БЕСПРОВОДНАЯ ИНДУКТИВНАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ Российский патент 2018 года по МПК H02J5/00 H02J50/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к индуктивной передачи мощности и, в частности, но не исключительно, к передатчику мощности, который обеспечивает индуктивную передачу мощности с использованием элементов, совместимых со спецификациями Qi.

Уровень техники изобретения

Число и разнообразие используемых портативных и мобильных устройств в последнее десятилетие испытало бурный рост. Например, использование мобильных телефонов, планшетов, мультимедийных проигрывателей и т. д. стало повсеместным. Такие устройства, как правило, питаются от встроенных батарей, и типичный сценарий использования часто требует подзарядки этих батарей или непосредственного проводного питания устройства от внешнего источника питания.

Для обеспечения возможности питания от внешнего источника питания большинство современных систем требуют наличия проводов и/или явных электрических контактов. Однако обычно это представляется непрактичным и требует того, чтобы пользователь физически вставлял разъемы или иным образом устанавливал физический электрический контакт. Кроме того, это может доставлять пользователю некоторое неудобство, связанное с определенными длинами проводов. Как правило, требования к питанию различных устройств также существенно различаются, и в настоящее время большинство устройств обеспечены своими собственными специализированными источниками питания, результатом чего является наличие у типичного пользователя большого числа различных источников питания, каждый из которых предназначен для конкретного устройства. Несмотря на то что использование встроенных батарей позволяет избежать необходимости проводного соединения с источником питания в процессе использования, это обеспечивает лишь частичное решение проблемы, поскольку со временем этим батареям требуется подзарядка (или замена, которая является дорогостоящей). Использование батарей также может существенно увеличивать массу и потенциально стоимость и размеры устройств.

Чтобы обеспечить пользователям значительно улучшенный опыт взаимодействия с устройствами, было предложено использовать беспроводной источник питания, который осуществляет индуктивную передачу мощности от передающей катушки в устройстве передачи мощности к приемным катушкам в отдельных устройствах.

Передача мощности посредством магнитной индукции является хорошо известной концепцией, которая применяется в основном в трансформаторах, имеющих сильную связь между первичной передающей катушкой и вторичной приемной катушкой. При разделении первичной передающей катушки и вторичной приемной катушки путем обеспечения их в двух отдельных устройствах беспроводная передача мощности между ними становится возможной на основе принципа слабосвязанного трансформатора.

Такая конфигурация позволяет осуществлять беспроводную передачу мощности к некоторому устройству и не требует каких-либо проводов или физических электрических соединений. Действительно, для подзарядки или внешнего питания соответствующее устройство можно просто расположить рядом с передающей катушкой или поверх нее. Например, устройства передачи мощности могут быть обеспечены горизонтальной поверхностью, на которой для обеспечения питания некоторого устройства нужно просто расположить это устройство.

Кроме того, такие конфигурации для беспроводной передачи мощности могут быть с преимуществом выполнены так, чтобы устройство передачи мощности могло использоваться с широким диапазоном устройств приема мощности. В частности, был определен стандарт беспроводной передачи мощности, известный как стандарт Qi, работа над усовершенствованием которого ведется и в настоящее время. Этот стандарт позволяет использовать устройства передачи мощности, отвечающие стандарту Qi, с устройствами приема мощности, которые также отвечают стандарту Qi, без необходимости того, чтобы эти устройства были от одного производителя или специально предназначались друг для друга. Стандарт Qi дополнительно включает в себя некоторые функциональные возможности, которые позволяют осуществлять настройку работы для конкретного устройства приема мощности (например, в зависимости от конкретного потребления мощности).

Стандарт Qi разработан Консорциумом беспроводной передачи мощности (Wireless Power Consortium), и дополнительную информацию об этом стандарте можно получить, например, на их сайте: http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html, где, в частности, может быть найдена документация по определенным стандартам.

Согласно стандарту беспроводной передачи мощности Qi передатчик мощности должен иметь возможность обеспечивать приемнику мощности гарантированную мощность. Необходимый уровень выработки мощности зависит от конструкции конкретного приемника мощности. При определении гарантированной мощности выбирают набор тестовых приемников мощности и различные условия нагрузки, и для каждого из этих условий указывается гарантированный уровень выработки мощности.

Большинство систем беспроводной передачи мощности, таких как, например, отвечающие стандарту Qi, поддерживают передачу данных от приемника мощности передатчику мощности, позволяя тем самым приемнику мощности предоставлять информацию, которая может использоваться передатчиком мощности для адаптации к этому конкретному приемнику мощности.

Во многих системах такая передача информации осуществляется посредством нагрузочной модуляции сигнала передачи мощности. В частности, такая передача информации обеспечивается приемником мощности, который и осуществляет нагрузочную модуляцию, при этом для модуляции сигнала электромагнитной мощности приемник мощности варьирует нагрузку, прикладываемую к вторичной приемной катушке. Получаемые в результате вариации электрических характеристик (например, вариации в потреблении тока) могут обнаруживаться и декодироваться (демодулироваться) передатчиком мощности.

Таким образом, с точки зрения физического уровня канал, передающий данные от приемника мощности передатчику мощности, использует сигнал электромагнитной мощности в качестве носителя информации. Приемник мощности модулирует нагрузку, что характеризуется изменениями в амплитуде и/или фазе тока или напряжения передающей катушки.

Более подробную информацию о применении нагрузочной модуляции в соответствии со стандартом Qi можно найти, например, в шестой главе первой части спецификации Qi по беспроводному питанию (версии 1.0).

Было установлено, что эффективность системы передачи мощности зависит от того, насколько хорошо передатчик мощности и приемник мощности соответствуют друг другу. Например, в большинстве случаев передатчик мощности содержит резонансный контур для генерации сигнала передачи мощности, а приемник мощности содержит резонансный контур для приема этого сигнала. В таких системах часто бывает выгодно, чтобы соответствующие резонансные частоты совпадали, и во многих случаях это совпадение требуется для того, чтобы система работала в так называемом резонансном режиме. Совпадение резонансных частот, обеспечиваемое для резонансного режима работы, часто позволяет максимизировать эффективность передачи мощности.

Однако ввиду, например, небольших отличий элементов, конструкций, а также ввиду изменений, связанных с окружающей средой, и т. д., создание передатчиков мощности и приемников мощности с очень точно определенными резонансными частотами не представляется возможным. Более того, во многих системах изменение резонансных частот может достигать порядка 10% от номинального значения. Поэтому гарантировать, что конкретные приемник и передатчик мощности будут иметь совпадающие резонансные частоты, не представляется возможным. Для улучшения обсуждаемого совпадения было предложено обеспечивать такие системы резонансными контурами с регулируемыми резонансными частотами.

Например, документ WO 2013024396 A1 раскрывает специальный подход для обеспечения в приемнике мощности настраиваемого резонансного контура, который может настраивать свою резонансную частоту на принимаемый сигнал электромагнитной мощности. Однако, несмотря на то что этот подход позволяет улучшить работу во многих случаях, он не является оптимальным для всех обстоятельств. Например, во многих случаях настройка приемников мощности не представляется практичной. Действительно, во многих системах может быть большое количество функционирующих приемников мощности предшествующего уровня техники, и желательно, чтобы новые передатчики мощности могли обеспечивать оптимизацию работы и для таких приемников. Кроме того, настройка резонансной частоты на принимаемый сигнал электромагнитной мощности, в частности, в соответствии с подходом, раскрываемом в документе WO 2013024396 A1, является сложной и, как правило, требует тщательных и точных измерений потенциально слабых сигналов. Например, раскрываемая в документе WO 2013024396 A1 система основана на измерении емкостного тока для резонирующего конденсатора в резонансном контуре приемника мощности. Однако такие измерения являются сложными, требуют специальных измерительных контуров, а также могут приводить к нарушению резонанса.

Усовершенствованный подход к передаче мощности соответственно имел бы преимущества. В частности, предпочтительным был бы такой подход, который позволял бы улучшить работу, усовершенствовать передачу мощности, повысить гибкость, облегчить реализацию, облегчить работу, усовершенствовать передачу данных, уменьшить число ошибок при передаче данных, усовершенствовать управление питанием, уменьшить число необходимых измерений, расширить ряд поддерживаемых приемников мощности и/или улучшить характеристики.

Сущность изобретения

В связи с вышесказанным настоящее изобретение направлено на то, чтобы предпочтительно уменьшить, сгладить или устранить один или более из вышеуказанных недостатков по отдельности или в любой комбинации.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения обеспечивается передатчик мощности для беспроводной передачи мощности приемнику мощности с помощью сигнала индуктивной мощности; передатчик мощности содержит: резонансный контур для генерации сигнала индуктивной мощности, при этом резонансный контур содержит емкостное и индуктивное сопротивления; блок возбуждения, предназначенный для генерации сигнала возбуждения в резонансном контуре, причем сигнал возбуждения имеет рабочую частоту и выполнен с возможностью генерации синхронизирующего сигнала, обладающего синхронизированными с сигналом возбуждения переходами; и контур модификации частоты для управления резонансной частотой резонансного контура путем замедления изменения состояния по меньшей мере одного из емкостного и индуктивного сопротивлений в течение частичного временного интервала каждого цикла из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения, при этом контур модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала по меньшей мере с некоторыми переходами синхронизирующего сигнала; и управления другим временем из упомянутого по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в котором сигнал по меньшей мере с одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) пересекает пороговое значение.

Настоящее изобретение позволяет улучшить работу многих систем беспроводной передачи мощности. Оно может способствовать облегченной и/или усовершенствованной настройке передатчика мощности для обеспечения согласования соответствующего передатчика мощности с различными приемниками мощности. Раскрываемый подход позволяет осуществлять адаптацию передатчиков мощности к приемникам мощности, тем самым обеспечивая, например, возможность использования передатчиков мощности с широким диапазоном приемников мощности.

Во многих случаях раскрываемый подход может обеспечивать усовершенствованную передачу мощности и, в частности, повышенную эффективность использования мощности. Кроме того, во многих случаях раскрываемый подход может обеспечивать усовершенствованную нагрузочную модуляцию. Действительно, многие варианты осуществления позволяют достичь усовершенствованной передачи мощности и в особенности повышенной эффективности передачи мощности, обеспечивая при этом надежную передачу данных на основе нагрузочной модуляции сигнала электромагнитной мощности.

Во многих случаях раскрываемый подход может способствовать уменьшению сложности и/или облегчению работы и/или реализации. В частности, передатчик мощности может управлять контуром модификации частоты на основе сигнала возбуждения, а настройка сигнала возбуждения может автоматически приводить к настройке резонансной частоты. Во многих вариантах осуществления упомянутое выравнивание приводит к тому, что рабочая и резонансная частоты неразрывно связаны друг с другом, и, в частности, можно добиться того, чтобы они все время были одинаковыми. Кроме того, соответствующее выравнивание с сигналом возбуждения позволяет устранить или уменьшить необходимость измерений сигналов, таких как токи или напряжения резонансного контура.

Раскрываемый подход также может, например, усовершенствовать передачу данных, использующую нагрузочную модуляцию. В этой связи авторы настоящего изобретения обнаружили, что интермодуляционные искажения могут приводить к ухудшению передачи данных посредством нагрузочной модуляции, но они могут быть эффективно уменьшены за счет связывания резонансной частоты передатчика мощности с рабочей частотой сигнала возбуждения и благодаря соответствующему управлению этими частотами. Например, настоящее изобретение может способствовать уменьшению интермодуляционных искажений за счет связывания сигнала возбуждения и резонансной частоты посредством надлежащей синхронизации/выравнивания частичных временных интервалов с сигналом возбуждения, благодаря чему рабочую и резонансную частоты можно рассматривать как одну.

Упомянутое замедление изменения состояния может представлять собой замедление относительно резонансного контура, включающего в себя лишь емкостное и индуктивное сопротивления. Емкостное и индуктивное сопротивления, как правило, соединены в последовательной или параллельной резонансной конфигурации. Под состоянием может подразумеваться, в частности, энергетическое состояние и, в частности, напряжение на емкостном сопротивлении и/или ток через индуктивное сопротивление.

Длительность частичного временного интервала является меньшей по сравнению с временным периодом сигнала возбуждения и, как правило, составляет менее половины временного периода сигнала возбуждения. Соответствующие времена начала и окончания, как правило, являются определенными моментами времени относительно момента времени/события каждого цикла (в котором присутствует частичный временной интервал). Например, времена начала и окончания могут определяться относительно перехода сигнала возбуждения через нуль.

Частичный временной интервал может быть, в частности, таким временным интервалом, который присутствует в некотором множестве циклов сигнала возбуждения (но не обязательно в последовательных или во всех циклах) и длительность которого составляет менее цикла/временного периода цикла сигнала возбуждения.

