БЕСПРОВОДНАЯ ИНДУКТИВНАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ
WIRELESS INDUCTIVE POWER TRANSMISSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к индуктивной передаче мощности и, в частности, но не исключительно, к передатчику мощности, обеспечивающему индуктивную передачу мощности с использованием элементов, совместимых со спецификациями Qi.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Число и разнообразие используемых портативных и мобильных устройств в использовании чрезвычайно расширилось в последнее десятилетие. Например, использование мобильных телефонов, планшетов, медиа-плееров и т.д. стало повсеместным. Такие устройства, как правило, получают питание от внутренних батарей, и типичный сценарий использования часто требует подзарядки батарей или прямого проводного питания устройства от внешнего источника питания.
Большинство современных систем требуют проводки и/или явных электрических контактов для питания от внешнего источника питания. Однако это, как правило, непрактично и требует от пользователя необходимости физически вставлять разъемы или иным образом устанавливать физический электрический контакт. Это также имеет тенденцию быть неудобным для пользователя ввиду использования длинного провода. Как правило, требования к мощности также существенно различаются, и в настоящее время большинство устройств снабжены собственным специализированным источником питания, в результате чего обычному пользователю требуется большое количество различных источников питания, каждый из которых предназначен для конкретного устройства. Хотя использование внутренних батарей может исключить потребность в проводном соединении с источником питания во время использования, это обеспечивает только частичное решение, так как батареям требуется подзарядка (или замена, которая является дорогостоящей). Использование батарей также может существенно увеличить вес и потенциально стоимость и габариты устройств.
Для того чтобы обеспечить значительное улучшение пользовательского опыта, было предложено использовать беспроводный источник питания, в котором энергия (питающая мощность) индуктивным способом передается от катушки передатчика в устройстве передатчика мощности к катушке приемника в отдельных устройствах.
Передача энергии через магнитную индукцию является хорошо известной концепцией, в основном применяемой в трансформаторах, имеющих жесткую связь между первичной катушкой передатчика и вторичной катушкой приемника. Путем разделения первичной катушки передатчика и вторичной катушки приемника между двумя устройствами, становится возможной беспроводная передача мощности между ними на основании принципа слабосвязанного трансформатора.
Такая конфигурация позволяет осуществлять беспроводную передачу мощности к устройству, не требуя создания каких-либо проводов или физических электрических соединений. В самом деле, можно просто поместить устройство рядом или поверх катушки передатчика, чтобы подзарядить или получить внешнее питание. Например, устройства передатчиков мощности могут быть выполнены с горизонтальной поверхностью, на которой устройство может просто размещаться, чтобы получать питание.
Кроме того, такие конфигурации беспроводной передачи мощности предпочтительно могут быть сконструированы таким образом, что устройство передатчика мощности может быть использовано с некоторым классом устройств приемников мощности. В частности, был определен стандарт беспроводной передачи мощности, известный как стандарт Qi, который продолжает развиваться в настоящее время. Этот стандарт позволяет использовать устройства передатчиков мощности, которые соответствуют стандарту Qi, с устройствами приемников мощности, которые также соответствуют стандарту Qi, не требуя того, чтобы они поставлялись одним производителем, или того, чтобы они были специализированными друг для друга. Стандарт Qi дополнительно включает в себя некоторые функциональные возможности для обеспечения адаптации операции к конкретному устройству приемника мощности (например, в зависимости от конкретной потребляемой мощности).
Стандарт Qi разработан Консорциумом беспроводного питания, и дополнительная информация может быть найдена, например, на веб-сайте: http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html, где, в частности, можно найти определенные документы стандарта.
Стандарт Qi беспроводного питания описывает, что передатчик мощности должен быть в состоянии предоставлять гарантированную питающую мощность приемнику мощности. Конкретный необходимый уровень мощности зависит от конструкции приемника мощности. Для того чтобы специфицировать гарантированную мощность, определен набор тестовых приемников мощности и состояний нагрузки, которые описывают гарантированный уровень мощности для каждого из состояний.
Многие системы беспроводной передачи мощности, такие как Qi, поддерживают связь от приемника мощности к передатчику мощности, тем самым позволяя приемнику мощности предоставлять информацию, которая может позволить передатчику мощности адаптироваться к конкретному приемнику мощности.
Во многих системах, такая связь выполняется посредством нагрузочной модуляции (модуляции нагрузкой) сигнала передачи мощности. Более конкретно, связь реализуется приемником мощности, выполняющим нагрузочную модуляцию, при которой нагрузка, приложенная к вторичной катушке приемника приемником мощности, изменяется для обеспечения модуляции сигнала мощности. Результирующие изменения в электрических характеристиках (например, изменения в потреблении тока) могут обнаруживаться и декодироваться (демодулироваться) передатчиком мощности.
Таким образом, на физическом уровне, канал связи от приемника мощности к передатчику мощности использует сигнал мощности в качестве носителя данных. Приемник мощности модулирует нагрузку, что обнаруживается по изменению в амплитуде и/или фазе тока или напряжения катушки передатчика.
Более подробную информацию о применении нагрузочной модуляции в Qi можно найти, например, в главе 6 части 1 спецификации Qi беспроводного питания (версия 1.0).
Для нагрузочной модуляции, сигнал передачи мощности, генерируемый от индуктора (катушки индуктивности) передатчика, соответственно используется в качестве несущего сигнала для нагрузочной модуляции, вводимой изменениями нагрузки сигнала передачи мощности в приемнике мощности. Для того чтобы обеспечить улучшенную производительность передачи мощности, разумеется, необходимо, чтобы надежность связи была как можно выше, и, в частности, частота ошибок в битах или сообщении была сведена к минимуму. Однако эффективность нагрузочной модуляции зависит от множества различных рабочих характеристик и параметров, в том числе, например, частоты сигнала передачи мощности, конкретных значений нагрузки для различных нагрузок нагрузочной модуляции и т.д.
Соответственно, часто может быть затруднительным достичь оптимальной производительности связи в системе передачи мощности, использующей нагрузочную модуляцию. Этот аспект особенно критичен, поскольку производительность часто является компромиссом между производительностью связи и другими рабочими характеристиками и производительностью. Например, часто существует противоречие между стремлением к оптимальной производительности передачи мощности и оптимальной производительности связи. Такие вопросы часто особенно критичны для пониженных значений связи между индукторами приемника мощности и передатчика мощности и, таким образом, особенно критичны для применений, в которых расстояние между ними может быть увеличено.
Соответственно, был бы полезным усовершенствованный подход к передаче мощности. В частности, был бы полезен подход, который позволяет улучшить работу, улучшить передачу мощности, повысить гибкость, облегчить реализацию, облегчить работу, улучшить связь, снизить ошибки связи, усовершенствовать управление мощностью и/или повысить производительность. Особенно, во многих сценариях, было бы полезным улучшить связь при сниженных коэффициентах связи, таких, например, как это имеет место для увеличенных расстояний между катушками приемника мощности и передатчика мощности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, изобретение направлено на то, чтобы предпочтительно смягчить, уменьшить или устранить один или более из указанных выше недостатков, по отдельности или в любой комбинации.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложен передатчик мощности для беспроводного предоставления мощности приемнику мощности с использованием индуктивного сигнала мощности, причем передатчик мощности содержит: переменный резонансный контур для генерации индуктивного сигнала мощности в ответ на сигнал возбуждения, причем переменный резонансный контур имеет резонансную частоту, являющуюся переменной резонансной частотой; возбудитель для генерации сигнала возбуждения для переменного резонансного контура, сигнал возбуждения имеет рабочую частоту; приемник нагрузочной модуляции для демодуляции нагрузочной модуляции индуктивного сигнала мощности приемником мощности и для генерации меры качества демодуляции; и адаптер для адаптации рабочей частоты и резонансной частоты для осуществления их сходимости (конвергенции), причем адаптация рабочей частоты и резонансной частоты дополнительно осуществляется в ответ на меру качества демодуляции; при этом мера качества демодуляции содержит меру глубины модуляции, отражающую меру разности для измерений по меньшей мере одного из тока и напряжения переменного резонансного контура для различных модулирующих нагрузок индуктивной передачи мощности.
Настоящее изобретение может обеспечивать улучшенную производительность во многих системах беспроводной передачи мощности и может, в частности, обеспечивать улучшенную связь посредством нагрузочной модуляции. Во многих вариантах осуществления, улучшенная передача мощности и особенно повышенная эффективность передачи мощности может достигаться при обеспечении надежной связи на основе нагрузочной модуляции сигнала мощности.
Изобретатели, в частности, выявили, что интермодуляционное искажение может ухудшить связь на основе нагрузочной модуляции, но может быть эффективно уменьшено путем управления и связывания резонансной частоты передатчика мощности и рабочей частоты сигнала возбуждения. Они также обнаружили, что это может, однако, в некоторых сценариях ухудшить другие параметры связи, такие как глубина модуляции. Изобретатели также установили, что это может быть смягчено путем адаптации рабочей частоты и первичной резонансной частоты, которая нацелена на сходимость частот и учитывает меру качества демодуляции.
Изобретение может, например, обеспечивать сниженное интермодуляционное искажение, обеспечивая при этом то, что любое ухудшение других характеристик связи поддерживается в допустимых пределах.
Адаптер может обеспечивать сходимость рабочей частоты и резонансной частоты к целевой частоте или частоте установившегося состояния, которая одинакова для рабочей частоты и резонансной частоты. В некоторых вариантах осуществления, адаптация для обеспечения сходимости рабочей частоты и резонансной частоты может содержать или состоять в поддержании (например, требуемой минимальной) сходимости рабочей частоты и резонансной частоты. В некоторых вариантах осуществления, адаптация для обеспечения сходимости рабочей частоты и резонансной частоты может содержать или состоять в управлении рабочей частотой и первичной резонансной частотой, чтобы сделать их по существу одинаковыми. В некоторых вариантах осуществления, адаптация для обеспечения сходимости рабочей частоты и резонансной частоты может содержать или состоять в управлении рабочей частотой и первичной резонансной частотой, чтобы они имели разность меньше, чем порог. Порог может быть существенно меньше, чем обратная величина временного периода символа данных (обычно бита), например, как правило, не выше, чем в десять раз меньше обратной величины временного периода символа данных (обычно бита). Во многих вариантах осуществления, порог может быть меньше, чем 500 Гц, 200 Гц, 100 Гц, 50 Гц или 10 Гц.
В некоторых вариантах осуществления, адаптер может быть выполнен с возможностью обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты путем поддержания фиксированного соотношения между ними. Соотношение может конкретно быть равенством, то есть адаптер может поддерживать ту же самую частоту для рабочей частоты и первичной резонансной частоты. В некоторых вариантах осуществления, рабочая частота и первичная резонансная частота могут управляться одним общим сигналом. Таким образом, фиксированное соотношение и, следовательно, сходимость могут достигаться путем управления рабочей частотой и первичной резонансной частотой на основе одного и того же общего сигнала.
В некоторых вариантах осуществления, адаптер может быть выполнен с возможностью обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты путем смещения их навстречу друг другу.
Сигнал мощности может не быть основным сигналом передачи мощности для обеспечения передачи высокой питающей мощности к приемнику мощности. В некоторых сценариях, он может, главным образом, использоваться в качестве несущей связи для нагрузочной модуляции и может, например, только обеспечивать мощность для элементов самого приемника мощности или даже только для нагрузки, используемой для нагрузочной модуляции.
Приемник мощности может подавать мощность на внешнюю нагрузку, например, для зарядки аккумулятора или питания устройства.
Адаптация рабочей частоты и резонансной частоты может осуществляться в ответ на меру качества демодуляции в том смысле, что адаптация основана на/принимает во внимание/зависит от/основана на/отражает и/или является функцией меры качества демодуляции. Адаптация может выполняться в ответ на меру качества демодуляции в том смысле, что рабочая частота и резонансная частота отражают/зависят от/определяются как функция меры качества демодуляции.
Приемник нагрузочной модуляции может быть выполнен с возможностью генерации меры качества демодуляции при передаче мощности к приемнику мощности. В частности, приемник нагрузочной модуляции может быть выполнен с возможностью генерации меры качества демодуляции в течение фазы передачи мощности (в которой мощность передается на приемник мощности посредством индуктивного сигнала мощности). Во многих вариантах осуществления, значение меры качества демодуляции может генерироваться с частотой повторения не менее 0,2 Гц, 0,5 Гц, 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц или, возможно, даже выше. В некоторых вариантах осуществления, значение меры качества демодуляции может генерироваться, по существу, непрерывно в течение фазы передачи мощности.
Аналогичным образом, адаптер может быть выполнен с возможностью адаптации рабочей частоты и резонансной частоты в течение передачи мощности к приемнику мощности. В частности, адаптер может быть выполнен с возможностью адаптации рабочей частоты и резонансной частоты в течение фазы передачи мощности (в которой мощность передается к приемнику мощности посредством индуктивного сигнала мощности). Во многих вариантах осуществления, рабочая частота и резонансная частота могут адаптироваться с частотой обновления не менее 0,2 Гц, 0,5 Гц, 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц или, возможно, даже выше. В некоторых вариантах осуществления, адаптация рабочей частоты и резонансной частоты может быть по существу непрерывной в течение фазы передачи мощности.
Во многих вариантах осуществления, мера качества демодуляции может отражать надежность демодуляции и/или вероятность ошибки данных, принимаемых приемником нагрузочной модуляции при демодуляции нагрузочной модуляции. Мера качества демодуляции может конкретно отражать надежность демодуляции принятых данных, например, частоту ошибок или отношение сигнала к шуму. Приемник нагрузочной модуляции может быть выполнен с возможностью определения меры качества демодуляции на основе оценки меры эффективности демодуляции для происходящей передачи данных, модулированной нагрузкой, принимаемой от приемника мощности.
Мера качества демодуляции содержит меру глубины модуляции, отражающую меру разности для измерений по меньшей мере одного из тока и напряжения переменного резонансного контура для различных модулирующих нагрузок индуктивной передачи мощности.
Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может, в частности, обеспечить эффективную меру для управления значениями рабочей частоты и первичной резонансной частоты.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, мера качества демодуляции содержит частоту ошибок демодуляции данных.
Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может, в частности, обеспечить эффективную меру для управления значениями рабочей частоты и первичной резонансной частоты.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, адаптер выполнен с возможностью изменения рабочей частоты и резонансной частоты в ответ на обнаружение частоты ошибок демодуляции данных, превышающей порог.
Это может обеспечить особенно низкую сложность и эффективное управление. Например, система может обеспечить то, что конвергируемые рабочая частота и первичная резонансная частота управляются в ответ на другие характеристики, если только это не приводит к неприемлемо высокой частоте ошибок, в этом случае рабочая частота и первичная резонансная частота могут быть изменены, чтобы снова обеспечить приемлемую частоту ошибок.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, адаптер дополнительно выполнен с возможностью определения характеристики передачи мощности, являющейся характеристикой  передачи мощности к приемнику мощности, и адаптер выполнен с возможностью адаптации рабочей частоты и резонансной частоты в ответ на характеристику передачи мощности.
Это может обеспечить особенно выгодное функционирование. В частности, управление рабочей частотой и первичной резонансной частотой может осуществляться одновременно, чтобы обеспечить улучшенную передачу мощности и связь. Таким образом, данный подход может обеспечить эффективный и имеющий невысокую сложность метод для управления компромиссом и противоречивыми предпочтениями для оптимизации передачи мощности и оптимизации надежности связи.
Характеристика передачи мощности может, в частности, быть характеристикой индуктивного сигнала мощности, такой как значение, указывающее уровень мощности индуктивного сигнала мощности или эффективность сигнала передачи мощности (отражающая разницу между мощностью индуктивного сигнала мощности и мощностью, извлеченной приемником мощности).
В соответствии с опциональным признаком изобретения, характеристика передачи мощности отражает по меньшей мере одно из уровня мощности для сигнала мощности и меры эффективности передачи мощности.
Это может обеспечить особенно выгодные характеристики и, в частности, может обеспечить выгодный компромисс и взаимосвязь между факторами связи и передачи мощности и функциональностью.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, передатчик мощности содержит контроллер мощности для адаптации рабочего цикла (коэффициента заполнения) сигнала возбуждения в ответ на прием запроса мощности от приемника мощности.
Это может обеспечить эффективное управление мощностью, в то же время обеспечивая большую свободу в обеспечении сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, адаптер выполнен с возможностью адаптации рабочей частоты и резонансной частоты для отклонения от частоты максимальной эффективности передачи мощности.
