СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ЗАРЯДКИ МОБИЛЬНЫХ И ПЕРЕНОСНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2017 года по МПК H02J7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к технологии передачи электромагнитной энергии (WPT) и, в частности, к системе беспроводной зарядки, выполненной с возможностью осуществления одновременной зарядки множества мобильных устройств.

Уровень техники

Технология передачи электромагнитной энергии была разработана для мобильных и переносных электронных устройств с целью обеспечения удобного способа зарядки встроенных батарей устройств или подачи энергии на соединенные с ними устройства. Блоки беспроводной передачи энергии, как правило, работают в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц.

Традиционное мобильное устройство с функцией беспроводной зарядки имеет батарейный блок и приемную катушку индуктивности, установленные внутри него. Его зарядка осуществляется при нахождении в непосредственной близости от передающей катушки индуктивности беспроводной передачи энергии. Индуцированная электродвижущая сила генерируется в приемной катушке индуктивности посредством электромагнитного поля, образованного посредством передающей катушки индуктивности, при этом электроэнергия, индуцированная из этой электродвижущей силы, осуществляет зарядку батарейного блока мобильного устройства.

Наиболее распространенной архитектурой устройства зарядки с использованием электромагнитной энергии является сеть с топологией типа «звезда». Блок беспроводной передачи энергии взаимодействует с одним или более мобильными устройствами с целью осуществления одновременной зарядки. Беспроводная связь достигается через резонатор передачи энергии (TX) и резонаторы приема энергии (RX): катушки индуктивности, состоящие в магнитной связи с цепями согласования импедансов. Источник энергии соединяется с резонатором передачи энергии (TX), а резонатор приема энергии (RX) соединяется с выпрямителем для преобразования энергии из переменного тока в постоянный ток на стороне приемника.

Главной проблемой блоков беспроводной передачи энергии, нечувствительных к взаимному расположению приемника и передатчика и/или большой дальности, является высокий уровень излучения электромагнитных помех (EMI). Слабо индуктивно связанные крупноразмерные блоки беспроводной передачи энергии используют высокие напряжения переключения и большие токи в крупноразмерных первичных катушках индуктивности, вследствие чего электромагнитные помехи (EMI) оказывают паразитное воздействие на другие электронные приборы. Использование крупноразмерных неэкранированных передающих (ТХ) катушек индуктивности для передачи энергии на большие расстояния дополнительно подвергает окрестности влиянию возникающих электромагнитных помех (EMI).

В документе US 2012/0228959 A1 раскрыт способ и система для передачи энергии на электронные устройства беспроводным способом посредством использования магнитной связи между двумя катушками индуктивности, находящимися в непосредственной близости, с целью передачи достаточного количества энергии для зарядки электронного устройства. Описываются плоские индукторы, имеющие характеристики, которые предоставляют возможность создания однородного магнитного поля. Управляющий дифференциальный усилитель включает в себя переключающее устройство, связанное с первым узлом вывода и вторым узлом вывода. Первый узел вывода и второй узел вывода приводят в действие цепь нагрузки, включающую в себя передающие катушки индуктивности. Первый и второй выходные сигналы могут быть практически равными по величине, при этом обратными по полярности, относительно эталонного напряжения. Приемник электромагнитной энергии может включать в себя схему приема, выполненную с возможностью связи с катушкой индуктивности приемника и нагрузкой. Приемник выполнен с возможностью настройки в соответствии с нагрузкой для получения импеданса, сохраняющегося практически постоянным после размещения приемника в пределах активной области зарядки передатчика. Однако в документе US 2012/0228959 A1 не рассматриваются проблемы фильтрации электромагнитных помех (EMI), подавления синфазных помех и изолирования индуктора от окружающих объектов, что приводит к снижению эффективности передачи энергии и нарушениям соответствия стандартам EMI.

В документе WO 2013142720 А раскрываются системы и способы для осуществления эффективной передачи электромагнитной энергии и зарядки устройств и батарей способом, который предоставляет свободу в отношении размещения устройств или батарей. В соответствии с различными вариантами осуществления области применения включают в себя индуктивную или магнитную зарядку, а также подачу энергии на различные устройства или приборы. В соответствии с различными вариантами осуществления системы и способы в общем случае также могут быть применены, например, к блокам питания или другим источникам энергии или системам зарядки, таким как, например, системы для передачи электромагнитной энергии на мобильное, электронное или электротехническое устройство, транспортное средство или другой прибор. Однако в документе WO 2013142720 А не рассматривается проблема фильтрации электромагнитных помех (EMI) и подавление синфазных помех, что приводит к снижению эффективности передачи энергии и нарушениям соответствия стандартам EMI.

Соответственно, известные системы беспроводной зарядки страдают от различных электромагнитных помех (EMI) и поэтому не могут достигнуть максимальной эффективности передачи энергии.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в устранении вышеупомянутых недостатков, характерных для решений, известных в предшествующем уровне техники.

Технический результат, обеспечиваемый посредством настоящего изобретения, заключается в повышении эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии на блоки беспроводного приема энергии, встроенные в электронные устройства, а также в подавлении электромагнитных помех (EMI) при помощи цепей согласования импедансов и экранирующего элемента.

В настоящем изобретении раскрывается система беспроводной зарядки. Система содержит блок беспроводной передачи энергии и блок беспроводного приема энергии.

Блок беспроводной передачи энергии содержит источник энергии, передающую катушку индуктивности, первый экранирующий элемент и первую цепь согласования импедансов. Передающая катушка индуктивности соединяется с источником энергии через первую цепь согласования импедансов. В случае подачи питания посредством источника энергии передающая катушка индуктивности способна испускать электромагнитное излучение. Первая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов для передающей катушки индуктивности и источника энергии. Первый экранирующий элемент располагается под передающей катушкой индуктивности и конфигурируется таким образом, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавлялось за пределами активной области зарядки, определяемой структурой передающей катушки индуктивности.

Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. Приемная катушка индуктивности выполнена с возможностью индуктивной связи с передающей катушкой индуктивности, благодаря чему электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Нагрузка соединяется с приемной катушкой индуктивности через вторую цепь согласования импедансов. Нагрузка выполнена с возможностью зарядки посредством зарядных токов. Вторая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов для приемной катушки индуктивности и нагрузки.

Первая и вторая схемы согласования также выполнены с возможностью обеспечения резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, что также максимально повышает эффективность передачи энергии.

Передающая катушка индуктивности имеет множество проводящих витков, отделенных друг от друга зазорами. Зазоры уменьшаются в направлении удаления от центральной области передающей катушки индуктивности.

Первый экранирующий элемент может быть изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов.

Первая цепь согласования импедансов также выполнена с возможностью шунтирования (отвода) синфазных токов к первому экранирующему элементу, что подавляет паразитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности.

Первая цепь согласования импедансов блока беспроводной передачи энергии содержит, по меньшей мере, два шунтирующих конденсатора, соединенных параллельно передающей катушке индуктивности и, по меньшей мере, два последовательных конденсатора, соединяющие контакты передающей катушки индуктивности с соответствующими выводами источника энергии. Шунтирующие конденсаторы соединяют передающую катушку индуктивности с первым экранирующим элементом и заземлением источника энергии, вследствие чего обеспечивается упомянутое шунтирование синфазных токов.

Конденсаторы первой цепи согласования импедансов также выбираются таким образом, чтобы осуществлять преобразование импеданса передающей катушки индуктивности в оптимальный импеданс для источника энергии, вследствие чего обеспечивается упомянутое согласование оптимальных импедансов для передающей катушки индуктивности и источника энергии.

