CN114270658A - 用于通过衣服为穿戴式设备无线充电的便携式电池组 - Google Patents

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Abstract

公开了一种便携式电池组，用于通过用户的衣服为便携式电子设备无线供电。便携式电池组包括具有配合表面的壳体，该配合表面包括一个或多个永磁体以促进与便携式电子设备，诸如随身携带的相机，配合。

Description

用于通过衣服为穿戴式设备无线充电的便携式电池组
交叉相关的申请
本申请要求于2019年6月18日提交的标题为“Portable Battery Pack forWirelessly Charging Body-Worn Devices Through Clothing”的美国临时专利申请No.62/863,216的优先权权益，该临时专利申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般而言涉及用于便携式电子设备的便携式电池组。
背景技术
可再充电电池组如今已上市，以延长移动设备(诸如智能电话和平板计算机)的运行时间。电池组的优点是它可以容易地换入或换出移动设备。电池组使用标准电源插座再充电。常规的电池组包括电池单元和用于向移动设备输送电荷并使用标准壁装插座为电池组再充电的电路***。常规的电池组依赖于电池组上的正/负电源端子与移动设备上对应的正/负电源端子之间的金属触点。虽然常规的电池组与放置在表面上的移动电话和平板电脑配合得很好，但常规的电池组不方便与可穿戴设备(诸如随身携带的相机)一起使用。
发明内容
公开了一种用于通过用户的衣服为便携式电子设备无线供电的便携式电池组。
在实施例中，一种便携式电池组包括：电池单元；耦合到所述电池单元的功率放大器；耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；具有金属触点的连接器，所述连接器耦合到所述整流器和电池充电器，所述连接器用于连接到输入电源；以及发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到所述功率放大器。
在实施例中，一种便携式电池组包括：电池单元；耦合到所述电池单元的功率放大器；耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；接收器线圈，所述接收器线圈通过接收器谐振电容器耦合到所述整流器和电池充电器；以及发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到功率放大器。
在实施例中，一种便携式电池组包括：线圈；电池单元；耦合到所述电池单元的功率放大器；耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；以及切换部件，所述切换部件被配置为在充电操作模式期间将线圈耦合到整流器和电池充电器并且将所述线圈从所述功率放大器断开，并且被配置为在功率转移操作模式期间将所述线圈连接到所述功率放大器并且将所述线圈从所述整流器和电池充电器断开。在实施例中，功率放大器是单端E类或D类功率放大器。在实施例中，线圈是使用印刷电路板(PCB)上的螺旋缠绕迹线(例如，铜迹线)来构造的，并且磁场使用在PCB后面的铁氧体材料的屏蔽来塑造。
在实施例中，一种便携式电池组包括：具有配合表面的壳体；部署在所述配合表面上的一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体用于与便携式电子设备上的一个或多个永磁体耦合；固定在所述壳体内的电池单元；固定在所述壳体内的印刷电路板(PCB)，所述PCB包括：耦合到所述电池单元的功率放大器；耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；具有金属触点的连接器，所述连接器耦合到整流器和电池充电器，所述连接器用于连接到输入电源；以及发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到功率放大器。
