CN101904074A - 无线能量传输 - Google Patents

Abstract

一种设备(200)，包括被配置用于监控电源(100)的谐振频率的监控电路(230)，接收部件(211a)，以及被配置用于改变所述接收部件(211a)的谐振频率的控制单元(220)，其中，所述设备(200)被配置用于根据所述电源(100)的谐振频率来改变所述接收部件(211a)的谐振频率。

Description

无线能量传输

技术领域

本发明涉及无线能量传输，并且具体地但非排它地涉及电源和接收部件之间的无线能量传输。

背景技术

例如移动电话或膝上型计算机之类的便携电子设备往往是由可再充电的化学电池来供电。一般而言，这类电池被可释放地连接到便携设备的主体。

将电池用于向便携电子设备供电不甚理想，因为化学电池的能量存储容量是有限的。因而，化学电池必需每隔一定间隔就被再充电。

为了提供一种用于对电池再充电的装置，通常向便携设备提供充电器单元，以便让电能从电力网供电(mains power supply)流向可再充电的电池。传统上，充电器单元包括用于连接到电力网供电插座的电插头和用于将该电插头连接到便携设备的电缆。

这样是不利的，因为如果没有方便的电力网供电插座，这种情况通常存在于大多数户外和公共环境中，则可再充电的电池的电力会耗尽并且便携设备将需要断电。

由于这类充电器单元需要便携设备和电力网供电插座之间的物理连接，所以其使用在这一点上也是不利的。这严重地限制了便携设备在充电期间的移动，从而否定了设备的便携性。

另一类型的充电器单元利用的是传统的短程电感耦合原理，其涉及能量从充电器单元中的主要电感器转移到便携设备中的次要电感器。例如，这类充电器单元通常被用于为电动牙刷中的可再充电的电池进行充电。

利用这类传统的电感耦合的充电器能够无线地传输电力，因此不需要电力网供电和便携设备之间的物理连接。然而，能够实现有效电力传输的最大距离被限制在与电感的物理大小相同数量级的距离。对于便携电子设备，电感的大小受便携电子设备的大小限制。因此，通常，当任何东西的距离大于几厘米时，对于这类电力传输而言，主要和次要电感器之间的能量传输效率太低以至于不可行。

因此，如上述的电缆，使用传统电感耦合的电力传输需要充电器单元与便携设备非常邻近，这意味着便携设备的移动严重受限。

除了上述与再充电相关联的问题之外，将化学电池用作电源还有若干其他的缺点。例如，可再充电的化学电池的寿命是有限的，并且会随着变旧，它们的最大存储容量也趋向于降低。而且，化学电池相对较重，这意味着在便携设备中包含化学电池通常给设备总重量增加了不少的百分比。如果能够减少设备对化学电池的依赖，则诸如移动电话之类的便携电子设备可以变得轻很多。

发明内容

本说明描述了一种设备，包括：监控电路，被配置成监控电源的谐振频率；接收部件；以及控制单元，被配置成改变所述接收部件的谐振频率，其中所述设备被配置成根据所述电源的谐振频率来改变所述接收部件的谐振频率。

所述接收部件可以适于通过谐振电感耦合来从所述电源无线地接收能量。

所述接收部件可以包括具有可变谐振频率的自适应接收部件。

所述设备可以被配置成将所述接收部件的所述谐振频率与所述电源的所述谐振频率相匹配。

可以在所述接收部件中通过由所述电源生成的磁场来感生电压，并且所述控制单元可以被配置成改变所述接收部件的所述谐振频率以匹配所述电源的所述谐振频率。

所述设备还可以包括多个电气部件，并且所述设备可以被配置成向这些电气部件中的至少一个提供电能。

所述设备还可以包括电池，其用于在未从所述电源接收到能量时向所述电气部件中的至少一个提供电能。

所述设备可以包括便携电子设备。

所述设备可以包括移动电话、个人数字助理(PDA)或者膝上型计算机。

所述设备可以包括锁相环电路，其被配置成输出控制信号，用于根据所述电源的所述谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率。

本说明书还描述了一种设备，包括：用于检测电源的存在的装置；用于监控所述电源的谐振频率的装置；以及用于根据所述电源的所述谐振频率来改变接收部件的谐振频率的装置。

所述接收部件可以被配置成通过无线非辐射能量传输从所述电源接收电能，并且可以被配置成向可再充电电池提供接收到的电能。

本说明书还描述了一种设备，包括用于从电源无线地接收能量的具有可变谐振特性的接收部件，其中所述接收部件的所述谐振特性可以改变以匹配所述电源的谐振特性，从而提高从所述电源接收能量的效率。

所述设备还可以包括监控电路，用于检测并监控所述电源的所述谐振特性。

所述设备的所述接收部件可以包括具有可变谐振特性的自适应接收部件，并且所述设备还可以包括控制单元，被配置成自动改变所述自适应接收部件的所述谐振特性以匹配所述电源的所述谐振特性。

所述设备还可以包括一个或多个电气部件，并且所述接收部件可以耦合到供电电路以向这些电气部件中的至少一个供电。

所述设备还可以包括电池，用于在未从所述电源接收到能量时向所述电气部件中的至少一个提供电能。

所述设备可以包括便携电子设备。

所述设备可以包括移动电话、个人数字助理(PDA)或者膝上型计算机。

所述设备包括锁相环电路，其被配置成输出控制信号，用于根据所述电源的所述谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率。

