(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤレス電力送信機を動作させる方法であって、
前記ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めるステップと、
前記求められた特性に基づいて、前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めるステップとを含み、
前記特性を求めるステップは、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時に、前記検出器によって前記特性をサンプリングするステップを含む、方法。
【請求項２】
ワイヤレス電力送信機を動作させる方法であって、
前記ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めるステップと、
前記求められた特性に基づいて、前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めるステップとを含み、
前記特性を求めるステップは、前記検出器によって前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するステップを含み、
前記しきい値電圧は、前記ドレイン電圧の整流された包絡線である、方法。
【請求項３】
ワイヤレス電力送信機を動作させる方法であって、
前記ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めるステップと、
前記求められた特性に基づいて、前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めるステップとを含み、
前記特性を求めるステップは、前記検出器によって前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するステップを含み、
前記しきい値電圧は、前記スイッチング素子を駆動するように構成される入力電圧に比例する、方法。
【請求項４】
ワイヤレス電力送信機を動作させる方法であって、
前記ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めるステップと、
前記求められた特性に基づいて、前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めるステップとを含み、
前記特性を求めるステップは、前記検出器によって前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するステップを含み、
前記方法は、前記ドレイン電圧が前記しきい値電圧を超えるか否かを指示する比較器出力信号を平均するステップをさらに含む、方法。
【請求項５】
ワイヤレス電力送信機を動作させる方法であって、
前記ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めるステップと、
前記求められた特性に基づいて、前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めるステップとを含み、
前記特性は、前記負荷のリアクタンスに基づいて、限界より高いか、または低い電圧レベルを指示するデジタル特性であり、
前記方法は、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時にクロックを供給されるフリップフロップを用いて前記デジタル特性をサンプリングするステップをさらに含む、方法。
【請求項６】
前記負荷の前記求められたリアクタンスの変化に基づいて前記負荷のインピーダンスを、前記コントローラによって調整するステップをさらに含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記特性は、前記負荷の前記リアクタンスを指示するアナログ特性である、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
ある時間にわたって前記アナログ特性をサンプル・アンド・ホールドするステップをさらに含む、請求項7に記載の方法。
【請求項９】
前記負荷は送信回路および/または共振器を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信のための前記装置の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるように構成される第1の回路と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるように構成される第2の回路とを備え、
前記第1の回路は、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時に前記特性をサンプリングするように構成されるサンプル・アンド・ホールド回路を備える、装置。
【請求項１１】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信のための前記装置の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるように構成される第1の回路と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるように構成される第2の回路とを備え、
前記第1の回路は、前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するように構成される比較器を備え、
前記しきい値電圧は、前記ドレイン電圧の整流された包絡線である、装置。
【請求項１２】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信のための前記装置の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるように構成される第1の回路と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるように構成される第2の回路とを備え、
前記第1の回路は、前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するように構成される比較器を備え、
前記しきい値電圧は、前記スイッチング素子を駆動するように構成される入力電圧に比例する、装置。
【請求項１３】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信のための前記装置の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるように構成される第1の回路と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるように構成される第2の回路とを備え、
前記第1の回路は、前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するように構成される比較器を備え、
前記装置は、前記ドレイン電圧が前記しきい値電圧を超えたか否かを指示する比較器出力信号を平均するように構成される回路をさらに備える、装置。
【請求項１４】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信のための前記装置の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるように構成される第1の回路と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるように構成される第2の回路とを備え、
前記特性は、前記負荷の前記リアクタンスに基づいて、限界より高いか、または低い電圧レベルを指示するデジタル特性であり、
前記装置は、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時に前記デジタル特性をサンプリングするように構成されるフリップフロップをさらに備える、装置。
【請求項１５】
前記負荷の前記求められたリアクタンスの変化に基づいて前記負荷のインピーダンスを調整するように構成される回路をさらに備える、請求項10から14のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
前記特性は、前記負荷の前記リアクタンスを指示するアナログ特性である、請求項10から14のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
ある時間にわたって前記アナログ特性をサンプリングするように構成されるサンプル・アンド・ホールド回路をさらに備える、請求項16に記載の装置。
【請求項１８】
前記負荷は送信回路および/または共振器を含む、請求項10から14のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信のための前記装置の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるように構成される第1の回路と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるように構成される第2の回路とを備え、
前記第1の回路は、
ドレイン電圧入力と、
しきい値電圧入力と、
ゲートドライブ電圧入力と、
出力と、
前記ドレイン電圧入力における前記ドレイン電圧と前記しきい値電圧入力における前記しきい値電圧とを比較し、前記ドレイン電圧が前記しきい値電圧より大きいか否かを指示するデジタル信号を出力するように構成される比較器と、
データ入力において前記デジタル信号を受信し、クロック入力において前記ゲートドライブ電圧入力からゲートドライブ電圧を受信し、前記ゲートドライブ電圧の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジにおいて前記デジタル信号をサンプリングし、前記サンプリングされたデジタル信号の反転または非反転バージョンを前記出力において出力するように構成されるフリップフロップを備える、装置。
【請求項２０】
前記第1の回路は、前記ドレイン電圧入力からの前記ドレイン電圧を分圧し、および/またはフィルタリングするように構成されるフィルタ回路をさらに備える、請求項19に記載の装置。
