Устройство и способ беспроводной передачи энергии
APPARATUS AND METHOD FOR WIRELESS ENERGY TRANSMISSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к беспроводной передаче энергии и, в частности, но не исключительно, к беспроводной передаче энергии большой мощности, например, для использования в кухонных приборах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для питания от внешнего источника питания для большинства современных электрических изделий необходимо обеспечить специальный электрический контакт. Однако это, как правило, непрактично и требует от пользователя физической вставки соединителей или обеспечения физического электрического контакта иным образом. Кроме того, как правило, требования к питанию, значительно отличаются, и в настоящее время большинство устройств поставляются со своими собственными специальными блоками питания, в результате чего типичный пользователь имеет большое количество разных блоков питания, при этом каждый блок питания специально предназначен для конкретного устройства. Хотя использование внутренних батарей может позволить избежать необходимости обеспечения проводного соединения с источником питания во время использования, применение батарей является лишь частичным решением, поскольку батареи нужно будет подзаряжать (или заменять). Использование батарей также может привести к существенному увеличению массы и потенциальному увеличению стоимости и размера устройств.
С целью значительного повышения удобства использования было предложено применять беспроводной источник питания, в котором мощность индуктивно передается от катушки передатчика в устройстве-передатчике энергии к катушке приемника в отдельных устройствах.
Передача энергии посредством магнитной индукции - это хорошо известная концепция, в основном применяемая в трансформаторах, имеющих сильную связь между первичной индуктивностью/катушкой передатчика и вторичной катушкой приемника. Благодаря разделению первичной катушки передатчика и вторичной катушки приемника, между двумя устройствами становится возможной беспроводная передача энергии между ними, основанная на принципе слабосвязанного трансформатора.
Такое расположение позволяет осуществлять беспроводную передачу энергии на устройство без необходимости использования каких-либо проводов или выполнения физических электрических соединений. В действительности это может позволить просто помещать устройство рядом или сверху катушки передатчика для подзарядки или получения питания от внешнего источника. Например, устройства-передатчики энергии могут быть выполнены с горизонтальной поверхностью, на которую можно просто поместить устройство, чтобы оно получало питание.
Кроме того, такие устройства для беспроводной передачи энергии предпочтительно могут быть выполнены таким образом, чтобы устройство-передатчик энергии можно было использовать с различными устройствами-приемниками энергии. В частности, был определен и в настоящее время находится в стадии дальнейшей разработки подход на основе беспроводной передачи энергии, известный как спецификации Qi. Этот подход позволяет использовать удовлетворяющие спецификациям Qi устройства-передатчики энергии вместе с устройствами-приемниками энергии, также удовлетворяющими спецификациям Qi, которые не обязательно должны быть произведены одним и тем же изготовителем или специально предназначены друг для друга. Стандарт Qi также включает некоторые функциональные возможности, позволяющие адаптировать функционирование для конкретного устройства-приемника энергии (например, в зависимости от конкретного потребления энергии).
http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html
Спецификация Qi разработана Консорциумом беспроводной передачи энергии, на веб-сайте  которого имеется дополнительная информация, в частности некоторые документы спецификации.
Обеспечение эффективной беспроводной передачи энергии в системах беспроводной передачи энергии, таких как системы на основе Qi, предполагает значительный объем обмена данными между передатчиком энергии и приемником энергии. Первоначально стандарт Qi поддерживался только при обмене данными от приемника энергии к передатчику энергии с использованием модуляции нагрузкой сигнала передачи энергии. Однако в ходе разработки этого стандарта был введен двунаправленный обмен данными и поддержка многих функций стала возможной за счет обмена данными между приемником энергии и передатчиком энергии. Во многих системах передачу данных от передатчика энергии к приемнику энергии осуществляют путем модуляции сигнала передачи энергии. Однако также было предложено использовать функциональные возможности по обмену данными, которые не зависят от сигнала передачи энергии, и которые не предполагают использования сигнала передачи энергии в качестве модулируемой несущей. Например, обмен данными между передатчиком энергии и приемником энергии может быть обеспечен с помощью системы обмена данными ближнего действия, например, основанной на технологиях обмена данными RFID/NFC.
Использование отдельного подхода к обмену данными во многих случаях может позволить улучшить рабочие характеристики и может, например, обеспечить более быстрый обмен данными с более высокой надежностью передачи данных и сниженным влиянием на процесс передачи энергии.
В системах передачи энергии, таких как Qi, электромагнитное поле, генерируемое для передачи требуемых уровней энергии на приемник энергии, часто играет весьма существенную роль. Присутствие такого сильного поля во многих ситуациях может влиять на окружающую среду. Например, потенциальная проблема беспроводной передачи энергии состоит в том, что мощность может быть непреднамеренно передана, например, металлическим предметам, которые оказались вблизи передатчика энергии.
Чтобы снизить риск возникновения подобных ситуаций, было предложено ввести обнаружение постороннего объекта, при котором передатчик энергии способен обнаруживать присутствие постороннего объекта и снижать мощность передачи и/или генерировать предупреждение для пользователя, когда происходит положительное обнаружение. Например, система Qi характеризуется функциональными возможностями по обнаружению постороннего объекта и снижению энергии при обнаружении постороннего объекта. В частности, в разделе 11 спецификации Qi версии 1.2.1 описаны различные способы обнаружения постороннего объекта.
Один способ обнаружения таких посторонних объектов раскрыт в WO2015018868A1. В другом примере, представленном в WO 2012127335, раскрыт подход, основанный на определении неизвестных потерь энергии. Согласно этому подходу как приемник энергии, так и передатчик энергии измеряют свою мощность, причем приемник передает данные об измеренной принятой энергии на передатчик энергии. Если передатчик энергии обнаруживает значительную разницу между энергией, переданной передатчиком, и энергией, принятой приемником, это может означать потенциальное присутствие нежелательного постороннего объекта и из соображений безопасности передача энергии может быть уменьшена или прекращена. Для этого способа определения потери энергии требуются синхронизированные точные измерения энергии, выполняемые на передатчике и приемнике энергии.
Например, согласно стандарту Qi передачи энергии приемник энергии оценивает принятую им мощность, например, путем измерения выпрямленного напряжения и тока, их умножения и добавления оценки внутренних потерь энергии в приемнике энергии (например, потерь в выпрямителе, катушке приемника, металлических деталях, являющихся частью приемника, и т.д.). Приемник энергии передает данные об определенной принятой энергии на передатчик энергии с некоторой минимальной частотой, например, каждые четыре секунды.
Передатчик энергии оценивает переданную им мощность, например, путем измерения входного напряжения постоянного тока и тока инвертора, их умножения и корректировки результата путем вычитания оценки внутренних потерь энергии в передатчике, таких как, например, расчетные потери энергии в инверторе, первичной катушке и металлических деталях, являющихся частью передатчика энергии.
Передатчик энергии может оценить потерю энергии путем вычитания сообщенного значения принятой энергии из значения переданной энергии. Если разность превышает пороговое значение, передатчик предполагает, что очень большое количество энергии рассеивается в постороннем объекте, после чего он может прекратить передачу энергии.
В качестве альтернативы было предложено измерять качество или коэффициент добротности резонансной схемы, образованной первичной и вторичной катушками вместе с соответствующими емкостями и сопротивлениями. Уменьшение измеренного коэффициента добротности может указывать на присутствие постороннего объекта.
На практике, как правило, сложно достичь достаточной точности определения с помощью способов, описанных в спецификации Qi.
Конкретная проблема была определена как обнаружение интеллектуальных карт и аналогичных компонентов, таких как, например, карты NFC.
Бесконтактная интеллектуальная карта, как правило, представляет собой небольшое устройство для бесконтактной передачи данных с использованием электромагнитной связи между настроенной антенной считывающего устройства и резонансной схемой приемника. Во многих ситуациях интеллектуальная карта представляет собой пассивное устройство, получающее питание из сигнала, наведенного в резонансной схеме. Это позволяет производить недорогие карты и использовать их с различными считывающими устройствами. Часто интеллектуальную карту используют для бесконтактного считывания учетных данных и, как правило, она имеет размер кредитной карты.
Как правило, встроенная интегральная схема (микросхема) может хранить (а иногда и обрабатывать) данные и обмениваться данными со считывающим устройством с применением соответствующего протокола/стандарта, такого как, в частности, ближняя бесконтактная связь (Near Field Communication, NFC). Обычные варианты использования включают проездные билеты, банковские карты и паспорта.
Как показано в примере на ФИГ. 1, интеллектуальная карта 101 NFC электрически может, как правило, содержать катушку L антенны, подстроечный конденсатор C, выпрямитель 103 и микросхему 105 NFC, получающую питание из сигнала, получаемого резонансной схемой, образованной конденсатором C и катушкой L. В большинстве случаев параллельный резонанс интеллектуальной карты настроен на резонансную частоту 13,56 МГц.