本说明书还描述了一种系统，包括：电源以及设备，所述设备包括：监控电路，被配置成监控所述电源的谐振频率；接收部件；以及控制单元，被配置成改变所述接收部件的谐振频率，其中所述设备被配置成根据所述电源的谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率。

本说明书还描述了一种方法，包括：检测电源的存在；监控所述电源的谐振频率；以及根据所述电源的所述谐振频率来改变接收部件的谐振频率。

所述方法还可以包括：从锁相环电路输出控制信号，用于根据所述电源的所述谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率；以及将所述接收部件的所述谐振频率与所述电源的所述谐振频率相匹配。

所述方法还可以包括：在所述接收部件处通过谐振电感耦合从所述电源无线地接收能量。

所述接收部件可以包括具有可变谐振频率的自适应接收部件，并且所述方法还可以包括：在所述自适应接收部件中使用由所述电源生成的磁场来感生电压；以及改变所述自适应接收部件的所述谐振频率以匹配所述电源的所述谐振频率。

所述方法还可以包括向电子设备提供电能。

所述方法还可以包括当在所述接收部件处未从所述电源接收到能量时从电池向电子设备的至少一个部件提供能量。

所述方法还可以包括：在所述接收部件处通过谐振电感耦合从所述电源接收能量；以及向电子设备的至少一个部件提供通过谐振电感耦合接收到的能量。

本说明书还描述了一种存储在存储介质上的计算机程序，其在由处理器执行时被安排来执行一种方法，所述方法包括：检测电源的存在；监控所述电源的谐振频率；以及根据所述电源的所述谐振频率来改变接收部件的谐振频率。

附图说明

为了能更充分地理解本发明，现在将参考附图通过说明性的例子来描述其实施例，附图中：

图1示出了能量从馈送设备流至便携电子设备的示意图。

图2是耦合系数为K的主要和次要RLC谐振器电路的电路图。

图3是用于图2中所示的第一和第二RLC谐振器电路的等效变压器电路的电路图。

图4是图3中所示的等效变压器电路的简化电路的电路图。

图5示出了图3中所示的等效变压器电路的各部件的阻抗。

图6是两个谐振器之间的电力传输效率与谐振器的谐振频率之差之间的关系的图解说明。

图7是使用传统的电感耦合将能量从馈送设备无线传输到便携电子设备的图解。

图8是使用谐振电感耦合将能量从馈送设备无线传输到中程(mid-range)的便携电子设备的图解。

图9是包括电抗和监控电路的便携电子设备的示意图。

图10是示出了便携电子设备中的无线电力传输设备的部件的示意图。

图11是示出了便携电子设备的无线电力传输设备中的自适应接收部件的示意图。

图12是示出了便携设备的无线电力传输设备中包含的PLL ASIC中的一组示例部件的电路图。

图13是示出了用于向PLL ASIC馈送信号的测量绕组和自适应接收部件的例子的电路图。

图14是示出了与通过谐振电感耦合发起无线电力传输相关联的步骤的流程图。

具体实施方式

参见图1，馈送设备100包括电源110，用于向便携电子设备200无线地供电。电源110包括耦合到电气电路112的主要电抗，例如包括主要电感器111。电气电路112可以可选地连接到供电，以用于向电气电路112提供电流，所述供电例如包括电力网供电300。主要电感器111具有电感L₁₁₁、Q因数(品质因数)Q₁₁₁和谐振频率f₀₍₁₁₁₎。

本领域技术人员将会理解，电流流经主要电感器111会使得在主要电感器111周围产生磁场400。如图1中所示，在电感111周围产生的消逝(evanescent)磁场400穿透馈送设备100的外部，意味着可以在周围环境中经受到磁场400的效果。例如，磁场400可用来在包括次要电抗(比如电气设备中的次要电感器)的接收部件中感生电压。这是通过传统的短程电感耦合进行无线非辐射能量传输所基于的原理。然而，通过这类传统的短程电感耦合进行的有效无线能量传输被限制在与能量传输中所涉及的电感的物理尺寸相同的数量级的距离。

正如在下面将充分描述的，便携电子设备200适于通过替换类型的电感耦合来无线地接收能量。这种替换类型的电感耦合将被称为谐振电感耦合。

通过使用谐振电感耦合，与用传统电感耦合来传输能量的可能距离相比较，可以使用非辐射能量传输来在更长的距离上有效传输能量。这意味着谐振电感耦合在用于能量传输时较之传统的电感耦合提供了更大的自由度和灵活性。如在下面更详细地描述的，谐振电感耦合是基于电源和接收部件之间的电感耦合，电源和接收部件包含精密调谐至相同频率的电感。接收部件处的电感可以被调谐以使在电源电感的频率上进行谐振。例如，电源的谐振频率f₀和接收部件的谐振频率f₀可以彼此相等。

更具体地说，如果与主要电抗相关联的谐振频率f₀(例如与馈送设备100中的电感111相关联的谐振频率f₀₍₁₁₁₎)可以等于与次要电抗相关联的谐振频率f₀(例如便携电子设备200中包括次要电感器的接收部件)，那么如果主要电抗处于主要电抗周围生成的磁场中，则较之采用传统的电感耦合，能够在主要电抗和次要电抗之间实现距离更长的有效无线非辐射能量传输。