Емкостное сопротивление, как правило, представляет собой конденсатор, а индуктивное сопротивление, как правило, представляет собой катушку индуктивности. Однако в некоторых вариантах осуществления емкостное сопротивление и/или индуктивное сопротивление могут, например, также включать в себя активную составляющую.

Резонансная частота может быть уменьшена, как правило, на больший период времени по сравнению с длительностью частичного временного интервала. Уменьшение собственной резонансной частоты емкостного и индуктивного сопротивлений (т. е. той частоты, при которой они будут осциллировать в резонансном контуре, состоящем только из этих сопротивлений) может выполняться контуром модификации частоты. Во многих вариантах осуществления эффективная резонансная частота может изменяться передатчиком мощности посредством увеличения длительности частичного временного интервала, например, путем изменения времени начала и/или времени окончания частичного временного интервала.

В некоторых вариантах осуществления передатчик мощности может быть выполнен с возможностью уменьшения резонансной частоты за счет увеличения длительности частичного временного интервала.

В дополнение к переходам, с которыми выравниваются границы частичных временных интервалов, синхронизирующий сигнал может содержать и другие переходы. Эти другие переходы во многих случаях могут игнорироваться контуром модификации частоты (например, контур модификации частоты может осуществлять выравнивание только с теми переходами, которые отвечают положительному фронту, а переходы с отрицательным фронтом - игнорировать, или наоборот). Под переходами синхронизирующего сигнала могут подразумеваться любые изменения значений или свойств синхронизирующего сигнала, которые могут быть зафиксированы и для которых могут быть определены временные границы. Во многих вариантах осуществления синхронизирующий сигнал может быть выполнен с возможностью перехода между двумя значениями, и под обсуждаемыми переходами могут подразумеваться переходы между этими двумя значениями или, например, часть этих переходов, отвечающая одному направлению.

Переход может состоять в изменении синхронизирующего сигнала и, в частности, представлять собой переход из одного состояния в другое (причем соответствующие состояния могут быть мгновенными, т. е. могут представлять собой моментальные снимки или мгновенные значения (непрерывно) изменяющегося параметра). Во многих вариантах осуществления переход может состоять в изменении уровня синхронизирующего сигнала и, в частности, представлять собой переход от одного уровня к другому (причем уровни сигнала до и после изменения могут быть мгновенными, т. е. могут представлять собой моментальные снимки или мгновенные значения (непрерывно) изменяющегося параметра).

Сигнал электромагнитной мощности необязательно является основным сигналом передачи мощности, который обеспечивает передачу мощности приемнику мощности. В некоторых случаях он главным образом может использоваться в качестве носителя информации для нагрузочной модуляции, а может использоваться, например, только для обеспечения питания элементов приемника мощности или даже только для нагрузки, используемой для нагрузочной модуляции.

Приемник мощности может обеспечивать питанием внешнюю нагрузку, например, заряжать батарею или питать некоторое устройство.

Выравнивание времен начала или окончания частичных временных интервалов с переходами синхронизирующего сигнала во многих случаях может соответствовать обеспечению того, чтобы моменты времени начала или окончания по существу совпадали с переходами, например, в переделах 1/50 времени цикла.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения упомянутый блок возбуждения выполнен с возможностью генерации синхронизирующего сигнала, обладающего переходами, которые имеют фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в который происходит по меньшей мере одно из следующего для циклов сигнала возбуждения: прохождение через нуль, достижение максимума или минимума; при этом контур модификации частоты выполнен с возможностью определения, что упомянутое по меньшей мере одно из времени начала и времени окончания частичного временного интервала имеет фиксированный временной сдвиг относительно упомянутых по меньшей мере некоторых переходов синхронизирующего сигнала.

В каждом цикле из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения границы времени окончания и/или начала могут быть выровнены и синхронизированы с теми моментами времени, в которых генерируемый сигнал возбуждения проходит через нуль или достигает экстремум.

В каждом цикле из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения применяются фиксированные сдвиги.

Во многих вариантах осуществления по меньшей мере одно из времени начала и времени окончания частичного временного интервала имеет фиксированный временной сдвиг относительно определенного момента времени в каждом цикле из некоторого множества циклов сигнала возбуждения. При этом под определенным моментом времени может подразумеваться момент времени некоторого события, например, прохождения через нуль.

Раскрываемый подход позволяет обеспечить внутреннее и автоматическое связывание рабочей частоты сигнала возбуждения и эффективного резонанса резонансного контура. Это может быть достигнуто путем связывания по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала с определенным моментом времени циклов сигнала возбуждения. Во многих вариантах осуществления раскрываемый подход позволяет осуществлять цикл за циклом непосредственную настройку частот (и, в частности, обеспечивать совпадение каждого временного периода эффективной резонансной частоты с временным периодом соответствующего цикла сигнала возбуждения).

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения время начала частичного временного интервала может быть установлено таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно пересечения сигналом возбуждения некоторого порогового значения (например, относительно пересечения нуля), а время окончания частичного временного интервала может быть установлено таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно времени переключения одного из ключей в переключающем контуре, генерирующем сигнал возбуждения.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения время окончания частичного временного интервала может быть установлено таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно пересечения сигналом возбуждения некоторого порогового значения (например, относительно пересечения нуля), а время начала частичного временного интервала может быть установлено таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно времени переключения одного из ключей в переключающем контуре, генерирующем сигнал возбуждения.

Например, в одном из вариантов осуществления время начала отвечает прохождению сигнала возбуждения через нуль, а время окончания имеет фиксированный временной сдвиг относительно перехода сигнала возбуждения при соответствующем переключении.

В некоторых вариантах осуществления контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения соответствующего состояния путем препятствования потоку энергии между индуктивным и емкостным сопротивлениями в течение частичного временного интервала.

Это может способствовать улучшению работы во многих случаях и, в частности, обеспечивать эффективную настройку резонансной частоты. Раскрываемый подход может облегчать соответствующую реализацию. Препятствование может выполняться в отношении потока энергии, идущего от емкостного сопротивления к индуктивному, от индуктивного сопротивления к емкостному, или одновременно в отношении обоих этих потоков.

Под препятствованием потоку энергии может подразумеваться как уменьшение потока энергии, так и полное предотвращение какого-либо потока энергии.

Во многих вариантах осуществления контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения соответствующего состояния путем препятствования протеканию тока между индуктивным и емкостным сопротивлениями в течение частичного временного интервала.

Это может способствовать достаточно эффективному управлению и обеспечивать практическую реализацию. Электрический ток может быть положительным или отрицательным током. Под препятствованием протеканию тока может подразумеваться как уменьшение электрического тока, так и полное предотвращение какого-либо электрического тока.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения для генерации сигнала возбуждения упомянутый блок возбуждения содержит переключающий мост; при этом данный блок возбуждения выполнен с возможностью синхронизации переходов синхронизирующего сигнала с переходами сигнала переключения для ключа переключающего моста.

Это может способствовать улучшению работы во многих случаях и, в частности, обеспечивать достаточно эффективную практическую реализацию. Кроме того, во многих вариантах осуществления может быть обеспечен низкий уровень сложности, но при этом достаточно точный контроль.

В некоторых вариантах осуществления передатчик мощности выполнен с возможностью определения, что упомянутое по меньшей мере одно из времени начала и времени окончания частичного временного интервала имеет фиксированный временной сдвиг относительно момента времени переключения в переключающем контуре, генерирующем сигнал возбуждения.

В частности, упомянутые переходы могут быть сгенерированы с первым фиксированным временным сдвигом относительно момента времени переключения в переключающем контуре (например, в переключающем мосте), генерирующем сигнал возбуждения, а контур модификации частоты может устанавливать время начала и/или окончания временного интервала таким образом, чтобы оно имело второй фиксированный временной сдвиг относительно упомянутых переходов.

Фиксированные сдвиги применяются в каждом из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения контур модификации частоты содержит ключ и выпрямитель и выполнен с возможностью выравнивания одного из времени начала и времени окончания с соответствующими переходами и с возможностью выравнивания другого из времени начала и времени окончания с переключениями выпрямителя между непроводящим и проводящим состояниями.

Это способствует достаточно низкому уровню сложности и эффективному контролю. В частности, во многих случаях это обеспечивает автоматическую адаптацию к надлежащим временам замедления изменения состояния, таким как, в частности, надлежащие времена прохождения через нуль.

Выравнивание времен начала и окончания в зависимости от различных параметров может способствовать дополнительной гибкости и, в частности, обеспечивать большую гибкость в управлении параметрами сигнала возбуждения, такими как, в частности, рабочий цикл.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния емкостного сопротивления путем отвода от емкостного сопротивления тока, текущего с индуктивного сопротивления, в течение частичных временных интервалов.

Это может обеспечивать достаточно эффективные характеристики и при этом способствовать облегченной реализации, как правило, низкого уровня сложности.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения контур модификации частоты включает в себя линию отвода тока, выполненную с возможностью отвода от емкостного сопротивления тока, текущего с индуктивного сопротивления, причем линия отвода тока содержит ключ для подключения и отключения линии отвода тока; при этом контур модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания переключений соответствующего ключа с синхронизирующим сигналом.

Это может обеспечивать достаточно эффективные характеристики и при этом способствовать облегченной реализации, как правило, низкого уровня сложности.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения контур модификации частоты включает в себя последовательное соединение ключа и выпрямителя и выполнен с возможностью выравнивания одного из времени начала и времени окончания с соответствующими переходами и с возможностью синхронизации другого из времени начала и времени окончания с переключениями выпрямителя между непроводящим и проводящим состояниями.

Это позволяет обеспечить достаточно низкий уровень сложности и эффективный контроль. В частности, во многих случаях это обеспечивает автоматическую адаптацию замедления изменения состояния к надлежащим временам, например, к соответствующим переходам через нуль.

Выравнивание времен начала и окончания в зависимости от различных параметров может способствовать дополнительной гибкости и, в частности, обеспечивать большую гибкость в управлении параметрами сигнала возбуждения, такими как, в частности, рабочий цикл.

Во многих вариантах осуществления настоящего изобретения времена начала частичных временных интервалов могут быть выровнены с переключениями выпрямителя с непроводящего состояния на проводящее, а времена окончания - управляться синхронизирующим сигналом.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения первый конец линии отвода тока соединен с узловой точкой между индуктивным и емкостным сопротивлениями.

Это может способствовать достаточно выгодной реализации, которая обеспечивает эффективную и в то же время облегченную работу. Во многих вариантах осуществления раскрываемый подход позволяет снизить уровень сложности контура модификации частоты, в частности, посредством уменьшения количества необходимых специальных элементов.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения второй конец линии отвода тока соединен с шиной источника напряжения.

Это может способствовать достаточно выгодной реализации, которая обеспечивает эффективную и в то же время облегченную работу. Во многих вариантах осуществления раскрываемый подход позволяет снизить уровень сложности контура модификации частоты, в частности, посредством уменьшения количества необходимых специальных элементов. Во многих вариантах осуществления это позволяет облегчить управление ключом для подключения и отключения линии отвода тока.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения упомянутый блок возбуждения содержит переключающий мост, генерирующий сигнал возбуждения; при этом данный блок возбуждения выполнен с возможностью синхронизации переходов синхронизирующего сигнала таким образом, чтобы они совпадали с переходами сигнала переключения для ключа переключающего моста.

Это может способствовать улучшению работы и/или упрощению реализации. Под соответствующей синхронизацией может подразумеваться, в частности, выравнивание по времени переходов синхронизирующего сигнала с переходами сигнала переключения, например, в пределах 1/50 от временного периода сигнала возбуждения.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения линия отвода тока включает в себя последовательное соединение ключа и выпрямителя, при этом первый конец линии отвода тока соединен с узловой точкой между индуктивным и емкостным сопротивлениями, а второй конец линии отвода тока соединен с шиной заземления для переключающего моста, и передатчик мощности выполнен с возможностью выравнивания времен начала частичных временных интервалов со временами переключения выпрямителя с непроводящего состояния в проводящее и с возможностью выравнивания времен окончания частичных временных интервалов с переключениями одного из ключей в переключающем мосте.

Это может обеспечивать достаточно выгодные характеристики и/или реализацию.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния индуктивного сопротивления путем препятствования протеканию тока от емкостного сопротивления к индуктивному, в течение частичного временного интервала.

Это может обеспечивать достаточно эффективные характеристики и при этом способствовать облегченной реализации, как правило, низкого уровня сложности.

В соответствии с опциональной возможностью настоящего изобретения контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния индуктивного сопротивления путем блокировки протекания тока от емкостного сопротивления к индуктивному, в течение частичного временного интервала.