На ФИГ. 1 также показана упрощенная модель считывающего устройства 107 NFC для считывания данных, хранящихся на интеллектуальной карте. Считывающее устройство NFC, как правило, содержит микросхему 109 считывающего устройства NFC и антенну 111 NFC, которая также настроена на резонансную частоту 13,56 МГц. Если интеллектуальная карта 101 находится в непосредственной близости от считывающего устройства 107 NFC, катушка L антенны подвергается воздействию магнитного поля 13,56 МГц от считывающего устройства 107 NFC, и микросхема 105 NFC получает питание через вывод Vcc. Получая питание, микросхема 105 NFC в интеллектуальной карте может модулировать свое собственное напряжение Vcc путем модуляции нагрузкой, таким образом, отправляя данные обратно на считывающее устройство 107 NFC. Время между началом получения питания микросхемой NFC в интеллектуальной карте и отправкой информации обратно на считывающее устройство NFC, как правило, находится в диапазоне приблизительно 30-50 мс.
Важность обнаружения таких карт связана, в частности, с тем, что они очень популярны и почти повсеместно распространены во многих типовых средах использования с беспроводной передачей энергии (например, в домах), а также с чувствительностью таких карт к присутствию сильных электромагнитных полей. В действительности было установлено, что напряженность электромагнитного поля, используемая во многих системах беспроводной передачи энергии, например, в частности, выполненных с возможностью передачи энергии большой мощности, во многих случаях потенциально может повредить карты. Было установлено, что интеллектуальные карты могут быть повреждены при воздействии сильного магнитного поля переменного тока, даже если частота этого поля сильно отличается от резонансной частоты 13,56 МГц. Если, например, сильное магнитное поле переменного тока с частотой порядка 20-200 кГц воздействует на катушку L антенны, показанную на ФИГ. 1, выпрямленное напряжение Vcc может стать слишком высоким и разрушить микросхему 101 NFC. Кроме того, время, в течение которого может произойти повреждение карты, может быть намного меньшим, чем 30-50 мс (конечно, оно зависит от уровня магнитного поля переменного тока, воздействию которого подвергается интеллектуальная карта). Это означает, что микросхема NFC внутри интеллектуальной карты может быть разрушена сильным магнитным полем переменного тока.
В то же время было установлено, что такие карты очень сложно обнаружить с использованием традиционных подходов к обнаружению постороннего объекта, поскольку эти карты, как правило, содержат относительно небольшие количества металла. Это затрудняет обеспечение достаточно высокой точности и надежности обнаружения.
Для решения этой проблемы было предложено применять детекторы, специально предназначенные для обнаружения присутствия интеллектуальных карт и подобных устройств. Работа этих детекторов интеллектуальных карт, как правило, основана на обнаружении присутствия резонансной схемы, резонансные частоты которой совпадают с ожидаемыми резонансными частотами для интеллектуальной карты.
Было установлено, что такое специальное обнаружение обеспечивает более высокую эффективность обнаружения, что позволяет обнаруживать интеллектуальную карту во многих ситуациях. Однако было установлено, что надежность и точность обнаружения интеллектуальных карт на практике, как правило, ниже требуемой, что потенциально может приводить к необнаружениям или ложным обнаружениям.
Следовательно, желательно улучшить передачу энергии, в частности, было бы предпочтительным предложить подход, обеспечивающий повышенную гибкость, сниженную стоимость, сниженную сложность, улучшенный обмен данными, улучшенное осуществление операции передачи энергии, лучшие характеристики обнаружения объектов, более надежное и/или безопасное осуществление операции передачи энергии, снижение риска для других объектов, например, в частности, интеллектуальных карт и т.п., повышение точности и/или надежности обнаружения посторонних объектов, таких как интеллектуальные карты и т.п., и/или более высокую эффективность.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, предпочтительной задачей настоящего изобретения является уменьшение, смягчение или устранение одного или более из вышеупомянутых недостатков по отдельности или в любой комбинации.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство передачи энергии для беспроводной передачи энергии от передатчика энергии к приемнику энергии с использованием электромагнитного сигнала передачи энергии, причем устройство передачи энергии представляет собой одно из передатчика энергии и приемника энергии, а в сигнале передачи энергии во время этапа передачи энергии используют повторяющийся временной кадр, содержащий временной интервал передачи энергии и временной интервал обнаружения объекта, не перекрывающийся с временным интервалом передачи энергии, при этом предел энергии для сигнала передачи энергии является более низким для временного интервала обнаружения объекта, чем для временного интервала передачи энергии, причем устройство передачи энергии содержит: схему для передачи энергии, содержащую катушку для передачи энергии для приема или генерации сигнала передачи энергии в течение временных интервалов передачи энергии; устройство для обмена данными, выполненное с возможностью обмена данными с сопряженным устройством, представляющим собой другое устройство из приемника энергии и передатчика энергии, посредством электромагнитного сигнала обмена данными; резонансную схему для обмена данными, содержащую антенну для обмена данными, выполненную с возможностью передачи или приема электромагнитного сигнала обмена данными, причем резонансная схема для обмена данными во время обмена данными выполнена с возможностью обеспечения резонанса на первой резонансной частоте в устройстве для обмена данными; и контроллер для адаптации резонансной схемы для обмена данными таким образом, чтобы не создавать резонанс на первой резонансной частоте на устройстве для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Настоящее изобретение позволяет обеспечить лучшее управление работой во многих вариантах осуществления и может, в частности, обеспечить лучшее, более быстрое и/или более легкое обнаружение, в частности, объектов, в которых возникает резонанс с электромагнитными полями на частотах, близких к первой резонансной частоте, причем обнаружение может выполняться устройством передачи энергии или сопряженным устройством передачи энергии. Передатчик энергии может выполнять обнаружение объекта на основании предположения, что в объекте возникает резонанс на частоте, близкой к первой резонансной частоте (например, в пределах 5% или 10%). Такой подход может позволить улучшить обнаружение, например, позволяя выполнять обнаружение за короткие интервалы времени и/или с более высокой точностью и надежностью.
Такой подход может, в частности, обеспечивать функционирование, при котором уменьшены помехи, которые схема обмена данными может создавать для функции обнаружения объекта на основе резонанса, которая основана на предположении о резонансе, при котором частота соответствует (близка или равна) резонансной частоте обмена данными/первой резонансной частоте.
Такой подход может, в частности, позволить лучше обнаруживать внешние интеллектуальные карты, такие как интеллектуальные карты NFC, в системе беспроводной передачи энергии, в которой используют соответствующий обмен данными, например, обмен данными NFC между приемником энергии и передатчиком энергии.
Во многих вариантах осуществления длительность временного интервала обнаружения постороннего объекта составляет не более 5%, 10% или 20% длительности повторяющегося временного кадра. Во многих вариантах осуществления длительность интервала передачи энергии составляет не менее 70%, 80% или 90% временного кадра.
Во многих вариантах осуществления повторяющийся временной кадр также может включать в себя по меньшей мере один временной интервал обмена данными. Временной интервал обмена данными может не перекрываться с временным интервалом передачи энергии и временным интервалом обнаружения объекта. В течение временного интервала обмена данными в отношении уровня энергии сигнала передачи энергии может применяться более низкий максимальный предел, чем в течение временного интервала передачи энергии. Во многих вариантах осуществления сигнал передачи энергии может иметь низкий уровень мощности в течение временных интервалов обмена данными и временных интервалов обнаружения объекта и высокий уровень мощности в течение временных интервалов передачи энергии.
Во многих вариантах осуществления повторяющийся временной кадр может представлять собой периодический повторяющийся временной кадр. Во многих вариантах осуществления каждый повторяющийся временной кадр может иметь длительность не более 0,5 секунды, 1 секунды, 2 секунд или 5 секунд.
Временные характеристики временных интервалов обнаружения объекта и/или временных интервалов передачи энергии могут не зависеть от свойств передачи энергии, обмена данными между передатчиком энергии и приемником энергии, обнаружения объекта, запросов энергии и требований к передаче энергии. Временные характеристики временных интервалов обнаружения объекта могут быть заданы в повторяющемся временном кадре и/или могут быть одинаковыми в последовательных повторяющихся временных кадрах. Относительные временные характеристики временного интервала обнаружения объекта в пределах повторяющегося временного кадра могут быть неизменными между последовательными повторяющимися временными кадрами и могут быть фиксированными. Временные характеристики временных интервалов обнаружения объекта в повторяющихся временных кадрах могут быть постоянными (по меньшей мере для некоторых последовательных временных кадров). Во многих вариантах осуществления временной кадр может быть разделен на множество временных интервалов, включая по меньшей мере один временной интервал передачи энергии и один временной интервал обнаружения объекта. Временные характеристики временных интервалов в повторяющемся временном кадре (например, относительно момента начала или окончания повторяющегося временного кадра) могут быть одинаковыми для последовательных временных кадров.
Приемник энергии может присутствовать и может запрашивать энергию на протяжении этапа передачи энергии. Приемник энергии может обнаруживаться/определяться как присутствующий (передатчиком энергии) на протяжении этапа передачи энергии.