例如，可以通过谐振电感耦合在比用于该传输的电感的物理尺寸至少大一个数量级的距离上实现具有效率为百分之好几十的无线能量传输。

通过谐振电感耦合在两个电感之间的非辐射无线能量传输的一般例子在下面给出。

参见图2，示出了主要和次要RLC谐振器电路500、600。主要RLC电路500包括第一电感器(L₁)510、第一电容器(C₁)520和第一电阻器(R₁)530。次要RLC电路600包括第二电感器(L₂)610、第二电容器(C₂)620和第二电阻器(R₂)630。在这个例子中，L₁＝L₂并且C₁＝C₂。

主要RLC电路500连接到电源，包括时间依赖电流源(i_SUPPLY(t))540。电流源540的时间依赖性使得电流可以采用正弦波的形式，其被调谐至第一和第二RLC电路500、600的谐振频率f₀，即

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_2{C}_2}}$

第二RLC电路600连接到负载，在图2中表示为DC电流源(i_LOAD)640。当第一和第二RLC电路500、600之间不传输能量时，来自DC电流源640的电流是零。

与第一和第二谐振器电路500、600相关联的Q值由第一和第二电阻器530、630来表示。如在下面将更详细解释的，谐振器电路500、600的Q值的大小与电路500、600之间的能量传输效率成正比。

在这个一般的例子中，电感510、610相隔的距离大约为比电感510、610本身的物理尺寸大一个数量级。在这个范围，电感510、610之间的耦合系数K很小，例如为0.001或者更小，这意味着任何通过传统的电感耦合尝试在谐振器电路500、600之间传输能量都将是极其低效的。耦合系数K的值可以由方程式给出：

$K=\frac{M}{\sqrt{L_1{L}_1}}$

其中，M是谐振器电路500、600之间的互感。耦合系数K具有最小值0和最大值1。

图3示出了用于第一和第二RLC谐振器电路500、600的等效变压器电路。当时间依赖电流源540的频率不等于第二RLC谐振器电路600的谐振频率f₀时，第二谐振器电路由于可忽略的电感LK而被绕过。因而，极少或没有功率被传输到负载。然而，当满足对于谐振电感耦合的条件时，这种情形如在下面给出的例子中所解释的那样被逆转。

在通过谐振电感耦合进行能量传输的一个例子中，谐振器电路500、600的谐振频率f₀彼此相等，谐振器电路500、600的Q值(由电阻530、630表示的)的大小非常高，例如一百或更多，或者一千或更多。当在如下谐振频率f₀处由电流源540提供电流时：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1{C}_1}}$

第一电感器510中的电流使得在第一电感器510周围的临近区域中生成消逝磁场。第二电感器610经受到该磁场，并且该磁场使得电流被感生。这样，第一电感器510中的电流经由第二电感器610被路由。在这些条件下，图3中所示的等效变压器电路中的电感LK用次要谐振器电路来调谐。因而，图3中所示的等效变压器电路能够被简化为如图4中所示的单个电谐振器的电路。对于能够以这种方法从主要谐振器电路接收电流的次要谐振器电路的数量不作限制。

图3中所示的等效变压器电路的个体部件的阻抗在图5中示出。简化电路的阻抗Z因此能够被计算如下：

$Z=\frac{\mathrm{j\ωLK}.Z_{\sec \mathrm{ondary}}}{\mathrm{j\ωLK}+Z_{\sec \mathrm{ondary}}}$

如果次要谐振器电路600的Q值很高，则Z_secondary可以被写为：Z_secondary＝jωL(1-K)+1/jwC    

$Z=\frac{\mathrm{j\ωLK}.(\mathrm{j\ωL}(1-K)+1/\mathrm{j\ωC})}{\mathrm{j\ωLK}+(\mathrm{j\ωL}(1-K)+1/\mathrm{j\ωC})}$

$=\frac{\mathrm{j\ωLK}.(\mathrm{j\ωL}(1-K)-\mathrm{j\ωL})}{\mathrm{j\ωLK}+(\mathrm{j\ωL}(1-K)-\mathrm{j\ωL})}$ (其中在谐振时，1/jωC＝-jωL)

$=\frac{\mathrm{j\ωLK}.(-\mathrm{j\ωLK})}{\mathrm{j\ωLK}-\left(\mathrm{j\ωLK}\right)}$

∴当达到谐振电感耦合的条件时，|Z|→∞。

因此，次要谐振器电路可以被调谐以便通过谐振电感耦合来从任何主要谐振器电路接收能量。

图6说明了通过分开比电抗物理尺寸大一个数量级的距离的主要电抗和次要电抗之间的电感耦合进行的无线能量传输的效率η之间的一般关系。无线能量传输的效率η用对数刻度在垂直轴上绘制，电抗之间的谐振频率f₀的差值在横轴上绘制。例如，该关系可应用于图7中所示的馈送设备100的主要电感器111和便携设备200的次要电感器211之间的非辐射无线能量传输。

如可以看出的，当与电抗相关联的谐振频率f₀彼此相等时，电抗之间的非辐射无线能量传输的效率η是最大的。而且，电抗之间的无线能量传输的效率η随着与电抗相关联的谐振频率f₀之间的差值的增加而显著地减少。因此，如上所述，为了以最大可能的效率传输能量，电抗具有彼此尽可能接近的谐振频率f₀是更可取的。理论上，谐振频率f₀应该相同。

