CN107112787A - 感应功率发射器 - Google Patents

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路易斯·弗里斯·哈珀姆
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Abstract

一种用于感应功率发射器的物体检测***(200)，包括：励磁线圈(202)；检测线圈(204)；该***被布置成响应于将激励电流施加到励磁线圈(202)而在检测线圈(204)处确定复阻抗的测量值；该***还被布置为使用复阻抗的测量值来检测物体的存在和物体的类型。

Description

感应功率发射器
技术领域
本发明总体而言涉及一种感应功率发射器，具体地，但非排他地，涉及一种用于感应功率传输***的感应功率发射器。
背景技术
IPT***是已知技术(例如，电动牙刷的无线充电)和发展中技术(例如，在“充电垫”上的手持设备的无线充电)的公知领域。通常，功率发射器从一个发射线圈或多个发射线圈产生时变磁场。该磁场在功率接收器中合适的接收线圈中感应出交流电，然后该交流电可以用于对电池充电，或为设备或其它负载供电。
关于用于手持设备的无线充电的IPT***，具体地，将无线功率仅传输到接收器设备而不是所谓的异物是重要的，所述异物可以被定义为位于充电垫(例如，界面表面)上的任何物体，但不是接收器设备的一部分。这种异物的典型示例是含有金属(诸如硬币、钥匙、曲别针等)的寄生元件。例如，如果寄生金属接近有源IPT区域，则在功率传输期间寄生金属可以因振荡磁场造成的涡流而升温。为了防止这种寄生金属的温度上升到不可接受的水平，功率发射器应该能够区分功率接收器和异物，并且及时中止功率传输。
在界面表面上检测异物升温的常见方式使用功率损耗法。在该方法中，接收的功率PPR被用于指示由于由功率发射器产生的磁场而在手持设备中包含的功率接收器内耗散的功率的总量。接收功率等于来自功率接收器的输出端的可用的功率加上在产生该输出功率时损耗的任何功率。功率接收器将其PPR传送到功率发射器，使得功率发射器可以判断功率损耗是否在可接受的设定范围内，如果不是，则功率发射器确定可以指示异物的存在的异常行为并且中止功率传输。然而，这种功率损耗核算方法本身并不提供实际的异物检测，只是提供非预期行为的发生的实际检测。
相比之下，国际专利公开号WO2014/095722提出一种异物检测方法，该方法使用在发射器内的与初级IPT发射器线圈分开的励磁线圈和检测线圈。在这种情况下，检测绕组中的输出电压的变化或检测绕组的电感的变化用于确定可能的物体存在。然而，该***需要复杂的校准来确定基础电感。它还对金属物体与铁质物体或磁性物体不敏感，因此不提供用于区分异物和友好物体(例如，接收器设备)的方式。也没有考虑或表征初级IPT场的操作对检测的任何不良影响，使得所提出的方法可能是不可靠的。
本发明的目的是为公众提供有用的选择。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供一种感应功率发射器，包括：
至少一个发射线圈，其被配置成产生感应功率传输(IPT)场；以及
物体检测***，其被配置为检测在IPT场中或邻近IPT场的物体；
其中，物体检测***与IPT场实质去耦合。
公认的是在不同的管辖范围下，术语“包括”、“包括了”和“包括有”可以被归因于排他性含义或包容性含义。为了本说明书的目的，除非另外注明，否则这些术语意在具有包容性含义-即，它们将被视为包括使用直接引用的所列组件，以及可能还包括其它未指定的组件或元件。
在本说明书中对任何文件的引用并不构成承认它是现有技术或它形成公知常识的一部分。
附图说明
结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与上面给出的本发明的一般描述以及下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1是感应功率传输***的示意图；
图2是物体检测***的框图；
图3是双OD线圈的示意图；
图4是单个OD线圈的示意图；
图5是另一个双OD线圈的示意图；
图6是传输线圈布置的示意图；
图7是示出在铁素体周围交错的OD线圈和IPT线圈的示意图；
图8是基于PCB的OD线圈的横截面；
图9是由使用IPT铁素体的励磁线圈产生的磁通线的模拟；
图10A是检测算法的流程图；
图10B是另一个检测算法的流程图；
图11是励磁线圈驱动器的示意图；
图12是励磁线圈驱动器的电路图；
图13是检测器的示意图；
图14是多路复用器的电路图；
图15是混频器的电路图；以及
