УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ
DEVICE AND METHOD FOR WIRELESS POWER TRANSMISSION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к системе беспроводной передачи энергии и, в частности, но не исключительно, к устройству и способу поддержки беспроводной передачи энергии высокой мощности, такой как, например, для поддержки кухонных электроприборов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для питания от внешнего источника питания большинству современных электрических изделий требуется специальный электрический контакт.Однако это, как правило, непрактично и требует от пользователя физической вставки разъема или установления иным образом физического электрического контакта. Кроме того, требования к питанию, как правило, значительно отличаются, и в настоящее время большинство устройств поставляются со своими собственными 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 позволяет избежать необходимости проводного соединения с источников питания во время использования, это обеспечивает лишь частичное решение, поскольку батареи нужно будет подзаряжать (или заменять). Использование батарей может также существенно увеличить вес и, возможно, стоимость и размер устройств.
Для обеспечения значительного улучшения впечатления от использования было предложено применять беспроводной источник питания, при этом энергию передают за счет индукции с катушки передатчика в устройстве передачи энергии на катушку приемника в отдельных устройствах.
Концепция передачи энергии посредством магнитной индукции хорошо известна и в основном применяется в трансформаторах, имеющих сильную связь между первичным индуктором/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 на основе принципа слабосвязанного трансформатора.
Такое расположение позволяет осуществлять беспроводную передачу энергии устройству без необходимости в каких-либо проводах или физических электрических соединениях. Действительно, это может просто позволить помещать устройство рядом или сверху катушки передатчика для подзарядки или питания от внешнего источника. Например, устройства передачи энергии могут быть выполнены с горизонтальной поверхностью, на которую можно просто поместить устройство, чтобы оно получало питание.
Кроме того, преимуществом таких конструкций для беспроводной передачи энергии заключается в том, что они могут быть выполнены таким образом, чтобы устройство передачи энергии могло быть использовано с целым рядом устройств, принимающих энергию. В частности, было 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 передачи энергии вместе с также удовлетворяющими спецификациям Qi принимающими энергию устройствами, которые необязательно должны быть от того же самого изготовителя или быть специально предназначенными друг для друга. Стандарт Qi также включает некоторые функциональные возможности, позволяющие адаптировать работу к конкретному принимающему энергию устройству (например, в зависимости от конкретного энергопотребления).
Спецификация Qi разработана Консорциумом беспроводной энергии, и дополнительную информацию можно найти, например, на его веб-сайте http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html, где, в частности, можно найти определенные документы спецификации.
В системах передачи энергии, таких как Qi, электромагнитное поле, формируемое для передачи требуемых уровней энергии приемнику энергии, нередко играет весьма существенную роль. Наличие такого сильного поля может во многих ситуациях влиять на окружающую обстановку. Например, потенциальная проблема с беспроводной передачей энергии состоит в том, что энергия может быть непреднамеренно передана, например, металлическим предметам, которые оказались вблизи передатчика энергии.
Для поддержки эффективной беспроводной передачи энергии системы беспроводной передачи энергии, такие как системы на основе Qi, используют существенную передачу данных между передатчиком энергии и приемником энергии. Первоначально стандарт Qi поддерживал только передачу данных от приемника энергии к передатчику энергии с использованием модуляции нагрузки сигнала передачи энергии. Однако в ходе разработки стандарта была введена двусторонняя передача данных, и многие функции поддерживаются за счет обменов сообщениями между приемником энергии и передатчиком энергии. Во многих системах передачу данных от передатчика энергии приемнику энергии осуществляют путем модуляции сигнала передачи энергии. Однако также было предложено использовать функциональные возможности передачи данных, которые не зависят от сигнала передачи энергии, и которые не используют сигнал передачи энергии в качестве модулируемой несущей. Например, передача данных между передатчиком энергии и приемником энергии может быть достигнута посредством системы связи ближнего действия, например на основе технологий связи RFID/NFC.
Использование отдельного подходя к передаче данных может во многих случаях обеспечить улучшенные рабочие характеристики и может, например, обеспечить, более быструю передачу данных с более высокой надежностью передачи данных и пониженным влиянием на текущую передачу энергии. Однако особого внимания заслуживает проблема, связанная с использованием отдельного подхода к передаче данных, заключающаяся в том то, что функциональные возможности передачи энергии и ее выполнение, как правило, мешают передаче данных и могут привести к значительному ухудшению рабочих характеристик передачи данных.
Поэтому были бы полезны усовершенствованные устройство и способ его использования, в частности, подход, обеспечивающий повышение гибкости, снижение стоимости, уменьшение сложности, улучшение передачи данных, обратную совместимость, улучшение функционирования передачи энергии, сокращение помех между передачей энергии и передачей данных и/или улучшение рабочих характеристик.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, настоящее изобретение направлено на предпочтительно ослабление, смягчение или устранение одного или более из вышеупомянутых недостатков по отдельности или в любой комбинации.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложено устройство для беспроводной передачи энергии от передатчика энергии приемнику энергии с использованием электромагнитного сигнала передачи энергии, причем устройство является одним из передатчика энергии и приемника энергии, при этом устройство содержит: катушку передачи энергии для приема или формирования сигнала передачи энергии; антенну передачи данных для осуществления обмена данными с ответным устройством, представляющим собой другое устройство из приемника энергии и передатчика энергии, посредством сигнала передачи данных, причем антенна передачи данных перекрывается с катушкой передачи энергии; магнитный экранирующий элемент, расположенный между катушкой передачи энергии и антенной передачи данных; контроллер для управления устройством для выполнения передачи энергии в течение интервалов передачи энергии и передачи данных в течение интервалов времени передачи данных; причем магнитный экранирующий элемент содержит магнитный экранирующий материал, имеющий точку насыщения, такую что он работает в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных; точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля, которая выше формируемой сигналом передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой сигналом передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии; а катушка передачи энергии и антенна передачи данных выполнены так, что антенна передачи данных расположена между катушкой передачи энергии и катушкой передачи энергии соответствующего ответного устройства во время операции передачи энергии.
Настоящее изобретение может обеспечить улучшенные рабочие характеристики во многих сценариях. Оно может во многих вариантах реализации сделать возможной сильную связь между катушками передачи энергии и между антеннами передачи данных, при этом они могут перекрываться и потенциально иметь общую ось. Данный подход может во многих вариантах реализации обеспечивать улучшенную передачу данных и/или улучшенную передачу энергии. Этот подход может уменьшить или смягчить воздействие катушки передачи энергии на осуществление передачи данных и на электромагнитный сигнал, используемый для передачи данных. Данный подход позволят достичь разделения между антенной передачи данных и катушкой передачи энергии во время передачи данных без внесения неприемлемого ухудшения передачи энергии. Во многих вариантах реализации воздействие катушки передачи энергии на передачу данных может быть существенно уменьшено при внесении лишь пренебрежимо малого влияния на передачу энергии.
Магнитный экранирующий элемент может быть выполнен с возможностью работы в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных за счет наличия точки насыщения, соответствующей напряженности магнитного поля выше формируемой антенной передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой катушкой передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии. Точка насыщения для напряженности магнитного поля может быть выше максимальной напряженности поля, формируемой в магнитном экранирующем элементе в течение интервалов времени передачи данных, но ниже (минимальной) напряженности поля, формируемой в течение интервалов времени передачи энергии. Во многих вариантах реализации такое функционирование достигается разработкой магнитного экранирующего элемента так, чтобы они имел точку насыщения в диапазоне от 100 мТл до 1 Тл, и часто в диапазоне от 200 мТл до 400 мТл.
Точка насыщения для магнитного экранирующего элемента может быть напряженностью поля в магнитном экранирующем элементе, проницаемость которого уменьшают до 1/10 проницаемости при напряженности магнитного поля 0 Тл.
Обычно магнитный экранирующий материал может считаться насыщенным, если напряженность поля выше точки насыщения, и ненасыщенным, если напряженность поля ниже точки насыщения.