Активная область зарядки, определяемая структурой передающей катушки индуктивности, обеспечивает практически постоянный импеданс, независимо от позиции и ориентации нагрузки в ней.

Передающая катушка индуктивности может являться плоской катушкой индуктивности, изготовленной на однослойной или многослойной плате PCB. Плоская катушка индуктивности может быть изготовлена из групп слоев. Каждый слой одной группы имеет одинаковую структуру витков. Все слои одной группы соединяются друг с другом посредством множества межслойных соединений и реализовываются в качестве непрерывной проводящей катушки индуктивности, имеющей толщину, равную толщине упомянутой одной группы.

Первая цепь согласования импедансов балансируется относительно вывода источника энергии, при этом центральная точка первой цепи согласования импедансов соединяется с заземлением источника энергии.

Блок беспроводной передачи энергии также может содержать поглощающие резонансные элементы, которые располагаются под передающей катушкой индуктивности и используются для ослабления электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности. Резонансные частоты поглощающих резонансных элементов настраиваются равными частотам пиков электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности, вследствие чего поглощающие резонансные элементы способны поглощать пики электромагнитного излучения на этих резонансных частотах. Поглощающие резонансные элементы могут быть изготовлены в качестве резонаторов в форме разрезных колец, резонаторов в форме комплементарных разрезных колец, резонансных спиралей, комплементарных резонансных спиралей или метаматериальных структур других типов.

Витки передающей катушки индуктивности могут иметь максимальные радиусы кривизны на внешних краях передающей катушки индуктивности и минимальные радиусы кривизны в центральной области передающей катушки индуктивности.

Передающая катушка индуктивности может иметь центральный отвод, соединенный с первым экранирующим элементом. Центральный отвод используется для шунтирования синфазных токов к первому экранирующему элементу. Центральный отвод может быть соединен с первым экранирующим элементом через гальванические или емкостные соединения. Упомянутое емкостное соединение формируется в качестве сосредоточенных емкостных элементов или взаимной емкости между центральным отводом и первым экранирующим элементом.

Кроме того, между передающей катушкой индуктивности и первым экранирующим элементом может быть сформировано множество соединительных отводов посредством емкостных соединений.

Структура передающей катушки индуктивности определяется следующим образом:

где lxN, lyN и lx1, lyN являются внешними и внутренними размерами передающей катушки индуктивности соответственно, N является количеством витков, ri является радиусом кривизны i-го витка, а α является параметром отношения витков.

Блок беспроводного приема энергии встраивается в электронное устройство, и в данном случае нагрузкой является батарея или батарейный блок электронного устройства. Электронное устройство может являться мобильным и переносным устройством, выбранным из группы, состоящей из смартфонов, интеллектуальных часов, интеллектуальных очков, планшетных компьютеров и ноутбуков. Структура передающей катушки индуктивности может поддерживать зарядку одного или более электронных устройств в пределах активной области зарядки.

Вторая цепь согласования импедансов блока беспроводного приема энергии содержит, по меньшей мере, два шунтирующих конденсатора, соединенных параллельно приемной катушке индуктивности, и, по меньшей мере, два последовательных конденсатора, соединяющих приемную катушку индуктивности с выводами нагрузки. Конденсаторы второй цепи согласования импедансов выполнены с возможностью обеспечения, совместно с конденсаторами первой цепи согласования импедансов, резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, что также максимально повышает эффективность передачи энергии. Конденсаторы второй цепи согласования импедансов также выбираются таким образом, чтобы осуществлять преобразование импеданса приемной катушки индуктивности в оптимальный импеданс для нагрузки.

Приемная катушка индуктивности блока беспроводного приема энергии имеет множество проводящих витков. Плотность и геометрия упомянутых витков зависят от геометрии и энергопотребления блока беспроводного приема энергии.

В одном варианте осуществления блок беспроводного приема энергии также может содержать второй экранирующий элемент, установленный под приемной катушкой индуктивности. При этом второй экранирующий элемент изолирует внутренние компоненты электронного устройства, внутри которого встроен блок беспроводного приема энергии, от электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности.

В другом варианте осуществления батарея или батарейный блок электронного устройства обеспечивает изоляцию внутренних компонентов электронного устройства.

Электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, является практически однородным в пределах активной области зарядки.

Передающая катушка индуктивности также выполнена с возможностью обеспечения практически постоянной взаимной индуктивности и собственной индуктивности передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности всякий раз, когда блок беспроводного приема энергии случайным образом располагается в пределах активной области зарядки.

Первая цепь согласования импедансов также выполнена с возможностью изменения импеданса передающей катушки индуктивности, в зависимости от нагрузки блока беспроводного приема энергии.

Блок беспроводного приема энергии также может содержать выпрямитель, который располагается перед нагрузкой и выполнен с возможностью осуществления преобразования переменного тока в постоянный ток, относительно индуцированных зарядных токов.

Система, которая была предложена выше, может работать в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц.

Настоящее изобретение обеспечивает следующие главные усовершенствования:

- блок беспроводной передачи энергии снабжен экранирующим элементом и цепью согласования импедансов. Таким образом, электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавляется за пределами активной области зарядки блока беспроводной передачи энергии, при этом паразитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, минимизируется и не оказывает влияния на электронные устройства.

- Обеспечивается максимальная эффективность передачи энергии для множества мобильных устройств, которые располагаются в любой позиции и ориентации, в непосредственной близости от блока беспроводной передачи энергии.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения прояснятся после прочтения нижеследующего подробного описания и просмотра прилагаемых чертежей.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения разъясняется ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:

фиг. 1 изображает эквивалентные схемы и компоненты блоков беспроводного приема и передачи энергии;

фиг. 2 изображает параметрическую модель и размеры передающей катушки индуктивности блока беспроводной передачи энергии;

фиг. 3 изображает вид сверху приемной катушки индуктивности, установленной в мобильный телефон;

фиг. 4 изображает вид сбоку, демонстрирующий схему расположения передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности относительно друг друга;

фиг. 5A-B изображают различные виды, демонстрирующие способ расположения различных элементов блоков беспроводного приема и передачи энергии, относительно друг друга, в частности, фиг. 5А изображает вид сверху, а фиг. 5 B изображает вид в поперечном разрезе, выполненном по линии A-A;

фиг. 6A-B изображают распределение тока по корпусу блока беспроводного приема энергии, расположенного в различных позициях на блоке беспроводной передачи энергии;

фиг. 7A-B изображают способ сокращения общей толщины блока беспроводной передачи энергии с использованием экранирующего элемента раскрытым в настоящем изобретении способом: медного экранирующего элемента (фиг. 7А) и медно-ферритового экранирующего элемента (фиг. 7B);

фиг. 8 изображает схему расположения конденсаторов цепи согласования импедансов в блоке беспроводной передачи энергии;

фиг. 9A-B изображают спектр синфазного напряжения на передающей катушке индуктивности для следующих контрольных примеров: конденсаторы не соединяются с заземлением источника энергии и экранирующим элементом (фиг. 9А), конденсаторы соединяются с заземлением источника энергии и экранирующим элементом (фиг. 9B);

фиг. 10A-D изображают эквивалентные схемы передающей катушки индуктивности, соединенной через центральный отвод с заземлением источника энергии при помощи гальванического соединения (фиг. 10А) и при помощи емкостного соединения (фиг. 10B); геометрии передающей катушки индуктивности: асимметричная (фиг. 10C) и симметричная (фиг. 10D);

фиг. 11 изображает сокращение уровня электромагнитного (ЕМ) излучения с использованием передающей катушки индуктивности, соединенной через центральный отвод;