Это может обеспечивать достаточно эффективные характеристики и при этом способствовать облегченной реализации, как правило, низкого уровня сложности.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается способ работы передатчика мощности для беспроводной передачи мощности приемнику мощности посредством сигнала индуктивной мощности, при этом передатчик мощности содержит резонансный контур для генерации сигнала индуктивной мощности, а резонансный контур содержит емкостное и индуктивное сопротивления; указанный способ содержит этапы, на которых: блок возбуждения генерирует для резонансного контура сигнал возбуждения, имеющий рабочую частоту; контур модификации частоты управляет резонансной частотой резонансного контура путем замедления изменения состояния по меньшей мере одного из емкостного и индуктивного сопротивлений в течение частичного временного интервала по меньшей мере некоторых циклов сигнала возбуждения, причем управление резонансной частотой включает в себя выравнивание по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала с переходами синхронизирующего сигнала; и блок возбуждения дополнительно генерирует синхронизирующий сигнал, обладающий синхронизированными с сигналом возбуждения переходами; и управление другим из времени начала и времени окончания частичного временного интервала таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в котором сигнал по меньшей мере с одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) пересекает пороговое значение.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивается система беспроводной передачи мощности, содержащая приемник мощности и передатчик мощности, выполненный с возможностью беспроводной передачи мощности приемнику мощности посредством сигнала индуктивной мощности; при этом передатчик мощности содержит: резонансный контур для генерации сигнала индуктивной мощности, содержащий емкостное и индуктивное сопротивления; блок возбуждения, генерирующий для резонансного контура сигнал возбуждения, имеющий рабочую частоту, а также генерирующий синхронизирующий сигнал, обладающий синхронизированными с сигналом возбуждения переходами; контур модификации частоты, управляющий резонансной частотой резонансного контура путем замедления изменения состояния по меньшей мере одного из емкостного и индуктивного сопротивлений в течение частичного временного интервала каждого цикла из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения, причем управление резонансной частотой включает в себя выравнивание по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала по меньшей мере с некоторыми переходами синхронизирующего сигнала; и управляющий другим из времени начала и времени окончания частичного временного интервала таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в котором сигнал по меньшей мере с одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) пересекает пороговое значение.

Эти и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными после разъяснений со ссылкой на варианты осуществления, описываемые далее.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны исключительно для примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

Фиг.1 иллюстрирует пример элементов системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 иллюстрирует пример элементов системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.3 иллюстрирует пример элементов полумостового инвертора для передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.4 иллюстрирует пример элементов мостового инвертора для передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.5 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.6 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.7 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.8 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.9 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.10 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.11 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.12 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.13 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.14 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.15 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.16 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.17 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.18 иллюстрирует примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения;

Фиг.19 иллюстрирует пример элементов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения; и

Фиг.20 и 21 иллюстрируют примеры сигналов передатчика мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения

Следующее описание фокусируется на вариантах осуществления настоящего изобретения, которые применимы к системе беспроводной передачи мощности, использующей тот подход к передаче мощности, что предлагается спецификацией Qi. Однако следует иметь в виду, что настоящее изобретение не ограничивается этим применением, а может применяться и ко многим другим системам беспроводной передачи мощности.

Фиг.1 иллюстрирует пример системы передачи мощности в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Данная система передачи мощности содержит передатчик 101 мощности, который включает в себя (или соединен с) передающую катушку/индуктивность 103. Данная система дополнительно содержит первый приемник 105 мощности, который включает в себя (или соединен с) приемную катушку/индуктивность 107.

Данная система обеспечивает беспроводную индуктивную передачу мощности от передатчика 101 мощности к первому приемнику 105. Говоря более конкретно, передатчик 101 мощности генерирует радиосигнал индуктивной мощности (также упоминаемый как сигнал электромагнитной мощности, сигнал передачи мощности или сигнал индуктивной мощности), под которым подразумевается распространяющийся магнитный поток передающей катушки 103. Частота сигнала электромагнитной мощности находится, как правило, между около 100 кГц и около 200 кГц. Между передающей катушкой 103 и приемной катушкой 107 имеется слабая связь, благодаря которой приемная катушка 107 улавливает (по меньшей мере частично) сигнал электромагнитной мощности, излучаемый передатчиком 101 мощности. Таким образом, передача мощности от передатчика 101 мощности приемнику 105 мощности осуществляется через беспроводную индуктивную связь между передающей катушкой 103 и приемной катушкой 107. Термин сигнал электромагнитной мощности в основном используется для обозначения индуктивного сигнала/магнитного поля между передающей катушкой 103 и приемной катушкой 107 (сигнал магнитного потока), но следует иметь в виду, что по эквивалентности он также может рассматриваться в качестве используемого термина для обозначения электрического сигнала, который подается на передающую катушку 103 или улавливается приемной катушкой 107.

Фиг.2 иллюстрирует архитектуру системы конкретного примера системы по фиг.1 несколько более подробно. В данном примере выходная цепь передатчика 101 мощности включает в себя резонансный блок или резонансный контур 201, который включает в себя передающую катушку 103 индуктивности (на фиг.2 передающая катушка 103 индуктивности для ясности показана внешней по отношению к резонансному контуру 201, но считается его частью). Резонансный контур 201 передатчика 101 мощности также будет упоминаться как первичный резонансный контур 201. Резонансный контур 201, как правило, является последовательным или параллельным резонансным контуром и, в частности, может состоять из резонансного конденсатора, соединенного параллельно (или последовательно) с передающей катушкой 103 индуктивности. Сигнал электромагнитной мощности генерируется посредством возбуждения выходного резонансного контура блоком 203 возбуждения, генерирующим сигнал возбуждения с подходящей рабочей частотой (как правило, в частотном диапазоне 20-200 кГц).

Аналогично входная цепь приемника 105 мощности включает в себя резонансный контур или резонансный блок 205, который включает в себя приемную катушку 107 индуктивности (на фиг.2 приемная катушка 107 индуктивности для ясности показана внешней по отношению к резонансному контуру 205, но считается его частью). Резонансный контур 205 приемника 105 мощности также будет упоминаться как вторичный резонансный контур 205. Вторичный резонансный контур 205, как правило, является последовательным или параллельным резонансным контуром и, в частности, может состоять из резонансного конденсатора, соединенного параллельно (или последовательно) с приемной катушкой 107 индуктивности. Вторичный резонансный контур 205 соединен с преобразователем 207 мощности, который преобразует принимаемый сигнал передачи мощности, т. е. индуцированный сигнал, обеспечиваемый вторичным резонансным контуром 205, в питание, подаваемое на внешнюю нагрузку 209 (как правило, путем выполнения преобразования переменного тока в постоянный, которое должно быть хорошо знакомо специалисту в данной области техники). Обычно резонансные контуры 201, 205 имеют близкие резонансные частоты для обеспечения в приемнике 105 мощности сигнала достаточной амплитуды.

Нагрузкой может являться, например, батарея, и подача питания может осуществляться с целью зарядки этой батареи. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления последующее описание может применяться к тому сценарию, который реализует способ беспроводной зарядки батареи. В качестве другого примера, в роли нагрузки может выступать некоторое устройство, и подача питания может осуществляться с целью питания этого устройства. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления последующее описание может применяться к тому сценарию, который реализует способ беспроводного питания устройства.

Первичный резонансный контур 201 описываемой системы не является фиксированным резонансным контуром, а, напротив, представляет собой регулируемый резонансный контур с настраиваемой резонансной частотой. Таким образом, эффективную резонансную частоту резонансного контура 201 можно изменять, например, путем изменения характеристик элементов индуктивности и/или емкости резонансного контура 201.

Система, показанная на фиг.2, соответственно использует настраиваемый/адаптируемый/регулируемый резонансный контур, чтобы обеспечивать дополнительные функциональные возможности и/или улучшенную работу. В частности, использование регулируемого резонансного контура 201 позволяет настраивать резонансную частоту резонансного контура 201 на резонансную частоту вторичного резонансного контура 205. Такая настройка может обеспечивать усовершенствованную передачу мощности и, в частности, повышенную эффективность использования мощности.

Например, резонансная частота первичного резонансного контура 201, упоминаемая далее как первичная резонансная частота, может настраиваться так, чтобы быть достаточной близкой к резонансной частоте вторичного резонансного контура 205, упоминаемой далее как вторичная резонансная частота, что позволяет взаимодействующим контурам работать в так называемом резонансном режиме.

В данном режиме система может работать при достаточно слабой связи и с удовлетворительной эффективностью. Передатчик мощности может обеспечивать эту эффективность за счет работы на частоте, близкой к своей резонансной, при которой внутренние потери являются минимальными. Предоставление возможности работы при слабой связи обеспечивает значительно больший допуск на точность позиционирования или гораздо большую свободу в дизайне ручных устройств в отношении их форм и размеров. По этим причинам работа в резонансном режиме является привлекательной.

Во многих вариантах осуществления для настройки эффективной резонансной частоты резонансного контура 201 может быть использован особенно предпочтительный подход. В этом подходе динамические изменения одного из элементов резонансного контура 201 временно замедляются (включая потенциальную возможность полной остановки) в течение доли цикла. Данный подход будет описан более подробно позже.

Блок 203 возбуждения, показанный на фиг.2, генерирует сигнал возбуждения переменного напряжения (и, как правило, переменный ток), который подается на резонансный конденсатор (не показан на фиг.2) и передающую катушку 103. В других вариантах осуществления первичный резонансный контур 201 может представлять собой последовательный резонансный контур, и сигнал возбуждения напряжения может подаваться на конденсатор и катушку индуктивности. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения блок 203 возбуждения может быть соединен напрямую (или опосредованным путем) с передающей катушкой 103, и сигнал возбуждения напряжения может подаваться на передающую катушку 103.

Таким образом, в данной системе блок 203 возбуждения генерирует сигнал возбуждения, который подается на первичный резонансный контур 201/передающую катушку 103, что заставляет передающую катушку 103 генерировать сигнал электромагнитной мощности, передающий мощность приемнику 105 мощности.

Блок 203 возбуждения генерирует ток и напряжение, которое подается на передающую катушку 103. Как правило, блок 203 возбуждения представляет собой цепь возбуждения, выполненную в виде инвертора, который генерирует переменный сигнал от напряжения постоянного тока. Выход блока 203 возбуждения обычно является переключающим мостом, генерирующим сигнал возбуждения посредством надлежащего переключения своих ключей. На фиг.3 показан полумостовой переключающий мост/инвертор. Управление ключами S1 и S2 осуществляется таким образом, что они никогда не оказываются замкнутыми одновременно. Выполняется чередование между состоянием, в котором S1 замкнут при разомкнутом S2, и состоянием, в котором S2 замкнут при разомкнутом S1. При этом замыкание и размыкание ключей осуществляется с желаемой частотой, в результате чего на выходе генерируется переменный сигнал. Обычно выход инвертора подключен к передающей катушке через резонансный конденсатор. На фиг.4 показан полный переключающий мост/инвертор. Управление ключами S1 и S2 осуществляется таким образом, что они никогда не оказываются замкнутыми одновременно. Управление ключами S3 и S3 осуществляется таким образом, что они никогда не оказываются замкнутыми одновременно. Выполняется чередование между состоянием, в котором ключи S1 и S4 замкнуты при разомкнутых S2 и S3, и состоянием, в котором S2 и S3 замкнуты при разомкнутых S1 и S4, посредством чего на выходе генерируется прямоугольный сигнал. При этом замыкание и размыкание ключей осуществляется с желаемой частотой.

Таким образом блок 203 возбуждения генерирует сигнал возбуждения с заданной рабочей частотой и подает этот сигнал на первичный резонансный контур 201.

В системе, показанной на фиг.1 и 2, обеспечивается особенно предпочтительный способ управления резонансной частотой. В соответствующем подходе первичный резонансный контур 201 управляется сигналом возбуждения, который вызывает в первичном резонансном контуре 201 колебания и обеспечивает вместе с этим автоматическое связывание рабочей частоты с первичной резонансной частотой. Действительно, данный подход позволяет автоматическим и внутренним образом добиваться того, чтобы рабочая и первичная резонансная частоты были по существу одинаковыми, благодаря чему посредством простой настройки рабочей частоты сигнала возбуждения раскрываемая система может одновременно настраивать и эффективную первичную резонансную частоту, которая автоматически и внутренним образом подстраивается под рабочую частоту. Данный подход может, в частности, гарантировать, что каждый цикл эффективного резонанса первичного резонансного контура 201 обладает той же длительностью, что и соответствующий цикл сигнала возбуждения. Кроме того, данный подход позволяет достичь этого с очень низкой дополнительной сложностью и с очень низкими расходами на управление.

