TW201607202A - 使用於感應式電力轉移裝置之電路及其主要單元 - Google Patents

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Abstract

一種電路，係用於感應式電力轉移系統的主要單元，以產生一電磁場，進而藉由電磁感應而無線式地轉移電力至一或更多之系統的次級單元，該或每一次級單元係與主要單元加以分隔，該電路包括：多數個可驅動部，每一該部係包括一主要線圈或虛設線圈(dummy coil)；驅動裝置，可操作地供應驅動訊號給予兩個或至少兩個該部，以造成這些具有該主要線圈之已驅動的該部，產生該電磁場；及控制裝置，依照一指示出一或更多該已驅動部之主要或虛設線圈之特徵的回饋訊號，可操作地控制該電路，進而傾向於調節該回饋訊號，其中該電路係加以構形，以致於已驅動之該些部係並聯在一起並且具有一協調的共振回應；及該控制裝置係傾向於調節每一該已驅動線圈的這類特徵。

Description

使用於感應式電力轉移裝置之電路及其主要單元
本發明有關一種電路，係用於感應式電力轉移系統，例如，動力可攜式電力或電子裝置。
適合用於動力可攜式裝置中的感應式電力轉移系統可包含兩個部份：
‧一主要單元，具有至少一主要線圈，藉其驅動一交流電，產生時變的磁通。
‧一次級單元，可分離於該主要單元，具有次要線圈。
當該次要線圈安置在主要線圈所生之時變的磁通附近時，改變的磁通在次要線圈中感應出一交流電流，及因而電力可感應式地從主要單元轉移至次級單元。
一般而言，次級單元供應經轉移的電力至一外部負載，及該次級單元可由一包含該負載之寄主體(次要裝置)加以承載。例如，該寄主體係可攜式的電力或電子裝置，具有一可充電式電池。在這個情況下，該負載可為電池充電器電路，用於充電該電池。在另一選擇中，該次級單元可連同一合適的電池充電電路一起併入這類可充電式電池(次要裝置)中。
吾人想要的是，這類系統中的主要單元具有多數個主要線 圈，例如，以同時地轉移電力至多數個次級單元，或者提供相對於主要單元位置之安置自由給予次級單元。亦即，吾人想要的是，使用單一主要單元同時地轉移電力至兩個或更多的次級單元。1比1的主要線圈及次級單元的關係，並非必要的，及本發明延伸至使用更多的主要線圈用於轉移電力至一次級單元。
已知在一具有多數個線圈的感應式電力轉移系統中提供一 主要單元。然而，在這類已知主要單元中，事實上為具有單一線圈之主要單元中，已證實有相關於成本、性能及複雜性的缺點。因此，吾人想要的是，提供一種未有上述任一已證實缺點之用於主要單元的電路，及包含這類電路之主要單元及感應式電子轉移系統。想要的是，提供一種主要單元，其中多個主要線圈能加以驅動及有效地控制，而無需明顯地產生該驅動及控制單一主要線圈所需要的電路複本(copy of circuit)。也期望的是，提供一種主要單元，其電路對於其與次級單元關係的改變，或者，例如，在一次級單元及下一者之間的差異，係不敏感的。
依照本發明第一觀點之實施例，提供一種電路，係用於感應式電力轉移系統的主要單元，以產生一電磁場，進而藉由電磁感應而無線式地轉移電力至一或更多之系統的次級單元，該或每一次級單元係與主要單元加以分隔，該電路包括：多數個可驅動部，每一該部係包括一主要線圈或虛設線圈(dummy coil)；驅動裝置(如驅動電路)，可操作地供應驅動訊號給予兩個或至少兩個該部，以造成這些具有該主要線圈之已驅動的該 部，產生該電磁場；及控制裝置(如控制電路)，依照一指示出一或更多該已驅動部之主要或虛設線圈之特徵的回饋訊號，可操作地控制該電路，進而傾向於調節該回饋訊號，其中該電路係加以構形，以致於已驅動之該些部係並聯在一起並且具有一協調的共振回應；及該控制裝置係傾向於調節每一該已驅動線圈的這類特徵。
這類線圈的特徵(例如電特徵)可為一該線圈上的線圈訊號 數量，或者隨著線圈上線圈訊號數量之功能而加以改變的特徵。
這些部可以永久地並聯在一起，或為了驅動而暫時地並聯在 一起，例如，連同一開關。基於回饋的控制，例如，可以藉由微處理器單元加以實施，其也可由這類開關的控制加以實施。
在一實施例中，每一可驅動部實質只包括一其主要線圈或虛 設線圈(dummy coil)。這類的實施例可為有利地，因為需要最小的重複電路以增加主要或虛設線圈的數量。減少重複在價格方面係有利的，且在相較於重複的驅動及控制電路下，係能夠簡練地控制。
該回饋信號可為通常覆蓋該已驅動部之線圈的電壓或電力 訊號之數量的指示。
該電路可包含一電容，係加以構形而通常串聯該些己驅動 部。這類電容可有效地諧調該部以具有共振回應。
該電路可加以構形，以致於在一驅動期間：該驅動訊號具有 一特定的基本頻率；該電容具有一特定的電容值；及已驅動的該部係具有一結合的特定(自我)感應值。該電路可加以構形，以致於在該驅動期間：已驅動的該部係具有一結合的特定(自我)感應值。這類的電路可被認為在設計 方面係簡潔的，及這類的實施例在價格方面可被認為是有利的。
在一實施例中，在驅動期間一時期內被驅動的已驅動部，並 非在驅動期間另一時期內被驅動的部分。在這類實施例中，可能地加以選擇性地在不同時間上驅動不同的部。例如，如果這類的部係以陣列加以提供，該陣列對應於一供給電力之次級單元之位置的部份，係可選擇性地驅動。
該特定電容值可為一值，使已驅動部係在特定基本頻率下加 以共振。亦即，在一實施例中，特定電容值可加以選擇，以致電路在特定數量之部同時地加以驅動時，於該特定基本頻率下加以共振。電容可具有固定的電容值及該驅動訊號可具有固定的基本頻率。
該部係加以構形而彼此地具有實質相同的電感，及該電路係 加以構形，以致在一驅動期間的一時段內所驅動的部之數量，係相同於該驅動期間的另一時段內所驅動的部之數量。在這種情況下，已驅動之主要線的數量可因時間而不同，而已驅動之虛設線圈的數量依相應的方式而因時間加以改變。例如，想要的是，依照一或更多相對於在主要單元內這類主要線圈之陣列之次級單元的位置/定位，在一特定時間加以改變這類已驅動主要線圈(及甚至己驅動的數量)。在想要驅動較少之主要線圈時，想要的是，驅動更多的虛設線圈，以補償已驅動之主要線圈數量之損失。
在一實施例中，該電路係加以構形以致該已驅動之部具有一 共通的頻率回應，其具有兩個主要共振尖峰及位在其間的實質平坦部，或者某些其他回應有實質平坦部，該實質平坦部並不會隨著基於主要線圈及次要線圈之間的耦合所引起電路中有效電感的改變而有顯著的變化。在這 類的實施例中，該驅動訊號具有一基本頻率，該頻率位於該主要共振尖峰間的頻率內且位於該平坦部中。
已驅動之部可加以構形，以致於其係通常串聯至一串聯的電 容及鎮流器電路(例如，一LC鎮流器電路)，及成串聯的電容及鎮流器電路可加以構形，進而已驅動之部通常具有一基本回應。
該電路係加以構形，以致已驅動之部係具有一組合的電感 L1，及該串聯的電容具有一電容C1，及該L1及C1之值係加以構形，以致f0=1/(2πL1C1)，其中f0係該基本頻率。
該鎮流器電路具有一電感L2串聯至電容C1，及一電容C2 並聯至成串聯的電容C1及電感L1，及該L2及C2之值係加以構形，以致f0=1/(2πL2C2)，其中f0係該基本頻率。
該L1及L2之值可加以構形，以致該兩個主要共振尖峰的頻 率係充足地相隔，進而在電路操作時，因主要線圈及次級單元之間的耦合所經歷到之有效電感變化的影響是實質地小。這可在提供次要側所需改變時，仍促成這類電路有效地穩定，並能夠穩定地操作而不管元件的容差。 L1及L2之值係加以構形，以致L1/L2=4(大約)。
在一實施例中，每一驅動之部係加以構形，而使其在驅動時 具有一頻率回應，其具有兩個主要共振尖峰，及位在其間的實質平坦部或某些其他之回應具有實質平坦之部，基於主要線圈及次要線圈之間的耦合，該部並未明顯地改變電路中的有效電感。在這類的實施例中，該驅動訊號具有一基本頻率，其頻率位該平坦部中。