图16是另一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1整体上示出感应功率传输(IPT)***1。IPT***包括感应功率发射器2和感应功率接收器3。感应功率发射器2连接到适当的电源4(诸如市电或电池)。感应功率发射器2可以包括发射器电路，所述发射器电路具有一个或更多个转换器5(例如，AC-DC转换器(取决于所使用的电源的类型))和逆变器6(例如，连接到该转换器5(如果存在))。逆变器6将AC信号供给一个发射线圈或多个发射线圈7，使得一个发射线圈或多个发射线圈7产生交变磁场。在一些配置中，发射线圈7也可以被认为与逆变器5分开。一个发射线圈或多个发射线圈7可以并联连接或串联连接到电容器(未示出)，以创建谐振电路。
控制器8可以连接到感应功率发射器2的每个部分。控制器8从感应功率发射器2的每个部分接收输入并且产生控制每个部分的操作的输出。控制器8可以被实现为单个单元或单独的单元，其被配置为根据其能力控制感应功率发射器2的各个方面，包括例如：功率流、调谐、选择性地对发射线圈供能、感应功率接收器检测和/或通信。控制器8可以内部地包括用于储存测量数据和计算数据的存储器，或者可以连接到用于此目的的外部存储器。
感应功率接收器3包括连接到接收器电路的一个接收线圈或多个接收线圈9，所述接收器电路可以包括进而向负载11供电的功率调整电路10。当感应功率发射器2和感应功率接收器3的线圈适当地耦合时，由一个发射线圈或多个发射线圈7产生的交变磁场在一个接收线圈或多个接收线圈9中感应出交流电。功率调整电路10被配置为将感应电流转换成适合于负载11的形式，并且可以包括例如功率整流器、功率调节电路或两者的组合。一个接收线圈或多个接收线圈9可以并联连接或串联连接到电容器(未示出)，以创建谐振电路。在一些感应功率接收器中，接收器可以包括控制器12，所述控制器12可以控制一个接收线圈或多个接收线圈9的调谐、功率调整电路10的操作和/或通信。
术语“线圈”可以包括其中电流产生磁场的导电结构。例如，感应“线圈”可以是三维形状或二维平面形状的导电线、在多个PCB“层”之上使用印刷电路板(PCB)技术制造成三维形状的导电材料以及其它类似线圈的形状。术语“线圈”(单数或复数)的使用并不意味着在这个意义上是限制性的。根据应用可以使用其它配置。
图2示出示例性发射器2。逆变器6为发射线圈7供电以产生IPT场。物体检测(OD)电路200包括用于产生与IPT场分开的检测(OD)场的一个励磁线圈或多个励磁线圈202以及用于在发射器2上或邻近发射器2感测物体的存在和/或位置的一个检测线圈或多个检测线圈204。发射器2的控制器8可以直接地或经由单独的控制电路被配置成确定要提供给励磁线圈202的激励以及处理来自检测线圈204的输出信号。
根据应用要求，其可以包含单个励磁线圈和检测线圈阵列、励磁线圈阵列和单个检测线圈、励磁线圈阵列和检测线圈阵列、使用单个线圈来激励和检测二者、和/或使用IPT线圈作为励磁线圈(以及使用IPT频率或将激励信号调制到IPT场上)。
在一个实施例中，检测技术可以被认为是一种磁性视觉***的形式，其通过将激励信号传输到功率接收器(或在检测场中的其它导电物体)而工作，然后激励信号被反向散射到连续监测或定期监测的传感器阵列。激励信号的反向散射的强度和延迟被测量，并且可以在跨阵列上的每个位置处被分别分析。然后在IPT场中或在发射器表面上，其可以用于检测物体(友好物体和异物两者)并且跟踪这些物体(诸如多个接收器)的位置和/或移动。其还可以能够检测与友好物体(诸如功率接收器的接收线圈)重叠的异物。
利用足够的孔径来构造检测阵列，使得其分辨率足以用于感知或“看见”以及定位显著异物，从而能够识别一个或更多个电话又或平板电脑或便携式PC或其它便携式再充电设备的存在和位置。
一个或更多个实施例可以依赖直接或间接地确定(至物体或是在励磁线圈与检测器线圈之间的)能量的传输，而不是反射。换言之，在励磁线圈、物体和/或检测器线圈之间的耦合系数用于确定物体(例如：异物(或友好物体))的性质和/或位置。
与IPT场去耦合
OD场用于检测物体，而IPT场用于在电子设备之间无线传输有意义的功率电平。因此，IPT场的功率比OD场高几个数量级，使得为了在功率传输期间有效地操作物体检测装置，可以期望使OD场与IPT场实质去耦合。现在描述实现这种去耦合的多种方法。在这种方法中，IPT场的操作对检测的任何不良影响被最小化，从而使得本发明的检测方法更加可靠和鲁棒。
可以产生OD场，以便具有比用于IPT场的频率显著更高的频率或更低的频率。由于在物体中建立共振的可能性，这可以允许与IPT场的频率隔离以及增加物理小物体(诸如硬币)的灵敏度。对于IPT的常见应用，其中IPT场具有约110kHz到约205kHz的工作频率，可以使用在MHz区域中较高的OD场频率(诸如约1MHz)或在kHz区域中较低的OD场频率(诸如约5kHz)。这些频率还可以为某些类型的异物提供增强的灵敏度。以这种方式，OD场与IPT场频率去耦合。