在实施例中，一种便携式电池组包括：具有配合表面的壳体；部署在所述配合表面上的一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体用于与便携式电子设备上的一个或多个永磁体耦合；固定在所述壳体内的电池单元；固定在所述壳体内的印刷电路板(PCB)，所述PCB包括：耦合到所述电池单元的功率放大器；耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；接收器线圈，所述接收器线圈通过接收器谐振电容器耦合到整流器和电池充电器；以及发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到功率放大器。
在实施例中，一种便携式电池组包括：具有配合表面的壳体；部署在所述配合表面上的一个或多个永磁体，用于与便携式电子设备上的一个或多个永磁体耦合；固定在所述壳体内的电池单元；固定在所述壳体内的印刷电路板(PCB)，所述PCB包括：耦合到所述电池单元的功率放大器；耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；以及切换部件，所述切换部件被配置为在充电操作模式期间将线圈耦合到整流器和电池充电器并且将所述线圈从所述功率放大器断开，并且被配置为在功率转移操作模式期间将所述线圈连接到所述功率放大器并且将所述线圈从所述整流器和电池充电器断开。
在实施例中，一种无线功率转移***包括：便携式电池组，包括：具有第一配合表面的第一壳体；部署在第一配合表面上的第一永磁体，所述第一永磁体用于与便携式电子设备上的第二永磁体耦合；固定在第一壳体内的第一电池单元；固定在第一壳体内的第一印刷电路板(PCB)，所述第一PCB包括：耦合到第一电池单元的功率放大器；耦合到第一电池单元的整流器和电池充电器；具有金属触点的连接器，所述连接器耦合到整流器和电池充电器，所述连接器用于连接到输入电源；以及发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到功率放大器。
无线功率转移***还包括：便携式电子设备，包括：具有第二配合表面的第二壳体；部署在第二配合表面上的永磁体，所述永磁体用于与部署在便携式电池组的第一配合表面上的第一永磁体耦合；包括在第二壳体中的第二电池；接收器线圈，所述接收器线圈包括在第二壳体中并且耦合到第二电池；包括在第二壳体中的第二PCB；以及附接到第二PCB的相机。
本文公开的特定实施例提供以下优点中的一个或多个。所公开的便携式电池组使用谐振感应充电通过用户的衣服无线地为便携式电子设备供电，而无需使用任何笨重的电源线。便携式设备使用一个或多个永磁体与便携式电子设备配合，从而产生单个设备而不是两个分离的设备。便携式电池组可轻松更换为另一个便携式电池组，而无需断开电线。在实施例中，便携式电池组包括允许便携式电池组被无线充电(例如，使用充电垫)的接收器线圈，以及允许便携式电池组使用标准AC墙壁插座或变压器(“壁挂式充电器”)充电的电连接器。在实施例中，单个线圈连接到开关以允许线圈被用作接收线圈或传输线圈，这取决于便携式电源组是在功率转移模式还是充电模式下操作。
所公开的实施例的细节在附图和以下描述中阐述。其它特征、目的和优点从描述、附图和权利要求中是显而易见的。
附图说明
图1是根据实施例的通过用户的衣服为便携式电子设备无线供电的便携式电池组的透视图。
图2是根据实施例的具有内置无线功率发送器的便携式电池组的示意图。
图3是根据实施例的具有向便携式电子设备馈送功率的内置无线功率发送器的便携式电池组的示意图。
图4是根据实施例的具有内置无线功率发送器和用于对便携式电池组充电的连接器的便携式电池组的示意图。
图5是根据实施例的具有内置无线功率发送器的便携式电池组和用于对便携式电池组进行无线充电的第二线圈的示意图。
图6是根据实施例的用于为便携式电子设备供电和为便携式电池组充电的具有单个线圈的便携式电池组的示意图。
图7是根据实施例的用于无线功率转移的单端E类功率放大器的示意图。
图8是根据实施例的用于无线功率转移的推挽E类转换器的示意图。
图9a-图9b是根据实施例的部署在PCB上的平面线圈的俯视图和侧视图。
不同附图中使用的相同附图标记指示相像的元件。
具体实施方式
图1是根据实施例的通过用户的衣服121为便携式电子设备110无线供电的便携式电池组100的透视图。便携式电子设备110可以是任何电子设备或电路，诸如美国专利公开No.20180332211A1中描述的可穿戴多媒体设备。
在所示的示例中，电池组100包括其上部署有永磁体120(例如，N极)的配合表面，并且便携式电子设备110具有其上部署有永磁体122(例如，S极)的对应配合表面。虽然图1中示出了两个永磁体120、122，但是具有任何期望形状或尺寸的任何数量的永磁体可以以任何期望的图案布置在配合表面上。