該可驅動之部係加以構形，而在驅動時，彼此地具有實質相 同這類頻率回應。這可導致在設計及控制上的簡練，進而導致低成本實施。 例如，可驅動部可具有彼此相同的構形。每一該可驅動之部包括一電容，串聯至其線圈，及一鎮流器電路(如LC鎮流器電路)，及在每一該可驅動之部，其線圈、串聯的電容及其鎮流器電路，係加以構形，進而在驅動時，可驅動之部具有這類頻率回應。例如，該主要線圈之電感(或每一主要線圈)係實質地相同於該虛設線圈之電感(或每一虛設線圈)，串聯至該可驅動部之電容，彼此係實質相同，該可驅動之部之內的鎮流器電路係彼此地實質相同，及每一可驅動之部之內的線圈、串聯的電容及鎮流器電路，係以實質相同之方式加以構形。
在每一該可驅動之部之中，該線圈具有一電感L1，及該串 聯的電容具有一電容C1，及L1及C1的值係加以構形，以致f0=1/(2πL1C1)，其中f0係該基本頻率。在每一該可驅動之部之中，該鎮流器電路具有一電感L2串聯至電容C1，及一電容C2並聯至成串聯的電容C1及電感L1，及該L2及C2之值係加以構形，以致f0=1/(2πL2C2)，其中f0係該基本頻率。
在每一該可驅動之部之中，該L1及L2之值係加以構形，以 致該兩個主要共振尖峰的頻率係充足地相隔，進而在電路操作時，因主要線圈及次級單元之間的耦合而經驗到的有效電感，其效率改變是實質地小。這可能在次要側有所改變時，造成這類電路有效地穩定，並能夠穩定地操作而不管元件的容差。L1及L2之值係加以構形，以致L1/L2=4(大約)。
該電路係加以構形，以致該回饋訊號只從已驅動之部之一者 取得。該回饋訊號係覆蓋該部之主要線圈或虛設線圈上之電壓或電流或電能訊號之指示。只需要一個來自該部之一者的回饋訊號，基於控制電路之 簡要，係有利的，進而減少成本。
該電路係加以構形，因而從每一已驅動之部取得這類各別的回饋訊號，及該控制裝置係可操作地依照一或更多該回饋訊號加以實行。該控制裝置可操作地依照所有的回饋訊號，或任何該訊號之子集，加以實施其控制，及可選擇地，依照從電路接收電能之次級單元的數量及/或位置/定位加以實施。
在一實施例中，該電路係加以構形，因而從每一已驅動之部及/或該或每一從該電路接收電能之次級單元，取得這類各別的回饋訊號，每一或已驅動之部之一者，可包括一可控制的元件，及該控制裝置係可操作地回應該回饋訊號，而藉由該可控制的元件進行該控制。
藉由這類實施例，可加以提供每一部的分離控制，或該部彼此相對的控制。例如，控制裝置可為可操作地使用控制元件，加以調整已驅動線圈彼此相對的特微(例如，線圈訊號)。
該或每一可控制元件可為可變電抗。該或每一可控制元件可為可變電容。該或每一可控制元件，在改變其該部之內之該驅動訊號的基本頻率的控制之下，係可操作的。或每一該可控制元件係可調式反相器或半橋式電路。
每一可驅動部可具有一電容，串聯至其線圈，其可為這類可控制元件。
該或每一虛設線圈可為一電感器，其在驅動時並不產生電磁場。這類的電感器可加以遮罩或加以設計而在驅動不放出輻射。該虛設線圈(或每一虛設線圈)之電感可實質地相同於該主要線圈(或每一主要線圈)之 電感。
該線圈在驅動時彼此具有相同的極性，或者，一或更多之該 線圈在驅動時，具有相異於一或更多其他之該線圈的極性。
依照本發明的第二個觀點，提供一種電路，係用於感應式電 力轉移系統的主要單元，以產生一即時改變的電磁場，進而藉由電磁感應而無線式地轉移電力至系統的一次級單元，該次級單元係與主要單元加以分隔，該電路包括：一可驅動部，包括一主要線圈；及驅動裝置(如驅動電路)，可操作地供應驅動訊號給予該可驅動部，該驅動訊號具有一預定的基本頻率，使主要線圈產生該電磁場，其中：該可驅動部係加以構形，而使其在驅動時具有一頻率回應，其具有兩個主要共振尖峰及位在其間的實質平坦部，或某些其他回應有實質平坦的部份，基於主要線圈及次要線圈之間的耦合，該部並未明顯地改變電路中的有效電感；及該驅動裝置係加以構形，以致該基本頻率係位在該主要共振尖峰之間的頻率內且位於該平坦部中。
已驅動之部可加以構形，以致於其係通常串聯至一串聯的電 容及鎮流器電路(例如，一LC鎮流器電路)，及成串聯的電容及鎮流器電路可加以構形，進而已驅動之部通常具有一基本回應。
該主要線圈具有一電感(自我電感)L1，及該串聯的電容具有 一串聯的電容C1，及該L1及C1之值係加以構形，以致f0=1/(2πL1C1)，其中f0係該基本頻率。當可驅動部驅動時，該鎮流器電路具有一電感L2串聯至電容C1，及一電容C2並聯至成串聯的電容C1及主要線圈，及該L2及C2之值係加以構形，以致f0=1/(2πL2C2)，其中f0係該基本頻率。
該L1及L2之值係加以構形，以致該兩個主要共振尖峰的頻 率係充足地相隔，進而在電路操作時，因主要線圈及次級單元之間的耦合而經驗到的有效電感，其效率改變是實質地小。該L1及L2之值係加以構形，以致L1/L2=4(大約)。
依照本發明第三個觀點之實施例，提供一種主要線圈，係用 於一感應式電力轉移系統，包括前述本發明第一及第二觀點所述的線圈。
依照本發明第四個觀點之實施例，提供一種感應式電力轉移 系統，包括：一主要單元，可操作地產生一電磁場；及至少一次級單元，可分離於該主要線圈，係加以構形而無線式地接收在靠近主要單元時產生之電磁感應所生的電力，其中該主要單元包括前述本發明第一及第二觀點所述的線圈。
吾人想到的是，本發明實施例的電路可加以構形成一種不具 該線圈之形式，以致該線圈有時在使用時，可在較遲的時間添加。本發明因而延伸至前述之觀點，其不具有這類線圈但係加以構形而與其連結。
本發明可加以延伸至前述電路範圍相對應之方法，主要單 元，及感應性電力轉移系統。
依照本發明進一步的觀點，提供一主要單元，其藉由電磁感 應，用於充電一與該主要單元分隔的次要裝置；該主要單元包含：至少兩個主要線圈；一伏特或電流或電力感應器；其中該主要單元測量在至少一線圈中的該伏特或電流或電力，及調整交流電壓或電源的數量，進而維持至少兩個線圈處於實質相同的電壓、電流或電力。
依照本發明進一步的觀點，提供一種方法，藉由電磁感應， 用於充電一與該主要單元分隔的次要裝置，該方法包括以下步驟：提供至少兩個主要線圈；感應在主要線圈上的電壓、電流或電力；調整電壓、電流或電力，以致兩個主要線圈係維持在實質相同的電壓、電流或電力。
依照本發明進一步的觀點，提供一主要單元，其藉由電磁感 應，用於充電一與該主要單元分隔的次要裝置；該主要單元包含：至少兩個主要線圈；一交流電壓或電源耦合至該至少兩個主線圈；至少一個可變電阻，耦合至至少一主要線圈；一電壓或電流或電力感應器，其中該主要單元測量在至少一線圈中的該伏特或電流或電力，及調整交流電壓或電源的數量，進而維持至少兩個線圈處於實質相同的電壓、電流或電力。
依照本發明進一步的觀點，提供一種方法，藉由電磁感應， 用於充電一與該主要單元分隔的次要裝置，該方法包括以下步驟：提供至少兩個主要線圈，供應電壓、電流或電力至該至少兩個主要線圈，及改變耦合至該線圈之一者上的電阻，以致傳輸至該線圈之電壓、電流或電力，係能獨立於其他線圈而加以改變。
1‧‧‧系統
1及2‧‧‧輸出
100‧‧‧主要單元
102‧‧‧DC/DC轉換器
104‧‧‧反相器
106‧‧‧電容器
108‧‧‧主要線圈
109‧‧‧主要核芯
110‧‧‧緩衝器
112‧‧‧微處理器單元(MPU)
200‧‧‧次要單元
202‧‧‧次要線圈
203‧‧‧次要核芯
204‧‧‧電容
206‧‧‧整流器
208‧‧‧DC/DC轉換器
210‧‧‧負載
300‧‧‧系統
302‧‧‧主要單元
306‧‧‧主要單元
308‧‧‧鎮流器電路
310‧‧‧電感器
312‧‧‧電容器
350‧‧‧系統
352‧‧‧主要單元
362‧‧‧主要單元
372‧‧‧主要單元
374‧‧‧MPU
382、392、402及412‧‧‧主要線圈
394‧‧‧AC電感器
414‧‧‧電阻
416‧‧‧增幅器
422‧‧‧主要單元
424‧‧‧可變電抗(可變電容)
426‧‧‧MPU
432‧‧‧主要單元
434‧‧‧半橋
436‧‧‧驅動
438‧‧‧振盪器
442‧‧‧主要單元
444‧‧‧可調式振盪器
450‧‧‧肥粒鐵線圈
452‧‧‧肥粒鐵背板
460‧‧‧印刷六角形螺旋線圈
462‧‧‧PCB(印刷電路板)
472‧‧‧主要單元
474‧‧‧開關
476‧‧‧電感器
478‧‧‧開關
482‧‧‧主要單元
484‧‧‧驅動器
486‧‧‧開關單元
492‧‧‧主要單元
492‧‧‧驅動器
502‧‧‧主要單元
504‧‧‧MPU