Это может обеспечить улучшенную производительность. В частности, адаптер может быть выполнен с возможностью адаптации рабочей частоты и первичной резонансной частоты для повышения эффективности питания, но учет меры качества демодуляции может препятствовать его максимизации. В частности, изобретатели установили, что это может привести к снижению надежности связи на основе нагрузочной модуляции.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, адаптер выполнен с возможностью адаптации резонансной частоты и рабочей частоты в ответ на меру интермодуляции, указывающую на интермодуляцию между резонансной частотой и рабочей частотой.
Это может обеспечить выгодные рабочие характеристики и/или упростить реализацию во многих сценариях.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, адаптер выполнен с возможностью осуществления совместной адаптации резонансной частоты и резонансной частоты в ответ на меру качества демодуляция, причем совместная адаптация поддерживает фиксированное соотношение между рабочей частотой и резонансной частотой.
Это может обеспечить улучшенную производительность во многих вариантах осуществления. Совместная адаптация может формировать один выход, который непосредственно переводится в значение частоты как для рабочей частоты, так и первичной резонансной частоты. Фиксированное соотношение может быть равенством, т.е. совместная адаптация может быть такой, что рабочая частота и первичная резонансная частота всегда одинаковы. Таким образом, совместная адаптация выполняется для поддержания рабочей частоты и резонансной частоты, по существу, идентичными.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, передатчик мощности выполнен с возможностью определения меры качества демодуляции в ответ на сравнение измеренной нагрузочной модуляции и ожидаемой нагрузочной модуляции для шаблона опорных данных.
Это может обеспечить более точную меру качества демодуляции и соответственно лучшую производительность во многих вариантах осуществления.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, резонансная схема содержит емкостной импеданс и индуктивный импеданс; передатчик мощности дополнительно содержит схему модификации частоты для управления резонансной частотой путем замедления изменения состояния для по меньшей мере одного из емкостного импеданса и индуктивного импеданса в течение частичного временного интервала по меньшей мере некоторых циклов сигнала возбуждения, схема модификации частоты выполнена с возможностью выравнивания по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания для частичного временного интервала с переходами сигнала тайминга (синхронизации); и возбудитель выполнен с возможностью формирования сигнала тайминга, переходы которого синхронизированы с сигналом возбуждения.
Это может обеспечить улучшенную производительность во многих системах беспроводной передачи мощности. Это может обеспечить облегченную и/или улучшенную адаптацию передатчика мощности, чтобы обеспечить согласование передатчика мощности с различными приемниками мощности. Такой подход может позволить передатчикам мощности адаптироваться к приемникам мощности, тем самым, например, позволяя использовать передатчики мощности с различными приемниками мощности.
Данный подход может, в частности, обеспечить высокоэффективный способ поддержания сходимости между рабочей частотой и первичной резонансной частотой и, таким образом, может привести к снижению интермодуляции и улучшению связи.
Замедление изменения состояния может быть замедлением относительно резонансного контура, включающего в себя только емкостной импеданс и индуктивный импеданс. Емкостной импеданс и индуктивный импеданс обычно могут быть связаны в конфигурации последовательного или параллельного резонанса. Состояние может быть, в частности, состоянием энергии и, в частности, может быть напряжением на емкостном импедансе и/или током через индуктивный импеданс.
Частичный временной интервал имеет длительность, которая меньше, чем временной период сигнала возбуждения, и, как правило, длительность, которая меньше, чем половина временного периода сигнала возбуждения. Время начала и время окончания типично могут быть моментами времени относительно момента времени/события каждого цикла (в котором присутствует частичный временной интервал). Например, время начала и время окончания могут рассматриваться относительно пересечения нуля сигнала возбуждения.
Емкостной импеданс обычно может быть конденсатором, а индуктивный импеданс обычно может быть индуктором. Однако, в некоторых вариантах осуществления, емкостной импеданс и/или индуктивный импеданс могут, например, также включать в себя резистивный компонент (реальные компоненты будут, как правило, иметь резистивный компонент, соответствующий потерям и т.д.).
Резонансная частота обычно может уменьшаться с увеличением длительности частичного временного интервала. Схема модификации частоты может уменьшить собственную резонансную частоту емкостного импеданса и индуктивного импеданса (соответствующую частоте, при которой они будут осциллировать в резонансном контуре, состоящем только из емкостного импеданса и индуктивного импеданса). Эффективная резонансная частота во многих вариантах осуществления может быть изменена передатчиком мощности, увеличивающим длительность частичного временного интервала, например, путем изменения времени начала и/или времени окончания для частичного временного интервала.
В некоторых вариантах осуществления, передатчик мощности может быть выполнен с возможностью уменьшения резонансной частоты путем увеличения длительности частичного временного интервала.
Сигнал тайминга может, в дополнение к переходам, с которыми выровнен тайминг частичного временного интервала, содержать другие переходы. Такие другие переходы могут во многих сценариях игнорироваться схемой модификации частоты (например, схема модификации частоты может осуществлять выравнивание только с переходами положительного перепада (фронта) и игнорировать переходы отрицательного перепада или наоборот). Переходы сигнала тайминга могут представлять собой любое изменение значения или свойства сигнала тайминга, которое может быть обнаружено и для которого может определяться тайминг. Во многих вариантах осуществления сигнал тайминга может быть выполнен с возможностью перехода между двумя значениями, и переходы могут быть переходами между этими двумя значениями, или, например, могут быть только переходами в одном направлении.
Сигнал мощности может не быть основным сигналом передачи мощности для обеспечения передачи высокой мощности к приемнику мощности. В некоторых случаях он, главным образом, может быть использован в качестве несущей связи для нагрузочной модуляции и может, например, только обеспечивать мощность для элементов самого приемника мощности или даже только нагрузки, используемой для нагрузочной модуляции.
Приемник мощности может подавать мощность на внешнюю нагрузку, например, для зарядки аккумулятора или питания устройства.
Выравнивание времен начала или окончания частичных временных интервалов с переходами сигнала тайминга может во многих сценариях соответствовать временам начала или окончания, по существу, совпадающим с переходами, например, в пределах 1/50-ой времени цикла.
Передатчик мощности может быть выполнен так, чтобы замедлять изменение состояния, препятствуя потоку энергии между индуктивным импедансом и емкостным импедансом в течение частичного временного интервала.
Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях и может, в частности, обеспечить эффективную регулировку резонансной частоты. Такой подход может облегчать реализацию. Можно препятствовать потоку энергии от емкостного импеданса к индуктивному импедансу, от индуктивного импеданса к емкостному импедансу, или как от индуктивного импеданса к емкостному импедансу, так и от емкостного импеданса к индуктивному импедансу.
Воспрепятствование потоку энергии может включать в себя как уменьшение потока энергии, так и предотвращение полностью потока энергии.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния, препятствуя протеканию тока между индуктивным резонансом и емкостным импедансом в течение частичного временного интервала.
Это может обеспечить особенно эффективное управление и может обеспечить практическую реализацию. Протекание тока может быть положительным или отрицательным током. Воспрепятствование протеканию тока может включать в себя как уменьшение протекания тока, так и предотвращение протекания тока полностью.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, схема модификации частоты содержит переключатель и выпрямитель, и схема модификации частоты выполнена с возможностью выравнивания одного из времени начала и времени окончания с переходами и выравнивания другого из времени начала и времени окончания с переключением выпрямителя между непроводящим и проводящим состоянием.
Это может обеспечить особенно низкую сложность и эффективное управление. В частности, это может во многих сценариях обеспечивать возможность автоматизированной адаптации к подходящим временам для замедления изменений состояния, таким как, в частности, соответствующие пересечения нуля.
В соответствии с одним аспектом изобретения, предусмотрено функционирование передатчика мощности для беспроводного предоставления мощности приемнику мощности с использованием индуктивного сигнала мощности, причем передатчик мощности содержит переменный резонансный контур для генерации индуктивного сигнала мощности в ответ на сигнал возбуждения, переменный резонансный контур имеет резонансную частоту, являющуюся переменной резонансной частотой; причем способ содержит: генерацию сигнала возбуждения для переменного резонансного контура, причем сигнал возбуждения имеет рабочую частоту; демодуляцию нагрузочной модуляции индуктивного сигнала мощности приемником мощности; генерацию меры качества демодуляции; и адаптацию рабочей частоты и резонансной частоты для обеспечения сходимости, причем адаптация рабочей частоты и резонансной частоты дополнительно осуществляется в ответ на меру качества демодуляции; при этом мера качества демодуляции содержит меру глубины модуляции, отражающую меру разности для измерений по меньшей мере одного из тока и напряжения переменного резонансного контура для различных модулирующих нагрузок индуктивной передачи мощности.
В соответствии с одним аспектом изобретения, предложена система беспроводной передачи мощности, включающая в себя приемник мощности и передатчик мощности для беспроводного предоставления мощности приемнику мощности с использованием индуктивного сигнала мощности; передатчик мощности содержит: переменный резонансный контур для генерации индуктивного сигнала мощности в ответ на сигнал возбуждения, причем переменный резонансный контур имеет резонансную частоту, являющуюся переменной резонансной частотой; возбудитель для генерации сигнала возбуждения для переменного резонансного контура, причем сигнал возбуждения имеет рабочую частоту; приемник нагрузочной модуляции для демодуляции нагрузочной модуляции индуктивного сигнала мощности приемником мощности и для генерации меры качества демодуляции; и адаптер для адаптации рабочей частоты и резонансной частоты для обеспечения сходимости, причем адаптация рабочей частоты и резонансной частоты дополнительно осуществляется в ответ на меру качества демодуляции; при этом мера качества демодуляции содержит меру глубины модуляции, отражающую меру разности для измерений по меньшей мере одного из тока и напряжения переменного резонансного контура для различных модулирующих нагрузок индуктивной передачи мощности.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, передатчик мощности дополнительно содержит передатчик для передачи указания шаблона опорных данных к приемнику мощности, приемник мощности выполнен с возможностью нагрузочной модуляции сигнала мощности с шаблоном опорных данных, указанным посредством указания шаблона опорных данных, и передатчик мощности выполнен с возможностью определения меры качества демодуляции в ответ на сравнение измеренной нагрузочной модуляции и ожидаемой нагрузочной модуляции для шаблона опорных данных.
Это может обеспечить более точную меру качества демодуляции и соответственно лучшую производительность во многих вариантах осуществления. Кроме того, это может обеспечить более гибкий подход.
В соответствии с опциональным признаком изобретения, приемник мощности выполнен с возможностью нагрузочной модуляции сигнала мощности с использованием шаблона опорных данных, и передатчик мощности выполнен с возможностью определения меры качества демодуляции в ответ на сравнение измеренной нагрузочной модуляции и ожидаемой нагрузочной модуляции для шаблона опорных данных, приемник мощности выполнен с возможностью определения тайминга для нагрузочной модуляции сигнала мощности посредством шаблона опорных данных относительно сигнала тайминга, принятого от передатчика мощности. Это может обеспечить более точную меру качества демодуляции и соответственно более высокую производительность во многих вариантах осуществления. Кроме того, это может облегчить синхронизацию между передатчиком мощности и приемником мощности.
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны и объяснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления, описанные ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны, только в качестве примера, со ссылкой на чертежи, на которых
Фиг. 1 иллюстрирует пример элементов системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 2 иллюстрирует пример элементов системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 3 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 4 иллюстрирует пример элементов полу-мостового инвертора для передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 5 иллюстрирует пример элементов полно-мостового инвертора для передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения; и
Фиг. 6 иллюстрирует пример эквивалентной схемы для системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 7-11 иллюстрируют примеры сигналов различных систем передачи мощности и различных рабочих характеристик.
Фиг. 12 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 13 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 14 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 15 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 16 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 17 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 18 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 19 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 20 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 21 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 22 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 23 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 24 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;
Фиг. 25 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание фокусируется на вариантах осуществления изобретения, применимых к системе беспроводной передачи мощности, использующей метод передачи мощности, как известно из спецификации Qi. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается этим применением, но может быть применено ко многим другим системам беспроводной передачи мощности.
На фиг. 1 показан пример системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Система передачи мощности содержит передатчик 101 мощности, который включает в себя (или связан с) катушку(ой)/индуктор(ом) 103 передатчика. Система дополнительно содержит первый приемник 105 мощности, который включает в себя (или связан с) катушку(ой)/индуктор(ом) 107 приемника.
Система обеспечивает беспроводную индуктивную передачу мощности от передатчика 101 мощности к первому приемнику 105. Более конкретно, передатчик 101 мощности генерирует беспроводной индуктивный сигнал мощности (также упоминаемый как сигнал мощности, сигнал передачи мощности или индуктивный сигнал мощности), который распространяется в виде магнитного потока посредством катушки 103 передатчика. Сигнал мощности, как правило, может иметь частоту от приблизительно 100 кГц до приблизительно 200 кГц. Катушка 103 передатчика и катушка 107 приемника слабо связаны, и, таким образом, катушка 107 приемника улавливает (по меньшей мере частично) сигнал мощности от передатчика 101 мощности. Таким образом, мощность передается от передатчика 101 мощности к приемнику 105 мощности посредством беспроводной индуктивной связи от катушки 103 передатчика к катушке 107 приемника. Термин "сигнал мощности" в основном используется для ссылки на индуктивный сигнал/магнитное поле между катушкой 103 передатчика и катушкой 107 приемника (сигнал магнитного потока), но следует принимать во внимание, что по эквивалентности он также может рассматриваться и использоваться в качестве ссылки на электрический сигнал, подаваемый на катушку 103 передатчика или принимаемый катушкой 107 приемника.
Фиг. 2 иллюстрирует системную архитектуру конкретного примера системы согласно фиг. 1 более подробно. В этом примере выходная цепь передатчика 101 мощности включает в себя резонансный контур 201, который включает в себя индуктор 103 передатчика (на фиг. 2 индуктор 103 передатчика для ясности показан как внешний по отношению к резонансному контуру 201, но рассматривается как его часть). Резонансный контур 201 передатчика 101 мощности будет также упоминаться как первичный резонансный контур 201. Резонансный контур 201, как правило, может быть последовательным или параллельным резонансным контуром и, в частности, может состоять из резонансного конденсатора, подсоединенного параллельно (или последовательно) к индуктору 103 передатчика. Индуктивный сигнал мощности генерируется посредством возбуждения выходного резонансного контура от возбудителя 203, генерирующего сигнал возбуждения с подходящей рабочей частотой (как правило, в диапазоне частот 20-200 кГц). Таким образом, переменный резонансный контур/первичный резонансный контур 201 выполнен с возможностью генерации индуктивного сигнала мощности в ответ на сигнал возбуждения.
Подобным же образом входная цепь приемника 105 мощности включает в себя резонансный контур 205, который включает в себя индуктор 107 приемника (на фиг. 2 индуктор 107 приемника для ясности показан внешним по отношению к резонансному контуру 205, но рассматривается как его часть). Резонансный контур 205 приемника 105 мощности будет также упоминаться как вторичный резонансный контур 205. Вторичный резонансный контур 205, как правило, может быть последовательным или параллельным резонансным контуром и может, в частности, состоять из резонансного конденсатора, подсоединенного параллельно (или последовательно) к индуктору 107 приемника. Вторичный резонансный контур 205 связан с преобразователем 207 мощности, который преобразует принятый сигнал передачи мощности, т.е. индуцированный сигнал, обеспеченный вторичным резонансным контуром 205, в мощность, которая подается на внешнюю нагрузку 209 (как правило, путем выполнения AC/DC-преобразования, как будет хорошо известно специалисту в данной области). Как правило, два резонансных контура 201, 205 имеют резонансные частоты, близкие друг к другу, чтобы достичь достаточной амплитуды сигнала в приемнике 105 мощности.
Нагрузка может представлять собой, например, аккумулятор, а предоставление мощности может предназначаться для зарядки аккумулятора. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, последующее описание может относиться к сценарию, который реализует способ беспроводной зарядки аккумулятора. В качестве другого примера, нагрузка может быть устройством, а предоставление мощности может предназначаться для питания устройства. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, последующее описание может относиться к сценарию, который реализует способ беспроводного питания устройства.
В системе, резонансный контур 201 первичного резонансного контура 201 является не фиксированным резонансным контуром, а, напротив, является переменным резонансным контуром, имеющим резонансную частоту, которая является переменной резонансной частотой. Таким образом, эффективная резонансная частота резонансного контура 201 может быть изменена, например, путем изменения характеристик компонентов индуктора и/или конденсатора резонансного контура 201.
