БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ
WIRELESS POWER TRANSMISSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к беспроводной передаче энергии, а в частности, но не исключительно, к беспроводной передаче энергии между источником питания и приемным блоком.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычно для питания портативного электронного устройства, например мобильного телефона или переносного компьютера, используется химическая аккумуляторная батарея. Обычно такая батарея соединяется через разъем с корпусом портативного устройства.
Использование батареи для подачи питания к портативному электронному устройству не является идеальным вариантом, поскольку энергетическая емкость химической батареи ограничена. Вследствие этого химическую батарею необходимо регулярно перезаряжать.
С целью обеспечения средств для перезарядки батареи портативное устройство обычно поставляется с блоком зарядного устройства, позволяющим передавать электрическую энергию от электрической сети в аккумуляторную батарею. Блок зарядного устройства обычно содержит электрическую вилку для подключения к розетке сети электропитания и электрический кабель, соединяющий электрическую вилку и портативное устройство.
Такой способ обладает недостатками, поскольку, если не будет доступных сетевых розеток питания, например, за пределами здания и в общественных местах, аккумуляторная батарея разрядится, и портативное устройство необходимо будет выключить.
Еще один недостаток, использования такого блока зарядного устройства связан с тем, что требуется физическое соединение портативного устройства с сетевой розеткой питания. Это сильно ограничивает возможность перемещения портативного устройства в процессе зарядки и, таким образом, противоречит свойству мобильности устройства.
В блоке зарядного устройства другого типа используется принцип обычной индуктивной связи ближнего действия, в соответствии с которым энергия передается от первичного индуктора, расположенного в блоке зарядного устройства, ко вторичному индуктору, находящемуся в портативном устройстве. Такие зарядные блоки обычно используются, например, для зарядки аккумуляторных батарей в электрических зубных щетках.
Зарядные устройства, в которых применяется такой тип обычной индуктивной связи, могут передавать энергию беспроводным способом и, таким образом, при работе с ними не требуется устанавливать физическое соединение между электрической сетью и портативным устройством. Однако максимальное расстояние, на котором можно обеспечить эффективную передачу энергии, ограничено величинами того же порядка, что и физические размеры индукторов. В случае портативных электронных устройств размеры индукторов ограничены габаритами портативных электронных устройств. Соответственно, в общем случае, для этого типа устройств на расстояниях, больших нескольких сантиметров, эффективность передачи энергии между первичным и вторичным индукторами слишком мала, чтобы обеспечить нормальную работу устройства.
Таким образом, как и в обсуждавшемся выше случае использования электрического кабеля, для передачи энергии с помощью обычной индуктивной связи требуется, чтобы блок зарядного устройства и портативное устройство находились очень близко друг к другу, из-за чего зона перемещения портативного устройства значительно ограничена.
Помимо вышеизложенных проблем, связанных с зарядкой, использование в качестве источника питания химической батареи имеет и другие недостатки. Например, химические аккумуляторные батареи имеют ограниченный срок службы, и со временем максимальная энергетическая емкость батарей уменьшается. Кроме того, химические батареи относительно тяжелые. Это означает, что включение химической батареи в портативное устройство, как правило, значительно увеличивает общий вес устройства. Если зависимость устройства от химической батареи могла бы быть уменьшена, то стало бы возможным в значительной степени уменьшить вес портативных электронных устройств, например мобильных телефонов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этом документе описывается устройство, содержащее схему контроля резонансной частоты источника питания, приемный блок и блок управления для изменения резонансной частоты приемного блока, выполненный таким образом, чтобы изменять резонансную частоту указанного приемного блока в зависимости от резонансной частоты указанного источника питания.
Приемный блок может быть приспособлен для беспроводного приема энергии от источника питания с помощью резонансной индуктивной связи.
Приемный блок может быть выполнен в виде адаптивного приемного блока с изменяемой резонансной частотой.
Устройство может быть выполнено таким образом, чтобы согласовывать резонансную частоту указанного приемного блока с резонансной частотой указанного источника питания.
Напряжение может наводиться в приемном блоке магнитным полем от источника питания, а блок управления может быть выполнен таким образом, чтобы изменять резонансную частоту приемного блока с целью согласования с резонансной частотой источника питания.
Устройство также может содержать множество электрических компонентов и может быть выполнено таким образом, чтобы обеспечить подачу электрической энергии по меньшей мере к одному из этих электрических компонентов.
Устройство может также содержать батарею для подачи электрической энергии по меньшей мере к одному из электрических компонентов в случае, когда энергия не принимается от источника питания.
Устройство может быть выполнено в виде портативного электронного устройства.
Устройство может быть выполнено в виде мобильного телефона, карманного персонального компьютера или переносного компьютера.
Устройство может содержать схему фазовой автоподстройки частоты для вывода сигнала управления для изменения резонансной частоты приемного блока в зависимости от резонансной частоты источника питания.
Далее в этом документе описывается устройство, которое включает средства для обнаружения наличия источника питания, средства для контроля резонансной частоты указанного источника питания и средства для изменения резонансной частоты приемного блока в зависимости от резонансной частоты источника питания.
Приемный блок может быть выполнен таким образом, чтобы принимать электрическую энергию, переданную от источника питания с помощью беспроводной безызлучательной передачи, и обеспечивать подачу принятой электрической энергии в аккумуляторную батарею.
Кроме того, в этом документе описывается устройство, которое содержит приемный блок с изменяемыми резонансными характеристиками для беспроводного приема энергии от источника питания, при этом резонансные характеристики приемного блока могут изменяться для согласования с резонансными характеристиками источника питания с целью повышения эффективности приема энергии от источника питания.
Устройство также может содержать схему контроля для обнаружения и контроля резонансных характеристик источника питания.
Приемный блок устройства может быть выполнен в виде адаптивного приемного блока с изменяемыми резонансными характеристиками, и устройство может также содержать блок управления для автоматического изменения резонансных характеристик адаптивного приемного блока с целью согласования с резонансными характеристиками источника питания.