現在加以參考以下作為範例之圖式，其中：第一圖係習知技術之感應性電力轉移系統之示意圖；第二圖係依照本發明一實施例的系統之示意圖；第三圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第四圖提供一組示意圖，有用於瞭解依照本發明一或更多實施例的系統之主要單元中鎮流器電路之優點；第五圖係依照本發明一實施例的系統之示意圖，其有用於進 行模擬(performing simulations)；第六圖係基於第五圖電路而取得之模擬圖表；第七圖係一模擬結果之圖表，顯示兩個共振尖峰間之分隔上的電感器比率之效果；第八圖係一模擬結果之圖表，顯示圖五電路中鎮定電感器，在圖五電路之主要線圈的電流下，其感應值的效應；第九圖係依照本發明一實施例的系統之示意圖；第十圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第十一圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第十二圖至第十五圖分別係本發明不同實施例之主要單元之示意圖；第十六圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第十七圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第十八圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第十九圖及第二十圖係依照本發明某些實施例之主要單元的充電表面上的可能的主要線圈佈局之示意圖；第二十一圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第二十二圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖；第二十三圖係用於一依照本發明實施例的驅動器之示意圖；第二十四圖係依照本發明一實施例的主要單元之示意圖。
為了更佳地瞭解本發明實施例，首先參照一範例電應式電力 轉移系統1，其並未直接地實施本發明，但有用於增進實施例的理解。
第一圖係系統1的示意圖。系統1包含一主要單元(充電 器)100，及一次級單元(在本例中，為一可攜式裝置)200。
主要單元100包含一DC/DC轉換器102、一反相器104、 一電容器(或電容)106、一主要線圈108、一緩衝器110，及一微處理器單元(MPU)112。次級單元200包含一次要線圈202、電容204、整流器206、一DC/DC轉換器208及一負載210。緩衝器110可作為一尖峰偵測器，及可用於測量主要線圈108上的尖峰電壓。
主要單元100係加以構形而產生一電磁場，及該場在主要線 圈108附近係可加以感應(作為一水平或垂直場，相對於主要單元的放電表面或電力轉移表面)。應予瞭解的是，該場的構形係取決於主要線圈108的構形(物理佈局)。該電磁場可加以使用於系統1中，轉移電力至位在主要單元100附近需要電力的次級單元200。
主要單元100可具有任何合適的形式，例如具有一平坦的平 台，形成一電力轉移表面，於該表面上或附近，可安置該或每一次級單元200。在一例子中，電磁場係可加以分佈在該表面上的電力轉移區，如GB-A-2388716，其全部內容在此併入以供參考。應瞭解的是，這種主要單元的形式可允許一或更多的次級單元200同時地安置在主要單元附近，以接收其電力。應瞭解的是，許多主要單元100的其他形式可允許一或更多之次級單元200同時地安置在主要單元附近，以接收其電力。主要單元100的其他可能形式為一置物架，於該上可安置該次級單元200。這樣的形式允許部份的次要裝置位在磁場之外，因而是有利的。
第一圖中的次級單元200係與主要單元100加以分隔，並且 包含次要線圈202，其耦合至一電磁場，其在主要單元100靠近次級單元200時，由主要單元100產生。依照這個方式，電力能夠感應式地從主要單元100轉移至次級單元200，其間無需進行電力-傳導連接。
為了感應式轉移電力，由主要線圈108所生的磁場/通，應 依時間而改變。因此，主要單元100係加以構形而提供依時改變的電訊給予主要線圈108，如交流訊號。
主要線圈108及次要線圈202可具有任何穩定的形式，但， 例如，可藉由在高可通透性成形體(如亞鐵鹽或非晶金屬)上纏繞銅線而加以形成。李支線(Litz wire)是一種特殊形式的金屬線，其可加以使用於這些環境中。李支線可為多股的金屬線，纏結在一起，有助於降低集膚及近接效應。該主要及次要線圈108，202在，例如，尺寸、纏繞數、核芯種類及物理佈局等方面，可彼此不同。多重主要及次要線圈可加以使用，及主要及次要線圈的數量可彼此不同。
從第一圖可以得知，次要線圈200係以一可攜式裝置加以顯 示，其為一需要電力之物體。為了簡易起見，所圖示之可攜式裝置係相同於次級單元200，然而，次級單元200也可為一可攜式裝置的元件(如，可拆式的)部件。因此，負載210可認為是次級單元200的實際負載，雖然其可與次級單元200加以分離。系統1的主要單元100係顯示為一充電器，其可操作地藉由電磁感應對可攜式裝置200加以充電。主要單元可更為寛廣地考慮為一無線式電力供應。亦即，電池(或其他的能源貯存電池)的充電只是這類主要單元的一個範例應用而已。
因而，次級單元200可被認為是第一圖中裝置的一個部件， 例如，只是次要線圈202，或次要線圈202、電容204、整流器206及DC/DC轉換器208的組合。因此，次級單元200可連接至一外部負載(負載210)，及可加以構形而供給感應式電力給予外部負載。次級單元200可由一需要電力的物體(次要裝置)加以承載，如一可攜式電力或電子裝置或一可再充電式電池。次級單元200及可由次級單元200加以供能的該物體(次要裝置)之可能設計的進一步資訊，係可發現於GB-A-2388716(如上文所述)。在GB-A-2388716中，這類次級單元可稱為次要裝置。次級單元200只是顯示為一可攜式裝置以增進本發明的理解。
在本發明的內容中，次級單元(及/或次要裝置，包含這類單 元)可為任何需要電能的電力或電子裝置，及可為可攜式的這類裝置，例如(但非排他性地)，行動電話、PDAs(個人數位助理)，手提式電腦、個人聲音裝置、MP3播放器及相似之類等，無線的頭部組合、車輛充電單元、家庭用品，如廚房裝置、個人卡片，如***及用於追踪商品的無線式標籤。
在系統1的主要單元100中，DC/DC轉換器102係加以連 接而接收一外部DC輸入，及可操作地向下反轉所接收的DC輸入成為較低的DC電壓Vd。DC/DC轉換器102可為一開關形式的高效率降壓轉換器。 DC/DC轉換器102係加以連接而驅動反相器104，其用於產生一AC電壓作為輸出。反相器104可為一MOSFET半橋，由相關的振盪器(未示)加以驅動。
反相器104的AC電壓輸出係用於驅動主要感應線圈108。 電容器106係串聯至主要線圈，及該線圈/電容的組合係加以構形，以致其 在反相器104的操作頻下(基本頻率)，加以共振。在某些例子中，主要單元100可不串聯共振的電容器106。為了降低用於驅動主要線圈之電力驅動訊號(即反相器104的輸出)中所出現的諧波，想要的是，在反相器104及主要線圈108之間提供一LC鎮流器電路(未示)。在主要線圈108中的尖峰線圈電壓Vpc，典型地係遠遠地大於DC電壓Vd，因為反相器之後的電路(即，包含主要線圈108及電容器106)係加以構形而共振。
基於效率的理由，操作頻率可為恆定的，或可變的(即可調 的)。事實上，頻率係可調整的，成為線圈電壓之調節方法(即，線圈中電力驅動訊號的數量)。例如，如果主要線圈108係加以構形為共振的，則可能藉由頻率改變而改變驅動訊號的數量。
在系統1之次級單元200中，次要線圈202係連接至整流器 206之輸入，其串聯至電容204，再一次地，這類的線圈/電容組合係共振的。 在某些例子中，次級單元200可不串聯共振的電容204。在使用時，次要線圈202提供接收自主要線圈108之電磁感應所生AC電壓，給予整流器206。 整流器206整流AC電壓，輸出一DC電壓至DC/DC轉換器208。DC/DC轉換器208向下轉換該線圈之已整流的電壓，以匹配負載210所需要的輸入電壓。
