CN102449874B - 用于探测无线功率传输***中的装置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了利用发射器探测接收器（214）的方法和用于探测接收器的发射器。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器（214）。发射器包括作为第一电极（204）的第一发射线圈和第二电极（206）。第一电极（204）和第二电极（206）形成电容器（202）。该方法包括下述步骤：应用电压（216）到任何一个该电极（204，206）并且探测电容器（202）的电容变化。

Description

用于探测无线功率传输***中的装置的方法和装置

技术领域

本发明涉及功率传输技术。

背景技术

为了对诸如蜂窝电话、PDA、遥控器、笔记本计算机等电池供电装置的电池进行供电，或者对诸如灯或厨房电器的装置直接供电，可以应用使能实现无线功率传递的感应功率***。例如从WO2008/050260知晓用于传递功率或者对移动装置充电的感应功率***。这种***通常包括在下文中称为发射器的功率发射装置，其包括可以单独地被激励的多个发射线圈，由此生成交变磁场。感应功率***还包括功率接收装置，该功率接收装置包括需要功率的负载。为了接收功率，功率接收装置设有接收线圈，由被激励的发射器线圈提供的交变磁场在该接收线圈中感应电流。这个电流可以驱动接收装置的负载，例如对电池充电或者将灯点亮。在下文中功率接收装置是指包括接收线圈和负载的接收器。

使能实现低的，优选地（几乎）零的待机功率是非常重要的。例如，当无线功率发射器上没有装置时，功耗应几乎为零。

美国专利申请US2008/0157909提供一种用于探测功率发射装置的发射器线圈和功率接收装置的接收线圈之间的耦合的***。当激励发射器线圈时，电流传感器监测通过发射器线圈的电流以判定功率接收装置的接收线圈是否耦合到发射器线圈。该***要求定期地激励发射器线圈并且导致功率发射装置太多的能耗，特别是当不存在功率接收装置时。

如果所述美国专利申请的***用于包括多个发射器线圈的功率发射装置中，每一个发射器线圈必须定期地被激励，引起功率使用的进一步增加。另外，发射器线圈的定期激励在定期的时间引入电磁场，该电磁场会导致例如电磁干扰，或者例如当银行卡偶然放置在功率发射装置上时，会擦除银行卡的磁条上的信息。

发明内容

提供在待机模式中具有低功耗的方法和发射器将是有利的。

本发明的第一方面提供如权利要求1所述的一种利用发射器探测接收器的方法。本发明的第二方面提供如权利要求8所述的一种用于探测接收器的发射器。本发明的第三方面提供如权利要求12所述的一种利用发射器探测接收器的方法。本发明的第四方面提供如权利要求13所述的一种用于探测接收器的发射器。有利实施例在从属权利要求中限定。

依据本发明的第一方面，提供了一种利用发射器探测接收器的方法。该发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。发射器包括作为第一电极的第一发射线圈并且包括第二电极。第一电极和第二电极形成电容器。该方法包括应用电压到任何一个该电极的步骤，并且包括探测电容器的电容变化的步骤。

本发明提出一种用于通过电容探测来探测接收器是否安置在发射器的表面上的方法和装置，其是快速的且不干涉感应功率传递。因此，对无线充电垫上的装置的探测不受到在同一垫上已经被充电的另一装置干涉。再者，所提出的探测方法以很小（或者几乎没有）功耗起作用。

该方法是基于这样的事实，安置在发射器的表面上的装置将改变位于发射器表面下方的两个电极之间，或者在一个电极与接地之间，或者在一个电极和接收器之间的电容。将这种装置安置在发射器表面上改变存在于不同电极之间的电容器的电容。这是源于两个电极之间的空间的介电常数的感应变化，或者两个电极之间的介电距离的感应变化，或者介电常数和介电距离的变化的组合。在本发明的上下文中，这种方法也称为"电容探测方法"。

与感应探测相比，可以比较功率高效地执行电容变化的探测。只要电容不改变并且当DC电压被使用时，没有电流流自/流向电容器—只有当电容变化时少量电流流自或流向电容器。另外如果AC电压应用到电容器且AC电压可以恰当地设置大小，则比较少量电流流过电容器。因而，通过电容器的电流可以比较小或者基本上等于零，并且因此该电容探测方法的功耗比较低。例如借助低功耗集成电路，可以功率高效地执行探测。因而，探测接收器的方法是比较功率高效的。

另外，电容探测不要求发射线圈的感应工作，并且因而无电磁场生成并且无电磁干扰产生。

此外，使用第一发射线圈作为一个所述电极减小了构建使用电容探测来探测接收器的发射器所需要的部件的数目。不是引入附加的第一电极和第二电极，本发明的方法仅仅要求引入第二电极，并且因此发射器具有较不复杂的设计并且节约成本。

在一实施例中，发射器还包括第二发射线圈，其充当第二电极。也就是说，两个相邻发射线圈可以用作电容器的两个电极。对接收线圈的存在和位置的探测可以借助测量由两个发射线圈形成的电容器的电容变化来完成。

第一发射线圈用作第一电容器电极，其连接到第一端子。相邻发射线圈用作第二电容器电极，其连接到第二端子。附近的另一线圈例如作为第三电容器电极，其连接到第三端子。相对于发射器线圈位置的接收线圈位置确定第一和第二端子之间，或者例如第一和第三端子之间的电容。

换言之，发射器可具有多于一个发射线圈。发射器的每对发射线圈可形成电容器。通过使用第一发射线圈作为第一电极以及使用第二发射线圈作为第二电极，实现了对发射器的部件的高效利用。无需在发射器的表面内引入附加电极，这防止发射器的发射线圈和附加电极之间的可能的相互作用。

如果接收器安置在第一发射线圈的顶部上，在第二发射线圈的顶部上，或者部分地在第一发射线圈上和/或部分地在第二发射线圈上，由两个发射线圈形成的电容器的电容变化，该变化被探测电路***探测到。因而，该探测揭示接收器安置在或靠近该第一发射线圈，和/或安置在或靠近该第二发射线圈。这个知识可以开始由发射器进行接收器确认的另一过程，或者可以由第一发射线圈和/或第二发射线圈开始功率传递到接收器。