Антенна передачи данных может перекрывать силовую катушку так, что по меньшей мере часть антенны передачи данных находится между катушкой передачи энергии устройства и катушкой передачи энергии ответного устройства в случае номинального/оптимального для передачи энергии пространственного положения двух устройств. Катушка передачи энергии может иметь центральную ось и может, в частности, иметь по существу планарное расположение в плоскости, перпендикулярной этой оси. Антенна передачи данных может перекрывать силовую катушку так, что по меньшей мере часть антенны передачи данных попадает в пределы 3D-фигуры, образуемой поступательным перемещением площади катушки передачи энергии в направлении оси (3D-фигуру можно рассматривать как имеющую постоянное поперечное сечение, соответствующее площади катушки передачи энергии, и проходящую вдоль оси).
Интервалы передачи энергии и интервалы времени передачи данных, как правило, не перекрываются.
Катушка передачи энергии и антенна передачи данных обычно расположены так, что антенна передачи данных находится ближе, чем катушка передачи энергии, к поверхности, через которую происходит передача энергии. Расположение обычно таково, что во время операции передачи энергии антенна передачи данных расположена между катушкой передачи энергии и ответной катушкой передачи энергии ответного устройства. Антенна передачи данных может быть расположена между катушкой передачи энергии и поверхностью устройства для связывания с ответным устройством.
Точка насыщения может соответствовать напряженности магнитного поля (в магнитном экранирующем элементе/материале) выше формируемой (в магнитном экранирующем элементе/материале) сигналом передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой сигналом передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии. В частности, это может означать, что точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля выше формируемой антенной передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой катушкой передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения магнитный экранирующий элемент является листовым элементом, имеющим толщину, не превосходящую 1 мм.
Это во многих вариантах реализации обеспечивает эффективное экранирующее действие, позволяя при этом достигать компактных размеров и высоких коэффициентов связи.
В некоторых вариантах реализации листовой элемент может иметь толщину, не превышающую 0,5 мм, 2 мм или 5 мм.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения магнитный экранирующий материал является ферритовым материалом.
Это может обеспечить особенно эффективную работу и рабочие характеристики во многих вариантах реализации.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения устройство является приемником энергии, а ответное устройство является передатчиком энергии.
Данный подход может обеспечить улучшенный приемник энергии во многих вариантах реализации.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения устройство является передатчиком энергии, а ответное устройство является приемником энергии.
Данный подход может обеспечить улучшенный передатчик энергии во многих вариантах реализации.
2
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения антенна передачи данных является планарной антенной, имеющей площадь не менее 30 см.
Это может обеспечить улучшенные рабочие характеристики во многих вариантах реализации и может, например, обеспечить повышенную гибкость расположения приемника энергии относительно передатчика энергии. Данный подход может обеспечить эффективное осуществление во многих вариантах реализации.
2
2
2
В некоторых вариантах реализации планарная антенна имеет площадь не менее 20 см, 50 см или даже 100 см.
2
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения площадь катушки передачи энергии составляет не менее 50 см.
Это может обеспечить улучшенные рабочие характеристики во многих вариантах реализации и позволяет, например, поддерживать более высокие уровни энергии передачи энергии. Данный подход может обеспечить эффективное осуществление во многих вариантах реализации.
2
2
2
В некоторых вариантах реализации планарная антенна имеет площадь не менее 70 см, 100 см или даже 250 см.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения антенна передачи данных и катушка передачи энергии являются планарными катушками.
Это может обеспечить улучшенные рабочие характеристики и/или реализацию.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения антенна передачи данных и катушка передачи энергии являются соосными.
Это может обеспечить улучшенные рабочие характеристики и/или реализацию.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля выше формируемой антенной передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой катушкой передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии.
Это может обеспечить улучшенные рабочие характеристики и/или эффективную реализацию во многих вариантах реализации.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения интервалы передачи энергии и интервалы времени передачи данных не пересекаются.
Это может обеспечить особенно выгодные рабочие характеристики.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения точка насыщения для магнитного экранирующего элемента находится в диапазоне от 100 мТ до 1 Тл.
Это может обеспечить особенно эффективную работу во многих вариантах реализации и может, в частности, во многих вариантах реализации означать, что магнитный экранирующий материал выполнен с возможностью работы в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения точка насыщения для магнитного экранирующего элемента находится в диапазоне от 200 мТ до 400 Тл.
Это может обеспечить особенно эффективную работу во многих вариантах реализации и может, в частности, во многих вариантах реализации означать, что магнитный экранирующий материал выполнен с возможностью работы в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных.
В соответствии с необязательным признаком настоящего изобретения предложена система беспроводной передачи энергии, содержащая: передатчик энергии, содержащий: первую катушку передачи энергии для формирования сигнала передачи энергии для передачи энергии приемнику энергии; первую антенну передачи данных для обмена данными с приемником энергии посредством сигнала передачи данных, причем первая антенна передачи данных перекрывается с первой катушкой передачи энергии; первый магнитный экранирующий элемент, расположенный между первой катушкой передачи энергии и первой антенной передачи данных; первый контроллер для управления передатчиком данных для выполнения передачи данных в течение интервалов передачи данных и передачей данных в течение интервалов времени передачи данных; и приемник энергии, содержащий: вторую катушку передачи энергии для приема или формирования сигнала передачи энергии; вторую антенну передачи данных для обмена данными с передатчиком энергии посредством сигнала передачи данных, причем вторая антенна передачи данных перекрывается со второй катушкой передачи энергии; второй магнитный экранирующий элемент, расположенный между второй катушкой передачи энергии и второй антенной передачи данных; второй контроллер для управления приемником энергии для выполнения передачи энергии в течение интервалов передачи энергии и передачей данных в течение интервалов времени передачи данных; при этом первая катушка передачи энергии и первая антенна передачи данных выполнены так, что первая антенна передачи данных расположена между первой катушкой передачи энергии и второй катушкой передачи энергии в течении операции передачи энергии; вторая катушка передачи энергии и вторая антенна передачи данных выполнены так, что вторая антенна передачи данных расположена между первой катушкой передачи энергии и второй катушкой передачи энергии в течение операции передачи энергии; первый магнитный экранирующий элемент содержит первый магнитный экранирующий материал, имеющий первую точку насыщения, такую что он работает в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных, причем первая точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля выше формируемой первой антенной передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой первой катушкой передачи данных в течение интервалов времени передачи данных; а второй магнитный экранирующий элемент содержит второй магнитный экранирующий материал, имеющий вторую точку насыщения, такую что он работает в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных, причем вторая точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля выше формируемой первой антенной передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой первой катушкой передачи данных в течение интервалов времени передачи данных.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложен способ управления работой устройства для беспроводной передачи энергии от передатчика энергии приемнику энергии с использованием электромагнитного сигнала передачи энергии, причем устройство является одним из передатчика энергии и приемника энергии, при этом способ включает: прием или формирование сигнала передачи энергии катушкой передачи энергии; осуществление антенной для передачи данных обмена данными с ответным устройством, представляющим собой другое устройство из приемника энергии и передатчика энергии, посредством сигнала передачи данных, причем антенна передачи данных перекрывается с катушкой передачи энергии; обеспечение магнитного экранирующего элемента, расположенного между катушкой передачи энергии и антенной передачи данных; управление контроллером устройством для выполнения передачи энергии во время интервалов передачи энергии и передачи данных во время интервалов времени передачи данных; причем магнитный экранирующий элемент содержит магнитный экранирующий материал, имеющий точку насыщения, такую что он работает в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных; точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля, которая выше формируемой сигналом передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой сигналом передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии; а катушка передачи энергии и антенна передачи данных выполнены так, что антенна передачи данных расположена между катушкой передачи энергии и катушкой передачи энергии соответствующего ответного устройства во время операции передачи энергии.