在某些情況下，DC/DC轉換器208較佳地係一開關模式的轉換器(相似於轉換器102)，而非線性的轉換器。開關模式的轉換器，相較於線性轉換器，典型地能夠將一DC電壓轉換成另一DC電壓。線性轉換器通常降低任何在阻抗上的過量電壓。因此，輸出及輸入電壓間的差異愈大，效率愈小。在輸入電壓方面之效率上的差異，造成能夠提供系統1之次級 單元200所需電力的輸入電壓非獨立於輸入電壓，這樣是吾人不想要的。
可選擇地，次級單元200之DC/DC轉換器208係加以構形 而傳輸一恆定的電壓至負載210。這個恆定電壓可藉由回饋環路(未示)加以維持。例如，為了在不考慮DC/DC轉換器208的輸入電壓改變，維持所需的負載210之輸入電壓Vload，DC/DC轉換器208的輸出電壓可加以使用而控制DC/DC轉換器208的工作循環(duty cycle)。
有時可以改變負載210所需的電壓，例如，如果負載210 係一具有充電周期的電池時。這樣的電池，在這類的充電周期中，可具有恆定電流及恆定電壓的部份，因而，可瞭解的是，在不同的時期，可把焦點置於電流而非電壓上。DC/DC轉換器208可加以構形，維持負載210在這類充電周期之不同部份上，所需之不同層次的負載電壓Vload。然而，所需的負載電壓Vload典型地係以相對較慢的時間規模(分)加以改變，如此，經過一較短的時間(秒)，其顯示相對地較為恆定。然而，在快速的時間規模(微秒)中，可能通常不經常地發生暫態(transient)。次級單元的移動，或某些次級單元的特殊能力(如，假如其具有RF功能時，例如，在一手提電話中)，可造成這類的暫態。
系統1的主要單元100在一預定的電壓水平下，調節主要線 圈電壓Vpc。此係藉由包含緩衝器110(尖峰偵測)以及微處理器112的回饋回路而達成。如顯示於第一圖中，該主要線圈電壓主要是藉由緩衝器110的緩衝，並輸入至該微處理器(MPU)112。基於該主要線圈電壓，此微處理器112可控制該DC/DC轉換器102的工作循環，以便使其無論該次級單元200的負載(與/或其他表現出的負載)為何，皆可維持該主要線圈電壓Vpc的 預定水平。
除了測量主要線圈電壓Vpc之外，系統1的主要單元100可 加以構形而決定經由主要線圈108所取用之電量，或者通過主要線圈108的電流量。也就是說，調節可基於電壓、電流或電力度量。例如，如果考慮電力的話，主要單元100能用於測量電壓Vd及DC/DC轉換器102取用的電流Id。在這個點上測量電壓及電流的優點是，訊號為DC。在微處理器112中，相關的訊號可使用類比對數位轉換器(ADCs)加以取樣(sampled)，及可進行低通濾波，進而降低噪音。可使用平均值作為此濾波的一部份。接著，電壓Vd及電流Id，例如，可在微處理器單元112內加以決定，及其可加以多工化(multipled)而決定所需取用的電力。
以下的描述詳細描述一些本發明範例實施例。應瞭解，其他實施例也是可能在後附申請專利範圍之內。詳細說明於本文的實施例中，相似的元件係由相似的參考數字加註，因而省略重複的說明。因此，要瞭解到，系統1的特徵及相關的描述，藉由類推，可應用到本發明。
第二圖係依照本發明一實施例之系統300的示意圖。系統300包含一主要單元302及多數個次級單元200。因而系統300係可用於感應式地、同時地(或者一個接著一個，例如，無需用一裝置替換另一者)供應電力給予兩個或更多的次級單元200。
要瞭解的是，第二圖係以電路層次加以呈現，在這方面，本發明的實施例係焦聚在電路特徵。然而，除了相關於電路之外，本發明也延伸至主要單元本身(其可包含超過所示電路特徵的特徵，例如其物理結構及包含這類主要單元的整個電力轉移系統)。
在第二圖中，所示的每一次級單元200係包含一次要線圈202，但其只為相對應電路裝置的代表。這說明到，次級單元200可只為這類次要裝置的元件，及能夠使示意圖簡單化。因此，在本發明一實施例中，次級單元200可相同於第一圖者。在本發明其他實施例中，第二圖(及其他圖式)中的次級單元200可相異於第一圖者，及可彼此地不同。
主要單元302係不同於第一圖中的主要單元100，其不同處在於包含多數個主要線圈108。主要線圈108係並聯在一起。雖然在第二圖中顯示三個這類的主要線圈，但要瞭解到，兩個或更多的這類線圈係可加以提供的，線圈的數量是可多到，例如，10個或50個，或更多。
在第二圖的實施例中，所示的兩個主要線圈108，其附近具有一次級單元200，及所示的第三主要線圈108附近並無次級單元200。這只是作為範例而已，及應瞭解到，任何數量的主要線圈108(或者為0)附近，可有一或更多的次級單元200，此取決於主要線圈108的構形，及需要電力之次級單元200的數量。主要線圈(取決於其構形)可同時地轉移電力至多於一者的次級單元。相似地，次級單元可同時地從相同主要單元中一個以上的主要線圈上接收電力。
至少基於以下理由，第二圖的實施例是有利的。相較於第一圖的範例系統，主要單元302藉由多數個主要線圈108，無需大量的電路重複，係賦予轉移電力的能力。具體地說，在主要單元302中，藉由額外的並聯主要線圈108，給予額外的能力(相對於第一圖系統)。依照這個方式，牽涉最小的額外成本及複雜度。
一般而言，以低重複電路提供額外能力的實施例，較低比率 部件重複的實施例，可能需要較高比率(較高電力能力)的元件。一般而言，相較於增加元件數量，想要使用較高比率的元件，可能有較低的成本。
進一步地，每一主要線圈108的電壓可加以調整，無需提供額外的電路，因為於所有並聯的主要線圈108，主要線圈電壓Vpc係相同的。 因此，感應到的是並聯組合的尖峰電壓，及經由微處理器單元112回饋，因而控制系統係加以安排，以致其維持所有的主要線圈108於相同的、經調整的電壓水準。第二圖系統係加以構形，而在所有主要線圈108附近有負載(次級單元/裝置)時，或只在某些主要線圈108附近有負載時，加以操作。不同主要線圈108上有不同的負載時，第二圖系統能加以操作。基於單一點上所感應的主要線圈電壓Vpc來加以調整，係可滿足的，因為主要線圈108彼此係並聯的。通常提供串聯的電容器106至所有的主要線圈108。 因此，主要線圈108係加以構形而在一想要的頻率加以共振(例如經調諧的)。想要的頻率可為反相器104產生其交流電的頻率(例如，交流電的基本頻率)。
第三圖係依照本發明一實施例之主要單元306的示意圖。例如，主要單元306可與第二圖實施例的主要單元302交換使用。
主要單元306相異於主要單元302之處在於設有一鎮流器電路308。此外，很清楚地從第三圖看到，可以提供任何數量的彼此並聯的主要線圈108。
鎮流器電路308係提供於反相器104及電容器106與線圈108組合之間。鎮流器電路308包含一電感器310及電容器312。因此，鎮流器電路308可為LC鎮流器電路。電感器310係串聯在反相器104及電容 器106之間。電容器312係並聯至電容器106及線圈108之組合。
在本實施例中，鎮流器電路308係有利的，因為其作為低通的濾波器，並降低在主要線圈108之訊號中的諧波數量。這有助於降低或避免由主要單元306產生不想要的無線射頻干擾及電磁場干擾。
基於主要單元操作穩定的觀點，及主要單元調節操作方面的觀點，在主要單元306中設有鎮流器電路308，也能是有利的。當主要單元具有單一的主要線圈108時，及在主要單元具有多數個主要線圈時，均是真實的。這樣的鎮流器電路可加以構形，而藉由適當地選擇元件值，有利地改良系統穩定性。現在進一步地考慮鎮流器電路308的優點。
第四圖為一組示意圖，用於瞭解鎮流器電路在感應式電力轉移系統之主要單元中的利益。
第四A圖為第二圖系統之代表性部件的示意圖。吾人認為，在主要側設有固定的交流電流，以致主要線圈108產生一電磁場，感應式地轉移電力至次要側。亦認為，次要側的特徵係未知的，例如，在次級單元中的負載，次級單元的數目等。也認為，在主要線圈108中並未調節訊號。重要地是，在第四A圖電路中，無鎮流器電路。