Устройство также может содержать один или более электрических компонентов, а приемный блок может быть связан со схемой источника питания для подачи питания по меньшей мере к одному из этих электрических компонентов.
Устройство может также содержать батарею для подачи электрической энергии по меньшей мере к одному из электрических компонентов в случае, когда энергия не принимается от источника питания.
Устройство может быть выполнено в виде портативного электронного устройства.
Устройство может быть выполнено в виде мобильного телефона, карманного персонального компьютера или переносного компьютера.
Устройство содержит схему фазовой автоподстройки частоты для вывода сигнала управления для изменения резонансной частоты приемного блока в зависимости от резонансной частоты источника питания.
В этом документе также описывается система, содержащая источник питания, и устройство, включающее схему контроля резонансной частоты источника питания, приемный блок и блок управления для изменения резонансной частоты указанного приемного блока, выполненный таким образом, чтобы изменять резонансную частоту указанного приемного блока в зависимости от резонансной частоты указанного источника питания.
Кроме того, в этом документе описывается способ, включающий обнаружение наличия источника питания, контроль резонансной частоты указанного источника питания и изменение резонансной частоты приемного блока в зависимости от резонансной частоты указанного источника питания.
Способ может также включать вывод сигнала управления от схемы фазовой автоподстройки частоты для изменения резонансной частоты приемного блока в зависимости от резонансной частоты источника питания и согласование резонансной частоты указанного приемного блока с резонансной частотой указанного источника питания.
Способ может включать беспроводной прием энергии приемным блоком от источника питания с помощью резонансной индуктивной связи.
Приемный блок может быть выполнен в виде адаптивного приемного блока с изменяемой резонансной частотой, а способ может также включать наводку напряжения в адаптивном приемном блоке магнитным полем от источника питания и изменение резонансной частоты адаптивного приемного блока для согласования с резонансной частотой источника питания.
Способ может также включать подачу электрической энергии в электрическое устройство.
Способ может также включать подачу энергии от батареи по меньшей мере к одному из компонентов электрического устройства в случае, когда энергия не принимается приемным блоком от источника питания.
Способ может также включать прием энергии приемным блоком от источника питания с помощью резонансной индуктивной связи и подачу принятой энергии по меньшей мере к одному из компонентов электрического устройства.
В этом документе также описывается компьютерная программа, хранящаяся на носителе данных, которая в ходе выполнения процессором реализует способ, включающий обнаружение наличия источника питания, контроль резонансной частоты указанного источника питания и изменение резонансной частоты приемного блока в зависимости от резонансной частоты указанного источника питания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания изобретения варианты осуществления этого изобретения далее описываются с помощью примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлена схема, изображающая передачу энергии от питающего устройства в портативное электронное устройство.
На фиг.2 представлена принципиальная схема первичного и вторичного резонансных RLC-контуров с коэффициентом К связи.
На фиг.3 представлена схема, эквивалентная схеме первого и второго резонансных RLC-контуров, показанной на фиг.2.
На фиг.4 представлена упрощенная схема для эквивалентной схемы, показанной на фиг.3.
На фиг.5 представлены полные сопротивления отдельных элементов эквивалентной схемы, показанной на фиг.3.
На фиг.6 представлен график зависимости эффективности передачи энергии между двумя резонансными контурами от разности резонансных частот этих контуров.
На фиг.7 представлена схема, иллюстрирующая способ беспроводной передачи на среднее расстояние энергии от питающего устройства в портативное электронное устройство с использованием обычной индуктивной связи.
На фиг.8 представлена схема, иллюстрирующая способ беспроводной передачи на среднее расстояние энергии от питающего устройства в портативное электронное устройство с использованием резонансной индуктивной связи.
На фиг.9 показана схема портативного электронного устройства, содержащего реактивное сопротивление и схему контроля.
На фиг.10 представлена схема, на которой показаны компоненты устройства беспроводной передачи энергии в портативном электронном устройстве.
На фиг.11 представлена схема, на которой показан адаптивный приемный блок в устройстве беспроводной передачи энергии портативного электронного устройства.
На фиг.12 представлена принципиальная схема, на которой показан примерный набор элементов схемы PLL ASIC, входящей в устройство беспроводной передачи энергии портативного устройства.
На фиг.13 представлена принципиальная схема для иллюстрации примера реализации с адаптивным приемным блоком и измерительной катушкой, сигналы от которых подаются на входы PLL ASIC.
На фиг.14 представлена блок-схема программы, содержащая шаги, связанные с началом беспроводной передачи энергии с помощью резонансной индуктивной связи.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
111
111
0(111)
На фиг.1 показано питающее устройство 100, содержащее источник 110 питания, служащий для беспроводной подачи питания в портативное электронное устройство 200. Источник 110 питания содержит первичную реактивность, например первичный индуктор 111, связанный с электрической схемой 112. Электрическая схема 112 может дополнительно подключаться к источнику питания, например, сетевому источнику 300 электропитания, для подачи электрического тока в электрическую схему 112. Первичный индуктор имеет индуктивность L, добротность Q и резонансную частоту f.
Как должно быть понятно специалисту, протекание электрического тока через первичный индуктор 111 вызывает появление магнитного поля 400 вокруг первичного индуктора 111. Как показано на фиг.1, затухающее магнитное поле 400, созданное вокруг первичного индуктора 111, распространяется за пределами питающего устройства 100, благодаря чему магнитное поле 400 может оказывать воздействие в окружающей среде.
Например, магнитное поле 400 можно использовать для наводки напряжения в приемном блоке, содержащем вторичную реактивность, например вторичный индуктор в электрическом устройстве. На этом принципе основана беспроводная безызлучательная передача энергии с использованием обычной индуктивной связи ближнего действия. Однако эффективность беспроводной передачи энергии посредством такой обычной индуктивной связи ближнего действия ограничена расстояниями того же порядка, что и физические размеры индукторов, задействованных в процессе передачи энергии.
Как подробно описывается ниже, портативное электронное устройство 200 приспособлено для приема энергии беспроводным способом с помощью индуктивной связи альтернативного типа. Этот альтернативный тип индуктивной связи далее будет называться резонансной индуктивной связью.