В соответствии с настоящим изобретением может быть предусмотрен передатчик энергии для выполнения беспроводной передачи энергии приемнику энергии с использованием электромагнитного сигнала передачи энергии, при этом передатчик энергии содержит: катушку передачи энергии для формирования сигнала передачи энергии; антенну передачи данных для осуществления обмена данными с приемником энергии посредством сигнала передачи данных, причем антенна передачи данных перекрывается с катушкой передачи данных; магнитный экранирующий элемент, расположенный между катушкой передачи энергии и антенной передачи данных; контроллер для управления передатчиком энергии для выполнения передачи энергии во время интервалов передачи энергии и передачи данных во время интервалов времени передачи данных; причем магнитный экранирующий элемент содержит магнитный экранирующий материал, имеющий точку насыщения, такую что он работает в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных; точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля, которая выше формируемой сигналом передачи данных/антенной передачи данных в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой сигналом передачи энергии/катушкой передачи энергии в течение интервалов времени передачи энергии; а катушка передачи энергии и антенна передачи данных выполнены так, что антенна передачи данных расположена между катушкой передачи энергии и катушкой передачи энергии приемника энергии во время операции передачи энергии.
В соответствии с настоящим изобретением может быть предусмотрен приемник энергии для беспроводной передачи энергии от передатчика энергии с использованием электромагнитного сигнала передачи энергии, при этом передатчик энергии содержит: катушку передачи энергии для приема сигнала передачи энергии; антенну передачи данных для осуществления обмена данными с передатчиком энергии посредством сигнала передачи данных, причем антенна передачи данных перекрывается с катушкой передачи данных; магнитный экранирующий элемент, расположенный между катушкой передачи энергии и антенной передачи данных; контроллер для управления устройством для выполнения передачи энергии во время интервалов передачи энергии и передачи данных во время интервалов времени передачи данных; причем магнитный экранирующий элемент содержит магнитный экранирующий материал, имеющий точку насыщения, такую что он работает в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных; точка насыщения соответствует напряженности магнитного поля, которая выше формируемой сигналом передачи данных/антенной передачи данных передатчика энергии в течение интервалов времени передачи данных и ниже формируемой сигналом передачи энергии/катушкой передачи энергии передатчика энергии в течение интервалов времени передачи энергии; а катушка передачи энергии и антенна передачи данных выполнены так, что антенна передачи данных расположена между катушкой передачи энергии и катушкой передачи энергии передатчика энергии во время операции передачи энергии.
Эти и другие аспекты, признаки и/или преимущества настоящего изобретения станут очевидны из вариантов реализации, описанных далее в этом документе, и будут пояснены со ссылкой на варианты реализации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты реализации изобретения будут описаны только на примерах со ссылкой на чертежи, на которых:
на ФИГ. 1 показан пример элементов системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 2 показан пример элементов передатчика энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 3 показан пример элементов приемника энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 4 показан пример временного кадра для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 5 показан пример расположений катушек для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 6 показан пример распределения магнитного поля для расположения катушек для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 7-13 показан пример расположения катушек прототипа системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
на ФИГ. 14 показаны некоторые рабочие характеристики для ферритового магнитного экранирующего слоя;
на ФИГ. 15 показан пример катушки передачи данных для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения.
на ФИГ. 16 показан пример катушки передачи данных для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения; и
на ФИГ. 17 показан пример измерений коэффициентов связи для разных катушек передачи данных для системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В следующем описании основное внимание уделяется вариантам реализации настоящего изобретения, которые могут быть применены для системы беспроводной передачи данных, использующей подход к передаче энергии, такой как подход, известный из спецификации Qi. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этим применением, а может быть применено к многим другим системам беспроводной передачи энергии.
На ФИГ. 1 показан пример системы передачи энергии в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения. Система передачи данных содержит передатчик 101 энергии, который содержит катушку/индуктор 103 (или связан с катушкой/индуктором) передатчика энергии. Система также содержит приемник 105 энергии, который содержит катушку/индуктор 107 (или связан с катушкой/индуктором) приемника энергии.
Система обеспечивает электромагнитный сигнал передачи энергии, который может за счет индукции передавать энергию от передатчика 101 энергии приемнику 105 энергии. В частности, передатчик 101 энергии формирует электромагнитный сигнал, который распространяется в виде магнитного потока катушкой или индуктором 103 передатчика. Сигнал передачи энергии может соответствовать электромагнитной составляющей передачи энергии, представляющей передачу энергии от передатчика энергии приемнику энергии, и может считаться соответствующей составляющей формируемого электромагнитного поля, которое передает энергию от передатчика энергии приемнику энергии. Например, если нагрузка катушки 107 передачи энергии приемника отсутствует, энергия не будет извлекаться приемником энергии из формируемого электромагнитного поля (за исключением потерь). При таком сценарии возбуждение катушки 103 передачи энергии передатчика может формировать электромагнитное поле с потенциальной высокой напряженностью поля, но уровень энергии сигнала передачи энергии будет нулевым (за исключением потерь).
Сигнал передачи энергии может, как правило, иметь частоту от 20 кГц до около 500 кГц, а во многих случаях для Qi-совместимых систем, как правило, от 95 кГц до 205 кГц (или, например, для кухонных электроприборов большой мощности частота может быть, как правило, в диапазоне от 20 кГц до 80 кГц). Катушка 103 передачи энергии передатчика и катушка 107 передачи энергии приемника слабо связаны, и поэтому катушка 107 передачи энергии приемника улавливает сигнал передачи энергии (по меньшей мере его часть) от передатчика 101 энергии. Таким образом, энергию передают от передатчика 101 энергии приемнику 105 энергии посредством беспроводной индуктивной связи в направлении от катушки 103 передачи энергии передатчика до катушки 107 передачи энергии приемника. Термин «сигнал передачи энергии» в основном используется для ссылки на индуктивный сигнал/магнитное поле между катушкой 103 передачи энергии передатчика и катушкой 107 передачи энергии приемника (сигнал магнитного потока), однако понятно, что в равной степени он может также рассматриваться и использоваться как ссылка на электрический сигнал, подаваемый на катушку 103 передачи энергии передатчика или улавливаемый катушкой 107 передачи энергии приемника.
В примере приемник 105 энергии, в частности, представляет собой приемник энергии, который принимает энергию посредством катушки 107 передачи энергии приемника. Однако в других вариантах реализации приемник 105 энергии может содержать металлический элемент, такой как металлический нагревательный элемент, и в этом случае сигнал передачи энергии непосредственно индуцирует вихревые токи, приводящие к непосредственному нагреванию элемента.
Система выполнена с возможностью передачи существенных уровней энергии, и, в частности, передатчик энергии может поддерживать уровни мощности, превышающие 500 мВт, 1 Вт, 5 Вт, 50 Вт, 100 Вт или 500 Вт во многих вариантах реализации. Например, в случае Qi-совместимых электроприборов передачи энергии могут, как правило, находиться в диапазоне мощности 1–5 Вт для электроприборов низкой мощности (базовый профиль мощности), до 15 Вт для спецификации Qi версии 1.2, в диапазоне до 100 Вт для электроприборов более высокой мощности, таких как электроинструменты, переносные компьютеры, дроны, роботы и т.д., и свыше 100 Вт и до более чем 1000 Вт для электроприборов очень высокой мощности, таких как кухонные электроприборы.
Далее будут описаны работа передатчика 101 энергии и приемника 105 энергии с конкретной ссылкой на вариант реализации, как правило, соответствующий спецификации Qi (за исключением описанных в настоящем документе или (логически вытекающих) модификаций и усовершенствований) или пригодный для спецификации более мощных кухонных электроприборов, разрабатываемой Консорциумом беспроводной энергии. В частности, передатчик 101 энергии и приемник 105 энергии могут соответствовать спецификации Qi версии 1.0, 1.1 или 1.2 (за исключением описанных в настоящем документе или (логически вытекающих) модификаций и усовершенствований) или быть совместимыми с ней.
Для оптимальных рабочих характеристик в системе беспроводной передачи энергии, такой как показанная на ФИГ. 1, желательно, чтобы катушки 103, 107 передачи энергии передатчика 101 энергии и приемника 105 энергии было тщательно выровнены так, чтобы иметь общую максимальную величину магнитного потока. Поэтому желательно, чтобы катушки 103, 107 были геометрически выровнены для максимального увеличения коэффициента связи (κ) между катушками передатчика и приемника.
На ФИГ. 2 более подробно показаны элементы передатчика 101 энергии, изображенного на ФИГ. 1, а на ФИГ. 3 более подробно показаны элементы приемника 105 энергии, изображенного на ФИГ. 1.