第四B圖係回應第四A圖主要側中的電路所生之頻率的示意圖。實心的曲線指示第四A圖電路可具有一共振反應，其具有單一的尖峰。以虛線顯示的曲線係代表一些方法，其中共振反應可能連同次要側的改變加以改變(如，改變負載，次級單元數量等)。如圖所示，曲線的斜率，在尖峰之兩側均可加以改變，或者可改變尖峰頻率，或者，事實上，可能發生這些改變之組合。
可瞭解的是，若主要側中的訊號係為一特定頻率(如，第四B圖中垂直的虛線所示者)，則如果想要調整，例如，主要線圈上的電壓，改變頻率會增加在主要側上的顯著負擔。這個問題係存在於第四A圖之單一的主要線圈108中，並且在第二圖中多重相亙並聯的主要線圈108中係加重該問題。
第四C圖為第三圖系統之部件範例的示意圖。再一次地，吾人認為在主要側設有固定的交流電流，以致主要線圈108產生一電磁場，感應式地轉移電力至次要側。亦認為，次要側的特徵係未知的，例如，在次級單元中的負載，次級單元的數目等。也認為，在主要線圈108中並未調節訊號。然而在本例中，鎮流器電路308係存在於電路中。
第四D圖係回應第四C圖之主要側中電路之頻率的代表性示意圖。實線的曲線指出，第四C圖電路可加以構形，而具有一共振尖峰，其具有兩個主峰，結合有一相對平坦的部份。虛線的曲線係代表一方法，其中共振反應可連同次要側一同改變(如改變負載、次級單元數目等)。如所示者，雖然尖峰的形式可加以改變，且雖然尖峰每一側的斜率可改變，但實質平坦的中心部(在第四D圖中以標有x的盒子加以註記)，若有任何改變時，也只有稍微的改變。
因此，若主要側中的訊號係經由選擇而在盒子X中為穩定的特定基本頻率，亦即，在相對較為穩定的中心部，則若想要調整，例如，主要線圈上的電壓，回應次要側改變而進行頻率改變，在主要側中增加稍微的或無實質的負擔。有效地，主要側對於次要側的改變係不敏感的。優異於第四A圖電路，這個優點係存在於單一的主要線圈108中，及若存有 多數個主要線圈，則優點可能地更多。因此，第三圖電路係被認為本發明之一實施例，甚至只有一主要線圈108加以提供時。
第五圖為一示意圖相似於第四C圖，亦即，本發明一實施例系統，其中主要側具有一鎮流器電路。示意圖已經加以使用系統的模擬操作(simulate operation)，以說明鎮流器電路的優點。
為了幫助第五圖中電路的瞭解，相關的元件已經以相對應於第一至第四圖中的相同的參考數字加以註解。簡單地說，主要側電路係由反相器104加以驅動，及包含電感器310(鎮流Lbal)及電容器312(儲能，Ctank)，其值係加以選擇以致其經由諧調至頻率f0=1/(2πLC)。該電路進一步包含主要線圈108(基底電感器，(pad inductor)，Lpad或Lp)，及電容器106(串聯共振電容，Cp)，其也加以諧調至f0。在本模擬中，頻率f0係加以選擇的，作為反相器104的開關頻率，該頻率典型地係100~500kHz，以進行無線式電力轉移應用。為與第三圖實施例一致，主要線圈108(基底電應器Lpad或Lp)，可為單一的主要線圈108或多數個並聯的線圈(或者甚至串聯的線圈)。 在第五圖中額外的標示為本模擬的指示。
在該模擬中，電感器310(鎮定)及電容器312(儲能)，係由一AC電壓(從反相器104提供)加以驅動，並能有效地作為一共振電源或用於提供一恆定的線圈電壓。這有效地獨立於小的元件誤差，因為(如前文所述)操作係在頻率回應曲線的平坦區中進行，其介於兩個主要共振尖峰之間)。
第六圖係基於第五圖電路之模擬結果的圖表。具體地說，第六圖為一頻率回應曲率，經由使用配置其下方的參數值加以取得。參數 的標示係對應第五圖中者)。操作的頻率係加以選擇為323kHz(0.323MHz)。
從第六圖之實線曲線可見到，頻率回應係大於第四D圖中者，亦即，其具有兩個主要共振尖峰，其具有實質平坦之部份。兩主要尖峰之間的曲線之中心上，操作頻率323kHz係加以選擇，該處的曲線係實質平坦的。實線曲線顯示無次級單元時的回應，及虛線曲線顯示存有次級單元及其在全功率下操作時回應。如可見者，曲線中的操作點(在平坦部份)，並未明顯地在這個兩種情況中改變。
在本發明一實施例中，保每一對的元件，亦時，電感器310及電容器312作為一對，及電容器106與主要線圈108作為另一對，諧週至一相同頻率f0(藉由合適的選擇其電感及電容值)，係有利的，因為這樣維持相同的基本共振曲線形狀。在這個限制下，增加鎮定電感器308的電感比率(電感器比)至主要核芯108的電感(即，Lbal/Lpad)，使共振尖峰頻率更加地分隔，及降低鎮定電感器308的電感，增加主要線圈中的電流(基底電流，pad current)。下述的方程式係有用於瞭解這些關係。
共振尖峰係如下定位：
其中ωpeak為尖峰角頻(在弧度中)，ω0為操作角頻(在弧度中)，亦即，回應曲線的中心頻率中，Lbal為鎮定電感器310的電感，及Lpad為主要線圈108的電感。
主要線圈108的電流大約由以下提供：
其中Vinp為輸入交流電壓的尖峰值，如第五圖所示。
主要線圈上尖峰電壓大約如下所示：
Vinp為反相器104所生的基本頻率(f0上的正弦成份)。這可認為係相等於反相器軌跡電壓(inverter rail voltage)乘以2/π。
第七圖為一模擬結果的圖表，顯示共振尖峰分離區中電感器比的效果。Y軸代表共振尖峰分離區中的頻率，其由中心頻率加以分隔。中心頻率係位於第六圖之x軸的中心上。第八圖係模擬結果的圖表，顯示鎮定電感器310之電感值對於主要線圈108中電流(主要電流)的效應。
基於上述，在本發明一實施例中，一用於設計第五圖電路之範例設計方法，係如以下所述：
步驟1：選擇鎮定電感器310的電感值Lbal，及儲能電容器312的電容值Ctank，以致該對係加以諧調至頻率f0=1/(2πLC)。也加以選擇主要線圈108的感應值Lpad及該串聯共振電容器106的電容值Cp，以致該對係諧調至一頻率f0。之後，選擇頻率f0作為反相器104的開關頻率。
步驟2：選擇一電感器比值Lbal/Lpad，以致該共振尖峰係有效地遠離，進而元件誤差之效率是實質地小。已發現，Lbal/Lpad為1/4時，大約為可理解的起始點。
步驟3：在主要線圈上所期望的電壓因而大約為：
在主要線圈中的繞數係可加以選擇，而連同實際的反相電壓、主要線圈電壓及主要線圈電流，一同作功。反相器及線圈電壓之選擇，典型地係受到可得的FETs、所要的效率、成本及EMC(電磁相容性)等考量，而加以影響。設計權衡(design trade-offs)可意指，依照上述調整步驟2中的所選比率。
步驟4：如果合適的話，進行整個設計的最終諧調。例如，鎮定電感器310及儲能電容器312對的共振頻率係可加以輕微地調整，允許反相器FETs在所有誤差條件下使用零-電壓開關。零-電壓開關(ZVS)的使用，導致低開關噪音及降低損失。
以上的步驟可能需要在一實際情況中一起實施，或者，部份地重複進行。在實際實行中，對於元件值係可有限制的，以致元件值之選擇並非完全自由的。
回到第四到第八圖，可瞭解的是，主要線圈具有一自我感應，Lpad或Lp，其為線圈在隔離(忽略寄生，如內纏電容)時的電抗。然而，當線圈係耦合至一次級單元中的次要線圈時，有效的電感可出現差異，及可取決於次要線圈的電感，Ls，兩線圈之間的耦合程度，及次級單元施加在負載的阻抗等，加以改變。因此，有效感應似乎可相異於在隔離時所測的電感。取決於耦合的強度，及因而取決於主要及次要線圈共線對齊的程度，有效感應可加以改變。這也可由次要負載，及因而時間改變，加以決定。 這就是有效電感，其通常決定系統的共振效率。因此，如第四B圖，可能的是，操作頻有時，或者甚至經常或一直是，相異於該時刻的共振頻率， 以致於系統通常是稍微的”偏離共振”下運作。因此，第四D圖中的優點可能在於，該系統精緻地在兩個共振尖峰之間加以運作，亦即，其設計於耗盡共振。因此，系統可被認為對於所見的有效電感之改變，多少有點不受影響或不敏感的(亦即，實質穩定的)。
第九圖係本發明實施例系統350的示意圖。系統350相似於系統300，包含主要單元352及多數個次級單元200。
