電容性非接觸供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種電容性非接觸供電系統(tǒng)(100)包括：一對(duì)接收器電極(141,142)，其通過第一電感器(160)連接到負(fù)載(150)，其中所述第一電感器被耦合到所述負(fù)載以便使所述系統(tǒng)諧振；連接到驅(qū)動(dòng)器(110)的一對(duì)發(fā)送器電極(121,122)；具有彼此相反的第一面和第二面的絕緣層(130)，其中所述一對(duì)發(fā)送器電極被耦合到所述絕緣層的第一面并且所述一對(duì)接收器電極被從所述絕緣層的第二面解耦，使得電容性阻抗被形成在所述一對(duì)發(fā)送器電極與所述一對(duì)接收器電極之間，其中由所述驅(qū)動(dòng)器所生成的電力信號(hào)從所述一對(duì)發(fā)送器電極被無(wú)線地傳輸?shù)剿鲆粚?duì)接收器電極，以便當(dāng)所述電力信號(hào)的頻率和所述第一電感器與所述電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)給所述負(fù)載供電。
【專利說明】電容性非接觸供電系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)要求2011年8月16日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)61/523，922、2011年8月16日提交的61/523，932、2011年8月16日提交的61/523，935、2011年8月16日提交的61/523，941,2011 年 8 月 16 日提交的 61/523，942 的利益。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明一般地涉及用于無(wú)線電力傳輸?shù)碾娙菪怨╇娤到y(tǒng)，并且更特別地，涉及在大面積之上的無(wú)線電力傳輸。
【背景技術(shù)】
[0003]無(wú)線電力傳輸涉及在沒有任何電線或觸點(diǎn)的情況下的電功率的供應(yīng)，借此電子設(shè)備的供電通過無(wú)線介質(zhì)被執(zhí)行。用于非接觸供電的一個(gè)流行應(yīng)用是針對(duì)便攜式電子設(shè)備(例如，移動(dòng)電話、膝上型計(jì)算機(jī)等等)的充電。
[0004]針對(duì)無(wú)線電力傳輸?shù)囊粋€(gè)實(shí)施方案是通過感應(yīng)供電系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，電源(發(fā)送器)與設(shè)備(接收器)之間的電磁電感允許非接觸電力傳輸。發(fā)送器和接收器兩者都裝有電線圈，并且當(dāng)進(jìn)入物理接近時(shí)，電信號(hào)從發(fā)送器向接收器流動(dòng)。
[0005]在感應(yīng)供電系統(tǒng)中，所生成的磁場(chǎng)被集中在線圈內(nèi)。結(jié)果，到接收器拾取場(chǎng)的電力傳輸在空間上是非常集中的。這個(gè)現(xiàn)象在系統(tǒng)中創(chuàng)建熱點(diǎn)，其限制系統(tǒng)的效率。為了改善電力傳輸?shù)男剩槍?duì)每個(gè)線圈的高品質(zhì)因數(shù)是需要的。為此目的，線圈應(yīng)該被用電感與電阻的最佳比來(lái)表征，由具有低電阻的材料組成，并且使用李茲線(Litze-wire)工藝制造以降低集膚效應(yīng)。而且，線圈應(yīng)該被設(shè)計(jì)成滿足復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)以避免渦流。因此，昂貴的線圈對(duì)于高效的感應(yīng)供電系統(tǒng)來(lái)說是必需的。對(duì)于針對(duì)大面積的非接觸電力傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將需要許多昂貴的線圈。因此，對(duì)于這種應(yīng)用來(lái)說，感應(yīng)供電系統(tǒng)可能不是可行的。
[0006]電容性耦合是用于無(wú)線地傳輸電力的另一技術(shù)。該技術(shù)被主要利用在數(shù)據(jù)傳輸和感測(cè)應(yīng)用中。粘結(jié)在窗戶上的在汽車內(nèi)部具有拾取元件的汽車無(wú)線電天線是電容性耦合的例子。電容性耦合技術(shù)被同樣利用于電子裝置的非接觸充電。對(duì)于這種應(yīng)用來(lái)說，充電單元(實(shí)施電容性耦合)在設(shè)備的固有諧振頻率外的頻率下操作。
[0007]在相關(guān)技術(shù)中，還討論了使得能夠?qū)崿F(xiàn)LED照明的電容性電力傳輸電路。該電路是基于電源(驅(qū)動(dòng)器)中的電感器的。因此，僅單個(gè)接收器能夠被使用并且發(fā)送器應(yīng)該被調(diào)諧成傳輸最大電力。此外，這樣的電路需要像素化電極，當(dāng)接收器和發(fā)送器未被完美地對(duì)準(zhǔn)時(shí)所述像素化電極確保來(lái)自接收器和發(fā)送器的電力傳輸。然而，增加像素化電極的數(shù)目增加了到電極的連接的數(shù)目，從而增加電力損耗。因此，當(dāng)具有僅單個(gè)接收器和有限尺寸的電極時(shí)，在相關(guān)技術(shù)中討論的電容性電力傳輸電路不能夠在例如窗戶、墻壁等等的大面積之上供應(yīng)電力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]因此，針對(duì)大面積為無(wú)線供電應(yīng)用提供低成本且可行的解決方案將是有利的。[0009]本文中所討論的特定實(shí)施例包括電容性供電系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括:一對(duì)接收器電極，其通過第一電感器連接到負(fù)載，其中所述第一電感器被耦合到負(fù)載以便使系統(tǒng)諧振；連接到驅(qū)動(dòng)器的一對(duì)發(fā)送器電極；具有彼此相反的第一面和第二面的絕緣層，其中該對(duì)發(fā)送器電極被耦合到絕緣層的第一面并且該對(duì)接收器電極被從絕緣層的第二面解耦，從而在該對(duì)發(fā)送器電極與該對(duì)接收器電極之間形成電容性阻抗，其中由驅(qū)動(dòng)器所生成的電力信號(hào)從該對(duì)發(fā)送器電極被無(wú)線地傳輸?shù)皆搶?duì)接收器電極，以便當(dāng)該電力信號(hào)的頻率和第一電感器與電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)給負(fù)載供電。