Передатчик 101 энергии содержит возбудитель 201, который может формировать сигнал возбуждения, который подают на катушку 103 передачи энергии передатчика, который, в свою очередь, формирует электромагнитное поле и, тем самым, электромагнитный сигнал передачи энергии, который обеспечивает передачу энергии приемнику 105 энергии. Сигнал передачи энергии обеспечивают (по меньшей мере) в течение фазы передачи энергии.
Возбудитель 201 может, как правило, содержать выходную схему в виде инвертора, как правило, образуемую путем возбуждения полного моста или полумоста, как известно специалисту в данной области.
Передатчик 101 энергии также содержит контроллер 203 управления передатчиком энергии, который выполнен с возможностью управления работой передатчика 101 энергии в соответствии с требуемыми принципами работы. В частности, передатчик 101 энергии может содержать многие из функциональных возможностей, требуемых для выполнения управления мощностью в соответствии со спецификациями Qi.
Контроллер 203 передатчика энергии, в частности, выполнен с возможностью управления формированием сигнала возбуждения возбудителем 201, и может, в частности, управлять уровнем мощности сигнала возбуждения и, соответственно, уровнем формируемого сигнала передачи энергии/электромагнитного поля. Контроллер 203 передатчика энергии содержит контроллер контура мощности, управляющий уровнем мощности сигнала передачи энергии в ответ на сообщения управления мощностью, принимаемые от приемника 105 энергии в течение фазы управления мощностью.
Чтобы принимать данные и сообщения от приемника 105 энергии, передатчик 101 энергии содержит первый коммуникатор 205, который выполнен с возможностью приема данных и сообщений от приемника 105 энергии (как понятно специалисту в данной области, сообщение с данными может обеспечивать один или более битов информации).
Первый коммуникатор 205 связан с первой антенной передачи данных, которая в данном примере является первой катушкой 207 передачи данных, и обмен данными между передатчиком и приемником энергии выполняют с использованием этой специально предназначенной антенны передачи данных. Таким образом, обмен данными отделен от передачи энергии в том смысле, что для передачи энергии и обмена данными используют разные средства и индукторы/антенны.
Понятно, что в разных вариантах реализации могут быть использованы разные типы антенн передачи данных в зависимости от конкретных характеристик. Однако во многих вариантах реализации антенны передачи данных как передатчика энергии, так и приемника энергии реализуют в виде катушек передачи данных, которые обычно являются планарными катушками передачи данных. Соответственно, в последующем описание основное внимание будет уделено антеннам передачи данных в виде катушек передачи данных, и антенны передачи данных будут, в частности, упоминаться как катушки передачи данных. Однако понятно, что это просто пример, и могут быть использованы другие формы антенн.
В системе на ФИГ. 1-3 обмен данными может быть выполнен посредством отдельного канала связи, реализуемого с использованием отдельной катушки передачи данных. Использование отдельной и специально предназначенной системы обмена данными означает, что функциональные возможности и функционирование передачи данных и передачи энергии могут быть оптимизированы по отдельности для их конкретных целей. Например, свойства катушки 103 передачи энергии передатчика и первой катушки 207 передачи данных могут быть оптимизированы по отдельности для передачи высоких уровней энергии и для эффективной передачи данных, соответственно. Аналогичным образом, сигналы, используемые для разных функций, могут быть оптимизированы по отдельности. В качестве примера эффективная передача энергии часто может быть достигнута для сигналов, имеющих относительно низкие частоты в диапазоне, например, от 20 кГц до 500 кГц, тогда как эффективная передача данных ближнего радиуса действия может быть достигнута для значительно более высоких частот, таких как, например, выше около 10 МГц или даже намного выше.
В качестве конкретного примера передача данных может быть реализована с использованием систем связи ближнего действия, таких как системы связи NFC или RFID. В таких подходах к передаче данных используют частоту 13,56 МГц, а первая катушка 207 передачи данных и первый коммуникатор 205 могут быть выполнены с возможностью передачи данных с использованием несущих, имеющих эту частоту, и в соответствии со стандартами NFC или RFID.
Использование отдельной системы передачи данных может обеспечить ряд преимуществ. Например, NFC может обеспечить преимущества, включая:
• Очень короткую задержку.
• Взаимно однозначную физическую связь между приемником энергии и передатчиком энергии.
• Она может быть использована для включения/запуска электроники (батареи не требуются, энергия может быть выделена из несущей передачи данных).
На ФИГ. 3 показаны примеры некоторых элементов приемника 105 энергии.
Катушка 107 передачи энергии приемника соединена с контроллером 301 приемника энергии, который соединяет катушку 107 передачи энергии приемника с нагрузкой 303. Контроллер 301 приемника энергии содержит тракт управления энергией, который преобразовывает энергию, выделенную катушкой 107 передачи энергии приемника, в подходящее питание для нагрузки 303. Кроме того, контроллер 301 приемника энергии может содержать различные функциональные возможности контроллера приемника энергии, требуемые для выполнения передачи энергии, и, в частности, функции, требуемые для выполнения передачи энергии в соответствии со спецификациями Qi.
Для поддержки передачи данных от приемника 105 энергии передатчику 101 энергии приемник 105 энергии содержит второй коммуникатор 305.
Второй коммуникатор 305 выполнен с возможностью обмена данными с передатчиком 101 энергии с использованием подхода к передаче данных, который является отдельным от передачи энергии, как описано ранее со ссылкой на передатчик 101 энергии. Например, второй коммуникатор 305 может быть выполнен с возможностью обмена данными с первым коммуникатором 205 с использованием технологии передачи данных NFC.
Второй коммуникатор 305 соединен со второй антенной передачи данных, которая, как упоминается в конкретном примере, является второй катушкой 307 передачи данных. Вторая катушка 307 передачи данных соединена с первой катушкой 207 передатчика данных так, что передача данных может быть осуществлена посредством этих катушек 207, 307.
Второй коммуникатор 305 и вторая катушка 307 передачи данных могут, таким образом, поддерживать обмен данными с использованием той же самой технологии передачи данных, которую используют первый коммуникатор 205 и первая катушка 207 передачи данных, тем самым обеспечивая возможность передачи данных отдельно от передачи энергии. В частности, в обмене данными используют связь ближнего радиуса действия, такую как связь NFC.
В некоторых вариантах реализации могут быть использованы разные технологии передачи данных от передатчика энергии приемнику энергии и от приемника энергии передатчику энергии. Например, первую катушку 207 передачи данных могут использовать только для передачи данных в одном направлении, тогда как передачу данных в обратном направлении могут выполнять путем модуляции сигнала передачи энергии. Например, приемник 105 энергии может быть выполнен с возможностью модуляции нагрузкой сигнала передачи данных, формируемого катушкой 103 передачи энергии передатчика, а первый коммуникатор 205 может быть выполнен с возможностью обнаружения вариаций в напряжении и/или токе катушки 103 передачи энергии передатчика и демодуляции нагрузочной модуляции на их основе. Специалисту в данной области известны принципы модуляции нагрузкой, которые, например, используют в Qi-системах беспроводной передачи энергии, поэтому они не будут описаны более подробно. В то же время, первый коммуникатор 205 может формировать и модулировать несущую для передачи с использованием первой катушки 207 передачи данных. Например, передатчик энергии может передавать данные с использованием связи NFC. В других вариантах реализации передатчик энергии может модулировать сигнал передачи энергии для передачи данных, а приемник энергии может передавать данные с использованием, например связи NFC. Однако в большинстве вариантов реализации для двусторонней передачи данных как передатчику данных, так и от передатчика данных может быть использована отдельная система передачи данных с помощью отдельных катушек передачи данных.
Как упоминалось, разделение функций передачи данных и передачи энергии обеспечивает ряд преимуществ, в том числе обеспечение возможности оптимизации по отдельности. Однако с таким подходом связана проблема, заключающаяся в том, что, как правило, важно обеспечить отсутствие взаимных помех систем либо из-за реализованных функциональных возможностей, либо из-за операций, оказывающих вредное воздействие друг на друга.