0
0
С помощью резонансной индуктивной связи можно использовать безызлучательный способ передачи энергии для эффективной передачи энергии на более дальние расстояния по сравнению с расстояниями, которые доступны для передачи с помощью обычной индуктивной связи. Это означает, что благодаря использованию резонансной индуктивной связи при передаче энергии обеспечивается больший уровень свободы и гибкости по сравнению с обычной индуктивной связью. Как более подробно описывается ниже, резонансная индуктивная связь основана на индуктивной связи между источником питания и приемным блоком, содержащими индукторы, которые жестко настраиваются на одинаковую частоту. Индуктор приемного блока может настраиваться таким образом, чтобы входить в резонанс на частоте индуктора источника питания. Например, резонансная частота f источника питания и резонансная частота f приемного блока могут совпадать.
0
0(111)
0
Более точно, если резонансная частота f, связанная с первичной реактивностью, например резонансная частота f, связанная с индуктором 111 в питающем устройстве 100, может совпадать с резонансной частотой f, связанной со вторичной реактивностью, например приемного блока, содержащего вторичный индуктор в портативном электронном устройстве 200, то эффективная беспроводная безызлучательная передача энергии между первичной и вторичной реактивностями может осуществляться на более дальние расстояния, чем это возможно при обычной индуктивной связи при условии, если вторичная реактивность размещается в магнитном поле, образованном вокруг первичной реактивности.
Например, беспроводная передача энергии с эффективностью, составляющей десятки процентов, может осуществляться с помощью резонансной индуктивной связи на расстояния, которые по меньшей мере на один порядок больше физических размеров индукторов, применяемых для передачи.
Ниже приведен общий пример беспроводной безызлучательной передачи энергии между двумя индукторами с помощью резонансной индуктивной связи.
1
1
1
2
2
2
1
1
2
На фиг.2 показаны первичный и вторичный резонансные RLC-контуры 500, 600, Первичный RLC-контур 500 содержит первый индуктор 510 (L), первый конденсатор 520 (C) и первый резистор 530 (R). Вторичный RLC-контур 600 содержит второй индуктор 610 (L), второй конденсатор (С) 620 и второй резистор 630 (R). В данном примере L=L2 и C=С.
0
Первичный RLC-контур 500 подключается к источнику питания, содержащему источник 540 тока, переменного во времени (isupply(t)). Зависимость от времени тока источника 540 заключается в том, что ток может принимать синусоидальную форму, настраиваемую на резонансную частоту f как первого, так и второго RLC-контуров 500, 600, то есть:
Второй RLC-контур 600 подключается к нагрузке, показанной на фиг.2 как источник 640 постоянного тока (iload). Величина тока, исходящего из источника 640 постоянного тока, равна нулю, если энергия не передается между первым и вторым резонансными RLC-контурами 500, 600.
Значения добротности (Q), связанные с первым и вторым резонансными контурами 500, 600, определяются первым и вторым резисторами 530, 630. Как более подробно объясняется ниже, значения добротности (Q) резонансных контуров 500, 600 пропорциональны эффективности передачи энергии между контурами 500, 600.
В этом общем примере индукторы 510, 610 находятся друг от друга на расстоянии, которое примерно на один порядок больше, чем собственные физические размеры индукторов 510, 610. На этом расстоянии коэффициент К связи между индукторами 510, 610 невелик, например 0,001 или менее, а это означает, что любые попытки передачи энергии между резонансными контурами 500, 600 путем обычной индуктивной связи были бы чрезвычайно неэффективны. Значение коэффициента К связи может быть рассчитано по следующей формуле:
где М - взаимная индуктивность между резонансными контурами 500, 600. Значение коэффициента К связи изменяется в диапазоне от нуля (минимальное значение) до единицы (максимальное значение).
0
На фиг.3 показана эквивалентная схема для первого и второго резонансных RLC-контуров 500, 600. Если частота источника 540 зависящего от времени тока не совпадает с резонансной частотой f второго резонансного RLC-контура 600, то второй резонансный контур шунтируется вследствие ничтожно малой индуктивности LK. Таким образом, в нагрузку передается малая величина энергии либо энергия вообще не передается в нагрузку. Однако, если соблюдаются условия для резонансной индуктивной связи, эта ситуация изменяется на прямо противоположную, как это объясняется ниже.
0
0
В одном из примеров передачи энергии посредством резонансной индуктивной связи резонансные частоты f резонансных контуров 500, 600 совпадают, и значения добротности (Q) (определяемые резисторами 530, 630) резонансных контуров 500, 600 очень велики, например сто или более или тысяча или более. Если ток подается источником 540 тока на резонансной частоте f, вычисляемой по формуле
ток в первом индукторе 510 создает затухающее магнитное поле в ближайшей области вокруг индуктора 510. Это магнитное поле воспринимается вторым индуктором 610 и наводит ток. Таким образом, ток в первом индукторе 510 перенаправляется через второй индуктор 610. В этих условиях индуктивность LK в эквивалентной схеме, показанной на фиг.3, настраивается вторичным резонансным контуром. Вследствие этого эквивалентная схема, показанная на фиг.3, может быть упрощена и представлена в виде единого электрического резонансного контура, как показано на фиг.4. Нет ограничений на количество схем вторичных резонансных контуров, которые таким способом могут получать ток из первичного резонансного контура.
Полные сопротивления отдельных элементов эквивалентной схемы, показанной на фиг.3, приведены на фиг.5. Таким образом, импеданс Z упрощенной схемы может быть вычислен по следующей формуле:
secondary
Если значение добротности (Q) вторичного резонансного контура 600 велико, то величина Z может быть рассчитана следующим образом:
, так как выполнены условия для резонансной индуктивной связи
Вторичный резонансный контур может, следовательно, настраиваться для того, чтобы принимать энергию с помощью резонансной индуктивной связи из любого первичного резонансного контура.