фиг. 12 изображает эквивалентную схему для соединения конденсаторов 2C2Р с заземлением нагрузки в блоке беспроводного приема энергии;

фиг. 13A-B изображают спектры напряжения и тока на приемной катушке индуктивности для следующих контрольных примеров: конденсаторы 2C2Р не соединяются с заземлением нагрузки (фиг. 13А), конденсаторы 2C2Р, C3P и ферритовое кольцо L2S соединяются с заземлением нагрузки (фиг. 13B);

фиг. 14A-C изображают вид в перспективе, вид сверху и вид в разрезе соответственно поглощающих резонансных элементов, размещенных между передающей катушкой индуктивности и медным экранирующим элементом для сокращения уровня излучения электромагнитных помех (EMI);

фиг. 15 изображает сравнение излучения электромагнитных помех (EMI) для блока беспроводной передачи энергии с использованием и без использования поглощающих резонансных элементов;

фиг. 16A-B изображают зависимость импеданса блока беспроводной передачи энергии для корректного (фиг. 16А) и некорректного (фиг. 16B) вариантов реализации гибридной цепи согласования импедансов;

фиг. 17A-F изображают результаты эксперимента для прототипов блоков беспроводного приема и передачи энергии.

Осуществление изобретения

Далее со ссылкой на прилагаемые чертежи будут подробно описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако настоящее изобретение может быть реализовано во множестве других форм, при этом не следует рассматривать в качестве ограничения какую-либо конкретную структуру или функцию, представленную в нижеследующем описании. Напротив, эти варианты осуществления обеспечиваются для того, чтобы сделать описание настоящего изобретения детализированным и полным. В соответствии с настоящим описанием специалистам в данной области техники будет понятно, что объем настоящего изобретения покрывает любой вариант осуществления настоящего изобретения, который раскрывается в настоящем документе, независимо от того, реализуется ли этот вариант осуществления в независимой форме или совместно с любым другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Например, система, раскрытая в настоящем документе, может быть реализована на практике посредством использования любого количества вариантов осуществления, обеспеченных в настоящем документе. Кроме того, следует понимать, что любой вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован с использованием одного или более элементов, представленных в прилагаемой формуле изобретения.

Термин «иллюстративный» используется в настоящем документе в контексте «используемого в качестве примера или иллюстрации». Любой вариант осуществления, описанный в настоящем документе в качестве «иллюстративного», не должен в обязательном порядке интерпретироваться в качестве предпочтительного или имеющего преимущество перед другими вариантами осуществления.

Для простоты термин «блок беспроводной передачи энергии» также упоминается как «передающий (TX) блок», а термин «блок беспроводного приема энергии» также упоминается как «приемный (RX) блок». Передающий (TX) блок может передавать энергию на приемный (RX) блок посредством индуктивной связи. Приемный (RX) блок может быть интегрирован в электронное устройство. Электронное устройство может являться мобильными и/или переносным устройством, выбранным из группы, состоящей из смартфонов, интеллектуальных часов, интеллектуальных очков, планшетных компьютеров и ноутбуков. Раскрытые конструкции передающего (TX) и приемного (RX) блоков обеспечивают эргономичное решение для зарядки всех переносных устройств в домашних или рабочих условиях, станций передачи электромагнитной энергии для общественных мест, таких как, например, рестораны, кафе, библиотеки и т.д.

Используемый в настоящем документе термин «зарядка» относится к батарее или батарейному блоку электронного устройства. Для зарядки батареи электронного устройства пользователь должен вручную поместить электронное устройство на поверхность передающего (TX) блока. Поэтому размеры передающего (TX) блока имеют особую важность. Крупноразмерные передающие (TX) блоки поддерживают передачу большего количества энергии и большее количество электронных устройств, подлежащих одновременной зарядке. Далее будут более подробно описаны конструкции передающего (TX) и приемного (RX) блоков.

Эквивалентные схемы и компоненты передающего (TX) и приемного (RX) блоков

На фиг. 1 изображены эквивалентные схемы передающего (TX) и приемного (RX) блоков.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения передающий (TX) блок 110 содержит следующие элементы: источник 111 энергии, передающую (TX) катушку 112 индуктивности и цепь 113 согласования импедансов. Источник 111 энергии соединяется с передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности посредством цепи 113 согласования импедансов. Ток IТХ, генерируемый посредством источника 111 энергии, преобразовывается в ток IТХ_COIL посредством цепи 113 согласования импедансов. Цепь 113 согласования импедансов содержит два последовательных конденсатора 2C1S и два конденсатора 2C1P, соединенных параллельно передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности. Конденсаторы 2C1P соединяют передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210, изображенным на фиг. 2, 4, 5A-B. Экранирующий элемент 210 может быть изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов. Несмотря на то что фиг. 1 изображает только два конденсатора 2C1S и два конденсатора 2C1P, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что может быть использовано любое другое количество упомянутых конденсаторов в зависимости от конкретной области применения.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения приемный (RX) блок 120 содержит следующие элементы: приемную (RX) катушку 121 индуктивности, цепь 122 согласования импедансов и нагрузку 123. Приемная (RX) катушка 121 индуктивности соединяется с нагрузкой 123 посредством цепи 122 согласования импедансов. Цепь 122 согласования импедансов содержит два последовательных конденсатора 2C2S и два конденсатора 2C2P, соединенных параллельно приемной (RX) катушке 121 индуктивности. Конденсаторы 2C2Р соединяют приемную (RX) катушку 121 индуктивности с заземлением нагрузки 123. Несмотря на то что фиг. 1 изображает только два конденсатора 2C2S и два конденсатора 2C2P, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что может быть использовано любое другое количество упомянутых конденсаторов в зависимости от конкретной области применения.

Когда приемный (RX) блок 110 размещается на передающем (TX) блоке 120, приемная (RX) катушка 121 индуктивности и передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности связываются между собой посредством магнитного потока. Вследствие этого магнитный поток, генерируемый посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, индуцирует токи (см. IRX_COIL на фиг. 1) в приемной (RX) катушке 121 индуктивности, и энергия передается на нагрузку 123.

С помощью конденсаторов 2C1P, соединяющих передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности с экранирующим элементом 210, синфазные токи могут быть шунтированы, чтобы ослабить излучение паразитных электромагнитных помех (EMI). Кроме того, вследствие наличия экранирующего элемента 210 электромагнитные поля, индуцированные посредством токов в передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности, подавляются во всех промежуточных точках, за исключением расположения приемного (RX) блока 120. Образующееся электромагнитное поле концентрируется около приемного (RX) блока 120 и индуцирует токи в приемной (RX) катушке 121 индуктивности приемного (RX) блока 120, который может быть расположен в любой позиции и ориентации, в пределах активной области зарядки передающего (TX) блока 110. Активная область зарядки задается посредством структуры передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и обеспечивает практически постоянный импеданс, независимо от позиции и ориентации нагрузки 123 в ней.

Передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности имеет множество проводящих витков, отделенных друг от друга зазорами. Зазоры уменьшаются в направлении удаления от центральной области передающей катушки индуктивности. Например, передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности может иметь, в числе прочего, форму спирали, при которой зазоры между витками передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности уменьшаются в радиальном направлении от центральной области катушки индуктивности. Кроме того, витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности имеют максимальные радиусы кривизны на внешних краях передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и минимальные радиусы кривизны в центральной области передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.

Кроме того, передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности может являться плоской катушкой индуктивности, изготовленной на однослойной или многослойной плате PCB. Плоская катушка индуктивности может быть изготовлена из групп слоев. Каждый слой одной группы имеет одинаковую структуру витков. Все слои одной группы соединяются друг с другом посредством множества межслойных соединений и реализовываются в качестве непрерывной проводящей катушки индуктивности, имеющей толщину, равную толщине упомянутой одной группы.

