專利名稱：具有占空比控制的感應(yīng)電源的制作方法
具有占空比控制的感應(yīng)電源本申請(qǐng)要求于2008年1月7日提交的、申請(qǐng)?zhí)枮?1/019，411的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的權(quán)益。
本發(fā)明涉及感應(yīng)電力(inductive power)，并且更具體地涉及用于無(wú)線地供給電 力的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于無(wú)線電源系統(tǒng)(wireless power supply system)的一些優(yōu)于傳統(tǒng)的 有線電源系統(tǒng)的益處，其已經(jīng)受到越來(lái)越多的關(guān)注。一些更基礎(chǔ)的無(wú)線電源系統(tǒng)被特別地 設(shè)計(jì)用于給特定的設(shè)備充電，這能有助于將電力傳輸效率(power transfer efficiency) 問(wèn)題減至最少。其它無(wú)線電源系統(tǒng)嘗試解釋錯(cuò)位(misalignment)、給不同的遠(yuǎn)程設(shè)備充電 以及提供不同的電量。在這些系統(tǒng)中，維持可接受的電力傳輸效率可能是困難的。一些無(wú)線電力系統(tǒng)將儲(chǔ)能電路(tank circuit)上的AC信號(hào)的操作頻率調(diào)整為更 接近或者更遠(yuǎn)離諧振以增加或者減少傳遞給遠(yuǎn)程設(shè)備的電量(amount of power) 0其它無(wú) 線電力系統(tǒng)將儲(chǔ)能電路的諧振頻率調(diào)整為更接近或者更遠(yuǎn)離所述操作頻率。這些系統(tǒng)的一 個(gè)問(wèn)題在于，感應(yīng)電源和遠(yuǎn)程設(shè)備之間的電力傳輸效率是所述操作頻率與諧振的接近程度 的函數(shù)。因此，盡管調(diào)整所述操作頻率或者諧振頻率能提供對(duì)傳遞給遠(yuǎn)程設(shè)備的電量的某 種控制，但是其可能以降低的電力傳輸效率為代價(jià)。其它無(wú)線電源使用固定的操作頻率并且代替地調(diào)整儲(chǔ)能電路上的AC信號(hào)的干線 電壓(rail voltage)、占空比(duty cycle)或者相位以增加或者減少傳遞給遠(yuǎn)程設(shè)備的電 量。這種情況的一個(gè)問(wèn)題在于，為使電力傳輸效率可接受，感應(yīng)電源和遠(yuǎn)程設(shè)備可能需要被 精確地對(duì)準(zhǔn)并且被特別地設(shè)計(jì)為彼此合作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了基于來(lái)自次級(jí)電路的反饋來(lái)維持諧振并且調(diào)整占空比的感應(yīng)電源 (inductive power supply)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述感應(yīng)電源包括初級(jí)控制器、驅(qū)動(dòng)電路、 開(kāi)關(guān)電路以及儲(chǔ)能電路。所述控制器、驅(qū)動(dòng)電路以及開(kāi)關(guān)電路協(xié)作以所選擇的操作頻率 和占空比生成AC信號(hào)。所述AC信號(hào)被施加于所述儲(chǔ)能電路以產(chǎn)生用于為所述次級(jí)(the secondary)提供電力的感應(yīng)場(chǎng)。所述次級(jí)將關(guān)于所接收的電力的反饋傳送回至所述初級(jí)控 制器?？梢酝ㄟ^(guò)將所述操作頻率大體上維持在諧振處來(lái)優(yōu)化所述電力傳輸效率，并且可以 通過(guò)調(diào)整所述占空比來(lái)控制所傳輸?shù)碾娏Φ牧?。在一個(gè)實(shí)施例中，所述次級(jí)電路包括次級(jí)繞組(secondary)、整流器、開(kāi)關(guān)、負(fù)載、 傳感器、次級(jí)控制器和通信裝置。電壓和/或者電流傳感器檢測(cè)關(guān)于所述電力的特性，使用 所述通信裝置將所述特性傳送回至所述初級(jí)控制器。可選地，可以提供過(guò)電壓和過(guò)電流保 護(hù)。如果檢測(cè)到故障情況，則使用所述開(kāi)關(guān)將所述負(fù)載斷開(kāi)。在一個(gè)實(shí)施例中，用于通過(guò)維持大體諧振并且調(diào)整占空比來(lái)感應(yīng)地為負(fù)載提供電 力的過(guò)程被提供。初始地，操作頻率和占空比被設(shè)置為可接受的值。通過(guò)掃描頻率范圍并且選擇提供最高電力傳輸效率的操作頻率來(lái)確定初始操作頻率。初始占空比被設(shè)置為相對(duì)低的值(諸如20%)以確保不會(huì)向所述次級(jí)傳遞過(guò)多電力。一旦所述初始值已被設(shè)置，所 述感應(yīng)電源進(jìn)入調(diào)整所述操作頻率以持續(xù)大體諧振并且根據(jù)電量過(guò)高還是過(guò)低或者溫度 是否過(guò)高來(lái)調(diào)整所述占空比的持續(xù)不斷的過(guò)程。本發(fā)明提供了用于在維持高傳輸效率的同時(shí)提供所選擇的量的無(wú)線電力的簡(jiǎn)單 并且有效的系統(tǒng)及方法。占空比的調(diào)整提供無(wú)線電力傳輸?shù)牧硪患?jí)控制，這一級(jí)控制可以 被用于精細(xì)地調(diào)節(jié)提供給次級(jí)繞組的電量。另外地，在維持大體諧振的同時(shí)調(diào)整被傳輸?shù)?電量的能力導(dǎo)致更少的整體損耗以及對(duì)規(guī)定的電力要求更容易的滿足。通過(guò)參考當(dāng)前實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明以及附圖將容易地理解并且領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的這些 以及其它目標(biāo)、優(yōu)點(diǎn)和特征。