如果发射器具有多个发射线圈以及如果在每对相邻发射线圈的电容被监测以探测电容变化，则可以获得接收器位置相对于发射线圈位置的相当精确的估算。所探测的位置可以用于激活接收器确认的另一过程，或者利用靠近或最靠近所探测的接收器位置的发射线圈，开始功率传递到接收器。

作为此实施例的示例，探测电路***连接到第二线圈，并且电压应用到第一发射线圈，所述探测电路***被用于监测由第一线圈和第二线圈形成的电容器之间的电容变化。

在另一实施例中，电容的第二电极定位在第一发射线圈的中心。

实施例提出通过使用电容探测来局部化接收器。该方法将几乎不涉及任何功耗，是快速的并且不干涉感应功率传递。在作为第一电极的初级线圈和定位在初级线圈中心的第二电极之间实现探测电容器。接收器的探测因此直接对应于功率发射器线圈的位置并且需要较不复杂的局部化算法。

换言之，在第一发射线圈的中心提供电极允许更精确探测相对于第一发射线圈位置的接收器位置。特别地，发射器能够更精确地区分其中接收器恰好定位于第一发射线圈顶部上的情形和其中接收器部分地覆盖第一发射线圈的另一情形。如果接收器恰好定位于第一发射线圈顶部上，电容变化将大于接收器部分地定位于第一发射线圈顶部上的情形。

另外，如果发射器包括多个发射线圈，每个发射线圈设有在发射线圈中心的电极，每一个该发射线圈与其中心电极形成电容器。如果接收器安置在发射器的表面上，一个该电容器表现出其电容的最大变化。所述电容器为由发射线圈和最靠近接收器的其相应中心电极形成的电容器。因而，判定哪个发射器线圈最靠近接收器是比较简单的。

第二电极可具有若干种形状，包括有可能具有狭缝以减小涡电流的圆形、椭圆形、矩形金属板，线圈，在一侧彼此连接的一组细导体等等。第二电极可以恰好定位于第一发射线圈的中心，然而，为了在第一发射线圈和第二电极之间形成电容器，第二电极也可以偏离中心定位。仅仅要求将第二电极定位于第一发射线圈内。

作为此实施例的示例，探测电路***连接到电容器的任何一个该电极，并且电压应用到第一发射线圈，探测电路***探测由第一发射线圈和在第一发射线圈中心的第二电极形成的电容器之间的电容变化。

一种用于探测接收器装置的无线功率发射器，所述发射器包括作为电容器的第一电极的第一发射线圈以及定位在第一发射线圈中心的电容器的第二电极，该发射器还包括连接到电容器的任何一个该电极的探测电路***，所述发射器包括：

第一单元，其用于应用电压到第一发射线圈，

探测电路***，其用于探测由第一和第二电极形成的电容器的电容变化。

在一实施例中，第一发射线圈的绕组包括绕组的内部分和绕组的外部分。绕组的内部分为第一电极并且绕组的外部分为第二电极。

例如在发射装置的待机模式中，如果内绕组和外绕组彼此断开，该布置变为电容布置，其中内部分和外部分用作电极。如果具有电容属性的装置安置在该布置顶部上，这些电极之间的容量增大。通过使用所描述的方法其中之一测量电容，可以探测到装置。如果装置被探测到，内绕组和外绕组可以被连接从而使该发射器线圈用作感应功率发射器。不必在发射器的表面中提供附加电极。使用内绕组和外绕组允许精确探测相对于第一发射线圈位置的接收器位置。

在另一实施例中，所探测的电容变化表明接收器邻近发射器。该方法还包括步骤：激活发射器，使得发射器开始与接收器交流（communicate）或发射功率到接收器。

该实施例允许发射器进入低功率休眠状态，在探测到与无线功率接收器有关的事件时发射器从该休眠状态被唤醒。这种事件可以是探测到电容变化。

换言之，当没有接收器被探测到时，发射器处于待机模式，这意味着没有发射线圈被激活从而发射功率或者与接收器交流。如果电容变化被探测到，最有可能的是接收器安置在发射器上。因而，发射器被唤醒，这意味着待机模式结束并且发射器进入工作模式。在工作模式中，发射器可以以感应方式提供功率到接收器，或者可以首先以附加交流过程启动以进一步确认接收器。在工作模式中，发射器的一个或多个发射线圈被用于以感应方式传递功率到接收器，或者以感应方式与接收器交流。

在一实施例中，所应用的电压为AC电压，或者DC电压，或者电压脉冲，或者阶梯函数。

如果应用到电容器的一个电极的电压为AC电压，与电容器的电容成比例的电流流过该电容器。通过正确地调整AC电压的值和频率，电流可以比较小，使得少量功率耗散。电流变化涉及接收器可能安置在发射器上。例如通过探测电流是否超过预定义值，和/或通过探测电流是否减小低于预定义值，探测电流变化是比较简单的并且可以功率高效地执行。

如果所应用的电压为电压脉冲或阶梯函数，电容器在时域中的响应可以由探测电路***分析。取决于电容器的电容，特定响应可以被探测到。如果接收器安置在发射器上，响应不同于接收器不安置在无线功率装置上的情形。

可以通过将电阻与电容器串联耦合并且应用电压脉冲或阶梯函数到该串联布置，完成响应特性的测量。当电压从中性变化到预定义值时，电容两端的电压上升，并且取决于电压的预定义值和电容器的电容，比上升（specific raise）可以被测量。当装置被安置时电容增大，并且因此如果装置被安置，上升时间更长。当定义长度的电压脉冲应用到该串联布置时，在所应用的电压从预定义电压下降到中性电压时，电容器两端的电压逐渐减小。衰变时间为对电容器的电容的度量。

在另一实施例中，发射器包括由各第一和第二电极对形成的多个电容。该方法还包括探测每一个所述多个电容器的电容变化的步骤，并且包括依据哪个所述多个电容器的电容变化被探测到而确定接收器的位置的步骤。