Передающий (TX) блок 110 также может содержать поглощающие резонансные элементы, которые располагаются под передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности и используются для ослабления электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Резонансные частоты поглощающих резонансных элементов настраиваются равными частотам пиков электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности, вследствие чего поглощающие резонансные элементы способны поглощать пики электромагнитного излучения на этих резонансных частотах. Эти пики электромагнитного излучения должны быть поглощены или устранены иным способом, поскольку они могут оказать неблагоприятное воздействие на внутренние компоненты заряжаемого электронного устройства. Поглощающие резонансные элементы могут быть изготовлены в качестве резонаторов в форме разрезных колец, резонаторов в форме комплементарных разрезных колец, резонансных спиралей, комплементарных резонансных спиралей или метаматериальных структур других типов.

Приемный (RX) блок 110 также может содержать выпрямитель, соединенный с выводом приемной (RX) катушки 121 индуктивности и цепью 122 согласования импедансов перед нагрузкой 123. Выпрямитель выполнен с возможностью осуществления преобразования переменного тока в постоянный ток относительно токов, индуцируемых в приемной (RX) катушке 121 индуктивности.

Приемная (RX) катушка 121 индуктивности имеет множество проводящих витков. Внешние размеры приемной (RX) катушки 121 индуктивности максимально увеличиваются в пределах доступной поверхности приемного (RX) блока 120. Плотность и геометрия упомянутых витков зависят от геометрии и энергопотребления приемного (RX) блока 120.

В некоторых вариантах осуществления приемного (RX) блока 120 (фиг. 3) под приемной (RX) катушкой 121 индуктивности также может быть установлен дополнительный экранирующий элемент 125 для изолирования внутренних компонентов 126, 127 (например, одной или более микросхем) электронного устройства, в пределах которого встроен приемный (RX) блок 120, от электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и приемной (RX) катушки 121 индуктивности. Упомянутый дополнительный экранирующий элемент 125 может быть изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов. В альтернативных вариантах осуществления внутренние компоненты электронного устройства могут быть изолированы посредством существующих проводящих структур, например, посредством батареи или батарейного блока.

Геометрия передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности для передающего (TX) блока 110, поддерживающего свободное размещение приемного (RX) блока 120

В соответствии с документами US 2011/0198937 A1 и US 2012/0228959 A1 постоянный коэффициент полезного действия (выход по энергии) и постоянный входной импеданс ZTX_IN_COIL в различных условиях связи передающей (TX) и приемной (RX) катушек индуктивности могут быть достигнуты в случае, если коэффициент связи катушек индуктивности k и коэффициенты добротности являются инвариантными к относительной позиции приемного (RX) блока 120 на передающем (TX) блоке 110. Далее будет подробно описана геометрия передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.

Центр проводящей жилы передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (см. фиг. 2) должен быть описан посредством следующей параметрической модели:

В данном случае lxN, lyN и lxl, lyl являются внешними и внутренними размерами передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности соответственно, N является количеством витков, ri является радиусом кривизны i-й жилы катушки индуктивности, а α является параметром отношения витков. Следует отметить, что на фиг. 2 shx и shy являются длиной и шириной соответственно экранирующего элемента 210.

Как было указано выше, размеры приемной (RX) катушки 121 индуктивности задаются с учетом геометрических ограничений приемного (RX) блока 120. Размеры N, lxi, lyi и ri передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности оптимизируются с критериями максимальной эффективности и однородности для всех возможных позиций приемного (RX) блока 120.

Наличие проводящего экранирующего элемента 210 (см. фиг. 2, 4, 5A-B) на расстоянии «a» от передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и приемного (RX) блока 120 на расстоянии «h» сокращает индуктивность передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Проводящий экранирующий элемент 210 оказывает незначительное влияние на потери, при этом вихревые токи, индуцированные на резистивных материалах приемного (RX) блока 120, рассеивают энергию. Вследствие этого реальная среда передающего (TX) блока 210 вводит значительные ограничения относительно эффективности передачи энергии (PTE).

Подавление магнитных полей передающей (ТХ) катушки индуктивности во всех промежуточных точках, за исключением позиций приемного (RX) блока

Условия для изолирования передающего (TX) блока 110 от окружающих объектов достигаются посредством использования различных экранирующих элементов, как изображено на фиг. 7A-B. В частности, для сокращения общей толщины передающего (TX) блока 110 вместо проводящего экранирующего элемента можно использовать тонкопленочный ферритовый экранирующий элемент. Например, ферритового слоя с толщиной 0,5 миллиметров достаточно для эффективности экранирования в 20 дБ. Фиг. 7А изображает случай, когда используется медный экранирующий элемент 210, а фиг. 7B изображает случай, когда используется медно-ферритовый экранирующий элемент 210. Медно-ферритовый экранирующий элемент 210 состоит из медного слоя 211 и ферритового слоя 212. Можно увидеть, что медно-ферритовый экранирующий элемент обеспечивает лучшее сокращение общей толщины передающего (TX) блока 110 (см. расстояние А, которое является меньшим в случае, когда используется медно-ферритовый экранирующий элемент).

Согласно настоящему изобретению соединение передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности с заземлением 501 источника 111 энергии и экранирующим элементом 120 реализовывается посредством использования цепи 113 согласования импедансов (см. фиг. 1). Конденсаторы 2C1S, 2C1P цепи 113 согласования импедансов располагаются в области, обозначенной на фиг. 8 посредством ссылочной позиции 502.

Иллюстративные параметры для передающих (ТХ) катушек 112 индуктивности, полученные посредством использования описанных подходов, представлены в таблице 1. В соответствии с этими результатами использование медно-ферритового экранирующего элемента и тонкой передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (d=0,1 мм) предоставляет возможность сокращения общей толщины передающего (TX) блока до 5,7 мм. Использование только медного экранирующего элемента на малом расстоянии от передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, например, a=5 мм, приведет к снижению собственной индуктивности L1 на 57%, а также к снижению коэффициента связи на 40% по сравнению со случаем отсутствия экранирования. Использование только ферритового экранирующего элемента на малом расстоянии от передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, например, а=5 мм, приведет к снижению коэффициента добротности на 24% по сравнению со случаем отсутствия экранирования. Сокращение толщины «d» передающей (ТХ) катушки индуктивности с 2 мм до 0,1 мм не влияет на параметры. Использование только ферритового экранирующего элемента предоставляет возможность достижения высокой эффективности системы беспроводной зарядки, при этом собственная индуктивность передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности по-прежнему оказывает влияние на внешние металлические объекты (например, металлический стол).

Таблица 1
Зависимость параметров передающего (TX) и приемного (RX) блоков от вариантов исполнения экранирующего элемента Имя
параметра Без экранирования для передающей (ТХ) катушки индуктивности Медное экранирование 0,1 мм
а=10 мм
d=2 мм Медное экранирование 0,1 мм
а=5 мм
d=2 мм Ферритовое экранирование 1 мм
а=5 мм
d=2 мм Ферритовое экранирование 0,5 мм
а=5 мм
d=2 мм Ферритовое экранирование 0,5 мм
а=5 мм
d=0,1 мм Медно-ферритовое экранирование 0,1 мм и 0,5 мм
а=5 мм
d=0,1 мм L1, uH 2,03 1,26 0,87 2,7 2,6 2,6 2,4 Q1 144 164 138 110 109 108 103 k 0,25 0,18 0,15 0,27 0,26 0,26 0,26 U 32,7 25,5 17,9 29,7 28,8 28,7 27,2

Способы ослабления излучения электромагнитных помех (EMI)

Согласно настоящему изобретению передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности должна быть соединена с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210 посредством использования конденсаторов 2C1P (см. фиг. 1). Эффект такого соединения с ослаблением синфазных помех представлен на фиг. 9A-B. Спектр синфазного напряжения для передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности представлен для следующих контрольных примеров:

- фиг. 9А: конденсаторы 2C1P не соединяются с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210;

- фиг. 9B: конденсаторы 2С1P соединяются с заземлением источника 111 энергии и экранирующим элементом 210.