Во многих вариантах осуществления контроллер выполнен с возможностью управления резонансной схемой для обмена данными таким образом, чтобы обеспечить в ней резонанс на первой резонансной частоте во время обмена данными и, в частности, в течение временных интервалов обмена данными, и чтобы в ней отсутствовал резонанс на первой резонансной частоте в течение временных интервалов обнаружения объекта.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения контроллер выполнен с возможностью отключения резонансной схемы для обмена данными от устройства для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения контроллер выполнен с возможностью сброса настроенной первой резонансной частоты для резонансной схемы для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения контроллер выполнен с возможностью сброса настройки ко второй резонансной частоте для резонансной схемы для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения вторая частота находится вне диапазона частот от 90% первой резонансной частоты до 110% первой резонансной частоты.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения контроллер выполнен с возможностью изменения резонансной емкости резонансной схемы для обмена данными в течение временного интервала обнаружения объекта относительно периода обмена данными.
Вышеупомянутые дополнительные признаки могут обеспечить более высокую эффективность и/или способствовать реализации во многих вариантах осуществления. Сброс настройки резонансной схемы для обмена данными может соответствовать изменению резонансной схемы для обеспечения резонанса на другой частоте или может соответствовать изменению резонансной схемы таким образом, чтобы устранить резонанс (что соответствует деактивации резонансной схемы).
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения первая резонансная частота отклоняется не более чем на 5% от несущей частоты электромагнитного сигнала обмена данными.
Это может обеспечить более высокую эффективность во многих вариантах осуществления. В типовых вариантах осуществления первая резонансная частота может быть по существу идентичной частоте электромагнитного сигнала обмена данными, что позволяет оптимизировать обмен данными. Однако на практике первая резонансная частота может немного отличаться от частоты обмена данными, например, из-за неточной настройки, вызванной изменениями в компонентах и допусками.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения устройство передачи энергии представляет собой передатчик энергии.
В настоящем изобретении предложен усовершенствованный передатчик энергии.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения устройство передачи энергии дополнительно содержит детектор объекта для обнаружения присутствия объекта, содержащий резонансную схему, имеющую резонансную частоту, соответствующую первой резонансной частоте.
В настоящем изобретении предложено улучшенное обнаружение устройств/объектов, содержащих резонансные схемы, такие как, например, карты NFC, с помощью передатчика энергии. Объект может содержать резонансную схему, резонансная частота которой, как предполагается, находится в пределах 5% от первой резонансной частоты.
Во многих вариантах осуществления устройство передачи энергии может содержать детектор объекта для обнаружения присутствия объекта в ответ на нагрузку электромагнитного испытательного сигнала, генерируемую детектором объекта, причем электромагнитный испытательный сигнал имеет частоту, соответствующую первой резонансной частоте. Электромагнитный испытательный сигнал может иметь частоту, равную первой резонансной частоте, или может иметь частоту, которая, как правило, может находиться в пределах 2% или 5% от первой резонансной частоты. Электромагнитный испытательный сигнал в некоторых вариантах осуществления может генерироваться антенной/катушкой, отличной от антенны обмена данными. В некоторых вариантах осуществления электромагнитный испытательный сигнал может генерироваться антенной обмена данными, которая может представлять собой катушку обмена данными. Электромагнитный испытательный сигнал в некоторых вариантах осуществления может генерироваться антенной/катушкой, отличной от катушки передачи энергии.
Во многих вариантах осуществления устройство передачи энергии может содержать детектор объекта для обнаружения присутствия объекта, содержащий резонансную схему, имеющую резонансную частоту, удовлетворяющую критерию подобия по отношению к первой резонансной частоте.
Во многих вариантах осуществления устройство передачи энергии может содержать детектор объекта для обнаружения присутствия объекта в ответ на нагрузку сгенерированного электромагнитного испытательного сигнала, имеющего частоту, отклоняющуюся менее, чем на пороговое значение, равное приблизительно 1% от первой резонансной частоты.
В некоторых вариантах осуществления обнаружение может зависеть от резонанса нагрузки сигнала передачи энергии, удовлетворяющего критерию подобия в отношении первой резонансной частоты. Критерий подобия может быть оценен явным образом или, например, неявно, путем определения резонансной частоты, ограниченной интервалом, включающим первую резонансную частоту.
Критерий подобия может зависеть от предпочтений и требований согласно отдельному варианту осуществления. Критерий подобия может включать требование, согласно которому обнаруженная резонансная частота объекта и первая резонансная частота должны отличаться менее, чем на пороговое значение.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения контроллер выполнен с возможностью отключения резонансной схемы для обмена данными от устройства для обмена данными и ее подключения к детектору объекта в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Это, в частности, может обеспечить эффективное функционирование и, в частности, повышенную эффективность обнаружения. Это может дополнительно снизить сложность и, например, требования к компонентам, в результате чего снижается стоимость и т.д.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения устройство передачи энергии представляет собой приемник энергии.
В настоящем изобретении предложен усовершенствованный передатчик энергии.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения устройство передачи энергии дополнительно содержит синхронизатор для синхронизации контроллера с целью сглаживания изменений сигнала передачи энергии.
Это может позволить обеспечить эффективное, но не усложненное функционирование.
В соответствии с дополнительным признаком настоящего изобретения предложена система беспроводной передачи энергии, содержащая приемник энергии и передатчик энергии, описанные выше.
В настоящем изобретении предложена усовершенствованная система беспроводной передачи энергии.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен способ функционирования устройства передачи энергии для беспроводной передачи энергии от передатчика энергии к приемнику энергии с использованием электромагнитного сигнала передачи энергии, причем устройство передачи энергии представляет собой одно из передатчика энергии и приемника энергии, а в сигнале передачи энергии во время этапа передачи энергии используют повторяющийся временной кадр, содержащий временной интервал передачи энергии и временной интервал обнаружения объекта, не перекрывающийся с временным интервалом передачи энергии, при этом предел энергии для сигнала передачи энергии является более низким для временного интервала обнаружения объекта, чем для временного интервала передачи энергии, причем устройство передачи энергии содержит резонансную схему для обмена данными, содержащую антенну для обмена данными, выполненную с возможностью передачи или приема электромагнитного сигнала обмена данными, включающий: схему для передачи энергии, содержащую катушку для передачи энергии для приема или генерации сигнала передачи энергии в течение временных интервалов передачи энергии; обмен данными с сопряженным устройством, представляющим собой другое устройство из приемника энергии и передатчика энергии, посредством сигнала электромагнитного обмена данными; управление резонансной схемой для обмена данными, выполненной с возможностью обеспечения резонанса на первой резонансной частоте в устройстве для обмена данными во время обмена данными; и адаптацию резонансной схемы для обмена данными таким образом, чтобы не создавать резонанс на первой резонансной частоте на устройстве для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными и будут разъяснены со ссылкой на вариант (варианты) осуществления, описанный ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны исключительно в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых:
на ФИГ.1 представлен пример элементов считывающего устройства NFC и карты NFC;
на ФИГ. 2 представлен пример элементов системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на ФИГ. 3 представлен пример элементов системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на ФИГ. 4 представлен пример повторяющегося временного кадра сигнала передачи энергии для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на ФИГ. 5 представлен пример элементов системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;
на ФИГ. 6 представлен пример элементов приемника энергии для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения; и
на ФИГ. 7 представлен пример элементов приемника энергии для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В нижеследующем описании основное внимание уделяется вариантам осуществления настоящего изобретения, которые могут быть применены в системе беспроводной передачи энергии и которые предполагают использование подхода к передаче энергии, например, известного из спецификации Qi. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этим вариантом применения, а может быть применено во многих других системах беспроводной передачи энергии.
На ФИГ. 2 представлен пример системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Система передачи энергии содержит передатчик 201 энергии, который содержит катушку/индуктивность 203 передатчика (или соединен с ней). Система также содержит приемник 205 энергии, который содержит катушку/индуктивность 207 приемника (или соединен с ней).
Система обеспечивает сигнал передачи электромагнитной энергии, который позволяет индуктивно передавать энергию от передатчика 201 энергии к приемнику 205 энергии. В частности, передатчик 201 энергии генерирует электромагнитный сигнал, который распространяется в виде магнитного потока катушкой или индуктивностью 203 передатчика. Сигнал передачи энергии, как правило, может иметь частоту от приблизительно 20 кГц до приблизительно 500 кГц и часто для Qi-совместимых систем, как правило, в диапазоне от 95 кГц до 205 кГц (или, например, для вариантов применения на кухне с высокой энергией частота может, например, как правило, находиться в диапазоне от 20 кГц до 80 кГц). Катушка 203 передатчика и катушка 207 приема энергии имеют слабую связь, и, таким образом, катушка 207 приема энергии принимает сигнал (по меньшей мере часть сигнала) передачи энергии от передатчика 201 энергии. Таким образом, энергия передается от передатчика 201 энергии к приемнику 205 энергии посредством беспроводной индуктивной связи от катушки 203 передатчика к катушке 207 приема энергии. Термин «сигнал передачи энергии» в основном используется для обозначения индуктивного сигнала/магнитного поля между катушкой 203 передатчика и катушкой 207 приема энергии (сигнала магнитного потока), но следует понимать, что эквивалентно его также можно рассматривать и использовать, как обозначение электрического сигнала, обеспечиваемого на катушке 203 передатчика или принимаемого катушкой 207 приема энергии.