圖1是感應(yīng)電源的框圖。圖2是次級(jí)電路的框圖。圖3A和圖3B—起是感應(yīng)電源的電路圖。圖4是次級(jí)電路的電路圖。圖5是維持諧振并且調(diào)整占空比的過(guò)程的流程圖。圖6是調(diào)整所述操作頻率以維持諧振的過(guò)程的流程圖。圖7是示出頻率與電力傳輸效率的關(guān)系曲線的示例性坐標(biāo)圖。圖8是示出變化的占空比的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式I.綜述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的感應(yīng)電源或者初級(jí)電路在圖1中被示出，并且一般地被標(biāo) 注為100。初級(jí)電路100包括初級(jí)控制器110、包括一對(duì)驅(qū)動(dòng)器112、114的驅(qū)動(dòng)電路111，包 括一對(duì)開(kāi)關(guān)116、118的開(kāi)關(guān)電路115，儲(chǔ)能電路120，初級(jí)傳感器122以及可選的無(wú)線接收 器124。初級(jí)控制器110、驅(qū)動(dòng)電路111和開(kāi)關(guān)電路115 —起以所選擇的頻率和所選擇的占 空比生成AC信號(hào)，該信號(hào)被施加于儲(chǔ)能電路120以產(chǎn)生用于無(wú)線地向次級(jí)電路傳輸電力的 感應(yīng)場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的次級(jí)電路在圖2中被示出，并且一般地被標(biāo)注為200。次級(jí) 電路200可以包括次級(jí)繞組210、整流器212、開(kāi)關(guān)214、負(fù)載216、電流傳感器218或者電壓 傳感器220、次級(jí)控制器222、用于使用反射阻抗通信的信號(hào)電阻器(signal resistor) 224 以及可選的無(wú)線發(fā)射器226。在操作中，用于調(diào)整占空比的過(guò)程的實(shí)施例在圖5中被示出，初始操作頻率大體 上被設(shè)置在諧振頻率處504，并且初始占空比被設(shè)置在相對(duì)低的值處506。初級(jí)控制器不斷 地調(diào)整操作頻率508以大體上維持諧振頻率并且不斷地確定被傳輸?shù)碾娏渴欠襁^(guò)高510。 如果過(guò)多的電力被提供或者溫度高于預(yù)先設(shè)定的閾值，那么占空比被減小514。如果過(guò) 少的電力被提供，那么占空比被增大512。各種條件可以暫時(shí)地或者永久地減少或者停止 (halt)電力傳輸。II.感應(yīng)電源
本發(fā)明適用于各種各樣的感應(yīng)電源。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“感應(yīng)電源”旨在廣義 地包括能夠無(wú)線地提供電力的任何感應(yīng)電源。本發(fā)明也適用于“自適應(yīng)感應(yīng)電源”。如在這 里所使用的，術(shù)語(yǔ)“自適應(yīng)感應(yīng)電源”旨在廣義地包括能夠無(wú)線地以多個(gè)不同頻率提供電力 的任何感應(yīng)電源。為了揭示的目的，結(jié)合具體的自適應(yīng)感應(yīng)電源來(lái)描述本發(fā)明，其在圖3A 和圖3B中被示出并且一般地被標(biāo)注為300。然而，所示意的自適應(yīng)感應(yīng)電源300僅是示例 性的，并且可以用能被修改而以變化的占空比提供感應(yīng)電力的基本上任何感應(yīng)電源來(lái)實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明在所示意的實(shí)施例中，自適應(yīng)感應(yīng)電源300 —般地包括初級(jí)控制器310、低壓電源 312、存儲(chǔ)器314、驅(qū)動(dòng)電路316、開(kāi)關(guān)電路318、儲(chǔ)能電路320、電流傳感器322、濾波器324以 及可選地包括無(wú)線接收器326。在操作中，初級(jí)控制器310、驅(qū)動(dòng)電路316以及開(kāi)關(guān)電路318 向儲(chǔ)能電路320施加電力而以所選擇的頻率和所選擇的占空比生成電磁感應(yīng)電力源。所示意的實(shí)施例的初級(jí)控制器310包括兩個(gè)微控制器，一個(gè)用于控制頻率并且一 個(gè)用于控制占空比。頻率微控制器可以是諸如PIC24FJ32GA002的微控制器或者是更通用 的微處理器。占空比微控制器可以是諸如dsPIC30F2020的微控制器或者是更通用的微處 理器。在可替換的實(shí)施例中，可以使用單個(gè)微型計(jì)算機(jī)、FPGA、模擬或者數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)初 級(jí)控制器310。如圖3B所示，驅(qū)動(dòng)電路316可以是分立的部件，或者它們可以被并入初級(jí)控 制器310。振蕩器(未示出)可以被包括在初級(jí)控制器310內(nèi)。初級(jí)電路300還可以包括低壓電源312用于向初級(jí)控制器310、驅(qū)動(dòng)電路以及為操 作而需要低壓電力的任何其它部件供給低壓電力。在所示意的實(shí)施例中，低壓電源312提 供將輸入電壓按比例調(diào)整(scale)為3. 3V。在可替換的實(shí)施例中，不同的電壓可以被提供。在當(dāng)前實(shí)施例中，初級(jí)電路310的各種部件以由初級(jí)控制器310指定的頻率和占 空比共同地驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能電路320。更具體地，初級(jí)控制器310控制驅(qū)動(dòng)電路316和開(kāi)關(guān)電路 318的時(shí)序。所述時(shí)序是指被生成的信號(hào)的頻率和占空比兩者。頻率如其在此被使用的那 樣是指完整波形的每單元時(shí)間的重復(fù)次數(shù)。占空比是指波形在其期間為高的時(shí)間與完整 波形的時(shí)間總量相比的比例。這樣，如圖8所示的方波可以由它的頻率和它的占空比來(lái)描 述。另外，可以在維持相同頻率的同時(shí)調(diào)整占空比并且可以在維持相同占空比的同時(shí)調(diào)整 頻率。所示意的實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路316包括兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器并且可以包括額外的電路部 件以放大(boost)并且過(guò)濾信號(hào)。例如，在當(dāng)前實(shí)施例中，信號(hào)被放大至20伏而不影響信 號(hào)的時(shí)序。開(kāi)關(guān)電路318包括兩個(gè)開(kāi)關(guān)。