Один подход к изоляции функций друг от друга заключается в использовании существенно отличающихся частот для передачи энергии и передачи данных. Во многих вариантах реализации для передачи энергии может быть использован, в частности, сигнал передачи энергии, имеющий частоту в диапазоне от 20 кГц до 200 кГц, тогда как для передачи сообщений используют несущую выше 10 МГц, такую как, в частности, частота несущей NFC, равная 13,56 МГц.
Однако даже при такой существенной разнице частот все равно могут возникать нежелательные помехи между функциями, в частности, в сценариях, где передача энергии происходит при очень высоких уровнях мощности, когда передачу данных осуществляют на низких частотах. Действительно, в таких сценариях, как, например, когда беспроводные кухонные электроприборы питаются за счет беспроводной передачи энергии от большой катушки передачи энергии передатчика большой катушке приемника, катушка передачи энергии передатчика может возбуждаться инвертором, который может подавать мощность до 2,5 Вт в резонансный контур, содержащий катушку передачи энергии передатчика. Даже в случае, когда передачу данных выполняют на гораздо более высокой частоте, сигнал передачи энергии может создавать существенные помехи и может также, например, вызвать эффект насыщения и т.д.
В системе на ФИГ. 1–3 применен подход разделения по времени, в котором передачу энергии и передачу данных выполняют в разные интервалы времени. В частности, первый коммуникатор 205 и второй коммуникатор 305 выполнены с возможностью управления соответственно передатчиком энергии и приемником энергии для выполнения передачи энергии в течение интервалов передачи энергии и передачи данных в течение интервалов времени передачи данных, причем интервалы передачи энергии и интервалы времени передачи данных, как правило, не пересекаются и, в частности, не перекрываются. Пример такого подхода показан на ФИГ. 4, где повторяющийся временной кадр включает в себя интервал PT передачи энергии, в котором выполняют передачу энергии (и не выполняют передачу данных), и интервал C времени, в котором выполняют передачу данных (и не выполняют передачу энергии). Таким образом, в этом примере временной кадр разделен на интервалы/временные промежутки передачи энергии, в которых формируют сигнал передачи времени, но, как правило, не формируют сигнал передачи данных, и интервалы/временные промежутки передачи данных, в которых не формируют сигнал передачи энергии и выполняют передачу данных (формируют сигнал передачи данных). В этом примере катушка 103 передачи энергии передатчика и катушка 107 передачи энергии приемника активны в течение интервалов передачи энергии, а первая катушка 207 передачи данных и вторая катушка 307 передачи данных активны в течение интервалов передачи данных.
Понятно, что в некоторых вариантах реализации интервалы времени могут иметь динамически изменяющиеся длительности, и что временной кадр может иметь динамически изменяющуюся длительность. Например, в некоторых вариантах реализации интервал передачи данных может не заканчиваться до тех пор, пока не будут переданы все текущие ожидающие данные. Также понятно, что временной кадр может содержать другие интервалы времени, в которых выполняют другие операции или комбинации (например, временной кадр может содержать комбинированные временные промежутки, в которых выполняют как передачу энергии, так и передачу данных, например некритичную передачу данных).
Разделение передачи энергии и передачи данных во временной области может обеспечить особенно эффективное разделение влияния одной операции на другую, и, в частности, помехи, вызываемые сигналом передачи энергии при передаче данных, могут быть уменьшены или полностью устранены. Однако, даже в этом случае разделенные функции передачи данных и передачи энергии могут влиять друг на друга. В частности, воздействие могут оказывать функциональные возможности, требуемые для поддержки этих функций. Если говорить более конкретно, влиять может присутствие как катушки передачи энергии, так и катушки антенны. Действительно, присутствие катушек передачи данных может влиять на расположение катушек энергии и получающееся в результате расстояние между ними. Аналогичным образом присутствие зачастую больших катушек передачи энергии может иметь значительное влияние на электромагнитное поле и сигнал передачи данных. Поэтому разработка и проектирование разных функциональных возможностей является крайне важной задачей, требующей решения.
Проблема усугубляется тем фактом, что и к катушкам передачи энергии, и к катушкам передачи данных предъявляется одно и то же требование, заключающееся в том, что они должны быть расположены так, чтобы связь была максимальной, а чувствительность к расположению/выравниванию была минимальной. Например, смещенное относительно центра расположение катушек передачи энергии или катушек передачи данных внесет чувствительность не только к положению, но и к ориентации/повороту устройств относительно друг друга, и тем самым введет дополнительные ограничения, которые непрактичны для пользователя.
Действительно, помимо поддержки передачи данных катушки передачи данных могут также снабжать небольшим количеством энергии приемник энергии для поддержки внутренней электроники и, в частности, функциональных возможностей передачи данных (например, до передачи энергии, когда энергия не обеспечивается сигналом передачи энергии, или в течение интервалов передачи данных, если в приемнике энергии не реализован накопитель энергии). Это означает, что между катушками передачи данных требуется хорошая связь. Например, на связь между катушками передачи данных и импеданс катушек отрицательно влияет близость обычно больших катушек передачи энергии.
Во многих вариантах реализации катушка передачи энергии и катушка передачи данных устройства (передатчика энергии или приемника энергии) являются соосными. Катушки имеют общую центральную ось, вокруг которой они распределены. Катушка передачи данных, например, может быть расположена сверху катушки передачи энергии (или наоборот). Катушки могут быть инвариантны относительно поворота вокруг оси и, в частности, вокруг одной и той же оси. В таких случаях, когда приемник энергии оптимально расположен относительно передатчика энергии, и, в частности, когда он расположен так, что ось катушек передатчика энергии и ось катушек приемника энергии совпадают, катушки передачи данных и катушки передачи энергии будут максимально перекрываться, в результате максимально увеличивая связь между катушками передачи данных и катушками передачи энергии, соответственно. Таким образом, когда приемник энергии оптимально размещен для передачи энергии, он также будет оптимально размещен для передачи данных, и, кроме того, ситуация будет по существу не зависеть от ориентации приемника энергии. Во многих вариантах реализации катушки передачи энергии могут быть по существу круглыми или спиральными планарными катушками вокруг центральной оси. Аналогичным образом, катушки передачи данных могут быть по существу круглыми или спиральными планарными катушками вокруг центральной оси, которая, в частности, для катушки передачи данных устройства по существу является той же самой осью, что и ось катушки передачи энергии устройства.
На ФИГ. 5 показано поперечное сечение такого расположения, как для передатчика энергии, так и для приемника энергии, причем устройства расположены в (оптимальной) конфигурации для передачи энергии. В данном примере приемник 105 энергии расположен сверху передатчика 101 энергии.
Передатчик 101 энергии содержит катушку 103 передачи энергии передатчика для формирования сигнала передачи энергии. В примере на ФИГ. 5 катушка 103 передачи энергии передатчика показана двумя областями, отражающими поперечное сечение области, содержащей обмотки, и отражающими тот факт, что центральная область не содержит обмоток.
Первая катушка 207 передачи данных расположена сверху катушки 103 передачи энергии передатчика в направлении приемника 105 энергии. На ФИГ. 5 показан типичный пример, в котором катушка передачи данных существенно меньше катушки 103 передачи энергии передатчика. Кроме того, в примере на ФИГ. 5 обмотки первой катушки 207 передачи данных заполняют и центральную область.
Катушка 103 передачи энергии передатчика и первая катушка 207 передачи данных являются соосными и симметрично распределенными вокруг центральной оси 501. Они также по существу инвариантны относительно поворота вокруг центральной оси 501.
Аналогичным образом, передатчик 105 энергии содержит катушку 107 передачи энергии передатчика для приема сигнала передачи энергии. В примере на ФИГ. 5 катушка 107 передачи энергии приемника показана двумя областями, отражающими поперечное сечение области, содержащей обмотки, и отражающими тот факт, что центральная область не содержит обмоток.
Вторая катушка 307 передачи данных расположена снизу катушки 107 энергии приемника в направлении передатчика 101 энергии. На ФИГ. 5 показан типичный пример, в котором катушка передачи данных существенно меньше катушки 107 передачи энергии приемника. Кроме того, в примере на ФИГ. 5 обмотки второй катушки 307 передачи данных заполняют и центральную область.