Фиг.5 иллюстрирует элементы передатчика мощности в соответствии с примером такого подхода.

В данном примере передатчик мощности содержит индуктивное и емкостное сопротивления, образующие резонансный контур.

В этом конкретном примере индуктивное сопротивление отвечает непосредственно катушке индуктивности, но следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления индуктивное сопротивление может быть любым однополюсным/двухполюсным элементом, который обладает по меньшей мере частичным индуктивным сопротивлением, то есть который обладает индуктивной реактивной составляющей или, другими словами, который имеет комплексное сопротивление с положительной мнимой частью. Таким образом, индуктивное сопротивление может быть линейным двухполюсником или таким (эквивалентным) элементом, для которого напряжение на полюсах зависит, по меньшей мере частично, от производной тока через этот элемент/цепь.

Аналогично в этом конкретном примере емкостное сопротивление отвечает непосредственно конденсатору, но следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления емкостное сопротивление может быть любым однополюсным/двухполюсным элементом, который обладает по меньшей мере частичным емкостным сопротивлением, то есть который обладает емкостной реактивной составляющей или, другими словами, который имеет комплексное сопротивление с отрицательной мнимой частью. Таким образом, емкостное сопротивление может быть линейным двухполюсником или таким (эквивалентным) элементом, для которого ток через этот элемент/цепь зависит, по меньшей мере частично, от производной напряжения на полюсах.

Следует иметь в виду, что в большинстве вариантов осуществления активная составляющая индуктивного и емкостного сопротивлений, как правило, значительно меньше и часто пренебрежимо мала по сравнению с реактивной составляющей. Это гарантирует относительно незатухающие колебания, т. е. обеспечивает для соответствующего резонансного контура относительно высокую добротность (Q).

Для ясности и краткости под индуктивным сопротивлением в последующем описании будет подразумеваться (идеальная) катушка 501 индуктивности и, в частности, передающая катушка 103, показанная на фиг.1 и 2, а под емкостным сопротивлением - идеальный конденсатор 503. Однако следует иметь в виду, что любое упоминание катушки 501 индуктивности может в случае необходимости подразумевать индуктивное сопротивление или индуктивную реактивную составляющую и что любое упоминание конденсатора 503 может в случае необходимости подразумевать емкостное сопротивление или емкостную реактивную составляющую. Для краткости катушка 501 индуктивности и конденсатор 503 также будут упоминаться как резонирующие элементы.

Катушка 501 индуктивности и конденсатор 503 соединены друг с другом в резонансной конфигурации. В данном примере катушка 501 индуктивности и конденсатор 503 соединены в последовательной резонансной конфигурации, но следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления они могут быть соединены в параллельной резонансной конфигурации.

Катушка 501 индуктивности и конденсатор 503 будут иметь собственную резонансную частоту, соответствующую резонансной частоте такого резонансного контура, который содержит лишь катушку 501 индуктивности и конденсатор 503. Как известно, резонансная частота такого контура дается формулой , где L является индуктивностью катушки 501 индуктивности, а C - емкостью конденсатора 503.

Однако, в системе, показанной на фиг.5, передатчик мощности дополнительно содержит контур 505 модификации частоты, выполненный с возможностью управления резонансной частотой резонансного контура путем замедления изменения состояния конденсатора 503 и/или катушки 501 индуктивности. Контур 505 модификации частоты может рассматриваться как часть резонансного контура (или предполагаться полностью или частично внешним по отношению к резонансному контуру). Следует также иметь в виду, что несмотря на изображение контура 505 модификации частоты на фиг.5 в виде одного двухполюсного элемента, соединенного последовательно с катушкой 501 индуктивности и конденсатором 503, это всего лишь пример, и в других вариантах осуществления будут использоваться другие конфигурации. Например, контур 505 модификации частоты, показанный на фиг.5, имеет лишь два полюса, но следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления контур 505 модификации частоты может иметь и больше полюсов и быть соединенным с другими частям схемы, в том числе, например, с шинами источника питания для блока возбуждения.

Контур 505 модификации частоты выполнен с возможностью изменения резонансной частоты путем замедления изменения состояния катушки 501 индуктивности и/или конденсатора 503. Под состоянием катушки 501 индуктивности и конденсатора 503 могут подразумеваться текущие значения энергии для данного компонента и, в частности, те, которые соответствуют току через катушку 501 индуктивности () и напряжению на конденсаторе 503 ().

В обычном резонансном контуре, образованном конденсатором и катушкой индуктивности, состояние резонанса достигается за счет непрерывного и периодического изменения фазы, которое происходит в результате движения потока энергии то в одну, то в другую сторону между конденсатором (в котором запасаемая энергия является электрической потенциальной энергией) и катушкой индуктивности (в которой запасаемая энергия является магнитной потенциальной энергией). Скорость потока энергии и скорость изменения состояния в такой системе определяются значениями емкости и индуктивности, при этом собственная резонансная частота колебаний имеет вид .

Однако, в системе, показанной на фиг.5, резонансному контуру не предоставляется возможности просто совершать свободные колебания, поскольку контур 505 модификации частоты замедляет изменение состояния по меньшей мере одного из элементов - катушки 501 индуктивности или конденсатора 503 - в течение частичного временного интервала некоторых и, как правило, всех циклов.

Таким образом, скорость изменения состояния в течение частичного временного интервала замедляется относительно соответствующей скорости изменения состояния в свободно колеблющемся резонансном контуре, состоящем только из конденсатора 503 и катушки 501 индуктивности.

В частности, изменение состояния замедляется путем препятствования потоку энергии между конденсатором 503 и катушкой 501 индуктивности (путем замедления потока энергии от катушки 501 индуктивности к конденсатору 503, от конденсатора 503 к катушке 501 индуктивности или путем замедления обоих этих потоков). В резонансном контуре положительный ток течет от катушки 501 индуктивности к конденсатору 503 в течение одной половины резонансного цикла и от конденсатора 503 к катушке индуктивности 501 в течение другой половины резонансного цикла. Во многих вариантах осуществления замедление потока энергии может достигаться посредством препятствования протеканию тока между резонирующими элементами. Во многих вариантах осуществления контур 505 модификации частоты может быть выполнен с возможностью препятствования протеканию тока от катушки 501 индуктивности к конденсатору 503, например, путем отвода (части или всего) тока катушки 501 индуктивности от конденсатора 503 (потенциально включая отвод от конденсатора 503 как положительного, так и отрицательного тока). В других вариантах осуществления контур 505 модификации частоты может быть выполнен с возможностью препятствования протеканию тока от конденсатора 503 к катушке 501 индуктивности, например, путем отключения конденсатора 503 от катушки 501 индуктивности в течение частичного временного интервала (а также установки посредством этого нулевого напряжения на катушке индуктивности, т. е. путем установки для катушки индуктивности как нулевого тока, так и нулевого напряжения).

В указанных примерах, в течение частичного временного интервала электрический ток между резонирующими элементами в данных примерах уменьшается или даже предотвращается полностью. Кроме того, в течение этого частичного временного интервала изменение состояния по меньшей мере одного из элементов может быть замедлено или полностью остановлено. Если выполнять это в течение нескольких циклов или, в частности, в каждом цикле, получаемый в результате эффект будет состоять в том, что резонансный контур будет вести себя как резонирующий на более низкой частоте по сравнению с собственной резонансной частотой для конфигурации свободно колеблющегося резонансного контура. Эта более низкая частота упоминается здесь как эффективная резонансная частота резонансного контура.

Посредством этого контур 505 модификации частоты может управлять эффективной резонансной частотой и придавать ей более низкое значение по сравнению с собственной резонансной частотой. Фактическая эффективная резонансная частота в системе, показанной на фиг.5, управляется контуром 505 модификации частоты, выполненным с возможностью изменения временных границ/ длительности частичного временного интервала. Таким образом, чем больше частичный временной интервал, тем больше эффект замедления изменения состояния и, следовательно, тем ниже эффективная резонансная частота.

В системе, показанной на фиг.5, контур 505 модификации частоты не является всего лишь независимо управляемым контуром для обеспечения желаемой резонансной частоты. Напротив, работа контура 505 модификации частоты тесно связана с возбуждением резонансного контура 201 и, таким образом, с передачей мощности и общей работой системы передачи мощности.

В частности, в системе, показанной на фиг.5, блок 203 возбуждения генерирует синхронизирующий сигнал и подает его на контур 505 модификации частоты. Синхронизирующий сигнал включает в себя переходы, которые указывают, когда частичный временной интервал должен начинаться, оканчиваться или оба этих времени (при этом могут быть и другие переходы, которые игнорируются). Контур 505 модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания частичных временных интервалов с этими переходами. Под переходом, как правило, подразумевается изменение некоторого параметра сигнала, например, изменение уровня сигнала. Однако в некоторых случаях за переход может быть принято изменение другого параметра сигнала, например, изменение фазы или частоты сигнала или некоторой (частичной) составляющей сигнала.

Таким образом, переходы синхронизирующего сигнала управляют границами частичного временного интервала, а именно - временем начала, временем окончания или обоими этими временами. Основываясь на синхронизирующем сигнале, контур 505 модификации частоты соответствующим образом устанавливает для частичного временного интервала время начала и/или окончания. Как правило, синхронизирующий сигнал является сигналом переключения, который используется для управления ключом контура 505 модификации частоты, позволяющим активировать/деактивировать препятствование потоку энергии, т. е. активировать/деактивировать замедление изменения состояния. Синхронизирующий сигнал может включать в себя такие переходы, которые могут быть обнаружены контуром 505 модификации частоты и использоваться им для непосредственного или опосредованного управления ключом, включающим и выключающим препятствование току. Как правило, контур 505 модификации частоты выравнивает время начала или окончания с соответствующими переходами, переключая замедление входного или выходного тока по существу одновременно с соответствующим переходом (скажем, в пределах 1/50 временного периода цикла).

Таким образом, в данной системе блок 203 возбуждения управляет по меньшей мере частью границ частичного временного интервала. Кроме того, блок 203 возбуждения выполнен с возможностью управления синхронизирующим сигналом таким образом, чтобы он и, соответственно, частичный временной интервал были синхронизированы с сигналом возбуждения. Говоря более подробно, блок 203 возбуждения содержит синхронизатор 507, который генерирует синхронизирующий сигнал и синхронизирует его с сигналом возбуждения.

В частности, как будет описано на конкретных примерах ниже, время начала и/или окончания может быть установлено таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно времени некоторого события в пределах отдельных циклов сигнала возбуждения. Под этим событием может подразумеваться, в частности, пересечение сигналом возбуждения некоторого порогового значения (например, пересечение нуля), достижение экстремума (локального или глобального (в пределах цикла) максимума или минимума), переход (например, фронт прямоугольного сигнала возбуждения) или переключение одного из ключей в переключающем контуре (таком как, переключающий мост, соответствующий примерам, показанным на фиг.3 или 4). Таким образом, время начала и/или окончания устанавливается таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени такого события. Поэтому если временные границы соответствующего события в цикле изменятся (например, ввиду изменения частотного/временного периода цикла сигнала возбуждения), управляемое время начала и/или окончания также изменится соответствующим образом.

Во многих вариантах осуществления одно из времени начала и времени окончания может быть отрегулировано таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно времени переключения в переключающем контуре, генерирующем сигнал возбуждения, в то время как другое время может быть отрегулировано таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в котором сигнал по меньшей мере с одного из емкостного сопротивления 503 и индуктивного сопротивления 501 пересекает пороговое значение.

Например, как будет описано ниже, можно последовательно соединить диод и ключ и использовать их для отвода тока от емкостного сопротивления 503 (например, посредством короткого замыкания емкостного сопротивления 503 или посредством короткого замыкания соединения между емкостным сопротивлением 503 и индуктивным сопротивлением 501 на шину напряжения (например, нулевую)). В данной конфигурации соответствующий ключ может находиться в разомкнутом состоянии до тех пор, пока напряжение на конденсаторе (или на точке подключения) не пересечет порогового значения, соответствующего открытому диоду. Таким образом, время начала здесь определяется сигналом, пересекающим пороговое значение. Однако время окончания при этом устанавливается так, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно времени переключения для ключей полного моста, генерирующего сигнал возбуждения. Таким образом, это время оказывается напрямую связанным с генерацией сигнала возбуждения. Поэтому если временной период сигнала возбуждения увеличивается от цикла к циклу, контур 505 модификации частоты может автоматически подстраиваться к этим изменениям, даже в пределах одного цикла.