【請求項２１】
前記第1の回路は、前記しきい値電圧を分圧するように構成される分圧器をさらに備える、請求項19に記載の装置。
【請求項２２】
前記第1の回路は、前記ゲートドライブ電圧入力から前記ゲートドライブ電圧を受信し、前記ゲートドライブ電圧入力を遅延させ、同期したゲートドライブ信号を出力するように構成される遅延回路をさらに備え、前記フリップフロップは前記クロック入力において、同期した前記ゲートドライブ信号を受信するように構成される、請求項19に記載の装置。
【請求項２３】
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるための手段と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるための手段とを備え、
前記特性を求めるための手段は、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時に前記特性をサンプリングするための手段を含む、ワイヤレス電力送信のための装置。
【請求項２４】
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるための手段と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるための手段とを備え、
前記特性を求めるための手段は、前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するための手段を含み、
前記しきい値電圧は、前記ドレイン電圧の整流された包絡線である、ワイヤレス電力送信のための装置。
【請求項２５】
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるための手段と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるための手段とを備え、
前記特性を求めるための手段は、前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するための手段を含み、
前記しきい値電圧は、前記スイッチング素子を駆動するように構成される入力電圧に比例する、ワイヤレス電力送信のための装置。
【請求項２６】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるための手段と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるための手段とを備え、
前記特性を求めるための手段は、前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較するための手段を含み、
前記装置は、前記ドレイン電圧が前記しきい値電圧を超えるか否かを指示する比較器出力信号を平均するための手段をさらに備える、ワイヤレス電力送信のための装置。
【請求項２７】
ワイヤレス電力送信のための装置であって、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を求めるための手段と、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を求めるための手段とを備え、
前記特性は、前記負荷のリアクタンスに基づいて、限界より高いか、または低い電圧レベルを指示するデジタル特性であり、
前記装置は、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時にクロックを供給されるフリップフロップを用いて前記デジタル特性をサンプリングするための手段をさらに備える、ワイヤレス電力送信のための装置。
【請求項２８】
前記負荷の前記求められたリアクタンスの変化に基づいて前記負荷のインピーダンスを調整するための手段とをさらに備える、請求項23から27のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
前記特性は前記負荷のリアクタンスを指示するアナログ特性である、請求項23から27のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
ある時間にわたって前記アナログ特性をサンプル・アンド・ホールドするための手段をさらに備える、請求項29に記載の装置。
【請求項３１】
前記負荷は送信回路および/または共振器を含む、請求項23から27のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３２】
実行されるときに、装置に、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めさせ、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めさせ、
前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時に前記特性を、前記検出器によってサンプリングさせるコードを含む、非一時的コンピュータ可読記録媒体。
【請求項３３】
実行されるときに、装置に、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めさせ、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めさせ、
前記検出器によって前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較させるコードを含み、
前記しきい値電圧は、前記ドレイン電圧の整流された包絡線である、非一時的コンピュータ可読記録媒体。
【請求項３４】
実行されるときに、装置に、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めさせ、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めさせ、
前記検出器によって前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較させるコードを含み、
前記しきい値電圧は、前記スイッチング素子を駆動するように構成される入力電圧に比例する、非一時的コンピュータ可読記録媒体。
【請求項３５】
実行されるときに、装置に、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めさせ、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めさせ、
前記検出器によって前記ドレイン電圧をしきい値電圧と比較させ、
前記ドレイン電圧が前記しきい値電圧を超えるか否かを指示する比較器出力信号を平均させるコードを含む、非一時的コンピュータ可読記録媒体。
【請求項３６】
非一時的コンピュータ可読記録媒体であって、実行されるときに、装置に、
ワイヤレス電力送信機の負荷を駆動するように構成されるドライバ回路のスイッチング素子のドレイン電圧に相関がある特性を、検出器によって求めさせ、
前記求められた特性に基づいて前記負荷のリアクタンスの変化を、コントローラによって求めさせるコードを含み、
前記特性は、前記負荷のリアクタンスに基づいて、限界より高いか、または低い電圧レベルを指示するデジタル特性であり、
前記非一時的コンピュータ可読記録媒体は、実行されるときに、前記装置に、前記スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時にクロックを供給されるフリップフロップを用いて前記デジタル特性をサンプリングさせるコードをさらに含む、非一時的コンピュータ可読記録媒体。
【請求項３７】
実行されるときに、前記装置に、前記負荷の前記求められたリアクタンスの変化に基づいて前記負荷のインピーダンスを、前記コントローラによって調整させるコードをさらに含む、請求項32から36のいずれか一項に記載の記録媒体。
【請求項３８】
前記特性は、前記負荷の前記リアクタンスを指示するアナログ特性である、請求項32から36のいずれか一項に記載の記録媒体。
【請求項３９】
実行されるときに、前記装置に、ある時間にわたって前記アナログ特性をサンプル・アンド・ホールドさせるコードをさらに含む、請求項38に記載の記録媒体。
【請求項４０】
前記負荷は送信回路および/または共振器を含む、請求項32から36のいずれか一項に記載の記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、ワイヤレス電力に関する。より詳細には、本開示はワイヤレス電力送信機の負荷インピーダンスを検出することを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
ますます多くの様々な電子デバイスが、充電式バッテリを介して電力を供給される。そのようなデバイスは、モバイルフォン、携帯型音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(たとえば、ブルートゥースデバイス)、デジタルカメラ、補聴器などを含む。バッテリ技術は向上してきたが、バッテリ電源式電子デバイスは、より多くの電力量をますます必要とし、消費する。したがって、これらのデバイスは常に充電する必要がある。充電式デバイスは、多くの場合に、電源に物理的に接続されるケーブルまたは他の同様のコネクタを通して有線接続によって充電される。ケーブルおよび同様のコネクタは不便な場合があるか、または扱いにくい場合があり、他の欠点を有する場合もある。充電式電子デバイスを充電するか、または電子デバイスに電力を提供するのに用いられることになる電力を自由空間において伝達することができるワイヤレス充電システムは、有線式の充電解決策の欠点の一部を克服する可能性がある。したがって、電子デバイスに電力を効率的かつ安全に伝達するワイヤレス電力伝達システムおよび方法が望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの種々の実装形態は各々、いくつかの態様を有し、そのうちのどれをとっても、本明細書において記述される望ましい属性に対してそれだけで役割を担うものはない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、いくつかの顕著な特徴が本明細書において説明される。