В соответствии с результатами, представленными на фиг. 9A-B, электромагнитные помехи (EMI) ослабляются, по меньшей мере, на 10 дБ в диапазоне частот выше 90 МГц.

Соединение центрального отвода 701 передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности с заземлением источника 111 энергии предоставляет возможность ослабления излучения электромагнитных помех (EMI) (см. фиг. 10A-D). Эквивалентные схемы соединения передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и цепи 113 согласования импедансов с выводом источника 111 энергии представлены на фиг. 10A-B.

В предпочтительном варианте осуществления центральный отвод 701 передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности соединяется с проводящим экранирующим элементом 210. Проводящий экранирующий элемент 210 соединяется с точкой заземления источника 111 энергии. Доступны различные способы такого соединения, включающие в себя гальванические (фиг. 10А) или емкостные (фиг. 10B) соединения. В случае использования этих способов синфазные токи шунтируются перед входом в передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности, при этом подавляется испускание паразитного излучения. Эти структуры не затрагивают подачу дифференциальной выходной энергии от источника 111 энергии на передающую (ТХ) катушку 112 индуктивности. Поэтому эффективность PTE не снижается.

Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения может быть основан на структурах передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности различных типов: асимметричная спиральная катушка 801 индуктивности (фиг. 10C) или симметричная спиральная катушка 802 индуктивности (фиг. 10D). В каждом случае позиции одного или более центральных отводов 701 оптимизируются для баланса амплитуды и фазы напряжений на контактах передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.

Пример сокращения уровня излучения электромагнитных помех (EMI) посредством использования передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, соединенной через центральный отвод, представлен на фиг. 11. Передающая (ТХ) катушка 112 индуктивности без центрального отвода имеет 2 пика излучаемых электромагнитных помех (EMI): на 100-120 МГц и на 180-200 МГц (см. кривую 901 на изображении-вставке, показанном на фиг. 11). Соединенный центральный отвод имеет только 1 пик на 180-200 МГц (см. кривую 902). Вследствие этого центральный отвод 701 передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности подавляет уровень излучения электромагнитных помех (EMI) на 100-120 МГц, по меньшей мере, на 40 дБ.

Предпочтительный способ ослабления электромагнитных помех (EMI) для приемного (RX) блока 120 использует соединение конденсаторов 2C2Р с заземлением приемного (RX) блока 120 изображенным на фиг. 1 способом. Кроме того, ослабление электромагнитных помех (EMI) может быть достигнуто посредством использования шунтирующих конденсаторов C3Р и ферритового кольца L2S, соединенных изображенным на фиг. 12 способом. Эффект такого соединения с ослаблением синфазных помех изображен на фиг. 13A-B. Спектры напряжения и тока на приемной (RX) катушке 121 индуктивности изображены на фиг. 13A-B для следующих контрольных примеров:

- фиг. 13А: конденсаторы 2C2Р не соединяются с заземлением приемного (RX) блока 120;

- фиг. 13B: конденсаторы 2C2Р, C3P и ферритовое кольцо L2S соединяются с заземлением приемного (RX) блока 120.

В соответствии с результатами, представленными на фиг. 13A-B, спектр электромагнитных помех (EMI) ослабляется, по меньшей мере, на 20 дБ на частотах выше 150 МГц и, по меньшей мере, на 30 дБ на 350-500 МГц.

В некоторых вариантах осуществления передающего (TX) блока 110 излучение электромагнитных помех (EMI) может быть ослаблено посредством использования поглощающих резонансных элементов 1001, представленных на фиг. 14A-C (которые изображают их вид в перспективе, вид сверху и вид в разрезе соответственно; разрез, представленный на фиг. 14C, выполнен по линии A-A, изображенной на фиг. 14B). Поглощающие резонансные элементы 1001 гасят паразитные резонансы передающей (ТХ) катушки индуктивности и поглощают все или некоторые пики излучения электромагнитных помех (EMI).

Пример эффекта поглощающих резонансных элементов 1001 с уровнем излучения электромагнитных помех (EMI) представлен на фиг. 15. Коэффициент добротности поглощающих элементов затрагивает эффективность ослабления излучения электромагнитных помех (EMI). Следующие случаи демонстрируют: передающий (TX) блок 110 без поглощающих резонансных элементов 1001 (см. кривую 1101), структуру нижнего поглощения резонанса (см. кривую 1103), структуру верхнего поглощения резонанса (см. кривую 1102) и структуру оптимального поглощения резонанса (см. кривую 1104).

Как изображено на фиг. 15, поглощающие резонансные элементы 1001, настроенные на частоту 412 МГц, гасят паразитный резонанс на 20 дБ (см. двойную стрелку 1105).

Настройка передающего (TX) и приемного (RX) блоков, соединенных магнитным способом, для максимальной эффективности передачи энергии

Максимальная эффективность PTE для передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности и приемной (RX) катушки 121 индуктивности, соединенных индуктивным способом, может быть достигнута только при помощи оптимального импеданса нагрузки. Для анализа этих параметров необходимо учитывать две взаимосвязанных катушки индуктивности с индуктивностью L1, L2, собственные потери R1, R2 и взаимную индуктивность М. Предположим, что приемная (RX) катушка 121 индуктивности подлежит соединению с нагрузкой с импедансом Z2 изображенным на фиг. 1 способом.

Согласование оптимальных импедансов Z2 должно удовлетворять условиям резонанса в приемной (RX) катушке 121 индуктивности, при этом максимальная эффективность передачи энергии достигается в виде Z2opt:

Также будут использоваться следующие обозначения:

- коэффициент индуктивной связи катушек индуктивности, ω - частота, на которой работают передающий (TX) и приемный (RX) блоки. Коэффициент U добротности используется в нижеприведенных уравнениях для простоты.

Максимальная эффективность передачи энергии для оптимального импеданса Z2 (1):

Входной импеданс передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности в случае оптимальной нагрузки:

Поскольку входной импеданс ZTX_IN_COIL и импеданс Z2 нагрузки определяются посредством уравнения (4), цепи 113 и 122 согласования импедансов являются необходимыми для согласования этих импедансов для требуемого источника 111 энергии и нагрузки 123 изображенным на фиг. 1 способом. Элементы цепи согласования импедансов для приемного (RX) блока 120 должны быть вычислены посредством использования входного импеданса ZRECT выпрямителя следующим образом:

где Х=-1/ ωС2Р - импеданс конденсатора C2Р, соединенного параллельно приемной (RX) катушке 121 индуктивности, Y=-1/ ωС2S - импеданс конденсатора C2S, последовательно соединенного с нагрузкой 123. Последовательный элемент со значением из уравнения (6) может являться конденсатором или индуктором. Наличие отрицательного корня в уравнении (5) предоставляет возможность использования конденсатора в качестве шунтирующего элемента цепи согласования импедансов: C2P=-1/ ωXNEG, где XNEG - отрицательный корень уравнения (5). В случае когда полученное значение Y является отрицательным, значением последовательного конденсатора является C2S=-1/ ωY.