Таким образом, во многих вариантах осуществления границы частичного временного интервала тесно связаны с сигналом возбуждения. Данная связь обеспечивает строгое соответствие между возбуждением резонансного контура 201 и эффективным резонансом резонансного контура 201. В частности, связывание сигнала возбуждения с синхронизирующим сигналом позволяет добиться того, чтобы резонансная частота автоматически совпадала с рабочей частотой сигнала возбуждения. Действительно, синхронизатор 507 может осуществлять синхронизацию синхронизирующего сигнала, а следовательно и частичного временного интервала, причем таким образом, чтобы длительность каждого цикла резонансного контура 201 совпадала с длительностью соответствующего цикла сигнала возбуждения. Таким образом, подход, состоящий в управлении частичным временным интервалом посредством блока возбуждения, т. е. посредством сигнала возбуждения, позволяет обеспечить такую систему, в которой резонансная частота всегда совпадает с сигналом возбуждения. Действительно, даже отдельные временные периоды каждого отдельного цикла могут быть отрегулированы так, чтобы быть одинаковыми.

Данный подход не только позволяет обеспечить низкий уровень сложности и, например, избавить от необходимости проведения каких-либо измерений или обнаружений каких-либо сигналов резонансного контура 201 (например, токов или напряжений катушки индуктивности или конденсатора), но и автоматически гарантирует совпадение частот, обсуждаемых выше.

Данный подход позволяет обеспечить ряд преимуществ. В частности, он может способствовать уменьшению, а во многих вариантах даже предотвращению, интермодуляции. Кроме того, во многих вариантах осуществления он позволяет улучшить передачу мощности и, в частности, повысить эффективность передачи мощности. Как правило, эффективность передачи мощности тем выше, чем ближе друг к другу находятся значения первичной резонансной частоты, вторичной резонансной частоты и рабочей частоты сигнала возбуждения. Описываемый подход позволяет обеспечить между рабочей частотой и первичной резонансной частотой тесную и автоматическую связь, предоставляя при этом возможность осуществления их настройки на вторичную резонансную частоту. Таким образом, чтобы выполнить настройку на вторичную резонансную частоту, необходимо настроить лишь сигнал возбуждения, тогда как первичная резонансная частота подстроится автоматически.

Фиг.6 иллюстрирует пример передатчика мощности по фиг.5, в котором контур 505 модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния конденсатора 503. В данном примере контур 505 модификации частоты выполнен с возможностью отвода от конденсатора 503 тока, текущего с катушки 501 индуктивности, в течение частичного временного интервала. Этот отвод осуществляется ключом 601, который соединен с конденсатором 503 параллельно и выполнен с возможностью короткого замыкания этого конденсатора. Таким образом, контур 505 модификации частоты может быть реализован посредством управляемого ключа.

В данном примере ключ 601 находится в замкнутом состоянии в течение частичного временного интервала. Размыкание и замыкание ключа 601 управляется переходами синхронизирующего сигнала, генерируемого блоком 203 возбуждения, и соответствующим образом синхронизировано с сигналом переключения. Когда ключ 601 находится в замкнутом состоянии, через него отводится ток, который протекает через катушку 501 индуктивности и который в противном случае заряжал бы или разряжал бы конденсатор 503. То есть при коротком замыкании конденсатора 503 соответствующий ток идет в обход конденсатора 503 и, стало быть, не заряжает его. В данном примере ключ 601 выполнен с возможностью осуществлять свое замыкание в тот момент времени, когда напряжение на конденсаторе 503 достигает нулевого значения. В это момент через катушку 501 индуктивности будет протекать значительный ток (на самом деле он будет максимальным). Однако ввиду замыкания ключа этот ток больше не потечет через конденсатор 503, а пойдет через ключ 601. Таким образом, короткое замыкание конденсатора 503 гарантирует, что соответствующее напряжение будет поддерживаться на нуле, то есть состояние конденсатора 503 будет поддерживаться постоянным.

Следует отметить, что ключ 601 соответственно образует линию отвода тока, которая может отводить от конденсатора 503 как положительный, так и отрицательный ток.

По истечению определенного времени, то есть по окончанию частичного временного интервала, ключ будет разомкнут снова, в результате чего ток, протекающий через катушку индуктивности, теперь потечет в (или из) конденсатор 503. Как следствие, конденсатор 503 начнет заряжаться, а его напряжение - соответствующим образом изменяться. Это приведет к тому, что эффективная емкость конденсатора 503, воспринимаемая катушкой индуктивности, будет увеличена, а резонансная частота, таким образом, уменьшена. Получаемая в результате эффективная резонансная частота будет зависеть от границ частичного временного интервала, при большей длительности которого она будет меньше.

В частности, короткое замыкание конденсатора для доли периода сигнала возбуждения позволяет увеличить эффективную емкость.

Для того чтобы проиллюстрировать этот эффект, рассмотрим конденсатор C1, который заряжается средним током в течение времени t2 до напряжения U1(t2). Напряжение U1(t2) может быть выражено следующим образом:

.

Рассмотрим теперь другой конденсатор C2 с меньшим значением емкости, чем у C1, но находящийся в закороченном состоянии от 0 до t1 и заряжающийся во временном интервале от t1 до t2 тем же средним током до напряжения U1(t2). Для конденсатора C2 соответствующее напряжение может быть определено следующим образом:

.

Если в момент времени t2 напряжения U1(t2) и U2(t2) равны, то емкость конденсатора C1 может быть выражена следующим образом:

.

Другими словами, несмотря на то что емкость конденсатора C2 меньше, к моменту времени t2 оба конденсатора заряжаются до одинакового напряжения. В момент времени t2 конденсатор C2 подвергает катушку индуктивности тому же напряжению, что и конденсатор C1. Таким образом, эффект короткого замыкания состоит в увеличении эффективной (или кажущейся) емкости конденсатора, воспринимаемой катушкой индуктивности.

На фиг.7 показан пример сигналов в схеме, представленной на фиг.6. В данном примере индуктивность катушки 501 индуктивности Lp=200мкГн, а емкость конденсатора 503 Cp=8,2нФ, при этом их собственная резонансная частота равна:

.

В данном примере верхний график изображает сигнал возбуждения.

Как видно из графиков, в каждом цикле ключ 601 выполнен с возможностью короткого замыкания конденсатора 503 в течение первого частичного временного интервала (когда напряжение конденсатора проходит через нуль в положительном направлении) и в течение второго частичного временного интервала (когда напряжение конденсатора проходит через нуль в отрицательном направлении). Таким образом, в каждом частичном временном интервале напряжение на конденсаторе удерживается постоянным в течение около 1 мкс. В течение этого времени напряжение на конденсаторе 503 не изменяется. При этом ток через катушку 501 индуктивности также практически не изменяется (он практически постоянен на максимальном значении) в связи с тем, что катушка 501 индуктивности не подвергается воздействию напряжения.

Как видно из графиков, эффективная резонансная частота уменьшена, и в данном примере она составляет около 102кГц.

Точная эффективная резонансная частота может быть установлена просто путем настройки длительности частичных временных интервалов. Чем больше длительность, тем меньше частота.

Кроме того, легко видеть, что если длительность между импульсами сигнала возбуждения поддерживать постоянной, то рабочую частоту сигнала возбуждения можно изменять путем изменения длительности самих импульсов. Однако это будет непосредственно приводить к такому же изменению правого фронта синхронизирующего сигнала, а за счет удержания при этом левого фронта синхронизирующего сигнала на переходе конденсатора через нуль соответствующим образом будут изменяться и частичные временные интервалы. Таким образом, резонансная частота будет непосредственно следовать за рабочей частотой сигнала возбуждения и по своей сути являться такой же.

Фиг.8 иллюстрирует другой вариант осуществления системы по фиг.5. В данном примере контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния индуктивного сопротивления путем препятствования протеканию тока (и, в частности, с возможностью замедления скорости изменения протекания тока) от емкостного сопротивления к индуктивному, в течение частичного временного интервала или, что эквивалентно, путем уменьшения напряжения, налагаемого конденсатором на индуктивное сопротивление. В частности, в данном примере контур модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния индуктивного сопротивления путем блокировки тока, текущего от емкостного сопротивления к индуктивному, в течение частичного временного интервала или, что эквивалентно, путем установки напряжения на катушке индуктивности равным нулю.

В данном примере ток, текущий от конденсатора 503 к катушке 501 индуктивности, блокируется ключом 801, который последовательно соединен с катушкой 501 индуктивности. В данном примере блок 203 возбуждения выполнен с возможностью эффективного разрыва соединения между конденсатором 503 и катушкой 501 индуктивности в течение некоторой доли резонансного цикла. Блок 203 возбуждения синхронизирует ключ 801 с сигналом возбуждения и, в принципе, работает подобно тому, как это было описано для примера, показанного на фиг.6. Действительно, в примере, показанном на фиг.6, ключ 601 выполнен с возможностью фиксации нулевого значения для напряжения на конденсаторе 503 посредством такого управления током через конденсатор 503, которое поддерживает этот ток равным нулю. В примере, показанном на фиг.8, ключ 801 выполнен с возможностью фиксации нулевого значения для тока через катушку 501 индуктивности посредством отключения катушки 501 индуктивности от конденсатора 503 и, как следствие, посредством устранения воздействия на катушку индуктивности со стороны напряжения конденсатора. Таким образом, два этих подхода являются эквивалентными с той точки зрения, что работа конденсатора и катушки индуктивности по сути одинакова, если роли тока и напряжения поменять местами. Действительно, сигналы, показанные на фиг.7, также могут быть применены и к примеру на фиг.8, если графики для тока катушки индуктивности и напряжения конденсатора поменять друг с другом местами.

Следует также отметить, что в представленных примерах изменение состояния как конденсатора 503, так и катушки индуктивности 501 замедляется или по существу останавливается в течение частичного временного интервала. Действительно, в примере, показанном на фиг.6, в течение частичного временного интервала никакого тока через конденсатор 503 не протекает, и напряжение на нем остается постоянным и равным нулю. Однако это также фиксирует нулевое напряжение и на катушке 501 индуктивности, и, таким образом, ток через катушку индуктивности является по существу постоянным, т. е. состояние катушки 501 индуктивности по существу не меняется. Аналогично в примере, показанном на фиг.8, в течение частичного временного интервала никакого тока через конденсатор 503 протекать не может, и, соответственно, напряжение на конденсаторе 503 будет по существу постоянным, т. е. состояние конденсатора 501 по существу не меняется.

В предыдущих примерах начала частичных временных интервалов были синхронизированы с (и, в частности, выровнены под) пересечениями нуля соответственно для напряжения на катушке индуктивности и тока через конденсатор. В частности, времена начала частичных временных интервалов были выровнены с пересечениями нуля соответственно для напряжения на конденсаторе и тока через катушку индуктивности. Полное сведение электрического тока между конденсатором 503 и катушкой 501 индуктивности к нулю в течение частичных временных интервалов предоставляет особые преимущества. Однако следует иметь в виду, что в некоторых вариантах осуществления может быть использовано и более постепенное уменьшение электрического тока.

Следует также иметь в виду, что замедление изменения состояния и скорости потока энергии между конденсатором 503 и катушкой 501 индуктивности может быть достигнуто и за счет уменьшения, а не только полного препятствования протеканию тока между резонирующими элементами. Уменьшение электрического тока может быть обеспечено, например, контуром регулирования тока, который может управляться, например, в режиме реального времени с помощью микроконтроллера.

Однако, в качестве другого примера, соответствующее уменьшение может быть обеспечено, например, за счет подключения к цепи в течение частичных временных интервалов дополнительного конденсатора или дополнительной катушки индуктивности. Так в примере, показанном на фиг.9 последовательно с ключом по фиг.6 в цепь добавлен дополнительный конденсатор 901, уменьшающий ток. В течение частичного временного интервала ключ 601 не замыкает конденсатор 503 накоротко, а подключает параллельно ему конденсатор 901, уменьшающий ток. Это приводит к тому, что ток через конденсатор 503 уменьшается, поскольку часть тока в течение частичного временного интервала идет в конденсатор 901, посредством чего изменение состояния конденсатора 503 замедляется, а напряжение, накладываемое конденсатором 503 на катушку индуктивности, уменьшается (при этом конденсатор 901, уменьшающий ток, заряжается и разряжается вместе с конденсатором 503).,

Аналогичный пример для катушки 501 индуктивности показан на фиг.10. В этом примере последовательно с катушкой 501 индуктивности в цепь включается катушка 1001 индуктивности, уменьшающая ток, параллельно к которой подсоединяется ключ 1003. В этом примере в течение частичного временного интервала ключ 1003 разомкнут, что приводит к увеличению эффективной индуктивности. При этом изменение тока через катушку индуктивности в течение частичного временного интервала, соответственно, замедляется (поскольку напряжение, накладываемое конденсатором 503, теперь разделяется между двумя катушками 501 и 1001, и, следовательно, напряжение, воспринимаемое катушкой 501, является меньшим). В конце частичного временного интервала, ключ 1003 замыкается, осуществляя тем самым короткое замыкание катушки 1001 индуктивности, уменьшающей ток.