永磁体120、122将便携式电池组100和便携式电子设备110保持在配合配置中，衣服121位于它们之间。在实施例中，便携式电池组100和电子设备110具有相同的配合表面维度，使得在处于配合配置时没有悬垂部分。用户通过将便携式电池组100放在他们的衣服121下方并将便携式电子设备110放在他们的衣服121外面的便携式电池组100的顶部，使得永磁体120、122通过衣服121彼此吸引，从而将便携式电子设备110磁性地紧固到他们的衣服121。在实施例中，配合表面可以包括一个或多个引导结构，用于在处于配合配置时促进便携式电子设备110和便携式电池组100的期望对准。虽然壳体被示为方形形状，但壳体可以具有任何期望的形状。
在实施例中，便携式电池组100和/便携式电子设备包括一个或多个照明设备(例如，LED)以提供关于便携式电池组100的操作状态的视觉反馈。例如，便携式电池组100的LED可以指示剩余电量或充电状态。在实施例中，便携式电池组100包括触觉引擎(例如，线性致动器)，其提供指示与便携式电子设备110成功匹配或便携式电池组100何时连接到电源的触觉反馈。在实施例中，便携式电池组100包括多个端口(例如，多个USB端口)，用于通过另一个设备(例如，个人计算机)对便携式电池组100进行充电。
图2是根据实施例的具有内置无线功率发送器的便携式电池组100的示意图。便携式电池组100包括用于安装电子组件(诸如电池单元101、功率放大器102、发送器谐振电容器103和发送器线圈104)的印刷电路板(PCB)(未示出)。在实施例中，功率放大器102将功率馈送到发送器线圈104中。发送器谐振电容器103和发送器线圈104用于使用谐振电感耦合的原理为便携式电子设备100无线供电。在实施例中，发送器线圈104是在PCB的平面表面上形成为螺旋的平面铜绕组，如图9a-图9b中所示。在替代实施例中，单层螺线管被用于发送器线圈104。可以使用其它线圈形状或类型，诸如绞合线之间具有适当绝缘的波绕李兹线(例如，隔离物、低介电常数或低损耗材料以最小化介电损耗)。在实施例中，可以在便携式电池组100或便携式电子设备110中堆叠多个PCB以增加可使用电路面积。
图3是根据实施例的具有向便携式电子设备馈送功率的内置无线功率发送器的便携式电池组的示意图。在配对配置中，便携式电池组100的发送器线圈104由功率放大器激励，从而使得耦合到便携式电子设备110的接收器线圈114的准静态磁场形成松耦合的变压器。发送器谐振电容器103和接收器谐振电容器113具有允许谐振感应耦合以改善功率转移的电容值。还示出了可选的便携式电子设备电池111(例如，可再充电电池)，其在没有从便携式电池组100接收功率时为便携式电子设备110供电。在实施例中，发送器线圈104和接收器线圈114的维度相等或几乎相等，并且分离距离小于线圈维度的大约四分之一。这允许功率效率超过70％。
图4是根据实施例的具有内置无线功率发送器和用于对便携式电池组100充电的连接器130的便携式电池组100的示意图。在这个实施例中，具有金属触点的连接器130耦合到电池充电器133，电池充电器133被配置为使用标准壁装插座(120V)为电池单元101充电。在实施例中，电池充电器133可以具有整流器电路、温度或电压感测电路和微处理器控制器以安全地调节充电电流和电压、确定充电状态并在充电结束时切断。
图5是根据实施例的具有内置无线功率发送器的便携式电池组100和用于对便携式电池组100进行无线充电的第二线圈141的示意图。在这种配置中，便携式电池组100可以通过例如充电垫进行无线充电。接收器谐振电容器142使用谐振电感耦合确保最大功率转移。在实施例中，第二接收器线圈141在不用于无线充电时可以用作用于无线通信的天线。例如，当以无线通信模式操作时，可以使用将第二接收器线圈144的端子从整流器和电池充电器140切换到无线收发器(例如，蓝牙、NFC、RFID)的切换部件。
图6是根据实施例的用于为便携式电子设备110供电和为便携式电池组100充电的具有单个线圈150的便携式电池100组的示意图。在这个实施例中，切换部件151用于在操作模式下将单个线圈150连接到功率放大器102，或者在充电模式下将单个线圈150连接到整流器和电池充电器140。在针对便携式电池组100的充电模式和操作模式使用单个线圈150的情况下，切换部件151用于将线圈150连接到功率放大器102或整流器和电池充电器140。所示的切换部件151是双刀双掷继电器。其它切换部件是可能的，诸如固态开关。切换部件151具有输出端子之间的低寄生电容以实现关断状态下的隔离，以及低接触电阻以在导通状态下传递信号。