Система согласно фиг. 2 соответственно использует настраиваемый/адаптируемый/переменный резонансный контур, чтобы обеспечивать дополнительные функциональные возможности и/или улучшенную работу. Более конкретно, использование переменного резонансного контура 201 может позволить адаптировать резонансную частоту резонансного контура 201, чтобы соответствовать резонансной частоте вторичного резонансного контура 205. Такая адаптация может обеспечивать улучшенную передачу мощности и, в частности, может обеспечивать повышенную эффективность питания.
Например, резонансная частота первичного резонансного контура 201, далее упоминаемая как первичная резонансная частота, может быть установлена так, чтобы быть в достаточной степени подобной резонансной частоте вторичного резонансного контура 205, далее упоминаемой как вторичная резонансная частота, чтобы позволять связи действовать в так называемом резонансном режиме.
При работе в этом режиме система может работать при низких коэффициентах связи и с приемлемой эффективностью. Передатчики мощности могут достичь этой эффективности при работе на частоте, которая близка к резонансной частоте, где внутренние потери являются самыми низкими. Низкие коэффициенты связи допускают значительно большие допуска позиционирования или значительно большую свободу выбора проектных решений относительно формы и размера портативного устройства. Таким образом, работа в резонансном режиме становится привлекательной.
Следует понимать, что может быть использован любой подходящий подход для изменения первичной резонансной частоты. Например, изменение резонансной частоты может быть достигнуто за счет функциональных возможностей, позволяющих регулировать резонансный индуктор или конденсатор.
В некоторых вариантах осуществления низкой сложности, переменный конденсатор, например, может быть реализован посредством множества параллельных конденсаторов, каждый из которых соединен последовательно с переключателем. Например, может быть предусмотрено множество конденсаторов, причем каждый конденсатор имеет примерно половину емкости предыдущего конденсатора. Посредством подключения или отключения отдельного конденсатора, может быть реализована любая емкость вплоть до удвоенной емкости наибольшего конденсатора с разрешением, соответствующим емкости наименьшего конденсатора.
Следует принимать во внимание, что изменчивость может быть реализована, в качестве альтернативы или дополнительно, например, за счет подключения и отключения частей индуктора или замыкания накоротко, например, последовательных конденсаторов и т.п.
Во многих вариантах осуществления, особенно предпочтительный подход может быть использован для адаптации эффективной резонансной частоты резонансного контура 201. В этом подходе, ток индуктора и/или напряжение индуктора может регулироваться в течение доли временного периода для нескольких циклов собственного резонанса резонансного контура с длительностью доли временного периода, определяющего эффективную резонансную частоту контура. Этот подход будет описан более подробно ниже.
Фиг. 3 иллюстрирует некоторые примерные элементы передатчика 101 мощности согласно фиг. 1 более подробно.
Фиг. 3 иллюстрирует возбудитель 203, связанный с первичным резонансным контуром 201, который в данном примере показан как содержащий катушку 103 передачи и резонансный конденсатор 300. Первичный резонансный контур 201 в данном примере является переменным резонансным контуром, в котором резонансная частота может варьироваться. В частности, в некоторых вариантах осуществления, резонансный конденсатор 300 может быть управляемым переменным конденсатором.
Возбудитель 203 генерирует сигнал возбуждения переменного (и, как правило, АС) напряжения, который прикладывается к резонансному конденсатору 300 и катушке 103 передатчика. В других вариантах осуществления, первичный резонансный контур 201 может быть последовательным резонансным контуром, и сигнал возбуждения напряжения может быть приложен к конденсатору и индуктору (тем самым обеспечивая сигнал возбуждения в катушке 103 передатчика). В некоторых вариантах осуществления, возбудитель 203 может быть связан непосредственно (или опосредованно) с катушкой 103 передатчика, и сигнал возбуждения напряжения может быть обеспечен в катушке 103 передатчика.
Таким образом, в системе, возбудитель 203 генерирует сигнал возбуждения, который подается к первичному резонансному контуру 201/катушке 103 передачи, побуждая катушку 103 передачи генерировать сигнал мощности, обеспечивая мощность для приемника 105 мощности. Возбудитель 203 выполнен с возможностью генерации сигнала возбуждения для переменного резонансного контура 201. Сигнал возбуждения имеет рабочую частоту.
Возбудитель 203 генерирует ток и напряжение, которые подаются в катушку 103 передатчика. Возбудитель 203 обычно представляет собой схему возбуждения в форме инвертора, который генерирует переменный сигнал из DC-напряжения. Выход возбудителя 203 обычно представляет собой переключающий мост, формирующий сигнал возбуждения путем соответствующего переключения переключателей переключающего моста. Фиг. 4 показывает полумостовой переключающий мост/инвертор. Переключатели S1 и S2 управляются таким образом, что они никогда не замыкаются одновременно. Попеременно S1 замыкается, в то время как S2 размыкается, и S2 замыкается, в то время как S1 размыкается. Переключатели размыкаются и замыкаются с желательной частотой, создавая тем самым переменный сигнал на выходе. Как правило, выход инвертора соединен с катушкой передатчика через резонансный конденсатор. Фиг. 5 показывает полномостовой переключающий мост/инвертор. Переключатели S1 и S2 управляются таким образом, что они никогда не замыкаются одновременно. Переключатели S3 и S4 управляются таким образом, что они никогда не замыкаются одновременно. Попеременно переключатели S1 и S4 замыкаются, в то время как S2 и S3 размыкаются, а затем S2 и S3 замыкаются, в то время как S1 и S4 размыкаются, тем самым создавая прямоугольный сигнал на выходе. Переключатели размыкаются и замыкаются с желательной частотой.
Возбудитель 203 соответственно генерирует сигнал возбуждения, имеющий заданную рабочую частоту, и прикладывает этот сигнал к первичному резонансному контуру 201.
Возбудитель 203 также связан с контроллером 301 передатчика, который содержит функциональность управления для управления функцией передачи мощности, и который может конкретно содержать контроллер, выполненный с возможностью управления передатчиком 101 мощности в соответствии со спецификацией Qi, в зависимости от обстоятельств. Например, контроллер 301 передатчика может быть выполнен с возможностью управления передатчиком 101 мощности для выполнения различных фаз Qi, включая фазу идентификации и конфигурации и фазу передачи мощности.
В данном примере, передатчик 101 мощности содержит одну катушку 103 передатчика, которая возбуждается возбудителем 203. Таким образом, беспроводной индуктивный сигнал мощности генерируется одной катушкой 103 передатчика. Однако должно быть понятно, что, в других вариантах осуществления, беспроводной индуктивный сигнал мощности может быть сгенерирован множеством катушек передатчика, возбуждаемых, например, параллельно посредством возбудителя. В частности, множество катушек передатчика, возбуждаемых соответствующими (зависимыми) выходными сигналами возбудителя 203, могут быть использованы для генерации беспроводного индуктивного сигнала мощности. Например, две катушки передатчика могут быть расположены в различных местоположениях, чтобы обеспечивать две точки зарядки для двух приемников мощности. Две катушки могут запитываться одним и тем же выходным сигналом от возбудителя 203. Это может обеспечить возможность улучшенного распределения беспроводного индуктивного сигнала мощности/магнитного поля для поддержки множества точек зарядки.
Передатчик 101 мощности дополнительно содержит приемник нагрузочной модуляции в форме демодулятора 303, который выполнен с возможностью приема сообщений данных от приемника 105 мощности. В частности, демодулятор 303 выполнен с возможностью демодуляции нагрузочной модуляции (модуляции нагрузкой) беспроводного индуктивного сигнала мощности для определения соответствующих данных, передаваемых от приемника 105 мощности. Приемник/демодулятор 303 нагрузочной модуляции, таким образом, выполнен с возможностью демодулировать нагрузочную модуляцию индуктивного сигнала мощности приемником мощности.
На физическом уровне, канал связи от приемника 105 мощности к передатчику 101 мощности реализуется с использованием беспроводного индуктивного сигнала мощности в качестве несущей связи. Приемник 105 мощности передает сообщения данных путем модуляции нагрузки катушки 107 приемника.
В устройстве согласно фиг. 1, приемник 105 мощности выполняет нагрузочную модуляцию беспроводного индуктивного сигнала мощности. Приемник 105 мощности может, например, сделать это путем подсоединения и отсоединения конденсатора, соединенного параллельно с катушкой 107 приема, тем самым изменяя резонанс, и, таким образом, нагрузочные характеристики приемника 105 мощности. Эти изменения приводят к соответствующим изменениям в сигнале мощности на стороне передатчика мощности и, в частности, в вариации тока и напряжения индуктора 103 передатчика. Эти изменения непосредственно или опосредованно обнаруживаются передатчиком 101 мощности и используются для демодуляции данных нагрузочной модуляции от приемника 105 мощности.
Нагрузочная модуляция может, например, быть обнаружена по изменению в амплитуде и/или фазе тока/напряжения сигнала возбуждения, по изменению тока/напряжения катушки 103 передатчика и/или изменению тока/напряжения резонансного контура. В качестве другого примера, нагрузочная модуляция может быть обнаружена по изменению в токе источника питания к возбудителю 203 (в частности, к инвертору/переключающему мосту).
Приемник 105 мощности может соответствующим образом модулировать нагрузкой данные по сигналу мощности, который затем может демодулировать передатчик 101 мощности. Такой подход может, например, соответствовать описанному для Qi в публикации: "System description, Wireless power transfer, Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.0 July 2010, published by the Wireless power Consortium", доступной через http://www.wirelesspowerconsortium.com/downloads/wireless-power-specification-part-1.html, также называемой спецификацией Qi беспроводного питания, в частности, глава 6: Communication Interface (или в последующих версиях спецификации).
Нагрузочная модуляция, в частности, используется для адаптации передачи мощности и, в частности, для реализации контура управления мощностью, который постоянно адаптирует уровень передаваемой мощности на основании сообщений управления мощностью, принимаемых от приемника 105 мощности. Сообщения управления мощностью передаются с помощью нагрузочной модуляции.
Для достижения высокой производительности важно обеспечить высокоэффективную связь на основе нагрузочной модуляции от приемника 105 мощности к передатчику 101 мощности. Однако, в обычных системах передачи мощности, такая передача имеет тенденцию быть неоптимальной в некоторых сценариях и ситуациях, приводящих к увеличенным ошибкам связи и неоптимальной производительности передачи мощности. Это становится особенно актуальным, когда связь между передатчиком мощности и приемником мощности является низкой.
Как упоминалось, в системе, демодулятор 303 выполнен с возможностью демодуляции нагрузочной модуляции путем обнаружения изменений амплитуды и/или фазы тока через катушку 103 передатчика и/или напряжения на катушке 103 передачи. Соответственно, демодулятор 303 связан с первичным резонансным контуром 201 и выполнен с возможностью измерения по меньшей мере одного из тока индуктора через катушку 103 передатчика и напряжения индуктора на катушке 103 передатчика.
В некоторых вариантах осуществления, ток и/или напряжение индуктора могут быть определены косвенным образом, например, путем измерения изменений тока, подаваемого в инвертор возбудителя 203, или путем измерения тока или напряжения резонансного конденсатора и т.д. Однако, в конкретном примере, ток/напряжение индуктора определяется путем непосредственного измерения тока или напряжения индуктора.
Передатчик 101 мощности дополнительно содержит адаптер 305, который связан с первичным резонансным контуром 201 и возбудителем 203 и который выполнен с возможностью адаптации/регулировки как рабочей частоты сигнала возбуждения, так и первичной резонансной частоты первичного резонансного контура 201.
Адаптер 305 выполнен с возможностью адаптации первичной резонансной частоты и рабочей частоты для обеспечения их сходимости в направлении друг к другу. Таким образом, адаптер 305 выполнен с возможностью смещения/возбуждения первичной резонансной частоты и рабочей частоты в направлении к тому же самому значению. Например, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью возбуждения как первичной резонансной частоты, так и рабочей частоты в направлении к той же самой целевой частоте. В некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 может допускать относительно малое различие между целевой частотой для рабочей частоты и целевой частотой для первичной резонансной частоты, например, в некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 может быть выполнен так, чтобы обеспечивать сходимость рабочей частоты и первичного резонансного контура 201 путем смещения их в направлении целевых частот, причем адаптер 305 выполнен так, чтобы гарантировать, что разность между целевыми частотами ниже порога.
Целевые частоты могут рассматриваться как целевые частоты установившегося состояния, то есть частоты, которых будут достигать рабочая частота и первичная резонансная частота, если рабочие условия являются постоянными.
В большинстве вариантов осуществления, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью адаптации резонансной частоты и рабочей частоты так, чтобы они были, по существу, равными. Таким образом, адаптер 305 выполнен для обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты таким образом, что рабочая частота установившегося состояния будет, по существу, равна первичной резонансной частоте установившегося состояния. Частота установившегося состояния может быть частотой, которая является результатом того, что рабочие характеристики поддерживаются постоянными.
В самом деле, в некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 может быть выполнен так, чтобы обеспечивать сходимость рабочей частоты и первичной резонансной частоты путем поддержания частот по существу теми же самыми, т.е. сходимость может соответствовать поддержанию рабочей частоты и первичной резонансной частоты, по существу, одинаковыми. В самом деле, в некоторых вариантах осуществления, обеспечение сходимости может быть присуще адаптеру, непрерывно поддерживающему рабочую частоту и первичную резонансную частоту при полной сходимости, то есть путем непрерывного поддержания первичной резонансной частоты и рабочей частоты идентичными. Конкретный пример такой реализации будет описан ниже.
В некоторых вариантах осуществления адаптер 305 может, например, содержать различные контуры управления для адаптации рабочей частоты и первичной резонансной частоты. Однако эти контуры управления могут работать таким образом, что они регулируют соответствующую частоту в направлении того же самого значения.
Это может, например, быть реализовано с помощью одного контура управления, выполненного с возможностью отслеживать выход другого контура управления.
Например, в некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 может содержать первый контур управления, который устанавливает рабочую частоту в ответ на различные рабочие параметры, включая, например, желательную характеристику передачи мощности (например, эффективность передачи мощности). Кроме того, адаптер 305 может содержать второй контур управления, который регулирует первичную резонансную частоту, чтобы следовать рабочей частоте. Таким образом, второй контур управления может быть просто контуром управления, который стремится установить первичную резонансную частоту на то же значение, что и рабочая частота. Во многих вариантах осуществления настоящего изобретения, время отклика второго контура управления может быть в несколько раз быстрее, чем время отклика первого контура управления, что приводит к первичной резонансной частоте, точно отслеживающей рабочую частоту.
Следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления первый контур управления может устанавливать первичную резонансную частоту, а второй контур управления может регулировать рабочую частоту, чтобы отслеживать первичную резонансную частоту.
В других вариантах осуществления, адаптер 305 может выполнять совместную адаптацию резонансной частоты и резонансной частоты, причем совместная адаптация поддерживает фиксированное соотношение между рабочей частотой и резонансной частотой. Например, один контур управления может генерировать один сигнал, который непосредственно регулирует или устанавливает как рабочую частоту, так и первичную резонансную частоту. Единственный сигнал может непосредственно регулировать рабочую частоту и первичную резонансную частоту таким образом, что они являются одинаковыми, хотя общая частота может изменяться. Таким образом, система может реализовывать фиксированное соотношение между рабочей частотой и первичной резонансной частотой, которое является соотношением равенства, то есть, они являются одинаковыми и, следовательно, находятся в состоянии полной сходимости. Примеры такого подхода будут описаны ниже.
Таким образом, в передатчике мощности согласно фиг. 3, адаптер 305 выполнен с возможностью связывания рабочей частоты и первичной резонансной частоты друг с другом, и он может, в частности, синхронизировать их друг с другом так, что они являются идентичными.
Кроме того, адаптер 305 выполнен с возможностью адаптировать рабочую частоту и первичную резонансную частоту в ответ на меру качества демодуляции. В частности, во многих вариантах осуществления, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью адаптировать среднюю или общую частоту для рабочей частоты и первичной резонансной частоты в ответ на меру качества демодуляции. Например, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью обеспечения того, что рабочая частота и первичная резонансная частота являются идентичными, и, кроме того, что эта общая частота зависит от меры качества демодуляции.
Мера качества демодуляция может быть сформирована демодулятором 303 и, в частности, может быть сформирована демодулятором 303 путем оценки осуществляемой связи между приемником мощности и передатчиком мощности. Таким образом, демодулятор 303 может быть выполнен с возможностью генерации меры качества демодуляции и, в частности, может быть выполнен с возможностью генерации меры качества демодуляции путем определения метрики производительности демодуляции для демодуляции нагрузочной модуляции индуктивного сигнала мощности приемником мощности. Мера качества демодуляции может генерироваться так, чтобы отражать достоверность декодированных/демодулированных данных и, в частности, может быть показателем частоты ошибок или вероятности ошибок демодулированных данных и/или глубины модуляции и/или отношения сигнал-шум для демодулированных данных. В частности, мера качества демодуляция может быть мерой, отражающей вероятность ошибки для демодулированных данных.