主要單元352通常係相同於主要單元306，但是以下除外：其只顯示兩個主要線圈，及其顯示一具體範例的主要線圈108實施例。在主要單元352中的每一主要線圈108包含一條形的肥粒鐵片，作為主要核芯109，其周遭以相對應主要線圈108加以纏繞，並沿其長度加以分佈。第九圖之系統350之次級單元200內的次要線圈202也可有相似的構形。亦即，第九圖中每一次級單元200內的次要線圈202包含一條形的肥粒鐵片，作為一次要核芯203，其周遭以相對應的次要線圈202加以纏繞，並沿其長度加以分佈。
在本實施例中，若安置裝置時有某些位置的自由，則次要線圈202(及核芯203)，在相較於主要線圈108(及核芯109)時，有稍微地較小的尺寸。在本發明的另一實施例中，主要線圈108的尺寸可相同於(或稍微地較小於)次要線圈者。
在本實施例中，主要線圈108係物理地加以安排，以致其共享一通用的線圈軸，然而，它們係如此加以安排的，以致主要線圈附近，彼此具有相對的極性。此由第九圖中兩個所示的主要線圈108的線圈末端加以示例，該兩者係彼此相鄰，及通常連結在一起，及相似地，其最遠末 端係通常相連在一起。這種佈局的一優點在於：主要線圈108所生的遠場(far-field)電磁場可加以取消至一範圍，該範圍係能降低主要單元352所造成之干擾者。在本發明的另一實施例中，主要線圈108能依照不同方式加以安排，例如，側對側(side-by-side)。在另一實施例中，主要線圈可全部均有相同極性，或者可從分離的離相驅動系統加以提供相反的極性。
在本實施例中，主要線圈108的安排，使其本發明傾向為前述之置物架形式的主要單元。主要線圈108的線可座落在置物架之下，造成置物架本身作為電力轉移表面。接著，次級單元200可安排在置物架上，感應式地接收其電力。
第十圖為本發明一主要單元362實施例之示意圖。如上文所述，主要單元中主要線圈108的數目，在各個實施例中是可不同的。將上述記在心裡，例如，主要單元362可與主要單元302、306及352，互相交換使用。
主要單元362係相異於主要單元306，其如下述。首先，包含有鎮流器電路308、電容器106及主要線圈108之一者的線圈部份，在每一線圈108中係加以重複，及這些部份係並聯在一起。其次，緩衝器110(尖峰偵測)，只連結至主要線圈108的一者。
因此，在主要單元362中，鎮流器電路係全部連接至反相器104，以致反相器104同時地加以驅動它們。這種主要單元362的構形是有利的，其由於如上述的鎮流器電路308的優點。亦即，反相器104係加以構形，以致在每一並聯部份中，係位在頻率回應曲線之實質平坦部份中的基本輸出頻率。藉由構形並聯的部份，使它們彼此相似，可加以安排的 是，每一並聯部份之頻率回應的實質平坦部份，其頻率係大約落在相同位置。因此，並聯部份的全部組合(及每一這類部份之個體)，對次要側的改變(如，次級單元200之有/無，或者次級單元200的類型等)係不敏感的。這是其中的一個理由，為何可能調整每一主要線圈108的電壓，而同時只感應到線圈108一者的電壓(在本例中，為最上方的線圈108)。亦即，藉由調整一主要線圈108的操作，所有主要線圈108的操作均受到調整。在每一主要線圈108中，無需分離地調整電路(例如，每一線圈108需要一分離的緩衝器110及更複雜的MPU 112)，因此為有利的、成本低的(cost-wise)、及較簡易的(complexity-wise)。
第十一圖係本發明主要單元372實施例的示意圖。例如，主要單元372可與主要單元302、306、352及362，交換使用。
主要單元372通常係相同於主要單元362，但是，每一線圈108係藉由緩衝器110(尖峰偵測)設有一回饋通路。進一步地，提供一配備多重輸入的MPU 374，而非MPU 112。
在本例中，藉由控制DC/DC轉換器102，由一或更多其感應到的電壓，主要單元372係可操作地感應每一主要線圈108的電壓，及可調整其操作。在某些例子中，例如在只有一個次級單元200時，為了精確的控制特定線圈，基於從一特定主要線圈108所感應到的電壓加以控制調節，是有利的。在其他例子中，藉由在不同時刻調整不同線圈108上的電壓，係有利的。整體來看，在主要線圈372中係提供一高能力的控制。
第十二至十五圖分別係主要線圈382、392、402及412的示意圖，每一者係本發明的一個不同實施例。這些主要單元的每一者與主 要單元302、306、352、362及372的任一者，均可交換使用。
每一主要線圈382、392、402及412通常係相同於主要單元302，但以下差異係除外。可瞭解的是，這些實施例係打算說明該回饋訊號(感應電應的操作)，可在任何主要單元電路中數個不同點上加以取得。
在第十二圖之主要單元382中，提供一如主要單元302之AC電壓感應，但係由電容器106及反相器104之間加以提供。在第十三圖之主要單元392中，一AC電感器394係提供於主要線圈上(作為一電流變壓器)。在第十四圖的主要單元402中，一DC電壓感應係提供於DC/DC轉換器102及反相器104之間。在第十五圖之主要單元412中，一DC電流感應(藉由串聯的電阻414及運算放大器416)，係提供於DC/DC轉換器102及反相器104之間。
第十六圖為根據本發明一實施例之一主要單元422的概略圖。舉例來說，主要單元422可與以下任何一主要單元302、306、352、362、372、382、402與412交換使用。
主要單元422通常係相似於主要單元372，但是，其並聯部份係不具有鎮流器電路(但另一實施例可包含這類鎮流器電路)，及每一並聯部份中的電容器106係由可變電抗(可變電容器)424加以取代。進一步地，主要單元422具有一MPU 426(取代MPU 112)，其對每一電壓感應有一輸入(經由緩衝器110)，及對每一可變電抗424有一輸出，進而控制這些電抗之值。
因此，在主要單元422中，每一並聯的部份具有串聯在一起的主要線圈108及可變的電抗424。每一可變電抗424在本實施例中係以 可變電容加以實施，其由一電容陣列加以形成，可在MPU 426的控制下加以開關。可變電容可用，例如，MOSFETs或MEMs，加以製造。可變電容的值係可由MPU 426加以控制。
可變電抗424中的電容值改變時，LC組合(主要線圈108及可變電抗424)，係受到諧週，以致該組合可進出共振。依照這個方式，基於諧調LC組合的共振頻率，朝向或遠離反相器104的基本頻率，相關的尖峰線圈電壓可在控制下改變。
因此，在主要單元422中，每一主要線圈108中的尖峰電壓係加以感應，及這些回饋訊號可由MPU 426加以使用，而控制DC/DC轉換器102及可變的電抗424。要瞭解的是，雖然本文所討論的實施例焦聚在電壓的感應及調整，在本發明之其他實施例中，可調整主要線圈108中的電流或電力。
在主要單元422中，每一主要線圈108並不必要具有可變電抗424。例如，主要線圈108的一者係可具有固定的電容，如電容器106，及其他者係可具有可變電抗。主要線圈108可藉由控制DC/DC轉換器102，而彼此地共同地調整，及主要線圈108可藉由控制可變的電抗424，而彼此地共同地調整(及線圈108連同固定的電容器106)。更加通常的是，可變阻抗能加以運用(併入一電阻)，然而，該阻抗所伴隨的損失可能在某些實施例是不想要的。
第十七圖係本發明主要單元432實施例的示意圖。同前，主要單元432可與先前所述的任何本發明實施例主要單元，交換使用。
主要單元432係同於主要單元422，但，其並聯部份並非由 通常的反相器104加以驅動，而每一這類部份由半橋434加以驅動，同時，該半橋434通常由一驅動器436及一振盪器438加以驅動。
把焦點放在主要單元422及432中的LC組合，可以瞭解的是，存有形成可變電容的數個方法(例如，使用可變電抗或各種電容的串聯及並聯組合)。可替換的是，由於改變L或C，將會改變全部的LC組合，一串聯至可變電感中的固定電容，能加以使用。這可由一開關的個體導體陣列加以實現，或者，例如，藉由提供一纏繞在肥粒鐵上的具有支線(tap)之線圈，以致纏繞組合的差異能加以縮短或加以選擇而改變全體的電感。
第十八圖係依照本發明一實施例之主要單元442的示意圖。如前文所述，主要單元442可與前述本發明任一主要單元實施例交換使用。
主要單元442係相當接近主要線圈432，但是，其每一並聯部份係提供自有的反相器104，而非半橋434(及驅動436與振盪器438)。進一步地，每一可變電抗424係由固定的電容器106加以取代。