因此，在一个实施例中，OD场的驱动被配置为使得一个OD场频率用于物体检测，其中该频率低于或高于IPT场频率，例如，约5kHz或约1MHz。在替代实施例中，OD场的驱动被配置为使得使用所谓的频率“跳跃”或“扫描(sweeping)”来使用一系列的OD场频率。可以使用关于已经描述的进行物体检测的测量值的示例性电平的若干不同频率。例如，对于比IPT场频率高的OD场频率，可以在大约800kHz、大约1MHz和大约1.2MHz的每个处进行测量，而对于比IPT场频率低的OD场频率，可以在大约1kHz、约5kHz和约10kHz的每个处进行测量。这种跳频有利地提供增加异物和友好物体之间的区分的能力。例如，对于具有作为谐振电路的一部分的接收器线圈和非谐振物体(例如金属或铁素体)的功率接收器，可以以特定OD场频率来提供与OD场类似的响应。例如，这可以由于选中的OD场频率是IPT场频率的谐波而发生。然而，这种谐振接收器将以不同的OD场频率提供不同的响应，而非谐振物体的响应实质与频率无关。
励磁线圈202和/或检测线圈204(统称为OD线圈)可以被布置成大致包围正IPT磁通量和相等的负IPT磁通量。以这种方式，OD场与IPT场实质磁性去耦合。这可以通过多种方式实现。例如，可以在IPT发射器线圈或每个IPT发射器线圈内的对称位置使用相对缠绕(即，顺时针和逆时针)的OD线圈(即，相对于一个发射线圈的水平面，被包围在该线圈之上或之下的该发射线圈的尺寸或“占用面积”内)，每个相对缠绕的OD线圈中的磁通量相等。在另外的示例中，每个OD线圈的部分可以在IPT发射器线圈的内部和外部。在又一示例中，可以在由具有不同匝数的一个或更多个发射器线圈(即，在顺时针缠绕部分VS逆时针缠绕部分中)产生的IPT场的非对称部分中使用相对缠绕的OD线圈。
图3示出双励磁/检测线圈300的示例。线圈300具有顺时针缠绕部分302和逆时针部分304。线圈300完全位于一个IPT发射器线圈7内，所述顺时针部分302和逆时针部分304位于穿过发射器线圈7的对称线306的两侧上，使得等量的IPT磁通量穿过每个部分302、304。在该示例性实施例中，相对缠绕部分302、304可以形成为以本领域技术人员理解的方式彼此耦合的独立绕组，或者形成为以(实质对称的)“数字8”配置来缠绕的单个绕组。
图4示出单个励磁/检测线圈400的示例。线圈400相对于一个IPT发射器线圈7具有外部(第一)部分402和内部(第二)部分404。即，线圈400被布置成与发射器线圈7重叠，使得外部部分402布置在IPT发射器线圈7的外部，而内部部分404布置在IPT发射器线圈7的内部，使得等量的(相反的)IPT磁通量穿过每个部分402、404。
图5示出另一个双励磁/检测线圈500的示例。线圈500具有顺时针缠绕部分502和逆时针部分504。线圈500完全位于一个IPT发射器线圈7内，所述顺时针部分502和逆时针部分504位于穿过发射器线圈7的非对称线506的两侧上，使得不同量的IPT磁通量穿过每个部分502、504。在该示例中，穿过相对缠绕部分502、504的IPT磁通量可以通过使用被计算用来实质补偿IPT磁通量不平衡的每个部分502、504中的不平衡匝数或被计算用来实质补偿IPT磁通量不平衡的不平衡阻抗来平衡，该不平衡阻抗通过配置线圈部分绕组502、504的电导率(例如，通过使用不同的导电材料)或相对尺寸(例如，厚度、直径等)来实现。类似于图3的示例，相对缠绕部分502、504可以形成为彼此耦合的独立绕组或者形成为以(实质非对称或偏斜的)“数字8”配置来缠绕的单个绕组。
根据应用，可以使用其它形式的去耦合。应注意，在使用与发射器线圈分离的一个或更多个励磁线圈来产生检测场的实施例中，是励磁线圈以上述磁通量消除的方式来缠绕，而在使用一个或更多个发射器线圈产生检测场的实施例中，是检测线圈以上述磁通量消除的方式来缠绕，以便提供与例如从发射器线圈阵列中的其它发射器线圈产生的IPT场的去耦合。
励磁线圈和检测线圈的布置
为了提高灵敏度和/或降低制造成本，可以提供在OD线圈中的若干特征。
图6示出发射线圈的阵列的示例。每个发射线圈或IPT线圈602围绕多个***化布置的IPT铁素体元件(磁芯)604设置。IPT线圈602被布置成矩形阵列结构，并且可以是线性(2D)、重叠(如图6所示)或三维(3D)布置。线圈和阵列本身可以被布置成具有不同的几何形状或任意形状。铁素体磁芯(的阵列)用于以本领域技术人员所理解的方式来增强IPT线圈602产生的IPT磁场，并且可以相对于如第62/070,042号美国临时专利申请中所述的发射器线圈阵列来布置和确定尺寸，该美国临时专利申请在2014年8月12日提交，题为“Systemand Method for Power Transfer”，其全部内容通过引用明确地并入本文，使得每个铁素体元件的上表面(相对于与发射器线圈的平面正交的IPT***的z轴；沿着z轴，所谓的“z高度”被定义为IPT***的发射线圈和接收线圈之间的距离)从IPT线圈602突出，或者可以被配置为使得铁素体元件的上表面与发射线圈表面的最上平面共面或在其下方。铁素体元件可以具有实质平坦或圆形的上表面。如下所述，如果IPT阵列存在这些铁素体元素，则它们也可以有利地用于检测场。