在當(dāng)前實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)被實(shí)現(xiàn)為MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 在可替換的實(shí)施例中，其它電路部件可被用于實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路。另外地，取決于電力要求，具 有不同特性的MOSFET可以在制造期間被實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，可以在電路板上提供多組 開(kāi)關(guān)，基于該應(yīng)用的特定電力要求而允許一組開(kāi)關(guān)在制造時(shí)被焊接。在一個(gè)實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)電路115包括兩個(gè)獨(dú)立的開(kāi)關(guān)116、118，這兩個(gè)開(kāi)關(guān)以相同 的頻率被接通(switch on)，但彼此異相(out of phase) 0圖8示意了這樣的開(kāi)關(guān)電路的 一個(gè)實(shí)施例的時(shí)序。在圖8中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)具有相同的占空比，但是在時(shí)間上彼此偏移半個(gè)開(kāi) 關(guān)波形周期。在可替換的實(shí)施例中，每個(gè)開(kāi)關(guān)可以具有不同的占空比并且所述開(kāi)關(guān)可以在 時(shí)間上彼此偏移不同的量。也就是說(shuō)，對(duì)于所述開(kāi)關(guān)，半個(gè)周期的間隔以及相似的占空比是 理想的但非必要的，因?yàn)槠淇梢詫?dǎo)致從感應(yīng)電源向遠(yuǎn)程設(shè)備的提高的電力傳輸效率。
儲(chǔ)能電路320 —般地包括初級(jí)繞組(primary)和電容器。當(dāng)前實(shí)施例的初級(jí)繞組 為空心線圈電感器。如果對(duì)空間自由度、監(jiān)控總電力以及反饋進(jìn)行適當(dāng)?shù)目紤]，則還可以使 用帶芯的電感器?？梢赃x擇電容器的電容量來(lái)平衡初級(jí)繞組在預(yù)期的操作參數(shù)處的阻抗。 在當(dāng)前實(shí)施例中，盡管示出了三個(gè)儲(chǔ)能電容器，但是在制造時(shí)這三個(gè)電容器不一定都需要 被焊接到所述電路中。這樣的感應(yīng)電源可以被制作，即在焊接(soldering)時(shí)所述感應(yīng)電 源能具有通過(guò)將不同的電容器焊接或者切換到電路中而被選擇的恰當(dāng)?shù)碾娙葜?。?chǔ)能電路 320可以是串聯(lián)諧振儲(chǔ)能電路(如圖3B所示)或者是并聯(lián)諧振儲(chǔ)能電路(未示出)。本發(fā)明 可以被并入美國(guó)專利6，825，620所示的自適應(yīng)感應(yīng)電源，通過(guò)引用在此將其內(nèi)容并入。作 為另一個(gè)例子，本發(fā)明可以被并入Baarman的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)US2004/130916A1所示的 自適應(yīng)感應(yīng)電源，該申請(qǐng)公開(kāi)題為“自適應(yīng)感應(yīng)電源(Adapted Inductive Power Supply)” 并且被公開(kāi)于2004年7月8日(美國(guó)序列號(hào)為10/689，499，于2003年10月20日提交)， 通過(guò)引用在此也將其內(nèi)容并入。另外，理想的可能是結(jié)合能夠與遠(yuǎn)程設(shè)備建立無(wú)線通信的 自適應(yīng)感應(yīng)電源來(lái)使用本發(fā)明，諸如Baarman的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)US 2004/130915A1所 示的自適應(yīng)感應(yīng)電源，該申請(qǐng)公開(kāi)題為“帶通信的自適應(yīng)感應(yīng)電源(Adapted Inductive Power Supply with Communication) ”并且被公開(kāi)于2004年7月8日公開(kāi)(美國(guó)序列號(hào) 為10/689，148，于2003年10月20日提交)，通過(guò)引用在此將其內(nèi)容并入。再另外，理想 的可能是與印刷電路板線圈一起使用本發(fā)明，諸如結(jié)合美國(guó)序列號(hào)60/975，953的發(fā)明原 理的印刷電路板線圈，該申請(qǐng)題為“印刷電路板線圈(Printed Circuit Board Coil)”并 且由Baarman等人于2007年9月28日提交，通過(guò)引用在此將其內(nèi)容整體并入。在其它可 替換的實(shí)施例中，舉例來(lái)說(shuō)，所述電感器可以被實(shí)現(xiàn)為多抽頭電感器和/或所述電容器可 以被實(shí)現(xiàn)為開(kāi)關(guān)電容器組，它們可以被用于在使用之前或者在使用期間動(dòng)態(tài)地改變初級(jí)電 路的諧振，如Baarman的美國(guó)專利7，212，414所述，該專利題為“自適用感應(yīng)電源(Adapted Inductive Power Supply) ”并且于2007年5月1日被授權(quán)，通過(guò)引用在此將其內(nèi)容并入。