Во многих вариантах осуществления, адаптация рабочей частоты и первичной резонансной частоты также может зависеть от других параметров, таких как, например, эффективность передачи мощности. Например, сначала может быть установлена общая частота, чтобы обеспечить максимальную эффективность передачи мощности. Затем может быть измерено качество связи. Если оно является приемлемым, то есть, если мера качества демодуляции превышает порог, то система может продолжать работать на этой частоте. Однако если мера качества демодуляции не превышает порог, то общая частота может быть изменена, например, на предопределенную величину. Если это не приводит к приемлемому качеству демодуляции, процесс может повторяться до тех пор, пока мера качества демодуляции не превысит порог.
Подход адаптера 305, обеспечивающего сходимость рабочей частоты и первичной резонансной частоты и адаптацию частот на основе меры качества демодуляции, может обеспечить значительно более высокую производительность во многих вариантах осуществления. В самом деле, двойное управление обеспечивает синергетический эффект, когда связывание рабочей частоты и первичной резонансной частоты может обеспечить улучшенную операцию передачи мощности, при этом мера качества демодуляции дополнительно обеспечивает возможность уменьшения нежелательных побочных эффектов, которые могут возникнуть в результате такого связывания, например, в частности, пониженной чувствительности к вариациям нагрузок, обеспечивающих нагрузочную модуляцию.
В самом деле, изобретатели установили, что существенно сниженная интермодуляция может быть достигнута путем связывания частот, но что это может в некоторых сценариях и рабочих условиях иметь нежелательные эффекты, которые могут быть снижены за счет изменения частоты с учетом качества связи.
Эффект и реализация могут быть проиллюстрированы при рассмотрении некоторых практических примеров. В частности, может быть рассмотрена эквивалентная схема согласно фиг. 6.
Схема согласно фиг. 6 представляет собой простую электрическую модель индуктивной системы передачи мощности согласно фиг. 1 и 2.
р
ср
1р
р
р
i
s
cs
1s
s
d
cp
m
cm
m
7
10
1
1
Первичный резонансный контур 201 представлен компонентами С, R, R и L, где резисторы представляют потери. Возбудитель представлен посредством V и R. Вторичный резонансный контур 205 представлен компонентами C, R, R и L, где резисторы представляют потери. Конденсатор C (с резистором R, представляющим потери) создает резонанс на частоте 1 МГц, что позволяет передатчикам мощности, использующим перемещаемую катушку, определять местоположение приемника мощности. Конденсатор С (с резистором R, представляющим потери) и переключатель S представляют нагрузочную модуляцию приемником 105 мощности. Диоды D-D и C и R представляют нагрузку приемника 105 мощности (с диодами, обеспечивающими выпрямление).
p
s
Схема была смоделирована для значений, типичных для Qi-системы беспроводной передачи мощности. В такой системе, первичная резонансная частота находится в интервале f=(93±7) кГц, а вторичная резонансная частота находится в интервале f=(100±5) кГц. Коэффициент связи k между ними равен, где М - взаимная индуктивность между двумя катушками. В примерах, коэффициент связи k установлен на значение 0,05.
о
В примере, рабочая частота f и коэффициент заполнения D=Ton/Т сигнала возбуждения могут варьироваться, например, чтобы обеспечивать желательные характеристики передачи мощности (см. фиг. 7).
Схема была проанализирована со следующими иллюстративными значениями:
Передатчик мощности
Приемник мощности
L<sub>p</sub>
100
мкГн
L<sub>s</sub>
20
мкГн
f<sub>p</sub>
93
кГц
f<sub>s</sub>
100
кГц
Q<sub>p</sub>
30
Q<sub>s</sub>
25
v<sub>p</sub>
20
В
C<sub>m</sub>
22
нФ
D
0,1
C<sub>1</sub>
10
мкФ
R<sub>i</sub>
0,5
Ом
R<sub>cs</sub>
0,25
Ом
R<sub>cp</sub>
0,25
Ом
R<sub>cd</sub>
0,25
Ом
f<sub>ping</sub>
175
кГц
R<sub>cm</sub>
0,25
Ом
v<sub>L,0</sub>
5,0
В
P<sub>L,0</sub>
5,0
Вт
о
p
s
Фиг. 8 иллюстрирует результаты моделирования для следующих параметров: k=0,05, f=100 кГц, f=93 кГц, f=100 кГц.
р
m
Две первые кривые иллюстрируют ток через катушку 103 передатчика (L), причем вторая кривая иллюстрирует вид в увеличенном масштабе. Нижняя кривая показывает нагрузочную модуляцию приемником мощности (в частности, сигнал переключения для переключателя S).
о
p
Как можно видеть, когда сигнал мощности включается в первый раз, возникает колебание. По существу, передатчик мощности работает аналогично слабозатухающему резонансному контуру. Действительно, колебание можно рассматривать как эффект интермодуляции между сигналом возбуждения и первичным резонансным контуром 201. Таким образом, колебание представляет интермодуляцию с частотой f-f=7 кГц. Кроме того, можно видеть, что колебания постепенно спадают и эффективно ослабляются при t=2,0 мс (в основном, из-за нагрузки приемника мощности).
m
В примере, нагрузочная модуляция начинается при t=2,25 мс, причем в примере обеспечивается нагрузочная модуляция, соответствующая пакетному сигналу с тактовой частотой модуляции f=2 кГц. Как можно видеть, ступенчатые изменения нагрузочной модуляции эффективно возбуждают интермодуляцию, приводящую к колебаниям, то есть ступенчатые изменения нагрузочной модуляции могут рассматриваться как ступенчатая функция, возбуждающая слабозатухающий резонансный контур. Как можно видеть, колебания являются значительными и могут превышать или существенно уменьшать разницу, вызванную изменением данных нагрузочной модуляции. Это может значительно снизить надежность демодуляции и даже во многих сценариях воспрепятствовать надежной демодуляции (компенсация колебаний при демодуляции потребует очень сложной и, как правило, дорогостоящей функциональности).
о
p
s
Фиг. 9 иллюстрирует результаты моделирования для следующих параметров: k=0,05, f=93 кГц, f=93 кГц, f=100 кГц.
Таким образом, в этом примере, рабочая частота и первичная резонансная частота установлены на одинаковое значение.
Как можно видеть, это эффективно устраняет колебания. Действительно, схема по-прежнему может рассматриваться как слабозатухающий резонансный контур, но интермодуляционные эффекты отсутствуют. В результате, демодуляция данных может существенно облегчаться, и может быть выполнена более надежная демодуляция.
Таким образом, как показано, путем обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты может быть достигнута улучшенная демодуляция нагрузочной модуляции.
о
p
s
Фиг. 10 иллюстрирует результаты моделирования для следующих параметров: k=0,05, f=93 кГц, f=93 кГц, f=93 кГц.
Таким образом, в этом примере, рабочая частота и первичная резонансная частота также установлены на одинаковое значение. Однако, в отличие от сценария согласно фиг. 9, рабочая частота и первичная резонансная частота теперь также совпадают с резонансной частотой.
Опять же, можно заметить, что интермодуляционные колебания отсутствуют, поскольку обеспечена сходимость рабочей частоты и первичной резонансной частоты.
Эта ситуация может быть привлекательной с точки зрения передачи мощности, поскольку это может привести к очень эффективной передаче мощности, и в самом деле, во многих сценариях, может привести к максимальной эффективности передачи мощности. Таким образом, подход передачи мощности, который поддерживает рабочую частоту и первичную резонансную частоту одинаковыми и оптимизирует эффективность питания, может работать в направлении к такой рабочей точке.
Однако, как можно видеть, в то время как рабочая частота и первичная резонансная частота, будучи равными, препятствуют интермодуляционным колебаниям, установка их также равными вторичной резонансной частоте приводит в результате к амплитуде, больше не имеющей сильной зависимости от модулирующей нагрузки, т.е. глубина модуляции/демодуляции снижается до очень низких уровней, тем самым делая демодуляцию затруднительной и ненадежной.
Таким образом, могут иметься противоречивые требования между адаптацией первичной резонансной частоты/рабочей частоты для передачи мощности и для связи. Кроме того, влияние установки частоты на одинаковые или близкие значения может зависеть от конкретной нагрузки, которая используется для нагрузочной модуляции.
Например, на фиг. 11 показан пример, соответствующий примеру, показанному на фиг. 10, но с модулирующей нагрузкой, представляющей собой резистор, а не конденсатор. Как можно видеть, в данном случае, влияние включения и выключения нагрузки может быть легко различимым.
Во многих системах, передатчик мощности не может точно знать, какая нагрузочная модуляция может быть использована приемником мощности. Однако в передатчике мощности 101 согласно фиг. 3, адаптер 305 может управлять конвергируемой частотой (т.е. рабочей частотой/первичной резонансной частотой) в зависимости от меры качества демодуляции. Соответственно, она, в частности, может использоваться для предотвращения возникновения ситуаций, подобных таким, как показано на фиг. 10.
Во многих вариантах осуществления, адаптер 305 может быть выполнен так, чтобы дополнительно адаптировать рабочую частоту и первичную резонансную частоту в ответ на некоторую характеристику передачи мощности, например, рабочий параметр передачи мощности. Адаптер 305 может конкретно быть выполнен с возможностью адаптировать конвергируемое/общее/целевое значение частоты для рабочей частоты и первичной резонансной частоты в ответ на характеристику передачи мощности.
Таким образом, система может быть выполнена с возможностью обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты и, в частности, поддержания рабочей частоты и первичной резонансной частоты синхронизированными друг с другом, при регулировании этой общей частоты исходя из соображений как операции передачи мощности, так и операции связи.
Характеристика передачи мощности может, в частности, быть мерой эффективности передачи мощности. Например, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью адаптировать общую частоту таким образом, что эффективность питания увеличивается в максимальной степени при условии, что качество связи остается достаточно высоким. Адаптация в направлении максимальной эффективности, как правило, будет приводить общую частоту к вторичной резонансной частоте. Однако, так как это для некоторых подходов нагрузочной модуляции (конкретно, подходов модуляции емкостной нагрузки) будет приводить к уменьшению глубины демодуляция и, соответственно, к снижению качества связи, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью обнаружения того, когда мера качества демодуляция падает ниже заданного порогового значения. Когда это происходит, адаптер 305 может изменить частоту в направлении установки менее эффективного питания (т.е. в направлении установки, обеспечивающей лучшую связь).
Таким образом, в данном примере, адаптер 305 выполнен с возможностью адаптации рабочей частоты и резонансной частоты таким образом, что они отклоняются от частоты максимальной эффективности передачи мощности, то есть они отклоняются от частоты, при которой передача мощности будет иметь самую высокую эффективность. Несмотря на то, что желательно повышать эффективность, и в самом деле адаптер 305 может быть выполнен с возможностью смещения системы в направлении повышения эффективности, это обусловлено требованием, что мера качества демодуляции должна удовлетворять критерию приемлемости. Как показано на фиг. 10, это часто не представляется возможным на частоте, при которой эффективность максимальна, и, таким образом, адаптер 305 выполнен с возможностью препятствовать тому, чтобы общая частота достигала это значение.
Эффективность передачи мощности может, например, определяться передатчиком мощности, вычисляющим полную мощность, подаваемую в катушку 103 передатчика. Приемник 105 мощности может вычислить полную мощность, принимаемую катушкой 107 приема, и может передать это значение обратно к передатчику мощности. Передатчик мощности может затем вычислить соотношение между ними для определения эффективности передачи мощности. В качестве другого примера, в качестве меры эффективности передачи мощности также может быть использована разность между переданной и принятой мощностями, и эта разность может быть использована как указатель эффективности передачи мощности.
В некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 также может быть выполнен с возможностью адаптировать рабочую частоту и первичную резонансную частоту в ответ на уровень мощности сигнала мощности. Уровень мощности может, в частности, быть текущим уровнем мощности сигнала мощности или может быть запрошенным или желательным уровнем мощности.
Например, приемник мощности может передавать сообщения об ошибках управления мощностью обратно в передатчик 101 мощности, и адаптер 305 может в ответ на эти сообщения об ошибках управления мощностью изменять общую частоту для сигнала возбуждения и первичного резонансного контура 201. Например, если запрашивается увеличение мощности, общая частота может быть сдвинута в направлении вторичной резонансной частоты.
Однако, ввиду того что рабочая частота и первичная резонансная частота привязаны друг к другу (синхронизированы), использование рабочей частоты для управления мощностью будет иметь тенденцию быть менее эффективными и практичным, чем, например, для обычных систем, в которых первичная резонансная частота и вторичная резонансная частота поддерживаются постоянными, и изменяется только рабочая частота.
Таким образом, во многих вариантах осуществления, передатчик 101 мощности может также содержать контроллер мощности, который выполнен с возможностью адаптировать рабочий цикл (коэффициент заполнения) сигнала возбуждения в ответ на запросы мощности, полученные от приемника мощности. В частности, если приемник 105 мощности запрашивает увеличение мощности, коэффициент заполнения увеличивается, и, если он запрашивает уменьшение мощности, коэффициент заполнения уменьшается. Таким образом, подход реализации управления мощностью с использованием коэффициента заполнения (например, вместо изменения рабочей частоты) позволяет улучшить производительность и, в частности, обеспечивает дополнительную степень свободы, которая может смягчить влияние рабочей частоты и первичной резонансной частоты, синхронизированных друг с другом.
Следует иметь в виду, что различные меры качества демодуляции могут быть использованы в различных вариантах осуществления и что могут быть использованы любые меры, которые, в частности, могут обеспечить указание надежности демодуляция. В частности, может быть использовано любое непосредственное или опосредованное указание результирующей частоты битовых ошибок.
Во многих вариантах осуществления, демодулятор 303 может генерировать меру качества демодуляции, чтобы указывать вероятность ошибки для принятых/демодулированных данных нагрузочной модуляции. Такая мера качества демодуляции может включать в себя непосредственную меру, например, частоту ошибок, но может также включать в себя опосредованные меры, например, отношение сигнал-шум или глубину демодуляции.
Демодулятор 303 может быть выполнен с возможностью генерации меры качества демодуляция во время операции передачи мощности, когда мощность передается от передатчика мощности к приемнику мощности посредством индуктивного сигнала мощности. Мера качества демодуляции может генерироваться в течение фазы передачи мощности, и, во многих вариантах осуществления, система может быть выполнена с возможностью определять с регулярными/частыми интервалами в течение фазы/операции передачи мощности новые значения для меры качества демодуляции и адаптировать рабочую частоту и резонансную частоту. Во многих вариантах осуществления, частота обновления адаптации и/или частота обновления для меры качества демодуляции может быть не менее 0,2 Гц, 0,5 Гц, 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц.
В самом деле, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения мера качества демодуляции может содержать/отражать частоту ошибок демодуляции данных, в частности, частоту битовых ошибок. Частота битовых ошибок в некоторых вариантах осуществления может измеряться непосредственно. Например, принятые данные могут включать в себя кодирование с исправлением ошибок, и количество ошибок, исправленных этим кодом исправления ошибок, может быть измерено и использовано в качестве меры качества демодуляции.
В других вариантах осуществления, принятые данные могут содержать контрольную сумму, и частота ошибок может быть определена в ответ на принятые данные, не соответствующие принятой контрольной сумме.
Как упоминалось ранее, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью изменять рабочую частоту и резонансную частоту, когда он обнаруживает, что мера качества демодуляции падает ниже порога. В качестве конкретного примера, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью изменять рабочую частоту и резонансную частоту, когда он обнаруживает, что частота ошибок демодуляции данных превышает порог. Порог может, например, соответствовать отсутствию ошибок, то есть, если адаптер 305 обнаруживает одну ошибку, он может перейти к изменению общей частоты так, чтобы она отличалась от вторичной резонансной частоты.
Во многих системах беспроводной передачи мощности, объем передаваемых данных является относительно низким, и, соответственно, может не являться практичным или предпочтительным основывать меру качества демодуляции на фактических битовых ошибках, которые возникают, так как они обычно лишь редко встречаются.
Во многих вариантах осуществления, вместо этого могут использоваться другие указатели надежности демодуляции. Например, демодулятор может генерировать символы мягкого решения в рамках демодуляции, и мера качества демодуляции может определяться как показательная для определенной надежности, указываемой этими мягкими решениями.