В этом примере приемник 205 энергии, в частности, представляет собой приемник энергии, который принимает мощность с помощью катушки 207 приемника. Однако в других вариантах осуществления приемник 205 энергии может содержать металлический элемент, такой как металлический нагревательный элемент, и в этом случае сигнал передачи энергии непосредственно индуцирует вихревые токи, обеспечивающие непосредственное нагревание элемента.
Система выполнена с возможностью передачи значительных уровней энергии и, в частности, передатчик энергии способен обеспечивать уровни мощности, превышающие 500 мВт, 1 Вт, 5 Вт, 50 Вт, 100 Вт или 500 Вт, во многих вариантах осуществления. Например, для вариантов применения, соответствующих технологии Qi, передача энергии, как правило, может происходить в диапазоне мощности 1-5 Вт для вариантов применения с малой мощностью (базовым профилем мощности), до 15 Вт для спецификации Qi версии 1.2, в диапазоне до 100 Вт для вариантов применения с более высокой мощностью, таких как электроинструменты, ноутбуки, дроны, роботы и т.д., а также свыше 100 до и вплоть до более чем 2400 Вт, для вариантов применения с очень большой мощностью, таких как, например, варианты применения на кухне.
Далее работа передатчика 201 энергии и приемника 205 энергии будет описана с прямой ссылкой на вариант осуществления, в целом соответствующий спецификации Qi (за исключением описанных в данном документе (или последующих) изменений и усовершенствований) или подходящий для спецификации приборов для кухни с повышенной мощностью, разрабатываемой Консорциумом беспроводной передачи энергии. В частности, передатчик 201 энергии и приемник 205 энергии могут соответствовать элементам спецификации Qi версии 1.0, 1.1 или 1.2 (за исключением описанных в данном документе (или последующих) изменений и усовершенствований) или быть по существу совместимыми с ними.
В системах беспроводной передачи энергии присутствие объекта (как правило, проводящего элемента, получающего энегрию из сигнала передачи энергии и не являющегося частью передатчика 201 или приемника 205 энергии, т.е. являющегося непреднамеренным, нежелательным и/или создающим помехи элементом в отношении передачи энергии) может быть очень нежелательным при передаче энергии. Такой нежелательный объект также известен в данной области техники как посторонний объект.
Посторонний объект может не только снижать эффективность вследствие того, что с ним связаны потери энергии в ходе осуществления операции, но также может ухудшать само осуществление операции передачи энергии (например, вследствие влияния на эффективность передачи энергии или получения энергии, не управляемой непосредственно, например, с помощью контура передачи энергии). Кроме того, индукция токов в постороннем объекте (в частности, вихревых токов в металлической части постороннего объекта) зачастую может приводить к крайне нежелательному нагреву постороннего объекта.
Для решения этой проблемы системы беспроводной передачи энергии, такие как Qi-системы, имеют функциональные возможности по обнаружению постороннего объекта. В частности, передатчик энергии имеет функциональные возможности по обнаружению присутствия постороннего объекта. В случае обнаружения такого объекта передатчик энергии может, например, прекратить передачу энергии или уменьшить максимальную величину энергии, которая может быть передана.
Существующие подходы, предложенные в спецификациях Qi, основаны на обнаружении потери энергии (путем сравнения переданной и сообщенной принятой энергии) или обнаружении ухудшения добротности выходной резонансной схемы.
На ФИГ. 3 более подробно показана система передачи энергии, изображенная на ФИГ. 2.
В этом примере передатчик 201 энергии содержит возбудитель 301, выполненный с возможностью генерации сигнала возбуждения, подаваемого в резонансную схему 303 энергии, которая содержит катушку 203 передатчика. Катушка 203 передатчика генерирует сигнал передачи электромагнитной энергии, который может обеспечивать передачу энергии на приемник 205 энергии. Сигнал передачи энергии обеспечивают в течение временных интервалов передачи энергии этапа передачи энергии.
Возбудитель 301, как правило, может содержать выходную схему в виде инвертора, как правило, образуемую путем возбуждения полного моста или полумоста, что известно специалистам в данной области техники.
Передатчик 201 энергии также содержит контроллер 305 передатчика энергии, выполненный с возможностью управления функционированием передатчика 201 энергии в соответствии с требуемыми принципами функционирования. В частности, передатчик 201 энергии может иметь многие из функциональных возможностей, требуемых для выполнения управления энергией в соответствии со спецификациями Qi.
Контроллер 305 передатчика энергии, в частности, выполнен с возможностью управления генерацией сигнала возбуждения возбудителем 301 и выполнен с возможностью, в частности, управления уровнем мощности сигнала возбуждения, и, соответственно, уровнем генерируемого сигнала передачи энергии. Контроллер 305 передатчика энергии содержит контроллер контура энергии, управляющий уровнем мощности сигнала передачи энергии в ответ на сообщения для управления мощностью, принятые от приемника 205 энергии в ходе осуществления этапа управления мощностью.
Катушка 207 приемника является частью схемы 307 приемника энергии, которая, как правило, может содержать один или более конденсаторов, образующих резонансную схему с катушкой 207 приемника. Во время передачи энергии в катушке 207 приемника индуцируется ток и схема 307 приемника энергии таким образом получает энергию из сигнала передачи энергии. Указанный сигнал подают в преобразователь энергии или блок 309 получения энергии, выполненный с возможностью обработки и управления полученной энергией, и ее подачи на нагрузку 311. Блок 309 получения энергии, как правило, может содержать выпрямители, контроллеры напряжения или тока и т.д., которые хорошо известны специалистам в данной области техники. Блок 309 получения энергии может обеспечивать тракт управления энергией, выполненный с возможностью преобразования энергии, получаемой катушкой 207 приемника, в сигнал, пригодный для подачи на нагрузку 311, такую как, например, заряжаемая батарея или устройство, на которое подается энергия.
Кроме того, приемник энергии также содержит контроллер 313 приемника энергии, который может содержать различные функциональные блоки контроллера приемника энергии, требуемые для выполнения передачи энергии, и, в частности, функциональные блоки, требуемые для выполнения передачи энергии в соответствии со спецификациями Qi.
Передатчик 201 энергии и приемник 205 энергии также содержат средства для взаимного обмена данными между ними. В этом примере обмен данными осуществляется не (или по меньшей мере не исключительно) за счет модуляции и демодуляции сигнала передачи энергии, а с использованием отдельной системы для обмена данными ближнего действия. Система для обмена данными ближнего действия, как правило, может иметь дальность действия не более 1 метра, а часто не более 50 см или даже 20 см. В системе для обмена данными ближнего действия, как правило, используют несущую частоту, значительно превышающую некоторую частоту и, как правило, по меньшей мере в 10 раз превышающую несущую частоту сигнала передачи энергии. Во многих вариантах осуществления несущая частота составляет по меньшей мере 1 МГц, а часто по меньшей мере 10 МГц.
В конкретном примере приемник 205 энергии и передатчик 201 энергии осуществляют обмен данными с использованием технологии обмена данными NFC. В некоторых вариантах осуществления только часть обмена данными будет происходить посредством системы обмена данными NFC, тогда как остальной обмен данными может осуществляться с помощью других способов, например, путем использования сигнала передачи энергии в качестве носителя сигнала обмена данными. Например, технология обмена данными NFC может быть использована для считывания конкретных параметров приемника энергии с использованием обмена данными NFC с одновременным использованием, например, модуляции нагрузкой сигнала передачи энергии для передачи сообщений об ошибках управления мощностью и т. д.
В этом примере передатчик 201 энергии содержит первое устройство 315 для обмена данными, выполненное с возможностью обмена данными с приемником 205 энергии посредством электромагнитного сигнала обмена данными.
Первое устройство 315 для обмена данными соединено с первой резонансной схемой 317 для обмена данными, содержащей первую антенну 319 для обмена данными, генерирующую электромагнитный сигнал обмена данными. Первое устройство 315 для обмена данными, в частности, выполнено с возможностью генерации сигнала возбуждения для обмена данными, подаваемого на первую резонансную схему 317 для обмена данными. Первая резонансная схема 317 для обмена данными является нагрузкой для первого устройства 315 для обмена данными и обеспечивает резонанс на заданной первой резонансной частоте. Как правило, первая резонансная схема 317 для обмена данными содержит настроенную схему, которая содержит первую антенну 319 для обмена данными. Например, первая антенна 319 для обмена данными может представлять собой катушку, соединенную с одним или более конденсаторами с образованием резонансной/настроенной схемы.
Резонансную схему, как правило, настраивают на несущую частоту электромагнитного сигнала обмена данными, благодаря чему первая резонансная схема 317 обмена данными обеспечивает очень эффективную антенну для первого устройства 315 для обмена данными. На практике возможно некоторое несоответствие между первой резонансной частотой и несущей частотой, например, вследствие допусков и отклонений компонентов, наличия проводящего материала и т. д. Однако, как правило, первую резонансную частоту можно поддерживать в пределах 5%, а часто и 1% относительно несущей частоты.