為了提供每一並聯部份的可控制性，相似於第十七圖，每一反相器係有可調式振盪器444，其可由MPU 426加以控制。因此，提供至每一主要線圈108的驅動頻率(亦即，相關反相器104的基本輸出頻)，能加以調整，使其朝向或遠離共振，進而調整其上方的AC電壓(尖峰電壓，或，例如，RMS電壓)。如第十七圖中，每一主要線圈中的訊號係由一緩衝器110(尖峰偵測器)110加以感應，MPU 426係可操作地動態地控制在其輸出的訊號，以執行系統控制/調整。因此，MPU 426可選擇性地控制DC/DC轉換器102的操作，及/或一或更多可調式振盪器444之操作。需要時，MPU 426可操作地動態調整每一主要線圈108中的電壓(或在其他實施例中，電流或電能)，成為全部相同的水準或者不同的水準。
如前文所述，每一反相器104必須配備其本身的可調式振盪器444。例如，反相器104之一者，能設有一固定頻的振盪器，及其他者可具有可調式的振盪器444。藉由控制DC/DC轉換器102，主要線圈108能一起調整，及藉由控制可調式振盪器444，主要線圈108能相對於另一者而加以調整(及相對於設有固定頻振盪器之線圈108)。
第十九及二十圖係本發明實施例主要單元之充電表面上的可能的主要線圈108佈局之示意圖。在這類實施例中，想要的是，次級單元200能安置在這類將要被充電之主要單元充電表面上的任一處所，或實質上任一處所。在這類例子中，相關的主要單元可包含多數個主要線圈。
在第十九圖中，該充電表面具有已纏繞之肥粒鐵線圈450的陣列，即，在肥粒鐵背板452上已纏線圈450的陣列。在第二十圖中，充電表面具有一印刷六角形螺旋線圈460(printed hexagonal spiral coil)，其已在一PCB(印刷電路板)462上進行蝕刻，下方可具有肥粒鐵及/或金屬防護。在第二十圖中，每一六角形排列460可認為是一個體線圈。矩形464代表可能的次級單元200之足跡，或者一併有這類單元的次要裝置，其置放於相關的待充電之主要單元之充電表面上(亦即，感應式地由其接收電力)。
可瞭解的是，在某些實施例中，次級單元200的足跡可能小於充電表面上的充電面積，以致多數個次級單元可在同一時間加以充電。在第十九圖及第二十圖所示的陣列中，可能將主要線圈108進行開啟 或關閉，以致只有某些線圈係在特定時間加以活化。當一主要線圈108關閉時，想要的是，由開啟一導體(虛設線圈)來加以取代，以保留相同的整體電感，及保持系統於共振。這個概念可應用到任何前述的實施例的類似情況中，以形成新的本發明實施例，並且這個概念將於下文中更加詳細的說明。即使只有一個次級單元正在接收電力，這個概念也是有利的，因為不同的主要線圈及甚至相異數目的主要線圈，需要藉由次級單元相對於充電表面之位置及定位而加以活化。因此，取決於這類的位置/定位，不同的虛設線圈或不相數目的虛設線圈，可能需要在不同時間加以活化，以維持系統共振。
“虛設線圈”可為標準的電感器，其可較小於及較輕於主要線圈。進一步地，它們可加以防護，或設計而不軸射，進而不影響由主要線圈所生的電磁場。虛設線圈可安置在主要單元中，遠離電力轉移區，進而降低任何由其產生之效應(熱、輻射或其他者)。因此，藉由使用虛設線圈，可能維持由驅動電路所見到之電感，而無需那些對已生電磁場造成影響的虛設線圈。
第二十一圖係依照本發明一實施例之主要單元472的示意圖。如上文所述，主要單元472可與前述本發明任一主要單元實施例交換使用。
如前文所述，“虛設線圈”的概念係可應用到任何前述的實施例，及主要單元472係本概念應用到第三圖之主要單元306的一個例子。
如第二十一圖所示，每一主要線圈108係設有串聯的開關474，以致其可開啟或關閉(例如在MPU 112控制之下)。提供一與主要線圈 108(及開關474)並聯的相對應電感器476(作為虛設線圈)，其串聯到開關478。因此，當一主要線圈108係關閉時，一電感器(虛設線圈)476，可開啟，以便維持相同的並聯排列之主要線圈108及電感器476的全部電感。
上述的解釋假設在主要線圈108及電感器(虛設線圈)476之間的電感關係為1：1。當考慮到主要單元472時，一進一步的假設為，主要線圈108及電感器(虛設線圈)476係有相同數目。雖然這在本發明之一實施例中為真的，但是在其他實施例中並非為真。例如，在本發明一實施例中，可知的是，在任可時刻下，只有一定數量的主要線圈108係關閉的。 在這個情況下，可能只提供該特定數量的電感器476(該數目係可小於主要線圈108的數目)。此外，例如，在本發明另一實施例中，可知的是，當主要線圈108係關閉時，其一直有至少特定數目是關閉的。在這個例子中，可能對電感器(虛設線圈)476之一者加以構形，以致其具有相同於特定數目主要線圈108(該數目係大於1)的電感。可瞭解的是，主要線圈108及電感器(虛設線圈)476的其他安排係可能的，而形成進一步之本發明實施例。
第二十二圖係本發明數個實施例之主要單元482的示意圖。
一般而言，主要單元482係打算用於說明，主要線圈108及電感器(虛設線圈)476之開與關的概念，是如何應用到本發明的實施例。主要單元482包含一主要線圈108及電感器476的陣列，一驅動器484及一開關單元486。主要線圈108及電感器476通常係在一端經由開關單元486加以連結至驅動器484的接地端。主要線圈108及電感器476的另一端，經由開關單元486的控制下，係選擇性地可連結至驅動器484的輸出1或輸出2。很明顯地，驅動器484係能具有任何數目的輸出，及為方便起見， 只有顯示出兩者。
主要單元482的構形通常係可應用到本文中所述的主要單元實施例。例如，主要線圈108可為第十九或二十圖中的陣列。再者，例如，在考慮驅動器484只配備一輸出(或只有其他未連結之輸出)時，主要線圈108及電感器476可為第二十一圖中所示者，及該驅動器484能為第二十一圖中電路之其餘部份，同時，驅動輸出係位在第二十一圖之電容器106及緩衝器110之間。
在驅動器484中提供多於一者之輸出的優點在於：主要線圈108及電感器476可組合控制，每一輸出一個組合，以致(例如)一組能相對於另一者，由不同的電壓加以調整。如第二十二圖中所示例者，任何數目的主要線圈108及電感器476可，可連結至任何一個驅動器輸出。
第二十三圖係驅動器492的示意圖，其與驅動器484係可交互更換，以形成本發明之實施例。應予瞭解的是，驅動器492係相同於第二十三圖中的主要單元492，但是，主要線圈108係已經移除，只留下輸出1及2，及半橋434之其餘的較低輸出係連結在一起，通常係為了與第二十二圖之一般接地(common ground)的相容能力。因而，要予以瞭解，一組的主要線圈108(或電感器476)，可在一電壓(經由輸出1)下加以調整，及另一組的主要線圈(或電感器476)，可在另一電壓(經由輸出2)加以調整。再一次地，如前文所述，調整可為電壓、電流或電能調節。
以不同的主要線圈電壓加以調節不同的主要線圈108，可用於供應不同水準的電力，給予位在相同充電表面上的不同的負載(如不同種類的次級單元200或次要裝置)，或者至少用於感應式地從相同主要單元接 收電力。這也能為有用的，因為主要單元及次級單元之間的耦合，取決於次級單元相對於主要單元之位置及/或定位，能寛廣地加以改變。再者，實際電容器及電感器間的容差，在一次級單元或裝置到下一者間，能造成差異。
耦合中的改變能使次級單元/裝置必須配合一大的電壓輸入範圍，而且通常想要限制該次級單元/裝置必須配合之電壓範圍，以致其可包含較低電壓比的元件，進而降低成本及改良效率。將該觀點記在心裡，在本發明的一實施例中，主要及次級單元能加以構形而彼此流通。例如，本發明一實施例中，次要裝置能夠加以構形而流通於主要單元資訊，指示出其所需要的電力。在回應時，主要單元能加以構形，因而調整相關的主要線圈。應予承認的是，在某些實施例中，這類的流通係可能只需要單向流通，例如，從次級單元到主要單元，然而，更多的有活力的流通，是較優於雙向流通。