Критерии применимости для гибридных параллельно-последовательных элементов цепи 122 согласования импедансов в приемном (RX) блоке определяются следующим образом:

Условия Re(ZRECT)min = соответствуют согласованию последовательных импедансов, т.е. C2P=0. В противном случае должны быть использованы гибридные параллельно-последовательные элементы цепи 122 согласования импедансов.

Связь источника энергии с передающим (TX) блоком, определение для различных вариаций импеданса передающего (TX) блока

Работа источника 111 энергии задается посредством входного импеданса ZTX передающего (TX) блока (см. фиг. 1). Цепь 113 согласования импедансов для передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должна вычисляться по нижеследующим уравнениям:

В данном случае X является реактивным компонентом, соединенным параллельно передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности, а Y является реактивным компонентом, последовательно соединенным с источником 111 энергии. Знак корня в уравнении (8) определяет параллельный тип элемента, а именно, конденсатор или индуктор. Последовательный элемент со значением из уравнения (9) также может являться конденсатором или индуктором. Наличие отрицательного корня предоставляет возможность использования конденсатора в качестве параллельного элемента цепи 113 согласования импедансов:

где XNEG - отрицательный корень уравнения (8). В случае когда полученное значение Y является отрицательным, значение последовательного конденсатора должно находиться по формуле:

Условие (10) обеспечивает максимальное Re(ZTX_IN'), которое может быть согласовано с конкретной передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения активная составляющая ZTX_IN обратно пропорциональна импедансу ZRECT нагрузки 123 (см. фиг. 1). Увеличение ZRECT вызовет уменьшение ZTX_IN. Уменьшение ZRECT вызовет увеличение ZTX_IN. Необходимое Z-изменение достигается в случае, когда цепь 113 согласования импедансов работает близко к последовательному резонансу

В этом случае составляющая импеданса ZTX_IN уменьшается с увеличением

Пример зависимости импеданса ZTX_IN от ZRECT передающего (TX) блока представлен на фиг. 16A-B для следующих двух случаев: корректная (фиг. 16А) и некорректная (фиг. 16B) реализация гибридной цепи 113 согласования импедансов.

При корректной реализации цепи 113 согласования импедансов предпочтительно, чтобы горизонтальная кривая ZTX_IN изменялась по круговой диаграмме импедансов (см. кривую 201 на фиг. 16А); при этом активная составляющая импеданса ZTX_IN постепенно уменьшается по мере увеличения RRECT (см. кривую 202 на фиг. 16А).

В альтернативном случае при некорректной реализации цепи 113 согласования импедансов предпочтительно, чтобы вертикальная кривая ZTX_IN изменялась по круговой диаграмме импедансов (см. кривую 203 на фиг. 16B); при этом активная составляющая импеданса ZTX_IN имеет неоднородную зависимость от увеличения RRECT (см. кривую 204 на фиг. 16B).

Варьирование параметров передающего (TX) блока вследствие изменения позиции приемного (RX) блока

Параметры передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности передающего (TX) блока 110 могут варьироваться вследствие изменения позиции приемного (RX) блока 120 относительно передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Зависимость коэффициента k связи от позиции приемного (RX) блока 120 определяется посредством конструктивных параметров lxi, lyi, ri передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. В целом, индуктивность и коэффициент добротности передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности увеличиваются для приемного (RX) блока 120, перемещаемого из центральной позиции в краевую позицию. Это поясняется законом Ленца: вихревые токи на поверхностях приемного (RX) блока 120 компенсируют магнитный поток, индуцируемый посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Эти вихревые токи протекают по проводящим поверхностям следующих элементов приемного (RX) блока 120: батарея, основная плата, каркас корпуса и т.д. Распределения поверхностных токов по приемному (RX) блоку 120 изображены на фиг. 6A-B для следующих типичных позиций: приемный (RX) блок 120 (который встроен в электронное устройство) размещается в центре передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (фиг. 6А) и приемный (RX) блок 120 смещен от центра (фиг. 6B). На фиг. 6A-B темные области обозначают высокую плотность поверхностного тока по корпусу приемного (RX) блока, а светлые зоны обозначают низкую плотность поверхностного тока по корпусу приемного (RX) блока. Варьирование индуцируемых токов для различных позиций приемного (RX) блока 120 является причиной варьирования индуктивности передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Когда приемный (RX) блок 120 размещается в центральной позиции, магнитное поле, генерируемое посредством передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности в этой области, является по большей части перпендикулярным по отношению к поверхностям приемного (RX) блока 120. В этом случае распределение тока по краям приемного (RX) блока 120 происходит симметрично.

В краевой области передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности магнитное поле имеет значительную касательную компоненту и неоднородную нормальную компоненту. Когда приемный (RX) блок 120 размещается около края передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, основная часть магнитного потока концентрируется ближе к центру передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности, интенсивность вихревых токов снижается и становится асимметричной. Такое распределение тока создает более слабый магнитный поток в связи с тем, что нормальная компонента поля относительно плоскости приемного (RX) блока 120 концентрируется в меньшей области, вследствие чего увеличивается индуктивность передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.

Аналитические решения для цепей согласования оптимальных импедансов в уравнениях (5), (6), (8) и (9) обеспечивают идеальное согласование и максимальную эффективность передачи энергии. Однако изменения в параметрах катушки индуктивности варьируют согласование импедансов и эффективность для различных позиций электронного устройства.

Согласование и уровни эффективности во всех возможных позициях приемного (RX) блока 120 могут быть оценены посредством использования коэффициента Г отражения в качестве измерения отклонения ZTX_IN от оптимального значения. Для вычисления должна использоваться стандартная формула:

Количественная оценка допустимого уровня варьирования параметров передающей (ТХ) катушки индуктивности выполняется посредством использования анализа чувствительности входного импеданса схемы к изменению параметров катушки индуктивности. Варьирование коэффициента отражения определяется следующим образом:

где ZIND является импедансом, индуцированным посредством приемной (RX) катушки 121 индуктивности:

Теперь рассмотрим варьирование в качестве малого отклонения от оптимального согласования и максимальной эффективности PTE:

Варьирование активной составляющей импеданса передающей (ТХ) катушки индуктивности R1+ReZIND непосредственно включено в уравнение (13), при этом варьирование реактивной составляющей ωL1+ImZIND включено с коэффициентом Q1/k2Q2, в зависимости от параметров передающей (TX) и приемной (RX) катушек индуктивности.

Когда приемная (RX) катушка 121 индуктивности согласовывается определенным в уравнениях (5) и (6) способом и нагрузка является постоянной (ZRECT=const), параметры приемной (RX) катушки индуктивности имеют достаточно малое варьирование, при этом варьирование сопротивления передающей (ТХ) катушки индуктивности является пренебрежимо малым:

для всех позиций приемной (RX) катушки индуктивности.

В этом случае варьирование коэффициента отражения, определенное посредством уравнения (13), может быть упрощено до следующей степени:

В результате малый коэффициент связи (k<0,1) является причиной высокой чувствительности к варьированию индуктивности передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности.

Конструктивное решение для передающего (TX) блока

Для повышения эффективности PTE должны применяться способы, основанные на увеличении индуктивной связи и коэффициентов добротности. В этом направлении конструктивное решение передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности является компромиссом между однородностью индуктивной связи и варьированием индуктивности в ходе изменения позиции приемного (RX) блока 120 относительно передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности. Следовательно, критерии оценки конструктивного решения передающей (ТХ) катушки индуктивности основываются на эффективности PTE (см. уравнение (3)), варьировании входного импеданса передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности (см. уравнение (4)), в зависимости от позиции приемного (RX) блока 120 и импеданса ZLOAD нагрузки.