图7是根据实施例的用于无线功率转移的单端E类功率放大器700的示意图。功率放大器700包括DC馈电电感器701、MOSFET开关702、谐振分路电容器703(C1)、阻抗匹配滤波器704(LF和CF)、发送器谐振电容器705(CTX)、发送器线圈706(LTX)、接收器线圈707(LRX)、接收器谐振电容器708a(CRX1)和708b(CRX2)、整流器和滤波器709(例如，与用于减小纹波的滤波电容器并联的全波(全二极管)整流器)。发送器线圈706和接收器线圈707形成松散耦合的变压器。
图8是根据实施例的用于无线功率转移的推挽E类转换器800的示意图。转换器800包括DC馈电电感器801a、801b、MOSFET开关802a、802b、谐振分路电容器803a(C1)和803b(C2)、阻抗匹配滤波器804a、804b(其包括电感器LF和电容器CF)、发送器谐振电容器805a(CTX1)和805b(CTX2)、发送器线圈806(LTX)、接收器线圈807(LRX)、谐振电容器808a(CRX1)和808b(CRX2)以及整流器和滤波器809。发送器线圈806和接收器线圈807形成松散耦合的变压器。
在图7和图8中所示的实施例中，Z匹配滤波器包括电感器LF和电容器CF并且用于阻抗匹配。在另一个实施例中，L-C滤波器被省略，并且代替LF滤波器的是短路并且代替CF的是开路。虽然这个实施例使用E类功率放大器，但也可以采用D类或其它功率放大器拓扑。电感器LF和电容器CF形成构成低通滤波器的两端口网络，并且可以用于功率放大器102中的阻抗匹配。
在实施例中，使用PCB上的螺旋缠绕迹线(例如，铜迹线)来构造线圈，并且在PCB后面使用铁氧体材料的屏蔽来塑造磁场。在所选择的操作频率下，铁氧体材料的损耗角正切应当低。在另一个实施例中，金属(例如，铜或铝)的薄片被放置在铁氧体屏蔽后面，以进一步衰减线圈/屏蔽组件后面的磁场。
在实施例中，便携式电池组100包括符合无线电力联盟(A4WP)、电力事务联盟(PMA)和无线电力联盟(WPC或“Qi”)标准中的至少一个所需的附加电路***。
图9a-图9b是根据实施例的部署在PCB上的平面线圈的俯视图和侧视图。在这个示例实施例中，铜迹线螺旋缠绕在PCB上。铜迹线部署在低损耗磁性材料上，该磁性材料可选地部署在铜或铝屏蔽上。取决于应用和操作约束，可以使用任何期望的匝数。

Claims (15)

1.一种便携式电池组，包括：
电池单元；
耦合到所述电池单元的功率放大器；
耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；
具有金属触点的连接器，所述连接器耦合到整流器和电池充电器，所述连接器被配置用于连接到输入电源；以及
发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到所述功率放大器。
2.一种便携式电池组，包括：
电池单元；
耦合到电池单元的功率放大器；
耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；
接收器线圈，所述接收器线圈通过接收器谐振电容器耦合到所述整流器和电池充电器；以及
发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到所述功率放大器。
3.一种便携式电池组，包括：
线圈；
电池单元；
耦合到所述电池单元的功率放大器；
器耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；以及
切换部件，所述切换部件被配置为在充电操作模式期间将所述线圈耦合到所述整流器和电池充电器并且将所述线圈从所述功率放大器断开，并且被配置为在功率转移操作模式期间将所述线圈连接到所述功率放大器并且将所述线圈从所述整流器和电池充电器断开。
4.如前述权利要求1-3中的任一项所述的便携式电池组，其中所述功率放大器是单端E类或D类功率放大器。
5.如前述权利要求1-3中的任一项所述的便携式电池组，其中所述功率放大器是推挽E类功率放大器。
6.如前述权利要求1-3中的任一项所述的便携式电池组，其中所述发送器线圈是使用印刷电路板(PCB)上的螺旋缠绕迹线来构造的，并且由所述发送器线圈发射的磁场是使用在PCB后面的铁氧体材料的屏蔽来塑造的。