当满足条件

时可以得到通过谐振电感耦合的有效能量传输的最优状态。在此，Γ表示由于固有损耗而与第一电抗和第二电抗中每一个相关联的谐振的行距。该行距与Q因数成反比，其是谐振锐度的尺度。

另外，如前所述，主要电抗和次要电抗之间的能量传输效率同与电抗相关联的Q值的大小成正比；对于高效率的能量传输，Q值的大小应该很大。例如，在如上关于从馈送设备100到便携设备200的能量传输所述的主要和次要电感器111、211的情况下，有效能量传输可以用100阶或更高阶的Q值Q₁₁₁、Q₂₁₁来实现。而且，与电感111、211相关联的谐振频率f₀₍₁₁₁₎、f₀₍₂₁₁₎之间的相对差应该比它们关联的Q值的倒数更小。以大于Q值的倒数的相对差，能量传输的效率减少1/Q²。

图7和图8说明了当电抗之间的距离比电抗物理尺寸大一个数量级时，传统的电感耦合和谐振电感耦合之间的差值，电抗例如是主要和次要电感器111、211。参见图7，用传统的电感耦合，也就是当与电感器111、211相关联的谐振频率之差在上述限制之外时，在磁场400中从主要电感器111到便携设备200中的次要电感器211只有可忽略的能量经过。相比之下，参见图8，当与电感111、211相关联的谐振频率f₀相匹配时，能量能够通过从馈送设备100中的主要电感器111到便携电子设备200中的次要电感器211的谐振电感耦合经由磁场400进行隧道传输。

为简单和清楚起见，上面的例子讨论了从主要电感器111到单个次要电感器211的能量传输。然而，替换地，也可以从主要电感器111向多个均与相同谐振频率f₀相关联的次要电感器211传输能量，从而潜在地使多个便携设备200能够从单个馈送设备100无线地接收能量。

这样，在不便于安装电力网供电插座的环境中，馈送设备100能够在例如几米的中程上向便携电子设备200提供能量。例如，以类似于在咖啡店和饭店中安装无线LAN的方式，能够在公共场所各处安装馈送设备100的网络700以便向公众成员针对其便携电子设备200提供电源。这类公共场所例如可以是咖啡店、饭店、酒吧、购物中心或图书馆。替换地，馈送设备可以安装在私人场所中，例如个人汽车的内部或家中。

为了最大化这类馈送设备100的网络700的电势，优选的是，馈送设备100的容量可以向尽可能多的便携设备200提供能量。一种可以实现这一点的方式是实现馈送设备100和便携电子设备200中所使用电抗(例如主要和次要电感器111、211)的特性的标准化程度。特别地，如果与网络700的每个馈送设备100中的主要电抗相关联的谐振频率f₀均相同，则将是优选的。这将使得便携设备200及其他电气设备的制造商能够向他们的设备安装与相同标准化谐振频率f₀相关联的次要电抗。

然而，本领域技术人员应当理解，由于制造公差而可能很难让大规模制造的所有电感器都具有正好与相同的谐振频率f₀相关联的精度级别。这会导致馈送设备100的谐振频率f₀以及便携设备200的谐振频率f₀都发生变化。而且，即使馈送设备100和便携设备200能够被制造成在真空中具有相同的谐振频率f₀，每个个体单元的谐振频率f₀也会在使用时受到该单元周围环境中的其他电感器的影响。每个单元的谐振频率被改变的量将取决于其他电感器的数量和接近度。

因此，即使已经尝试对馈送设备和便携设备的谐振频率f₀进行标准化，制造不耐性(manufacturing intolerance)和环境条件仍然有可能对通过谐振电感耦合的能量传输造成问题。

缓解该问题的一种方式是向便携电子设备200提供无线能量传输设备210，以用于根据附近的馈送设备100的特性来改变与它们的生产后的次要电感器211相关联的谐振频率f₀。这向便携电子设备200提供了能力来调谐其电感器的谐振频率f₀以匹配在附近的馈送设备100中的主要电感器111周围产生的消逝磁场的频率，以及因此通过谐振电感耦合无线地接收能量。

适于通过谐振电感耦合无线地接收能量的便携电子设备200的一个示例性实施例在下面被给出。参见图9，便携电子设备200包括具有供电单元(PSU)的无线能量传输设备210，用以从磁场接收能量以及向便携设备200的电气部件240提供电能。替换地，如下所讨论的，可以将电能提供给便携电子设备200的可再充电的化学电池250。

在下述例子中，磁场将在由流过馈送设备100中的主要电感器111的电流产生的磁场400的环境中提及。然而，技术人员应当理解，该磁场也可以替换地对应于由另一馈送设备或任何其他适当的磁场源产生的磁场。

无线能量传输设备210可以由集成到能量传输设备210中的微控制器220来控制，并且可以包括包含至少一个电抗的接收部件211a，用以通过非辐射能量传输从谐振电感耦合产生的磁场400无线地接收能量。更具体地说，如上所述，通过对电源110处的主要电感器111施加AC电压，可以在接收部件211a中通过在主要电感器111周围生成的磁场400来感生电压。当接收部件211a耦合到便携电子设备中的负载时，电功率从电源传输到该负载。如参考图10所述，这类负载可以包括至少一个开关模式电源。在这个例子中，接收部件211a包括次要电感器211。次要电感器211与电感L₂₁₁、Q因数Q₂₁₁以及谐振频率f₀₍₂₁₁₎相关联。