Далее работа системы будет описываться со ссылкой на систему, в которой блок 203 возбуждения содержит переключающий мост/инвертор для генерации сигнала возбуждения. Переключающий мост может быть, в частности, полумостовым или полным в соответствии с примерами, показанными на фиг.3 и 4.

В данном примере блок 203 возбуждения дополнительно генерирует синхронизирующий сигнал с такими переходами, которые непосредственно управляют частичным временным интервалом. В частности, синхронизирующий сигнал генерируется таким образом, чтобы времена его переходов соответствовали (и, как правило, по существу были идентичны, скажем, в пределах 1/50 от времени цикла) времени начала частичного временного интервала, или чтобы времена его переходов соответствовали (и, как правило, по существу были идентичны, скажем, в пределах 1/50 от времени цикла) времени окончания частичного временного интервала, или чтобы времена его переходов соответствовали (и, как правило, по существу были идентичны, скажем, в пределах 1/50 от времени цикла) как времени начала, так и времени окончания частичного временного интервала.

Кроме того, в данных примерах блок 203 возбуждения выполнен с возможностью синхронизации синхронизирующего сигнала с одним (или более) из сигналов переключения, управляющих ключами в переключающем мосте. Таким образом, поскольку сигнал возбуждения генерируется посредством переключения ключей в переключающем мосте, синхронизации синхронизирующего сигнала, а следовательно и частичных временных интервалов, с сигналом переключения также обеспечивает синхронизацию и с сигналом возбуждения.

На фиг.11 показан пример электрической модели элементов для примера системы индуктивной передачи мощности по фиг.1 и 2.

Первичный резонансный контур 201 представлен элементами C_p и L_p (которые соответствуют конденсатору 503 и катушке 501 индуктивности). Блок возбуждения представлен элементом V_p и переключающим мостом, образованным ключами M1-M4, которые в данном примере являются полевыми транзисторами. Вторичный резонансный контур 205 представлен элементами C_s, L_s. Конденсатор C_d создает резонанс на частоте 1 МГц, что позволяет передатчикам мощности, использующим подвижную катушку, определять местонахождение приемника мощности (например, в соответствии с принципами, изложенными в спецификации Qi по беспроводному питанию (версии 1.0)). Конденсатор C_m и ключ S_m представляют нагрузочную модуляцию, выполняемую приемником 105 мощности. Диоды D₇-D₁₀ и C_l с R_l представляют нагрузку приемника 105 мощности (с диодами, обеспечивающими выпрямление).

В данном примере при замыкании и размыкании ключа S1 в соответствии с надлежащим рабочим циклом эффективная емкость становится большей по сравнению с емкостью конденсатора 503 (C_p) как таковой. Когда желательно, чтобы эффективная резонансная частота передатчика мощности была ниже собственной резонансной частоты, ключ S1 замыкается на короткий период времени, как только напряжение на C_p проходит через нулевое значение, изменяясь с отрицательных значений на положительные и/или наоборот. Это проиллюстрировано на фиг.12, где сначала показан сигнал возбуждения и синхронизирующий сигнал, управляющий ключом S, затем ток через катушку 501 индуктивности и, наконец, напряжение на конденсаторе (аналогично фиг.7). Сигнал возбуждения подается на резонансный контур с частотой f₀ и рабочим циклом D в 93 кГц и 10% соответственно, т. е. рабочая частота сигнала возбуждения составляет 93 кГц. В данном примере собственная резонансная частота f_n резонансного контура составляет 100 кГц. Соответственно напряжение резонансного контура (обозначаемое как V(left, right)) для свободно колеблющегося резонансного контура должно отставать от тока i_p(t), свидетельствуя о емкостном режиме работы. Однако в системе, показанной на фиг.11, ключ S1 замыкает конденсатор C_p накоротко таким образом, что первая гармоника напряжения V(left, right) и тока i_p(t) находятся в фазе, что свидетельствует о работе передатчика мощности в резонансе. Таким образом, этот резонанс достигается путем предотвращения увеличения (или уменьшения) напряжения на конденсаторе C_p сразу после события, состоящего в пересечении напряжением V(C_p) нулевого значения, что обеспечивается замыканием ключа S1 в соответствии с надлежащим циклом. Это позволяет эффективно отводить от конденсатора C_p ток, текущий с катушки индуктивности.

Пример подхода, который во многих вариантах осуществления будет более практичным, чем пример фиг.11, представлен на фиг.13. В примере, показанном на фиг.13, достигается упрощение синхронизации по фиг.11, которое может обеспечить дополнительную гибкость.

В примере, показанном на фиг.13, соответствующий ключ заменен двумя линиями отвода тока, одна из которых обеспечивает короткое замыкание для тока, текущего в одном направлении, а другая - для тока, текущего в другом направлении. В данном примере каждая линия отвода тока включает в себя выпрямитель (в частности, диод), который гарантирует, что через соответствующую линию ток может протекать лишь в одном направлении.

В данном примере положительный ток через резонансный контур теперь шунтируется с помощью D6/M6, а отрицательный - с помощью D5/M5. Диоды D5 и D6 предотвращают внутренние диоды M5 и M6 от проведения тока. Ключ/полевой транзистор M6 управляется точно таким же сигналом, что и ключ/полевой транзистор M4, т. е. в данном примере сигнал переключения для управления границами частичного временного интервала является точно таким же, что и сигнал переключения для ключа в переключающем мосте. Действительно, по меньшей мере одно из времени начала и времени окончания частичного временного интервала не только синхронизируется, но и совпадает с переключением одного из ключей в переключающем мосте, генерирующем сигнал возбуждения.

Действительно, когда ключ М4 находится в проводящем состоянии, напряжение V(C_p) резонирует с отрицательного на положительное. Когда это напряжение становится положительным, диод D6 начинает немедленно проводить, поскольку переключатель M6 уже во включенном состоянии. Таким образом, ток i_p(t) естественным образом отводится от конденсатора C_p к D6/M6 без необходимости сложного управления синхронизацией. Это дополнительно показано на фиг.14.

Аналогичная ситуация имеет место и для второй линии M5/D5. Действительно, в данном примере управляющий сигнал переключения для ключа M5 генерируется непосредственным образом так, чтобы совпадать с переключением М3.

В данном примере каждая из линий отвода тока (D5/M5 и D6/M6) соответственно включает в себя как ключ, так и выпрямитель. Это позволяет осуществлять более гибкую синхронизацию частичного временного интервала.

В частности, использование как ключа, так и выпрямителя позволяет передатчику мощности выравнивать одно из времени начала и времени окончания частичных временных интервалов с переходами в синхронизирующем сигнале, тогда как другое время автоматически генерируется выпрямителем, т. е. определяется выпрямителем, переключающимся между проводящим и непроводящим состояниями.

В примере, показанном на фиг.13, соответствующий ключ может находиться в проводящем состоянии, пока напряжение конденсатора является отрицательным. Однако благодаря диоду D6 линия отвода тока D6/M6 никакого тока не проводит и, таким образом, не отводит от конденсатора 503 никакого (отрицательного или положительного) тока. Таким образом, точное время включения ключа M6 не имеет значения, поскольку оно не отвечает за начало частичного временного интервала, в течение которого происходит отвод тока.

Однако сразу же после пересечения напряжением на конденсаторе 503 нулевого значения диод D6 начинает проводить (как только напряжение становится достаточно высоким для обеспечения достаточного прямого смещения). Таким образом, когда диод D6 переключается с непроводящего состояния на проводящее, линия отвода тока начинает отводить от конденсатора 503 ток, текущий с катушки 501 индуктивности. Таким образом, начало частичного временного интервала управляется переключением диода с непроводящего состояния на проводящее и не зависит от переключения ключа M6. Таким образом, время начала частичного временного интервала необязательно должно быть выровнено с синхронизирующим сигналом.

Линия отвода тока будет продолжать отводить ток до тех пор, пока ключ M6 не перейдет в разомкнутое состояние (пока от катушки индуктивности будет протекать ток в прямом направлении диода D6). Таким образом, время окончания частичного временного интервала выравнивается с переходами синхронизирующего сигнала, и, следовательно, с переходами сигнала переключения для ключа M4.

Таким образом, в примере, показанном на фиг.13, и, как проиллюстрировано на фиг.14, передатчик мощности выполнен с возможностью выравнивания времен начала частичных временных интервалов с переключениями выпрямителя (диода D6) с непроводящего состояния на проводящее, а времен окончания - с переходами в синхронизирующем сигнале и, следовательно, с переходами в сигнале переключения. Действительно, один и тот же сигнал переключения может быть использован как для ключа линии отвода тока, так и для ключа переключающего моста.

Следует иметь в виду, что в других вариантах осуществления те же принципы могут применяться, например, для управления временем окончания частичного временного интервала в зависимости от переключения выпрямителем проводящего состояния, включая потенциально завершение частичного временного интервала в тот момент, когда выпрямитель переключается с проводящего состояния на непроводящее. Такие реализации могут быть полезными, например, при использовании вместо отвода тока от конденсатора блокировки тока, текущего к катушке индуктивности.

Данный подход имеет ряд конкретных преимуществ. Действительно, он позволяет проводить автоматическую синхронизацию времен начала частичных временных интервалов с переходами через нуль для напряжения на конденсаторе и/или для тока через катушку индуктивности. Таким образом, он автоматически выравнивает времена начала частичных временных интервалов с теми моментами времени, в которых соответствующие элементы могут быть легко замкнуты накоротко или отключены, обеспечивая тем самым варианты осуществления более низкой сложности.

Еще одно существенное преимущество состоит в том, что он обеспечивает дополнительную гибкость в генерации сигнала возбуждения и сигнала переключения для переключающего моста. В частности, поскольку частичные временные интервалы синхронизируются лишь с одним из фронтов сигналов переключения, другой фронт может (в разумных пределах) быть легко изменен. Это, в частности, предоставляет возможность изменения рабочего цикла и, таким образом, позволяет блоку возбуждения динамически изменять уровень выработки мощности генерируемого сигнала передачи мощности без изменения, например, рабочей частоты или уровня амплитуды сигнала.

Действительно, данный подход обеспечивает значительно упрощенную генерацию сигнала возбуждения. В частности, вместо включения соответствующих ключей в переключающем мосте (M1/M4 и M2/M3 соответственно) лишь в течение относительно короткого промежутка времени, в течение которого сигнал возбуждения является активным (то есть, как показано на первом графике фиг.14), всеми ключами можно управлять по существу прямоугольными сигналами с рабочим циклом в 50%. Рабочий цикл сигнала возбуждения может тогда генерироваться посредством относительной разности фаз между этими сигналами возбуждения. И поскольку временем начала частичных временных интервалов управляет лишь один из фронтов, такая процедура действительно не будет оказывать влияния на частичный временной интервал.

Кроме того, данный подход по-прежнему гарантирует, что частота первого приемника 105 мощности и рабочая частота по своей сути связаны одним значением. В частности, это следует из того, что колебания резонансного контура 201 эффективно перезапускаются для каждого цикла сигнала возбуждения.

Следует отметить, что в примере, показанном на фиг.13, уровни напряжения в системе, как правило, требуют того, чтобы ключи, управляющие частичным временным интервалом (т.е. включи M5 и M6), приводились в действие посредством переключателей высоких уровней напряжения, что обычно реализуется с помощью двух дополнительных импульсных трансформаторов.

Однако этого можно частично избежать в системе, показанной на фиг.15 (в частности, необходимость в переключателе высокого уровня напряжения может быть устранена для ключа M6). В данном примере две линии отвода тока заключены между узловой точкой катушки 501 индуктивности и конденсатора 503 и шинами питания для источника питания переключающего моста.

Работа системы по фиг.15 аналогична примеру фиг.13 и просто обеспечивает для отводимого тока другой путь возврата к источнику питания. Однако важным отличием является то, что ключи M5 и M6 здесь связаны соответственно с шиной напряжения и с заземлением для инвертора, то есть с фиксированными напряжениями. Это может значительно облегчить управление соответствующими ключами, например, если они выполнены в виде полевых МОП-транзисторов. В данном примере ключ М6 может быть выполнен в виде полевого МОП-транзистора, управляемого тем же сигналом переключения, что и M4. Однако, полевой МОП-транзистор, реализующий M5, будет по-прежнему требовать импульсного трансформатора, поскольку напряжение источника этого полевого МОП-транзистора будет иметь отрицательные значения.

