CN102893532A - 无线电力***内的谐振检测和控制 - Google Patents

Abstract

示范性实施例是针对谐振频率调谐。一种装置可包括用于发射无线电力的线圈(L1)。所述装置可进一步包括根据以下操作中的至少一者来选择性地修改发射器的谐振频率的元件：将所述元件(cp)***到所述发射线圈中；以及将所述元件(L5)电感性地耦合到所述发射线圈。

Description

无线电力***内的谐振检测和控制

根据35U.S.C.§119主张优先权

本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张以下申请案的优先权：2010年5月13日申请的标题为“谐振检测与控制(RESONANCE DETECTION AND CONTROL)”的美国临时专利申请案61/334,523，其揭示内容的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及无线电力，且更具体来说，涉及与感测和控制无线电力***的谐振条件有关的***、装置和方法。

背景技术

正开发使用在发射器与待充电的装置之间的空中电力发射的方法。这些方法大体上属于两个类别。一个类别是基于介于发射天线与待充电的装置上的接收天线之间的平面波辐射(也被称作远场辐射)的耦合，所述待充电的装置收集所辐射电力且对其整流以用于对电池充电。天线一般具有谐振长度，以便改进耦合效率。此方法的缺点为电力耦合随着天线之间的距离增加而快速减退。因此，在合理距离(例如，＞1-2m)上的充电变为困难的。另外，由于***辐射平面波，所以如果未经由滤波来适当控制无意的辐射，则无意的辐射可干扰其它***。

其它方法是基于嵌入于(例如)“充电”垫或表面中的发射天线与嵌入于待充电的主机装置中的接收天线加上整流电路之间的电感耦合。此方法具有以下缺点：发射天线与接收天线之间的间隔必须非常接近(例如，几毫米)。尽管此方法具有对相同区域中的多个装置同时充电的能力，但此区域通常较小，因此用户必须将所述装置定位到特定区域。

所属领域的技术人员将明白，靠近发射器的金属物体的存在和/或不同数目的接收器的存在可能会使发射器失调。具有不处在谐振匹配的发射器和接收器的无线电力***可能效率很低，这可能会产生热的问题，且可能会增加充电需要的时间。

需要用以增强无线电力传送的方法、***和装置。更具体来说，需要用于使得无线电力***内的发射器和接收器能够保持在谐振匹配的方法、***和装置。

发明内容

附图说明

图1展示无线电力传送***的简化框图。

图2展示无线电力传送***的简化示意图。

图3说明用于本发明的示范性实施例中的环形天线的示意图。

图4为根据本发明示范性实施例的发射器的简化框图。

图5为根据本发明示范性实施例的接收器的简化框图。

图6说明包括发射器和接收器的常规无线电力***的电路图。

图7说明根据本发明示范性实施例的包括发射器和接收器的无线电力***的电路图。

图8A是根据本发明示范性实施例的图7的无线电力***的实施方案的说明。

图8B是根据本发明示范性实施例的一种配置中的图8A的无线电力***的实施方案的说明。

图8C是根据本发明示范性实施例的另一种配置中的图8A的无线电力***的实施方案的说明。

图9A是根据本发明示范性实施例的图7的无线电力***的另一实施方案的说明。

图9B是根据本发明示范性实施例的一种配置中的图9A的无线电力***的实施方案的说明。

图9C是根据本发明示范性实施例的另一种配置中的图9A的无线电力***的实施方案的说明。

图10为根据本发明示范性实施例的发射器的电路图。

图11A是根据本发明示范性实施例的图10的发射器的另一实施方案的说明。

图11B是根据本发明示范性实施例的一种配置中的图11A的发射器的实施方案的说明。

图11C是根据本发明示范性实施例的另一种配置中的图11A的发射器的实施方案的说明。

图12是说明根据放置在无线电路发射器的充电区中的移动电话的数目和位置的变化的无线电力发射器的电抗变化的史密斯圆图。

图13是说明无线电力发射器的功率放大器的电流电平相对于无线电力发射器的电抗的曲线图。

图14为说明根据本发明示范性实施例的方法的流程图。

图15为说明根据本发明示范性实施例的另一方法的流程图。

图16为说明根据本发明示范性实施例的又一方法的流程图。

具体实施方式

希望下文结合附图阐述的详细描述作为对本发明的示范性实施例的描述，且并不希望表示可实践本发明的仅有实施例。整个此描述内容中所使用的术语“示范性”表示“充当实例、例子或说明”，且未必应解释为比其它示范性实施例优选或有利。所述详细描述出于提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的而包括特定细节。所属领域的技术人员将明白，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形式来展示众所周知的结构和装置，以避免使本文中呈现的示范性实施例的新颖性模糊不清。