Во многих вариантах осуществления, мера качества демодуляции может содержать меру глубины демодуляции, отражающую разностную меру для измерений по меньшей мере одного из тока и напряжения переменного резонансного контура при различных модулирующих нагрузках индуктивной передачи мощности.
В частности, для нагрузочной модуляции, ток и/или напряжение катушки 103 передатчика будет изменяться как функция нагрузки посредством приемника 105 мощности. Таким образом, когда модулирующая нагрузка приемника 105 мощности изменяется, будет происходить изменение в токе/напряжении. Разница между этими значениями для различных настроек модулирующей нагрузки приемника мощности может измеряться, и, например, их разность или отношение может представлять глубину модуляции/демодуляции. Чем выше глубина демодуляция, тем более надежной, вероятно, будет демодуляция. Таким образом, глубина демодуляция может быть хорошим указателем качества демодуляции. Преимущество использования глубины демодуляции для меры качества демодуляции состоит в том, что она не требует фактического выполнения демодуляции для ее измерения. Кроме того, каждый символ данных может обеспечивать указание глубины демодуляция, и определение меры качества демодуляции не будет основываться на, как правило, редких событиях, такие как битовые ошибки.
В частности, глубина модуляции или глубина демодуляции может быть разностью между результатом (прямого или косвенного) измерения тока или напряжения индуктора передатчика для первого состояния нагрузки нагрузочной модуляции и результатом (прямого или косвенного) измерения тока или напряжения индуктора передатчика для второго состояния нагрузки нагрузочной модуляции. Во многих вариантах осуществления, нагрузочная модуляция может выполняться посредством переключения приемника между двумя состояниями нагрузки для нагрузочной модуляции, например, путем подключения и отключения конденсатора от индуктора приема приемника мощности. В таких случаях, глубина демодуляции может являться разностью в измерениях тока/напряжения индуктора, являющихся результатом двух состояний нагрузки. Глубина демодуляции может быть измерена как абсолютное или относительное значение, например, как отношение между значениями измерений для двух состояний нагрузки. Определение глубины демодуляции может включать в себя фильтрацию нижних частот и/или усреднение. Например, глубина демодуляции может быть сгенерирована путем сравнения полученных низкочастотной фильтрацией версий первых измерений для различных состояний нагрузки или, например, может быть сгенерирована путем низкочастотной фильтрации значений глубины демодуляции, сгенерированных из первых измерений для различных состояний нагрузки.
В некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью адаптации резонансной частоты и рабочей частотой в ответ на меру интермодуляции, указывающую на интермодуляцию между резонансной частотой и рабочей частотой.
Мера интермодуляции может, в частности, измеряться путем применения подходящего фильтра, например, для измерения тока индуктора передатчика. Фильтр может быть полосовым фильтром, который извлекает частоты в полосе частот, в которой ожидается возникновение интермодуляционных колебаний. Амплитуда выходного сигнала этого фильтра может соответствующим образом измеряться и рассматриваться в качестве указания интермодуляции между резонансной частотой и рабочей частотой.
Мера интермодуляции может в некоторых вариантах осуществления использоваться адаптером 305 для обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты. Например, может быть реализован контур, который регулирует одну из рабочей частоты и первичной резонансной частоте, чтобы минимизировать меру интермодуляции.
В некоторых вариантах осуществления, адаптер 305 может адаптировать целевые частоты рабочей частоты и первичной резонансной частоты в ответ на меру интермодуляции. Например, в некоторых вариантах осуществления, связь между рабочей частотой и первичной резонансной частотой может быть относительно неточной, и в результате, в некоторых сценариях, может возникать некоторая интермодуляция. В этом случае целевые частоты могут зависеть от уровня интермодуляции, имеющей место в текущее время. Например, если мера интермодуляции низка, то может быть приемлемым приводить рабочую частоту и первичную резонансную частоту ближе к первичной резонансной частоте, чем в случае, если мера интермодуляции выше.
Предыдущее описание, в частности, сфокусировано на вариантах осуществления, в которых адаптер 305 выполнен с возможностью обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты в точке, где они, по существу, идентичны. Однако следует иметь в виду, что в некоторых сценариях или ситуациях, адаптер 305 может быть выполнен с возможностью обеспечивать сходимость первичной резонансной частотой и рабочей частоты так, чтобы они были сходными, но не обязательно одинаковыми. Например, адаптер 305 может в некоторых вариантах осуществления допускать существование разности между рабочей частотой и первичной резонансной частотой. Во многих вариантах осуществления, адаптер 305 может обеспечивать сходимость рабочей частоты и первичной резонансной частоты в направлении разности, которая намного меньше, чем обратная величина длительности символа данных для нагрузочной модуляции. Например, символ нагрузочной модуляции может иметь длительность не более 0,5 мс, что соответствует обратному значению 2 кГц. Адаптер 305 может быть выполнен с возможностью обеспечения сходимости рабочей частоты и первичной резонансной частоты так, чтобы они имели максимальную разность не более одной десятой максимального значения обратной величины длительности символа данных нагрузочной модуляции, то есть в конкретном примере может быть допустима разность частот до 200 Гц.
За счет обеспечения того, что разность между рабочей частотой и первичной резонансной частотой значительно ниже, чем величина, обратная длительности символа данных нагрузочной модуляции, можно гарантировать, что любые интермодуляционные колебания являются настолько медленными, что они не оказывают существенного влияния на демодуляцию.
Следует иметь в виду, что адаптер 305, обеспечивающий сходимость рабочей частоты и первичной резонансной частоты, не обязательно требует, чтобы сходимость увеличивалась, но может также включать в себя признак, состоящий в том, что уровень сходимости поддерживается. В частности, адаптер 305 может обеспечивать сходимость рабочей частоты и первичной резонансной частоты путем адаптации по меньшей мере одной из рабочей частоты и первичной резонансной частоты таким образом, чтобы разность между рабочей частотой и первичной резонансной частотой не превышала заданного значения. Таким образом, заданный минимум сходимости между рабочей частотой и первичной резонансной частотой может поддерживаться адаптером 305.
В некоторых вариантах осуществления, передатчик мощности может быть выполнен с возможностью определения меры качества демодуляции в ответ на нагрузочную модуляцию шаблона опорных данных, который, в частности, может быть предварительно шаблоном предопределенных данных. Шаблон опорных/предопределенных данных может быть, таким образом, шаблоном, который известен передатчику мощности до начала фактической передачи шаблона. Таким образом, в этом примере, передатчик мощности может основывать определение меры качества демодуляцию на знании конкретных данных, которые передаются.
В частности, демодулятор 303 может быть выполнен с возможностью генерации меры качества демодуляции, основываясь на предположении того, что данные модулируемые нагрузкой по сигналу мощности, известны и имеют предопределенные значения.
В качестве примера низкой сложности, демодулятор 303 может просто демодулировать данные и определять, соответствуют ли демодулированные данные шаблону опорных данных. Мера качества демодуляции может, например, указывать количество обнаруженных ошибок или просто указывать, были ли обнаружены какие-либо ошибки.
В качестве другого примера, шаблон предопределенных данных может быть определен так, чтобы соответствовать конкретному ожидаемому шаблону для измерений, например, тока индуктора. Демодулятор 303 может сравнить фактические измерения с ожидаемыми измерениями (например, после нормализации) и может генерировать разностную меру, указывающую, насколько близко фактические измерения соответствуют ожидаемым измерениям. Эта разностная мера может в некоторых вариантах осуществления использоваться непосредственно в качестве меры качества демодуляции. В качестве альтернативы, двоичная мера качества демодуляции может быть сгенерирована путем сравнения разностной меры с порогом, причем мера качества демодуляции указывает, превышен ли порог или нет.
Шаблон опорных данных может, например, соответствовать преамбуле пакета данных или может сам быть пакетом данных, например, в частности, предопределенным пакетом данных, содержащим только предопределенные данные.
В некоторых вариантах осуществления, шаблон опорных данных может быть, например, шаблоном битовых данных, который определен, например, в технической спецификации системы. Таким образом, шаблон опорных данных может быть статическим шаблоном предопределенных данных.
Однако в других вариантах осуществления, может быть использован более динамичный шаблон опорных данных. Например, передатчик мощности может в некоторых вариантах осуществления передавать указание шаблона опорных данных для приемника мощности. Указание может, например, выбирать один шаблон данных из предопределенного набора шаблонов данных. В качестве другого примера, передатчик мощности может непосредственно передавать шаблон опорных данных к приемнику мощности, то есть указание шаблона опорных данных может включать в себя сам шаблон опорных данных.
Приемник мощности может тогда быть выполнен с возможностью использовать указанный опорный шаблон, то есть приемник мощности может перейти к нагрузочной модуляции сигнала мощности указанным шаблоном опорных данных.
Передатчик мощности может теперь знать переданные данные и, соответственно, он может перейти к определению меры расстояния, отражающей, насколько близко измеренная нагрузочная модуляция соответствует ожидаемой нагрузочной модуляции для шаблона опорных данных. Передатчик мощности может, например, непосредственно сравнивать демодулированные данные с шаблоном опорных данных или может, например, сравнить фактические измерения тока индуктора с ожидаемыми измерениями тока. Разностная мера может в некоторых вариантах осуществления использоваться непосредственно в качестве меры качества демодуляции.
Следует иметь в виду, что передатчик мощности и приемник мощности могут содержать функциональные возможности для соответствующей синхронизации сравнения в передатчике мощности с временами фактической передачи для шаблона опорных данных приемником мощности.
Например, передатчик мощности может быть выполнен с возможностью определения меры качества демодуляции для разных временных сдвигов в пределах подходящего временного окна, и может выбрать наименьшую определенную меру качества демодуляции (как это будет соответствовать ближайшей временной синхронизации). В качестве другого примера, может быть использовано конкретное запускающее событие, например, обнаружение ступенчатого изменения в нагрузке сигнала мощности.
Во многих вариантах осуществления, время передачи шаблона опорных данных может быть ограничено таким образом, что передатчик мощности может приемлемо точно прогнозировать время передачи.
Например, приемнику мощности может потребоваться передавать шаблон опорных данных в течение заданного временного интервала после события, например, в частности, в пределах заданного временного интервала сигнала или сообщения данных, предоставляемых приемнику мощности. Передатчик мощности может соответственно ожидать шаблона опорных данных, принимаемого в пределах хорошо определенного временного интервала.
Сигнал/сообщение, синхронизирующее передачу и обнаружение шаблона опорных данных, может быть, например, сигналом запуска (частотной, амплитудной, фазовой модуляцией) сигнала мощности или, в частности, передачей указания шаблона опорных данных.
Предыдущее описание было сфокусировано на описании, в котором нагрузочная модуляция применяется к основному сигналу мощности, то есть к сигналу мощности, который также обеспечивает передачу основной мощности к приемнику мощности. Однако понятно, что, в других вариантах осуществления, основная мощность может быть обеспечена другим индуктивным сигналом.
Например, передатчик мощности может содержать два индуктора, где один является катушкой передачи основной мощности, которая может генерировать сильный сигнал мощности, который может передавать высокие уровни мощности. Вторая катушка преимущественно может быть использована в качестве катушки связи, которая может обеспечивать несущую связи, которая может модулироваться посредством нагрузочной модуляции с помощью соответствующей катушки в приемнике мощности. Эта несущая связи обеспечивает мощность по меньшей мере для модулирующей нагрузки, но может также, как правило, обеспечивать мощность, например, для внутренней функциональности связи приемника мощности. Таким образом, хотя такой сигнал связи может не обеспечивать передачу полной мощности к приемнику мощности (и на самом деле может иметься, например, более мощный сигнал передачи мощности), он является сигналом мощности, который обеспечивает мощность для приемника мощности (и по меньшей мере для модулирующей нагрузки).
Следует понимать, что любой подходящий подход демодуляции может быть использован на основании измерений тока и/или напряжения индуктора. Действительно, специалисту в данной области будет понятно, что доступны многие методы демодуляции, включая методы апостериорного или априорного максимального правдоподобия. Следует также иметь в виду, что может быть использован любой подходящий подход, например, для синхронизации символов данных и т.д.
Как правило, измерения могут обрабатываться (обычно фильтроваться или усредняться, например, с помощью согласованного фильтра, который согласован с формой символа данных), и полученный выход может дискретизироваться в оптимальный момент выборки, как будет хорошо известно специалисту в области методов демодуляции (см., например, John Proakis, "Digital Communications", McGraw Hill, 2008, ISBN 0071263780). Полученное значение выборки может сравниваться с ожидаемыми значениями для различных значений символов, и может выбираться ближайшее значение (на основе подходящей меры близости). Таким образом, может быть использован подход демодуляции, в котором принятый сигнал (измерения) сравнивается (сравниваются) с ожидаемым сигналом (измерениями) для различных возможных символов данных, и демодулированные данные определяются как возможный символ данных, имеющий самое низкое (обычно хэммингово) расстояние (степень близости) до ожидаемого сигнала (измерений). Следует иметь в виду, что определение/сравнение расстояния может включать в себя обработку, такую как, например, фильтрация и усреднение, измерений. Таким образом, как правило, для демодуляции может быть использован метод максимального правдоподобия, когда выбирается ближайшая точка констелляции.
В качестве подхода низкой сложности для двоичных символов данных (т.е. передается "0" или "1"), демодулятор 311 может определять порог в качестве долговременного среднего значения измерений. Усреднение будет распространяться на множество значений данных и, как правило, будет соответствовать среднему значению измерений между значениями, являющимися результатом, соответственно, "0" или "1". Когда демодулируется один бит, демодулятор 311 может усреднять измерения в течение периода времени соответствующего символа данных (бита). Если полученное значение выше долговременного порога, то бит данных демодулируется как "0", а если оно ниже долговременного порога, то бит данных демодулируется как "1" (в предположении, что нагрузочная модуляция такова, что "0" приводит к более высоким значениям измерений, чем "1").
Следует принять во внимание, что многие возможные методы демодуляции известны специалисту в данной области, и что любой метод может быть использован без отклонения от изобретения.
В некоторых вариантах осуществления, может быть использован особенно эффективный способ поддержания рабочей частоты и первичной резонансной частоты, сходимость которых должна обеспечиваться. В данном примере, резонансный контур 201 эффективно перезапускается один раз в течение каждого цикла сигнала возбуждения, что приводит к тому, что эффективная резонансная частота резонансного контура 201 задается рабочей частотой, а не собственной резонансной частотой резонансного контура 201.
В данном подходе, первичный резонансный контур 201 управляется в зависимости от сигнала возбуждения, возбуждающего первичный резонансный контур 201, таким образом, обеспечивая возможность автоматического связывания рабочей частоты и первичной резонансной частоты друг с другом. Действительно, данный подход позволяет рабочей частоте и первичной резонансной частоте автоматически становиться, по существу, одинаковыми, так что система может просто адаптировать рабочую частоту сигнала возбуждения к эффективной первичной резонансной частоте автоматически и, по существу, адаптируя так, чтобы непосредственно следовать друг за другом. Данный подход может, в частности, гарантировать, что каждый цикл эффективного резонанса первичного резонансного контура 201 имеет ту же длительность, что и соответствующий цикл сигнала возбуждения. Кроме того, данный подход позволяет достигать этого с очень низкой дополнительной сложностью и с очень низкими служебными издержками управления.
Конкретный подход будет описан со ссылкой на фиг. 12, которая иллюстрирует элементы передатчика мощности в соответствии с примером такого подхода. Понятно, что в данном примере используется последовательный резонансный контур, который может непосредственно заменить параллельный резонансный контур согласно фиг. 3. Таким образом, фиг. 12 может рассматриваться как иллюстрирующая конкретные элементы системы согласно фиг. 1-3, связанные с генерацией сигнала мощности и с синхронизацией рабочей частоты и первичной резонансной частоты друг с другом.
В данном примере, передатчик мощности содержит индуктивный импеданс и емкостной импеданс, образующие резонансный контур.
В конкретном примере, индуктивный импеданс соответствует непосредственно индуктору, но понятно, что в других вариантах осуществления индуктивный импеданс может быть любым одно-портовым/двухполюсным элементом, который имеет по меньшей мере частичный индуктивный импеданс, то есть, который имеет индуктивный реактивный компонент или, другими словами, который имеет комплексный импеданс с положительной мнимой частью. Таким образом, индуктивный импеданс может быть линейной двухполюсной цепью или (эквивалентным) компонентом, для которого напряжение на выводах по меньшей мере частично зависит от производной тока, протекающего через компонент/цепь.