在某些操作模式中，初級(jí)控制器310可以將操作頻率建立為來(lái)自電流傳感器322 的輸入的函數(shù)。依次地，控制器310以由初級(jí)控制器310建立的頻率操作驅(qū)動(dòng)電路318。驅(qū) 動(dòng)電路316提供操作開(kāi)關(guān)電路318所必要的信號(hào)。從而，開(kāi)關(guān)電路318從DC(直流)電力 源向儲(chǔ)能電路320提供AC(交流)電力。在可替換的實(shí)施例中，操作頻率從獨(dú)立的通信鏈 路被建立，諸如無(wú)線接收器326，該無(wú)線接收器在當(dāng)前實(shí)施例中被實(shí)現(xiàn)為IR接收器。初級(jí)控制器310還可以將占空比建立為來(lái)自電流傳感器322的輸入的函數(shù)。在所 述次級(jí)上信號(hào)電阻器的計(jì)劃分路(shunting)(這將在下文中更詳細(xì)地描述)可以被用于使 用通過(guò)電流傳感器322所檢測(cè)的反射阻抗向所述初級(jí)電路提供信息?？商鎿Q地，可以使用 獨(dú)立的通信鏈路來(lái)建立占空比，諸如無(wú)線接收器326，該無(wú)線接收器在當(dāng)前實(shí)施例中被實(shí)現(xiàn) 為IR接收器。這還可以是近場(chǎng)(near rield)或者其它RF通信信道。在所示意的實(shí)施例中，電流傳感器322是具有連接于儲(chǔ)能電路的初級(jí)線圈以及連 接于初級(jí)控制器310的次級(jí)線圈的電流互感器(current transformer)。在當(dāng)前實(shí)施例中， 電流傳感器322包括用于調(diào)整電流傳感器的輸出的增益以適應(yīng)初級(jí)控制器310所接受的范 圍的電路系統(tǒng)。另外，可以通過(guò)將信號(hào)施加于所述開(kāi)關(guān)由初級(jí)控制器310來(lái)調(diào)整增益的量。 感應(yīng)電源300可以包括調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)324，該調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)用于在電流互感器輸出被供給 初級(jí)控制器310之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。在當(dāng)前實(shí)施例中，調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)324是5K Hz的雙極點(diǎn)濾波器。盡管所示意的實(shí)施例包括用于感測(cè)所述次級(jí)或者遠(yuǎn)程設(shè)備的反射阻抗的電流互 感器，但是感應(yīng)電源300可以包括能夠提供關(guān)于來(lái)自所述次級(jí)400的反射阻抗的信息的基 本上任何可替換類型的傳感器。另外，盡管所示意的實(shí)施例的電流傳感器322直接連接于 儲(chǔ)能電路，但是電流傳感器(或者其它反射阻抗傳感器)可以被設(shè)置在其能夠提供指示反 射阻抗的讀數(shù)的基本上任何位置。
在所示意的實(shí)施例中，感應(yīng)電源300還包括存儲(chǔ)器314，該存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)涉及多 個(gè)次級(jí)400的操作參數(shù)的信息。所存儲(chǔ)的信息可以被用于準(zhǔn)許感應(yīng)電源300更有效地為次 級(jí)400提供電力以及更容易地識(shí)別故障情況。在一些應(yīng)用中，感應(yīng)電源300可以是打算供 特定的一組次級(jí)400使用的。在這些應(yīng)用中，存儲(chǔ)器314為每個(gè)次級(jí)400包括唯一的諧振 頻率(或者頻率模式)，以及所需的關(guān)聯(lián)信息的集合，諸如最大和最小操作頻率、當(dāng)前使用 情況(current usage)以及最大和最小占空比。然而，存儲(chǔ)器314可以包括在操作所述次 級(jí)400方面可能對(duì)感應(yīng)電源300有用的基本上任何信息。例如，在理想的是與所述次級(jí)400 建立無(wú)線通信的應(yīng)用中，存儲(chǔ)器314可以包括關(guān)于遠(yuǎn)程設(shè)備400的無(wú)線通信協(xié)議的信息。III.次級(jí)電路本發(fā)明打算供各種各樣不同設(shè)計(jì)和構(gòu)造的遠(yuǎn)程設(shè)備或者次級(jí)使用。所預(yù)期的是這 些不同的遠(yuǎn)程設(shè)備將需要不同頻率的電力并且將具有不同的電力要求。為了公開(kāi)的目的，次級(jí)電路400的一個(gè)實(shí)施例在圖4中被示出。在圖4的實(shí)施例 中，次級(jí)電路400 —般地包括用于從感應(yīng)電源300接收電力的次級(jí)繞組410、整流器414 (或 者用于將AC電力轉(zhuǎn)換為DC電力的其它部件)、將所接收的電力按比例調(diào)整以操作次級(jí)控 制器428的低壓電源412、用于去除信號(hào)中的脈動(dòng)(ripple)的調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)416和426、電 流傳感器418、電壓傳感器422、開(kāi)關(guān)420、負(fù)載424、次級(jí)控制器428、信號(hào)電阻器432以及 可選的無(wú)線發(fā)射器430。在操作中，整流器414將在次級(jí)繞組410中所生成的AC電力轉(zhuǎn)換 為DC電力，該DC電力通常被需要用于為負(fù)載提供電力?？商鎿Q地，在不同相位上接收電 力的多個(gè)次級(jí)線圈可以被用于減少脈動(dòng)電壓(ripple voltage) 0這在Baarman等人的申 請(qǐng)60/976，137中被提到，該申請(qǐng)題為“多相感應(yīng)電源系統(tǒng)(Multiphase Inductive Power Supply System)”，通過(guò)引用在此將其內(nèi)容并入。在這樣的實(shí)施例中，多個(gè)初級(jí)線圈可能被 需要以在不同的相位上傳送電力。在一個(gè)實(shí)施例中，負(fù)載是用于電池的充電電路(未示 出)。充電電路是眾所周知的并且被廣泛地用于各種可再充電的電子設(shè)備。如果有需要，充 電電路可以被配置為給電池(未示出)充電和/或?yàn)樨?fù)載424提供電力兩者。在可替換的 實(shí)施例中，整流器可以是不必要的并且AC電力可以被調(diào)節(jié)以被用于為負(fù)載提供電力。電流傳感器418檢測(cè)所接收的電力中的電流的量并且將該信息提供給次級(jí)控制 器428。電壓傳感器422檢測(cè)所接收的電力中的電壓的量并且將該信息提供給次級(jí)控制器 428。盡管所示意的實(shí)施例包括電壓傳感器422和電流傳感器418兩者，但是只有一個(gè)是 必要的。通過(guò)在次級(jí)電路中感測(cè)電壓和/或電流并且獲知由初級(jí)電路提供的電壓和/或 電流，初級(jí)控制器能夠計(jì)算電力傳輸效率。通過(guò)掃描操作頻率的范圍，記錄(note)每個(gè)頻 率處的電力傳輸效率，最接近諧振的操作頻率可以被確定-其與產(chǎn)生最佳電力傳輸效率的 操作頻率相對(duì)應(yīng)。