术语“无线电力”在本文中用以指在不使用物理电导体的情况下从发射器发射到接收器的与电场、磁场、电磁场或其它场相关联的任何形式的能量。

图1说明根据本发明的各种示范性实施例的无线发射或充电***100。将输入电力102提供到发射器104以供产生用于提供能量传送的场106。接收器108耦合到场106，且产生输出电力110以供由耦合到输出电力110的装置(未图示)储存或消耗。发射器104与接收器108两者隔开距离112。在一个示范性实施例中，根据相互谐振关系来配置发射器104与接收器108，且当接收器108位于辐射场106的“近场”中时，当接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率非常接近时，发射器104与接收器108之间的发射损耗为最小。

发射器104进一步包括用于提供用于能量发射的装置的发射天线114，且接收器108进一步包括用于提供用于能量接收的装置的接收天线118。根据应用和待与之相关联的装置来设计发射天线和接收天线的大小。如所陈述，通过将发射天线的近场中的大部分能量耦合到接收天线而非以电磁波形式将大部分能量传播到远场而进行有效能量传送。当处于此近场中时，可在发射天线114与接收天线118之间形成耦合模式。天线114和118周围可发生此近场耦合的区域在本文中称为耦合模式区。

图2展示无线电力传送***的简化示意图。发射器104包括振荡器122、功率放大器124和滤波器与匹配电路126。所述振荡器经配置以产生处于所要频率的信号，所述所要频率可响应于调整信号123来调整。可通过功率放大器124响应于控制信号125而以一放大量来放大振荡器信号。可包括滤波器与匹配电路126以滤除谐波或其它非所要的频率，且使发射器104的阻抗与发射天线114匹配。

接收器108可包括匹配电路132和整流器与切换电路134以产生DC电力输出，以对电池136(如图2所示)充电或对耦合到接收器的装置(未图示)供电。可包括匹配电路132以使接收器108的阻抗与接收天线118匹配。接收器108与发射器104可在单独通信信道119(例如，蓝牙、紫蜂、蜂窝式等)上通信。

如图3中所说明，示范性实施例中所使用的天线可配置为“环形”天线150，其在本文中也可称为“磁性”天线。环形天线可经配置以包括空气芯(air core)或物理芯(physical core)(例如，铁氧体芯)。空气芯环形天线可更好地容许放置于所述芯附近的外来物理装置。此外，空气芯环形天线允许其它组件放置于芯区域内。另外，空气芯环可更易于使得能够将接收天线118(图2)放置于发射天线114(图2)的平面内，在所述平面处，发射天线114(图2)的耦合模式区可更强大。

如所陈述，发射器104与接收器108之间的高效能量传送在发射器104与接收器108之间的匹配或接近匹配的谐振期间发生。然而，即使当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，也可以传送能量，但是效率可能受到影响。能量传送通过将来自发射天线的近场的能量耦合到驻留于建立了此近场的邻域中的接收天线而非将能量从发射天线传播到自由空间中而发生。

环形或磁性天线的谐振频率是基于电感和电容。环形天线中的电感一般仅为由所述环产生的电感，而一般将电容添加到环形天线的电感以在所要谐振频率下产生谐振结构。作为非限制性实例，可将电容器152和电容器154添加到所述天线，以形成产生谐振信号156的谐振电路。因此，对于较大直径的环形天线来说，诱发谐振所需的电容的大小随着环的直径或电感增加而减小。此外，随着环形天线或磁性天线的直径增加，近场的高效能量传送区域增加。当然，其它谐振电路是可能的。作为另一非限制性实例，电容器可并联放置于环形天线的两个端子之间。另外，所属领域的技术人员将认识到，对于发射天线，谐振信号156可为到环形天线150的输入。

图4为根据本发明的示范性实施例的发射器200的简化方框图。发射器200包括发射电路202和发射天线204。通常，发射电路202通过提供导致在发射天线204四周产生近场能量的振荡信号来将RF电力提供到发射天线204。请注意，发射器200可在任何合适频率下操作。举例来说，发射器200可在468.75KHz或ISM频带6.78Mhz或13.56Mhz下操作。

示范性发射电路202包括：固定阻抗匹配电路206，其用于使发射电路202的阻抗(例如，50欧姆)与发射天线204匹配；以及低通滤波器(LPF)208，其经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器108(图1)的装置的自干扰的电平。其它示范性实施例可包括不同滤波器拓扑(包括(但不限于)使特定频率衰减同时使其它频率通过的陷波滤波器)，且可包括自适应阻抗匹配，其可基于可测量的发射度量(例如，到天线的输出电力或由功率放大器汲取的DC电流)而变化。发射电路202进一步包括经配置以驱动如由振荡器212确定的RF信号的功率放大器210。发射电路可由离散装置或电路组成，或者可由集成组合件组成。来自发射天线204的示范性RF功率输出可为约2.5瓦。