通过提供多个电极，每个相邻对的电极形成电容器。通过探测每一个这些电极对之间的电容变化，发射器能够比较精确地探测接收器定位于发射器上哪个位置。具有最大电容变化的电容靠近接收器。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于探测接收器的发射器。发射器旨在以感应方式发射到接收器。发射器包括作为第一电极的第一发射线圈和第二电极。第一电极和第二电极形成电容器。发射器还包括第一单元，其用于应用电压到任何一个该电极；以及探测电路***，其连接到电容的任何一个该电极以用于探测电容器的电容变化。

在一实施例中，该发射器还包括第二发射线圈，其为第二电极。

在另一实施例中，第二电极定位在第一发射线圈的中心。

在另一实施例中，电容变化的探测表明接收器邻近发射器，以及发射器包括用于激活发射器的第二单元，使得发射器可以启动与接收器交流或者发射功率到接收器。

发射器以及发射器实施例提供与根据本发明第一方面的方法和根据本发明第一方面的方法的相应实施例相同的益处。发射器具有类似的实施例，所述实施例具有与方法的相应实施例相似的效果。

根据本发明的第三方面，提供了另一种利用发射器探测接收器的方法。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。该发射器包括作为电极的第一发射线圈。该方法包括下述步骤：应用电压到电极，以及探测由第一电极和接地形成或者由第一电极和接收器形成的电容器的电容变化。

第一电极与接地或者与接收器形成电容。如果接收器变得邻近第一电极，电容变化并且电荷朝向第一电极或离开第一电极流动。通过探测流向或流自第一电极的电流，获得了用于探测接收器的有效和高效的方案，该方案不是一种复杂设计并且因此节约成本。

根据本发明的第四方面，还提供了一种用于探测接收器的发射器。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。该发射器包括：作为第一电极的第一发射线圈；第一单元，其用于应用电压到电极；以及探测电路***，其连接到电极以用于探测由电极和接地或者电极和接收器形成的电容器的电容变化。

在此文件的上下文中，应注意措词电容器的使用并不指集总（lumped）电容器。另外，发射器、功率发射器和无线功率发射器在本发明的上下文中是可互换的术语。发射器的特性在于发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。接收器、接收器装置和功率接收器装置在本发明上下文中是可互换的术语。接收器的特性在于接收器旨在以感应方式接收功率。另外，用于应用电压到任何一个该电极或者任何一个该发射线圈的第一单元可以是电压源。

本发明的这些和其它方面通过下述实施例而显见，并且参考下述实施例将得以阐述。

本领域技术人员将理解，两个或更多个上述本发明的实施例、实施方式和/或方面可以按照任何被认为是有用的方式组合。

本领域技术人员可以基于本说明书来实施与***的所述调整和变化对应的该***和/或方法的调整和变化。

附图说明

在图中：

图1描述根据本发明的电容探测的原理，

图2a描述根据本发明的电容探测的基本结构，

图2b描述用于电容探测的多个不同电路拓扑，

图3描述根据本发明的自由位置发射器的示意性框图表示***，

图4描述图3中的***的示意性表示电路，

图5描述根据本发明第一实施例的电路，

图6描述图5的等效电路，

图7描述被多个线圈覆盖的发射器表面，

图8描述根据实施例的电容探测***，

图9描述根据实施例的电容探测***，

图10描述根据另一实施例的具有局部化的电容探测***，

图11描述当应用DC电压时探测电路***的第一示例，

图12描述当应用DC电压时探测电路***的第二示例，

图13描述当应用DC电压时探测电路***的第三示例，

图14描述当应用AC电压时探测电路***的第四示例，

图15描述在初级线圈的中心具有星形电极的示例，

图16描述具有由L1代表的单个线圈和探测电容器的发射器，

图17描述探测单元测量电压而不是电流的实施例，

图18描述两个线圈之间的电容测量电路的概述（outline），

图19描述线圈和中心的电极之间的电容测量电路的基本概述，

图20a描述具有实施的电容的机械概述，

图20b描述所描述的测量方法的等效电路，

图20c描述该测量方法的所描述的第二实施例的等效电路，

图21描述在宽的频率范围上介电常数谱的曲线图。介电常数的实部和虚部被示出，并且描述了各种过程：离子和偶极弛豫，以及在更高能量的原子和电子谐振，

图22描述低待机功率架构，

图23示意性示出本发明的方法的流程图。

应注意，在不同图中用相同附图标记表示的项具有相同结构特征和相同功能，或者为相同信号。在已经解释这一项的功能和/或结构的情况下，无需在详细描述中对其重复解释。

各图纯粹是图解性的且未按比例绘制。特别是为了清楚，一些尺寸被强烈夸大。

具体实施方式

图1描述根据本发明的探测安置在发射器表面102上的装置106的方法的原理。发射器表面下方的电极108、110、112、114用于探测安置在发射器表面102上待充电的装置106。该方法是基于这样的事实：安置在发射器表面102上的装置106将改变位于发射器顶表面102下的两个电极108、110、112、114之间的电容。将这种装置106安置在发射器表面102上改变存在于不同电极108、110、112、114之间电容的值。这起因于由电极108、110、112、114形成的两个电容器极板之间空间的一部分的介电常数的感应变化，两个电极的介电距离的感应变化，或者其组合。电容变化在图1中由被覆盖和未被覆盖的表面之间的电场线104模式差异来表示。

对于平行板电容器，两个电极之间的电容由下式给出：

        （1）

其中ε为极板之间的介质的介电常数，A为极板的面积以及d为极板之间的距离。因此，电容线性地依赖于极板之间的介质的介电常数。对于同一平面内的两个极板，存在更复杂的关系。然而，仍存在对介电常数的依存性。对于在发射器表面102下的两个电极108、110、112、114之间形成的电容器，当装置106安置在发射器顶表面102上时，介电常数将改变（增大）。可以通过若干方式探测到得到的电容变化。

图2a描述根据一实施例的探测方法。采用电压源216应用电压到一个电极204（代表一个电容器极板），该电压源可以是幅值大于或等于零的AC或DC电压。连接到另一电极206（代表第二电容器极板）的探测电路***212用于监测形成电容器202的两个电极204、206之间的电容。电容变化表示装置214安置并且这个事件将借助探测信号208而发出信号。线210代表电容器202的电极204、206之间的电场线。