【０００４】
本明細書において説明される主題の1つまたは複数の実装形態の詳細が、添付の図面および以下の説明において記載される。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、縮尺どおりに描かれていない場合あることに留意されたい。
【０００５】
本開示の一態様は、ワイヤレス電力送信機装置を動作させる方法を提供する。この方法は、ワイヤレス電力送信機のドライバ回路のスイッチング素子の端子の電圧に相関がある特性を求めることを含む。この方法は、求められた特性に基づいて負荷のリアクタンスを求めることをさらに含む。
【０００６】
本開示の別の態様は、ワイヤレス電力送信のための装置を提供する。この装置は、ワイヤレス電力送信機のドライバ回路のスイッチング素子の端子の電圧に相関がある特性を求めるための手段を含む。この装置は、求められた特性に基づいて負荷のリアクタンスを求める手段をさらに含む。
【０００７】
本開示の別の態様は、非一時的コンピュータ可読媒体を提供する。この媒体は、実行されるときに、装置に、ワイヤレス電力送信機のドライバ回路のスイッチング素子の端子の電圧に相関がある特性を求めさせるコードを含む。この媒体は、実行されるときに、装置に、求められた特性に基づいて負荷のリアクタンスを求めさせるコードをさらに含む。
【０００８】
本開示の別の態様は、ワイヤレス電力送信機装置の反応条件を求めるように構成される装置を提供する。この装置は、ドレイン電圧入力と、しきい値電圧入力と、ゲート電圧入力と、出力とを備える。この装置は、ドレイン電圧入力と、しきい値電圧入力とを比較するように構成される比較器をさらに備える。比較器は、ドレイン電圧入力がしきい値電圧入力よりも高いか否かを指示するデジタル信号を出力するようにさらに構成される。この装置は、データ入力においてデジタル信号を受信するように構成されるフリップフロップをさらに備える。このフリップフロップは、クロック入力においてゲートドライブ電圧入力を受信するようにさらに構成される。このフリップフロップは、同期したゲートドライブ信号の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジにおいてデジタル信号をサンプリングするようにさらに構成される。このフリップフロップは、その出力において、サンプリングされた電圧の反転または非反転バージョンを出力するようにさらに構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、例示的なワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。
【図２】本発明の種々の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムに使用される場合がある例示的な構成要素の機能ブロック図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、送信コイルまたは受信コイルを含む、図2の送信回路または受信回路の一部の概略図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムに使用され得る送信機の機能ブロック図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムに使用され得る受信機の機能ブロック図である。
【図６】図4の送信回路に使用され得る送信回路の一部の概略図である。
【図７】異なる負荷特性を有するデバイスの両端間の電圧値のプロットを示す図である。
【図８】ワイヤレス電力伝達システム動作範囲の図である。
【図９】一実施形態による、インピーダンス検出回路の概略図である。
【図１０】別の実施形態による、インピーダンス検出回路の概略図である。
【図１１】一実施形態による、インピーダンス検出回路の概略図である。
【図１２】ワイヤレス電力送信機の負荷インピーダンスを検出する例示的な方法の流れ図である。
【図１３】本発明の例示的な実施形態による、負荷インピーダンス検出器の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面に示される種々の特徴は、縮尺どおりに描かれていない場合がある。したがって、種々の特徴の寸法は、明確にするために、任意に拡大または縮小されている場合がある。それに加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを描写していない場合がある。最後に、本明細書および図を通して、同様の特徴を示すため、同様の参照番号が用いられる場合がある。
【００１１】
添付の図面に関する下記の発明を実施するための形態は、本発明の例示的な実施形態を説明することを意図しており、本発明が実践される場合がある唯一の実施形態を表すことは意図していない。本説明全体にわたって用いられる「例示的」という用語は、「例、実例、または例示としての役割を果たす」ことを意味しており、必ずしも、他の例示的な実施態様よりも好ましいか、または有利なものと解釈されるべきではない。発明を辞しするための形態は、本発明の例示的な実施態様を完全に理解してもらうために、具体的な細部を含む。本発明の例示的な実施形態は、これらの具体的な細部を用いることなく実践することができる。場合によっては、本明細書において提示される例示的な実施形態の新規性を曖昧にするのを避けるために、よく知られている構造およびデバイスがブロック図の形式で示されている。
【００１２】
電力をワイヤレスで伝達することは、物理的な電気導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などに関連付けられる任意の形のエネルギーを、場合によっては送信機から受信機に伝達することを指す場合がある(たとえば、電力は、自由空間を通して伝達される場合がある)。電力伝達を達成するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)内に出力された電力は、「受信コイル」によって受信されるか、取り込まれるか、または結合される場合がある。
【００１３】
図1は、本発明の例示的な実施形態による、例示的なワイヤレス電力伝達システム100の機能ブロック図である。エネルギー伝達を提供する場106を生成するために、電源(図示せず)から、送信機104に入力電力102を提供することができる。受信機108は場106に結合し、出力電力110に結合されたデバイス(図示せず)によって蓄積または消費するための出力電力110を生成することができる。送信機104と受信機108の両方は互いに距離112だけ離間される。1つの例示的な実施形態では、送信機104および受信機108は、相互共振関係に従って構成される。受信機108の共振周波数および送信機104の共振周波数が、実質的に同じか、または極めて近いとき、送信機104と受信機108との間の伝送損失は最小となる。そのため、コイルが極めて近い(たとえば、数mm)ことが必要な大型のコイルを必要とする場合がある純粋に誘導性の解決策とは対照的に、より長い距離にわたってワイヤレス電力伝達を提供することができる。したがって、共振誘導性結合技法によれば、効率を改善できるようになり、種々の距離にわたって、かつ種々の誘導コイル構成を用いて電力を伝達できるようになる場合がある。
【００１４】
受信機108は、送信機104によって生成されたエネルギー場106内に位置するときに、電力を受信することができる。場106は、送信機104によって出力されたエネルギーを受信機108によって取り込むことができる領域に対応する。場合によっては、場106は、以下にさらに説明されるように、送信機104の「近接場」に対応する場合がある。送信機104は、エネルギー伝送を出力するための送信コイル114を含む場合がある。さらに、受信機108は、エネルギー伝送からエネルギーを受信するか、または取り込むための受信コイル118も含む。近接場は、送信コイル114から電力を放出しない、送信コイル114内の電流および電荷から生じる強い反応場(reactive field)が存在する領域に相当する場合がある。場合によっては、近接場は、送信コイル114の約1波長(または1波長の数分の一)内にある領域に相当する場合がある。送信コイル114および受信コイル118は、それらに関連付けられる応用形態およびデバイスに応じてサイズを決定される。上記のように、効率的なエネルギー伝達は、電磁波のエネルギーの大部分を遠距離場に伝搬するのではなく、送信コイル114の場106のエネルギーの大部分を受信コイル118に結合することによって行うことができる。場106内に位置決めされるとき、送信コイル114と受信コイル118との間に、「結合モード」を発生させることができる。この結合が生じる場合がある、送信コイル114および受信コイル118の周りのエリアは、本明細書において結合モード領域と呼ばれる。
【００１５】
図2は、本発明の種々の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システム100において用いられる場合がある例示的な構成要素の機能ブロック図である。送信機204は、発振器222と、ドライバ回路224と、フィルタおよび整合回路226とを含む場合がある送信回路206を含むことができる。発振器222は、周波数制御信号223に応答して調整することができる、468.75KHz、6.78MHz、または13.56MHzなどの所望の周波数において信号を生成するように構成することができる。発振器信号は、たとえば送信コイル214の共振周波数において送信コイル214を駆動するように構成されたドライバ回路224に与えることができる。ドライバ回路224は、発振器222から方形波を受信し、正弦波を出力するように構成されるスイッチング増幅器とすることができる。たとえば、ドライバ回路224は、E級増幅器とすることができる。また、フィルタおよび整合回路226は、高調波または他の不要な周波数をフィルタリングして除去し、送信機204のインピーダンスを送信コイル214に整合させるために含まれる場合がある。
【００１６】