发射电路202进一步包括控制器214，控制器214用于在特定接收器的发射阶段(或工作循环)期间启用振荡器212、用于调整所述振荡器的频率或相位，和用于调整用于实施通信协议(用于经由相邻装置的附接的接收器与相邻装置交互)的输出功率电平。如此项技术中众所周知，对发射路径中的振荡器相位和相关电路的调整允许减小带外发射，特别是在从一个频率转变成另一个频率时。

发射电路202可进一步包括用于检测作用中接收器在由发射天线204产生的近场附近的存在或不存在的负载感测电路216。举例来说，负载感测电路216监视流动到功率放大器210的电流，所述电流受作用中接收器在由发射天线204产生的近场附近的存在或不存在影响。由控制器214监视对功率放大器210上的加载的改变的检测，以用于确定是否启用振荡器212来用于发射能量以与作用中接收器通信。

发射天线204可用李兹线实施，或者实施为具有经选择以保持低电阻损耗的厚度、宽度和金属类型的天线条带。在常规实施方案中，发射天线204可一般经配置以与较大结构(例如，桌、垫、灯或其它较不便携的配置)相关联。因此，发射天线204通常将不需要“若干匝”以便具有实用尺寸。发射天线204的示范性实施方案可为“电学上较小的”(即，波长的分数)且经调谐以通过使用电容器界定谐振频率而在较低的可用频率下谐振。

发射器200可搜集和追踪关于可与发射器200相关联的接收器装置的行踪和状态的信息。因此，发射器电路202可包括连接到控制器214(在本文中还称作处理器)的存在检测器280、封闭检测器290，或其组合。控制器214可响应于来自存在检测器280和封闭检测器290的存在信号而调整由放大器210递送的电力的量。发射器可经由许多电源接收电力，所述电源例如为用以转换存在于建筑物中的常规AC电力的AC-DC转换器(未图示)、用以将常规DC电源转换成适合于发射器200的电压的DC-DC转换器(未图示)，或发射器可直接从常规DC电源(未图示)接收电力。

作为一非限制性实例，存在检测器280可为运动检测器，其用以感测***到发射器的覆盖区域中的待充电的装置的初始存在。在检测后，可开启发射器且可使用由装置接收的RF电力来以预定方式双态切换Rx装置上的开关，其又导致发射器的驱动点阻抗的改变。

作为另一非限制性实例，存在检测器280可为能够(例如)通过红外线检测、运动检测或其它合适手段来检测人类的检测器。在一些示范性实施例中，可能存在限制发射天线可在特定频率下发射的电力的量的规章。在一些情况下，这些规章意在保护人类免受电磁辐射影响。然而，可能存在发射天线放置于人类未占用的或人类不经常占用的区域(例如，车库、厂区、车间，等)中的环境。如果这些环境没有人类，则可能可准许将发射天线的功率输出增加到正常功率约束规章以上。换句话说，控制器214可响应于人类存在而将发射天线204的功率输出调整到管制水平或更低水平，且当人类在距发射天线204的电磁场管制距离之外时，将发射天线204的功率输出调整到高于管制水平的水平。

作为一非限制性实例，封闭检测器290(在本文中还可称作封闭隔间检测器或封闭空间检测器)可为例如感测开关的装置，以用于确定外罩何时处于闭合或打开状态中。当发射器在处于封闭状态的外罩中时，可增加发射器的功率电平。

在示范性实施例中，可使用发射器200不会无限期地保持开启的方法。在此情况下，发射器200可经编程以在用户确定的时间量后关闭。此特征防止发射器200(尤其是功率放大器210)在其周边的无线装置充满后长时间运行。此事件可能归因于用以检测从中继器或接收线圈发送的指示装置充满的信号的电路的故障。为了防止发射器200在另一装置放置于其周边时自动停止运转，可仅在检测到其周边缺少运动的设定周期后激活发射器200自动关闭特征。用户可能能够确定不活动时间间隔，且在需要时改变所述不活动时间间隔。作为一非限制性实例，所述时间间隔可比在假定特定类型的无线装置最初完全放电的情况下充满所述装置所需的时间间隔长。

图5为根据本发明的示范性实施例的接收器300的简化框图。接收器300包括接收电路302和接收天线304。接收器300进一步耦合到装置350以向装置350提供所接收的电力。应注意，将接收器300说明为在装置350外部，但其可集成到装置350中。通常，能量是无线传播到接收天线304，且接着经由接收电路302耦合到装置350。