图7示出在示例性配置中与检测线圈702的阵列交错的图6的IPT线圈602的阵列。每个IPT线圈602包含四个铁素体磁芯604。检测线圈702的每个布置在一个铁素体磁芯604的上表面之上(即，在平行但高于铁素体元件的上表面的平面中)，使得单个铁素体磁芯被相应的检测线圈包围或封闭在相应的检测线圈内部，如图7的方面所示。通过这种布置，磁芯604的铁素体材料允许检测线圈702通过加强OD场而更加敏感，类似于IPT场中的效果。然而，由于铁素体磁芯604将IPT场的磁通量集中在磁芯的位置处，因此相应地，磁芯之间的空间中的IPT磁通量较不密集。因此，一些区域可以形成具有较低但非零的IPT磁通量的IPT场零位(null)704。类似地，在铁素体磁芯604之间，检测线圈702的灵敏度也降低。因此，IPT场零位704与更低灵敏度OD场区域的对准是可以期望的，由于类似地完全存在于这些点处的任何异物将不接收IPT磁通量，因此降低升温的风险。
类似地励磁线圈202可以与发射线圈7交错，并且铁素体元件604可以用于根据应用需要来增加励磁线圈阵列产生的OD场的强度。
图8示出被构造成印刷电路板(PCB)的OD线圈阵列。PCB 804的基层802可以具有发射线圈的阵列和铁素体元件。PCB 804可以包括在两侧上具有两个铜迹线层808和801的衬底层806。下侧迹线808(面向基层802)可以包括励磁线圈202。上部迹线810可以包括检测线圈204。以这种方式，OD线圈阵列的尺寸可以被最小化。
图9示出用于图8中的下侧迹线808的示例性场分布900，其中励磁线圈被布置成围绕每个铁素体元件604(以前面相对于检测线圈讨论的方式)。检测线圈和/或励磁线圈使用如上所述的IPT发射器线圈阵列的铁素体结构，并且场线集中在每个铁素体元件604的磁极902处。在该实施例中，铁素体元件604(以及因此PCB 804)也被设置在铁素体的基体或衬底(背板)904上。因此，基板904用作IPT线圈阵列和OD线圈阵列的下侧(相对于前述的空间平面)的屏蔽，使得在线圈阵列下面的任何金属物体不被加热或错误地检测。以这种方式，OD电路200是定向的。
在该实施例中，铁素体元件可以是应用于铁素体背板的单独元件或者通过适当的制造而与背板集成。可选地，根据应用(例如，IPT线圈阵列不采用这种元件)，OD线圈可以包括单独的铁素体元件/磁芯来提高检测的灵敏度。
检测HW和算法
如上所述，发射器2的控制器8直接或间接地被提供有每个检测线圈的电压，并且随时间提取相对于每个位置的幅值和相位。为此，控制器8可以包括励磁线圈驱动器和检测器电路。
如前讨论，需要一种区分异物和友好物体(例如，功率接收器)的方法。可以用于区分存在的物体的种类的一种方法是测量励磁线圈与传输板之上影响激励(OD)场的物体之间的耦合因子。申请人发现，主要包括金属的物体趋向于抑制与OD场的耦合(较低的电压幅值输出)，而具有相当大量铁素体的物体趋向于增强耦合(较高的电压幅值输出)，并且该谐振结构(诸如，具有谐振拾取电路或次级电路的功率接收器)趋向于在反向散射信号中引起相移。因此，如果适当地确定OD场行为中的这些特性，则可以将“友好”物体(诸如，感应拾取线圈的铁素体屏蔽)与“异物”(诸如，硬币)区分开来。
图10A示出用于检测物体的示例性算法1000。控制器8在步骤1002处确定在OD阵列中每个位置处的电压幅度和相位。如果在任何位置相位已经改变(步骤1004)，则在步骤1006处更新该位置以指示存在功率接收器。如果相位没有改变但是幅度已经增加(步骤1008)，则在步骤1010处更新该位置以指示存在磁性材料。如果幅度没有增加而是已经减小(步骤1012)，则在步骤1014处更新该位置以指示存在金属材料。对在OD阵列中的每个位置继续进行这种判断(步骤1016)，然后连续地、周期性地或在发生一个预定事件或多个预定事件时重复这种判断。
图10A的算法1000示出通过确定相对幅度和相位变化来相对简单地提供接收器与异物的检测的示例。虽然这些变化存在于许多不同的场景中，但是变化的量可能难以与环境噪声和/或电路电子噪声区分开来。在存在接收器和异物两者的情况下，这些变化也可以是不能区分的。图10B示出用于在这种情况下额外促进物体检测的另一个示例性算法1050。