7.一种便携式电池组，包括：
具有配合表面的壳体；
部署在配合表面上的一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体用于与便携式电子设备上的一个或多个永磁体耦合；
固定在所述壳体内的电池单元；
固定在所述壳体内的印刷电路板(PCB)该PCB包括：
耦合到所述电池单元的功率放大器；
耦合到所述电池单元的整流器和电池充电；
具有金属触点的连接器，所述连接器耦合到所述整流器和电池充电器，所述连接器被配置用于连接到输入电源；以及
发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到所述功率放大器。
8.如权利要求7所述的便携式电池组，其中发送器线圈是使用PCB上的螺旋缠绕迹线来构造的，并且由所述发送器线圈发射的磁场是使用在PCB后面的铁氧体材料的屏蔽来塑造的。
9.一种便携式电池组，包括：
具有配合表面的壳体；
部署在所述配合表面上的一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体用于与便携式电子设备上的一个或多个永磁体耦合；
固定在所述壳体内的电池单元；
固定在所述壳体内的印刷电路板(PCB)，所述PCB包括：
耦合到所述电池单元的功率放大器；
耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；
接收器线圈，所述接收器线圈通过接收器谐振电容器耦合到所述整流器和电池充电器；以及
发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到所述功率放大器。
10.如权利要求9所述的便携式电池组，其中发送器线圈是使用PCB上的螺旋缠绕迹线来构造的，并且由所述发送器线圈发射的磁场是使用在PCB后面的铁氧体材料的屏蔽来塑造的。
11.一种便携式电池组，包括：
具有配合表面的壳体；
部署在所述配合表面上的一个或多个永磁体，所述一个或多个永磁体用于与便携式电子设备上的一个或多个永磁体耦合；
固定在所述壳体内的电池单元；
固定在所述壳体内的印刷电路板(PCB)，所述PCB包括：
耦合到所述电池单元的功率放大器；
耦合到所述电池单元的整流器和电池充电器；
接收器线圈，所述接收器线圈通过接收器谐振电容器耦合到整流器和电池充电器；
耦合到功率放大器的线圈；以及
切换部件，所述切换部件被配置为在充电操作模式期间将线圈耦合到整流器和电池充电器并且将所述线圈从所述功率放大器断开，并且被配置为在功率转移操作模式期间将所述线圈连接到所述功率放大器并且将所述线圈从所述整流器和电池充电器断开。
12.如权利要求11所述的便携式电池组，其中所述线圈是使用PCB上的螺旋缠绕迹线来构造的，并且由线圈发射的磁场是使用在PCB后面的铁氧体材料的屏蔽来塑造的。
13.一种无线功率转移***，包括：
便携式电池组，包括：
具有第一配合表面的第一壳体；
部署在第一配合表面上的第一永磁体，所述第一永磁体用于与便携式电子设备上的第二永磁体耦合；
固定在第一壳体内的第一电池单元；
固定在第一壳体内的第一印刷电路板(PCB)，所述第一PCB包括：
耦合到所述第一电池单元的功率放大器；
耦合到所述第一电池单元的整流器和电池充电器；
具有金属触点的连接器，所述连接器耦合到所述整流器和电池充电器，所述连接器被配置用于连接到输入电源；以及
发送器线圈，所述发送器线圈通过发送器谐振电容器耦合到功率放大器；
便携式电子设备，包括：
具有第二配合表面的第二壳体；
部署在所述第二配合表面上的永磁体，所述永磁体用于与部署在便携式电池组的所述第一配合表面上的所述第一永磁体耦合；
包括在所述第二壳体中的第二电池；以及
接收器线圈，所述接收器线圈包括在所述第二壳体中并且耦合到所述第二电池。
14.如权利要求13所述的无线功率转移***，还包括：
包括在所述第二壳体中的第二PCB；以及
附接到所述第二PCB的相机，所述相机具有与所述第二壳体中的开口对准的透镜。
15.如权利要求13所述的无线功率转移***，其中所述发送器线圈是使用第一PCB上的螺旋缠绕迹线来构造的，并且由所述发送器线圈发射的磁场是使用在所述第一PCB后面的铁氧体材料的屏蔽来塑造的。
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