如在下面更详细地描述的，无线能量传输设备210还可以包括监控电路230，其被配置用于检测在馈送设备100中的主要电感器111周围产生的磁场400。在检测到磁场400后，监控电路230和微控制器220可以被进一步配置用于检测并监控与主要电感器111相关联的谐振频率f₀₍₁₁₁₎。

监控电路230的特性使得便携设备200在中程距离上无线地接收能量，其中所述中程距离例如为比主要和次要电感器111、211的外形尺寸至少大一个数量级的距离。

结合图9来参见图10，在一个例子中，无线能量传输设备210的接收部件211a具有寄生电容C并且经由二极管桥213和LC滤波器214连接到多个开关模式电源(SMPS)212。尽管图10中所示的接收部件包括单个次要电感器211，然而接收部件211a是自适应的并且可以被耦合到或者包括额外部件以用于改变谐振频率。图11和图13中示出了这类部件的例子。LC滤波器214的目的是保证将恒定的电抗性负载引入次要电感器211。如果电阻地加载电感器211，则与电感器211相关联的Q值Q₍₂₁₁₎会有很大的降低，这继而如前所述极大地降低从馈送设备100进行能量传输的效率。

二极管桥213和LC滤波器214还保护电感器211不直接暴露在由SMPS 212呈现的随时间剧烈变化的负载之下，SMPS 212被配置用于向便携电子设备200的各个电路提供通过来自磁场400的谐振电感耦合而接收的电力。例如，如图9中所示，SMPS 212可以被配置成向便携电子设备200的可再充电的化学电池250供电以用于进行再充电。

替换地，SMPS 212可以被配置用于直接向便携电子设备200的电气部件240供电，化学电池250充当备用电源。例如，当无线能量传输设备210没有通过谐振电感耦合接收电力时，化学电池250可以被配置成只向便携电子设备200的电气部件240供电。如果馈送设备100变得分布广泛，则没有必要在便携设备200中包含可再充电的电池250。

图11示出了自适应接收部件211a的例子。自适应接收部件211a的谐振特性能够被调谐以匹配与馈送设备100中的主要电感器111相关联的谐振特性。如果谐振频率f₀₍₂₁₁₎不同于与馈送设备100中的主要电感器111相关联的谐振频率，则这类自适应接收部件提供了要被改变的接收部件211a的谐振频率f₀₍₂₁₁₎所必需的可调谐程度。

在一个例子中，如图11所示，接收部件211a包括可选地耦合到电容器阵列215的至少一个次要电感器211。每个电容器215的电容都与其他电容器不同。例如，如图11所示，电容器215可以包括N个电容器，分别具有电容C₀、C₀/2、...C₀/2^N-1。电容器215中的每一个都可以可选地耦合到次要电感器211以影响接收部件211a的电容C₂₁₁，从而改变与电感器211相关联的谐振频率f₀₍₂₁₁₎。电容器215与次要电感器211的连接和断开提供了一种机制，凭借这种机制能够将接收部件211a的谐振频率改变成与传输主要电感器的频率相匹配并且因此能够通过谐振电感耦合接收能量。因此，便携设备200能够将与次要电感器211相关联的谐振频率f₀₍₂₁₁₎跟与馈送设备100中的主要电感器111相关联的谐振频率f₀₍₁₁₁₎匹配。应当理解，与次要电感器211相关联的谐振频率f₀₍₂₁₁₎也能够通过改变接收部件211a的电感而被改变。

在这个实施中，如图11中所示，电容器阵列215耦合到微控制器220中的控制单元216，以便根据来自监控电路230的控制信号自动控制接收部件211a的电容C₂₁₁。微控制器220可以包括存储器和信号处理装置217，例如包括微处理器218，其被配置成执行计算机程序以用于通过监控电路230检测和监控与主要电感器111相关联的谐振频率，并且用于分析来自监控电路230的控制信号以使得通过电容器阵列215中各电容器的连接和断开来改变与次要电感器211相关联的谐振频率。

这样，控制单元216能够将接收部件211a的谐振频率f₀₍₂₁₁₎适配成使其等于与主要电感器111相关联的谐振频率f₀₍₁₁₁₎，从而发起主要电感器111和次要电感器211之间的谐振电感耦合。

监控电路230可以被耦合到来自LC滤波器214的输出以用于检测次要电感器211中什么时候在感生电压，以及因此用于检测便携电子设备200什么时候处于磁场400中。例如，LC滤波器214的输出可以耦合到可以集成到监控电路230中的AD转换器231的输入，以用于感测次要电感器211中感生的电压以及向微控制器220提供表示信号以计算与主要电感器111相关联的谐振频率。然后，可以通过改变自适应接收部件211a的谐振频率来改变与次要电感器211相关联的谐振频率以便与主要电感器111的计算谐振频率相匹配。

替换地，如图9所示，监控电路230可以包括单独的绕组232，用以向AD转换器231提供感生电压信号。

监控电路230可以对次要电感器211中感生的例如微伏数量级的微弱电压很敏感，并且可以被配置成即使在接收部件211a是解调谐状态时也能检测到磁场400。因此，即使与主要电感器111相关联的谐振频率f₀₍₁₁₁₎不等于为便携电子设备200中的次要电感器211设定的谐振频率f₀₍₂₁₁₎，监控电路230也能够检测到主要电感器111的存在。