另外，電壓和電流傳感器418、422可以結(jié)合次級(jí)控制器428中的保護(hù)算 法被使用以在故障情況被檢測(cè)的情況下斷開(kāi)負(fù)載424。這個(gè)概念在Baarman等人的申請(qǐng)?zhí)?為11/855,710的、題為“用于感應(yīng)地給電池充電的系統(tǒng)及方法(System and Method forInductively Charging a Battery) ”的美國(guó)專利申請(qǐng)中更詳細(xì)地被描述，通過(guò)引用在此將 其內(nèi)容并入。次級(jí)控制器428可以是基本上任何類型的微控制器。在所示意的實(shí)施例中，次級(jí) 控制器428是ATTINY24V-10MU微控制器。次級(jí)控制器428 —般地包括模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器， 并且被編程以處理電壓和/或者電流讀數(shù)并且將它們傳送至感應(yīng)電源300的初級(jí)控制器 310。微處理器還可以包括與頻率或者占空比控制過(guò)程不相關(guān)的其它代碼。 在所述次級(jí)中所感測(cè)的電壓和/或者電流的消息(communication)可以各種方式 被傳送至初級(jí)控制器310。在所示意的實(shí)施例中，可以使用信號(hào)電阻器432或者無(wú)線發(fā)射器 430來(lái)傳送所述信息。在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)電阻器432可被用于向初級(jí)控制器310發(fā)送信息。將信號(hào) 電阻器432用于從所述次級(jí)向所述初級(jí)提供消息在Baarman等人的申請(qǐng)?zhí)枮?1/855，710 的、題為“用于感應(yīng)地給電池充電的系統(tǒng)及方法(System and Method for Inductively Charging a Battery) ”的美國(guó)專利申請(qǐng)中被論述，通過(guò)引用在此將其內(nèi)容并入。信號(hào)電阻 器432在被分路(shunt)時(shí)發(fā)送表示過(guò)電流或者過(guò)電壓狀態(tài)的通信信號(hào)(communication signal) 0當(dāng)該電阻器被分路時(shí)，初級(jí)電路上的峰值檢測(cè)器能夠感測(cè)過(guò)電壓/過(guò)電流的情況 并且相應(yīng)地行動(dòng)。本發(fā)明的信號(hào)電阻器432可以被系統(tǒng)地分路以向初級(jí)控制器310傳送額 外的數(shù)據(jù)。例如，數(shù)據(jù)流可以表示所感測(cè)的電流和/或所感測(cè)的電壓?？商鎿Q地，信號(hào)電阻 器可以之前所描述的方式單獨(dú)地被用作過(guò)電壓/過(guò)電流發(fā)射器或者其可以整體被移除。無(wú)線發(fā)射器或者收發(fā)器的使用之前已在Baarman的題為“帶通信的自適應(yīng)感應(yīng)電 源(Adapted Inductive Power Supply with Communication) ” 的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi) US 2004/130915A1中被描述，該申請(qǐng)之前已通過(guò)引用被并入。具體地，WIFI、紅外線、藍(lán)牙、蜂 窩網(wǎng)絡(luò)(cellular)或者RFID的使用作為從遠(yuǎn)程設(shè)備向感應(yīng)電源無(wú)線地傳送數(shù)據(jù)的方式之 前已被論述。另外，使用感應(yīng)線圈以及電力線通信協(xié)議的通信被論述。傳送數(shù)據(jù)的這些方 法中的任何一種可以在本發(fā)明中被實(shí)現(xiàn)以從所述次級(jí)向所述初級(jí)傳輸所需的數(shù)據(jù)。IV 操作結(jié)合圖5描述了初級(jí)電路100和次級(jí)電路200的一般操作。在這個(gè)實(shí)施例中，初級(jí)電路確定并且設(shè)置初始操作頻率504。典型地，設(shè)置初始操 作頻率的目標(biāo)是將其設(shè)置為盡可能地接近諧振頻率，該諧振頻率根據(jù)許多不同的因素而變 化，所述因素除其它以外包括初級(jí)電路和次級(jí)電路之間的方位和距離。在當(dāng)前實(shí)施例中，簡(jiǎn) 單的頻率掃描(frequency swe印)被用于確定將初始操作頻率設(shè)置在哪里。具體地，在這 個(gè)實(shí)施例中，有效頻率的范圍被掃描并且以每個(gè)頻率的電力傳輸效率被記錄。頻率之間的 步長(zhǎng)(st印)可以變化，但是在當(dāng)前實(shí)施例中，以100Hz的步長(zhǎng)在70kHz至250kHz之間掃描 頻率。一旦頻率的整個(gè)范圍已被掃描，產(chǎn)生最高電力傳輸效率的操作頻率被選擇為初始操 作頻率。產(chǎn)生最高電力傳輸效率的操作頻率指示它是最接近諧振的頻率。以更精細(xì)的頻率 分辨率的另外的步驟能夠有助于更進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。用于確定初始操作頻率的其它方法可以 被用在可替換的實(shí)施例中。例如，可以基于已知的初級(jí)和次級(jí)部件來(lái)選擇初始操作頻率。 另外，對(duì)掃描過(guò)程的修改可以包括與電力傳輸效率成比例的動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)調(diào)整(dynamic step adjustment)。在還有另一可替換的實(shí)施例中，掃描可以動(dòng)態(tài)地被執(zhí)行以使只有當(dāng)前頻率的 電力傳輸效率以及具有最高電力傳輸效率的頻率被存儲(chǔ)。隨著掃描的進(jìn)行，對(duì)照最高的存儲(chǔ)值來(lái)檢查每個(gè)值并且僅在該值更高的情況下取代最高的存儲(chǔ)值。在圖5所述的實(shí)施例中，初級(jí)電路設(shè)置初始占空比506。占空比與隨每個(gè)周期所傳 輸?shù)碾娏肯鄬?duì)應(yīng)。占空比越高，每周期所傳輸?shù)碾娏υ蕉?。在?dāng)前實(shí)施例中，初始占空比被 設(shè)置在20%處，其被認(rèn)為是足夠低以避免為遠(yuǎn)程設(shè)備提供過(guò)強(qiáng)電力(overpower)的風(fēng)險(xiǎn)， 但是足夠高以使足夠的電力被傳輸以為次級(jí)電路系統(tǒng)提供電力。