受信機108は、図2に示されるように、整合回路232と、バッテリ236を充電するため、または受信機108に結合されたデバイス(図示せず)に電力供給するためにAC電力入力からDC電力出力を生成する整流器およびスイッチング回路234とを含む場合がある受信回路210を含むことができる。整合回路232は、受信回路210のインピーダンスを受信コイル218に整合させるために含まれる場合がある。それに加えて、受信機208および送信機204は、別の通信チャネル219(たとえば、ブルートゥース、zigbee、セルラーなど)上で通信することができる。代替的には、受信機208および送信機204は、ワイヤレス場206の特性を用いて帯域内シグナリングを介して通信することができる。
【００１７】
以下でより完全に説明されるように、選択的に使用不可にすることができる関連付けられる負荷(たとえば、バッテリ236)を最初に有する場合がある受信機208は、送信機204によって送信され、受信機208によって受信される電力量がバッテリ236を充電するのに適しているか否かを判断するように構成することができる。さらに、受信機208は、電力量が適切であると判断すると、負荷(たとえば、バッテリ236)を有効にするように構成することができる。いくつかの実施形態では、受信機208は、バッテリ236を充電することなく、ワイヤレス電力伝達場から受信された電力を直接利用するように構成することができる。たとえば、近接場通信(NFC)または無線周波数識別デバイス(RFID)などの通信デバイスは、ワイヤレス電力伝達場から電力を受信し、ワイヤレス電力伝達場と相互作用することによって通信するように、および/または送信機204もしくは他のデバイスと通信するために受信電力を利用するように構成することができる。
【００１８】
図3は、本発明の例示的な実施形態による、送信コイルまたは受信コイル352を含む、図2の送信回路または受信回路の一部の回路図である。図3に示されるように、例示的な実施形態において用いられる送信回路350は、コイル352を含むことができる。また、コイルは、「ループ」アンテナ352と呼ばれる場合があるか、または「ループ」アンテナ352として構成される場合がある。また、コイル352は、本明細書において、「磁気」アンテナもしくは誘導コイルと呼ばれる場合があるか、または「磁気」アンテナもしくは誘導コイルとして構成される場合がある。「コイル」という用語は、別の「コイル」に結合するためにエネルギーをワイヤレスに出力または受信することができる構成要素を指すことを意図している。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」と呼ばれる場合もある。コイル352は、空芯、またはフェライトコア(図示せず)などの物理的コアを含むように構成することができる。空芯ループコイルは、外部の物理デバイスがコアの近傍に配置されることに対して、許容性が高い場合がある。さらに、空芯ループコイル352により、他の構成要素をコアエリア内に配置できるようになる。それに加えて、空芯ループによれば、受信コイル218(図2)を、送信コイル214(図2)の結合モード領域がより強力な場合がある送信コイル214(図2)の平面内に、より容易に配置できるようになる場合がある。
【００１９】
上記のように、送信機104と受信機108との間のエネルギーの効率的な伝達は、送信機104と受信機108との間の整合した共振またはほぼ整合した共振中に行われる場合がある。しかしながら、送信機104と受信機108との間の共振が整合しないときであっても、効率が悪影響を及ぼされる場合があるものの、エネルギーを伝達することができる。エネルギーの伝達は、送信コイルの場106からのエネルギーを受信コイルに結合することによって行われ、受信コイルは、送信コイルからのエネルギーを自由空間に伝搬させることなく、この場106が確立された近傍内に常駐する。
【００２０】
ループコイルまたは磁気コイルの共振周波数は、インダクタンスおよびキャパシタンスに基づく。インダクタンスは単にコイル352によって生成されたインダクタンスとすることができるのに対して、キャパシタンスは、所望の共振周波数の共振構造を作り出すために、コイルのインダクタンスに加えられる場合がある。非限定的な例として、共振周波数において信号356を選択する共振回路を作り出すために、送信回路350にキャパシタ352およびキャパシタ354を加えることができる。したがって、より大きい直径のコイルの場合、共振を持続させるのに必要とされるキャパシタンスの大きさは、ループの直径またはインダクタンスが大きくなるにつれて減少する場合がある。さらに、コイルの直径が大きくなるにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝達面積が増加する場合がある。他の構成要素を用いて形成される他の共振回路も可能である。別の非限定的な例として、コイル350の2つの端子間に並列にキャパシタを配置することができる。送信コイルの場合、コイル352の共振周波数に実質的に対応する周波数を有する信号358を、コイル352への入力とすることができる。
【００２１】
一実施形態では、送信機104は、送信コイル114の共振周波数に対応する周波数を有する、時変磁場を出力するように構成することができる。受信機が場106内にあるとき、時変磁場は、受信コイル118内に電流を誘導することができる。上記のように、受信コイル118が送信コイル118の周波数において共振するように構成される場合には、エネルギーを効率的に伝達することができる。受信コイル118内に誘導されたAC信号を上記のように整流して、負荷を充電するか、または負荷に電力を供給するために与えることができるDC信号を生成することができる。
【００２２】
図4は、本発明の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムにおいて用いられる場合がある送信機404の機能ブロック図である。送信機404は、送信回路406および送信コイル414を含むことができる。送信コイル414は、図3に示すコイル352とすることができる。送信回路406は、発振信号を与えることにより、送信コイル414にRF電力を与えることができ、その信号の結果として、送信コイル414の周りにエネルギー(たとえば、磁束)が生成される。送信機404は、任意の適切な周波数において動作することができる。例として、送信機404は、13.56MHzのISM帯域において動作することができる。
【００２３】
送信回路406は、送信回路406のインピーダンス(たとえば、50オーム)を送信コイル414に整合させるための固定インピーダンス整合回路406と、高調波放射を、受信機108(図1)に結合されたデバイスの自己ジャミングを防ぐレベルまで低減するように構成されるローパスフィルタ(LPF)408とを含むことができる。他の例示的な実施形態は、限定はしないが、他の周波数を通過させながら特定の周波数を減衰させるノッチフィルタを含む異なるフィルタトポロジを含むことができ、コイル414への出力電力または電力増幅器によって引き出されたDC電流などの測定可能な送信指標に基づいて変化することができる適応インピーダンス整合を含むことができる。送信回路406は、発振器423によって決定されるようなRF信号を駆動するように構成されるドライバ回路424をさらに含む。送信回路406は、個別のデバイスまたは回路から構成することができるか、または代替的には、一体型アセンブリから構成することができる。送信コイル414から出力される例示的なRF電力は、2.5ワット程度とすることができる。
【００２４】
送信回路406は、発振器423の周波数または位相を調整し、取り付けられた受信機を通して隣接するデバイスとやりとりするための通信プロトコルを実施するための出力電力レベルを調整するために、特定の受信機に対する送信段階(またはデューティサイクル)中に発振器423を選択的に使用可能にするためのコントローラ410をさらに含むことができる。コントローラ410は、本明細書においてプロセッサ410と呼ばれる場合があることに留意されたい。発振器位相および送信経路内の関連する回路の調整によって、特に、ある周波数から別の周波数に移行する際の帯域外放射を低減できるようになる場合がある。
【００２５】
送信回路406は、送信コイル414によって生成された近接場の近傍において作動中受信機の存否を検出するための負荷検知回路416をさらに含むことができる。例として、負荷検知回路416はドライバ回路424に流れる電流を監視し、以下でさらに説明されるように、その電流は、送信コイル414によって生成された場の近傍における作動中受信機の存否によって影響を及ぼされる場合がある。ドライバ回路424にかかる負荷の変化の検出は、エネルギーを伝送するために発振器423を使用可能にすべきか否か、および作動中受信機と通信すべきか否かを判断する際に用いるために、コントローラ410によって監視される。以下でさらに十分に説明されるように、ドライバ回路424において測定される電流は、送信機404のワイヤレス電力伝達領域内に無効なデバイスが位置決めされた否かを判断するために用いることができる。
【００２６】
送信コイル414は、リッツ線を用いて、または抵抗損を低く保つために選択された厚み、幅、および金属のタイプを有するアンテナストリップとして実装することができる。一実装形態では、送信コイル414は一般に、テーブル、マット、ランプ、または他の可搬性の低い構成などの、より大きい構造と関連付けて構成することができる。したがって、送信コイル414は一般に、実用的な寸法を有するために「巻く」必要がない場合がある。送信コイル414の例示的な実装形態は、「電気的に小型」(すなわち、波長の数分の一)とすることができ、共振周波数を規定するためにキャパシタを使用することにより、より低い使用可能な周波数において共振するように同調することができる。
【００２７】
送信機404は、送信機404に関連付けられる場合がある受信機デバイスの所在および状態についての情報を収集および追跡することができる。したがって、送信機回路404は、(本明細書ではプロセッサとも呼ばれる)コントローラ410に接続される、存在検出器480、閉鎖検出器460、またはこれらの組合せを含むことができる。コントローラ410は、存在検出器480および閉鎖検出器460からの存在信号に応答して増幅器424によって送達される電力量を調整することができる。送信機404は、たとえば、建物内にある従来のAC電力を変換するためのAC-DCコンバータ(図示せず)、または従来のDC電源を送信機404に適した電圧に変換するためのDC-DCコンバータ(図示せず)などのいくつかの電源を通して、または従来のDC電源(図示せず)から直接電力を受け取ることができる。
【００２８】