Фиг.16 иллюстрирует модификацию системы по фиг.15. В данном примере линия отвода тока к шине напряжения, т. е. линия отвода тока, содержащая D5/M5, была полностью удалена. Несмотря на то, что эта система вводит частичные временные интервалы лишь для половины переходов через нуль (т. е. лишь для одного перехода через нуль в одном цикле), было установлено, что она обеспечивает эффективную настройку эффективной резонансной частоты.

Таким образом, в системе, показанной на фиг.16, линия отвода тока содержит последовательное соединение ключа и выпрямителя, при этом один конец линии отвода тока соединен с узловой точкой между катушкой индуктивности и конденсатором, а другой конец линии отвода тока соединен с шиной заземления для переключающего моста. В данной системе выпрямитель выравнивает времена начала частичных временных интервалов с теми моментами времени, в которые он переключается с непроводящего состояния на проводящее, тогда как времена окончания частичных временных интервалов выравниваются с переключениями ключа М4 в переключающем мосте.

Данный подход способствует обеспечению очень несложного подхода к настройке резонансной частоты передатчика мощности, в котором эта частота совпадает с сигналом возбуждения. Данный подход позволяет, в частности, обеспечить такую автоматическую систему, в которой частота сигнала возбуждения всегда совпадает с резонансной частотой первичного резонансного контура, и наоборот.

Связывание рабочей частоты и первичной резонансной частоты иллюстрирует система, показанная на фиг.17. Данный пример иллюстрирует блок 203 возбуждения, который возбуждает резонансный контур, содержащий катушку 501 индуктивности (L) и конденсатор 503 (C). Если блок возбуждения прикладывает к резонансному контуру ступенчатое напряжение, то этот контур начинает колебаться с хорошо известной резонансной частотой . Эти колебания будут отражаться в токе I (сплошная линия), проходящем через систему, и в напряжении V (пунктирная линия) на узле между катушкой 501 индуктивности и конденсатором 503. При наличии затухания колебания через некоторое время остановятся, что приведет систему к стационарному состоянию, в котором конденсатор 503 будет заряжен до ступенчатого напряжения блока 203 возбуждения. На практике резонансный контур имеет высокую добротность (Q), т. е. представляет собой колебательную систему со слабым затуханием, которая может колебаться в течение большого числа периодов резонансной частоты.

Если частота сигнала, подаваемого блоком 203 возбуждения, совпадает с резонансной, то колебания системы могут поддерживаться неограниченно долго, даже при наличии затухания. В этом случае через цепь могут протекать достаточно большие токи. Однако если частота сигнала, подаваемого блоком 203 возбуждения, отличается от резонансной, система не будет «раскачиваться» достаточно хорошо, что будет отражаться в значительно меньших токах, протекающих через цепь. Действительно, в последнем случае сигналы тока и напряжения в цепи будут содержать две частоты - частоту возбуждения и резонансную частоту, где в контуре с более высокой добротностью (Q) резонансная частота будет более выраженной. Эти две частоты в сигналах тока и напряжения приводят к частоте биения на их амплитуде, что иногда (ошибочно) называют интермодуляцией между двумя частотами. В системе беспроводной передачи мощности, которая опирается на амплитудную модуляцию, обеспечиваемую за счет нагрузочной модуляции на стороне приема мощности, это может сделать надежную связь трудной, если вообще возможной. Поэтом весьма выгодно, а в некоторых случаях даже необходимо, чтобы система работала на частоте, равной резонансной.

После завершения цикла колебаний на резонансной частоте дальнейшие колебания на этой частоте могут быть предотвращены путем замыкания ключа SW1 или ключа SW2. Другими словами, состояние изменения сигналов тока и напряжения в цепи будет замедлено, в данном примере до нуля. При размыкании этого ключа в начале следующего цикла сигнала возбуждения колебания на резонансной частоте перезапустятся, как если бы сигнал возбуждения был подан впервые. Это значит, что фазы сигнала тока или сигнала напряжения переустановятся и будут совпадать с фазой сигнала возбуждения. Другими словами, частота циклов колебаний контура становится эффективно равной частоте возбуждения, но соответствующие циклы уже не имеют синусоидальную форму. На фиг.18 слева показаны формы сигналов, получаемые в результате замыкания SW1 в тот момент, когда при движении от отрицательных значений к положительным нулевое значение проходит ток, а справа показаны формы сигналов, получаемые в результате замыкания SW2 в тот момент, когда при движении от отрицательных значений к положительным нулевое значение проходит напряжение. Сплошные формы сигналов отвечают току; пунктирные - напряжению; а точечные пунктирные линии представляют сигнал возбуждения, имеющий в данном случае прямоугольную форму.

Следует отметить, что в зависимости от разности между частотой возбуждения и резонансной частотой работа системы также может быть направлена то, чтобы эффективно подавлять биения в сигналах тока и напряжения путем управления ключом (ключами) раз в каждые несколько циклов в отличие от вышеописанного управления в каждом цикле, осуществляемого для другой цели. Например, если частота возбуждения приближается к резонансной частоте, то частота биений увеличивается и для результирующих изменений в амплитуде потребуется множество циклов. Перенастройки фаз каждые несколько циклов в этом случае будет достаточно, чтобы сохранить чувствительность для передачи данных на основе нагрузочной модуляции на удовлетворительном уровне, уменьшая при этом возможные потери в системе, которые могут возникать в результате работы ключа (ключей).

Синхронизация работы ключей может быть достигнута многими способами, такими как, например, были описаны выше для различных вариантов осуществления. Размыкание ключа наиболее легко синхронизируется с фронтом, например с нарастающим фронтом, прямоугольного или импульсного сигнала возбуждения. Для замыкания ключа в колебательный контур может быть добавлена измерительная система, которая активируется при прохождении сигнала тока или напряжения через нулевое значение в положительном направлении. Специалисты в данной области техники способны придумать множество типов схем, которые выполняют эту функцию.

Для системы беспроводного питания, которая содержит один блок возбуждения, возбуждающий несколько контуров параллельно, что является предпочтительным для обеспечения большего (бокового) допуска на точность позиционирования приемника мощности, весьма сложно - если вообще возможно - обеспечить работу системы на резонансной частоте. Причина этого заключается в том, что из-за естественного разброса в значениях индуктивности и емкости соответствующих элементов, которые используются для реализации системы беспроводного питания, каждый резонансный контур, как правило, имеет свою резонансную частоту. За счет ограничения добротности (Q) каждого резонансного контура составляющая сигналов тока и напряжения на резонансной частоте может поддерживаться относительно небольшой по сравнению с составляющей этих сигналов на частоте возбуждения. Это позволяет держать биения амплитуды под контролем, так что передача данных на основе амплитудной модуляции остается возможной. Однако недостаток такого подхода состоит в том, что низкая добротность (Q) требует относительно сильной связи с тем, чтобы сохранить эффективность передачи мощности на соответствующем уровне. Другими словами, низкая добротность (Q) не допускает большого расстояния между передающей и приемной частями системы.

Путем предотвращения свободных колебаний, как это было описано выше, биение между различными частотами в системе - частотой возбуждения, а также различными резонансными частотами различных резонансных контуров - можно держать под контролем, предоставляя возможность для передачи данных посредством амплитудной модуляции. Другими словами, становится возможным реализовать высокодобротный многокатушечный или матричный передатчик мощности, способный демодулировать амплитудную передачу данных от приемника мощности, который расположен на гораздо большем расстоянии.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что тесное связывание этих частот может, в частности, обеспечивать улучшенные характеристики передачи данных при использовании нагрузочной модуляции.

Во многих вариантах осуществления передатчик 101 мощности может быть выполнен с возможностью приема данных от приемника 105 мощности. В частности, передатчик 101 мощности может быть выполнен с возможностью демодуляции нагрузочной модуляции радиосигнала индуктивной мощности для определения соответствующих данных, переданных приемником 105 мощности.

С точки зрения физического уровня канал, передающий данные от приемника 105 мощности передатчику 101 мощности, реализуется путем использования радиосигнала индуктивной мощности в качестве носителя информации. Приемник 105 мощности осуществляет передачу данных путем модуляции нагрузки приемной катушки 107. Приемник 105 мощности может делать это, например, путем подключения и отключения конденсатора, соединяемого с приемной катушкой 107 параллельно, изменяя таким образом резонанс и, следовательно, характеристики нагрузки приемника 105 мощности. Эти изменения приводят к соответствующим изменениям в сигнале электромагнитной мощности на стороне передатчика мощности и, в частности, к вариациям тока и напряжения на передающей катушке 103. Эти изменения прямо или косвенно обнаруживаются передатчиком 101 мощности и используются для демодуляции данных нагрузочной модуляции, переданных приемником 105 мощности.

В частности, нагрузочная модуляция может быть обнаружена, например, по изменениям в амплитуде и/или фазе тока/напряжения сигнала возбуждения, по изменениям в токе/напряжении передающей катушки 103 и/или по изменениям в токе/напряжении резонансного контура. В качестве другого примера нагрузочная модуляция может быть обнаружена по изменениям в токе, текущем от источника питания к блоку 203 возбуждения (в частности, к инвертору/переключающему мосту).

Приемник 105 мощности может соответствующим образом загружать данные модуляции в сигнал электромагнитной мощности, который передатчик 101 мощности может затем демодулировать. Данный подход может соответствовать, например, тому подходу, что описан для Qi в следующем документе: «System description, Wireless power Transfer, Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.0 July 2010, published by the Wireless power Consortium», который доступен по ссылке: http://www.wirelesspowerconsortium.com/downloads/wireless-power-specification-part- 1.html, и также называется спецификацией Qi по беспроводному питанию, где об упомянутом подходе можно прочитать, в частности, в главе 6: Интерфейс передачи данных (или в последующих версиях спецификации).

Нагрузочная модуляция используется, в частности, для настройки передачи мощности и в особенности для реализации контура управления мощностью, который постоянно регулирует уровень передаваемой мощности на основе сообщений по управлению мощностью, получаемых от приемника 105 мощности. При этом сообщения по управлению мощностью передаются посредством нагрузочной модуляции.

Описанный подход, в котором рабочая и первичная резонансная частоты автоматическим образом совпадают, способствует значительно улучшенной работе во многих вариантах осуществления. Действительно, авторы настоящего изобретения обнаружили, что благодаря связыванию этих частот можно достичь существенного уменьшения интермодуляции.

Эффект и реализация могут быть проиллюстрированы на некоторых практических примерах. В частности, может быть рассмотрена эквивалентная схема на фиг.19.

Схема, показанная на фиг.19, представляет собой простую электрическую модель системы индуктивной передачи мощности по фиг.1 и 2.

Первичный резонансный контур 201 представлен элементами C_p, R_cp, R_lp и L_p, где соответствующие резисторы отвечают потерям. Блок возбуждения представлен элементами V_p и R_i. Вторичный резонансный контур 205 представлен элементами C_s, R_cs, R_ls и L_s, где соответствующие резисторы отвечают потерям. Конденсатор C_d (с резистором R_cd, представляющим потери) создает резонанс на частоте 1 МГц, что позволяет передатчикам мощности, использующим подвижную катушку, определять местонахождение приемника мощности. Конденсатор C_m (с резистором R_cm, представляющим потери) и ключ S_m представляют нагрузочную модуляцию, выполняемую приемником 105 мощности. Диоды D₇-D₁₀ и C_l с R_l представляют нагрузку приемника 105 мощности (с диодами, обеспечивающими выпрямление).

Работа данной схемы симулировалась при типичных значениях системы беспроводной передачи мощности по Qi. В такой системе первичная резонансная частота находится в интервале f_p=(93±7) кГц, а вторичная резонансная частота находится в интервале f_s=(100±5) кГц. Коэффициент связи k между ними равен , где M - это взаимная индуктивность между двумя катушками. В данных примерах коэффициент связи k положен равным 0,05.

В данном примере рабочую частоту f₀ и рабочий цикл D=Ton/T сигнала возбуждения можно варьировать, например, для обеспечения желаемых характеристик передачи мощности.

Данная схема была проанализирована с помощью следующих иллюстративных значений:

Передатчик мощности Приемник мощности L _p 100 мкГн L _s 20 мкГн f _p 93 кГц f _s 100 кГц Q _p 30 Q _s 25 υ_p 20 В C _m 22 нФ D 0,1 C _l 10 мкФ R _i 0,5 Ом R _cs 0,25 Ом R _cp 0,25 Ом R _cd 0,25 Ом f _ping 175 кГц R _cm 0,25 Ом υ _L,0 5,0 В P _L,0 5,0 Вт

Фиг.20 иллюстрирует результаты симуляции при следующих параметрах: k=0,05, f₀=100 кГц, f_p=93 кГц, f_s=100 кГц.

Первые два графика иллюстрируют ток через передающую катушку 103 (L_p), при этом второй график отвечает увеличенному масштабу. Нижний график показывает нагрузочную модуляцию, выполненную приемником мощности (в частности, сигнал переключения ключа S_m).