在可替換的實(shí)施例中，可 以基于應(yīng)用或者任何數(shù)量的其它因素來(lái)設(shè)置不同的初始占空比。調(diào)整操作頻率的步驟508是確保操作頻率大體上被維持在諧振處的多步驟過(guò)程。 圖6更詳細(xì)地描述了這個(gè)過(guò)程的一個(gè)實(shí)施例。在所描述的實(shí)施例中，操作頻率被提高預(yù)先 選擇的量，這被稱作為逐步增加(st印up)。允許該調(diào)整在所述系統(tǒng)中傳播，并且檢查電力 效率604。如果電源效率提高，那么系統(tǒng)沒(méi)有大體上處于諧振并且操作頻率再次被逐步增 加。這個(gè)過(guò)程繼續(xù)直到電力效率降低或者保持不變。一旦那種情況發(fā)生，操作頻率被逐步減 小(st印dOWn)608。檢查電力效率608。如果電力效率提高，那么操作頻率再次被逐步減 小，直到電力效率保持不變或者降低。最后步驟是逐步增加操作頻率610以重新回到具有 峰值電力效率的操作頻率。這僅是將操作頻率大體上維持在諧振處的過(guò)程的一個(gè)實(shí)施例。 任何其它過(guò)程可被用于將操作頻率大體上維持在諧振處。操作頻率被逐步增加或者逐步減小的一個(gè)原因可以通過(guò)查看圖7所示的操作頻 率與電力效率的關(guān)系曲線的示例性坐標(biāo)圖來(lái)解釋。如可以被看到的，在所示出的操作頻率 的范圍上有電力效率的若干峰值。頻率的初始掃描將操作頻率設(shè)置為諧振頻率，即圖7上 的最高峰。每當(dāng)調(diào)整開(kāi)始時(shí)，盡管操作頻率沒(méi)有改變，但是電力效率值可能作為任何數(shù)量的 因素的結(jié)果而改變，最顯著的是所述次級(jí)的移動(dòng)。典型地，所述坐標(biāo)圖中的改變只是微小的 偏移(shift)，這意味著最優(yōu)操作頻率可能是在任一方向上的幾個(gè)步長(zhǎng)。這是為什么當(dāng)前實(shí) 施例逐步增加以及逐步減小的原因。如果第一次逐步增加導(dǎo)致電力效率傳輸?shù)慕档停瑒t該 過(guò)程立即逐步減小直到。如果逐步減小也導(dǎo)致電力效率傳輸?shù)慕档停敲疵黠@的是沒(méi)有調(diào) 整是必要的并且操作頻率已經(jīng)處于諧振頻率。在可替換的實(shí)施例中，可以使用模擬電路直 接地確定所述系統(tǒng)離諧振有多遠(yuǎn)，使得控制器直接對(duì)適當(dāng)?shù)念l率起反應(yīng)。相位比較器是一 個(gè)這樣的電路。在當(dāng)前實(shí)施例中，通過(guò)每次迭代來(lái)調(diào)整操作頻率，然而在可替換的實(shí)施例中，操作 頻率可以不那么頻繁地或者僅當(dāng)事件觸發(fā)其應(yīng)當(dāng)被調(diào)整時(shí)被調(diào)整。例如，如果所述次級(jí)上 的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器指示所述次級(jí)的移動(dòng)或者其方位的改變?；蛘?，舉例來(lái)說(shuō)如果被提供給所述 次級(jí)的電量有急劇的減少或者增加。下一步驟是確定被所述次級(jí)接收的電量是否過(guò)高500。如果被接收的電量過(guò)高，那 么被傳輸?shù)碾娏Φ恼伎毡缺粶p小514。如果被接收的電量沒(méi)有過(guò)高，那么被傳輸?shù)碾娏Φ恼?空比被增大512。在當(dāng)前實(shí)施例中，占空比應(yīng)當(dāng)不超出大約49%以減小引起短路的風(fēng)險(xiǎn)。在 當(dāng)前實(shí)施例中，在占空比被調(diào)整之后(增加或者減小)，操作頻率被重新調(diào)整508。如上所 述，占空比是指“接通時(shí)間(switch on time)”或者是波形在其期間為高的時(shí)間與完整波形 的時(shí)間總量相比的比例。示意具有不同占空比的信號(hào)的示例性坐標(biāo)圖在圖8中被示出。該 坐標(biāo)圖描繪了時(shí)間相對(duì)于電流的坐標(biāo)圖。實(shí)線表示由初級(jí)電路以當(dāng)前占空比生成的波形。 虛線表示具有增加的占空比的波形看起來(lái)的樣子。點(diǎn)劃線表示具有減小的占空比的波形看 起來(lái)的樣子。注意由于占空比對(duì)稱地被增加或者對(duì)稱地被減小，波形的頻率不隨占空比的調(diào)整而改變。值得注意的是，在一些實(shí)施例中，在操作期間頻率可以不被調(diào)整，而占空比調(diào) 整不斷發(fā)生。占空比可以被逐步增加或者逐步減小預(yù)先選擇的量。在當(dāng)前實(shí)施例中，逐步增加 和逐步減小的量是固定的并且是相等的。然而，在可替換的實(shí)施例中，步長(zhǎng)的量可以是動(dòng)態(tài) 的并且是不同的。例如，在電池充電應(yīng)用中，有利的可能是以大的步長(zhǎng)減小占空比并且以小 的步長(zhǎng)增大占空比。不同的電池需要不同的充電算法，并且占空比控制可以被用于提供正 確的電池充電曲線(profile)。在另一實(shí)施例中，占空比可以與所述次級(jí)所需要的電量成比 例地被逐步增加或者減小。所述次級(jí)所需要的電量可以通過(guò)讀電流和/或者電壓傳感器來(lái) 確定。在讀數(shù)中有小的改變的地方，占空比的小的改變可以被執(zhí)行并且在讀數(shù)中有大的改 變的地方，占空比的大的改變可以被執(zhí)行。在一個(gè)實(shí)施例中，在操作頻率的改變和占空比的改變之間存在內(nèi)在的延遲。這些 延遲可以解釋可能由于操作頻率或者占空比被改變的速度而出現(xiàn)的任何相位問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程根據(jù)需要繼續(xù)或者直到電源被關(guān)閉、所述次級(jí)被移除或者在給電池充電 的情況下直到電池被充滿時(shí)為止。初級(jí)電路可以根據(jù)所述次級(jí)的需求來(lái)調(diào)整占空比。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)目 標(biāo)可以是在所述次級(jí)中維持一定量的電壓或者電流。使用來(lái)自所述次級(jí)的反饋，諸如所感 測(cè)的電壓和/或電流，操作頻率可以被調(diào)整以通過(guò)確保操作大體上處于諧振頻率來(lái)確保最 優(yōu)電力傳輸效率，并且占空比可以被調(diào)整以提供額外的或者更少的電力來(lái)達(dá)到所希望的目 標(biāo)。以上說(shuō)明是對(duì)本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例的說(shuō)明。各種替換以及改變可以被進(jìn)行而不背 離本發(fā)明的精神和更廣泛的方面。
