圈信号的幅值。

25.如权利要求23所述的电路，其中所述可驱动部分被配置为当被驱动时具有基本上彼此相同的这种频率响应。

26.如权利要求23所述的电路，其中可驱动部分具有基本上彼此相同的配置。

27.如权利要求23所述的电路，其中：

每个所述可驱动部分包括与其线圈串联的电容和镇流器电路；并且

对于每个所述可驱动部分，其线圈、其串联电容和其镇流器电路被配置成使得该可驱动部分在被驱动时具有这种频率响应。

28.如权利要求27所述的电路，其中：

所述初级线圈的电感基本上与所述虚设线圈的电感相同；

所述可驱动部分中的串联电容基本上彼此相同；

所述可驱动部分中的镇流器电路基本上彼此相同；并且

线圈、串联电容和镇流器电路以基本相同的方式配置在每个可驱动部分中。

29.如权利要求23所述的电路，其中该电路被配置为使得仅仅从被驱动的部分之一获得所述反馈信号。

30.如权利要求29所述的电路，其中该电路被配置为使得反馈信号指示该部分的初级线圈或虚设线圈上的电压或电流或功率信号。

31.如权利要求23所述的电路，其中：

该电路被配置为使得从被驱动的部分中的每一个获得单独的这种反馈信号；并且

控制装置在操作中依赖于一个或多个所述反馈信号执行所述控制。

32.如权利要求23所述的电路，其中：

该电路被配置为使得单独的这种反馈信号从被驱动的部分中的每一个和/或从该电路感应地接收功率的该或每个次级单元获得；

可驱动部分中的每一个或仅仅一个包括可控元件；并且

所述控制电路在操作中响应于所述反馈信号以通过控制该可控元件来执行所述控制。

33.如权利要求32所述的电路，其中所述控制装置在操作中使用所述可控元件来调节被驱动线圈相对于彼此的特性。

34.如权利要求32所述的电路，其中该或每个所述可控元件是可变电抗。

35.如权利要求32所述的电路，其中该或每个所述可控元件是可变电容。

36.如权利要求32所述的电路，其中该或每个所述可控元件在操作中在这种控制下改变其所述部分中的所述驱动信号的基频。

37.如权利要求36所述的电路，其中该或每个所述可控元件是可调谐的逆变器或半桥电路。

38.如权利要求32所述的电路，其中每个所述可驱动部分具有与其线圈串联的电容。

39.如权利要求23所述的电路，其中该或每个所述虚设线圈是当被驱动时不会生成电磁场的电感器。

40.如权利要求39所述的电路，其中所述虚设线圈的电感与所述初级线圈的电感基本相同。

41.如权利要求23所述的电路，被配置为使得所述线圈在被驱动时具有彼此相同的极性。

42.如权利要求23所述的电路，被配置为使得一个或多个所述线圈在被驱动时具有不同于一个或多个其他所述线圈的极性。

43.一种用在感应功率传输***的初级单元中的电路，用以生成时变的电磁场从而使得通过电磁感应将功率无线地传输到该***的次级单元，该次级单元能与初级单元分离，该电路包括：

可驱动部分，包括初级线圈；和

驱动电路，在操作中向所述可驱动部分提供具有预定基频的驱动信号，从而使得初级线圈生成所述电磁场，

其中：

所述可驱动部分被配置为使得它在被驱动时具有这样的频率响应：该频率响应具有两个主谐振峰值和峰值间的基本平坦部分；并且

驱动电路被配置为使得所述基频定位在所述主谐振峰值之间的频率中和所述平坦部分中。

44.如权利要求43所述的电路，其中：

在被驱动时所述可驱动部分的初级线圈与电容串联连接并连接到镇流器电路；并且

初级线圈、串联电容和镇流器电路被配置为在可驱动部分被驱动时具有这种频率响应。

45.一种感应功率传输***，包括：

初级单元，在操作中生成电磁场；和

至少一个次级单元，能与初级单元分离，该次级单元被配置为在初级单元附近时通过电磁感应从该初级单元无线地接收功率，

其中该初级单元包括如权利要求1或23所述的电路。

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