0
На фиг.6 показана общая взаимосвязь между эффективностью η беспроводной передачи энергии через индуктивную связь между первичной и вторичной реактивностями, находящимися на расстоянии, на один порядок большем физических размеров этих реактивностей. Значения эффективности η беспроводной передачи энергии отложены по вертикальной оси с использованием логарифмической шкалы, а разности резонансных частот f реактивностей отложены по горизонтальной оси. Эта взаимосвязь применима, например, к показанной на фиг.7 беспроводной безызлучательной передаче энергии между первичным индуктором 111 питающего устройства 100 и вторичным индуктором 211 портативного устройства.
0
0
0
0
Как видно на чертеже, эффективность η беспроводной безызлучательной передачи энергии между реактивностями максимальна в том случае, если совпадают резонансные частоты f, связанные с этими реактивностями. Кроме того, эффективность η беспроводной передачи энергии между реактивностями значительно уменьшается при увеличении разности между резонансными частотами f, связанными с этими реактивностями. Соответственно, как обсуждалось выше, для передачи энергии с максимально возможной эффективностью предпочтительно, чтобы резонансные частоты f реактивностей были бы как можно ближе друг к другу. В идеальном случае резонансные частоты f должны быть идентичны.
Оптимальный режим для эффективной передачи энергии посредством резонансной индуктивной связи может быть достигнут, если выполняется следующее условие:
Здесь Г обозначает ширину резонансной кривой для первой и второй реактивности, определяемую внутренними потерями. Ширина резонансной кривой обратно пропорциональна добротности Q, которая является мерой остроты резонансной кривой.
111
211
0(111)
0(211)
2
Кроме того, как обсуждалось ранее, эффективность передачи энергии между первичной и вторичной реактивностями пропорциональна значениям добротности (Q), связанным с реактивностями, и для высокой эффективности передачи энергии значения добротности (Q) должны быть велики. Например, в случае первичного и вторичного индукторов 111, 211, обсуждавшихся выше в связи с передачей энергии от питающего устройства 100 в портативное устройство 200, эффективная передача энергии может осуществляться при значениях Q, Q добротности порядка 100 или более. Кроме того, относительная разность между резонансными частотами f, t индукторов 111, 211 должна быть меньше, чем обратная величина связанных с ними значений добротности (Q). При относительных разностях, превышающих обратную величину значений добротности (Q), эффективность передачи энергии уменьшается на 1/Q.
0
На фиг.7 и 8 проиллюстрировано различие между обычной индуктивной связью и резонансной индуктивной связью в том случае, если расстояние между реактивностями, например первичным и вторичным индукторами 111, 211, на один порядок больше физических размеров реактивностей. На фиг.7 показано, что при обычной индуктивной связи, то есть в том случае, если разность между резонансными частотами, связанными с индукторами 111, 211, находится вне обсуждавшихся выше пределов, только ничтожно малый объем энергии магнитного поля 400 передается из первичного индуктора 111 во вторичный индуктор 211 портативного устройства 200. В противоположность этому на фиг.8 показано, что если резонансные частоты f, связанные с индукторами 111, 211, совпадают, то энергия может передаваться посредством резонансной индуктивной связи из первичного индуктора 111 питающего устройства 100 во вторичный индуктор 211 портативного устройства 200 через магнитное поле 400.
0
Для простоты изложения в вышеприведенном примере обсуждалась передача энергии из первичного индуктора 111 в один вторичный индуктор 211. Однако в альтернативном варианте энергия может передаваться из первичного индуктора 111 во множество вторичных индукторов 211, каждый из которых связан с одинаковой резонансной частотой f, что потенциально позволяет множеству портативных устройств 200 беспроводным способом принимать энергию от одного питающего устройства 100.
Таким образом, питающее устройство 100 способно подавать энергию портативным электронным устройствам 200 на расстояния средней дальности, например на несколько метров, в местах, в которых неудобно устанавливать розетки сети электропитания. Например, таким же образом как беспроводные сети LAN, устанавливаемые в кафе и ресторанах, в общественных местах может быть установлена сеть 700 питающих устройств 100, служащая для обеспечения питания портативных электронных устройств 200 посетителей. Таким общественным местом может быть, например, кафе, ресторан, бар, торговый центр или библиотека. В альтернативном варианте питающие устройства могут устанавливаться в пределах частных объектов, например, внутри личных автомобилей или домов.
0
0
Для максимального увеличения потенциала такой сети 700 питающих устройств 100 предпочтительно, чтобы питающие устройства 100 обладали емкостью, позволяющей подавать энергию в максимально возможное количество портативных устройств 200. Один из способов, с помощью которого этого можно достичь, заключается в проведении этапа стандартизации свойств реактивностей, например первичного и вторичного индукторов 111, 211, используемых в питающих устройствах 100 и портативных электронных устройствах 200. В частности, было бы предпочтительно обеспечить одинаковую резонансную частоту f, связанную с первичной реактивностью в каждом питающем устройстве 100 сети 700. Это бы позволило производителям портативных устройств-200 и других электрических устройств оборудовать свои устройства вторичными реактивностями, связанными с одинаковой стандартизованной резонансной частотой f.
0
0
0
0
Однако специалист должен принимать во внимание, что вследствие наличия производственных допусков может быть трудно добиться массового изготовления индукторов с такой степенью точности, чтобы все они обладали совершенно одинаковой резонансной частотой f. Это приводит к возникновению разброса значений резонансных частот f как в питающих устройствах 100, так и в портативных устройствах 200. Кроме того, даже если питающие устройства 100 и портативные устройства 200 могли бы изготавливаться с идентичными резонансными частотами f в свободном пространстве, на резонансные частоты f каждого отдельного блока при его использовании будут оказывать влияние другие индукторы, расположенные в зоне действия этого блока. Диапазон, в котором изменяется резонансная частота каждого блока, зависит от количества других индукторов и близости их к данному блоку.
0
Таким образом, даже если будут предприняты попытки стандартизации резонансных частот f питающих и портативных устройств, несоблюдение производственных допусков и условия окружения все же могут вызывать проблемы при передаче энергии посредством резонансной индуктивной связи.