当在电容器202两端应用DC电压时以及当装置214随后安置于发射器上时，电荷重新分布导致小的电流，该电流可以作为检测电阻两端的电压被探测到。

存储在电容器极板上的电荷的变化由下式给出：

              （2）

其中U为应用到电容器的DC电压以及ΔC为在安置装置时的电容变化。

得到的电流由下式给出：

         （3）

其中为每单位时间流向电容器极板的电荷。注意，当安置包括静电荷的装置时，也将发生电荷重新分布。因此探测信号可包括由于电容变化引起的分量和/或由于安置带静电荷的装置引起的分量。

当AC电压应用于电容器202两端时，电流流过电容器并且电流可以被监测。当在安置装置214时电容增大时，流动的电流的幅值也将增大，表明存在装置214。电流幅值由下式给出：

            （4）

其中u为电容器202两端所应用的AC电压，ω为应用的AC电压的频率，以及C为电极204、206之间的电容。因此，电流线性地依赖于在安置装置214时改变的电容。注意，电流可以保持任意小以限制功耗。

通过电容变化探测接收器的方法为所谓的模拟探索方法（analog ping method），并且是基于由于对象安置在接口表面上引起的接口表面上或附近的电极的电容变化。

该方法特别适合于使用自由定位的功率发射器，因为该方法使能实现具有非常低待机功率但是向用户呈现可接受的响应时间的实施方式。原因在于（连续地）扫描接口表面以得到其上的对象和功率接收器的布置的变化是比较昂贵的操作。相比之下，检测电极的电容变化可以非常廉价（就功率要求而言）。注意，可以将基站的显著部分切断功率来进行电容检测。

基于初级（发射器）线圈的阵列的功率发射器设计可以使用初级线圈的阵列作为所考虑的电极。为此目的，复用器应将阵列中所有（或者相关子组的）初级线圈连接到电容检测单元—并且同时将初级线圈从驱动电路断开。基于移动初级线圈的功率发射器设计可以使用接口表面上的探测线圈作为电极。

建议电容检测电路能够以100fF或更高的分辨率探测变化。如果检测的电容变化超过某些实施方式定义的阈值，功率发射器可以断定对象安置在接口表面上或者从接口表面移除。那种情况下，功率发射器应进行局部化（多个）对象并且尝试确认接口表面上的功率接收器。

图2b描述用于电容探测的多个可替换电路拓扑。在实施例（i）中，两个电极形成电容器。在实施例（ii）中，两个发射器线圈218形成电容器。实施例（i）-（iv）分别与实施例（viii）-（xi）匹配，并且它们差异在于探测电路***212的位置。在实施例（i）至（iv）中，探测电路***连接到电极204、206，电压源216的电压也应用到所述电极。在实施例（viii）-（xi）中，电压源216连接到电容器的与探测电路***212不同的电极。在实施例（v）和（xii）中示出，多个发射器线圈218或多个电极204、206可以配置成使得它们形成并行配置的多个电容器。注意，实施例（iii）、（iv）、（viii）至（xi）也可以具有其中多个电容器布置成并行配置的它们各自对应部分。

图2b的实施例（vi）、（vii）、（xiii）和（xiv）示出本发明的另一方面。探测电路212和电压源216连接到同一电极220。电极可以是专用电极或者可以由一个或多个发射器线圈形成。由此电极220和接地222形成的电容器通过探测电路212被监测。在预定义的应用的电压（其可以是AC电压，DC电压或者脉冲模式），探测电路212测量流向电极220的电流，该电流指示电容。在装置安置时，电容将变化并且因此流向电极的电流将变化。因此，流向电极的电流的突然变化指示装置安置。在实施例（xiii）中，发射器线圈用作单个电极，以及在实施例（vii）和（xiv）中，多个电极和/或多个发射器线圈并行连接，使得它们相对于接地或接收器分别形成电容器。

图3描述示例性自由定位参照发射器的示意性框图表示。在此图中，六角形线圈L1、L2用于功率传递并且在同一平面内置为彼此挨着。尽管仅仅示出两个线圈L1、L2，但是可存在更多线圈（实际上整个平面可以用线圈填充）以使能实现接收器在发射器上的自由定位，即复用器MUX1、MUX2用于选择置于接收器正下方用于功率传递的线圈。复用器MUX1、MUX2将恰当的线圈L1、L2连接到串联电容器C1、C2，使得线圈L1、L2和电容器C1、C2的组合形成高效功率传递所需要的谐振储能电路。谐振储能电路从半桥电路HB1、HB2被驱动。最后，检测电阻Rsense用于监测线圈电流以用于控制目的。

图4描述图3中的***的示意性表示。半桥HB1、HB2由从微控制器（未示出）被驱动的两个FET M1、M2、M3、M4组成。应用到半桥的电源电压通常介于12V和16V。复用器MUX1、MUX2由开关组成，这些开关用于将恰当的线圈L1、L2连接到半桥驱动器。

尽管对于功率传递，线圈L1、L2被用作电感器，本发明旨在使用两个相邻线圈L1、L2作为电容器的两个极板。在装置安置在发射器表面上时，此电容器的值将变化。使用与用于功率传递相同的硬件可以监测这个值。这示于图5。如果根据图5设置复用器开关并且连接FET，得到的等效电路示于图6。应用的12V DC电压将导致由两个线圈L1、L2形成的电容器Ceq两端的DC电压。在稳态工作，即没有功率耗散时，将没有电流流动。当装置安置在发射器表面上，小的电流将流向Ceq，该电流可以作为Rsense两端的电压被探测到。

可以按照方便的方式同时监测由大量线圈组成的完整的发射器垫700。发射器表面上的线圈示于图7。DC电压应用到灰色线圈704并且利用白色线圈702检测电流（在装置安置时）。以此方式，垫700的所有线圈可以同时被检测，同时当接收器装置被检测时，得到静态位置信息。