Соответственно, приемник 205 энергии содержит вторую резонансную схему 321 для обмена данными, которая соединена со вторым устройством 323 для обмена данными. Вторая резонансная схема 321 для обмена данными сопряжена с первой резонансной схемой 317 для обмена данными и, соответственно, содержит антенну для обмена данными (называемую второй антенной 325 для обмена данными). Вторая антенна 325 для обмена данными выполнена с возможностью приема электромагнитного сигнала обмена данными, в том отношении, что во второй антенне 325 для обмена данными индуцируется ток.
Вторая резонансная схема 321 для обмена данными соединена со вторым устройством 323 для обмена данными и обеспечивает полное сопротивление с резонансом на заданной второй резонансной частоте. Вторая резонансная схема 321 для обмена данными, соответственно, обеспечивает источник с полным сопротивлением/нагрузкой для второго устройства 323 для обмена данными, в котором резонанс возникает на заданной второй резонансной частоте. Как правило, вторая резонансная схема 321 для обмена данными содержит настроенную схему, которая содержит вторую антенну 325 для обмена данными. Например, вторая антенна 325 для обмена данными может представлять собой катушку, соединенную с одним или более конденсаторами с образованием резонансной/настроенной схемы.
Резонансную схему, как правило, настраивают на несущую частоту электромагнитного сигнала обмена данными и на первую резонансную частоту, благодаря чему вторая резонансная схема 321 обмена данными обеспечивает очень эффективную антенну. На практике возможно некоторое несоответствие между указанными частотами, например, вследствие допусков и отклонений компонентов, наличия проводящего материала и т. д. Однако, как правило, вторую резонансную частоту можно поддерживать в пределах 5%, а часто и 1% относительно несущей частоты и/или первой резонансной частоты.
В этом примере в системе для обмена данными ближнего действия используют модуляцию нагрузкой для передачи данных от приемника 205 энергии на передатчик 201 энергии. Первое устройство 315 для обмена данными генерирует сигнал возбуждения для первой резонансной схемы 317 для обмена данными, в результате чего генерируется электромагнитный сигнал обмена данными. Второе устройство 323 для обмена данными изменяет нагрузку второй резонансной схемы 321 для обмена данными в зависимости от данных, подлежащих передаче на передатчик 201 энергии. Это изменение нагрузки приводит к изменениям сигнала возбуждения (например, изменениям тока), которые могут быть обнаружены первым устройством 315 для обмена данными.
При обмене данными ближнего действия может быть, в частности, использован подход NFC с первым устройством 315 для обмена данными/первой резонансной схемой 317 для обмена данными, реализующими функциональные возможности, соответствующие считывающему устройству NFC, и вторым устройством 323 для обмена данными/второй резонансной схемой 321 для обмена данными, реализующими функциональные возможности, соответствующие карте или метке NFC. Таким образом, приемник 205 энергии может эффективно имитировать карту NFC, что позволяет считывать ее с применением функции считывающего устройства NFC передатчика 201 энергии.
Во многих вариантах осуществления, в которых, например, используют подход NFC, несущая частота (номинально) составляет 13,56 МГц и, таким образом, первая и вторая резонансные частоты равны (близки к) частоте 13,56 МГц.
Для обнаружения присутствия случайных металлических (проводящих) предметов, таких как ключи или монеты, которые нагреваются вследствие воздействия сильного магнитного поля, типовые передатчики энергии, как правило, имеют функциональные возможности по обнаружению постороннего объекта, в частности, предназначенные для определения присутствия каких-либо нежелательных проводящих предметов в генерируемом электромагнитном поле. Такое обнаружение постороннего объекта обычно основано на оценке коэффициента добротности для резонансной частоты энергии или неучтенных потерь энергии для сигнала передачи энергии. Однако, хотя это может позволить обеспечить приемлемые характеристики во многих случаях и для многих типов объектов, было установлено, что существует конкретная проблема со интеллектуальными картами, такими как карты NFC или RFID, поскольку они, как правило, содержат лишь небольшое количество металла, которое сложно надежно обнаружить.
Это, как правило, является проблемой на практике, поскольку такие карты могут быть повреждены сильным магнитным полем. Например, карта NFC может быть повреждена сильным электромагнитным полем с частотой в диапазоне от 20 до 200 кГц, несмотря на то, что она выполнена с возможностью использования несущей частоты 13,56 МГц. Например, воздействие сильного магнитного поля может привести к тому, что выпрямленное напряжение Vcc может быть настолько высоким, что разрушит микросхему NFC. Такое повреждение может произойти даже после очень короткого воздействия магнитного поля, например, при воздействии магнитного поля в течение всего 10-20 мс.
Чтобы предотвратить повреждение таких интеллектуальных карт сильным магнитным полем, генерируемым передатчиком энергии, было предложено включать в передатчики энергии так называемую систему обнаружения интеллектуальных карт (SCD), специально выполненную с возможностью обнаружения таких карт. В более общем смысле, некоторые передатчики энергии содержат схему обнаружения резонансного устройства, выполненную с возможностью обнаружения присутствия резонансной схемы на заданной частоте (или близкой к ней, т.е. в пределах соответствующего диапазона частот). Такая функция обнаружения резонанса может, в частности, предполагать обнаружение, которое основано на конкретных параметрах обнаруживаемого устройства, например, в частности, оно может включать обнаружение наличия резонансной частоты, имеющей заданную резонансную частоту. Схема обнаружения резонансного устройства может быть, в частности, выполнена с возможностью генерации испытательного сигнала, на который, в частности, будет влиять присутствие резонансной схемы с ожидаемыми параметрами и, в частности, с ожидаемой резонансной частотой.
В качестве конкретного примера испытательный сигнал может быть сгенерирован с частотой, соответствующей номинальной резонансной частоте. Например, испытательный сигнал возбуждения с частотой, соответствующей номинальной частоте, может подаваться в резонансную схему, настроенную на номинальную резонансную частоту, и имеющую катушку, выполненную с возможностью работы в качестве антенны. Если устройство с резонансной схемой, настроенной на номинальную резонансную частоту (или близкую к ней частоту), окажется в непосредственной близости от схемы обнаружения, это окажет сильное влияние на резонансную схему обнаружения и может быть определена, например, величина изменения тока сигнала возбуждения.
Такой подход может позволить обнаруживать присутствие устройства, содержащего такую резонансную схему, даже в ситуациях, когда традиционные подходы к обнаружению постороннего объекта с определением потери энергии или коэффициента добротности не применимы из-за необходимости наличия относительно большого количества металла для возможности обнаружения. Например, он позволяет обнаруживать, например, интеллектуальные карты, такие как карты NFC.
Это имеет большое практическое значение, поскольку интеллектуальные карты могут быть повреждены под воздействием сильного магнитного поля переменного тока даже на сильно отличающейся частоте. Это, в частности, является проблемой для вариантов применения беспроводной передачи энергии с высоким уровнем энергии, например, разрабатываемых для вариантов применения на кухне, например, с подачей энергии к чайнику или сковороде. В таких системах может потребоваться высокочувствительная система обнаружения интеллектуальных карт.
Передатчик 201 энергии, показанный на ФИГ. 3, содержит детектор объекта в виде детектора 327 резонансного устройства, выполненного с возможностью обнаружения присутствия резонансной схемы (имеющей номинальную/заданную резонансную частоту (которая, например, как можно предположить, находится в пределах заданного диапазона частот, включающего номинальную резонансную частоту, с возможностью обнаружения которой выполнен детектор 327 резонансного устройства), и, таким образом, устройства, содержащего такую резонансную схему.
В этом примере детектор 327 резонансного устройства содержит резонансную схему 329 обнаружения, которая настроена на номинальную резонансную частоту обнаружения. В этом примере детектор 327 резонансного устройства представляет собой детектор интеллектуальной карты, выполненный с возможностью обнаружения, например, карты NFC, и, соответственно, он настроен на частоту (приблизительно) 13,56 МГц. Резонансная схема 329 обнаружения соединена с возбудителем/генератором 331, выполненным с возможностью генерации несущего сигнала, который имеет частоту, равную номинальной резонансной частоте обнаружения. Таким образом, генератор в конкретном примере генерирует сигнал возбуждения 13,56 МГц и подает его в резонансную схему 329 обнаружения.
Детектор 327 резонансного устройства также содержит процессор 332 обнаружения, который соединен с генератором 331. Процессор 332 обнаружения выполнен с возможностью оценки параметра сигнала возбуждения, такого как, например, ток возбуждения. Если параметр возбуждения отклоняется от ожидаемого в случае отсутствия интеллектуальной карты, процессор 332 обнаружения переходит к определению того, что интеллектуальная карта потенциально присутствует. Если оказывается, что это так, то этот результат обнаружения передается в контроллер 301 передатчика энергии, который переходит к выполнению соответствующего действия, например, он может прекратить передачу энергии или снизить максимальный уровень энергии.