Катушка 107 передачи энергии приемника и вторая катушка 307 передачи данных являются соосными и симметрично распределенными вокруг центральной оси 501, которая, в частности, является той же самой, что и центральная ось для передатчика 101 энергии (что отражает оптимальное расположение приемника 105 энергии на передатчике 101 энергии) Они также по существу инвариантны относительно поворота вокруг центральной оси 501.
Хотя на ФИГ. 5 показан пример, в котором приемник энергии оптимально размещен относительно передатчика энергии, так что центральная ось 501 является общей для расположения катушек как передатчика энергии, так и приемника энергии, понятно, что приемник энергии, как правило, будет размещен с некоторым нарушением соосности, и центральная ось 501 будет не полностью совпадать для приемника энергии и передатчика энергии. Однако понятно, что хотя это может несколько уменьшить связь, данный подход и принцип работы все же будут применимыми и по-прежнему будут обеспечивать требуемые преимущества и выгоды, пока несоосность не слишком большая. Точная несоосность, которая является приемлемой, будет зависеть от конкретных предпочтений и требований отдельного варианта реализации (а также, например, от размеров катушек).
Расположение, показанное на ФИГ. 5, может быть, в частности, предназначено для беспроводных кухонных электроприборов с двумя большими катушками 103, 107 передачи энергии, используемыми для передачи энергии от передатчика приемнику. Между катушками 103, 107 передачи энергии помещены катушки 207, 307 передачи данных.
Такое расположение может обеспечивать очень хорошую связь между катушками 207, 307 передачи данных, поскольку они будут расположены близко друг к другу и, кроме того, с большим перекрытием, когда приемник энергии расположен подходящим образом для передачи энергии. Кроме того, достигается хорошая связь между катушками 103, 107 передачи энергии, поскольку катушки 207, 307 передачи данных тонкие и, следовательно, незначительно увеличивают расстояние между силовыми катушками.
Однако проблема с таким расположением заключается в том, что даже в случае использования разделения во времени между передачей данных и передачей энергии они могут влиять друг на друга из-за наличия катушек. В частности большие катушки передачи энергии могут сильно влиять на рабочие характеристики передачи данных и, в частности, на формируемый электромагнитный сигнал передачи данных.
Если говорить конкретнее, присутствие катушек передачи энергии может влиять на передачу данных за счет потери части передаваемой энергии в силовых катушках. Катушки передачи энергии связаны с катушками передачи данных и поглощают часть энергии. Это действует как глушение передачи данных. Катушки передачи энергии (и присоединенные к ним схемы) могут также добавлять нежелательные резонансы в систему передачи данных. Еще одним воздействием является изменение индуктивности и сопротивления антенны передачи данных, когда катушки передачи энергии находятся вблизи. В результате катушка передачи данных может сбить настройку (на другую резонансную частоту) и будет в состоянии передавать меньше энергии.
В конфигурациях на ФИГ. 5 магнитный экранирующий элемент 503, 505 расположен между силовой катушкой и антенной передачи данных. В частности, первый магнитный экранирующий элемент 503 расположен между катушкой 103 передачи энергии передатчика и первой катушкой 207 передачи данных, а второй магнитный экранирующий элемент 505 расположен между катушкой 107 передачи энергии приемника и второй катушкой 307 передачи данных. Магнитный экранирующий элемент может быть, в частности, тонким экранирующим листом, который несущественно увеличивает высоту расположения (он несущественно увеличивает расстояние между катушкой передачи энергии и катушкой передачи данных).
В расположении, показанном на ФИГ. 5, две катушки 207, 307 передачи данных в течение операции передачи энергии расположены так, что они являются двумя ближайшими катушками, и, в частности, так, что обе катушки 207, 307 передачи данных в течение операции находятся между двумя катушками 103, 107 передачи энергии. Для каждого из устройств катушка передачи энергии и катушка передачи данных расположены так, что катушка передачи данных находится ближе, чем катушка передачи энергии, к поверхности, через которую происходит передача энергии. Магнитный экранирующий элемент расположен так, что он находится ближе к поверхности передачи энергии, чем катушка передачи энергии, но дальше от поверхности передачи энергии, чем катушка передачи данных. Расположение обычно таково, что во время операции передачи энергии катушка передачи данных расположена между катушкой передачи энергии самого устройства (передатчика 101 энергии или приемника 105 энергии) и катушкой передачи энергии другого устройства. Катушка передачи данных, в частности, может быть расположена между катушкой передачи энергии и поверхностью связывания с другим устройством.
Магнитный экранирующий элемент содержит магнитный экранирующий материал, который выполнен так, что он имеет точку насыщения, которая вынуждает его работать в насыщенном режиме в течение интервалов передачи энергии и ненасыщенном режиме в течение интервалов времени передачи данных. Таким образом, магнитный экранирующий материал выбирают так, что для более высоких напряженностей магнитного поля в течение операции передачи энергии насыщение достигается, тогда как для гораздо меньших напряженностей поля в течение передачи данных магнитный экранирующий материал остается в своем ненасыщенном режиме. Понятно, что в разных вариантах реализации могут быть использованы разные материалы, но во многих вариантах реализации магнитный экранирующий материал может представлять собой феррит, а магнитный экранирующий элемент может быть тонким ферритовым листом. Таким образом, во многих вариантах реализации между антенной и силовой катушкой помещают тонкий ферритовый лист (возможно, как на стороне передатчика, так и на стороне приемника, хотя во многих сценариях использовать такой магнитный экранирующий элемент может только приемник энергии или передатчик энергии).
Когда между катушкой передачи данных и катушкой передачи энергии помещают тонкие ферритовые листы, катушка передачи данных подвержена гораздо меньшему влиянию катушек передачи энергии. Ферритовый материал обладает высокой проницаемостью µ для низких напряженностей магнитного поля, которые имеют место в течение передачи данных, и, соответственно, способен направлять поток сигнала передачи данных в сторону от катушек передачи энергии (например, сделанных из меди). Ферритовые листы могут, по сути, создавать увеличение расстояние для электромагнитного сигнала между катушкой передачи энергии и катушкой передачи данных в течение передачи данных. Это можно рассматривать как магнитную изоляцию катушек передачи данных от проводящих обмоток силовых катушек.
Однако в течение интервалов времени передачи энергии магнитное поле гораздо сильнее, и феррит будет насыщен. Это фактически сделает влияние магнитного экранирующего элемента незначительным, и он будет фактически оказывать те же воздействия, что и воздух/вакуум. Другими словами, воздействие магнитного экранирующего элемента исчезнет, и передача энергии продолжится так, как если бы магнитного экранирующего элемента не было.
Таким образом, в данном подходе магнитный экранирующий элемент может фактически вести себя подобно переключателю и обеспечивает совершенно другие эффект и функционирование в течение интервалов времени передачи данных, чем в интервалах времени передачи энергии. Это может обеспечить требуемые преимущества увеличения изоляции между катушкой передачи данных и катушкой передачи энергии в течение интервалов времени передачи данных без вредного воздействия на передачу энергии.
Функционирование в течение интервалов времени может быть проиллюстрировано с помощью ФИГ. 6. В течение таких интервалов первая катушка 207 передачи данных формирует сигнал передачи данных, из которого приемник энергии может выделить данные, а также, возможно, энергию для осуществления некоторых функциональных возможностей управления (в частности, передачи данных). В течение этой операции ферритовый лист действует в качестве экрана между катушкой передачи данных и катушкой передачи энергии. Ферритовый лист будет экранировать катушку передачи данных от катушки передачи энергии, и отрицательные воздействия близости катушек передачи энергии на катушку передачи данных сильно уменьшаются.
Как показано на ФИГ. 6, линии поля могут быть сконцентрированы в пределах ферритовых листов, что приводит к гораздо меньшему воздействию катушек передачи энергии. Линии потока направляются через лист, и медные плоские поверхности катушек передачи энергии эффективно экранированы от катушек передачи данных. Также видно, что этот эффект достигается как для приемника энергии, так и для передатчика энергии, причем линии потока концентрируются в ферритовых листах и удерживаются на удалении от обмоток катушек передачи энергии. Следует отметить, что в примере на ФИГ. 6 ферритовый элемент 601 расположен возле внутренних обмоток катушки 103 передачи энергии передатчика, и поэтому линии потока также направляются через этот элемент (также понятно, что катушка 103 передачи энергии передатчика может содержать другие обмотки, не показанные на ФИГ. 6).