Аналогичным образом, в конкретном примере, емкостной импеданс соответствует непосредственно конденсатору, но понятно, что в других вариантах осуществления емкостной импеданс может быть любым одно-портовым/двухполюсным элементом, который имеет по меньшей мере частичный емкостной импеданс, то есть, который имеет емкостной реактивный компонент или, другими словами, который имеет комплексный импеданс с отрицательной мнимой частью. Таким образом, емкостной импеданс может быть линейной двухполюсной цепью или (эквивалентным) компонентом, для которого ток через цепь/компонент на выводах по меньшей мере частично зависит от производной напряжения на выводах.
Понятно, что в большинстве вариантов осуществления, резистивная часть индуктивного и емкостного импеданса, как правило, будет гораздо меньшей и часто пренебрежимо малой по сравнению с реактивным компонентом. Это гарантирует, что колебания являются относительно слабозатухающими, т.е. обеспечивается относительно высокая Q (добротность) для резонансного контура.
Для ясности и краткости, последующее описание будет фокусироваться на индуктивном импедансе, являющемся (идеальным) индуктором 1201 и, в частности, катушкой 103 передатчика согласно фиг. 1 и 2, и емкостном импедансе, являющемся идеальным конденсатором 1203. Однако понятно, что любая ссылка на индуктор 1201 может в случае необходимости заменяться ссылкой на индуктивный импеданс или реактивность, и что любая ссылка на конденсатор 1203 может также соответственно заменяться ссылкой на емкостной импеданс или реактивность. Для краткости, пара индуктора 1201 и конденсатора 1203 также будет упоминаться как резонансные компоненты.
Индуктор 1201 и конденсатор 1203 связаны друг с другом в резонансной конфигурации. В данном примере, индуктор 1201 и конденсатор 1203 связаны в последовательном резонансе, но понятно, что в других вариантах осуществления они могут быть связаны в конфигурации параллельного резонанса.
Индуктор 1201 и конденсатор 1203 будут обладать собственной резонансной частотой, соответствующей резонансной частоте резонансного контура, содержащего лишь индуктор 1201 и конденсатор 1203. Как известно, резонансная частота для такого контура определяется как , где L - индуктивность индуктора 1201 и С - емкость конденсатора 1203.
Однако в системе согласно фиг. 12, передатчик мощности дополнительно содержит схему 1205 модификации частоты, выполненную с возможностью управления частотой резонанса для резонансного контура путем замедления изменения состояния для конденсатора 1203 и/или индуктора 1201. Схема 1205 модификации частоты может считаться частью резонансного контура (или может считаться полностью или частично внешней по отношению к нему). Следует также иметь в виду, что хотя схема 1205 модификации частоты на фиг. 12 показана как одиночный двухполюсный элемент, подсоединенный последовательно между индуктором 1201 и конденсатором 1203, это всего лишь пример, и что другие конфигурации будут использоваться в других вариантах осуществления. Например, схема 1205 модификации частоты в примере согласно фиг. 12 имеет только два вывода, но понятно, что, в других вариантах осуществления, схема 1205 модификации частоты может иметь больше выводов и может быть соединена с другими частями схемы, включая, например, шины питания для возбудителя.
Схема 1205 модификации частоты выполнена с возможностью модификации резонансной частоты путем замедления изменения состояния одного или обоих из индуктора 1201 и конденсатора 1203. Состояние индуктора 1201 и конденсатора 1203 может рассматриваться как представленное значениями энергии тока для компонента и, в частности, может рассматриваться как соответствующее току индуктора 1201 () и напряжению конденсатора 1203 ().
В обычном резонансном контуре, образованном конденсатором и индуктором, резонанс достигается за счет непрерывного и периодического изменения фазы, получаемого в результате потока энергии, протекающего туда и обратно между конденсатором (где энергия хранится как электрическая потенциальная энергия) и индуктором (где энергия хранится как магнитная потенциальная энергия). Скорость изменения состояния и поток энергии в такой системе определяются значениями конденсатора и индуктора, и это приводит к колебаниям на собственной резонансной частоте .
Однако в системе согласно фиг. 12, резонансный контур не может просто выполнять свободные колебания, а вместо этого схема 1205 модификации частоты замедляет изменение состояния по меньшей мере одного из индуктора 1201 и конденсатора 1203 в течение частичного временного интервала некоторых и, как правило, всех циклов.
Изменение состояния, таким образом, замедляется в течение частичного временного интервала относительно изменения состояния свободных колебаний резонансного контура, содержащего только конденсатор 1203 и индуктор 1201.
В частности, изменение состояния замедляется, препятствуя потоку энергии между конденсатором 1203 и индуктором 1201 (путем замедления потока энергии от индуктора 1201 к конденсатору 1203, от конденсатора 1203 к индуктору 1201 или как от индуктора 1201 к конденсатору 1203, так и от конденсатора 1203 к индуктору 1201). В резонансном контуре, положительный ток течет от индуктора 1201 к конденсатору 1203 в течение половины резонансного цикла и от конденсатора 1203 к индуктору 1201 в течение второй половины резонансного цикла. Во многих вариантах осуществления, замедление потока энергии может достигаться за счет воспрепятствования току протекать между резонансными компонентами. Во многих вариантах осуществления, схема 1205 модификации частоты может быть выполнена так, чтобы препятствовать току от индуктора 1201 к конденсатору 1203, например, путем направления (части или всего) тока индуктора 1201 в сторону от конденсатора 1203 (включая, возможно, направление как отрицательного, так и положительного тока в сторону от конденсатора 1203). В других вариантах осуществления, схема модификации частоты 1205 может быть выполнена так, чтобы препятствовать току от конденсатора 1203 к индуктору 1201, например, путем отсоединения конденсатора 1203 от индуктора 1201 в течение частичного временного интервала (тем самым устанавливая напряжение на индуктивности в нуль; то есть, как ток, так и напряжение устанавливаются равными нулю для индуктора).
В этих примерах, протекание тока между резонансными компонентами, таким образом, уменьшается или даже предотвращается полностью в течение частичного временного интервала. В течение этого частичного временного интервала, изменение состояния по меньшей мере одного из компонентов может быть замедлено или полностью остановлено. Если это выполняется в течение нескольких циклов и, в частности, в каждом цикле, то результатом будет то, что резонансная схема будет вести себя так, как будто резонирует на более низкой частоте, чем собственная резонансная частота для конфигурации свободных колебаний резонансного контура. Эта более низкая частота будет упоминаться как эффективная резонансная частота резонансного контура.
Схема 1205 модификации частоты может таким способом управлять эффективной резонансной частотой и настраивать ее, чтобы она была ниже собственной резонансной частоты. Фактическая эффективная резонансная частота в системе согласно фиг. 12 управляется с помощью схемы 1205 модификации частоты, способной варьировать тайминг/длительность частичного временного интервала. Таким образом, чем длиннее частичный временной интервал, тем больше будет эффект замедления изменения состояния, и, следовательно, тем ниже будет эффективная резонансная частота.
В системе согласно фиг. 12, схема 1205 модификации частоты является не просто независимо управляемой, чтобы обеспечивать требуемую резонансную частоту. Скорее, работа схемы 1205 модификации частоты тесно интегрирована с возбуждением резонансного контура 201 и, таким образом, с передачей мощности и общей работой системы передачи мощности.
В частности, в системе согласно фиг. 12, возбудитель 203 формирует сигнал синхронизации и вводит его в схему 1205 модификации частоты. Сигнал синхронизации включает в себя переходы, которые указывают, когда частичный временной интервал должен начинаться и/или заканчиваться (могут быть и другие переходы, которые игнорируются). Схема 1205 модификации частоты выполнена с возможностью выравнивания частичных временных интервалов с этими переходами.
Таким образом, переходы сигнала тайминга управляют таймингом частичного временного интервала и, в частности, управляют временем начала, временем окончания или как временем начала, так и временем окончания. Схема 1205 модификации частоты соответственно устанавливает время начала и/или окончания частичного временного интервала на основе сигнала синхронизации. Как правило, сигнал синхронизации представляет собой сигнал переключения, который используется для управления переключателем схемы 1205 модификации частоты, который может активировать/деактивировать воспрепятствование потока энергии, т.е. он может активировать/деактивировать замедление изменения состояния. Сигнал тайминга может включать в себя переходы, которые могут обнаруживаться схемой 1205 модификации частоты и использоваться ею, чтобы непосредственно или опосредованно управлять переключателем для включения и выключения препятствия протеканию тока. Схема 1205 модификация частоты, как правило, выравнивает время начала или окончания с переходами, включая или выключая замедление, по существу, в то же самое время, что и соответствующий переход (например, в пределах 1/50-ой от временного периода цикла).
Таким образом, в системе, возбудитель 203 управляет по меньшей мере частью тайминга частичного временного интервала. Кроме того, возбудитель 203 выполнен с возможностью управлять сигналом тайминга таким образом, что он и, соответственно, частичный временной интервал, синхронизируется с сигналом возбуждения. В частности, возбудитель содержит синхронизатор 1207, который генерирует сигнал тайминга и синхронизирует его с сигналом возбуждения.
Соответственно, в варианте осуществления, тайминг частичного временного интервала тесно связана с сигналом возбуждения. Эта связь обеспечивает близкое соответствие между возбуждением резонансного контура 201 и эффективным резонансом резонансного контура 201. Связывание сигнала возбуждения и сигнала тайминга позволяет, в частности, автоматически захватывать резонансную частоту так, чтобы быть той же частотой, что и рабочая частота сигнала возбуждения. В самом деле, синхронизатор 1207 может синхронизировать сигнал тайминга и, таким образом, частичный временной интервал, так что каждое время цикла резонансного контура 201 является таким же, как время цикла для соответствующего цикла сигнала возбуждения. Таким образом, данный подход к управлению частичным временным интервалом посредством возбудителя, причем это основано на сигнале возбуждения, может обеспечить систему, в которой резонансная частота всегда совпадает с частотой сигнала возбуждения. Действительно, даже отдельные временные периоды каждого отдельного времени цикла могут регулироваться для их совпадения.
Данный подход не только обеспечивает низкий уровень сложности и, например, не требует никаких измерений или детектирования каких-либо сигналов резонансного контура 201 (например, тока или напряжения индуктора или конденсатора), но он также может автоматически гарантировать, что частоты являются идентичными.
Данный подход может обеспечить ряд преимуществ. В частности, он может привести к снижению, а во многих вариантах осуществления к предотвращению интермодуляции. Он может также во многих вариантах осуществления обеспечить улучшенную передачу мощности и, в частности, может повысить эффективность передачи мощности. Как правило, эффективность передачи мощности увеличивается, чем ближе друг к другу первичная резонансная частота, вторичная резонансная частота и рабочая частота сигнала возбуждения. Описанный подход позволяет рабочей частоте и первичной резонансной частоте тесно и автоматически связываться друг с другом, позволяя им изменяться, чтобы соответствовать вторичной резонансной частоте. Соответственно, может быть применена только адаптация сигнала возбуждения к вторичной резонансной частоте, при этом первичная резонансная частота также устанавливается автоматически.
Фиг. 13 иллюстрирует пример передатчика мощности согласно фиг. 12, причем схема 1205 модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния конденсатора 1203. В данном примере, схема 1205 модификации частоты выполнена с возможностью отвода тока от индуктора 1201 в сторону от конденсатора 1203 в течение частичного временного интервала. Такой отвод реализуется с помощью переключателя 1301, который соединен параллельно с конденсатором 1203 и который выполнен с возможностью его короткого замыкания. Таким образом, схема 1205 модификации частоты может быть реализована управляемым переключателем.
В данном примере, переключатель 1301 замкнут в течение частичного временного интервала. Размыкание и замыкание переключателя 1301 управляется переходами сигнала тайминга, генерируемого возбудителем 203, и соответствующим образом синхронизировано с сигналом переключения. Когда переключатель замкнут, ток, который протекает через индуктор 1201 и который в противном случае заряжал бы или разряжал конденсатор 1203, вместо этого направляется через переключатель 1301. Таким образом, в случае замыкания накоротко конденсатора 1203, ток обходит конденсатор 1203 и, соответственно, не заряжает конденсатор. В данном примере, переключатель 1301 выполнен с возможностью замыкания в момент времени, соответствующий напряжению на конденсаторе 1203, равному нулю. В это время, существует значительный ток через индуктор 1201 (на самом деле этот ток будет на максимальном уровне). Однако за счет короткого замыкания переключателя, этот ток больше не течет через конденсатор 1203, а вместо этого будет протекать через переключатель 1301. Соответственно, короткое замыкание конденсатора 1203 гарантирует, что напряжение поддерживается на нуле, то есть состояние конденсатора 1203 поддерживается постоянным.
Следует отметить, что переключатель 1301 соответственно формирует путь отвода тока, который может отводить как положительный, так и отрицательный ток от конденсатора 1203.
По истечении определенного времени, то есть в конце частичного временного интервала, выключатель снова размыкается, в результате чего ток, протекающий через индуктор, протекает теперь в конденсатор 1203 или из него. В результате, конденсатор 1203 начинается заряжаться, и напряжение на конденсаторе изменяется соответствующим образом. Это приведет к тому, что эффективная емкость конденсатора 1203, как "наблюдается" от индуктора, увеличивается, и, таким образом, резонансная частота уменьшается. Полученная эффективная резонансная частота будет зависеть от тайминга частичного временного интервала, причем увеличение длительности приводит к уменьшению эффективной резонансной частоты.
В частности, в случае короткого замыкания конденсатора в течение части периода сигнала возбуждения, эффективная емкость будет увеличиваться.
Для того чтобы проиллюстрировать этот эффект, может рассматриваться конденсатор C1, который заряжается средним током  в течение времени t2 до напряжения U1(t2). Напряжение U1(t2) может быть выражено следующим образом:
Рассматривая вместо этого другой конденсатор C2 с меньшим значением, чем C1, но короткозамкнутый от 0 до t1 и заряжающийся от t1 до t2, этот конденсатор заряжается тем же средним током  до напряжения U1(t2). Для С2 напряжение может быть определено следующим образом:
Если U1(t2) и U2(t2) равны при t2, то С1 может быть выражено следующим образом:
Другими словами, хотя конденсатор С2 меньше по величине, в момент времени t2 оба конденсаторы заряжаются до того же напряжения. В момент времени t2, конденсатор С2 подвергает индуктор действию того же напряжения, что и конденсатор C1. Таким образом, эффектом короткого замыкания является увеличение эффективной (или кажущейся) емкости конденсатора, как "наблюдается" индуктором.
Пример сигналов в схеме, показанной на фиг. 13, представлен на фиг. 14. В этом примере, индуктивность индуктора 1201 составляет Lp=200 мкГн, и емкость конденсатора 1203 составляет Cp=8,2 нФ, что приводит к собственной резонансной частоте:
.
В данном примере, верхняя кривая показывает сигнал возбуждения.
Как можно видеть, для каждого цикла, переключатель 1301 выполнен с возможностью короткого замыкания конденсатора 1203 в течение первого частичного временного интервала (для положительного пересечения нуля напряжения конденсатора) и в течение второго частичного временного интервала (для отрицательного пересечения нуля напряжения конденсатора). В каждом частичном временном интервале, напряжение, таким образом, поддерживается постоянным в течение приблизительно 1 мкс. В течение этого времени напряжение конденсатора 1203 не изменяется. Аналогичным образом, ток через индуктор 1201 также почти не изменяется (он практически постоянный при максимальном значении), вследствие того, что индуктор 1201 не подвергается действию напряжения.
Как можно видеть, эффективная резонансная частота снижается, и в самом деле в данном примере достигается эффективная резонансная частота около 102 кГц.
Точная эффективная резонансная частота может быть установлена просто путем регулировки длительности частичных временных интервалов. Чем дольше длительность, тем меньше частота.
Кроме того, можно видеть, что, если длительность между импульсами сигнала возбуждения поддерживается постоянной, рабочая частота сигнала возбуждения может изменяться посредством изменения длительности импульсов сигналов возбуждения. Однако это будет непосредственно приводить к тому, что правый фронт сигнала тайминга изменяется таким же образом, и за счет поддержания левого фронта сигнала тайминга связанным с пересечением нуля конденсатора, это приводит к соответствующему изменению частичных временных интервалов. Соответственно, резонансная частота будет непосредственно следовать за рабочей частотой сигнала возбуждения и будет по своей сути той же самой.