算法1050识别在外界(即，没有物体存在)条件下某些组的检测线圈702两端的测量值可能存在一些变化，并且使用这些组来提供标准偏差的测量值。申请人已经发现，这些组包括相邻的检测线圈，并且通常代表线圈阵列的常规拓扑，其变化是由于加工工艺和公差。例如，阵列可以表示具有多于四个边的多边形，其中具有限定在其中的四个或更少边的子多边形提供不同的检测线圈组，例如，如果阵列是“十字形”(12个边的多边形)，则可以在其中限定三个四边多边形，使得限定三个检测线圈组，在该三个检测线圈组中每组中的线圈具有与该组中的其它线圈实质一致的特性，但是可以具有与其它组的线圈不同的特性。这组线圈允许利用测量值精度中合理的确定性来确定这些组中的线圈两端的测量值(幅度和/或相位)的差异，由此提供可靠的物体检测。
因此，在图10B中，控制器8以本领域技术人员所理解的方式在步骤1052处确定由OD阵列的每组内的电压幅度和相位来表示的极性幅度的标准偏差。如果标准偏差在正常参数之内，则如前所述控制器8继续连续地、周期性地或在限定的事件下对OD阵列进行采样。然而，如果在任意组内，标准偏差大于某个阈值量(例如，基于已知制造公差而预定)，则确定一个或更多个物***于充电表面附近(步骤1054)。然后控制器8针对组内被确定为其中具有物体的每个检测线圈或者针对OD阵列的所有检测线圈来计算极性幅度的当前(即，t(n))测量值与极性幅度的(前一)先前(即，t(n-1))测量值的比值，如式(1)所示。该比值表示在设定位置处的表面上的变化。
比值t(n)＝极性幅度t(n)/极性幅度t(n-1) (1)
然后，控制器8基于计算的比值来运行一系列检查以检测存在物体的类型。在步骤1056处，通过判断该组(或表面)中的最大比值增加是否大于接收器检测阈值来执行对接收器的检查，如果“是”，则确定最大比值增加的位置(步骤1058)，并且报告在确定的检测线圈处的接收器的位置(步骤1060)，使得可以使用IPT阵列开始功率传输。如果步骤1056的结果为“否”，则在步骤1062处，通过判断该组(或表面)内的最大比值减小是否大于异物检测阈值来执行对异物的检查，如果“是”，则确定最大比值减小的位置(步骤1064)，并且报告在确定的检测线圈处的异物的位置(步骤1066)，使得不启动使用IPT阵列的功率传输。如果步骤1062的结果为“否”，则在步骤1068处，确定存在未知物体，使得不启动使用IPT阵列的功率传输。该“未知”物体可以通过适当选择接收器阈值和异物阈值来表示接收器和异物的组合。可以以本领域技术人员所理解的方式通过各种场景的测量和建模来进行这种选择。
应当理解，图10A和图10B中所示和所描述的步骤顺序仅仅是示例性的，并且该顺序可以适当地利用并行步骤来改变或替换。
图11示出励磁线圈驱动器1100的示例。MCU 1102以期望的OD场频率(例如：5kHz/1MHz(或1kHz到10kHz/800kHz到1.2MHz的频率范围))提供PWM 1103以及90°相移信号1105。两个信号使用滤波器1104进行低通滤波，以通过去除谐波从PWM方波创建正弦波，并且滤波后的信号被提供给检测器(稍后描述)。功率放大器1106将至励磁线圈202的信号放大足够的量，使得提供良好的信噪比，而不使用过大功率。
图12示出励磁线圈驱动器电路1200的另一个示例电路。使用两个相同的信号链-一个链1202使用具有高驱动能力的运算放大器(opamp)1204来驱动励磁线圈202。另一个链1206驱动控制器(检测器)。MCU 1102可以相对于激励链1202来将驱动信号的相位改变到检测器链1206。以这种方式，可以向检测器(稍后描述)提供0°或90°的参考。
可选地，实际激励输出被馈送到分相器(例如，R/C和C/R网络)以产生彼此90°相位的两个信号，然后使用电子开关来选择一个或另一个。
图13示出具有检测线圈阵列的检测器1300的示例。每个检测线圈204连接到多路复用器1302。多路复用器1302或者用信号1303来编程，以连续地或周期性地循环通过所有检测线圈，或者可以集中在已经检测到物体的特定检测线圈上。多路复用器输出由放大器1304来放大，并且上述的激励信号(电压)通过如上所述的MCU 1102中的软件使用开关1305进行相位切换。放大的多路复用器输出通过混频器1306与来自激励驱动器的两个不同相位的切换激励电压1308混频(相乘)。可选地，混频可以由DSP或微处理器完成。混频器的输出由滤波器1310进行低通滤波，并且由ADC 1312进行数字采样。滤波器1310的响应确定可以切换检测线圈所用的速率，因此，应该根据关于OD场采样的分辨率的应用要求来选择稳定时间。
这种混频和/或多路复用的配置具有跟踪激励频率而不需要可变滤波器的优点。此外，相位切换允许MCU 1102从数字信号中提取幅度和相位信息。因为来自励磁线圈的电压与来自检测线圈的电压具有相同频率，所以将两个信号相乘产生一个复合信号，该一个复合信号包括频率上升到两倍的一个信号以及在DC处的一个信号。低通滤波器1310滤除较高频率的信号。然后通过将激励参考电压移相90°并且进行第二读取DC电平，然后相位可以被计算为两个混频器DC输出的幅度的除法的反正切，例如使用等式(2)：