В течение передачи энергии индуцируемое поле намного сильнее, и экран будет сразу же насыщен. Когда экран насыщен, он будет вести себя подобно воздуху и будет иметь минимальное влияние на передачу энергии посредством катушек передачи энергии.
В конкретном примере ферритовые листы расположены между антеннами NFC/катушками передачи данных и катушками передачи энергии, что приводит по меньшей мере к частичному экранированию воздействия катушек передачи энергии на антенны NFC. Это может влиять на размер электроприборов/катушек, поскольку теперь допустимо полное перекрытие катушек передачи энергии и катушек/антенны передачи данных. В результате возможны многочисленные преимущества:
• Устройства/электроприборы могут быть сделаны меньше (катушка передачи данных находится в той же самой плоскости, что и силовые катушки).
• Передача энергии более эффективная. Силовые катушки может быть сделаны более крупными и могут быть помещены ближе друг к другу, а это увеличивает связь между катушками.
• Нет необходимости в конструировании катушки передачи данных для каждой отдельной конфигурации катушки. Воздействие силовых катушек в непосредственной близости от антенн сведено к минимуму, и, соответственно, конструкция антенны не зависит от окружающей среды в той же степени (в частности, она меньше зависит от свойств катушек передачи энергии).
На ФИГ. 7-13 показана возможная сборка примера конструкции прототипа в соответствии с некоторыми из описанных принципов. На ФИГ. 7 показан пример катушки передатчика, обращенной вверх. На ФИГ. 8 показан ферритовый лист, помещенный сверху катушки передатчика. В данном примере сам феррит обращен вверх. На ФИГ. 9 первая катушка 207 передачи данных помещена сверху ферритового листа. Медные дорожки первой катушки 207 передачи данных обращены вверх. На ФИГ. 10 показано включение деревянной прокладки толщиной 4 см, используемой для создания расстояния между катушками (она имитирует, например, рабочую поверхность между передатчиком энергии и приемником энергии). Вторую катушку передачи данных помещают сверху деревянной прокладки медными дорожками вниз. На ФИГ. 11 показан ферритовый лист приемника, помещенный сверху антенны приемника (вверх ногами). На ФИГ. 12 показана катушка приема энергии, помещенная сверху ферритового листа приемника, а на ФИГ. 13 показан вид сбоку всей стопки. Как можно увидеть, катушки передачи данных и ферритовые листы увеличивают расстояние между катушками передачи энергии лишь на очень малую величину. Действительно, катушки передачи данных и ферритовый лист могут быть сделаны очень тонкими, так что они не слишком сильно увеличивают расстояние между катушками передачи энергии.
Конкретные характеристики магнитного экранирующего элемента и материала могут зависеть от предпочтений и требования отдельного варианта реализации.
Во многих вариантах реализации может быть использован тонкий магнитный экранирующий элемент, и, как правило, он может иметь толщину, не превышающую 1 мм (или для некоторых требований не превышающую 0,5 мм, 2 мм или даже 5 мм). Это может во многих вариантах реализации обеспечить выгодный компромисс между получающимся в результате расстоянии между катушками передачи энергии и магнитным экранированием. Он может, как правило, обеспечить эффективное экранирование в течение передачи данных без значительного влияния на рабочие характеристики в течение передачи энергии.
Таким образом, в то время как магнитный экранирующий элемент может уменьшить связь между катушками передачи энергии, это уменьшение можно поддерживать на низких уровнях за счет использования очень тонких листов для формирования магнитного экранирующего элемента. Благодаря этому влияние листов на передачу энергии может быть пренебрежимо малым при сохранении преимуществ для/в течение передачи данных. К тому же, когда листы тонкие, более практичным может быть реализация магнитного экранирующего элемента, который работает в насыщенном режиме в течение передачи энергии и в ненасыщенном режиме в течение передачи данных. Толщина листа может быть, в частности, спроектирована так, чтобы передача данных с использованием катушек передачи данных не привела к насыщению магнитного экранирующего элемента антеннами ни при каких обстоятельствах (например, при максимальной мощности передачи данных). В то же время толщина может быть спроектирована достаточно тонкой, чтобы она могла быть насыщенной в течение передачи энергии.
Также может быть выбран и спроектирован конкретный материал для получения оптимальных рабочих характеристик, как можно более близких к разумно достижимым. Например, может быть выбран материал, который имеет как можно более высокую проницаемость и низкие потери для данной несущей частоты передачи данных.
Например, на ФИГ. 14 показан пример проницаемости µ’ и потерь µ” для ферритового материала, который подходит для использования в связи NFC. В связи NFC используют несущую частоту 13,56 МГц, при которой ферритовый материал, показанный на ФИГ. 14, имеет высокую проницаемость µ’ и низкие потери µ”.
Конкретная напряженность магнитного поля, при которой ферритовый материал насыщается, может быть разной в разных вариантах реализации. Магнитный экранирующий элемент может быть выполнен с возможностью работы в ненасыщенном режиме для уровня передачи энергии ниже, например, 0,5 Вт, 1 Вт, 5 Вт или 10 Вт (как правило, в некоторых вариантах реализации уровень передачи энергии в течение интервалов времени передачи данных является нулевым, а небольшое количество энергии может быть передано, например, для поддержки некоторой электронной схемы. Однако уровень поддерживают ниже точки насыщения магнитного экранирующего элемента).
Аналогичным образом магнитный экранирующий элемент может быть выполнен с возможностью работы в насыщенном режиме для уровня передачи энергии выше, например, 0,5 Вт, 1 Вт, 5 Вт или 10 Вт.Уровень энергии, соответствующий точке насыщения, как правило, будет ниже минимального уровня передачи энергии, допустимого или ожидаемого в течение нормальной передачи энергии.
Как правило, разница между уровнями энергии/напряженностями магнитного поля, формируемыми в течение интервалов времени передачи данных и в течение интервалов времени передачи энергии, существенно отличается. Например, типичные уровни энергии для связи NFC могут быть в диапазоне нескольких сот мВт, тогда как уровни энергии во время передачи энергии могут быть в диапазоне от 10 Вт и выше, а, например, для кухонных электроприборов, даже существенно выше. Поэтому, как правило, можно обеспечить магнитный экранирующий элемент, который переключается между насыщенным и ненасыщенным режимами соответственно в интервалах времени передачи энергии и передачи данных с некоторым допуском.
Во многих вариантах реализации точка насыщения для магнитного экранирующего элемента может быть для напряженности магнитного поля в диапазоне от 100 мТл до 1 Тл. Точка насыщения в этом диапазоне, как правило, обеспечивает очень эффективное и надежное переключение между ненасыщенным режимом в интервалах времени передачи данных и насыщенным режимом в интервалах времени передачи энергии. Этот диапазон обычно обеспечивает такое эффективное переключение для практических/типичных уровней энергии для типичных функций и операций передачи данных и передачи энергии. Во многих вариантах реализации особенно предпочтительные рабочие характеристики могут быть достигнуты для точки насыщения магнитного экранирующего элемент при напряженности магнитного поля в диапазоне от 200 мТл до 400 Тл.
Преимуществом описанного расположения является то, что оно позволяет достигать эффективной работы и связей для больших катушек, и даже делает возможными большие катушки передачи данных и большие катушки передачи энергии.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Во многих вариантах реализации площадь катушки передачи данных составляет не менее 20 см (или, возможно, не менее 10 см, 30 см, 50 см, 100 см для некоторых применений). Во многих вариантах реализации площадь катушки передачи энергии составляет не менее 50 см (или, возможно, не менее 30 см, 100 см, 200 см, 500 см для некоторых применений). Площадь может быть измерена в плоскости планарных катушек/антенн. Площадь может представлять собой площадь наибольшего поперечного сечения катушки/антенны.