Процессор 332 обнаружения может, в частности, быть выполнен с возможностью обнаружения присутствия объекта, резонансная частота которого соответствует резонансной частоте резонансной схемы 329 обнаружения (и резонансной частоте первой резонансной схемы 317 для обмена данными), т.е. соответствует первой резонансной частоте. Детектор объекта выполнен с возможностью обнаружения присутствия объекта, содержащего резонансную схему, имеющую резонансную частоту, соответствующую резонансной частоте первой резонансной схемы 317 для обмена данными, путем определения тока катушки для резонансной схемы (резонансной схемы 329 обнаружения), которая имеет такую же резонансную частоту, и/или с использованием сигнала возбуждения, имеющего такую же резонансную частоту. Детектор 327 объекта/резонансного устройства может быть выполнен с возможностью обнаружения присутствия объекта, содержащего резонансную схему, имеющую резонансную частоту, соответствующую первой резонансной частоте, путем определения нагрузки сгенерированного электромагнитного испытательного сигнала, имеющего частоту, отклоняющуюся от первой резонансной частоты менее, чем на пороговое значение (пороговое значение может, как правило, составлять, например, 0,1%, 0,5%, 1%, 5% или 10% от первой резонансной частоты). Как правило, сгенерированный электромагнитный сигнал имеет частоту, по существу равную первой резонансной частоте. В примере, показанном на ФИГ. 3, генератор 331 выполнен с возможностью генерации сигнала возбуждения для резонансной схемы 329 обнаружения таким образом, чтобы сгенерировать электромагнитный испытательный сигнал (обнаружение объекта). Сигнал возбуждения, в частности, генерируют для обеспечения частоты, по существу равной первой резонансной частоте.
Чтобы обеспечить лучшее обнаружение, в сигнале передачи энергии на этапе передачи энергии используют повторяющийся временной кадр, который содержит по меньшей мере один временной интервал передачи энергии и по меньшей мере один временной интервал обнаружения объекта, причем указанные временные интервалы не перекрываются. В течение временных интервалов передачи энергии передатчик 201 энергии передает мощность на приемник 205 энергии, генерируя сигнал передачи энергии, который имеет требуемый уровень мощности, необходимый для обеспечения требуемой мощности на приемнике 205 энергии. В частности, уровень мощности в течение временных интервалов передачи энергии устанавливается в ответ на сообщения для управления мощностью, принятые от приемника 205 энергии.
Повторяющийся временной кадр, как правило, представляет собой периодически повторяющийся временной кадр. Во многих вариантах осуществления каждый повторяющийся временной кадр может иметь длительность не более 0,5 секунды, 1 секунды, 2 секунд или 5 секунд. Повторяющийся временной интервал может, в частности, представлять собой периодически повторяющийся временной интервал с периодом не более 0,5 секунды, 1 секунды, 2 секунд или 5 секунд.
В течение временных интервалов обнаружения объекта уровень мощности, как правило, значительно снижается, соответственно временным интервалам передачи энергии. В частности, максимальный предел мощности в течение временных интервалов обнаружения объекта ниже, чем в течение временных интервалов передачи энергии, и, как правило, он имеет гораздо более низкое значение. Например, в течение временных интервалов обнаружения объекта максимальный уровень мощности может быть ограничен пределом, который составляет менее 0,5 Вт, 1 Вт, 5 Вт или 10 Вт. Предел мощности для сигнала передачи энергии, как правило, может быть по меньшей мере в 5, 10, 50 или 100 раз выше. Таким образом, электромагнитное поле сигнала передачи энергии значительно слабее в течение временных интервалов передачи энергии, чем в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Во многих вариантах осуществления в течение временных интервалов обнаружения объекта может быть установлен фиксированный уровень мощности и, в частности, в некоторых вариантах осуществления он может быть установлен по существу равным нулю, т.е. сигнал передачи энергии может быть выключен. Преимущество такого подхода состоит в том, что электромагнитное поле сигнала передачи энергии в течение временных интервалов обнаружения объекта является не только очень слабым, но также постоянным и предсказуемым.
Пример повторяющегося временного кадра показан на ФИГ. 4, на которой временные интервалы передачи энергии обозначены как PT, а временные интервалы обнаружения постороннего объекта обозначены как D. В этом примере каждый временной кадр FRM содержит только один временной интервал обнаружения постороннего объекта и один временной интервал передачи энергии, которые (а также и сам временной кадр) имеют одинаковую длительность в каждом кадре. Однако следует понимать, что в других вариантах осуществления другие временные интервалы также могут быть включены во временной кадр (такие как, например, интервалы обмена данными), или множество временных интервалов обнаружения постороннего объекта и/или временных интервалов передачи энергии могут быть включены в каждый временной кадр. Кроме того, длительность различных временных интервалов (и по существу самого временного кадра) в некоторых вариантах осуществления может изменяться динамически.
Повторяющийся временной кадр может во многих вариантах осуществления быть неизменяющимся, фиксированным, постоянным или даже заданным временным кадром. Во многих вариантах осуществления длительность каждого временного кадра может быть постоянной (по меньшей мере для некоторых последовательных временных кадров), а временные характеристики временных интервалов обнаружения объекта в пределах временных кадров могут быть неизменяющимися, фиксированными, постоянными или даже заданными. Во многих вариантах осуществления, таких как вариант осуществления в примере, показанном на ФИГ. 4, отдельные временные кадры идентичны. Временные характеристики повторяющегося временного кадра и, как правило, временных интервалов обнаружения объекта и/или временных интервалов передачи энергии являются фиксированными и постоянными.
Таким образом, в системе на этапе передачи энергии передатчик энергии выполнен с возможностью выполнения передачи энергии в течение временного интервала передачи энергии временных кадров. В частности, в течение этих временных интервалов передатчик 201 энергии и приемник 205 энергии могут управлять контуром управления энергией (работа контура управления энергией может быть основана на обмене данными в течение временного интервала сигнала передачи энергии или может, например, может быть основана на обмене данными вне временного интервала сигнала передачи энергии, например, в выделенных временных интервалах обмена данными. Например, каждый временной интервал постороннего объекта может быть разделен на множество чередующихся временных интервалов сигнала передачи энергии и временных интервалов обмена данными). Таким образом, уровень передаваемой энергии может динамически изменяться.
В некоторых вариантах осуществления приемник 205 энергии также может быть выполнен с возможностью уменьшения нагрузки для сигнала передачи энергии в течение временных интервалов обнаружения объекта. Например, он может отключать или отсоединять нагрузку, чтобы уменьшить мощность, получаемую из сигнала передачи энергии в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Согласно этому подходу обнаружение объекта детектором 327 резонансного устройства и передача энергии, таким образом, разделены во временной области, благодаря чему достигается уменьшение перекрестных помех, возникающих при передаче энергии, на обнаружение объекта/карты. Таким образом, вызываемые сигналом передачи энергии помехи обнаружению резонансной карты/интеллектуальной карты уменьшаются. Кроме того, изменчивость и неопределенность (возникающие в результате изменений рабочих условий) передачи энергии могут быть изолированы от обнаружения объекта, что позволяет обеспечить более надежное и точное обнаружение.
Однако изобретатели установили, что даже в случае применения такого подхода обнаружение резонансных устройств во многих ситуациях, как правило, не всегда является достаточно точным. Кроме того, они установили, что эффективность обнаружения может быть повышена за счет управления работой схемы обмена данными и, в частности, за счет управления первой резонансной схемой 317 обмена данными и/или второй резонансной схемой 321 обмена данными. В системе, показанной ФИГ. 1, передатчик 201 энергии и/или приемник 205 энергии содержат средства для адаптации их резонансной схемы обмена данными таким образом, чтобы она обеспечивала резонанс на первой резонансной частоте во время обмена данными и не обеспечивала этот резонанс на первой резонансной частоте в течение временных интервалов обнаружения объекта.
В частности, передатчик 201 энергии содержит первый контроллер 333, выполненный с возможностью управления первой резонансной схемой 317 для обмена данными таким образом, чтобы первая резонансная схема 317 для обмена данными обеспечивала первую резонансную частоту в течение периодов времени, когда система для обмена данными ближнего действия используется для обмена данными с приемником 205 энергии, но не во временные интервалы обнаружения объекта.
Обмен данными с использованием системы для обмена данными ближнего действия осуществляется в периоды времени, отличные от временных интервалов обнаружения объекта. Таким образом, первое устройство 315 для обмена данными и второе устройство 323 для обмена данными выполнены с возможностью осуществления обмена данными в периоды времени, отличные от временных интервалов обнаружения объекта. Временными характеристиками повторяющегося временного кадра можно управлять с помощью контроллера 305 передатчика энергии, а сигнал синхронизации может подаваться на первое устройство 315 для обмена данными для управления при осуществлении обмена данными. В некоторых вариантах осуществления повторяющийся временной кадр может включать в себя выделенные временные интервалы обмена данными, не перекрывающиеся с временными интервалами передачи энергии и временными интервалами обнаружения объекта, и, в частности, в течение таких временных интервалов обмена данными уровень энергии сигнала передачи энергии может быть снижен (в соответствии с подходом для временных интервалов обнаружения объекта). В других вариантах осуществления обмен данными с помощью первого устройства для обмена данными с использованием первой резонансной схемы 317 для обмена данными может выполняться одновременно с передачей энергии, т.е. в течение временных интервалов передачи энергии.