Как видно из графиков, при первом включении сигнала электромагнитной мощности, возникают колебания. По существу передатчик мощности работает аналогично резонансному контуру с затуханием. Действительно, соответствующие колебания можно рассматривать как эффект интермодуляции между сигналом возбуждения и первичным резонансным контуром 201. Таким образом, данные колебания представляют интермодуляцию с частотой f₀ - f_p=7 кГц. Кроме того, как видно из графиков, данные колебания постепенно ослабевают и эффективно затухают при t=2,0 мс (в основном, из-за нагрузки приемника мощности).

В данном примере нагрузочная модуляция начинается при t=2,25 мс и представляет собой пример нагрузочной модуляции, соответствующей сигналу цветовой синхронизации с тактовой частотой модуляции f_m=2 кГц. Как видно из графиков, ступенчатые изменения нагрузочной модуляции эффективно возбуждают интермодуляцию, приводящую к колебаниям, то есть ступени нагрузочной модуляции можно считать ступенчатой функцией, возбуждающей резонансный контур с затуханием. Как видно из графиков, эти колебания являются значительными и могут превышать или существенно уменьшать разницу, вызванную изменением данных нагрузочной модуляции. Это может значительно понижать надежность демодуляции и во многих сценариях даже предотвращать надежную демодуляцию (компенсация колебаний в демодуляции потребует наличия очень сложных и, как правило, дорогостоящих функциональных возможностей).

Фиг.21 иллюстрирует результаты симуляции при следующих параметрах: k=0,05, f₀=93 кГц, f_p=93 кГц, f_s=100 кГц.

Таким образом, в данном примере рабочая и первичная резонансная частоты устанавливаются на одинаковое значение.

Как видно из графиков, это эффективно устраняет соответствующие колебания. Действительно, данный контур можно по-прежнему считать резонансным контуром с затуханием, однако никаких интермодуляционных эффектов в нем не возникает. В результате может быть выполнена существенно облегченная и более надежная демодуляция данных.

Таким образом, было проиллюстрировано, что путем обеспечения того, чтобы рабочая и первичная резонансная частоты совпадали, может быть достигнута улучшенная демодуляция нагрузочной модуляции.

Следует иметь в виду, что вышеприведенное описание для ясности описывает варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на различные функциональные схемы, блоки и процессоры. Однако, будет очевидно, что без отступления от сущности изобретения между различными функциональными схемами, блоками или процессорами может быть использовано любое подходящее распределение функциональных возможностей. Например, функциональные возможности, проиллюстрированные как выполняемые отдельными процессорами или контроллерами, могут выполняться одним и тем же процессором или контроллером. Таким образом, ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы следует рассматривать только как ссылки на подходящие средства для предоставления описанных функциональных возможностей, а не для указания на строгую логическую или физическую структуру или организацию.

Настоящее изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме, включая аппаратные средства, программные средства, программно-аппаратные средства или любую их комбинацию. Настоящее изобретение при необходимости может быть реализовано, по меньшей мере частично, в качестве компьютерного программного обеспечения, работающего на одном или нескольких процессорах данных и/или цифровых сигнальных процессорах. Элементы и компоненты любого варианта осуществления настоящего изобретения могут быть физически, функционально и логически реализованы любым подходящим способом. Действительно, соответствующие функциональные возможности могут быть реализованы в одном блоке, во множестве блоков или как часть других функциональных блоков. Таким образом, настоящее изобретение может быть реализовано в одном блоке или может быть физически и функционально распределено между различными блоками, схемами и процессорами.

Несмотря на то что настоящее изобретение описано применительно к некоторым вариантам осуществления, оно не ограничиваться конкретной формой, изложенной в настоящем документе. Напротив, объем настоящего изобретения ограничен лишь прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, несмотря на то что какой-либо признак настоящего изобретения может описываться в отношении лишь конкретных вариантов осуществления, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что в соответствии с настоящим изобретением различные признаки описанных вариантов осуществления могут комбинироваться. В формуле изобретения термин «содержащий» не исключает присутствия других элементов или этапов.

Кроме того, несмотря на то что множество средств, элементов, схем или этапов способов перечислены отдельным образом, они могут быть реализованы посредством, например, одной схемы, одного блока или одного процессора. Кроме того, несмотря на то что отдельные признаки могут быть включены в различные пункты формулы изобретения, они могут быть с выгодой объединены, и включение в различные пункты формулы изобретения не подразумевает, что комбинация признаков не является возможной и/или выгодной. Также включение признака в одну категорию пунктов формулы изобретения не подразумевает его ограничение этой категорией, а, напротив, указывает на то, что этот признак в равной степени применим и к другим категориям пунктов формулы изобретения соответствующим образом. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не подразумевает какого-либо конкретного порядка, в котором эти признаки должны работать, и, в частности, порядок отдельных этапов в пункте формулы изобретения о способе не подразумевает, что эти этапы следует осуществлять в этом порядке. Напротив, эти этапы могут выполняться в любом подходящем порядке. Кроме того, формы единственного числа не исключают множественности. Таким образом, упоминания о «первом», «втором» и т. д. не исключают множественности. Ссылочные позиции в формуле изобретения предоставлены лишь в качестве поясняющего примера, который не следует рассматривать в качестве ограничения объема формулы изобретения каким-либо образом.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в улучшении характеристик беспроводной передачи мощности. Система беспроводной передачи мощности включает в себя приемник мощности и передатчик мощности, передающий мощность посредством сигнала индуктивной мощности. Передатчик мощности содержит резонансный контур (201), содержащий емкостное сопротивление (503) и индуктивное сопротивление (501). Блок (203) возбуждения генерирует для резонансного контура сигнал возбуждения. Контур (505) модификации частоты управляет резонансной частотой резонансного контура (201) путем замедления изменения состояния по меньшей мере одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) в течение частичного временного интервала по меньшей мере некоторых циклов сигнала возбуждения. Контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала с переходами синхронизирующего сигнала. В передатчике мощности блок (203) возбуждения также генерирует синхронизирующий сигнал, обладающий синхронизированными с сигналом возбуждения переходами. Под замедлением может подразумеваться препятствование протеканию тока между емкостным и индуктивным сопротивлениями (503, 501). 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Передатчик мощности для беспроводной передачи мощности приемнику мощности с помощью сигнала индуктивной мощности; причем передатчик мощности содержит:

резонансный контур (201) для генерации сигнала индуктивной мощности, причем резонансный контур содержит емкостное сопротивление (503) и индуктивное сопротивление (501);

блок (203) возбуждения для генерации сигнала возбуждения для резонансного контура, причем сигнал возбуждения имеет рабочую частоту, и выполненный с возможностью генерации синхронизирующего сигнала, обладающего переходами, которые соответствуют изменению параметра синхронизирующего сигнала, причем переходы синхронизированы с сигналом возбуждения; и

контур (505) модификации частоты для управления резонансной частотой резонансного контура (201) путем замедления изменения состояния по меньшей мере для одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) в течение частичного временного интервала каждого цикла из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения, при этом контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала по меньшей мере с некоторыми переходами синхронизирующего сигнала;

отличающийся тем, что

контур модификации частоты дополнительно выполнен с возможностью управления другим временем из упомянутого по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в котором сигнал по меньшей мере с одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) пересекает пороговое значение.

2. Передатчик мощности по п.1, в котором блок (203) возбуждения выполнен с возможностью генерации синхронизирующего сигнала, обладающего переходами, которые имеют фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в который происходит по меньшей мере одно из следующего для циклов сигнала возбуждения: прохождение через нуль, достижение максимума или минимума; и при этом контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью определения, что упомянутое по меньшей мере одно из времени начала и времени окончания частичного временного интервала имеет фиксированный временной сдвиг относительно упомянутых по меньшей мере некоторых переходов синхронизирующего сигнала.

3. Передатчик мощности по п.1, в котором для генерации сигнала возбуждения блок (203) возбуждения содержит переключающий мост; и при этом блок (203) возбуждения выполнен с возможностью синхронизации переходов синхронизирующего сигнала с переходами сигнала переключения для ключа переключающего моста.

4. Передатчик мощности по п.2 или 3, в котором контур (505) модификации частоты содержит ключ (M6) и выпрямитель (D6), и при этом контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания одного из времени начала и времени окончания с упомянутыми переходами и с возможностью выравнивания другого из времени начала и времени окончания с переключениями выпрямителя (D6) между непроводящим и проводящим состояниями.

5. Передатчик мощности по п.1, в котором контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния емкостного сопротивления (503) путем отвода от емкостного сопротивления (503) тока, текущего с индуктивного сопротивления (501), в течение частичных временных интервалов.

6. Передатчик мощности по п.5, в котором контур (505) модификации частоты содержит линию отвода тока, выполненную с возможностью отвода от емкостного сопротивления тока, текущего с индуктивного сопротивления, причем линия отвода тока содержит ключ (M6) для подключения и отключения линии отвода тока; и при этом контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания переключений упомянутого ключа (M6) с синхронизирующим сигналом.

7. Передатчик мощности по п.6, в котором контур (505) модификации частоты содержит соединенные в последовательной конфигурации ключ (M6) и выпрямитель (D6), и при этом контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью выравнивания одного из времени начала и времени окончания с упомянутыми переходами и с возможностью синхронизации другого из времени начала и времени окончания с переключениями выпрямителя (D6) между непроводящим и проводящим состояниями.

8. Передатчик мощности по пп.5-7, в котором первый конец линии отвода тока соединен с узловой точкой между индуктивным сопротивлением (501) и емкостным сопротивлением (503).

9. Передатчик мощности по п.8, в котором второй конец линии отвода тока соединен с шиной источника напряжения.

10. Передатчик мощности по пп.5-9, в котором блок (203) возбуждения содержит переключающий мост, генерирующий сигнал возбуждения; и при этом блок (203) возбуждения выполнен с возможностью синхронизации переходов синхронизирующего сигнала таким образом, чтобы они совпадали с переходами сигнала переключения для ключа (M4) переключающего моста.

11. Передатчик мощности по п.10, в котором линия отвода тока содержит соединенные в последовательной конфигурации ключ (M6) и выпрямитель (D6), при этом первый конец линии отвода тока соединен с узловой точкой между индуктивным сопротивлением (501) и емкостным сопротивлением (503), а второй конец линии отвода тока соединен с шиной заземления для переключающего моста, и передатчик мощности выполнен с возможностью выравнивания времен начала частичных временных интервалов со временами переключения выпрямителя (D6) с непроводящего в проводящее состояние и с возможностью выравнивания времен окончания частичных временных интервалов с переключениями ключа (M4) переключающего моста.

12. Передатчик мощности по п.1, в котором контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния индуктивного сопротивления (501) путем препятствования протеканию тока от емкостного сопротивления (503) к индуктивному сопротивлению (501) в течение частичного временного интервала.

13. Передатчик мощности по п.1, в котором контур (505) модификации частоты выполнен с возможностью замедления изменения состояния индуктивного сопротивления (501) путем блокировки протекания тока от емкостного сопротивления (503) к индуктивному сопротивлению (501) в течение частичного временного интервала.

14. Способ работы передатчика мощности для беспроводной передачи мощности приемнику мощности с использованием сигнала индуктивной мощности, при этом передатчик мощности содержит резонансный контур (201) для генерации сигнала индуктивной мощности, причем резонансный контур содержит емкостное сопротивление (503) и индуктивное сопротивление (501); причем способ содержит этапы, на которых:

блок (203) возбуждения генерирует сигнал возбуждения для резонансного контура, причем сигнал возбуждения имеет рабочую частоту, а также генерирует синхронизирующий сигнал, обладающий переходами, которые соответствуют изменению параметра синхронизирующего сигнала, причем переходы синхронизированы с сигналом возбуждения;

контур (505) модификации частоты управляет резонансной частотой резонансного контура (201) путем замедления изменения состояния по меньшей мере для одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) в течение частичного временного интервала каждого цикла из по меньшей мере некоторого множества циклов сигнала возбуждения, причем управление резонансной частотой включает в себя выравнивание по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала по меньшей мере с некоторыми переходами синхронизирующего сигнала;

отличающийся тем, что

контур модификации частоты дополнительно управляет другим временем из упомянутого по меньшей мере одного из времени начала и времени окончания частичного временного интервала таким образом, чтобы оно имело фиксированный временной сдвиг относительно момента времени, в котором сигнал по меньшей мере с одного из емкостного сопротивления (503) и индуктивного сопротивления (501) пересекает пороговое значение.

15. Система беспроводной передачи мощности, содержащая приемник мощности и передатчик мощности по любому из пп. 1-13.