非限定的な例として、存在検出器480は、送信機のカバレッジエリア内に挿入される、充電されるデバイスの初期存在を検知するために利用される運動検出器とすることができる。検出後に、送信機404をオンにすることができ、デバイスによって受信されたRF電力を用いて、所定の方法でRxデバイス上のスイッチを切り替えることができ、それにより、結果として送信機404の駆動点インピーダンスが変化する。
【００２９】
別の非限定的な例として、存在検出器480は、たとえば、赤外線検出手段、運動検出手段、または他の適切な手段によって人を検出することできる検出器とすることができる。いくつかの例示的な実施形態では、送信コイル414が特定の周波数で送信することができる電力量を制限する規制が存在する場合がある。時として、これらの規制は、人を電磁放射から保護することを意図している。しかしながら、送信コイル414が、たとえば、ガレージ、工場の作業場、店舗などの、人によって占有されないか、または人によって占有される頻度が低いエリアに配置される環境が存在する場合もある。これらの環境に人がいない場合、通常の電力制限規制よりも高く、送信コイル414の電力出力を増加させることが許容可能な場合もある。言い換えると、コントローラ410は、人の存在に応答して、送信コイル414の電力出力を規制レベル以下に調整し、人が送信コイル414の電磁場から規制距離の外側にいるとき、送信コイル414の電力出力を、規制レベルを超えるレベルに調整することができる。
【００３０】
非限定的な例として、閉鎖検出器460(本明細書では、閉鎖コンパートメント検出器または閉鎖空間検出器と呼ばれる場合もある)は、筐体が閉じた状態にあるか、開いた状態にあるかを判断するための検知スイッチなどのデバイスとすることができる。送信機が閉じた状態の筐体内にあるとき、送信機の電力レベルを増加させることができる。
【００３１】
例示的な実施形態では、送信機404が無制限にオンのままでない方法を用いることができる。この場合、送信機404は、ユーザが決定した時間後に停止するようにプログラミングすることができる。この特徴は、送信機404、特にドライバ回路424が、送信機404の周囲のワイヤレスデバイスが十分に充電された後に長期間動作するのを防ぐ。このイベントは、リピータまたは受信コイルから送信された、デバイスが十分に充電されたという信号を検出するための回路の故障に起因する場合もある。別のデバイスが送信機404の周囲に置かれた場合に送信機404が自動的に停止するのを防ぐために、送信機404の自動停止機能は、送信機404の周囲で運動が検出されなくなってからある設定時間後にのみ起動することができる。ユーザは、非活動時間間隔を決定し、その時間間隔を所望により変更できる場合がある。非限定的な例として、この時間間隔は、デバイスが最初に十分に放電されているという仮定の下で、特定のタイプのワイヤレスデバイスを十分に充電するのに必要とされる時間間隔よりも長くすることができる。
【００３２】
図5は、本発明の例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムにおいて用いられる場合がある受信機508の機能ブロック図である。受信機508は、受信コイル518を含む場合がある受信回路510を含む。受信機508は、それに受信電力を提供するためのデバイス550にさらに結合する。受信機508は、デバイス550の外部にあるものとして示されているが、デバイス550に組み込まれる場合があることに留意されたい。エネルギーは、受信コイル518にワイヤレスに伝搬され、その後、受信回路510の残りの部分を通してデバイス550に結合される場合がある。例として、充電デバイスは、モバイルフォン、携帯型音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(たとえば、ブルートゥースデバイス)、デジタルカメラ、補聴器(および他の医療用デバイス)などのデバイスを含む場合がある。
【００３３】
受信コイル518は、送信コイル414(図4)と同じ周波数において、または規定された周波数範囲内で共振するように同調させることができる。受信コイル518は、送信コイル414と同じような寸法にすることができるか、または関連するデバイス550の寸法に基づいて異なるサイズにすることができる。例として、デバイス550は、送信コイル414の直径または長さよりも小さい直径寸法または長さ寸法を有するポータブル電子デバイスとすることができる。そのような例では、受信コイル518は、同調キャパシタ(図示せず)のキャパシタンス値を下げ、受信コイルのインピーダンスを上げるために多巻コイルとして実装することができる。例として、受信コイル518は、コイル径を最大化し、受信コイル518のループ巻き(すなわち、巻線)数を少なくし、巻線間キャパシタンスを下げるために、デバイス550の実質的な外周の回りに配置することができる。
【００３４】
受信回路510は、受信コイル518に対するインピーダンス整合をもたらすことができる。受信回路510は、受信されたRFエネルギー源をデバイス550によって使用するための充電電力に変換するための電力変換回路506を含む。電力変換回路506は、RF-DC変換器520を含み、DC-DC変換器510を含むこともできる。RF-DC変換器520は、受信コイル518において受信されたRFエネルギー信号を、Vrectによって表される出力電圧を有する非交流電力に整流する。DC-DC変換器510(または他の電力調整器)は、整流されたRFエネルギー信号を、VoutおよびIoutによって表される出力電圧および出力電流を有する、デバイス550に適合するエネルギーポテンシャル(たとえば、電圧)に変換する。部分的および完全な整流器、調整器、ブリッジ、ダブラー、ならびにリニア変換器およびスイッチング変換器を含む、種々のRF-DC変換器が企図される。
【００３５】
受信回路510は、受信コイル518を出力変換回路506に接続するか、または代替的には出力変換回路506を切断するためのスイッチング回路512をさらに含むことができる。電力変換回路506から受信コイル518を切断することにより、デバイス550の充電を中断するだけでなく、送信機404(図2)から「見える」ような「負荷」も変更する。
【００３６】
上記で開示されたように、送信機404は、送信機電力増幅器回路410に与えられるバイアス電流の変動を検出することができる負荷検知回路416を含む。したがって、送信機404は、受信機が送信機の近接場内に存在する時点を判断するための機構を有する。
【００３７】
複数の受信機508が送信機の近接場内に存在するとき、他の受信機がより効率的に送信機に結合できるようにするために、1つまたは複数の受信機のローディングおよびアンローディングを時分割多重化することが望ましい場合がある。また、受信機508はまた、他の近くの受信機への結合を解消するか、または近くの送信機へのローディングを弱めるためにクローキングすることができる。受信機のこの「アンローディング」は、本明細書において「クローキング」としても知られる。さらに、受信機508によって制御され、送信機404によって検出される、アンローディングとローディングとの間のこの切替は、以下でさらに十分に説明されるように、受信機508から送信機404への通信機構を提供することができる。さらに、その切替に、受信機508から送信機404にメッセージを送信できるようにするプロトコルを関連付けることができる。例として、切替速度は、100μ秒程度とすることができる。
【００３８】
例示的な実施形態では、送信機404と受信機508との間の通信は、従来の双方向通信(すなわち、結合場を用いる帯域内シグナリング)ではなく、デバイス検知/充電制御機構を指している。言い換えると、送信機404は、エネルギーが近接場で利用可能であるか否かを調整するために送信信号のオン/オフキーイングを用いることができる。受信機は、これらのエネルギー変化を、送信機404からのメッセージとして解釈することができる。受信機側から、受信機508は、場から受け入れている電力量を調整するために受信コイル518の同調および離調を用いることができる。場合によっては、同調および離調は、スイッチング回路512を介して達成することができる。送信機404は、場から使用されるこの電力差を検出し、これらの変化を受信機508からのメッセージとして解釈することができる。送信電力および負荷挙動の他の形態の変調も利用できることに留意されたい。
【００３９】
受信回路510は、送信機から受信機への情報シグナリングに対応することができる、受信エネルギーの変動を識別するために用いられるシグナリング検出器/ビーコン回路514をさらに含むことができる。さらに、シグナリングおよびビーコン回路514を用いて、低減されたRF信号エネルギー(すなわち、ビーコン信号)の送信を検出することもでき、ワイヤレス充電用の受信回路510を構成するために、その低減されたRF信号エネルギーを整流して、受信回路510内の電力を供給されていない回路または電力を使い果たした回路のいずれかを呼び起こすための公称電力を生成することもできる。
【００４０】
受信回路510は、本明細書で説明するスイッチング回路512の制御を含む、本明細書において説明される受信機508のプロセスを協調させるためのプロセッサ516をさらに含む。また、充電電力をデバイス550に与える外部の有線充電源(たとえば、壁/USB電力)の検出を含む他のイベントが発生すると、受信機508のクローキングを行うこともできる。プロセッサ516は、受信機のクローキングを制御することに加えて、ビーコン状態を判断し、送信機404から送信されたメッセージを抽出するためにビーコン回路514を監視することもできる。プロセッサ516は、性能を改善するためにDC-DC変換器510を調整することもできる。
【００４１】
図6は、図4の送信回路406において用いられる場合がある送信回路600の一部分の回路図である。送信回路600は、図4において先に説明されたような、ドライバ回路624を含むことができる。上記のように、ドライバ回路624は、方形波を受信し、送信回路650に提供される正弦波を出力するように構成することができるスイッチング増幅器とすることができる。場合によっては、ドライバ回路624は、増幅器回路と呼ばれる場合もある。ドライバ回路624はE級増幅器として示されるが、本発明の実施形態によれば、任意の適切なドライバ回路624を用いることができる。ドライバ回路624は、図4に示されるように、発振器423からの入力信号602によって駆動することができる。また、ドライバ回路624は、送信回路650を通して送達される場合がある最大電力を制御するように構成される駆動電圧VDを与えられる場合もある。高調波を解消または低減するために、送信回路600は、フィルタ回路626を含むことができる。フィルタ回路626は、3極(C632、L630、C634)ローパスフィルタ回路626とすることができる。