0
0
Одним из способов уменьшения негативного воздействия этой проблемы является оснащение портативных электронных устройств 200 устройством 210 беспроводной передачи энергии, служащим для изменения на стадии эксплуатации резонансной частоты f, связанной со вторичными индукторами 211 портативного устройства, в зависимости от свойств находящегося рядом питающего устройства 100. Это позволяет портативному электронному устройству 200 настраивать резонансную частоту f своих индукторов для согласования с частотой затухающего магнитного поля, образованного вокруг первичного индуктора 111 находящегося рядом питающего устройства 100, и, таким образом, беспроводным способом принимать энергию посредством резонансной индуктивной связи.
Ниже приводится пример реализации портативного электронного устройства 200, приспособленного для беспроводного приема энергии с помощью резонансной индуктивной связи. На фиг.9 показано портативное электронное устройство 200, содержащее устройство 210 беспроводной передачи энергии, в состав которого входит блок питания (PSU, power supply unit) для приема энергии магнитного поля и подачи электрической энергии к электрическим компонентам 240 портативного устройства 200. Как обсуждается ниже, в альтернативном варианте электрическая энергия может подаваться на аккумуляторную химическую батарею 250 портативного электронного устройства 200.
В обсуждаемом ниже примере магнитное поле упоминается в контексте магнитного поля 400, созданного током, протекающим через первичный индуктор 111 питающего устройства 100. Однако специалист должен принять во внимание, что, с другой стороны, магнитное поле может соответствовать магнитному полю, созданному другим питающим устройством или любым иным подходящим источником магнитного поля.
211
211
0(211)
Устройство 210 беспроводной передачи энергии может управляться микроконтроллером 220, интегрированным в устройство 210 беспроводной передачи энергии, и может содержать приемный блок 211а, содержащий по меньшей мере одну реактивность для беспроводного приема энергии, переданной посредством безызлучательной передачи энергии магнитного поля 400 с помощью резонансной индуктивной связи. Более точно, как обсуждалось выше, напряжение может наводиться в приемном блоке 211а магнитным полем 400, образованным вокруг первичного индуктора 111 напряжением переменного тока, прикладываемым к первичному индуктору 111 в источнике 110 питания. Если приемный блок 211а связан с нагрузкой в портативном электронном устройстве, то электрическая энергия передается от источника питания в нагрузку. Как описывается со ссылкой на фиг.10, такая нагрузка может содержать по меньшей мере один источник питания, работающий в режиме переключения. В этом примере приемный блок 211а содержит вторичный индуктор 211. Вторичный индуктор 211 связан с индуктивностью L, добротностью Q и резонансной частотой f.
0(111)
Как более подробно описывается ниже, устройство 210 беспроводной передачи энергии может также содержать схему 230 контроля, выполненную с возможностью обнаружения магнитного поля 400, созданного вокруг первичного индуктора 111 питающего устройства 100. Схема 230 контроля и микроконтроллер 220 могут быть также выполнены с возможностью обнаружения и контроля резонансной частоты f, связанной с первичным индуктором 111, при обнаружении магнитного поля 400.
Характеристики схемы 230 контроля позволяют портативному устройству 200 беспроводным способом принимать энергию на расстояниях средней дальности, например на расстояниях, по меньшей мере на один порядок превышающих физические размеры первичного и вторичного индукторов 111, 211.
(211)
В примере, показанном на фиг.10 в сочетании с фиг.9, приемный блок 211а устройства 210 беспроводной передачи энергии обладает паразитной емкостью С и подключен ко множеству источников 212 питания, работающих в режиме переключения (SMPS, switched-mode power supply), через диодный мост 213 и LC-фильтр 214. Хотя на фиг.10 показано, что приемный блок содержит один вторичный индуктор 211, приемный блок 211а является адаптивным и может быть связан с дополнительными компонентами или содержать дополнительные компоненты для изменения резонансной частоты. Примеры таких компонентов показаны на фиг.11 и 13. LC-фильтр 214 предназначен для обеспечения постоянной реактивной нагрузки к вторичному индуктору 211. Если бы индуктор 211 был нагружен резистивно, то это привело бы к значительному уменьшению значения добротности Q, связанной с индуктором 211, что в свою очередь, как обсуждалось ранее, значительно бы уменьшило эффективность передачи энергии от питающего устройства 100.
Диодный мост 213 и LC-фильтр 214 также защищают индуктор 211 от непосредственного воздействия сильно изменяющейся по времени нагрузки в виде источников 212 питания SMPS, которые сконфигурированы для подачи энергии, принятой посредством резонансной индуктивной связи из магнитного поля 400, в различные цепи портативного электронного устройства 200. Источники 212 SMPS, как показано на фиг.9, могут быть выполнены, например, с возможностью подачи энергии в аккумуляторную химическую батарею 250 портативного электронного устройства 200 для перезарядки.
В альтернативном варианте источники SMPS 212 могут быть выполнены с возможностью подачи питания непосредственно к электрическим компонентам 240 портативного электронного устройство 200, при этом химическая батарея 250 функционирует в качестве резервного источника питания. Например, химическая батарея 250 может быть выполнена с возможностью подачи питания для электрических компонентов 240 портативного электронного устройство 200 только в том случае, если устройство 210 беспроводной передачи энергии не принимает энергию посредством резонансной индуктивной связи. Если питающие устройства 100 станут широко распространенными, то отпадет необходимость устанавливать аккумуляторную батарею 250 в портативное устройство 200.
0(211)
0(211)
На фиг.11 показан пример адаптивного приемного блока 211а. Резонансные характеристики адаптивного приемного блока 211а могут настраиваться для согласования с резонансными характеристиками, связанными с первичным индуктором 111 питающего устройства 100. Адаптивный приемный блок этого типа обеспечивает возможность настраивания в той степени, которая необходима для изменения резонансной частоты f приемного блока 211а в случае, если резонансная частота f не идентична резонансной частоте, связанной с первичным индуктором 111 питающего устройства 100.