Фиг. 8 иллюстрирует другой вариант осуществления системы по фиг. 12. В этом примере, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния для индуктивного импеданса, препятствуя протеканию тока (и, в частности, скорости изменения протекания тока) от емкостного импеданса к индуктивному импедансу в течение частичного временного интервала или, эквивалентно, путем уменьшения напряжения, прикладываемого конденсатором на индуктивной емкости. В частности, в данном примере, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния для индуктивного импеданса путем блокирования протекания тока от емкостного импеданса к индуктивному импедансу в течение частичного временного интервала или, эквивалентно, путем установки напряжения индуктора в нуль.
В этом примере, ток от конденсатора 1203 к индуктору 1201 блокируется переключателем 1501, который включен последовательно с индуктором 1201. В данном примере, возбудитель 203 выполнен с возможностью эффективно разъединять связь между конденсатором 1203 и индуктором 1201 в течение части резонансного цикла. Возбудитель 203 синхронизирует переключатель 1501 с сигналом возбуждения и, в принципе, работает, как описано для примера, показанного на фиг. 13. В самом деле, в примере согласно фиг. 13, переключатель 1301 выполнен с возможностью фиксировать напряжение на конденсаторе 1203 на нуле путем управления током через конденсатор 1203, чтобы он был равен нулю. В примере согласно фиг. 15, переключатель 1501 выполнен с возможностью фиксации тока через индуктор 1201 на нуле путем отсоединения индуктора 1201 от конденсатора 1203 и, таким образом, исключая влияние напряжения конденсатора на индуктор. Таким образом, эти два подхода эквивалентны с тем соображением, что работа конденсатора и индуктора одинакова, если роли тока и напряжения меняются местами. Действительно, сигналы согласно фиг. 14 можно также применить к примеру согласно фиг. 15, если кривые для тока индуктора и напряжения конденсатора меняются местами с напряжением конденсатора и током индуктора, соответственно.
Следует также отметить, что в предоставленных примерах, изменение состояния как конденсатора 1203, так и индуктора 1201 замедляется или в значительной степени "замораживается" в течение частичного временного интервала. В самом деле, в примере согласно фиг. 13, в течение частичного временного интервала никакой ток не достигает конденсатора 1203, и напряжение является постоянным и равным нулю. Однако это также устанавливает напряжение на индукторе 1201 в нуль, и, таким образом, ток индуктора является по существу постоянным, т.е. не существует практически никакого изменения состояния для индуктора 1201. Аналогичным образом, в примере согласно фиг. 15, в течение частичного временного интервала, никакой ток не может протекать от конденсатора 1203, и, соответственно, напряжение на конденсаторе 1203 будет по существу постоянным, т.е. не существует практически никакого изменения состояния для конденсатора 1201.
В предыдущих примерах, начало частичных временных интервалов было синхронизировано (и, в частности, выровнено) с пересечениями нуля, соответственно, напряжения индуктора и тока конденсатора. В частности, время начала частичных временных интервалов выровнено с пересечениями нуля, соответственно, напряжения конденсатора и тока индуктора. Это обеспечивает особые преимущества, когда протекание тока между конденсатором 1203 и индуктором 1201 полностью сводится к нулю в течение частичных временных интервалов. Однако следует принимать во внимание, что в некоторых вариантах осуществления, могут быть использованы более постепенные снижения в протекании тока.
Следует принимать во внимание, что замедление изменения состояния и потока энергии между конденсатором 1203 и индуктором 1201 может быть достигнуто за счет уменьшения, а не предотвращения полностью протекания тока между резонансными компонентами. Уменьшенный ток может, например, достигаться с помощью схемы регулирования тока, которая, например, может управляться в реальном времени с помощью микроконтроллера.
Однако в качестве другого примера, уменьшение может, например, быть достигнуто за счет включения дополнительного конденсатора или индуктора в течение частичных временных интервалов. Например, в примере согласно фиг. 16, дополнительный конденсатор 1601 уменьшения тока вводится последовательно с переключателем согласно фиг. 13. В течение частичного временного интервала, переключатель 1301 не замыкает накоротко конденсатор 1203, но вводит параллельно конденсатор 1601 уменьшения тока. Это приводит к тому, что ток к конденсатору 1203 уменьшается, так как часть тока протекает в конденсатор 1601 уменьшения тока в течение частичного временного интервала, уменьшая тем самым изменение состояния конденсатора 1203 и, тем самым, напряжение, которое конденсатор 1203 прикладывает к индуктору (конденсатор 1601 уменьшения тока заряжается и разряжается вместе с конденсатором 1203).
Соответствующий пример для индуктора 1201 показан на фиг. 17. В этом примере, индуктор 1701 уменьшения тока включен последовательно с индуктором 1201, и переключатель 1703 соединен параллельно с индуктором 1701 уменьшения тока. В этом примере переключатель 1703 разомкнут в течение частичного временного интервала, что приводит к тому, что эффективная индуктивность увеличивается. Соответственно, изменение тока через индуктор уменьшается (так как напряжение, которое прикладывает конденсатор 1203, теперь разделяется на индукторы 1201 и 1701, и, таким образом, результирующее напряжение, которое конденсатор 1203 прикладывает к индуктору 1201, снижается) в течение частичного временного интервала. В конце частичного временного интервала, переключатель 1703 замкнут, тем самым замыкая накоротко индуктор 1701 уменьшения тока.
В дальнейшем работа системы будет описана дополнительно со ссылкой на систему, в которой возбудитель 203 содержит переключающий мост/инвертор для генерации сигнала возбуждения. Переключающий мост может, в частности, быть полу-мостовой схемой или полно-мостовой схемой соответственно примерам согласно фиг. 3 и 4.
В данном примере, возбудитель 203, кроме того, генерирует сигнал тайминга так, чтобы он имел переходы, которые непосредственно управляют частичным временным интервалом. В частности, сигнал генерируется так, чтобы иметь переходы, возникающие в моменты времени, соответствующие (и, как правило, по существу, идентичные, например, в пределах 1/50-ой времени цикла) времени начала частичного временного интервала, в моменты времени, соответствующие (и, как правило, по существу, идентичные, например, в пределах 1/50-ой времени цикла) времени окончания частичного временного интервала, или в моменты времени, соответствующие (и, как правило, по существу, идентичные, например, в пределах 1/50-ой времени цикла) времени начала и времени окончания частичного временного интервала времени.
Кроме того, в примерах, возбудитель 203 выполнен с возможностью синхронизации сигнала тайминга с одним (или несколькими) из сигналов переключения, управляющих переключателями переключающего моста. Таким образом, так как сигнал возбуждения генерируется переключением переключателей в переключающем мосте, синхронизация сигнала тайминга и, таким образом, частичных временных интервалов с сигналом переключения также обеспечивает синхронизацию с сигналом возбуждения.
Фиг. 18 показывает пример электрической модели элементов примера системы индуктивной передачи мощности согласно фиг. 1 и 2.
р
p
р
s
s
d
m
m
7
10
1
1
Первичный резонансный контур 201 представлен компонентами C и L (соответствующими конденсатору 1203 и индуктору 1201). Возбудитель представлен посредством V и переключающего моста, образованного переключателями M1-M4, которые в конкретном примере являются полевыми транзисторами. Вторичный резонансный контур 205 представлен компонентами C, L. Конденсатор С создает резонанс на частоте 1 МГц, что позволяет передатчику мощности, который используют подвижную катушку, определять местоположение приемника мощности (например, в соответствии с принципами, спецификации Qi беспроводного питания (версия 1.0)). Конденсатор С и переключатель S представляют нагрузочную модуляцию посредством приемника 105 мощности. Диоды D-D и C и R представляют нагрузку приемника 105 мощности (с диодами, обеспечивающими выпрямление).
р
1
р
о
n
p
р
p
р
р
р
В примере, когда переключатель S1 размыкается и замыкается с соответствующим рабочим циклом, эффективная емкость становится больше, чем собственная емкость конденсатора 1203 (С). Если желательно, чтобы эффективная резонансная частота передатчика мощности была ниже собственной резонансной частоты, то переключатель S замыкается на короткий период времени, как раз после того, как напряжение на C проходит нулевое напряжение от отрицательного к положительному и/или наоборот. Это проиллюстрировано на фиг. 19, где сначала показан сигнал возбуждения и сигнал тайминга, управляющий переключателем S, затем ток через индуктор 1201 и, наконец, напряжение на конденсаторе (соответственно фиг. 14). Сигнал возбуждения подается на резонансный контур с частотой f и коэффициентом заполнения D, равными, соответственно, 93 кГц и 10%, то есть сигнал возбуждения имеет рабочую частоту 93 кГц. В этом примере, собственная резонансная частота f резонансного контура составляет 100 кГц. Соответственно, напряжение на резонансном контуре (обозначаемое V(левое, правое)) должно для резонансного контура свободных колебаний запаздывать относительно тока i(t), что означает, что он находится в емкостном режиме работы. Однако в системе согласно фиг. 18, переключатель S1 замыкает накоротко конденсатор С таким образом, что первая гармоника напряжения V(левое, правое) и ток i(t) находятся в фазе, что означает, что передатчик мощности работает в резонансе. Таким образом, этот резонанс достигается путем запрета увеличения (или уменьшения) напряжения на конденсаторе С непосредственно после события пересечения нуля напряжения V(С) путем замыкания переключателя S1 с соответствующим рабочим циклом. Это эффективно отводит ток от индуктивности в сторону от конденсатора С.
Пример подхода, который во многих вариантах осуществления будет более практичным, чем пример согласно фиг. 18, представлен на фиг. 20. В примере согласно фиг. 20, достигается упрощение тайминга согласно фиг. 18, что может обеспечить дополнительную гибкость.
В примере, показанном на фиг. 20, переключатель заменен двумя путями отвода тока, один из которых обеспечивает короткое замыкание для тока, текущего в одном направлении, а другой - для тока, текущего в другом направлении. В данном примере каждый путь отвода тока включает в себя выпрямитель (конкретно, диод), который гарантирует, что ток может протекать только в одном направлении для этого пути.
В этом примере, положительный ток через резонансный контур теперь шунтируется посредством D6/M6, а отрицательный ток шунтируется посредством D5/M5. Диоды D5 и D6 предотвращают проводимость через конструктивные диоды элементов M5 и M6. Переключатель/FET M6 управляется точно тем же сигналом, что и переключатель/FET M4, т.е. в данном примере сигнал переключения для управления таймингом частичного временного интервала является точно таким же, что и сигнал переключения для одного из переключателей переключающего моста. В самом деле, по меньшей мере одно из времени начала и окончания частичного временного интервала не только синхронизировано, но и совпадает с переключением одного из переключателей переключающего моста, генерирующего сигнал возбуждения.
р
p
р
В самом деле, когда переключатель М4 является проводящим, напряжение V(С) резонирует от отрицательного к положительному. Когда это напряжение становится положительным, диод D6 немедленно начинает проводить, так как переключатель M6 уже находится во включенном состоянии. Таким образом, ток i(t) коммутируетcя естественным образом от конденсатора С к D6/M6 без необходимости в сложном управлении таймингом. Это дополнительно показано на фиг. 21.
Аналогичная ситуация имеет место для второго пути M5/D5. Действительно, в этом примере, управляющий сигнал переключения для переключателя M5 непосредственно генерируется так, чтобы совпадать с переключением М3.
В данном примере каждый из путей отвода тока (D5/M5 и D6/M6), соответственно, включает в себя как переключатель, так и выпрямитель. Это допускает более гибкий тайминг частичного временного интервала.
В частности, использование как переключателя, так и выпрямителя позволяет передатчику мощности выравнивать одно из времени начала и времени окончания частичных временных интервалов с переходами в сигналах тайминга, в то время как другое автоматически генерируется выпрямителем, т.е. определяется переключением выпрямителя между проводящим и непроводящим состоянием.
В примере, показанном на фиг. 20, переключатель может быть включен в проводящее состояние в течение времени, когда напряжение конденсатора отрицательно. Однако из-за диода D6, путь D6/M6 отвода тока не проводит ток и, таким образом, не отклоняет какой-либо (отрицательный или положительный) ток от конденсатора 1203. Таким образом, точный тайминг переключения на переключателе M6 не имеет никакого значения, так как она не образует начала частичного временного интервала, в котором отводится ток.
Однако, вскоре после пересечения нуля напряжения на конденсаторе 1203, диод D6 начнет проводить (как только напряжение является достаточно высоким, чтобы обеспечить достаточное прямое смещение). Таким образом, когда диод D6 переключается из непроводящего в проводящее состояние, путь отвода тока начинает отводить ток от индуктора 1201 в сторону от конденсатора 1203. Таким образом, начало частичного временного интервала управляется диодом, переключающимся из непроводящего в проводящее состояние, и не зависит от того, когда переключатель M6 переключается. Таким образом, время начала частичного временного интервала может быть не выровненным с сигналом тайминга.
Путь отвода тока будет продолжать отводить ток до тех пор, пока переключатель М6 не переключится в открытое состояние (до тех пор, пока существует ток, протекающий от индуктора в прямом направлении диода D6). Таким образом, время окончания частичного временного интервала выравнивается с переходами сигнала тайминга и, следовательно, с переходами сигнала переключения для переключателя M4.
Соответственно, в примере согласно фиг. 20 и, как показано на фиг. 21, передатчик мощности выполнен с возможностью выравнивания времени начала частичных временных интервалов с переключением выпрямителя (диода D6) из непроводящего в проводящее состояние, в то время как время окончания выравнено с переходами в сигнале тайминга и, таким образом, с переходами в сигнале переключения. В самом деле, тот же самый сигнал переключения может быть использован как для переключателя пути отвода тока, так и для переключателя переключающего моста.
Следует принимать во внимание, что в других вариантах осуществления, те же самые принципы могут быть, например, применены для управления концом частичного временного интервала в ответ на переключение выпрямителя в проводящее состояние, в том числе, потенциально окончание частичного временного интервала, когда выпрямитель переключается из проводящего состояния в непроводящее состояние. Такие реализации могут, например, быть полезными, когда используется блокирование тока к индуктору, например, вместо отвода тока от конденсатора.
Данный подход имеет ряд особых преимуществ. В самом деле, это позволяет проводить автоматическую синхронизацию начала частичных временных интервалов с пересечениями нуля напряжения конденсатора и/или тока индуктора. Таким образом, он автоматически выравнивает начало частичного временного интервала с моментами времени, когда компоненты могут легко замыкаться накоротко или отсоединяться, тем самым допуская вариант осуществления меньшей сложности.
Еще одно существенное преимущество состоит в том, что обеспечивается дополнительная гибкость при генерации сигнала возбуждения и сигнала переключения для переключающего моста. В частности, так как частичные временные интервалы синхронизированы только с одним фронтом сигналов переключения, другой может (в разумных пределах) свободно варьироваться. В частности, это позволяет изменять коэффициент заполнения и, таким образом, позволяет возбудителю динамически изменять уровень мощности генерируемого сигнала передачи мощности без изменения, например, рабочей частоты или амплитудного уровня сигнала.
В самом деле, такой подход допускает значительно более упрощенную генерацию сигнала возбуждения. В частности, вместо включения соответствующих переключателей переключающего моста (M1/M4 и M2/M3, соответственно) только в течение относительно короткого временного интервала, в котором сигнал возбуждения активен (то есть, как в первой кривой согласно фиг. 21), всеми переключателями можно управлять с помощью сигналов по существу прямоугольных колебаний с коэффициентом заполнения 50%. Коэффициент заполнения сигнала возбуждения может тогда генерироваться с помощью относительной разности фаз между этими сигналами возбуждения. Однако, так как только один из фронтов управляет таймингом частичных временных интервалов, это не влияет на частичный временной интервал.
Кроме того, такой подход по-прежнему гарантирует, что первый приемник 105 мощности и рабочая частота по своей сути синхронизированы друг с другом на одном и том же значении. В частности, это связано с тем, что колебания резонансного контура 201 эффективно перезапускаются для каждого цикла сигнала возбуждения.
Следует отметить, что в примере согласно фиг. 20 уровни напряжения в системе, как правило, требуют, чтобы переключатели, управляющие частичным временным интервалом (т.е., переключателями M5 и M6) управляются посредством схем сдвига уровня высокого напряжения, что обычно реализуется с использованием двух дополнительных импульсных трансформаторов.
Однако этого можно частично избежать в системе согласно фиг. 22 (в частности, схему сдвига уровня высокого напряжения можно заменить на переключатель M6). В этом примере два пути отвода тока подсоединены между точкой соединения индуктора 1201 и конденсатора 1203 и шинами питания для подачи мощности на переключающий мост.