【００４２】
フィルタ回路626によって出力された信号は、コイル614を備える送信回路650に与えることができる。送信回路650は、ドライバ回路624によって与えられたフィルタ処理済み信号の周波数において共振することができるキャパシタンス612およびインダクタンス(たとえば、コイル614のインダクタンスもしくはキャパシタンスによる場合がある)を有する直列共振回路を含むことができる。送信回路650の負荷は、可変インピーダンス618によって表すことができる。可変インピーダンス618は、たとえば、1つまたは複数の可変抵抗器、可変キャパシタ、可変インダクタまたは他の電子素子の任意の組合せを含むことができる。この負荷は、送信回路650から電力を受け取るように位置決めされたワイヤレス電力受信機508の関数とすることができる。
【００４３】
ドライバ回路624によって提示された負荷は、たとえば、電力を受け取るように位置決めされたワイヤレス電力受信機の数が可変であることに起因して変化するリアクタンスを有することができる。この負荷のリアクタンスは、疎結合のワイヤレス電力伝達システム100では、大きく変化する場合がある。ドライバ回路624の効率は、負荷のリアクタンスの変化に影響されやすく、その変化に起因して変動する場合がある。たとえば、E級増幅器は、かけられた負荷に影響されやすい場合があり、実数または虚数いずれかのインピーダンスにおいて負荷が過度に変化する場合、損傷を受けるおそれがある。スイッチングデバイスは、過電圧、過電流、または過大温度で動作することによって損傷を受けるおそれがある。
【００４４】
過大温度動作は、負荷の変化を含む、いくつかの問題によって引き起こされる可能性がある。E級増幅器は、1組の複素インピーダンスにおいて高い効率にすることができる。この1組のインピーダンスでは、E級増幅器は、単純な50%ゲートドライブデューティサイクルを有するゼロ電圧スイッチング挙動を示す。E級増幅器は、ゼロ電圧においてオンになる場合があり、その電圧は、E級増幅器が停止された瞬間にゼロに戻る。これにより、効率的にスイッチング動作できる場合がある。
【００４５】
図7は、異なる負荷特性を有するデバイスの両端間の電圧値のプロットを示す。図7では、曲線Bは、理想的な負荷(すなわち、最適なスイッチング)におけるデバイスの両端間の電圧を表し、曲線Aは、過度に容量性の負荷を表し、曲線Cは、過度に誘導性の負荷を表す。理想的なインピーダンスのこの範囲外では、ゼロ電圧スイッチングは生じない場合がある。たとえば、負荷が過度に容量性であるとき、理想的なゲートターンオン点は、50%点よりも早く生じる場合があり、したがって、そのデバイスは、固定されたゲートドライブが使用される場合、そのデバイスは逆方向に駆動され、逆方向に導通する場合がある。逆方向ではスイッチングデバイスの損失が通常大きいので、結果として非効率的になる。負荷が過度に誘導性であるとき、理想的なゲートターンオン点は、50%点の後に生じる場合があり、したがって、そのデバイスは、非ゼロ電圧において強制的に切り替えられる場合がある。これより、スイッチング損失が増加する。
【００４６】
一実施形態では、ドライバ回路624(図6)などのE級電力増幅器(PA)の効率は、たとえば、図7に示されるような、PAの電界効果トランジスタ(FET)604のドレイン電圧の形状によって主に決まる。ドレイン電圧のパルス幅がドライバ回路625のデューティサイクルに一致するとき、PAは、最大効率で動作している(曲線B)。一実施形態では、そのパルスは、FET604がオフになるときに開始するので、パルス幅を変化させることにより、パルスの立ち下がりエッジのタイミングが変化する。パルスが細い場合、効率は、緩やかに降下する(曲線A)。パルス幅が広すぎるとき、FET604がオンになることによってパルスが打ち切られ、FET604の損失を引き起こし、場合によっては損傷を引き起こす(曲線C)。
【００４７】
極限まで行くと、これらのさらなる損失は、過剰な加熱を引き起こし、デバイス故障を引き起こす可能性が高い。一実施形態によれば、過剰な加熱およびデバイス故障を回避するために、かつE級が理想的でない負荷でも高い効率で動作できるようにするために、ドライバ回路624およびインピーダンス変換回路(フィルタ回路626など)を、特定のリアクタンスにおいて広範な抵抗値にわたって効率的に動作するように設計することができる。しかしながら、リアクタンスがシフトするにつれて、そのシステムは非効率的になる場合がある。そのシステムに対して広範なリアクタンスが提示される場合があるので、たとえば負荷リアクタンスを許容範囲内にシフトするために、負荷リアクタンスの変化を検出することが望ましい場合がある。
【００４８】
図8は、ワイヤレス電力伝達システム100の動作範囲を示す図である。図8は、ある範囲のリアクタンス値にわたって動作するワイヤレス電力伝達システム100を示しており、ドライバ回路624は、システム動作範囲をカバーするために実効的にシフトすることができる効率的な動作範囲を有する。図示されるように、ドライバ回路624の動作範囲(ドライバ回路624が十分に効率的であるリアクタンスによって規定される)は、所望のシステム動作範囲に比べて相対的に狭い場合がある。送信機404は、インピーダンス検出回路を有することができ、その回路は、負荷のリアクタンスの量を検出するか、またはリアクタンスが特定の範囲内に入るか否かを少なくとも判断できるように構成することができる。ドライバ回路624の効率的な動作範囲を実効的に広げるために、スイッチングネットワークを用いて、負荷のリアクタンスを、ドライバ回路624が効率的である範囲内に入る値に調整することができる。スイッチングネットワークは、インピーダンス検出回路の出力に基づいてリアクタンスシフトを与えることができる。
【００４９】
一実施形態では、検出回路は、負荷が許容範囲内にあるか否かを指示する2値フィードバックを与えることができる。たとえば、検出された負荷を与えられた場合に、ドライバ回路624が少なくともしきい値効率を達成することができるとき、検出回路は許容負荷を指示する出力を与えることができる。一方、検出された負荷を与えられた場合に、ドライバ回路624が少なくともしきい値効率を達成しないとき、検出回路は、非許容負荷を指示する出力を与えることができる。別の実施形態では、検出回路は、その負荷値が、あまりに誘導性であるか、あまりに容量性であるか、許容できるかを指示する出力を与えることができる。別の実施形態では、検出回路は、フィードバックの連続スペクトルを与えることができ、その出力は、負荷がどの程度の誘導性であるか、または容量性であるかを指示する。連続出力によって、スイッチングコントローラは、正確な状態に向かって繰返し動作するのではなく、正確な値に直接切り替わることができるようになる場合がある。
【００５０】
図9は、一実施形態による、インピーダンス検出回路900の概略図である。図示されるように、インピーダンス検出回路900は、ドレイン出力910と、第1の分圧器920と、しきい値入力930と、第2の分圧器940と、比較器945と、出力フィルタ950と、出力960とを含む。一実施形態では、FET604のドレイン(図6)における電圧のパルス幅が細いとき、そのパルス幅は、ドレイン電圧910のパルスを、高速比較器920を用いて方形波に変換し、しきい値電圧930と比較し、その後、結果として生成された方形波をフィルタ950によって平均し、アナログ値を得ることによって検出することができる。
【００５１】
ドレイン入力910は、増幅器のドレインにおいて電圧パルスを受信する役割を果たす。一実施形態では、ドレイン入力910は、FET604(図6)からドレイン電圧を受信することができる。一実施形態では、ドレイン入力910は、第1の分圧器920によってフィルタリングすることができる。第1の分圧器920は、ドライバ入力910の電圧を分圧し、入力をインピーダンス整合させ、その結果を比較器945に出力するための役割を果たす。
【００５２】
しきい値入力930は、ドレイン入力910においてパルスを指示するしきい値電圧を受信する役割を果たす。種々の実施形態において、しきい値入力930は、入力電圧602(図6)、ドレイン電圧910の整流された包絡線、または定電圧源からしきい値電圧を受信することができる。一実施形態では、第2の分圧器940は、しきい値入力930の電圧を分圧し、分圧された電圧を比較器945に出力する役割を果たす。
【００５３】
比較器945は、ドレイン入力910の分圧されたバージョンをしきい値入力930と比較することよって、ドレインパルス幅を測定する役割を果たす。比較器945は方形波を出力するように構成することができる。たとえば、比較器945は、正入力が負入力以上であるとき高電圧信号を出力することができ、正入力が負入力未満であるとき、低電圧信号を出力することができる。
【００５４】
出力フィルタ950は、比較器945の方形波出力を平均する役割を果たす。結果として生成されたアナログ電圧は、マイクロコントローラ(図示せず)に供給することができる。しきい値入力930の電圧に応じて、パルス幅フィードバックは単調に増加しない場合がある。多くの場合に、パルス幅が50%を超えた後に、パルス幅が降下する場合がある。これは、FET604のスイッチング動作によって立ち下がり勾配が抑制される間に、パルスのより緩やかな立ち上がり勾配によって、しきい値通過点が移動することに起因する場合がある。さらに、FET604がオンすると、パルスが打ち切られる場合があるので、この方法は、パルス幅がドライブデューティサイクルより大きくなるときに実効性が低下する場合がある。
【００５５】