图8示出根据本发明的实施例。在此实施例中，***800的两个相邻线圈810、812（它们否则用于感应功率）形成电容器802。使用此实施例，不需要专用探测电极。与先前讨论的实施例相反，可以使用专用电压源808并且另外使用专用探测电路***804。电压源808被用于应用电压，该电压可以是幅值大于或等于零的AC或DC电压。取决于所应用的电压，应用合适的探测电路***804，其生成探测信号806。可以并行地使用若干个这些探测电路804以获得同时的探测和局部化。电压应用到其的线圈810、812可以例如是图7中的灰色线圈，而连接到探测电路804的线圈可以是白色线圈。

图9示出根据本发明的另外的第三实施例。此实施例使用专用探测电极904、906和电路***。电极904、906的许多种配置是有可能的，这些配置都落在本发明的范围内。图10描述电极配置的另一示例。在图9的示例种，两个叉指电极904、906用于发射装置的表面902内。电压源808用于应用电压，该电压可以是幅值大于或等于零的AC或DC电压，并且取决于所应用的电压，使用合适的探测电路***804。如果需要，装置在发射器表面902上的局部化可以使用其它（已知）方法执行，比如通过经由局部磁场或电场尝试与装置交流。

图10示出根据本发明的另一实施例。在此实施例中，电极存在于发射器表面下的两层1002、1004。存在专用探测电路***1006、1008以用于每个可能的水平和竖直位置（层1002、1004）。控制***1010控制所应用的电压，处理探测电路1006、1008的输出信号，并且生成探测信号1012，该探测信号现在也传达关于所探测的装置的位置的信息。这种电极配置具有的优点为探测电路1006、1008的数目随发射器面积的平方根而缩放。然而，也允许组合的探测和局部化的其它电极配置是有可能的。这些配置都落在本发明的范围内。

可替换地通过使用单个探测电路与应用的电压具有位置依存频率的多个电压源的组合，可以获得组合的探测和局部化。探测信号种不同光谱分量的幅值随后传递探测和位置信息。

在下文中给出探测电路的示例。然而，也可以使用其它实施方式。这些可替换电路也落在本发明的范围内。

图11描述当大于或等于零伏特的DC电压应用到电容器C的一个电极时，探测电路***1102的实施方式。在装置安置时，C的值将变化并且由于C两端的电压恒定，电容器极板上的电荷数量将变化。这种电荷流或电流由运算放大器供应。在图11所示配置种，流向C的电流也流动通过运算放大器的反馈电阻，导致在运算放大器的输出处的电压变化。因此，电荷电流被转换成电压。这个电压在（NPN）晶体管电路中放大，使得最初探测信号1104等于晶体管电源电压，而在装置安置时探测信号减小为低于0.5V。连接到探测电路1102的微处理器μP可以配置成使得它记录这个电压变化，该电压变化指示装置安置。

图12中的电路1202与图11的电路在这个程度上有区别：二极管和电容器被***晶体管的基极。这个电容器在装置安置期间被充电，并且通过晶体管的基极缓慢放电，由此增大探测信号1104为低的时间，从而允许通过μP更容易探测这个状态。

图13的电路1302与图11的电路在这个程度上有区别：晶体管电路被具有某一阈值电压Vref的比较器1304取代。比较器1304的输出在运算放大器的输出电压小于Vref时为零，并且在运算放大器1306输出电压超过Vref时等于其电源电压。比较器1304的输出由微处理器μP监测。可选地，二极管和电容器可添加在比较器1304的输出和微处理器μP的输入之间从而延伸探测信号的持续时间。

图14描述探测电路1402，当应用AC电压Vref时该探测电路是合适的。由装置安置感应的电容变化导致运算放大器1404的输出信号的幅值变化。通过使这个运算放大器1404输出信号在解调器1406中经历解调制以及在低通滤波器1408中经历滤波，获得这个幅值。

在作为第一电极的初级线圈1504和定位在初级线圈1504的中心的第二电极1506之间实现例如示于图15的探测电容器1502。第二电极可具有若干种形状，包括有可能设有狭缝以减小涡电流的圆形、椭圆形、矩形金属板，线圈，在一侧彼此连接的一组细导体等等。

图15示出在初级线圈1504的中心具有星形状电极1506的示例。该图还在右手侧示出在初级线圈1504和第二电极1506之间形成的探测电容器的符号表示。

当装置安置在初级线圈1504上或从其移除时，电容器C的值变化。当装置覆盖C的第二电极1506（安置于初级线圈1504的中心）以及至少部分初级线圈1504时，该值显著增大。当装置不覆盖C的第二电极1506时，该电容增大不太多。电容器C因此非常适合于探测装置是否定位于初级线圈1504顶部上。

图16示出具有由L1代表的单个线圈和探测电容器C2的发射器电路***1602。串联谐振电路由L1和C1形成。谐振电路通过由开关S1和S2代表的半桥逆变器驱动。探测单元1604经由开关S3被连接以探测到C2的电流的变化。在探测期间，开关S1和S2都断开，或者至少一个断开且另一个闭合，而S3闭合。在功率传递期间，S3断开且S1和S2交替地闭合。当装置安置在初级单元（primary cell）上或从其移除时，C2的值变化导致通过探测单元1604将被测量的往/自C2的小电流。

C2的电容变化导致的电流的方向可以应用于确定装置相对于初级单元移动的方向。如果装置朝向发射器单元移动，电容将增大，导致正电流。如果装置从该单元移除，电容将减小，导致负电流。

发射器可以配备有初级单元矩阵，其中每个初级单元含有至少一初级线圈、探测电容器和探测单元。可替换地，所有探测电容器并行连接到一个探测电路。这种情况下不获得局部化信息。通过检查哪个探测单元测量到电容C2增大，发射器可以确定安置在发射器表面上的装置的位置和形状。这种局部化的分辨率由发射器线圈的物理尺寸和探测单元的灵敏度确定。

图17示出电路***1702实施例，其中探测单元1704测量电压而不是电流。为了能够利用中心探测单元1704和用作多个初级单元的中心功率信号发生器，添加了开关S4和S5。这允许为发射器配备信号发生器和探测单元1704二者的更先进和贵重的实施方式，其结果为每个初级单元的成本仅仅适度增加。