接收天线304经调谐以在与发射天线204(图4)相同的频率下，或在指定的频率范围内谐振。接收天线304可与发射天线204类似地设计尺寸，或可基于相关联装置350的尺寸来不同地设计大小。举例来说，装置350可为具有比发射天线204的直径或长度小的直径或长度尺寸的便携式电子装置。在此实例中，接收天线304可实施为多匝天线，以便减少调谐电容器(未图示)的电容值，且增加接收天线的阻抗。举例来说，接收天线304可放置于装置350的实质圆周周围，以便最大化天线直径并减小接收天线的环匝(即，绕组)的数目和绕组间电容。

接收电路302提供与接收天线304的阻抗匹配。接收电路302包括用于将接收到的RF能源转换为供装置350使用的充电电力的电力转换电路306。电力转换电路306包括RF-DC转换器308且还可包括DC-DC转换器310。RF-DC转换器308将在接收天线304处接收到的RF能量信号整流为非交变电力，而DC-DC转换器310将经整流的RF能量信号转换为与装置350兼容的能量电位(例如，电压)。预期各种RF-DC转换器，包括部分和全整流器、调节器、桥接器、倍增器以和线性和切换转换器。

接收电路302可进一步包括用于将接收天线304连接到电力转换电路306或者用于断开电力转换电路306的切换电路312。将接收天线304与电力转换电路306断开不仅中止对装置350的充电，而且还改变发射器200(图2)所“看到”的“负载”。

如上文所揭示，发射器200包括负载感测电路216，负载感测电路216检测提供到发射器功率放大器210的偏压电流的波动。因此，发射器200具有用于确定接收器何时存在于发射器的近场中的机制。

当多个接收器300存在于发射器的近场中时，可能需要对一个或一个以上接收器的加载和卸载进行时间多路复用，以使其它接收器能够更高效地耦合到发射器。也可掩盖接收器，以便消除到其它近旁接收器的耦合或减少近旁发射器上的加载。接收器的此“卸载”在本文中也称为“掩盖”。此外，如下文更充分地阐释，由接收器300控制且由发射器200检测的卸载与加载之间的此切换提供从接收器300到发射器200的通信机制。另外，一协议可与所述切换相关联，所述协议使得能够将消息从接收器300发送到发射器200。举例来说，切换速度可为约100微秒。

在示范性实施例中，发射器与接收器之间的通信指代装置感测和充电控制机制，而非常规双向通信。换句话说，发射器使用所发射的信号的开/关键控，以调整近场中的能量是否可用。接收器将这些能量改变解译为来自发射器的消息。从接收器侧，接收器使用接收天线的调谐与解调谐来调整正从近场接收到的电力的量。发射器可检测来自近场的所使用的电力的此差异，且将这些改变解译为来自接收器的消息。请注意，可利用对发射电力和负载行为的其它形式的调制。

接收电路302可进一步包括用以识别接收到的能量波动的信令检测器与信标电路314，所述能量波动可对应于从发射器到接收器的信息性信令。此外，信令与信标电路314还可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射，并将所述减少的RF信号能量整流为标称电力，以用于唤醒接收电路302内的未供电或耗尽电力的电路，以便配置接收电路302以进行无线充电。

接收电路302进一步包括用于协调本文所描述的接收器300的处理(包括对本文所描述的切换电路312的控制)的处理器316。对接收器300的掩盖也可在其它事件(包括检测到向装置350提供充电电力的外部有线充电源(例如，壁式/USB电力))的发生之后即刻发生。除了控制对接收器的掩盖外，处理器316还可监视信标电路314以确定信标状态，并提取从发射器发送的消息。处理器316也可为了获得改进的性能而调整DC/DC转换器310。

如本文中所述的本发明的各种示范性实施例涉及用于调谐发射器的谐振频率的***、装置和方法。根据一个示范性实施例，发射器可经配置以选择性地包括用于将发射器的谐振频率调谐到所要频率的一个或一个以上电抗元件。此外，根据另一示范性实施例，发射器可电感性地与发射器内的一个或一个以上寄生线圈耦合，以用于将发射器的谐振频率调谐到所要频率。根据又一示范性实施例，发射器可与一个或一个以上寄生线圈耦合，其中所述一个或一个以上寄生线圈可包括一个或一个以上电抗元件，以用于将发射器的谐振频率调谐到所要频率。此外，根据另一示范性实施例，发射器的功率放大器的DC电流可用于感测无线电力***的谐振频率条件。