N-1
0(211)
0(211)
0(211)
0(211)
В примере, показанном на фиг.11, приемный блок 211а содержит по меньшей мере один вторичный индуктор 211, дополнительно соединенный с массивом конденсаторов 215. Каждый конденсатор 215 может иметь отличную от других конденсаторов емкость. Например, как показано на фиг.11, массив конденсаторов 215 может содержать N конденсаторов с емкостями Со, Со/2,…Со/2. Каждый из конденсаторов 215 может быть опционально присоединен ко вторичному индуктору 211 для воздействия на емкость С211 приемного блока 211а, благодаря чему изменятся резонансная частота f, связанная с индуктором 211. Подключение и отключение конденсаторов 215 от вторичного индуктора 211 обеспечивает механизм, с помощью которого резонансная частота приемного блока 211а может изменяться для согласования с частотой передающего первичного индуктора, и, таким образом, может осуществляться прием энергии посредством резонансной индуктивной связи. Портативное электронное устройство 200 может таким образом согласовать резонансную частоту f, связанную со вторичным индуктором 211, с резонансной частотой f, связанной с первичным индуктором 111 питающего устройства 100. Следует иметь в виду, что резонансная частота f, связанная со вторичным индуктором 211, в альтернативном варианте может изменяться путем изменения индуктивности приемного блока 211 а.
211
В реализации, показанной на фиг.11, массив конденсаторов 215 соединяется с блоком управления 216 микроконтроллера 220 для автоматического управления емкостью C приемного блока 211а в зависимости от сигнала управления, поступающего от схемы 230 контроля. Микроконтроллер 220 может содержать память и средства 217 обработки сигнала, включая, например, микропроцессор 218 для выполнения компьютерной программы, служащей для обнаружения и контроля резонансной частоты, связанной с первичным индуктором 111, через схему 230 контроля и для анализа сигнала управления, поступающего от схемы 230 контроля, с целью изменения резонансной частоты, связанной со вторичным индуктором 211, путем подключения и отключения отдельных конденсаторов 215.
0(211)
0(211)
Таким способом блок 216 управления может адаптировать резонансную частоту f приемного блока 211а так, чтобы она совпадала с резонансной частотой f, связанной с первичным индуктором 111, создавая, таким образом, резонансную индуктивную связь между первичным индуктором 111 и вторичным индуктором 211.
Схема 230 контроля может быть связана с выходом LC-фильтра 214 для обнаружения времени, когда напряжение наводится во вторичном индукторе 211 и, таким образом, для обнаружения времени, когда портативное электронное устройство 200 находится в магнитном поле 400. Например, выход LC-фильтра 214 может быть связан со входом аналого-цифрового преобразователя 231, который может быть интегрирован в схему 230 контроля, для приема напряжения, наведенного во вторичном индукторе 211, и для подачи сигнала, представляющего это напряжение, в микроконтроллер 220, необходимого для расчета резонансной частоты, связанной с первичным индуктором 111. Затем резонансная частота, связанная со вторичным индуктором 211, может изменяться путем изменения резонансной частоты адаптивного приемного блока 211а с целью согласования с вычисленной резонансной частотой первичного индуктора 111.
В альтернативном варианте, как показано на фиг.9, схема 230 контроля может содержать отдельную катушку 232 для подачи сигналов наведенного напряжения в аналого-цифровой преобразователь 231.
0(111)
0(211)
Схема 230 контроля может обнаруживать очень низкие напряжения, наведенные во вторичном индукторе 211, например напряжения порядка микровольт, и может быть выполнена с возможностью обнаружения магнитного поля 400 даже в том случае, если приемный блок 211а находится в ненастроенном состоянии. Таким образом, схема 230 контроля способна обнаруживать присутствие первичного индуктора 111, даже если резонансная частота f, связанная с первичным индуктором 111, не равна резонансной частоте f, установленной для вторичного индуктора 211 в портативном электронном устройстве 200.
0(211)
0(111)
В примере, показанном на фиг.12 и 13, схема 230 контроля входит в состав специализированной интегральной схемы (ASIC, application specific integrated circuit) 3000 для изменения резонансной частоты f адаптивного приемного блока 211а в зависимости от резонансной частоты f источника 110 питания, содержащего первичный индуктор 111. В этом примере приемный блок 211а может содержать по меньшей мере один вторичный индуктор 211, а схема контроля может содержать измерительную катушку 211b. Измерительная катушка 211b может располагаться вне ASIC 3000.
211b
Измерительная катушка 211b может иметь высокое значение импеданса так, чтобы уровень тока в измерительной катушке 211b был ничтожно мал, даже если эта измерительная катушка 211b находится в поле 400, сформированном источником 110 питания. Переменное во времени напряжение u, наведенное в измерительной катушке 211b магнитным полем, образованным вокруг первичного индуктора 111 в источнике 110 питания, может быть описано следующим образом:
n-m
где K представляют собой коэффициенты связи между измерительной катушкой (n) 211b и первичным и вторичным индукторами (m) 111, 211.
211b
111
Преобразование этой формулы позволяет использовать изменяющееся во времени напряжение u, измеренное в измерительной катушке 211b, для вычисления неизвестной фазы сигнала изменяющегося во времени напряжения u в первичном индукторе 111 источника 110 питания следующим образом:
111
111
где фаза сигнала напряжения u' совпадает с фазой сигнала напряжения u в источнике 110 питания.
211
211b
211b-211
111
111
211b-211
Значения индуктивностей L и L вторичного индуктора 211 и измерительной катушки 211b могут быть измерены на стадии изготовления портативного устройства 200. Таким образом, путем измерения коэффициента связи К между вторичным индуктором 211 и измерительной катушкой 211b (например, на стадии изготовления портативного устройства 200) в портативном устройстве 200 может быть вычислена фаза сигнала изменяющегося во времени напряжения u источника 110 питания, несмотря на то, что физическое соединение между портативным устройством 200 и источником 110 питания отсутствует. Как более подробно описано ниже, фаза сигнала напряжения u' затем может использоваться для настройки резонансной частоты приемного блока 211а. Однажды измеренное значение коэффициента связи К между вторичным индуктором 211 и измерительной катушкой 211b может быть сохранено, например, в энергонезависимой памяти портативного устройства 200 и может считываться в процессе использования портативного устройства 200.