图14和图15示出用于检测器的示例性电路。每个检测器线圈204的输出端连接到串联连接的一个或更多个多路复用器1402、1404的输入端，最终输出1406由运算放大器1408放大。运算放大器1408的输出被传递到吉尔伯特单元混频器1502。这之后，放大器1504提供增益和DC偏移以适应ADC 1312的输入范围。
由于功耗低(约10mW)，因此励磁线圈/检测线圈可以被连续地驱动，以便提供连续的OD场。可选地，OD场可以是脉冲的，这可以进一步降低功耗。
由于绝对测量值取自于检测场，因为检测场与IPT场去耦合，因此如果异物在启动时已经存在于发射器“板”上，则该异物不会被检测到，而仅仅是外界环境的一部分。校准标记(其是已知属性的物理(例如，金属盘)或数字(例如，校准因子)的标记)可以用于在使用之前通过将其定位在设定位置并且调整算法输出直到位置和物体类型被正确确定为止来校准发射器，以避免这些问题。
可选地，在使用之前，可以将在初级励磁线圈与初级检测线圈之间的相对相位和幅度测量值与相对预期值进行比较，以确定在启动环境中的任何异常情况。这可以产生警报以手动检查环境或者可以用于调整算法。
在另一替代方案中，校准因子也可以通过将已知信号以特定间隔经由现有线圈或经由额外线圈注入***来确定。这可以避免对手动校准和/或***外部的校准物体(例如，校准标记)的需要。
另一个实施例关于图16来描述，并且其包括前述特征的一些组合。从单个发射器阵列为多个接收器供电增加了存在PRx(感应功率接收器)功率传输的情况下检测异物功耗的动态范围问题。这是因为支持多个PRx单元实质增加了相关联的总PTx(感应功率发射器)功率传输电平。
随着额外的功率接收器被添加到功率发射器产品中，空间测量值(局限于接近一个PRx的空间)提供了一种限制动态范围问题的方法。
在跨界面区域(用于放置接收器的发射器表面)空间分布的检测线圈的阵列中，在每个检测器线圈或单元处复阻抗的评估或耦合因子的测量值可以提供以下有用的指示：
-物体检测何时(何处)物体放置在界面表面上；
-物体是否本质上实质是金属；
-物体是否含有铁素体；
-物体是否具有诸如L-C并联谐振回路的谐振电路。
这里描述的实施例可以独立使用或与其他异物检测方法结合使用。
参考图16，物体检测***包括以下***块：
a)FOD励磁线圈(1605)，其包括导体或导体的阵列(其可以与初级线圈分离并且去耦合)，该导体或导体的阵列被放置以覆盖界面区域或界面表面，使得施加的电流产生穿过界面区域的平面的磁通量。导体可以放置在“双相对缠绕回路”配置中，使得来自初级线圈的磁链(至相同导体的相对缠绕部分)最小化净感应电压；
b)FOD检测线圈阵列(1610)，包括跨界面表面空间分布的单元阵列。每个单元包含导体，该导体被配置为使得由FOD励磁线圈产生的与放置在界面表面上或附近的物体相连(即，穿过该物体)的任何磁通量也将与FOD检测线圈阵列的至少一个单元中的导体相连；
c)励磁线圈驱动器(1615)电路，其将连续的或脉冲的激励电流施加到FOD励磁线圈；
d)物体检测单元(1620)，其在FOD检测线圈阵列的每个单元处测量和评估复阻抗。通常，其将包括处理来自每个单元的信号的测量电路，使得它们可以由数值计算单元来评估。
还示出了异物(1625)和有效感应功率接收器(1630)。还示出了用于励磁线圈(在1635处)和接收器(在1630处)中的每个的铁素体屏蔽，并且有利地用于检测有效接收器(1630)。
该实施例可以评估每个单元的输出矢量幅度或极性幅度，因为复阻抗的测量值如下：
1.通过使能励磁线圈驱动器来施加激励电流IFOD-激励。IFOD-激励的幅度和频率(结合***实现属性)被布置成在Φ异物、ΦFOD-检测-线圈-N(在每个单元处)、ΦPRx-次级-线圈中产生足够的磁通量，使得物体检测***可以用足够的精度来评估两个不同物体组(异物或有效接收器)的复阻抗(通过确定复阻抗的测量值)以区分它们。IFOD-激励的频率通常是接近但不完全等于由PRx(1630)中的Ls、Cs和Cd形成的谐振检测频率fd的点；
2.对于在FOD检测线圈阵列中的每个单元(1610)，施加终端阻抗并且测量在每个LFOD-检测-线圈-N处的电压信号的幅值和相位-由物体检测电路(1620)实现-复阻抗的测量值；
3.可以通过测量单元输出信号的与本地参考(诸如，励磁线圈驱动器的输出)同相和正交的分量来评估幅值。矢量幅度或极性幅度可以被评估为被测的同相分量和正交分量的平方和的根。类似地，矢量相位角可以通过计算同相分量除以正交分量的比值的反正切来评估。然而可选地，也可以使用确定这些测量值的其它方法。