图6说明包括发射器602和接收器604的常规无线电力***600的电路图。发射器600包括发射线圈603，发射线圈603具有电感器L1。电阻器R1表示发射线圈603的寄生电阻。此外，电容器C1可包含匹配电容器。仅举例来说，发射线圈603可模型化为理想电感器L1和寄生电阻R1。此外，电容器C1可用于调谐发射线圈03以用于谐振匹配目的。仅举例来说，电容器C1可包含27.8pF的电容，电感器L1可具有5μH的电感，且电阻器R1可具有5欧姆的电阻。接收器604包括具有电感器L2和寄生电阻(即，电阻器R2)的接收线圈605。接收线圈605可通过电容器C2来调谐，且可耦合到负载，所述负载由电阻器r2来表示。仅举例来说，电容器C2可包含27.8pF的电容，电感器L2可具有5μH的电感，电阻器R2可具有5欧姆的电阻，且发射器600的频率可包含13.56MHz。所属领域的技术人员将明白，在谐振时：

(1)jwL₁＝1/(jwC₁)；

此外，看向发射线圈603中的阻抗(Z_in)可由以下方程给出：

(2)Z_in＝(Mw₀)²/(R₂+r₂)；

其中M是位于发射线圈603与接收线圈605之间的互电感，w₀是以弧度为单位的频率，且r₂是接收器604的负载。

图7为根据本发明示范性实施例的无线电力***610的电路图。无线电力***610包括接收器604，接收器604具有包括电感器L2和电阻器R2的接收线圈605。接收线圈可通过电容器C2来调谐。仅举例来说，电容器C2可包含27.8pF的电容，电感器L2可具有5μH的电感，且电阻器R2可具有5欧姆的电阻。无线电力***610还包括具有发射线圈612的发射器611。发射线圈612包括电感器L1和电阻器R1，且可通过电容器C1来调谐。仅举例来说，电容器C1可包含27.8pF的电容，电感器L1可具有5μH的电感，且电阻器R1可具有5欧姆的电阻。此外，发射线圈612包括电抗元件(即，电容器Cp)，其一侧耦合到电阻器R1，且另一侧耦合到接地电压617。此外，电抗元件Cp与开关620并联。请注意，术语“开关”可包含任何合适且已知的开关元件。在开关620闭合时，看向发射线圈中的阻抗(Z_in)可由以下方程给出：

(3)Z_in＝R₁+(Mw₀)²/(R₂+r₂)；

其中M是位于发射线圈612与接收线圈605之间的互电感，w₀是以弧度为单位的频率，且r₂是接收器604的负载。

在开关620断开时，看向发射线圈中的阻抗(Z_in)可由以下方程给出：

(4)Z_in＝Z_ino+1/(jwC_P)；

其中Z_ino是在开关闭合时看向发射线圈中的阻抗。

仅举例来说，针对看向发射线圈中的阻抗(Z_in)的百分之二(2％)的变化，电容器Cp可等于电容器C1的值的五十倍(即，Cp＝50*C1)。

图8A说明根据本发明示范性实施例的开关620的预期特定实施方案。如所说明，开关620(参看图7和8A)可包含晶体管M1，晶体管M1的漏极耦合到电抗元件Cp的一侧，源极耦合到电抗元件Cp的另一侧，栅极耦合到控制信号622。图8B说明在开关620处于闭合配置时发射线圈612的部分电路表示，其中电阻R_DS是晶体管M1的漏极-源极电阻。图8C说明在开关620处于断开配置时发射线圈612的部分电路表示，其说明体二极管和电容C_DS，电容C_DS是晶体管M1的漏极-源极电容。仅举例来说，假设开关620(即，晶体管)的峰值电压在0.7伏，且开关620断开，则给出以下方程：

(5) $V_{C_p}=V_{\mathrm{FET}}=0.7V_{\mathrm{peak}}=0.5V_{\mathrm{rms}};$

(6) $I_{\mathrm{IN}}=V_{C_P}/X_{C_P}=0.059A_{\mathrm{rms}};$

(7)P_load＝I_IN*I_IN*Z_IN＝0.059W_rms；

所属领域的技术人员将了解，晶体管的体二极管可在较高功率下导通，且因此电抗元件Cp可被短路。因此，依据组件变量，单个晶体管(即，单个FET)可限于较低功率(例如，0.0625W)。这可能对于需要较高功率的***来说不够。