На первом этапе средний коэффициент индуктивной связи должен быть оценен на основе отношения поверхности SRX приемной (RX) катушки индуктивности к поверхности STX передающей (ТХ) катушки индуктивности в виде где β=0,8-0,9 является параметром, определяющим ухудшение взаимной индуктивности между передающей (TX) и приемной (RX) катушками индуктивности вследствие наличия проводящего экранирующего элемента 210 и приемного (RX) блока 120.

На втором этапе внутренние витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должны быть спроектированы для обеспечения минимального варьирования индуктивности L1 передающей (ТХ) катушки индуктивности, когда приемный (RX) блок 120 размещается в центре активной области зарядки и вращается вокруг центра приемного (RX) блока 120. Неравная длина и ширина активной области зарядки и асимметричность приемной (RX) катушки 121 индуктивности обеспечивают неизбежное варьирование коэффициента связи. Такое варьирование минимизируется посредством регулировки размеров внутренних витков lx1, ly1.

Следующий этап: должна быть достигнута однородная связь и постоянный входной импеданс передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности для необходимых смещений приемного (RX) блока 120 от центра активной области зарядки. Внешние витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должны быть размещены максимально близко друг к другу для обеспечения минимального варьирования индуктивности на краях возможных позиций для приемного (RX) блока 120. В предложенной выше параметрической модели передающей (ТХ) катушки индуктивности однородность определяется посредством отношения α витков. Для изображенного на фиг. 2 примера оптимальное значение α=0,55 было найдено в результате выбора оптимальных параметров.

Следующий этап: ширина жилы передающей (ТХ) катушки индуктивности и количество N витков должны быть оптимизированы на основе следующих соображений. Увеличение N позволяет достигнуть лучшей однородности связи для различных смещений приемного (RX) блока 120, при этом N ограничивается минимальной шириной жилы катушки индуктивности, т.е. сокращение ширины линии напрямую уменьшает средний коэффициент связи и Q1, вследствие чего снижается максимальная эффективность. Увеличение ширины катушки индуктивности приводит к увеличению Q1, при этом возрастает варьирование индуктивности передающей (ТХ) катушки индуктивности, когда приемный (RX) блок 120 размещается близко к краям активной области зарядки.

Снижение активных потерь передающей (ТХ) катушки индуктивности вследствие увеличения ширины жилы является сравнительно малым, вследствие чего коэффициент добротности не зависит от ширины жилы. Это явление связано с неоднородным распределением тока по поверхности жилы, при этом основная часть тока протекает по краям жилы. Взаимная индуктивность между передающей (ТХ) катушкой 112 индуктивности и приемной (RX) катушкой 121 индуктивности является инвариантной к ширине жилы. В результате эффективность повышается в соответствии с уравнением (2) вследствие снижения сопротивления передающей (ТХ) катушки индуктивности.

Следующий этап: внешние витки передающей (ТХ) катушки 112 индуктивности должны быть закруглены с максимально возможным радиусом кривизны для увеличения среднего коэффициента связи. Для изображенного на фиг. 2 примера: максимально закругленные витки обеспечивают k=0,157; углы, закругленные в соответствии с r1=rN=15 мм, обеспечивают уменьшение коэффициента связи до k=0,129.

Следующий этап: цепи согласования оптимальных импедансов должны вычисляться посредством использования уравнений (5), (6), (8), (9). Вычисленные цепи 113 и 122 согласования импедансов обеспечивают оптимальное согласование и максимальную эффективность PTE.

В заключение, эффект согласования импедансов и варьирования эффективности PTE вследствие изменения позиции приемного (RX) блока 120 должен быть оценен на основе уравнения (13).

Результаты экспериментальных испытаний

Фиг. 17A-F изображают результаты экспериментальных испытаний для опытного экземпляра передающего (TX) блока (в качестве примера, встроенного в мобильный телефон). В соответствии с контрольными результатами:

- Максимальная эффективность PTE=90%, эффективность PTE>84% для всех позиций и ориентации приемного (RX) блока 120 на передающей (ТХ) катушке 112 индуктивности.

- Доступные позиции мобильного телефона:

- Телефон располагается по вертикали, позиция dХ от-37 мм до +37 мм (позиции 1201, 1202, 1203).

- Телефон располагается по горизонтали, позиция dY от -30 мм до +30 мм (позиции 1204, 1205, 1206).

В данном случае является коэффициентом стоячей волны напряжения, при этом коэффициент Г отражения является мерой отклонения ZTX_IN от оптимального значения, определенный посредством уравнения (12), (13).

Несмотря на то что в данном документе были раскрыты иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения, следует отметить возможность осуществления любых различных изменений и модификаций в вариантах осуществления настоящего изобретения в пределах объема правовой защиты, который определяется посредством прилагаемой формулы изобретения. В прилагаемой формуле изобретения упоминание элементов в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов, если не было указано иначе.

Изобретение относится к технологии передачи электромагнитной энергии (WPT), в частности к системе беспроводной зарядки, выполненной с возможностью осуществления одновременной зарядки множества мобильных устройств. Технический результат - повышение эффективности передачи энергии от блока беспроводной передачи энергии на блоки беспроводного приема энергии, встроенные в электронные устройства, посредством подавления электромагнитных помех (EMI) при помощи цепей согласования импедансов и экранирующего элемента. Система беспроводной зарядки содержит блок беспроводной передачи энергии и блок беспроводного приема энергии. Блок беспроводной передачи энергии содержит источник энергии, передающую катушку индуктивности, экранирующий элемент и первую цепь согласования импедансов. Передающая катушка индуктивности соединяется с источником энергии посредством первой цепи согласования импедансов. В случае подачи питания посредством источника энергии передающая катушка индуктивности способна испускать электромагнитное излучение. Первая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования импедансов между передающей катушкой индуктивности и источником энергии. Экранирующий элемент располагается под передающей катушкой индуктивности и конфигурируется таким образом, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавлялось за пределами активной области зарядки. Блок беспроводного приема энергии содержит приемную катушку индуктивности, нагрузку и вторую цепь согласования импедансов. Приемная катушка индуктивности выполнена с возможностью индуктивной связи с передающей катушкой индуктивности, благодаря чему электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, индуцирует зарядные токи в приемной катушке индуктивности. Нагрузка соединяется с приемной катушкой индуктивности через вторую цепь согласования импедансов. Нагрузка выполнена с возможностью зарядки посредством зарядных токов. Вторая цепь согласования импедансов выполнена с возможностью обеспечения согласования оптимальных импедансов между приемной катушкой индуктивности и нагрузкой. Первая и вторая схемы согласования также выполнены с возможностью обеспечения резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, чтобы максимально повысить эффективность передачи энергии. 27 з.п. ф-лы, 33 ил., 1 табл.