図10は、別の実施形態による、インピーダンス検出回路1000の例示的な概略図である。図示されるように、インピーダンス検出回路1000は、ドレイン入力1010と、分圧器1020と、第1の演算増幅器1030と、ゲートドライブ入力1040と、遅延回路1050と、サンプリングスイッチ1060と、サンプリングキャパシタ1065と、第2の演算増幅器1070と、出力1080とを含む。例示される実施形態では、ドレイン入力1010におけるドレイン電圧を、FET604がオンになる時点でサンプリングすることができる。種々の実施形態において、ドレイン入力1010は、FET604の遷移時刻と実質的に同時にサンプリングすることができるが、その遷移の前または後にサンプリングすることもできる。たとえば、サンプリング時刻とFET604の遷移時刻との間の絶対差は発振器423の周波数の約10%未満、または発振器423の周波数の約5%未満、より詳細には、発振器423の周波数の約1%未満とすることができる。種々の実施形態において、費用がかかることが見込まれる高速のアナログ/デジタル変換器(ADC)を用いることなく、スイッチング電圧を直接測定するのは実現できない場合がある。例示される実施形態では、インピーダンス検出回路1000はサンプル/ホールド回路である。サンプル/ホールドインピーダンス検出回路1000は、FETドライブ信号602(図6)と同期することができ、非常に短時間にドレイン入力1010をサンプリングすることができる。このサンプリングされた値は、その後、マイクロコントローラ(図示せず)に内蔵された低速ADCによって読み取ることができる。
【００５６】
ドレイン入力1010は、増幅器のドレインにおいて電圧パルスを受信する役割を果たす。一実施形態では、ドレイン入力1010は、FET604(図6)からドレイン電圧を受信することができる。一実施形態では、ドレイン入力1010は分圧器1020によって下げることができる。分圧器1020は、ドレイン入力1010の電圧を分圧し、入力のインピーダンスを整合させ、その結果を第1の演算増幅器1030に出力する役割を果たす。第1の演算増幅器1030は、ドレイン入力1010の分圧された電圧のための電圧バッファとしての役割を果たすことができる。一実施形態では、第1の演算増幅器1030は、非反転入力においてドレイン入力1010の分圧された電圧を受信することができ、第1の演算増幅器出力を反転入力にフィードバックすることができる。
【００５７】
ゲートドライブ入力1040は、FETドライブ信号602(図6)を受信する役割を果たす。遅延回路1050は、ゲートドライブ入力1040からFETドライブ信号602を受信し、FETドライブ信号602と、第1の演算増幅器1030の出力とをサンプリングスイッチ1060において同期させるのに十分なほどFETドライブ信号602を遅延させることができる。種々の実施形態において、遅延回路1050は1つまたは複数のバッファおよび/またはインバータを含むことができる。サンプリングスイッチ1060は、遅延回路1050から同期したゲートドライブ入力1040を受信するときに、第1の演算増幅器1030の出力をサンプリングする役割を果たす。一実施形態では、サンプリングスイッチ1060はパスゲートを含むことができる。
【００５８】
サンプリングキャパシタ1065は、第1の演算増幅器1030によって出力された電圧を蓄積する役割を果たす。サンプリングスイッチ1060が閉じられるとき、サンプリングキャパシタ1065は、第1の演算増幅器1030によって出力された電圧を受信することができる。サンプリングスイッチ1060が開いているとき、サンプリングキャパシタ1065は、第2の演算増幅器1070の非反転入力において第1の演算増幅器1030によって出力された電圧を蓄積し続けることができる。第2の演算増幅器1070は、サンプリングされたドレイン入力1010のための電圧バッファとしての役割を果たすことができる。一実施形態では、第2の演算増幅器1070は、非反転入力においてサンプリングキャパシタ1065からドレイン入力1010の分圧された電圧を受信することができ、第2の演算増幅器出力を反転入力にフィードバックすることができる。第2の演算増幅器1070は、サンプリングされた電圧を出力1080において出力することができる。
【００５９】
例示される実施形態では、デューティサイクルを超えてさらにパルスが継続するほど、サンプリングされる電圧が高くなる。この手法の1つの潜在的に不利な点は、アナログサンプル・アンド・ホールド回路のコストである。一実施形態では、連続検出が望ましくない場合には、デジタル・サンプル・アンド・ホールドを用いることによって、その技法を簡単にすることができる。動作領域のみが判断される実施形態では、比較器およびデジタルフリップフロップを用いて、アナログ値ではなく状態をサンプリングすることによって、検出を簡単にすることができる。
【００６０】
図11は、一実施形態による、インピーダンス検出回路1100の概略図である。図示されるように、インピーダンス検出回路1100は、ドレイン入力1110と、ドレインフィルタ1120と、しきい値入力1130と、分圧器1140と、比較器1145、ゲートドライブ入力1150と、遅延回路1160と、フリップフロップ1170と、出力1150とを含む。例示される実施形態では、FET604のドレイン(図6)における電圧のパルス幅は、図9に関して先に説明されたように、比較器1145を用いてデジタル値に変換することができる。出力を平均する代わりに、特定の遅延を有するクロックを供給されるフリップフロップ1170によってデジタル値をサンプリングすることができる。FET604は完全なスイッチでない場合があるので、例示される実施形態は、広いパルスを扱うことができる。
【００６１】
ドレイン入力1110は、増幅器のドレインにおいて電圧パルスを受信する役割を果たす。一実施形態では、ドレイン入力1110は、FET604(図6)からドレイン電圧を受信することができる。一実施形態では、ドレイン入力1110はドレインフィルタ1120によってフィルタリングすることができる。ドレインフィルタ1120は、ドレイン入力1110の電圧を分圧し、パルスをフィルタリングし、その結果を比較器1145に出力する役割を果たす。
【００６２】
しきい値入力1130は、ドレイン入力1110においてパルスを指示するしきい値電圧を受信する役割を果たす。種々の実施形態において、しきい値入力1130は、入力電圧602(図6)、ドレイン電圧1110の整流された包絡線、または定電圧源からしきい値電圧を受信することができる。一実施形態では、分圧器1140は、しきい値入力1130の電圧を分圧し、分圧された電圧を比較器1145に出力する役割を果たす。
【００６３】
比較器1145は、ドレイン入力1110の分圧されたバージョンをしきい値入力1130と比較することよって、ドレインパルス幅を測定する役割を果たす。比較器1145は方形波を出力するように構成することができる。たとえば、比較器1145は、正入力が負入力以上であるとき高電圧信号を出力することができ、正入力が負入力未満であるとき、低電圧信号を出力することができる。
【００６４】
ゲートドライブ入力1150は、FETドライブ信号602(図6)を受信する役割を果たす。遅延回路1160は、ゲートドライブ入力1150からFETドライブ信号602を受信し、FETドライブ信号602と、比較器1145の出力とをフリップフロップ1170のデータ入力において同期させるのに十分なほどFETドライブ信号602を遅延させることができる。種々の実施形態において、遅延回路1160は1つまたは複数のバッファおよび/またはインバータを含むことができる。一実施形態では、遅延回路1160は省くことができる。
【００６５】
フリップフロップ1170は、データ入力において比較器1145の出力をサンプリングする役割を果たす。一実施形態では、フリップフロップ1170はd-フリップフロップとすることができる。フリップフロップ1170は、クロック入力の立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジにおいてデータ入力をサンプリングすることができる。フリップフロップ1170のクロック入力は、遅延回路1160から、遅延したゲートドライブ入力1150を受信することができる。ドレイン電圧の包絡線をパルス幅検出器のための基準電圧として用いることによって、結果として生成されるパルス幅ピークは、その後、クリッピングが生じた後に降下し始める。比較器1145から出てくるデジタル値を、ゲートドライブスイッチの後段でいくらか遅延させてサンプリングすることによって、測定されているパルス幅曲線の側を決定することができる。
【００６６】
図12は、ワイヤレス電力送信機の負荷インターフェースを検出する例示的な方法の1200の流れ図である。流れ図1200の方法は、図11に関して先に論じられた回路1100を参照しながら本明細書において説明されるが、流れ図1200の方法が、図1に関して先に論じられた送信機104によって、図2に関して先に論じられた送信機204によって、および/または任意の他の適切なデバイスによって実装できることは当業者には理解されよう。一実施形態では、流れ図1200のステップは、1つまたは複数の比較器1145、遅延回路1160およびフリップフロップ1170とともに、プロセッサまたはコントローラによって実行される場合がある。流れ図1200の方法は、特定の順序を参照して本明細書において説明されるが、種々の実施形態において、本明細書のブロックは異なる順序で実行されてもよく、または省略されてもよく、かつさらなるブロックが追加されてもよい。
【００６７】
ブロック1202において、検出器は、ワイヤレス電力送信機のドライバ回路のスイッチング素子の端子の電圧に相関がある特性を求める。種々の実施形態において、検出器は、図9、図10および図11に関してそれぞれ先に説明されたインピーダンス検出回路900、1000および/または1100を含むことができる。
【００６８】
一実施形態では、その特性は、負荷のリアクタンスに基づいて、限界より高いか、または低い電圧レベルを指示するデジタル特性である。たとえば、その特性は、図9および図11に関してそれぞれ先に説明された比較器945または1145の出力とすることができる。フリップフロップ1170は、スイッチング素子がオンした後にクロックを供給されるフリップフロップを用いてデジタル特性をサンプリングすることができる。一実施形態では、フリップフロップ1170は遅延したクロックを供給される。種々の実施形態において、フリップフロップ1170は、スイッチング素子の遷移時刻と実質的に同時にデジタル特性をサンプリングすることができるが、その遷移の前または後にサンプリングすることもできる。たとえば、サンプリング時刻とFET604の遷移時刻との間の絶対差は発振器423の周波数の約10%未満、または発振器423の周波数の約5%未満、より詳細には、発振器423の周波数の約1%未満とすることができる。