使用在检测线圈处的复阻抗的测量值来检测物体的存在和类型可以如下进行：
1.当在界面表面上没有物体时，通过评估每个单元的输出矢量幅度来记录“空板”皮重值(例如，在发射器上电时)；
2.定期计算σFOD-检测-线圈 2作为阵列中单元的输出矢量幅度(即复阻抗的测量值)的统计方差(即，标准偏差的平方)(针对每个单元使用减去皮重值后的净值)；
3.如果σFOD-检测-线圈 2低于阈值k阵列_变化，则保持空载并且返回到步骤2。阈值k阵列_变化可以用最终***实施方式通过现有实验来建立；
4.评估每个单元的输出矢量幅度除以该单元的先前测量值的比值Nslope_cell_N；
5.如果Nslope_cell_N高于阈值kslope_PRXfound_min，则已经发现有效的PRx。阈值kslope_PRXfound_min可以用最终***实施方式通过现有实验来建立；
6.如果Nslope_cell_N低于阈值kslope_PRXfound_max，则已经发现异物(或者一起发现异物和PRx两者)。阈值kslope_PRXfound_max可以用最终***实施方式通过现有实验来建立；
7.这种测量可以以交替频率IFOD-激励重复，以提高精度。
在替代布置中，发射器的功率线圈也可以用作物体检测***的励磁线圈。类似地，励磁线圈可以不与发射器的单独的功率线圈去耦合。虽然已经采用检测线圈的阵列，但可选地可以使用单个检测线圈。作为另一替代方案，可以采用功率线圈作为检测线圈。此外，可以使用复阻抗的不同测量值。也可以使用复阻抗的测量值来检测不同类型物体(除了接收器和异物以外)。
虽然已经将该实施例描述为响应于确定极性幅度的增加高于接收器检测阈值(即，Nslope_cell_N>kslope_PRXfound_min)来检测接收器类型的物体，但是可以使用与极性幅度更通用的关系(诸如，在预定范围内的变化)。类似地，虽然已经将异物类型的物体的检测描述为响应于极性幅度的减小高于异物检测阈值(即，Nslope_cell_N<kslope_PRXfound_max)，但是可以使用与极性幅度更通用的关系(诸如，在第二预定范围内的变化)。
复阻抗的测量值可以从检测线圈的同相电压分量和正交电压分量来确定。这可以通过模拟电路组件和数字处理(即，极性幅度)的组合来确定。
如果检测到测量值的“显著”变化，则可以仅执行物体检测算法，以便在实践中提高导致线圈参数的差异和/或变化的精度。这可以被配置为当从检测线圈(或这些检测线圈的子组)中的复阻抗的预定测量值(例如，“空板”值)的变化计算出的统计方差高于统计方差检测阈值(即，σFOD-检测-线圈 2>k阵列_变化)时发生。
虽然已经通过对本发明的实施例的描述来说明了本发明，并且虽然已经详细描述了实施例，但是申请人的意图并不是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这样的描述。本领域技术人员将容易看出额外的优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于具体细节、代表性的装置和方法以及示出和描述的说明性示例。因此，可以在不偏离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下可以从这些细节做出偏离。

Claims (32)

1.一种用于感应功率发射器的物体检测***，包括：
励磁线圈；
检测线圈；
所述***被布置成响应于将激励电流施加到励磁线圈而在检测线圈处确定复阻抗的测量值；
所述***还被布置为使用复阻抗的测量值来检测物体的存在和物体的类型。
2.如权利要求1所述的物体检测***，还被布置成检测以下的一个或更多个：
响应于复阻抗的相位的变化而在检测线圈处检测第一类型的物体；
响应于复阻抗的幅度的变化而检测第二类型的物体；
响应于复阻抗的幅度的减小高于阈值而检测第三类型的物体。
3.如权利要求1所述的物体检测***，还被布置成检测以下的一个或更多个：
响应于确定复阻抗的测量值的极性幅度的变化在第一预定范围内而在检测线圈处检测接收器类型的物体；
响应于确定复阻抗的测量值的极性幅度的变化在第二预定范围内而在检测线圈处检测异物类型的物体。
4.如权利要求3所述的物体检测***，其中，确定复阻抗的测量值的极性幅度的变化在第一预定范围内包括确定复阻抗的测量值的极性幅度的增加高于接收器检测阈值；以及其中，确定复阻抗的测量值的极性幅度的变化在第二预定范围内包括确定复阻抗的测量值的极性幅度的减小高于异物检测阈值。
5.如权利要求4所述的物体检测***，其中，确定极性幅度的增加或减小通过计算极性幅度的当前测量值与极性幅度的先前测量值的比值来确定。
6.如权利要求1至5中任一项所述的物体检测***，其中，复阻抗的测量值由检测线圈的同相电压分量和正交电压分量来确定。