Во время обмена данными с помощью первого устройства 315 для обмена данными (в частности, в течение временных интервалов обмена данными, перекрывающихся или не перекрывающихся с временными интервалами передачи энергии), первый контроллер 333 управляет первой резонансной схемой 317 для обмена данными для обеспечения резонанса на первой резонансной частоте и, таким образом, обеспечивает оптимальный обмен данными. Однако в течение временных интервалов обнаружения объекта первый контроллер 333 управляет первой резонансной схемой 317 для обмена данными, не обеспечивая указанную резонансную частоту. Это может быть достигнуто разными способами.
В некоторых вариантах осуществления настройка первой резонансной схемы 317 для обмена данными может быть сброшена для изменения резонансной частоты в течение временных интервалов обнаружения объекта. Таким образом, первый контроллер 333 может управлять первой резонансной схемой 317 для обмена данными, изменяя первую резонансную схему 317 для обмена данными таким образом, чтобы она имела другую резонансную частоту, называемую измененной резонансной частотой, в течение временных интервалов обнаружения объекта по сравнению с временными интервалами обмена данными.
Резонансная частота может быть, например, изменена путем включения (или выключения) дополнительного резонансного компонента, такого как, например, конденсатор, являющийся частью резонансной схемы. Например, в течение временных интервалов обнаружения объекта первый контроллер 333 может управлять первой резонансной схемой 317 для обмена данными, включая дополнительный конденсатор, который изменяет эффективную резонансную емкость резонансной схемы, таким образом изменяя резонансную частоту.
При этом, резонансная частота, как правило, изменяется относительно сильно и в большинстве вариантов осуществления она будет изменена таким образом, что измененная резонансная частота будет значительно отличаться от первой. В большинстве вариантов осуществления измененная резонансная частота находится вне диапазона от 90% первой резонансной частоты до 110% первой резонансной частоты. Это, как правило, будет приводить к значительному уменьшению влияния первой резонансной схемы 317 для обмена данными на обнаружение объекта детектором 327 резонансного устройства. В некоторых вариантах отклонение может составлять не менее чем 20%, 50% или даже 100%.
В некоторых вариантах осуществления первый контроллер 333 может быть выполнен с возможностью управления первой резонансной схемой 317 для обмена данными таким образом, чтобы она не обеспечивала резонанс для первого устройства 315 для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта. Это может быть достигнуто, например, путем изменения первой резонансной схемы 317 для обмена данными таким образом, чтобы она не имела резонанса, или путем отключения/отсоединения первой резонансной схемы 317 для обмена данными от первого устройства 315 для обмена данными.
В первом случае первая резонансная схема 317 для обмена данными может, например, содержать выключатель, который отключает первую антенну для обмена данными от остальной части резонансной схемы, частью которой она является, или, например, отключает резонансный конденсатор (конденсаторы) от резонансной схемы. Это позволяет изменить схему таким образом, чтобы не была образована резонансная схема в течение временных интервалов обнаружения объекта. Кроме того, указанным выключателем может управлять первый контроллер 333.
В таких вариантах осуществления первая резонансная схема 317 для обмена данными все еще может, таким образом, генерировать колебания как первая резонансная схема, но она будет отсоединена от первого устройства 205 для обмена данными. Во многих таких вариантах осуществления передатчик 201 энергии может быть также выполнен с возможностью подключения схемы 307 приемника энергии к детектору 327 резонансного устройства в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Например, как показано на ФИГ. 5, передатчик 201 энергии может содержать дополнительный переключатель 501, который переключает соединение первой резонансной схемы 317 для обмена данными с первого устройства 205 для обмена данными на детектор 327 резонансного устройства и, в частности, на генератор 331. Этим переключателем управляет первый контроллер 333, причем переключатель выполнен с возможностью переключения таким образом, что он подключает первую резонансную схему 317 для обмена данными к первому устройству 315 для обмена данными во время обмена данными (например, в течение временных интервалов обмена данными повторяющегося временного кадра), и таким образом, что он подключает первую резонансную схему 317 для обмена данными к детектору 327 резонансного устройства в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Такой подход, в частности, может обеспечить эффективную работу, поскольку он позволяет повторно использовать схемы для выполнения разных функций, что позволяет снизить стоимость, сложность, размер и т.д.
Изобретатели установили, что подходы к изменению или удалению резонансной частоты для функции обмена данными при выполнении обнаружения объекта для резонансного устройства или карты могут обеспечить лучшее обнаружение резонансного устройства, поскольку они обеспечивают устранение или уменьшение помех между функцией обмена данными и функциями обнаружения. Это, в частности, характерно для многих практических вариантов осуществления, в которых для обмена данными используют частоту, соответствующую резонансной частоте, которую детектор 327 резонансного устройства пытается обнаружить. Например, это, в частности, полезно для осуществления попыток обнаружения карты NFC в системах беспроводной передачи энергии, в которых используют подход NFC для обмена данными между приемником энергии и передатчиком энергии.
Во многих вариантах осуществления настроенная антенна обмена данными может быть сделана «невидимой» для схемы обнаружения объекта и, в частности, в некоторых вариантах осуществления это может быть достигнуто путем объединения антенн/катушек для обнаружения объекта и обмена данными в единую систему.
Характеристики обнаружения и обмена данными улучшаются за счет применения подхода с временным разделением, при котором указанные функции выполняются в разные периоды времени. Однако изобретатели установили, что это само по себе часто не обеспечивает оптимальной эффективности обнаружения на практике. Они установили, что удаление резонансной частоты для схемы обмена данными во время обнаружения резонансного объекта/устройства может значительно повысить эффективность обнаружения.
Практические эксперименты с системами типа Qi показали, что использование временного разделения между обменом данными и обнаружением может обеспечить большую эффективность, но все же не так надежно, как требуется. В частности, для достижения достаточной надежности и эффективности обнаружения могут потребоваться довольно длинные интервалы обнаружения. Во многих таких системах время обнаружения на практике может составлять порядка 30-40 мс, тогда как описанный подход может позволить уменьшить его приблизительно до 0,2-2,0 мс. Это, в частности, предпочтительно и важно во многих вариантах осуществления, поскольку время обнаружения приводят в соответствие со временем, которое, как правило, требуется для нерезонансного обнаружения объекта, такого как, в частности, обычное обнаружение постороннего объекта на основании измерений потерь энергии или коэффициента добротности. Это, в частности, позволяет выполнять эти операции одновременно и, в частности, означает, что временные интервалы обнаружения объекта можно использовать одновременно как для обнаружения резонансного устройства, так и для обнаружения постороннего объекта на основании обнаружения проводящего материала/металла.
В некоторых вариантах осуществления передатчик 201 энергии также может содержать нерезонансный детектор постороннего объекта, выполненный с возможностью выполнения обнаружения постороннего объекта в течение временных интервалов обнаружения объекта. Нерезонансный детектор постороннего объекта может быть выполнен с возможностью выполнения обнаружения постороннего объекта на основании потери энергии и/или коэффициента добротности. Обнаружение постороннего объекта может представлять собой обнаружение присутствия проводящего элемента, например, присутствия металла.
Во многих вариантах осуществления приемник 205 энергии альтернативно или дополнительно также может быть выполнен с возможностью изменения создания резонанса во второй резонансной схеме 321 для обмена данными в течение временных интервалов обнаружения объекта в соответствии с тем, когда осуществляется обмен данными.
Приемник 205 энергии содержит второй контроллер 335, который выполнен с возможностью управления второй резонансной схемой 321 для обмена данными. Вторая резонансная схема 321 для обмена данными может работать соответственно с первым устройством 205 для обмена данными и может, в частности, управлять второй резонансной схемой 321 для обмена данными, изменяя ее резонансную частоту или полностью предотвращая создание резонанса в течение временных интервалов обнаружения объекта.
Комментарии и описания, приведенные ранее в отношении первой резонансной схемы 317 для обмена данными и первого контроллера 333, применимы (при внесении соответствующих изменений) ко второй резонансной схеме 321 для обмена данными и второму контроллеру 335.
Таким образом, второй контроллер 335 может быть выполнен с возможностью управления второй резонансной схемой 321 для обмена данными для включения или выключения резонансного компонента, такого как подключенный последовательно или параллельно второй конденсатор, и, таким образом, изменения резонансной частоты. В других вариантах осуществления второй контроллер 335 может управлять второй резонансной схемой 321 для обмена данными, отключая вторую антенну 325 для обмена данными от соответствующего резонансного конденсатора, и, таким образом, предотвращая создание резонанса.
В то время как передатчик 201 энергии генерирует сигнал передачи энергии и, таким образом, по существу имеет данные о временных характеристиках используемого повторяющегося временного кадра, приемник 205 энергии может не иметь таких данных. Таким образом, во многих вариантах осуществления приемник 205 энергии может иметь функциональные возможности по синхронизации работы второго контроллера 335 с повторяющимся временным кадром сигнала передачи энергии.