111
211
Сигналы напряжений, наводимых во вторичном индукторе 211 и измерительной катушке 211b вследствие взаимодействия с магнитным полем 400, могут подаваться на фазовый компаратор портативного устройства 200, который выполнен с возможностью сравнения фазы сигнала напряжения u', которая эквивалентна фазе сигнала напряжения источника 110 питания, с фазой сигнала напряжения u вторичного индуктора 211. Разность фаз сигналов этих напряжений может использоваться для настройки резонансной частоты приемного блока 211 а в зависимости от резонансной частоты, связанной с первичным индуктором 111 источника 110 питания. Этот процесс более подробно описывается ниже.
0(211)
На фиг.12 и 13 показано, что портативное устройство 200 может содержать фазовый компаратор, являющийся частью схемы 2000 фазовой автоподстройки частоты (PLL, phase locked loop). Схема 2000 PLL может входить в состав схемы 230 контроля. Схема 2000 может быть реализована в специализированной интегральной схеме 3000 и может быть связана с блоком управления 216 для подачи сигнала управления в блок 216 управления с целью изменения резонансной частоты f приемного блока 211а в зависимости от резонансной частоты источника 110 питания. Схема 2000 PLL позволяет настраивать резонансную частоту приемного блока 211а для согласования с резонансной частотой источника 110 питания и изменять резонансную частоту приемного блока в ответ на любые изменения резонансной частоты источника 110 питания. В одном из примеров блок управления 216 реализован в ASIC 3000.
211
211b
211
111
111
111
Как показано на фиг.12, ASIC 3000 содержит пять функциональных блоков: 3100, 3200, 3300, 3400, 3500. Первый блок 3100 содержит первый и второй дифференциальные усилители 3110, 3120, выполненные с возможностью измерения напряжений u, u, наведенных во вторичном индукторе 211 и измерительной катушке 211b соответственно, магнитным полем 400, образованным вокруг первичного индуктора 111. Второй блок 3200 содержит третий и четвертый дифференциальные усилители 3210, 3220, которые подключаются для приема выходных сигналов от первого и второго дифференциальных усилителей 3110, 3120. Третий и четвертый дифференциальные усилители 3210, 3220 выполнены с возможностью вывода переменного во времени напряжения u вторичного индуктора 211 и переменного во времени напряжения u' соответственно. Напряжение u' эквивалентно по фазе напряжению u источника 110 питания.
В третьем блоке 3300 сигналы от третьего и четвертого дифференциальных усилителей 3210, 3220 подаются на первый и второй аналого-цифровые преобразователи (ADC, analogue to digital converter) 3310, 3320, за которыми следуют первый и второй фильтры 3330, 3340 верхних частот, которые удаляют постоянную составляющую из сигнала.
0(211)
0(111)
211
111
Четвертый блок 3400 содержит фазовый компаратор 3410, который в данном примере содержит элемент "исключающее ИЛИ". Входы элемента "исключающее ИЛИ" соединены со старшими разрядами (MSB, most significant bit) сигналов от каждого из фильтров 3330, 3340 верхних частот. При резонансе, когда, например, резонансная частота f приемного блока 211а совпадает с резонансной частотой f источника 110 питания, разность фаз сигналов напряжения u вторичного индуктора 211 и напряжения u источника 110 питания может составлять π/2. Таким образом, при резонансе на выходе элемента 3410 "исключающее ИЛИ" может быть логическая единица в течение половины каждого периода (то есть коэффициент заполнения составляет 50%). Это является пригодным условием равновесия.
0(211)
Пятый блок 3500 содержит фильтр 3510 нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового компаратора 3410. С выхода фильтра 3510 нижних частот сигнал управления подается в блок 216 управления для управления значением емкости приемного блока 211а и изменения, таким образом, резонансной частоты f приемного блока 211а в зависимости от резонансной частоты источника 110 питания.
Для более четкого представления элементов схемы 3000 PLL на фиг.12 показан адаптивный приемный блок, содержащий один индуктор и одну емкость. Однако в структуру адаптивного приемного блока 211а могут входить приемные блоки, изображенные на фиг.11 и 13. Приемный блок может содержать дополнительные компоненты для изменения резонансной частоты. Примеры таких компонентов показаны на фиг.11 и 13. Кроме того, для ясности изложения на фиг.11-13 связи между приемными блоками 211а и источниками 212 питания, работающими в режиме переключения, не показаны. Однако следует иметь в виду, что приемные блоки 211 а, показанные на фиг.11-13, могут быть связаны с одним или более источниками 212 питания, работающими в режиме переключения, для подачи питания к электрическим компонентам портативного электронного устройства, как это показано, например, на фиг.10.
Согласно одному из примеров в процессе изготовления портативного устройства 200 входной импеданс второго блока 3200 настраивается таким образом, чтобы выходной сигнал дифференциальных усилителей 3210, 3220 второго блока 3200 был ничтожно мал в отсутствие поля 400, образованного источником 110 питания. Например, этого можно достичь с помощью компонента 3230 с переменным импедансом, как показано на фиг.12, и установки значения переменного импеданса компонента 3230 таким образом, чтобы обеспечить ничтожно малый выходной сигнал дифференциального усилителя 3210 в отсутствие поля 400. Значение переменного импеданса компонента 3230 может быть установлено в процессе изготовления или испытания портативного устройства 200 с использованием, например, пропускания тока. Оптимальное значение входного импеданса для компонента 3230 с переменным импедансом может быть сохранено в энергонезависимой памяти для дальнейшего использования.
'
111
211
Ввод компонента с переменным импедансом устраняет ту часть разности фаз сигналов u  и u, которая обусловлена следующим коэффициентом:
где
и, таким образом, уменьшает вероятность перехода PLL в состояние ложного равновесия.