S4可以是允许将初级单元选择性连接到中心振荡器的复用器的一部分。S5可以是允许将初级单元选择性连接到探测单元的复用器的一部分。

在功率传递期间，S4闭合而S3和S5断开。在局部化装置期间，在发射器上，对于在该局部化中涉及到的每个初级单元，开关S4断开。为了检查装置局部化的变化，使用预定义循环时间，对于每个所涉及到的初级单元循环重复下述过程。

在循环开始时，通过短时间段闭合开关S3，利用DC电压对初级单元的电容器C2充电。

在循环期间，电容器经由具有已知大的值的（寄生）电阻R放电。

在循环结束时，由探测单元测量电压变化。为此目的，开关S5闭合。

下述情形应被区分：

如果装置不存在于初级单元顶部上并且装置不安置在初级单元上，C2的电容不变化，并且根据电容器在该电阻上在该循环时间内的放电，所测量的电压将在预定义范围内；

如果装置不存在于初级单元顶部上并且装置安置在初级单元上，C2的电容增大,并且根据电容器在该电阻上在该循环时间内的放电,所测量的电压将低于预定义范围；

如果装置存在于初级单元顶部上并且装置已经从初级单元移除，C2的电容减小，并且根据电容器在该电阻上在该循环时间内的放电，所测量的电压将高于预定义范围；

如果装置存在于初级单元顶部上并且装置未从初级单元移除，C2的电容不变化，并且根据电容器在该电阻上在该循环时间内的放电，所测量的电压将在预定义范围内。

另一种探测和局部化装置的方法通过使用AC而不是DC源来测量C2的电容。

所描述的方法可以应用于探测和局部化发射器上的装置从而选择一个或多个发射器线圈用于功率传递到接收器。

所描述的方法可以结合已有探测和接收器局部化方法被应用，后一种方法要求在发射器线圈上的功率信号持续比较常从而等待接收器对功率信号的响应（例如通过使用负载调制而提供数据）。这种情况下，所描述的方法会限制已有方法需要检查的发射器线圈的数目，造成在接收器响应时用于检查发射器线圈的总功率和时间的限制。

在图18中示出用于探测线圈Lx1、Lx2之间的电容的发射器电路1100的概述。电路示例性地由两个半桥1811、1812组成。每一个半桥示例性地配备有两个MOSFET开关。每个开关由主动可控制路径1101组成，该可控制电路包括电容Cds 1802和续流二极管1803。经由谐振电容器Cr 1804和可选的串联电感Lr 1805，半桥的中心抽头连接到发射器线圈Lx1 1806、Lx2。电路的谐振频率由变压器的电容、串联电感和漏电感确定。

在图18中，出于解释目的而示例性地描述了两个半桥1811、1812，其在功率传输期间供应AC电压到谐振电路。可以在布置种使用更大数目的发射器线圈和电源电路，如图7所示。

在图18中，借助半桥1811、1812对发射器线圈Lx1、Lx2供电。此布置是用于解释目的。可以想到AC电压电源的其它布置（例如全桥布置或者A/B类模拟放大器）。

在图19中，示出用于探测发射器线圈1806和定位在发射器线圈1806中心的电极1909之间的电容的第二发射器电路1900的概述。

在另一实施例中，测量发射器线圈的自电容。因为其为平面线圈，如果具有电容属性的装置安置在发射器线圈上，自电容增大。例如通过测量发射器线圈的自谐振，可以测量自电容。如果自谐振减小低于预定义参照频率，装置被探测到。在本领域中已知测量自谐振的若干种方法。

在另一实施例中，发射器绕组***为绕组的内部分和外部分。两个部分同心地位于同一水平层内。它们通过开关（例如晶体管）而连接。如果开关断开，该布置变为电容布置，其中内部分和外部分被用作电极。如果具有电容属性的装置安置在该布置的顶部上，这些电极之间的容量增大。通过使用所描述的方法其中之一测量容量，装置可以被探测到。如果装置被探测到，开关闭合以与发射器线圈协作感应功率发射器。

在一实施例中，在频域中测量电容。所描述的实施例暗示在每个所涉及发射器线圈1806的端子处的两个电容Ck 1807。为了测量示例性地所示两个线圈之间的电容，如图18所示，两个线圈的端子按照相同方式连接。电容测量单元1813位于耦合电容器Ck 1807的结点。如图19所示，为了测量线圈与其中心的电极1909的电容，电容测量单元1813位于耦合电容器Ck 1807的接点与其中心的电极1909之间。优选地，测量频率不同于发射器线圈的工作频率。此处描述的方法使用低成本专用电容测量单元1813。

驱动器半桥加上附加电阻可以用于完成电容测量。借助可以包括继电器的复用器，解耦合在一个测量循环中被寻址的单独的线圈。通过提供AC电压到一个电容端子（其由第一绕组线圈给出），完成AC测量。借助发射器线圈驱动器生成AC频率。然而，高频，优选地在低MHz范围，合适于电容测量。因而必须验证频率限制或发射器线圈驱动器。

借助电容测量电路1813更精确地完成电容测量。此测量单元1813经由电容1807连接到发射器线圈。

串联电感Lr 1805将用于电容测量的高频与开关寄生电容Cds 1802解耦合。

当意味着某一电导率或者表现出高介电常数的对象安置在（多个）发射器线圈上或者从其移除时，两个线圈Lx1、Lx2之间，或者线圈Lx1，1806与其中心的电极1909之间的电容将改变。

按照图18和图19所示的方式连接线圈将提供电容耦合到绕组并且将避免由外部影响造成的干扰。

图18中由单元1813测量的电容指示接收线圈是否正覆盖（部分的）两个发射器线圈Lx1、Lx2。通过测量每个相邻对的发射器线圈Lx1、Lx2之间的电容，发射器可以计算接收线圈的位置，例如通过针对每个发射器单元朝其相邻发射器线圈对所测量的电容求和。只要接收线圈至少覆盖部分的两个发射器线圈（例如当接收线圈大于每个发射器线圈时），这种方法起作用。

图19中由单元1813测量的电容指示接收线圈是否正覆盖（部分的）发射器线圈与其中心的电极。这种方法直接指示接收线圈是否定位于发射器线圈上方，并且如果接收线圈正覆盖仅仅（一部分）一个发射器线圈，也可以应用该方法。