Контроллер 313 приемника энергии может, например, синхронизировать второй контроллер 335 с изменениями уровня (изменениями в уровне) сигнала передачи энергии. Уровень мощности индуцированного сигнала в течение временных интервалов передачи энергии, как правило, намного выше, чем в течение временных интервалов обнаружения объекта. Следовательно, изменение уровня мощности может быть обнаружено между временными интервалами и это может быть использовано для синхронизации локальной временной базы с сигналом передачи энергии, и, таким образом, может быть использовано для синхронизации переключения второй резонансной схемы 321 для обмена данными к повторяющемуся временному кадру сигнала передачи энергии.
В некоторых вариантах осуществления в течение временных интервалов обнаружения объекта передатчик 201 энергии снижает мощность сигнала передачи энергии до уровня, при котором приемник 205 энергии по существу не принимает энергию. В этом случае мощность, передаваемая передатчиком 201 энергии, будет в основном поглощаться посторонним объектом, находящимся вблизи передатчика 201 энергии. Это можно измерить с гораздо более высокой точностью, поскольку неопределенность энергии, передаваемой по направлению к приемнику 205 энергии, уже не участвует в уравнении. Таким образом, может быть достигнуто лучшее, основанное не на резонансе, обнаружение постороннего объекта. Кроме того, может быть достигнуто лучшее обнаружение объекта на основе резонанса (детектором 327 резонансного устройства), поскольку помехи, вызванные сигналом передачи энергии, также уменьшаются на сильно отличающейся частоте резонанса (например, 13,56 МГц). Кроме того, при устранении резонанса во второй резонансной схеме 321 обмена данными (и первой резонансной схеме 317 обмена данными), уменьшаются помехи схемы обмена данными.
В качестве примера, если нагрузкой приемника 205 энергии является батарея с определенным напряжением батареи Uбат, как показано на ФИГ. 6, передача энергии на приемник 205 энергии может быть эффективно отключена путем уменьшения сигнала энергии/магнитного поля, генерируемого передатчиком 201 энергии. В этом случае индуцированное напряжение U_Rx на входе выпрямителя приемника ниже напряжения Uбат батареи. В этом случае ток не протекает через диоды D1-D4 выпрямительного моста и не поступает к батарее (нагрузке). Диоды выполняют функцию пассивного выключателя. Хотя передатчик 201 энергии уменьшает передаваемую мощность в течение временного интервала обнаружения объекта, сигнал возбуждения для переключения второй резонансной схемы 321 для обмена данными (т.е. сигнал синхронизации, представляющий повторяющийся временной кадр) может быть легко получен из индуцированного напряжения U_Rx путем осуществления амплитудной демодуляции.
В качестве другого примера, показанного на ФИГ. 7, если нагрузкой приемника 205 энергии является не батарея, а, например, резистивная нагрузка, отключение нагрузки не будет происходить автоматически при снижении уровня энергии. Через диоды D1-D4 выпрямительного моста будет по-прежнему протекать ток. С помощью переключателя S3 диоды D1-D4 могут быть переведены в непроводящий режим для эффективного отключения нагрузки Rнагрузки. Сигнал возбуждения для переключения второй резонансной схемы 321 для обмена данными снова может быть получен из индуцированного напряжения U_Rx путем осуществления амплитудной демодуляции.
Во многих вариантах осуществления точные временные характеристики переключения работы первой резонансной схемы 317 для обмена данными и второй резонансной схемы 321 для обмена данными не являются критичными. Во многих вариантах осуществления первый контроллер 333 и второй контроллер 335 могут быть выполнены с возможностью переключения первой резонансной схемы 317 для обмена данными и второй резонансной схемы 321 для обмена данными таким образом, чтобы не обеспечивать резонанс на первой частоте с соответствующим запасом времени перед началом временного интервала обнаружения объекта и с соответствующим запасом времени после окончания временного интервала обнаружения объекта. Таким образом, в течение временных интервалов обнаружения объекта резонанс на первой резонансной частоте отсутствует.
Аналогичным образом, первый контроллер 333 и второй контроллер 335 могут переключать первую резонансную схему 317 для обмена данными/вторую резонансную схему 321 для обмена данными на первую резонансную частоту перед началом любого обмена данными и могут не выполнять переключение до завершения обмена данными.
Во многих вариантах осуществления повторяющийся временной кадр может содержать как временной интервал обнаружения объекта, так и временной интервал обмена данными с промежуточными интервалами передачи энергии. В таком варианте осуществления первый контроллер 333/второй контроллер 335 могут в принципе выполнять переключение в любое время в течение интервалов передачи энергии. Поскольку они, как правило, очень велики по сравнению как с временными интервалами обмена данными, так и с временными интервалами обнаружения объекта, к ним, как правило, не предъявляются строгие требования в отношении синхронизации и даже относительно низкая точность синхронизации будет достаточной. Однако во многих вариантах осуществления желательно максимизировать время, в течение которого резонансные схемы обеспечивают резонанс на первой резонансной частоте, и, таким образом, переключение во многих вариантах осуществления может выполняться незадолго до (или даже в начале) временного интервала обнаружения объекта и вскоре по истечении (или даже в конце) временного интервала обнаружения объекта. Благодаря этому первое устройство 315 для обмена данными может обеспечивать обмен данными в течение большей части повторяющегося временного кадра, что может быть предпочтительным в вариантах осуществления, в которых некоторые функциональные возможности приемника энергии (например, второго устройства для обмена данными) предполагают получение питания из энергии, полученной из сигнала обмена данными.
Хотя приведенное выше описание относится к обнаружению интеллектуальных карт, следует понимать, что оно может быть применено для обнаружения других объектов и, в частности, других резонансных устройств, имеющих резонанс по отношению к магнитному полю, в котором находится устройство.
Кроме того, следует понимать, что во многих вариантах осуществления как передатчик энергии, так и приемник энергии переключают резонансную частоту резонансных схем для обмена данными, но в некоторых вариантах осуществления только в одном из передатчика энергии и приемника энергии может быть применен этот подход. При этом по-прежнему может быть обеспечено лучшее обнаружение и уменьшено взаимное влияние между функцией обмена данными и функцией обнаружения.
Следует понимать, что в приведенном выше описании для ясности варианты осуществления настоящего изобретения представлены со ссылкой на различные функциональные схемы, блоки и процессоры. Однако очевидно, что может быть использовано любое подходящее распределение функциональных возможностей между различными функциональными схемами, блоками или процессорами без отступления от настоящего изобретения. Например, функциональные возможности, показанные как выполняемые отдельными процессорами или контроллерами, могут быть выполнены одним и тем же процессором или контроллерами. Следовательно, ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы следует рассматривать только как ссылки на пригодные средства для обеспечения описанных функциональных возможностей, а не как указание на строгую логическую или физическую структуру или организацию.
Настоящее изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая аппаратное обеспечение, программное обеспечение, аппаратно реализованное программное обеспечение или любую их комбинацию. Настоящее изобретение также может быть реализовано, по меньшей мере частично, в виде компьютерного программного обеспечения, работающего на одном или более процессорах для обработки данных и/или процессорах для обработки цифровых сигналов. Элементы и компоненты согласно варианту осуществления настоящего изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим способом. В действительности, функциональные возможности могут быть реализованы в одном блоке, в множестве блоков или в виде части других функциональных блоков. Таким образом, настоящее изобретение может быть реализовано в виде одного блока или может быть физически и функционально распределено между различными блоками, схемами и процессорами.
Хотя настоящее изобретение было описано в отношении некоторых вариантов осуществления, оно не ограничивается конкретной формой, изложенной в данном документе. Объем настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, хотя может показаться, что признак описан в отношении конкретных вариантов осуществления, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что различные признаки описанных вариантов осуществления могут быть объединены в соответствии с настоящим изобретением. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает наличия других элементов или этапов.
Кроме того, хотя множество средств, элементов, схем или этапов способа перечислены по отдельности, они могут быть реализованы, например, с помощью одной схемы, одного блока или одного процессора. Кроме того, хотя отдельные признаки могут быть включены в разные пункты формулы изобретения, предпочтительно они могут быть объединены и их включение в разные пункты формулы изобретения не означает, что комбинация признаков невозможна и/или не предпочтительна. Кроме того, включение признака в одну категорию пунктов формулы изобретения не подразумевает ограничения этой категорией, а наоборот указывает на то, что этот признак в равной степени применим к другим категориям пунктов формулы изобретения, когда это уместно. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не подразумевает какой-либо конкретный порядок, в котором эти признаки должны работать, и, в частности, порядок отдельных этапов в формуле изобретения не подразумевает, что эти этапы должны выполняться в указанном порядке. Наоборот, этапы могут выполняться в любом подходящем порядке. Кроме того, упоминания в единственном числе не исключают множественного числа. Таким образом, ссылки на грамматические средства выражения формы единственного числа, а также термины «первый», «второй» и т. д. не исключают множества. Ссылочные позиции в формуле изобретения представлены исключительно в качестве поясняющего примера и их никоим образом не следует рассматривать как ограничивающие объем формулы изобретения.