Работа системы согласно фиг. 22 аналогична примеру согласно фиг. 20 и просто предоставляет другой путь обратно к источнику питания для отводимого тока. Однако важным отличием является то, что переключатели M5 и M6 привязаны, соответственно, к шине напряжения и заземлению для инвертора, т.е. к фиксированным напряжениям. Это может существенно облегчить управление переключателями, например, когда они выполнены в виде MOSFET (полевых МОП-транзисторов). В примере, переключатель М6 может быть реализован с помощью MOSFET, возбуждаемого непосредственно тем же сигналом переключения, что и M4. Однако MOSFET, реализующий M5, будет требовать импульсного трансформатора, так как напряжение истока этого MOSFET будет иметь отрицательные значения напряжения.
Фиг. 23 иллюстрирует модификацию системы согласно фиг. 22. В этом примере путь отвода тока к шине напряжения, т.е. путь отвода тока, содержащий D5/M5, полностью удален. Хотя эта система вводит частичные временные интервалы только для половины из пересечений нуля (т.е., только одно пересечение нуля на один цикл), было установлено, что она обеспечивает эффективную регулировку эффективной резонансной частоты.
Таким образом, в системе согласно фиг. 23, путь отвода тока содержит переключатель и выпрямитель, соединенные в последовательной конфигурации, один конец пути отвода тока связан с точкой соединения между индуктором и конденсатором, а другой конец пути отвода тока связан с заземленной шиной питания для переключающего моста. В системе, выпрямитель выравнивает времена начала частичных временных интервалов с временем, когда выпрямитель переключается из непроводящего в проводящее состояние, причем времена окончания частичного временного интервала выравниваются с переключением переключателя М4 переключающего моста.
Такой подход обеспечивает подход низкой сложности к адаптации резонансной частоты передатчика мощности, чтобы она соответствовала сигналу возбуждения. Данный подход может конкретно обеспечивать автоматическую систему, в которой частота сигнала возбуждения всегда совпадает с резонансной частотой первичного резонансного контура, и наоборот.
Для иллюстрации синхронизации рабочей частоты и первичной резонансной частоты, может быть рассмотрена система, показанная на фиг. 24. Данный пример иллюстрирует возбудитель 203, возбуждающий резонансный контур, содержащий индуктор 1201 (L) и конденсатор 1203 (C). Если возбудитель прикладывает ступенчатое напряжение к резонансному контуру, он начинает осциллировать на хорошо известной резонансной частоте f=. Эти колебания наблюдаются в токе I (сплошная линия), проходящем через систему, и напряжении V (пунктирная линия) в соединении между индуктором 1201 и конденсатором 1203. При наличии затухания колебания замирают через некоторое время, что приводит к стационарному состоянию, в котором конденсатор 1203 заряжается до ступенчатого напряжения возбудителя 203. На практике, резонансный контур имеет высокий коэффициент Q, то есть низкое затухание, что означает, что колебания продолжаются в течение многих периодов резонансной частоты.
Если возбудитель 203 прикладывает сигнал на частоте, равной резонансной частоте, колебания могут поддерживаться неопределенно долго, даже при наличии затухания. В этом случае очень большие токи могут проходить через контур. Однако если возбудитель 203 прикладывает сигнал на частоте, отличной от резонансной частоты, то система не будет "колебаться" очень хорошо, в результате чего значительно более низкий ток протекает через контур. На самом деле, в последнем случае, сигналы тока и напряжения в контуре будут содержать две частоты, а именно, частоту возбуждения и резонансную частоту, где резонансная частота будет более выраженной с более высоким коэффициентом Q резонансного контура. Две частоты в сигналах тока и напряжения приводят к частоте биений в их амплитуде - это иногда (ошибочно) упоминается как интермодуляция между двумя частотами. В системе беспроводной передачи мощности, которая опирается на амплитудную модуляцию, - как это достигается за счет нагрузочной модуляции на стороне приема мощности системы, - это может сделать надежную связь затруднительной и даже невозможной. Поэтому является полезным и даже существенным в некоторых случаях, управлять системой на частоте, которая равна резонансной частоте.
Путем замыкания либо переключателя SW1, либо переключателя SW2 после завершения цикла колебаний на резонансной частоте, дальнейшие колебания на этой частоте будут запрещены. Другими словами, состояние изменения сигналов тока и напряжения в контуре будет замедлено до нуля в этом примере. Размыкание переключателя снова в начале следующего цикла сигнала возбуждения перезапускает колебание на резонансной частоте, как если бы сигнал возбуждения был приложен впервые. Это означает, что фазы сигнала тока или сигнала напряжения сбрасываются в соответствии с фазой возбуждающего сигнала. Другими словами, частота циклов в цепи становится эффективно равной частоте возбуждения - но они больше не имеют синусоидальную форму. На фиг. 25, левая сторона чертежа показывает результирующие формы волны для замыкания SW1 при пересечении нуля от отрицательного тока к положительному, а правая сторона чертежа показывает результирующую форму волны для замыкания SW2 при пересечении нуля от отрицательного напряжения к положительному. Сплошными линиями показаны формы волны, представляющие ток; штриховыми линиями показаны формы волны, представляющие напряжение; и пунктирными линиями показан сигнал возбуждения - в этом случае прямоугольное колебание.
Следует отметить, что, в зависимости от разности между частотой возбуждения и резонансной частотой, система может также работать, чтобы эффективно подавлять биения в сигналах тока и напряжения путем задействования переключателя(ей) один раз на каждые несколько циклов, в отличие от одного раза на каждый цикл. Например, если частота возбуждения приближается к резонансной частоте, частота биений увеличивается, и результирующие изменения амплитуды требуют нескольких циклов для создания. Сброс фаз на каждые несколько циклов в этом случае является достаточным, чтобы сохранить чувствительность для связи, основанной на нагрузочной модуляции, на достаточном уровне, при уменьшении возможных потерь в системе, которые могут возникнуть в результате работы переключателя(ей).
Синхронизация работы переключателей может быть достигнута многими способами, такими как, например, описанные выше для различных вариантов осуществления. Размыкание переключателя наиболее легко синхронизируется с фронтом, например, нарастающим фронтом - прямоугольного колебания или импульсного колебания сигнала возбуждения. Для замыкания переключателя, система измерения может быть добавлена в колебательный контур, которая запускается пересечением нуля сигнала тока или напряжения от отрицательного к положительному. Специалист в данной области техники сможет спроектировать много видов схем, которые выполняют эту функцию.
В случае системы беспроводного питания, которая содержит один возбудитель, возбуждающий несколько резонансных контуров параллельно, что является предпочтительной реализацией для достижения большего (бокового) допуска позиционирования приемника мощности, работа системы на резонансной частоте является затруднительной, если вообще возможной. Причина заключается в том, что из-за естественного разброса в значениях компонентов индуктивности и емкости, которые используются для реализации системы беспроводного питания, каждый резонансный контур, как правило, имеет различную резонансную частоту. Путем ограничения коэффициента Q каждого резонансного контура, сигнальный компонент тока и напряжения на резонансной частоте может поддерживаться малым по отношению к сигнальному компоненту на частоте возбуждения. Это удерживает под контролем биения по амплитуде, так что передачи на основе амплитудной модуляции остаются возможными. Однако недостаток такого подхода состоит в том, что низкий коэффициент Q требует относительно высокой связи, чтобы поддерживать эффективность передачи мощности на должной высоте. Другими словами, низкий коэффициент Q не допускает большого расстояния между частями передачи и приема мощности системы.
Путем запрета свободных колебаний, как описано выше, биения между различными частотами в системе - частотой возбуждения, а также различными резонансными частотами множества резонансных контуров - можно держать под контролем, что позволяет осуществлять связь посредством амплитудной модуляции. Другими словами, становится возможным реализовать высокодобротный передатчик мощности с множеством катушек или на основе решетки, который способен демодулировать амплитудные передачи от приемника мощности, который расположен на гораздо большем расстоянии.
Описание, представленное выше в отношении, в частности, фиг. 12-25, таким образом, обеспечивает примерные варианты осуществления ряда признаков. В частности, следующие признаки и принципы могут быть применены в конкретных описанных примерах, или даже в других схемах с использованием соответствующих подходов.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты может быть выполнена так, чтобы замедлять изменение состояния, препятствуя потоку энергии между индуктивным импедансом и емкостным импедансом во время частичного временного интервала.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния, препятствуя протеканию тока между индуктивным резонансом и емкостным импедансом в течение частичного временного интервала.
Это может обеспечивать особенно эффективное управление и может обеспечивать практическую реализацию. Протекание тока может быть положительным или отрицательным током. Воспрепятствование протеканию тока может включать в себя как уменьшение протекания тока, так и предотвращение протекания тока полностью.
Во многих вариантах осуществления, возбудитель содержит переключающий мост для генерации сигнала возбуждения; при этом возбудитель выполнен с возможностью синхронизации переходов сигнала тайминга с переходами сигнала переключения для переключателя переключающего моста.
Это может обеспечить улучшенную производительность во многих сценариях, и может, в частности, обеспечивать возможность очень эффективной и практической реализации. Несложное, но точное управление может быть реализовано во многих вариантах осуществления.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты содержит переключатель и выпрямитель, и схема модификации частоты выполнена с возможностью согласования одного из времени начала и времени окончания с переходами и выравнивания другого из времени начала и времени окончания с переключением выпрямителя между непроводящим и проводящим состоянием.
Это может обеспечивать особенно низкую сложность и эффективное управление. В частности, это может во многих сценариях обеспечивать возможность автоматизированной адаптации к соответствующим моментам времени для замедления изменений состояния, в частности, к соответствующим пересечениям нуля.
Выравнивание времени начала и окончания в ответ на различные параметры может обеспечивать дополнительную гибкость и, в частности, может обеспечивать большую гибкость управления параметрами сигнала возбуждения, например, в частности, коэффициентом заполнения.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния для емкостного импеданса путем отвода тока от индуктивного импеданса в сторону от емкостного импеданса в течение частичных временных интервалов.
Это может обеспечить особенно эффективную производительность, позволяя облегчить и, как правило, снизить сложность реализации.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты включает в себя путь отвода тока, выполненный с возможностью отвода тока от индуктивного резонанса в сторону от емкостного импеданса, причем путь отвода тока содержит переключатель для подключения и отключения пути отвода тока; и схема модификации частоты выполнена с возможностью выравнивания переключения переключателя с сигналом тайминга.
Это может обеспечить особенно эффективную производительность, позволяя облегчить и, как правило, снизить сложность реализации.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты содержит переключатель и выпрямитель, соединенные в последовательной конфигурации, и схема модификации частоты выполнена с возможностью выравнивания одного из времени начала и времени окончания с переходами и синхронизации другого из времени начала и времени окончания с переключением выпрямителя между непроводящим и проводящим состоянием.
Это может обеспечить особенно низкую сложность и эффективное управление. В частности, это может во многих сценариях обеспечить возможность автоматизированной адаптации к соответствующим моментам времени для замедления изменений состояния, в частности, к соответствующим пересечениям нуля.
Выравнивание времени начала и окончания в ответ на различные параметры обеспечивает дополнительную гибкость и, в частности, может обеспечивать возможность большей гибкости управления параметрами сигнала возбуждения, такими, в частности, как коэффициент заполнения.
Во многих вариантах осуществления, время начала частичных временных интервалов может быть выровнено с переключением выпрямителя из непроводящего в проводящее состояние, и времена окончания управляются сигналом тайминга.
Во многих вариантах осуществления, первый конец пути отвода тока соединен с точкой соединения между индуктивным импедансом и емкостным импедансом.
Это может обеспечить особенно выгодную реализацию, которая допускает эффективную, но все же облегченную работу. Во многих вариантах осуществления, данный подход может уменьшить сложность схемы модификации частоты, в частности, количество требуемых специализированных компонентов.
Во многих вариантах осуществления, второй конец пути отвода тока соединен с шиной подачи напряжения.
Это может обеспечить особенно выгодную реализацию, которая допускает эффективную, но все же облегченную работу. Во многих вариантах осуществления, данный подход может уменьшить сложность схемы модификации частоты, в частности, количество требуемых специализированных компонентов. Во многих вариантах осуществления, это может облегчить возбуждение переключателя для подключения и отключения пути отвода тока.
Во многих вариантах осуществления, возбудитель содержит переключающий мост, генерирующий сигнал возбуждения; и возбудитель выполнен с возможностью синхронизации переходов сигнала тайминга так, чтобы совпадать с переходами сигнала переключения для переключателя переключающего моста.
Это может обеспечить улучшенные рабочие характеристики и/или упрощенную реализацию. Синхронизация может, в частности, выравнивать переходы сигнала тайминга с переходами сигнала переключения, например, в пределах 1/50-ой временного периода для сигнала возбуждения.
Во многих вариантах осуществления, путь отвода тока содержит переключатель и выпрямитель, соединенные в последовательной конфигурации, первый конец пути отвода тока соединен с точкой соединения между индуктивным импедансом и емкостным импедансом, и второй конец пути отвода тока соединен с заземленной шиной питания для переключающего моста, и передатчик мощности выполнен с возможностью выравнивания времен начала частичного временного интервала с моментом переключения выпрямителя из непроводящего в проводящее состояние и выравнивания времен окончания частичного временного интервала с переключением переключателя переключающего моста.
Это может обеспечить особенно выгодные рабочие характеристики и/или реализацию.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния для индуктивного импеданса, препятствуя протеканию тока от емкостного импеданса к индуктивному импедансу в течение частичного временного интервала.
Это может обеспечить особенно эффективную производительность при обеспечении облегченной и, как правило, несложной реализации.
Во многих вариантах осуществления, схема модификации частоты выполнена с возможностью замедления изменения состояния для индуктивного импеданса путем блокирования протекания тока от емкостного импеданса к индуктивному импедансу в течение частичного временного интервала.
Следует понимать, что приведенное выше описание для ясности описывает варианты осуществления изобретения со ссылкой на различные функциональные схемы, блоки и процессоры. Однако будет очевидно, что любое подходящее распределение функциональных возможностей между различными функциональными схемами, блоками или процессорами может быть использовано без отступления от изобретения. Например, функциональные возможности, проиллюстрированные для выполнения отдельными процессорами или контроллерами, могут выполняться одним и тем же процессором или контроллерами. Следовательно, ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы следует рассматривать только как ссылки на подходящие средства для предоставления описанных функциональных возможностей, а не как указывающие на строгую логическую или физическую структуру или организацию.
Изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая аппаратные средства, программное обеспечение, микропрограммное обеспечение или любую их комбинацию. Изобретение может быть опционально реализовано, по меньшей мере частично, в качестве компьютерного программного обеспечения, исполняющегося на одном или нескольких процессорах данных и/или цифровых сигнальных процессорах. Элементы и компоненты варианта осуществления изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим способом. Действительно, функциональные возможности могут быть реализованы в одном блоке, во множестве блоков или как часть других функциональных блоков. Таким образом, данное изобретение может быть реализовано в одном блоке или может быть физически и функционально распределено между различными блоками, схемами и процессорами.
Хотя настоящее изобретение было описано в связи с некоторыми вариантами осуществления, оно не должно быть ограничено конкретной формой, изложенной в данном документе. Скорее, объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, хотя признак может представляться описанным в связи с конкретными вариантами осуществления, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные признаки описанных вариантов осуществления могут быть объединены в соответствии с изобретением. В формуле изобретения, термин "содержащий" не исключает присутствия других элементов или этапов.
Кроме того, хотя перечислены индивидуально, множество средств, элементов, схем или этапов способа могут быть реализованы с помощью, например, одной схемы, блока или процессора. Кроме того, хотя отдельные признаки могут быть включены в различные пункты формулы изобретения, они могут, возможно, быть выгодным образом объединены, и включение в различные пункты формулы изобретения не подразумевает, что комбинация признаков не представляется возможной и/или выгодной. Кроме того, включение признака в одну категорию пунктов формулы изобретения не предполагает ограничение этой категорией, а скорее указывает на то, что этот признак в равной степени применим и к другим категориям пунктов формулы изобретения, в зависимости от обстоятельств. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не подразумевает какого-либо определенного порядка, в котором признаки должны осуществляться, и, в частности, порядок отдельных этапов в пункте формулы изобретения на способ не означает, что этапы должны выполняться в указанном порядке. Скорее, этапы могут выполняться в любом подходящем порядке. Кроме того, единичные ссылки не исключают множества. Таким образом, указание единственного числа и ссылки на "первый", "второй" и т.д. не исключают множества. Ссылочные позиции в формуле изобретения приведены только в качестве поясняющего примера и не должны быть истолкованы как ограничивающие объем формулы изобретения каким-либо образом.