图9A说明根据本发明示范性实施例的开关620的另一预期特定实施方案。如所说明，开关620可包含多个晶体管(例如，FET)。更具体来说，开关620可包含第一晶体管M2，第一晶体管M2的漏极耦合到电抗元件Cp的一侧，且源极耦合到第二晶体管M3的源极。此外，第二晶体管M3的漏极耦合到电抗元件Cp的另一侧。第一晶体管M2和第二晶体管M3中的每一者的栅极耦合到控制信号650。图9B说明在开关620处于闭合配置(即，晶体管M2和M3两者都闭合)时发射线圈612的部分电路表示，其中电阻2R_DS是晶体管M2的漏极-源极电阻与晶体管M3的漏极-源极电阻的组合。图9C说明在开关620处于断开配置(即，晶体管M2和M3两者都断开)时发射线圈612的部分电路表示。图9C的电路表示包括体二极管662和664，每一晶体管M2和M3一个，所述电路表示还包括两个漏极-源极电容C_DS，每一晶体管M2和M3一个。同样，假设

$V_{C_{\mathrm{DS}}}=0.7V_{\mathrm{peak}}=0.5V_{\mathrm{rms}}:$

(8) $V_{C_p}=2*V_{C_{\mathrm{DS}}}=1.0V_{\mathrm{rms}};$

(9) $I_{\mathrm{IN}}=I_{C_P}=V_{C_P}/X_{C_P}=0.118A;$

(10)P_load＝I_IN*I_IN*Z_IN＝0.237W_rms；

所属领域的技术人员将了解，电压峰值仍可引起晶体管的体二极管导通，然而，仅电容C_DS可被短路，而不是电抗元件Cp。

图10说明根据本发明另一示范性实施例的包括发射线圈753和寄生线圈754的发射器752的电路图。请注意，寄生线圈754可位于无线电力充电器的任何合适位置中(例如，在充电垫的边缘处)。发射线圈753包括电感器L1和电阻器R1，且可通过电容器C1来调谐。寄生线圈754包括电感器L_S、电阻器R_LS、电容器C_DC和耦合在电容器C_DC与接地电压756之间的开关760。仅举例来说，电容器C_DC可包含100nF的电容，电感器L_S可具有0.4μH的电感，且电阻器R_LS可具有等于或小于0.2欧姆的电阻。开关760可包含一个或一个以上晶体管。举例来说，参看图11A，开关760包含晶体管M4。图11B说明寄生线圈754的电路表示，其中开关760处于闭合配置。如图11B中说明，开关760包括电容C_DS和电阻R_DS。图11C说明寄生线圈754的电路表示，其中开关760处于断开配置。如图11C中说明，开关760包括电容C_DS和体二极管。

在开关760闭合时，发射线圈753上的自电感可减小，且看向发射线圈中的阻抗(Z_in(TX))可用以下方程来给出：

(11) $Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{TX}\right)=R1+{\left(M_S{w}_0\right)}^2/({\mathrm{jw}}_0{L}_S+R_{\mathrm{LS}}+R_{S_1});$

其中M_S是发射线圈753与寄生线圈754之间的互电感，且

是开关的电阻720。

另外，在开关760断开时，看向发射线圈中的阻抗(Z_in(TX))可由以下方程给出：

(12) $Z_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{TX}\right)=R1+{\left(M_S{w}_0\right)}^2/(j{w}_0{L}_S+R_{\mathrm{LS}}+X_{C_{\mathrm{DS}}});$

请注意，可起初在开关760处于闭合配置的情况下调谐具有寄生线圈754的无线电力***。此后，当将装置(例如，移动电话)添加到发射器752的充电区时，开关760可断开以增加发射器752的自电感。

此外，根据本发明的另一示范性实施例，可将一个或一个以上电抗元件(例如，电容器)切换到寄生线圈754上或中，以便使得寄生线圈自谐振。可用类似于如何将电抗元件切换到发射线圈612上的方式将电抗元件切换到寄生线圈754上或中，如上文参看图7到8C所述。请注意，无线电力发射器可包括：发射线圈，其经配置以具有在其上切换的至少一个电抗元件；寄生线圈，其用于与发射线圈电感耦合；寄生线圈，其用于与发射线圈电感性地耦合且经配置以具有在其上切换的至少一个电抗元件；或其组合。

根据本发明的另一示范性实施例，可感测无线电力***(包括无线电力发射器和一个或一个以上无线电力接收器)的谐振条件。更具体来说，在将任何装置定位于无线电力发射器的充电区内之前，且当无线电力***的电抗为零时，可感测功率放大器处的电流以确定最优的基线电流电平。此后，在将一个或一个以上装置定位于无线电力发射器的充电区内时，但在装置汲取电力之前，可感测功率放大器处的电流。此后，可根据上文参照图7到11所述的示范性实施例中的一者或一者以上来调整发射器的谐振频率，以将所测量的电流调整到类似于基线电流，且因此使得无线电力***的谐振尽可能接近零。