第二十四圖係本發明一實施例之主要單元502的示意圖。 主要單元502為一主要單元582的示範性實現，其中所顯示的主要線圈108及電感器(虛設線圈)476之觸排(bank)，係加以分離(如第二十一圖)，及其中清楚地圖示一開關單元486的範例性實施。進一步地，其顯示的有，開關單元486的控制能由MPU 504加以處理，其可為本發明之其他實施例中之MPUs的一部份，或與之分離。
在本發明一實施例中，相似於第十八圖者，有利的是，可控制地改變主要單元上的驅動頻率。例如，如果次級單元係不包含DC/DC轉換器，取而代之的是，其流通回饋資訊至主要單元，則前述者係有利的。 例如，在一實施例中，對於一次級單元，主要單元能夠在一頻率下，潛在地驅動一主要線圈或一線圈，而對於一不同的次級單元，能夠以不同的頻率，經由該些次級單元的回饋訊號，潛在地驅動一不同的主要線圈或線圈。 在這個方面，至少某些實施例可取得來自次要側(以及，或者可取而代之的，來自主要側的)的回饋訊號。
應瞭解的是，本發明之其他實施例係可能地在後附申請專利範圍之範圍內。
102‧‧‧DC/DC轉換器
104‧‧‧反相器
106‧‧‧電容器
108‧‧‧主要線圈
110‧‧‧緩衝器
112‧‧‧微處理器單元(MPU)
200‧‧‧次級單元
202‧‧‧次要線圈
300‧‧‧系統
302‧‧‧主要單元

Claims (24)

  1. 一種用於轉移無線電力至一次要單元的主要單元，該主要單元包括：一主要電路；一減敏電路；一驅動電路，在一操作頻下係可操作來驅動該主要電路及該減敏電路，以便產生一電磁場，可供轉移無線電力至該次要單元；其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以致於該無線電力之電壓及電流的至少一者，並未明顯地變動來回應該主要單元及該次要單元之間耦合的改變。
  2. 如申請專利範圍第1項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與該次要單元的關係。
  3. 如申請專利範圍第1項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與多數不同次要單元之間的關係。
  4. 如申請專利範圍第1項的主要單元，其中該操作頻係可變的。
  5. 如申請專利範圍第1項的主要單元，其中該主要電路包含一主要電感器及該減敏電路包含一減敏電感器，及其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以致於該無線電力的電壓及電流的至少一者，藉由選取該主要電感器值及選取該減敏電感器值，而對於該主要單元及該次要單元之間耦合的改 變，並未明顯地變動。
  6. 如申請專利範圍第1項的主要單元，其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以便在被驅動時具有一頻率回應，及其中該頻率回應有一部份係接近該操作頻，儘管在該主要單元及該次要單元耦合改變時，仍維持實質穩定。
  7. 一種用於轉移無線電力至一次要單元的主要單元，該主要單元包括：一主要電路及一減敏電路，係加以配置而在被驅動時提供一頻率回應；一驅動電路，在一操作頻之下，係可操作來驅動該主要電路及該減敏電路，以便產生一電磁場，用於轉移無線電力至該次要單元；其中該頻率回應有一部份係接近該操作頻，儘管在該主要單元及該次要單元耦合改變時，仍維持實質穩定。
  8. 如申請專利範圍第7項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與該次要單元的關係。
  9. 如申請專利範圍第7項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與多數不同次要單元之間的關係。
  10. 如申請專利範圍第7項的主要單元，其中該操作頻係可變的。
  11. 如申請專利範圍第7項的主要單元，其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以致於該無線電力的電壓及電流的 至少一者，對於該主要單元及該次要單元之間耦合的改變，並未明顯地變動。
  12. 如申請專利範圍第7項的主要單元，其中該主要電路包含一主要電感器及該減敏電路包含一減敏電感器，及其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以致於該無線電力的電壓及電流的至少一者，藉由選取該主要電感器值及選取該減敏電感器值，而對於該主要單元及該次要單元之間耦合的改變，並未明顯地變動。
  13. 一種用於轉移無線電力至一次要單元的主要單元，該主要單元包括：一主要電路，包含一主要電感器，其具有一電感值，及一減敏電感器，其具有一電感值，其中該主要單元具有一有效電感，該有效電感係由該主要電感器電感值及該減敏電路電感器來貢獻；一驅動電路，在一操作頻下係可操作來驅動該主要電路及該減敏電路，以便產生一電磁場，用於轉移無線電力至該次要單元；及其中該主要電感器的電感值及該減敏電路電感器的電感值係加以選取，以致於起因於該主要電感器及該次要單元之間耦合的有效電感改變，係實質地小。
  14. 如申請專利範圍第13項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與該次要單元的關係。
  15. 如申請專利範圍第13項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與多數不同次要單元之間的關係。
  16. 如申請專利範圍第13項的主要單元，其中該主要電路係加以配置，以致於該無線電力的電壓及電流的至少一者，對於該主要單元及該次要單元之間耦合的改變，並未明顯地變動。
  17. 如申請專利範圍第13項的主要單元，其中該主要電路係加以配置，以便在被驅動時具有一頻率回應，及其中該頻率回應有一部份係接近該操作頻，儘管在該主要單元及該次要單元耦合改變時，仍維持實質穩定。
  18. 一種用於轉移無線電力至一或更多次要單元之主要單元，該主要單元包括：一主要電路；一減敏電路；一驅動電路，在一操作頻下係可操作來驅動該主要電路及該減敏電路，以便產生一電磁場，用於轉移無線電力至該一或更多的次要單元，其中介於該主要單元及一或更多次要單元之間的耦合，係落入一耦合值範圍之內；其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以致於該耦合值範圍內的耦合的變動，並未明顯地變更該主要單元的輸出。
  19. 如申請專利範圍第18項的主要單元，其中該主要電路及 該減敏電路係加以配置，而在被該驅動電路以該操作頻來驅動時，具有一第一耦合值的第一頻率回應，其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，而在被該驅動電路以該操作頻來驅動時，具有一第二耦合值的第二頻率回應，及其中該操作頻下的該第一頻率回應及第二頻率回應係實質相似。
  20. 如申請專利範圍第18項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與該次要單元的關係。
  21. 如申請專利範圍第18項的主要單元，其中該主要單元係加以減敏，以便改變其與多數不同次要單元之間的關係。
  22. 如申請專利範圍第18項的主要單元，其中該操作頻係可變的。
  23. 如申請專利範圍第18項的主要單元，其中該主要電路包含一主要電感器及該減敏電路包含一減敏電感器，及其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以致於該無線電力的電壓及電流的至少一者，藉由選取該主要電感器值及選取該減敏電感器值，而對於該主要單元及該次要單元之間耦合的改變，並未明顯地變動。
  24. 如申請專利範圍第18項的主要單元，其中該主要電路及該減敏電路係加以配置，以便在被驅動時具有一頻率回應，及其中該頻率回應有一部份係接近該操作頻，儘管在該主要單元及該一或更多次要單元之間耦合改變時，仍維持實質穩定。
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