参见图12和图13，在一个例子中，监控电路230包括在专用集成电路(ASIC)3000内，用以根据包括主要电感器111的电源110的谐振频率f₀₍₁₁₁₎来改变自适应接收部件211a的谐振频率f₀₍₂₁₁₎。在这个例子中，接收部件211a可以包括至少一个次要电感器211，而监控电路可以包括测量绕组211b。测量绕组211b可以在ASIC 3000的外部。测量绕组211b可以具有高阻抗值，因此即使测量绕组211b处于来自电源110的场400中，测量绕组211b中的电流也是可忽略的。通过电源110中的主要电感器111周围生成的磁场而在测量绕组211b中感生的时变电压u_211b可以写成如下：

$u_{211b}\left(t\right)=L_{211b}[\frac{K_{211b-111}.u_{111}\left(t\right)}{L_{111}}+\frac{K_{211b-211}.u_{211}\left(t\right)}{L_{211}}]$

其中，K_n-m表示测量绕组(n)211b和主要和次要电感器(m)111、211之间的耦合系数。

重组这个方程式让测量绕组211b中测量的时变电压u_211b被用于计算电源110中的主要电感器111处的时变电压u₁₁₁的未知相位，如下：

$u_{111}^{\′}=u_{111}\left[\frac{L_{211b}{K}_{211b-111}}{L_{111}}\right]=u_{211b}-u_{211}\left[\frac{L_{211b}{K}_{211b-211}}{L_{211}}\right]$

其中，u’₁₁₁的相位与电源110处的电压u₁₁₁的相位相同。

在制造便携设备200的时候，可以测量次要电感器211和测量绕组211b的电感值L₂₁₁和L_211b。因而，通过(例如在便携设备200的制造期间)测量次要电感器211和测量绕组211b之间的耦合系数K_211b-211，尽管便携设备200和电源110之间没有物理连接，也可以在便携设备200处计算电源110处的时变电压信号u₁₁₁的相位。如下更详细地描述的，电压信号u’₁₁₁的相位然后可以被用来调节接收部件211a的谐振频率。次要电感器211和测量绕组211b之间的耦合系数k_211b-211只要被测量出就可以被存储，例如存储在便携设备200中的非易失性存储器中，并且可以在便携设备200在使用中时被重新调用。

由于与磁场400的相互作用而在次要电感器211和测量绕组211b处感生的电压信号可以被输入到便携设备200中的相位比较器，其被配置用于比较电压u’₁₁₁的相位(等同于电源110处的电压相位)与次要电感器211处的电压u₂₁₁的相位。电压信号之间的相位差可用来根据与电源110中的主要电感器111相关联的谐振频率来调节接收部件211a的谐振频率。这在下文中被更详细地描述。

参见图12和图13，便携设备200可以包括相位比较器，其是锁相环(PLL)电路2000的一部分。PLL电路2000可以是监控电路230的一部分。PLL电路2000可以在专用集成电路3000中实现，并且可以耦合到控制单元216以便向控制单元216提供控制信号，用以根据电源11O的谐振频率来改变接收部件211a的谐振频率f₀₍₂₁₁₎。PLL电路2000使得接收部件211a的谐振频率被调谐成与电源110的谐振频率相匹配并且响应于电源110的谐振频率的任何变化而被改变。在一个例子中，控制单元216在ASIC 3000中实现。

如图12中所示，ASIC 3000包括五个功能块3l00、3200、3300、3400、3500。第一块3100包括第一和第二差分放大器3110、3120，它们被配置用于测量通过在主要电感器111周围生成的磁场400而分别在次要电感器211和测量绕组211b处感生的电压u₂₁₁、u_211b。第二块3200包括第三和第四差分放大器3210、3220，它们被连接以接收来自第一和第二差分放大器3110、3120的输出。第三和第四差分放大器3210、3220被配置用于分别输出在次要电感器211处的时变电压u₂₁₁和时变电压u’₁₁₁。电压u’₁₁₁与电源110处的电压u₁₁₁同相。

在第三块3300处，来自第三和第四差分放大器3210、3220的信号被馈送到第一和第二模数转换器(ADC)3310、3320，其后跟着第一和第二高通滤波器3330、3340。这从信号中去除了DC分量。

第四块3400包括相位比较器3410，其在这个例子中包括被连接的异或门，用以在其输入处从高通滤波器3330、3340中的每一个接收最高有效位(MSB)。谐振时，例如当接收部件211a的谐振频率f₀₍₂₁₁₎等于电源110的谐振频率f₀₍₁₁₁₎时，次要电感器211处的电压u₂₁₁和电源110处的电压u₁₁₁之间的相位差可以是π/2。因此，在谐振时，异或门3410的输出可以在每个循环的一半时间中都为高(即占空比为50％)。这是便利的均衡状况。

第五块3500包括低通滤波器3510，其被连接以在其输入处接收来自相位比较器3410的输出并且向控制单元216输出控制信号以控制接收部件211a的电容值，从而根据电源110的谐振频率改变接收部件211a的谐振频率f₀₍₂₁₁₎。

为了清楚地显示PLL电路3000的部件，图12示出了包括单个电感器和电容器的自适应接收部件。然而，自适应接收部件211a的结构也可以包括或对应图11和图13中所示的接收部件。接收部件可以包括或耦合到额外的部件以改变谐振频率。图11和图13中示出了这类部件的例子。而且，在图11到图13中为清楚起见，省略了接收部件211a和开关模式电源212之间的耦合。然而，应当理解，图11到图13中所示的接收部件211a可以被耦合到一个或多个开关模式电源212，以便为便携电子设备的电气部件供电，例如如图10中所示。