權(quán)利要求
一種用于無(wú)線地向遠(yuǎn)程設(shè)備提供電力的感應(yīng)電源，所述感應(yīng)電源包括用于以操作頻率和占空比生成信號(hào)的初級(jí)電路；與所述初級(jí)電路電通信的儲(chǔ)能電路，其中所述初級(jí)電路將所述信號(hào)施加于所述儲(chǔ)能電路以向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸電量；其中所述感應(yīng)電源接收來(lái)自所述遠(yuǎn)程設(shè)備的反饋；其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)電路控制所述信號(hào)的所述操作頻率以優(yōu)化所述感應(yīng)電源和所述遠(yuǎn)程設(shè)備之間的電力傳輸效率；以及其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)電路控制所述信號(hào)的所述占空比以控制向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏俊?br> 2.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電源，其中所述初級(jí)電路將所述信號(hào)的所述操作頻率大體 上維持在諧振處。
3.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電源，其中所述初級(jí)電路不斷地調(diào)整所述操作頻率以維持 大體諧振并且基于向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏颗c閾值之間的比較來(lái)不斷地調(diào)整所述 占空比。
4.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電源，其中所述初級(jí)電路根據(jù)電池充電曲線和所述遠(yuǎn)程設(shè) 備的需求中的至少一個(gè)來(lái)控制所述信號(hào)的所述占空比。
5.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電源，其中所述初級(jí)電路包括 初級(jí)控制器；與所述初級(jí)控制器電通信的驅(qū)動(dòng)電路； 與所述驅(qū)動(dòng)電路電通信的開(kāi)關(guān)電路；以及用于感測(cè)所述遠(yuǎn)程設(shè)備的反射阻抗的傳感器，其中所述傳感器與所述儲(chǔ)能電路和所述 初級(jí)控制器電通信。
6.如權(quán)利要求5所述的感應(yīng)電源，其中所述開(kāi)關(guān)電路包括一對(duì)開(kāi)關(guān)，其中每個(gè)開(kāi)關(guān)以所述占空比并且以所述操作頻率被接通，但是彼此異相；以及 其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)控制器控制所述開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)的所述操作頻率；以及其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)控制器控制所述開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)的所述占空比。
7.如權(quán)利要求5所述的感應(yīng)電源，其中所述初級(jí)控制器將所述信號(hào)的所述操作頻率作 為來(lái)自所述傳感器的輸入的函數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
8.如權(quán)利要求1所述的感應(yīng)電源，其中所述初級(jí)電路包括用于從所述遠(yuǎn)程設(shè)備接收所 述反饋的無(wú)線接收器。
9.一種感應(yīng)電源系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括感應(yīng)電源以及用于從所述感應(yīng)電源接收電力的、可與所述感應(yīng)電源分開(kāi)的遠(yuǎn)程設(shè)備； 所述感應(yīng)電源包括用于以操作頻率和占空比生成信號(hào)的初級(jí)電路；以及與所述初級(jí)電路電通信的儲(chǔ)能電路，其中所述初級(jí)電路將所述信號(hào)施加于所述儲(chǔ)能電 路以向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸電量； 所述遠(yuǎn)程設(shè)備包括 由所述感應(yīng)場(chǎng)供能的次級(jí)繞組，與所述次級(jí)繞組電通信的負(fù)載， 與所述次級(jí)繞組電通信的傳感器， 與所述傳感器電通信的次級(jí)控制器，以及與所述次級(jí)控制器電通信的通信裝置，其用于向所述感應(yīng)電源發(fā)送反饋； 其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)電路控制所述信號(hào)的所述操作頻率以優(yōu)化所述感應(yīng) 電源和所述遠(yuǎn)程設(shè)備之間的電力傳輸效率；以及其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)電路控制所述信號(hào)的所述占空比以控制向所述遠(yuǎn)程 設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏俊?br> 10.如權(quán)利要求9所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述初級(jí)電路將所述信號(hào)的所述操作頻 率大體上維持在諧振處。
11.如權(quán)利要求9所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述初級(jí)電路不斷地調(diào)整所述操作頻率 以維持大體諧振并且基于向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏颗c閾值之間的比較來(lái)不斷地調(diào) 整所述占空比。