举例来说，图12是说明根据放置在无线电力发射器的充电区内的移动电话的数目和位置的变化的无线电力发射器的电抗变化的史密斯圆图850。数据点852说明不具有定位在相关联的充电区内的移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值是+j16。数据点854说明具有靠近相关联的充电区的中间定位的一个移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值是+j10。数据点856说明具有靠近相关联的充电区的边缘定位的一个移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值是+j5.5。数据点858说明具有靠近相关联的充电区的中间定位的两个移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值为零。数据点860说明具有靠近相关联的充电区的边缘定位的两个移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值是-j6。数据点862说明具有靠近相关联的充电区的中间定位的三个移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值是-j8。数据点864说明具有靠近相关联的充电区的边缘定位的三个移动电话的无线电力发射器的电抗。在此实例中，电抗值是-j14。因此，对于此实例，电抗值大概在+j16到-j15的范围内。

图13是说明无线电力发射器的功率放大器(例如，图4的功率放大器210)处的电流电平相对于无线电力发射器的电抗的曲线图900。请注意，曲线图900描绘功率放大器针对图12中说明的移动电话的数目和位置的变化的电流电平。如曲线图900中说明，电流电平在从-j20到+j25的电抗范围910上是单调的。

因此，具体参照曲线图900，作为一实例，如果如上所述的基线电流经测量为0.15安培，且在一个或一个以上装置定位于无线电力发射器的充电区内时但在装置汲取电力之前感测到的电流高于基线电流(例如，在此实例中为0.15安培)，则可确定电抗小于零。因此，可根据上文参照图7到11所述的实施例中的一者或一者以上来调整电抗，以减小测量到的电流且因此使电抗更接近零。另一方面，如果在一个或一个以上装置定位于无线电力发射器的充电区内时但在装置汲取电力之前感测到的电流小于基线电流(例如，在此实例中为0.15安培)，则可确定电抗大于零。因此，可根据上文参照图7到11描述的实施例中的一者或一者以上来调整电抗，以增加测量到的电流且因此使电抗更接近零。

请注意，电流为单调的此电抗范围可取决于发射器内的一个或一个以上线圈的电感器和电阻器的值以及发射器内的线圈之间的互电感。此外，电抗范围可取决于发射器的功率放大器的匹配电路。请进一步注意，当使用一个或一个以上切换元件(即，开关620和760)来改变虚数部分时，可能实数部分(即，损耗)未实质性改变，且因此切换元件可能不会较大地增加固有发射线圈损耗。

图14是说明根据一个或一个以上示范性实施例的另一方法900的流程图。方法900可包括用发射器来无线发射能量(由数字902描绘)。方法900可进一步包括将至少一个电抗元件切换到发射器的发射线圈上以调谐发射器的谐振频率(由数字904描绘)。

图15是说明根据一个或一个以上示范性实施例的另一方法910的流程图。方法910可包括用发射器来无线发射能量(由数字912描绘)。方法910可进一步包括将发射器的发射线圈与发射器的寄生线圈电感性地耦合，以调谐发射器的谐振频率(由数字914描绘)。

图16是说明根据一个或一个以上示范性实施例的另一方法920的流程图。方法920可包括用发射器来无线发射能量(由数字922描绘)。方法920可进一步包括通过以下操作中的至少一者来调谐发射器的谐振频率：将至少一个电抗元件切换到发射器的发射线圈中；以及将发射线圈与发射器的寄生线圈电感性地耦合(由数字924描绘)。

请注意，根据本文中所述的各种示范性实施例的电池可具有内部无线充电能力，从而不需要公共充电站处的电池型号专有的物理电连接。此外，如本文中所述，电子装置可具有嵌入其中的第二电池，以用于在对可装卸电池进行充电时继续使用电子装置。此外，电子装置的用户可具有备用的可装卸电池，以用于在对第一电池进行充电时使用。或者，用户可随身将装置保持在关机状态，以用于在对较低值电池进行充电时保障安全。

所属领域的技术人员将了解，可使用多种不同技术和技艺中的任一者来表示信息和信号。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示可在整个以上描述中参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和码片。

所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文所揭示的示范性实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚地说明硬件与软件的此互换性，上文已大致关于其功能性而描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。所述功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个***的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同的方式实施所描述的功能性，但此些实施方案决策不应被解释为导致与本发明的示范性实施例的范围的偏离。

可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件，或其经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合来实施或执行结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路。通用处理器可为微处理器，但在替代方案中，处理器可为任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器，或任何其它此类配置。

结合本文中所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中或所述两者的组合中。软件模块可驻留于随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM (EEPROM)、寄存器、硬盘、可装卸磁盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将示范性存储媒体耦合到处理器，使得所述处理器可从存储媒体读取信息以及将信息写入到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。处理器和存储媒体可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代方案中，处理器和存储媒体可作为离散组件驻留于用户终端中。