Эта часть разности фаз, возникающая вследствие указанного коэффициента (описываемая ниже как "ложная" часть разности фаз), является переменной из-за производственных допусков и т.д. компонентов соответствующих схем. Устранение этой "ложной" части разности фаз предотвращает нарушение синхронизации PLL и, таким образом, препятствует переходу PLL в состояние ложного равновесия.
Изображенный на фиг.13 приемный блок 211а может содержать пару вторичных индукторов 211, связанных с конденсатором 4000 с фиксированным значением, и два варактора 5000, 6000. В альтернативном варианте пара вторичных индукторов 211 может быть заменена одним индуктором 211 с двумя симметричными частями и центральным отводом, расположенным между этими частями. Первый и второй варакторы 5000, 6000 связаны для приема сигнала управления от схемы 2000 PLL (например, через блок 216 управления), и сконфигурированы так, чтобы емкость варакторов 5000, 6000 изменялась в ответ на выходной сигнал схемы 2000 PLL. Использование варакторов 5000, 6000 обеспечивает средства создания непрерывного диапазона потенциальных значений емкости для приемного блока 211а и, таким образом, средства изменения резонансной частоты приемного блока 211а в зависимости от резонансной частоты источника 110 питания. Кроме того, использование варакторов 5000, 6000 является недорогим и компактным средством для изменения емкости приемного блока 211а. Как показано на фиг.13, такая реализация приемного блока 211а симметрична относительно земли или опорного потенциала.
0
0
Как показано на фиг.14, устройство 210 беспроводной передачи энергии может содержать память 219 для хранения значений частот, соответствующих резонансным частотам f в разных окружениях, для того чтобы резонансная частота, связанная со вторичным индуктором 211, могла автоматически быть подстроена при вхождении портативного электронного устройства 200 в определенное окружение. Например, такая автоматическая подстройка может быть вызвана сигналом управления, принятым по воздушной линии портативным устройством 200, указывающим на то, что портативное устройство 200 вошло в известное окружение. Память 219 также может применяться для хранения настроечных значений для различных состояний жизненного цикла устройства. Память 219 может быть выполнена в виде энергонезависимой памяти, чтобы при выключении устройства 200 не были потеряны различные значения резонансной частоты f, хранимые в памяти 219.
Шаги, связанные с началом беспроводной передачи энергии между источником 110 питания, содержащим, например, первичный индуктор 111, и портативным электронным устройством 200 способом, описанным выше, показаны на фиг.14.
Как описано выше, на первом шаге S1, согласно фиг.14, выполняется обнаружение наличия источника 110 питания путем обнаружения связанного с ним магнитного поля 400 на основе наведенного напряжения в схеме 230 контроля. Источник 110 питания может содержать первичный индуктор 111 в питающем устройстве 100. На втором шаге S2 вычисляется и контролируется резонансная частота источника 110 питания, а на третьем шаге S3 - резонансная частота приемного блока 211а, содержащего вторичный индуктор 211, изменяется в зависимости от резонансной частоты источника 110 питания. Для того чтобы начать беспроводную передачу энергии с наиболее высокой эффективностью, на третьем шаге S3 осуществляется согласование резонансной частоты приемного блока 211а с резонансной частотой источника 110 питания. По окончании этих шагов на четвертом шаге S4 выполняется беспроводной прием энергии от источника 110 питания в приемном блоке 211а с помощью резонансной индуктивной связи, а на пятом шаге S5 питание подается в один или более компонентов 240 портативного устройства 200.
Если беспроводная передача энергии между источником 110 питания и портативным устройством 200 прекращается, например, потому что портативное устройство 200 выходит за пределы доступной области, то, как описано выше, химическая батарея 250 может быть выполнена с возможностью на шаге S6 подачи электрической энергии в компоненты 240 портативного устройства 200. Как показано на фиг.14, на шаге S7 подача электрической энергии от батареи 250 прерывается, когда повторно начинается беспроводная передача энергии путем резонансной индуктивной связи.
В приведенном выше примере обсуждалось использование адаптивного приемного блока 211а для изменения резонансной частоты, связанной со вторичным индуктором 211 портативного электронного устройства 200, таким образом, чтобы согласовать резонансную частоту, связанную со вторичным индуктором 211, с обнаруженной резонансной частотой, связанной с первичным индуктором 111 питающего устройства 100. Однако следует иметь в виду, что адаптивный блок в альтернативном варианте может применяться в питающем устройстве 100 для согласования резонансной частоты, связанной с первичным индуктором питающего устройства 100, с резонансной частотой вторичного индуктора портативного электронного устройства.
Например, портативное электронное устройство 200 может быть выполнено с возможностью подачи сигнала управления в питающее устройство 100 для предоставления питающему устройству 100 информации о резонансных характеристиках вторичного индуктора портативного электронного устройства. Питающее устройство 100 затем сможет согласовать резонансную частоту, связанную со своим первичным индуктором, с резонансной частотой, связанной со вторичным индуктором портативного устройства 200, и, таким образом, начать беспроводную передачу энергии с помощью резонансной индуктивной связи.
В другом альтернативном варианте источник питания питающего устройства может содержать первичный индуктор, управляемый усилителем, а микроконтроллер портативного электронного устройства может быть выполнен с возможностью согласования резонансной частоты адаптивного приемного блока с обнаруженной частотой магнитного поля, связанного с источником питания.
В обсуждавшихся выше примерах портативное устройство 200 выполнено в виде мобильного телефона или PDA. Однако следует иметь в виду, что в альтернативном варианте портативное устройство может содержать любое количество других устройств, например переносной компьютер или цифровой музыкальный проигрыватель. Также следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничено подачей питания к портативным электронным устройствам, но может также использоваться для питания широкого многообразия других электрических устройств. Например, сеть питающих устройств может быть установлена в доме для питания электрических ламп и других бытовых приборов. Описанные выше варианты осуществления настоящего изобретения и альтернативные варианты могут использоваться либо по отдельности, либо в комбинации друг с другом для достижения результатов, обеспечиваемых настоящим изобретением.