在另一示例性实施例中，通过应用脉冲或者阶梯函数到电容布置以在时域中测量电容，测量电极之间的容量。脉冲生成器连接到具有定义的串联电阻的电容布置。测量电极之间的电压。

在示例性实施例中，在电容布置放电之后，阶梯函数应用到电路。这可以通过脉冲来近似，该脉冲足够长而对于有可能会出现的所有情形被视为阶梯函数。此电压的上升时间和衰变时间依赖于电容布置的电容并且因此可以关联到对象在电容布置的电极之间的存在。通过使用比较器比较电极电压和参照电压，测量电极电压的上升时间。控制器可以测量从阶梯函数开始到比较器改变其输出时的时间。如果这个时间超过预定义值，装置被探测到。可以通过控制算法连续地调适参照值。

在另一示例性实施例中，在电容布置放电之后，应用定义的长度和幅值的脉冲。详细地，脉冲形状和长度选择为使得递送到电极的电荷数量严格定义。在应用脉冲之后，电极处的电压被测量并且与参照值比较。如果电容布置具有低电容（这对应于"在顶部上没有装置"），得到高的电压。如果具有电容属性的装置安置在该布置上，该布置具有高电容。于是得到低的电压。因而，如果所测量的电压低于参照值，装置被探测到。

另一实施例示于图20a、20b、20c。

如果具有高介电常数（但是没有接收线圈）的对象安置在（多个）发射器线圈上，所测量的电容的值也将变化。例如将钥匙安置在表面上也将影响线圈之间或者线圈与其中心的电极之间的电容。在所述两种情形中，发射器线圈将开始发射功率，因为安置在表面上的单元不是接收功率的有效单元。

为了区分和确认接收线圈，可以使用两种方法。

一种确认有效接收器的实施例利用接收器的介电材料属性。该实施例含有围绕或者至少在接收器下表面的专用材料，该专用材料具有定义的频率行为。这可以通过提供具有频率依存阻抗的（例如塑料的）外壳来实现。频率依存性可以通过利用德拜弛豫实现，该德拜弛豫为理想的无交互作用的偶极群对交变外部电场的介电弛豫响应。知晓接收线圈的外壳材料，则可以实施外壳的探测以及尤其是确认。在图21中示出宽的频率范围上的介电常数谱。示出介电常数的实部和虚部，并且描述各种过程：离子和偶极弛豫，以及原子和电子在更高能量谐振。知晓电子、原子、偶极和离子弛豫频率的具体频率，可以确认材料。使用专用材料，材料特定的弛豫频率可以设置为期望频率。优选地，在与线圈/功率传递工作的工作频率不同的频率完成确认。

确认有效接收器的另一实施例使用频率依存的介电常数，该介电常数将随频率变化而不利用德拜弛豫效应。通过将专用材料添加在接收线圈和外壳之间可以实现这一点。该设置示于图20a、20b、20c。

该***由发射器线圈阵列外壳2001组成，发射器线圈2002位于该外壳内。每个发射器线圈可选地由磁芯2004组成，该磁芯提高发射器线圈的磁通量特性。磁芯可以针对每个芯是单独的，或者可以实施公共的磁性背板。

在确认有效接收器的另一实施例中，接收器绕组2005嵌在并且电连接到具有定义的介电常数的材料2006。因而，接收器绕组充当电感/电容网络。等效电路示于图20b。

为了解释的目的，图中示出仅仅三个发射器线圈和一个接收线圈。然而，可以想到超过三个发射器线圈和/或接收线圈。该图逆时针旋转。

发射器线圈2002和电容测量单元2013、2014位于发射器外壳2001内。接收线圈2005位于接收器外壳2003内。每个绕组匝Lw具有定义的电容Cw，其总共确定特定谐振频率。相对于接收线圈的位置，第一绕组和第二绕组之间所测量的电容将不同于在第二和第三绕组之间测量的电容。仅仅绕组之间的电容测量是此实施例的一部分。改变测量频率将表现出所测量的电容的频率依存性。因为阻抗将相对于频率变化，可以将接收器的存在区别于安置在发射器阵列上的其它项的存在。特定频率依存性可以用作钥匙。如果不同类型的接收器（例如不同功率需求/特性）安置在发射器阵列上，就功率需求或充电需求而言它们可以被单独地确认和寻址。在此实施例中电容测量频率并且接收线圈的频率依存性变化的频率不同于当供应功率到接收线圈时的工作频率。

添加到接收线圈的电容可以小于串联电容，该串联电容可以附加地应用到接收线圈。因而，内嵌电容将不影响功率传输特性。

在上述概述中，测量装置的电容/频率依存性的单元连接在发射器线圈的绕组端子。可替换地，测量单元可以连接到每个发射器线圈的中心抽头。此概述示于图20c。

图22描述低待机功率架构2200。在此架构2200中，当发射器处于休眠状态（即待机模式）时，借助AC开关2202切断经常支配待机功耗的偏置电源2204。在该状态期间，仅仅控制器2208和探测电路2210从电容器2209中存储的能量供电。借助开关2205将这个子***与发射器电子器件其余部分分离，以确保仅仅这些两个部件从存储电容器2209供电。在控制器2208上运行的小程序定期检查例如电容器2209两端电压的其电源电压是否仍足够高。如果情况不是如此，开关2202、2205都短时间段闭合以对存储电容器2209再充电。以此方式，控制器2208和探测电路2210总是被供电，而***其余部分在大多数时间处于低功率休眠模式。

使用常闭合的开关2202、2205将减轻冷启动问题，即当发射器第一次连接到市电时，它将被完全供电直至控制器2208判定该***应进入休眠模式，即当装置不存在于发射器表面上时。

当被探测电子器件2210探测到的刺激2212应用到发射器时，该探测电子器件发送指示***2200应唤醒的信号到控制器2208，该***2200被唤醒。控制器2208随后将闭合开关2202、2205二者以对整个发射器电子器件供电。