在一个例子中，在便携设备200的制造期间，第二块3200的输入阻抗被调节，以使得在没有来自电源110的场400的情况下，第二块3200中的差分放大器3210、3220的输出是可忽略的。例如，这可以通过如下来实现：结合图12中所示的可变阻抗部件3230并且设置该可变阻抗部件3230的值以保证在没有场400的情况下差分放大器3210的输出是可忽略的。例如使用导电模式激励，可变阻抗部件3230的值可以在便携设备200的制造或测试期间进行设置。可变阻抗部件3230的最优输入阻抗值可以存储在非易失性存储器中以备后用。

包含可变阻抗部件消除了应归于下示因数的u’₁₁₁和u₂₁₁之间的相位差的分量：

其中， $u_{111}^{\′}=u_{111}\left[\frac{L_{211b}{K}_{211b-111}}{L_{111}}\right]$

并且从而降低了PLL被向假平衡状态驱动的概率。

应归于该因数的相位差分量上升(如下所述为相位差中的“明显的”分量)由于相关电路部件中的制造公差(manufacturing tolerance)等等而发生改变。消除该“明显的”相位差分量防止了PLL的同步被削弱，并且从而还防止了PLL电路被向假平衡驱动。

参见图13，接收部件211a可以包括一对耦合到固定值电容器4000以及第一和第二变容二极管5000、6000的次要电感器211。替换地，这对次要电感器211可以由具有两个对称部分以及两部分之间的中间抽头的单个电感器211来代替。第一和第二变容二极管5000、6000被耦合以(例如，经由控制单元216)接收来自PLL电路2000的控制信号，并且被配置以使得变容二极管5000、6000的电容响应于PLL电路2000的输出而改变。变容二极管5000、6000的使用提供了为接收部件211a引入潜在电容值的连续范围的手段，从而提供了根据电源110的谐振频率来改变接收部件211a的谐振频率的手段。而且，变容二极管5000、6000的使用提供了廉价且紧凑的手段，用以改变接收部件211a的电容。如图13中所示，接收部件211a的这种实施是关于地对称的或者关于参考电势对称的。

如图14所示，无线能量传输设备210可以包括存储器219，用于存储与不同环境中的谐振频率f₀对应的频率值，以使在便携电子设备200进入特定环境后能够自动调节与次要电感器211相关联的谐振频率。例如，可以通过便携设备200的天线接收的控制信号来提示这样的自动调节，指示该设备200已经进入熟悉的环境。存储器219还可以适合于存储各种生命周期状态之间的调谐值。存储器219可以包括非易失性存储器以便当设备200断电时不丢失存储在存储器219中的各个谐振频率值f₀。

与电源110(例如包括主要电感器111)和便携电子设备200之间的无线能量传输的发起相关联的步骤按照上述的方式在图12中示出。

参见图14，如上所述，第一步骤S1将在监控电路230处通过检测来自感生电压的电源110相关联的磁场400的存在来检测电源110的存在。在馈送设备100中，电源110可以包括主要电感器111。第二步骤S2将计算并监控电源110的谐振频率，第三步骤S3是根据电源110的谐振频率来改变包括次要电感器211的接收部件211a的谐振频率。为了以最高可能的效率发起无线能量传输，第三步骤S3涉及接收部件211a的谐振频率与电源110的谐振频率进行匹配。在完成这些步骤后，第四步骤S4将在接收部件211a处通过谐振电感耦合来从电源110无线地接收能量，而第五步骤S5将向便携设备200的一个或多个部件240提供能量。

如果电源110和便携设备200之间的无线能量传输停止，例如由于便携设备200移出范围外，那么，如上所述，在步骤S6中，化学电池250可以被配置成向便携设备200的部件240提供电能。如图12所示，在步骤S7中，当通过谐振电感耦合的无线能量传输被重新发起时停止从电池250提供电能。

上面的示例讨论了使用自适应接收部件211a来改变与便携电子设备200中的次要电感器211相关联的谐振频率以使与次要电感器211相关联的谐振频率匹配与馈送设备100中的主要电感器111相关联的检测到的谐振频率。然而，应该理解：自适应部件可以备选地使用于馈送设备100中以便与馈送设备100中的主要电感器相关联的谐振频率匹配与便携电子设备中的次要电感器相关联的谐振频率。

例如，便携电子设备200可以被配置成向馈送设备100提供控制信号以便向馈送设备100提供便携电子设备中的次要电感器的谐振特性。馈送设备100然后能够将与其主要电感器相关联的谐振频率匹配与便携设备200中的次要电感器相关联的谐振频率，由此发起通过谐振电感耦合的无线能量传输。

在另一备选中，馈送设备的电源可以包括由放大器驱动的主要电感器，并且便携电子设备的微控制器可以被配置成将自适应接收部件的谐振频率匹配于检测到的与电源相关联的磁场的频率。

在上面讨论的示例中，便携设备200包括移动电话或者PDA。然而，应该理解：便携设备可以备选地包括任意数量的其他设备，例如膝上型计算机或者数字音乐播放器。还应该理解：本发明不限于向便携电子设备提供电力，而是可以用于为宽泛的各种其他电子设备供电。例如，可以在家中安装馈送设备的网络以用于向电灯和其他家用电器供电。上述实施例以及备选可以单独使用或者结合使用以达到本发明提供的效果。