在一个或一个以上示范性实施例中，所描述的功能可实施于硬件、软件、固件或其任一组合中。如果实施于软件中，则可将功能作为一个或一个以上指令或代码而存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体进行传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体与通信媒体两者，通信媒体包括促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。举例来说(且并非限制)，所述计算机可读媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于载运或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且，可恰当地将任何连接称作计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电和微波的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外线、无线电和微波的无线技术包括于媒体的定义中。如本文中所使用，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘使用激光光学地再现数据。以上各者的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。

提供所揭示的示范性实施例的先前描述以使任何所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。对这些示范性实施例的各种修改对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文所界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并不希望限于本文中所展示的示范性实施例，而是将赋予本发明与本文中所揭示的原理和新颖特征相一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种发射器，其包含：

发射线圈，其经配置以发射无线电力；以及

经配置以根据以下操作中的至少一者来选择性地修改所述发射器的谐振频率的元件：将所述元件***到所述发射线圈中；以及将所述元件电感性地耦合到所述发射线圈。

2.根据权利要求1所述的发射器，所述元件包含寄生天线和电抗元件中的一者。

3.根据权利要求2所述的发射器，所述至少一个电抗元件包含电容器。

4.根据权利要求2所述的发射器，其进一步包含经配置以进行以下操作中的一者的至少一个切换元件：将所述电抗元件切换到所述发射线圈中；以及闭合寄生线圈的环。

5.根据权利要求4所述的发射器，所述至少一个切换元件与所述发射线圈串联，且与所述至少一个电抗元件并联。

6.根据权利要求4所述的发射器，所述至少一个切换元件包含多个晶体管，所述多个晶体管中的每一晶体管具有耦合到所述至少一个电抗元件的漏极。

7.根据权利要求4所述的发射器，所述寄生线圈包含理想电感器和寄生电阻器，且经配置以通过电容器来调谐，所述切换元件耦合在所述电容器与接地电压之间。

8.根据权利要求2所述的发射器，所述寄生线圈进一步包含与所述切换元件并联的至少一个电抗元件。

9.根据权利要求8所述的发射器，所述至少一个电抗元件经配置以使得所述寄生线圈自谐振。

10.一种方法，其包含：

用发射器无线发射能量；以及

通过以下操作中的至少一者来调谐所述发射器的谐振频率：将至少一个电抗元件切换到所述发射器的发射线圈中；以及将所述发射线圈与所述发射器的寄生线圈电感性地耦合。

11.根据权利要求10所述的方法，将至少一个电抗元件切换到发射线圈中包含断开与所述至少一个电抗元件并联的切换元件。

12.根据权利要求10所述的方法，将至少一个电抗元件切换到发射线圈中包含断开与所述至少一个电抗元件并联的多个晶体管。

13.根据权利要求10所述的方法，其进一步包含：

感测所述发射器处的基线电流；

在至少一个无线电力接收器处在所述发射器的充电区内时感测所述发射器处的另一电流；以及

在将至少一个电抗元件切换到所述发射线圈中之前将所述基线电流与所述另一电流进行比较。

14.根据权利要求10所述的方法，电感性地耦合包含将所述发射线圈与包含耦合在电容器与电感器之间的电阻器的所述寄生线圈电感性地耦合。

15.根据权利要求10所述的方法，电感性地耦合包含闭合切换元件以在所述寄生线圈上形成环，以减少所述发射线圈的自电感。

16.根据权利要求10所述的方法，电感性地耦合进一步包含将至少一个电抗元件切换到所述寄生线圈中以使得所述寄生线圈谐振。

17.一种装置，其包含：

用于用发射器无线发射能量的装置；以及

用于通过以下操作中的至少一者来调谐所述发射器的谐振频率的装置：将至少一个电抗元件切换到所述发射器的发射线圈中；以及将所述发射线圈与所述发射器的寄生线圈电感性地耦合。

18.根据权利要求17所述的装置，其进一步包含用于断开与所述至少一个电抗元件并联的切换元件以调谐所述发射器的所述谐振频率的装置。

19.根据权利要求17所述的装置，其进一步包含：

用于感测所述发射器处的基线电流的装置；

用于在至少一个无线电力接收器处在所述发射器的充电区内时感测所述发射器处的另一电流的装置；以及

用于在将至少一个电抗元件切换到发射线圈中之前将所述基线电流与所述另一电流进行比较的装置。

20.根据权利要求17所述的装置，其进一步包含用于闭合切换元件以在所述寄生线圈上形成环以减少所述发射线圈的自电感的装置。

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