应用的刺激2212应在无线功率发射器中指示接收器装置安置在发射器表面上。基于电容探测的刺激探测已经在先前实施例中描述。

图23示意性示出根据本发明的第一方面的方法的流程图。该方法由无线功率发射器执行从而探测接收器装置。无线功率发射器包括电容器的第一电极和电容器的第二电极。无线功率发射器还包括连接到任何一个该电极的探测电路***。该方法包括：步骤2302，应用电压到另一个该电极，以及步骤2304，通过探测电路***探测由该电极形成的电容器之间的电容变化。所探测的电容变化可以被看作与接收器装置有关的事件。该方法可以进一步包括：步骤2306，唤醒发射装置，该发射装置为无线功率发射器，使得发射装置被激活从而能够对接收器装置供电或者与接收器装置交流。换言之，发射器被激活。

图23也可以用于解释本发明的第三方面的方法2300。方法2300是一种利用发射器探测接收器的方法。发射器旨在以感应方式发射功率到接收器。发射器包括作为电极的第一发射线圈。电极与接地或者与接收器形成电容器。在方法2300的第一步骤2302，应用电压到电极。在方法2300的第二步骤2304，探测电容器的电容变化。

应注意，上述实施例说明而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多可替换实施例而不背离所附权利要求的范围。

在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应解读为限制权利要求。动词"包括"及其变形的使用不排除存在在权利要求中列举的元件或步骤以外的元件或步骤。元件前的冠词"一"或"一个"不排除存在多个这种元件。本发明可以借助包括若干不同元件的硬件，以及借助合适地编程的计算机来实施。在列举若干装置的设备权利要求中，若干这些装置可以由一个且同一项硬件实施。在互不相同的从属权利要求中提到某些措施的纯粹事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (13)

1.一种利用发射器（800）探测接收器（106，214，2311，2521）的方法（2600），其中该发射器（800）旨在以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521），该发射器（800）包括用于以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521）的第一发射线圈（218，704，810，1504），

该方法（2600）包括下述步骤：

在由该发射器（800）中的第一电极和第二电极形成的电容器（202，802）上应用（2602）电压，该第一发射线圈（218，704，810，1504）被用作该电容器（202，802）的第一电极，

通过探测（2604）该电容器（202，802）的电容变化而探测该接收器（106，214，2311，2521）。

2.根据权利要求1的方法（2600），其中该发射器（800）还包括用于以感应方式发射功率的第二发射线圈（702，812），其中该第二发射线圈（702，812）被用作该电容器（202，802）的第二电极（206，702，812，906，1506）。

3.根据权利要求1的方法（2600），其中该电容器（202，802）的第二电极（206，702，812，906，1506）定位在该第一发射线圈（218，704，810，1504）的中心。

4.根据权利要求1的方法（2600），其中该第一发射线圈（218，704，810，1504）的绕组包括绕组的内部分和绕组的外部分，其中该绕组的内部分为该第一电极（204，704，810，904，1504）并且该绕组的外部分为该第二电极（206，702，812，906，1506）。

5.根据权利要求1至4中任意一项的方法（2600），其中该发射器（800）包括由多个该第一电极和该第二电极对形成的多个电容器，该方法（2600）还包括下述步骤：

探测每一个所述多个电容器的电容变化，

依据哪个所述多个电容器的电容变化被探测到，确定该接收器（106，214，2311，2521）的位置。

6.根据权利要求1至4中任意一项的方法（2600），其中所探测的电容变化表明该接收器（106，214，2311，2521）邻近该发射器（800），以及其中该方法还包括下述步骤：

激活（2606）该发射器（800），使得该发射器（800）开始与该接收器（106，214，2311，2521）交流或者发射功率到该接收器（106，214，2311，2521）。

7.根据权利要求5的方法（2600），其中所探测的电容变化表明该接收器（106，214，2311，2521）邻近该发射器（800），以及其中该方法还包括下述步骤：

激活（2606）该发射器（800），使得该发射器（800）开始与该接收器（106，214，2311，2521）交流或者发射功率到该接收器（106，214，2311，2521）。

8.一种用于探测接收器（106，214，2311，2521）的发射器（800），该发射器（800）旨在以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521），该发射器（800）包括：

用于以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521）的第一发射线圈（218，704，810，1504），

第一单元（216），其用于在由该发射器（800）中的第一电极和第二电极形成的电容器（202，802）上应用电压，该第一发射线圈（218，704，810，1504）为该电容器（202，802）的第一电极，

探测电路***（212），其连接到该电容器（202，802）的第一电极和第二电极（204，206，702，704，810、812，904、906，1504，1506）以用于探测该电容器（202，802）的电容变化。

9.根据权利要求8的发射器（800），还包括用于以感应方式发射功率的第二发射线圈（702，812），其中该第二发射线圈（702，812）为该电容器（202，802）的第二电极（206，702，812，906，1506）。

10.根据权利要求8的发射器（800），其中该第二电极（206，702，812，906，1506）定位在该第一发射线圈（218，704，810，1504）的中心。

11.根据权利要求8至10中任意一项的发射器（800），其中所探测的电容变化表明该接收器（106，214，2311，2521）邻近该发射器（800），并且该发射器（800）包括第二单元以用于激活该发射器，使得该发射器（800）开始与该接收器（106，214，2311，2521）交流或者发射功率到该接收器（106，214，2311，2521）。

12.一种利用发射器（800）探测接收器的方法（2600），其中该发射器（800）旨在以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521），该发射器（800）包括用于以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521）的第一发射线圈（218，704，810，1504），该方法包括下述步骤：

在由电极和接地（222）形成的或者由该电极和该接收器形成的电容器（202，802）上应用（2602）电压，该第一发射线圈（218，704，810，1504）被用作该电容器（202，802）的电极，

探测（2604）该电容器的电容变化。

13.一种用于探测接收器（106，214，2311，2521）的发射器（800），该发射器（800）旨在以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521），该发射器（800）包括：

第一发射线圈，其用于以感应方式发射功率到该接收器（106，214，2311，2521），

第一单元（216），其用于在由电极和接地（222）形成的或者由该电极和该接收器形成的电容器（202，802）上应用电压，该第一发射线圈（218，704，810，1504）为该电容器（202，802）的电极，

探测电路***（212），其连接到该电极（220）以用于探测该电容器的电容变化。