1. Система беспроводной зарядки, содержащая:

- блок беспроводной передачи энергии, содержащий:

источник энергии;

передающую катушку индуктивности, соединенную с источником энергии и выполненную с возможностью испускания электромагнитного излучения;

первый экранирующий элемент, выполненный таким образом, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, подавлялось за пределами активной области зарядки, определяемой структурой передающей катушки индуктивности; и

первую цепь согласования импедансов, соединенную между источником энергии и передающей катушкой индуктивности и выполненную с возможностью обеспечения согласования импедансов между передающей катушкой индуктивности и источником энергии; и

- блок беспроводного приема энергии, содержащий:

приемную катушку индуктивности, связанную индуктивным способом с передающей катушкой индуктивности, чтобы электромагнитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности, индуцировало зарядные токи в приемной катушке индуктивности;

нагрузку, соединенную с приемной катушкой индуктивности и выполненную с возможностью заряжаться посредством зарядных токов; и

вторую цепь согласования импедансов, соединенную между приемной катушкой индуктивности и нагрузкой и выполненную с возможностью обеспечения согласования импедансов между приемной катушкой индуктивности и нагрузкой;

причем первая и вторая схемы согласования дополнительно выполнены с возможностью обеспечения резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, чтобы максимально повысить эффективность передачи энергии;

при этом

активная область зарядки, определяемая структурой передающей катушки индуктивности, обеспечивает постоянный импеданс независимо от позиции и ориентации нагрузки в ней;

передающая катушка индуктивности является плоской катушкой индуктивности, изготовленной на однослойной или многослойной плате РСВ, причем плоская катушка индуктивности изготовлена из групп слоев, причем каждый слой одной группы слоев имеет одинаковую структуру витков, все слои одной группы слоев соединены друг с другом посредством множества межслойных соединений и реализованы в качестве непрерывной проводящей катушки индуктивности, имеющей толщину, равную толщине упомянутой одной группы слоев.

2. Система по п. 1, в которой передающая катушка индуктивности имеет множество проводящих витков, отделенных друг от друга зазорами, причем зазоры уменьшаются в направлении удаления от центральной области передающей катушки индуктивности.

3. Система по п. 1, в которой первый экранирующий элемент изготовлен из проводящих и/или ферритовых материалов.

4. Система по п. 1, в которой первая цепь согласования импедансов дополнительно выполнена с возможностью шунтирования синфазных токов к первому экранирующему элементу, чтобы подавлять паразитное излучение, испускаемое посредством передающей катушки индуктивности.

5. Система по п. 4, в которой первая цепь согласования импедансов блока беспроводной передачи энергии содержит:

по меньшей мере, два шунтирующих конденсатора, соединенных параллельно передающей катушке индуктивности, причем шунтирующие конденсаторы соединяют передающую катушку индуктивности с первым экранирующим элементом и заземлением источника энергии, вследствие чего обеспечивается упомянутое шунтирование синфазных токов; и

по меньшей мере, два последовательных конденсатора, соединяющих контакты передающей катушки индуктивности с соответствующими выводами источника энергии.

6. Система по п. 5, в которой шунтирующие и последовательные конденсаторы первой цепи согласования импедансов дополнительно выбраны таким образом, чтобы осуществлять преобразование импеданса передающей катушки индуктивности в оптимальный импеданс для источника энергии.

7. Система по п. 1, в которой первая цепь согласования импедансов сбалансирована относительно вывода источника энергии и имеет контакт, соединенный с заземлением источника энергии.

8. Система по п. 1, в которой блок беспроводной передачи энергии дополнительно содержит поглощающие резонансные элементы, которые расположены под передающей катушкой индуктивности и используются для подавления пиков электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности.

9. Система по п. 8, в которой резонансные частоты поглощающих резонансных элементов настроены так, чтобы быть равными частотам пиков электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности, вследствие чего поглощающие резонансные элементы способны поглощать пики электромагнитного излучения на этих резонансных частотах.

10. Система по п. 8, в которой поглощающие резонансные элементы выполнены в качестве резонаторов в форме разрезных колец, резонаторов в форме комплементарных разрезных колец, резонансных спиралей, комплементарных резонансных спиралей или метаматериальных структур других типов.

11. Система по п. 1, в которой витки передающей катушки индуктивности имеют максимальные радиусы кривизны на внешних краях передающей катушки индуктивности и минимальные радиусы кривизны в центральной области передающей катушки индуктивности.

12. Система по п. 1, в которой передающая катушка индуктивности имеет центральный отвод, соединенный с первым экранирующим элементом, причем центральный отвод используется для шунтирования синфазных токов к первому экранирующему элементу.

13. Система по п. 12, в которой центральный отвод соединен с первым экранирующим элементом через гальванические или емкостные соединения, причем упомянутое емкостное соединение сформировано в виде сосредоточенных емкостных элементов или взаимной емкости между центральным отводом и первым экранирующим элементом.

14. Система по п. 1, в которой между передающей катушкой индуктивности и первым экранирующим элементом сформировано множество соединительных отводов посредством емкостных соединений.

15. Система по п. 1, в которой структура передающей катушки индуктивности определена следующим образом:

где lx_N, ly_N и lx₁, ly₁ являются внешними и внутренними размерами передающей катушки индуктивности соответственно, N является количеством витков, r_i является радиусом кривизны i-го витка, а α является параметром отношения витков.

16. Система по п. 1, в которой блок беспроводного приема энергии встроен в электронное устройство, а нагрузкой является батарея или батарейный блок электронного устройства.

17. Система по п. 16, в которой электронное устройство является мобильным и переносным устройством, выбранным из группы, состоящей из смартфонов, интеллектуальных часов, интеллектуальных очков, планшетных компьютеров и ноутбуков.

18. Система по п. 16, в которой передающая катушка индуктивности позволяет заряжать одно или более электронных устройств в пределах активной области зарядки.

19. Система по п. 1, в которой вторая цепь согласования импедансов блока беспроводного приема энергии содержит:

по меньшей мере, два шунтирующих конденсатора, соединенных параллельно приемной катушке индуктивности, и

по меньшей мере, два последовательных конденсатора, соединяющих приемную катушку индуктивности с выводами нагрузки;

причем конденсаторы второй цепи согласования импедансов выполнены с возможностью обеспечения, совместно с конденсаторами первой цепи согласования импедансов, резонанса между передающей катушкой индуктивности и приемной катушкой индуктивности, что также максимально повышает эффективность передачи энергии.

20. Система по п. 18, в которой конденсаторы второй цепи согласования импедансов дополнительно выбраны таким образом, чтобы осуществлять преобразование импеданса приемной катушки индуктивности в оптимальный импеданс для нагрузки.

21. Система по п. 1, в которой передающая катушка индуктивности выполнена с возможностью испускания по существу однородного электромагнитного излучения в пределах активной области зарядки.

22. Система по п. 1, в которой передающая катушка индуктивности дополнительно выполнена с возможностью обеспечения по существу постоянной взаимной индуктивности и собственной индуктивности передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности всякий раз, когда блок беспроводного приема энергии случайным образом располагается в пределах активной области зарядки.

23. Система по п. 1, в которой первая цепь согласования импедансов дополнительно выполнена с возможностью:

изменения импеданса передающей катушки индуктивности в зависимости от нагрузки блока беспроводного приема энергии.

24. Система по п. 1, выполненная с возможностью работы в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц.

25. Система по п. 1, в которой блок беспроводного приема энергии дополнительно содержит выпрямитель, который расположен перед нагрузкой и выполнен с возможностью осуществления преобразования переменного тока в постоянный ток в отношении индуцированных зарядных токов.

26. Система по п. 1, в которой приемная катушка индуктивности имеет множество проводящих витков, причем плотность и геометрия упомянутых витков зависят от геометрии и энергопотребления блока беспроводного приема энергии.

27. Система по п. 16, в которой блок беспроводного приема энергии дополнительно содержит второй экранирующий элемент, установленный под приемной катушкой индуктивности для изолирования внутренних компонентов электронного устройства от электромагнитного излучения, испускаемого посредством передающей катушки индуктивности и приемной катушки индуктивности.

28. Система по п. 16, в которой батарея или батарейный блок обеспечивает изолирование внутренних компонентов электронного устройства.