Claims (34)

1.一种设备，包括：

监控电路，被配置成监控电源的谐振频率；

接收部件；以及

控制单元，被配置成改变所述接收部件的谐振频率，其中所述设备被配置成根据来自所述监控电路的信号来改变所述接收部件的所述谐振频率。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述接收部件适于通过谐振电感耦合来从所述电源无线地接收能量。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中所述接收部件包括具有可变谐振频率的自适应接收部件。

4.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述设备被配置成将所述接收部件的所述谐振频率与所述电源的所述谐振频率相匹配。

5.如前述权利要求任一项所述的设备，其中在所述接收部件中通过由所述电源生成的磁场来感生电压，并且所述控制单元被配置成改变所述接收部件的所述谐振频率以匹配所述电源的所述谐振频率。

6.如权利要求2到5任一项所述的设备，其中所述设备还包括多个电气部件，并且所述设备被配置成向这些电气部件中的至少一个提供电能。

7.如权利要求6所述的设备，还包括电池，其用于在未从所述电源接收到能量时向所述电气部件中的至少一个提供电能。

8.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述设备包括便携电子设备。

9.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述设备包括移动电话。

10.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述设备包括个人数字助理(PDA)。

11.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述设备包括膝上型计算机。

12.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述设备包括锁相环电路，其被配置成输出控制信号，用于根据所述电源的所述谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率。

13.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述接收部件被配置成通过无线非辐射能量传输从所述电源接收电能，并且被配置成向可再充电电池提供接收到的电能。

14.一种设备，包括：

用于检测电源的存在的装置；

用于监控所述电源的谐振频率的装置；以及

用于根据所述电源的所述谐振频率来改变接收部件的谐振频率的装置。

15.一种设备，包括用于从电源无线地接收能量的具有可变谐振特性的接收部件，其中所述接收部件的所述谐振特性可以改变以匹配所述电源的谐振特性，从而提高从所述电源接收能量的效率。

16.如权利要求15所述的设备，还包括监控电路，用于检测并监控所述电源的所述谐振特性。

17.如权利要求15或16所述的设备，其中所述接收部件包括具有可变谐振特性的自适应接收部件，并且所述设备还包括：

控制单元，被配置成自动改变所述自适应接收部件的所述谐振特性以匹配所述电源的所述谐振特性。

18.如权利要求15到17任一项所述的设备，其中所述设备还包括一个或多个电气部件，并且所述接收部件耦合到供电电路以向这些电气部件中的至少一个供电。

19.如权利要求18所述的设备，还包括电池，其用于在未从所述电源接收到能量时向所述电气部件中的至少一个提供电能。

20.如权利要求15到19任一项所述的设备，其中所述设备包括便携电子设备。

21.如权利要求15到20任一项所述的设备，其中所述设备包括移动电话。

22.如权利要求15到20任一项所述的设备，其中所述设备包括个人数字助理(PDA)。

23.如权利要求15到20任一项所述的设备，其中所述设备包括膝上型计算机。

24.如权利要求15到23任一项所述的设备，其中所述设备包括锁相环电路，其被配置成输出控制信号，用于根据所述电源的所述谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率。

25.如前述权利要求任一项所述的设备，其中所述接收部件被配置成通过无线非辐射能量传输从所述电源接收电能，并且被配置成向可再充电电池提供接收到的电能。

26.一种系统，包括：

电源；以及

设备，所述设备包括：

监控电路，被配置成监控所述电源的谐振频率；

接收部件；以及

控制单元，被配置成改变所述接收部件的谐振频率，其中所述设备被配置成根据来自所述监控电路的信号来改变所述接收部件的所述谐振频率。

27.一种方法，包括：

检测电源的存在；

监控所述电源的谐振频率；以及

根据所述电源的所述谐振频率来改变接收部件的谐振频率。

28.如权利要求27所述的方法，还包括：

从锁相环电路输出控制信号，用于根据所述电源的所述谐振频率来改变所述接收部件的所述谐振频率；以及

将所述接收部件的所述谐振频率与所述电源的所述谐振频率相匹配。

29.如权利要求27或28所述的方法，还包括：

在所述接收部件处通过谐振电感耦合从所述电源无线地接收能量。

30.如权利要求27到29任一项所述的方法，其中所述接收部件包括具有可变谐振频率的自适应接收部件，并且所述方法还包括：

在所述自适应接收部件中使用由所述电源生成的磁场来感生电压；以及

改变所述自适应接收部件的所述谐振频率以匹配所述电源的所述谐振频率。

31.如权利要求27到30任一项所述的方法，还包括向电子设备提供电能。

32.如权利要求27所述的方法，还包括：

在所述接收部件处通过谐振电感耦合从所述电源接收能量；

向电子设备的至少一个部件提供通过谐振电感耦合接收到的能量；以及

当在所述接收部件处未从所述电源接收到能量时从电池向电子设备的至少一个部件提供能量。

33.一种存储在存储介质上的计算机程序，其在由处理器执行时被安排来执行一种方法，所述方法包括：

检测电源的存在；

监控所述电源的谐振频率；以及

根据所述电源的所述谐振频率来改变接收部件的谐振频率。

34.如权利要求27到32任一项所述的方法，还包括：在所述接收部件处通过无线非辐射能量传输从所述电源接收电能，并且向可再充电电池提供接收到的电能。

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