12.如權(quán)利要求9所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述初級(jí)電路根據(jù)電池充電曲線和由所 述遠(yuǎn)程設(shè)備向所述感應(yīng)電源傳送的需求中的至少一個(gè)來(lái)控制所述信號(hào)的所述占空比。
13.如權(quán)利要求9所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述初級(jí)電路包括 初級(jí)控制器；與所述初級(jí)控制器電通信的驅(qū)動(dòng)電路； 與所述驅(qū)動(dòng)電路電通信的開(kāi)關(guān)電路；以及用于感測(cè)所述遠(yuǎn)程設(shè)備的反射阻抗的傳感器，其中所述傳感器與所述儲(chǔ)能電路和所述 初級(jí)控制器電通信。
14.如權(quán)利要求13所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述開(kāi)關(guān)電路包括一對(duì)開(kāi)關(guān)， 其中每個(gè)開(kāi)關(guān)以所述占空比并且以所述操作頻率被切換，但是彼此異相；以及其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)控制器控制所述開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)的所述操作頻率；以及其中，響應(yīng)于所述反饋，所述初級(jí)控制器控制所述開(kāi)關(guān)中的每一個(gè)的所述占空比。
15.如權(quán)利要求13所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述初級(jí)控制器將所述信號(hào)的所述操作 頻率作為來(lái)自所述傳感器的輸入的函數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
16.如權(quán)利要求9所述的感應(yīng)電源系統(tǒng)，其中所述初級(jí)電路包括無(wú)線接收器并且所述 遠(yuǎn)程設(shè)備包括無(wú)線發(fā)射器，其中所述無(wú)線接收器接收從所述無(wú)線反射器接收所述反饋。
17.一種用于從感應(yīng)電源向遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸電力的方法，所述方法包括 在所述感應(yīng)電源中設(shè)置信號(hào)的初始操作頻率；在所述感應(yīng)電源中設(shè)置所述信號(hào)的初始占空比；將所述信號(hào)施加于儲(chǔ)能電路以從所述感應(yīng)電源向遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸電量；在所述感應(yīng)電源中接收來(lái)自所述遠(yuǎn)程設(shè)備的反饋；響應(yīng)于所述反饋，調(diào)整所述信號(hào)的所述操作頻率以優(yōu)化所述感應(yīng)電源和所述遠(yuǎn)程設(shè)備 之間的電力傳輸效率；響應(yīng)于所述反饋，調(diào)整所述信號(hào)的所述占空比以控制向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭?br> 18.如權(quán)利要求17所述的用于傳輸電力的方法，其中所述調(diào)整所述占空比包括 響應(yīng)于向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏Ω哂陂撝档拇_定而減小所述信號(hào)的所述占空 比；以及響應(yīng)于向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏Φ陀陂撝档拇_定而增大所述信號(hào)的所述占空比。
19.如權(quán)利要求17所述的用于傳輸電力的方法，其中所述設(shè)置初始操作頻率以及調(diào)整 所述操作頻率中的至少一個(gè)包括掃描頻率范圍、為每個(gè)操作頻率確定向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸 的電量并且選擇在其處向所述遠(yuǎn)程設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏颗c所述頻率范圍內(nèi)的其它頻率相 比相對(duì)高的操作頻率。
20.如權(quán)利要求17所述的用于傳輸電力的方法，其中所述設(shè)置初始操作頻率以及調(diào)整 所述操作頻率中的至少一個(gè)包括掃描頻率范圍并且選擇最接近諧振的所述操作頻率。
21.
22.
23.如權(quán)利要求17所述的用于傳輸電力的方法，其中所述操作頻率的所述調(diào)整包括不 斷地調(diào)整所述操作頻率以維持大體諧振并且所述占空比的所述調(diào)整包括基于向所述遠(yuǎn)程 設(shè)備傳輸?shù)乃鲭娏颗c閾值之間的比較來(lái)不斷地調(diào)整所述占空比。
24.如權(quán)利要求17所述的用于傳輸電力的方法，其中所述調(diào)整所述占空比包括根據(jù)電 池充電曲線和所述遠(yuǎn)程設(shè)備的需求中的至少一個(gè)來(lái)調(diào)整所述占空比。
全文摘要
一種感應(yīng)電源(100)，其基于來(lái)自次級(jí)電路的反饋來(lái)維持諧振并且調(diào)整占空比?？刂破?110)、驅(qū)動(dòng)電路(111)和開(kāi)關(guān)電路(115)協(xié)作以所選擇的操作頻率和占空比生成AC信號(hào)。所述AC信號(hào)被施加于儲(chǔ)能電路(120)以產(chǎn)生用于為所述次級(jí)提供電力的感應(yīng)場(chǎng)。所述次級(jí)將關(guān)于所接收的電力的反饋傳送回至所述初級(jí)控制器(110)。可以通過(guò)將所述操作頻率大體上維持在諧振處來(lái)優(yōu)化電力傳輸效率，并且可以通過(guò)調(diào)整所述占空比來(lái)控制所傳輸?shù)碾娏Φ牧俊?br> 文檔編號(hào)H02M3/335GK101965671SQ200980108626
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月7日
發(fā)明者D·W·巴曼, J·K·施萬(wàn)內(nèi)克, K·M·伯恩斯, S·A·莫爾馬, T·勒皮恩 申請(qǐng)人:捷通國(guó)際有限公司