7.如权利要求1至6中任一项所述的物体检测***，还包括多个检测线圈的阵列，以便允许所述***在每个检测线圈处确定复阻抗的测量值。
8.如权利要求7所述的物体检测***，还被布置为从一组检测线圈中的复阻抗的预定测量值的变化来计算统计方差，以及其中，所述***被布置为响应于统计方差高于统计方差检测阈值来检测物体的存在和类型。
9.一种感应功率发射器，包括根据权利要求1至8中任一项的物体检测***。
10.如权利要求9所述的感应功率发射器，所述感应功率发射器包括被配置为产生感应功率传输IPT场的至少一个功率发射线圈；其中，物体检测***与IPT场实质去耦合。
11.如权利要求10所述的感应功率发射器，其中，励磁线圈和/或检测线圈是双相对缠绕回路，所述双相对缠绕回路被配置为在每个回路中来自IPT场的实质相等的磁通量。
12.如权利要求9所述的感应功率发射器，所述感应功率发射器包括被配置为产生感应功率传输IPT场的至少一个功率发射线圈；其中，物体检测***使用功率发射线圈作为励磁线圈。
13.如权利要求9至12中任一项所述的感应功率发射器，其中，在发射器和接收器之间的感应功率传输根据通过物体检测***检测物体的存在和物体的类型来控制。
14.一种感应功率发射器，包括：
至少一个功率发射线圈，其被配置为产生感应功率传输IPT场；以及
物体检测***，其被配置为检测在IPT场中或邻近IPT场的物体；
其中，物体检测***与IPT场实质去耦合。
15.如权利要求14所述的发射器，其中，物体检测***与IPT场实质频率去耦合。
16.如权利要求14所述的发射器，其中，物体检测***与IPT场实质磁性去耦合。
17.如权利要求14至16中任一项所述的发射器，其中，物体检测***包括一个或更多个励磁线圈以及一个或更多个检测线圈，其中，来自IPT场的穿过励磁线圈和/或检测线圈的净磁通量被最小化。
18.如权利要求17所述的发射器，其中，励磁线圈和/或检测线圈从以下中选择：
双相对缠绕回路，其被配置为在每个回路中来自IPT场的实质相等的磁通量；
单个缠绕回路，其被配置为来自IPT场的实质等量的相反的磁通量；以及
在每个回路中具有不同回路尺寸和/或不同匝数的双相对缠绕回路，其被配置成在每个回路中来自IPT场的实质不同的磁通量密度。
19.如权利要求17或18所述的发射器，其中，IPT场中的多个零位被配置为与检测线圈的较低灵敏度的区域实质一致。
20.如权利要求17至19中任一项所述的发射器，其中，每个励磁线圈和/或检测线圈位于与所述至少一个发射线圈相关联的相应IPT磁芯周围。
21.如权利要求17至20中任一项所述的发射器，其中，励磁线圈和检测线圈设置在印刷电路板的同一侧。
22.如权利要求17至21中任一项所述的发射器，其中，物体检测***包括混频器，所述混频器被配置为将至励磁线圈的驱动信号与来自检测线圈的检测信号混频或相乘。
23.如权利要求22所述的发射器，其中，驱动信号被相位切换90°。
24.如权利要求22或23所述的发射器，其中，物体检测***被配置为基于相位切换混频器的输出来确定检测信号的幅度和相位。
25.如权利要求23所述的发射器，其中，物体检测***被配置为：从确定的检测信号的幅度和相位来确定极性幅度，以及计算当前确定的极性幅度与先前确定的极性幅度的比值，以检测该比值随时间的增加或减小。
26.如权利要求23所述的发射器，其中，来自多个检测线圈的检测信号连接到多路复用器。
27.如权利要求17至26中任一项所述的发射器，其中，物体检测***被配置为基于以下方式来校准和/或调整一个或更多个物体确定参数：
将预定物体定位在预定位置；
将在发射线圈、励磁线圈和/或检测线圈之间的相移与一个或更多个预定参数进行比较；和/或
产生预定场以及将检测线圈的输出与一个或更多个预定参数进行比较。
28.如权利要求14至27中任一项所述的发射器，其中，物体检测***是定向的。
29.如权利要求14至28中任一项所述的发射器，其中，物体检测***被配置为确定检测到的物体的类型和/或位置。
30.如权利要求29所述的发射器，其中，所述类型从金属物体、磁性物体和感应功率接收器中选择。
31.一种检测接近感应功率发射器的物体的存在和类型的方法，包括：
响应于将激励电流施加到励磁线圈、接近感应功率发射器的两个线圈来在检测线圈处确定复阻抗的测量值；
使用复阻抗的测量值来检测物体的存在以及物体的类型。
32.如权利要求31所述的方法，还包括：
响应于确定复阻抗的测量值的极性幅度的变化在第一预定范围内来检测接收器类型的物体；
响应于确定复阻抗的测量值的极性幅度的变化在第二预定范围内来检测异物类型的物体。
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