【００６９】
別の実施形態では、その特定は、負荷のリアクタンスを指示するアナログ特性である。たとえば、その特性は、図10に関して先に説明された演算増幅器1030の出力とすることができる。スイッチ1060(図10)およびキャパシタ1065は、ある時間にわたるアナログ特性をサンプル・アンド・ホールドすることができる。
【００７０】
別の実施形態では、特性を求めることは、電圧をしきい値電圧と比較することを含む。
【００７１】
別の実施形態では、その特性は、トランジスタ604(図6)のドレインにおける電圧とすることができる。特性を求めることは、その特性をしきい値特性と比較することを含むことができる。たとえば、図9および図11に関してそれぞれ先に説明された比較器945または1145は、ドレイン電圧をしきい値電圧と比較することができる。
【００７２】
種々の実施形態において、負荷は送信回路および/または共振器を含むことができる。一実施形態では、端子はソース端子である。別の実施形態では、端子はドレイン端子である。
【００７３】
ブロック1204において、コントローラが、求められた電圧に基づいてリアクタンス負荷変化を判断することができる。たとえば、経時的な特性の変化が、リアクタンス負荷の変化を指示することができる。一実施形態では、コントローラは、判断されたリアクタンス負荷変化に基づいて、送信回路のインピーダンスを調整することができる。
【００７４】
図13は、本発明の例示的な実施形態による、負荷インピーダンス検出器1300の機能ブロック図である。負荷インピーダンス検出器1300は、ワイヤレス電力送信機のドライバ回路のスイッチング素子の端子の電圧に相関がある特性を求めるための手段1302を含む。一実施形態では、ワイヤレス電力送信機のドライバ回路のスイッチング素子の端子の電圧に相関がある特性を求めるための手段1302は、ブロック1202に関して先に論じられた機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成することができる。負荷インターフェース検出器1300は、求められた特性に基づいて負荷のリアクタンスを求めるための手段1304をさらに含む。一実施形態では、求められた特性に基づいて負荷のリアクタンスを求めるための手段1304は、ブロック1204に関して先に論じられた機能のうちの1つまたは複数を実行するように構成することができる。
【００７５】
上記の方法の種々の動作は、種々のハードウェアおよび/またはソフトウェアコンポーネント、回路および/またはモジュールなどの、動作を実行することができる任意の適切な手段によって実行することができる。一般に、図に示される任意の動作は、それらの動作を実行することが可能な対応する機能手段によって実行することができる。スイッチング増幅器のようなドライバ回路を含む、駆動するための手段を設けることができる。駆動するための手段は、E級増幅器とすることができる。インピーダンスを調整するための手段は、選択的に切り替えて回路に入れることができる1つまたは複数のリアクティブな素子を含むインピーダンス調整回路を含むことができる。固体スイッチ、リードリレー、アーマチャータイプリレーなどの電気的スイッチを含む、切り替えるための手段を設けることができる。電力をワイヤレスで送信するための手段は、上記のようなワイヤレス電力送信機を含むことができる。
【００７６】
多種多様な技術および技法のうちのいずれかを使用して情報および信号を表すことができる。たとえば、上記の説明全体にわたって参照される場合があるデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁界または磁性粒子、光場または光学粒子、あるいはそれらの任意の組合せによって表すことができる。
【００７７】
本明細書において開示される実施形態に関して説明された種々の例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装することができる。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、種々の例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、これまで概してそれらの機能に関して説明されてきた。そのような機能をハードウェアとして実装するか、ソフトウェアとして実装するかは、特定の応用形態および全体的なシステムに課される設計上の制約による。説明された機能は特定の応用形態ごとに様々な方法で実装される場合があるが、そのような実装形態の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきではない。
【００７８】
本明細書において開示される実施形態に関して説明された種々の例示的なブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタロジック、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書において説明される機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを用いて、実装または実行することができる。汎用プロセッサはマイクロプロセッサとすることができるが、代替形態では、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械とすることができる。また、プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携する1つまたは複数のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のそのような構成として実装することができる。
【００７９】
本明細書において開示される実施形態に関連して説明された方法またはアルゴリズムのステップおよび機能は、そのままハードウェアにおいて、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールにおいて、またはその2つの組合せにおいて具現化することができる。ソフトウェアにおいて実装される場合、それらの機能は、1つもしくは複数の命令またはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶されるか、あるいは非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信される場合がある。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、リードオンリーメモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD ROM、または、当技術分野で既知の任意の他の形態の記憶媒体の中に常駐することができる。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替形態では、記憶媒体はプロセッサと一体にすることができる。本明細書において使用されるとき、ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)、レーザーディスク（登録商標）、光ディスク、デジタル多用途ディスク(DVD)、フロッピー（登録商標）ディスク、およびブルーレイディスクを含み、ディスク(disk)は通常、磁気的にデータを再生し、ディスク(disc)は、レーザで光学的にデータを再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲の中に含まれるべきである。プロセッサおよび記憶媒体はASIC中に常駐することができる。ASICはユーザ端末内に常駐することができる。代替形態では、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内に個別構成要素として存在することができる。
【００８０】
本開示を要約するために、本明細書において、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴が説明されてきた。そのような利点の必ずしもすべてが、本発明の任意の特定の実施形態に従って達成されるとは限らない場合があることを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書において教示または示唆される場合があるような、他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示される1つの利点または一群の利点を達成または最適化するようにして具現化または実行される場合がある。
【００８１】
上記の実施形態の種々の変更形態が容易に明らかになり、本明細書において規定される一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書において示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書において開示された原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。
【符号の説明】
【００８２】
404  送信機
406  送信回路
408  ローパスフィルタ
409  インピーダンス整合回路
410  コントローラ
414  送信コイル
415  コントローラまたはプロセッサ
416  負荷検知回路
423  発振器
424  ドライバ回路
460  閉鎖検出器
480  存在検出器
【図１】
0006005170.tif 000002
【図２】
0006005170.tif 000003
【図３】
0006005170.tif 000004
【図４】
0006005170.tif 000005
【図５】
0006005170.tif 000006
【図６】
0006005170.tif 000007
【図７】
0006005170.tif 000008
【図８】
0006005170.tif 000009
【図９】
0006005170.tif 000010
【図１０】
0006005170.tif 000011
【図１１】
0006005170.tif 000012
【図１２】
0006005170.tif 000013
【図１３】
0006005170.tif 000014