Использование таких больших катушек обеспечивает ряд преимуществ во многих сценариях и вариантах реализации. Например, оно обеспечивает большую площадь высокой напряженности магнитного поля и, следовательно, обеспечивает повышенную свободу размещения приемника энергии. Например, в случае катушек передачи данных, имеющих диаметр 10 см, приемник энергии может быть смещен от центра до 10 см, при этом все равно обеспечивая перекрытие между катушками передачи данных.
Кроме того, большая катушка передачи энергии обычно делает возможной эффективную конструкцию для более высоких уровней (больше обмоток, толще провода), и поэтому особенно подходит для более высоких уровней энергии, таких как уровни энергии, встречающиеся, например в кухонных электроприборах.
Предыдущее описание было сосредоточено на соответствующих/симметричных реализациях и расположениях в приемнике энергии и передатчике энергии. Однако понятно, что это не является необходимым или обязательным для предпочтительной реализации. Действительно, передатчик энергии и приемник энергии могут иметь существенно отличающиеся расположения, и при этом катушки/антенны все равно позволяют создавать описанные преимущества. По сути, в некоторых вариантах реализации описанное расположение и, в частности, включение магнитного экранирующего элемента, может быть предусмотрено только либо в передатчике энергии, либо в приемнике энергии. Таким образом, следует понимать, что предыдущее описание конфигурации катушка/антенна в передатчике энергии не зависит от какой-либо конкретной конфигурации катушка/антенна в приемнике энергии, и что аналогичным образом предыдущее описание конфигурации катушка/антенна в приемнике энергии не зависит от какой-либо конфигурации катушка/антенна в передатчике энергии. Описанный подход использования экранирующего магнитного элемента действительно применим по отдельности к реализациям как передатчика энергии, так и приемника энергии.
Предыдущее описание антенны передачи данных было сосредоточено на реализации этой планарной катушки. Такие катушки, как правило, реализуют в виде планарной спиральной катушки с постоянно увеличивающимся расстоянием до центральной оси. Однако во многих вариантах реализации приемник энергии или передатчик энергии может использовать катушку передачи данных, которая образована набором разомкнутых концентрических круговых проводящих элементов, соединенных переходными проводящими элементами, имеющими по меньшей мере частично радиальное направление, т.е. направление переходных проводящих элементов включает радиальную составляющую направления. Таким образом, вместо непрерывной спирали катушка передачи данных может быть образована круговыми элементами, которые соединены элементами, имеющими, как правило, по существу радиальное направление.
Поэтому в данном примере каждый виток обмотки катушки передачи данных может быть образован круговой частью, которая имеет постоянное расстояние до центральной оси, и переходной частью, которая соединяет круговые части двух соседних витков. Переходная часть не имеет постоянного расстояния до центральной оси, но содержит радиальную составляющую. Как правило, круговая часть может охватывать угол не менее 270° и обычно не менее 315°, 340° или даже 350°.
Во многих вариантах реализации антенна может быть выполнена так, что круговые проводящие элементы равноудалены относительно друг друга. Таким образом, расстояние от данного кругового проводящего элемента до ближайшего соседа (соседей) может быть постоянным для разных круговых проводящих элементов. Во многих вариантах реализации переходные проводники также могут быть равноудалены относительно других переходных проводников, и, действительно, расстояние между двумя ближайшими соседними витками может быть постоянным для множества, и обычно всех, пар ближайших соседних витков.
Пример такой катушки передачи данных показан на ФИГ. 15. Конструкция катушки передачи данных на ФИГ. 15 может быть, в частности, использована в качестве первой катушки 207 передачи данных. Вместо спиральной антенны витки по большей части являются круговыми, за исключением небольших переходных областей, в которых множество радиальных проводников соединяют разные витки. На ФИГ. 16 показана соответствующая конструкция для второй катушки 307 передачи данных.
На ФИГ. 17 показан пример измерений на катушках, изображенных на ФИГ. 15 и 16, в сравнении со спиральной катушкой тех же самых размеров. На ФИГ. 17 показана связь 1701 для круговых катушек передачи данных в сравнении со связью 1703 для спиральных катушек передачи данных. Как можно увидеть, данный конкретный подход обеспечивает улучшенную связь по сравнению с обычной спиральной катушкой и, следовательно, могут быть достигнуты улучшенные характеристики в целом. Спираль никогда не перпендикулярна полностью к диагональной линии в месте пересечения ею диагональной линии, тогда как окружность всегда перпендикулярна. Эта разница в углах, обычно в несколько градусов, изменяет также направление поля. Очень трудно создать схожее изменение угла в катушке передачи данных как приемника, так и передатчика, особенно когда нужно учесть несоосность. Преимуществом спиральной антенны является постоянное расстояние между обмотками и отсутствие острых углов в структуре обмотки, что приводит к непрерывному импедансу по всей антенне. Однако соответствующий эффект может быть достигнут антенной. изображенной на ФИГ. 15 и 16, и, в частности, эта конструкция может реализовывать круговую антенну, в которой соединения между круговыми частями выполнены равноудаленными и не содержащими острых углов.
Понятно, что в вышеприведенном описании варианты реализации настоящего изобретения изложены для ясности со ссылкой на разные функциональные схемы, блоки и процессоры. Однако понятно, что может быть использовано любое подходящее распределение функциональных возможностей между разными функциональными схемами, блоками или процессорами без ущерба для настоящего изобретения. Например, показанные функциональные возможности, подлежащие осуществлению отдельными процессорами или контроллерами, могут быть осуществлены одним и тем же процессором или контроллерами. Поэтому ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы должны рассматриваться только как ссылки на подходящие средства для обеспечения описываемых функциональных возможностей, а не как указание на строгую логическую или физическую структуру или организацию.
Настоящее изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая оборудование, программное обеспечение, встроенное программное обеспечение или любую их комбинацию. Настоящее изобретение необязательно может быть реализовано, по меньшей мере частично, в виде компьютерного программного обеспечения, выполняемого на одном или более процессорах и/или цифровых процессорах сигналов. Элементы и компоненты варианта реализации настоящего изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим образом. В действительности функциональные возможности могут быть реализованы в одном блоке, в множестве блоков или как часть других функциональных блоков. В силу этого настоящее изобретение может быть реализовано в одном блоке или может быть физически или функционально распределено между разными блоками, схемами и процессорами.
Хотя настоящее изобретение было описано в связи с некоторыми вариантами реализации, это не следует рассматривать как ограничение конкретной формой, изложенной в настоящем документе. Скорее, объем настоящего изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, хотя может показаться, что признак описан в связи с конкретными вариантами реализации, специалисту в данной области понятно, что различные признаки описанных вариантов реализации могут быть объединены в соответствии с настоящим изобретением. В формуле изобретения термин «содержащий/включающий» не исключает присутствия других элементов или этапов.
Понятно, что ссылка на предпочтительное значение не означает какого-либо ограничения помимо того, что оно является значением, определенным в режиме инициализации обнаружения постороннего предмета, т.е. оно является предпочтительным в силу того, что его определяют в процессе адаптации. Ссылки на предпочтительное значение могут быть заменены, например ссылками на первое значение.
Кроме того, хотя множество средств, элементов, схем или этапов способа перечислены по отдельности, они могут быть реализованы, например, с помощью одной схемы, блока или процессора. Далее, хотя отдельные признаки могут быть включены в разные пункты формулы изобретения, они, возможно, могут быть эффективно объединены, а включение в разные пункты формулы изобретения не означает, что комбинация признаков является неосуществимой и/или невыгодной. Кроме того, включение признака в одну категорию пунктов формулы изобретения не означает ограничения этой категорией, а, скорее, указывает на то, что данный признак в равной степени может быть применен к другим категориям пунктов изобретения, когда это уместно. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не означает конкретного порядка, в котором эти признаки должны прорабатываться, и, в частности, порядок отдельных этапов в формуле изобретения на способ, не означает, что этапы должны выполняться в данном порядке. Скорее, этапы могут выполняться в любом подходящем порядке. Кроме того, упоминания в единственном числе не исключают множественного числа. Поэтому ссылки с использованием средств указания единственного числа, прилагательных в единственном числе «первый», «второй» и т.д. не исключают множественного числа. Ссылочные позиции в формуле изобретения приведены исключительно в качестве уточняющего примера и не должны трактоваться как ограничивающие объем формулы изобретения каким-либо образом.