[0010]本文中所公開的特定實(shí)施例同樣包括針對(duì)電容性非接觸電力傳輸?shù)姆椒āＫ龇椒ò?通過第一電感器將一對(duì)接收器電極連接到負(fù)載；將一對(duì)發(fā)送器電極連接到驅(qū)動(dòng)器；通過將該對(duì)發(fā)送器電極耦合到絕緣層的第一面、使該對(duì)接收器電極從該絕緣層的第二面解耦來(lái)在該對(duì)發(fā)送器電極與該對(duì)接收器電極之間形成電容性阻抗；對(duì)由驅(qū)動(dòng)器所生成的電力信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)諧以便和第一電感器與電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配；以及將電力信號(hào)從該對(duì)發(fā)送器電極無(wú)線地傳輸?shù)皆搶?duì)接收器電極，以便當(dāng)該電力信號(hào)的頻率和第一電感器與電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)給負(fù)載供電。
[0011]被認(rèn)為是本發(fā)明的主題在本說明書結(jié)束處的權(quán)利要求書中被特別指出并且清楚地要求保護(hù)。本發(fā)明的前述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合附圖進(jìn)行的以下【具體實(shí)施方式】中將是明顯的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電容性電力系統(tǒng)。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例實(shí)施的電容性電力系統(tǒng)的電氣圖。
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括多個(gè)負(fù)載的電容性供電系統(tǒng)的圖。
[0015]圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有無(wú)源匹配電路的電容性供電系統(tǒng)的電氣圖。
[0016]圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有無(wú)源電容性匹配電路的電容性供電系統(tǒng)的電氣圖。
[0017]圖6是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有有源匹配電路的電容性供電系統(tǒng)的電氣圖。
[0018]圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的具有安全電位諧振電路的電容性供電系統(tǒng)的電氣圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]重要的是指出，實(shí)施例僅僅是本文中的創(chuàng)新教導(dǎo)的許多有利用途的例子。一般而言，在本申請(qǐng)的說明書中所作出的陳述未必限制各種要求保護(hù)的發(fā)明中的任一個(gè)。而且，一些陳述可以適用于一些發(fā)明特征，但不適用于其它特征。一般而言，除非另外指示，否則單數(shù)元件在不失一般性的情況下可以是復(fù)數(shù)并且反之亦然。在附圖中，同樣的標(biāo)號(hào)貫穿數(shù)個(gè)視圖旨在指同樣的部件。
[0020]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例構(gòu)造的電容性供電系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100使得能夠?qū)崿F(xiàn)大面積電力傳送。系統(tǒng)100能夠被安裝在其中開放式電觸點(diǎn)不是優(yōu)選的或者不是所希望的地方中，所述地方諸如浴室、其中規(guī)則變化被需要以便照射產(chǎn)品、家具等等的零售商店。系統(tǒng)100能夠在大面積之上傳輸電力，并且因此能夠被利用來(lái)給安裝在墻壁、窗戶、鏡子、地板、座位、通道等等上的設(shè)備供電。
[0021]系統(tǒng)100包括連接到一對(duì)發(fā)送器電極121和122的驅(qū)動(dòng)器110，所述一對(duì)發(fā)送器電極121和122被附連到絕緣層130。系統(tǒng)100還包括一對(duì)接收器電極141和142，一對(duì)接收器電極141和142被連接到負(fù)載150和電感器160?？蛇x地，系統(tǒng)100可以包括耦合到驅(qū)動(dòng)器110的電感器112。
[0022]在本發(fā)明的實(shí)施例中，發(fā)送器電極121、122到驅(qū)動(dòng)器110之間的連接是借助于流電(galvanic)觸點(diǎn)。在另一實(shí)施例中，電容性內(nèi)耦合能夠被應(yīng)用在驅(qū)動(dòng)器110與電極121、122之間，借此不需要電線連接。該實(shí)施例在模塊化基礎(chǔ)設(shè)施中對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的容易擴(kuò)展是有利的。
[0023]在接收器和發(fā)送器電極之間沒有直接觸點(diǎn)的情況下通過接近發(fā)送器電極121和122放置接收器電極141、142來(lái)給負(fù)載150供應(yīng)電力。因此，不需要機(jī)械連接或電觸點(diǎn)以便給負(fù)載150供電。負(fù)載150可以是但不限于照明元件(例如，LED、LED串、燈等)、顯示器、計(jì)算機(jī)、充電器、擴(kuò)音器等等。
[0024]驅(qū)動(dòng)器110輸出具有和由一系列電容器和電感器112、160構(gòu)成的電路的串聯(lián)諧振頻率相同的頻率的AC電壓信號(hào)。用虛線在圖1中示出，電容器Cl和C2是發(fā)送器電極121、122和接收器電極141、142的電容性阻抗。電容器和電感器160的阻抗在諧振頻率下彼此抵消，導(dǎo)致低歐姆電路。因此，系統(tǒng)100能夠以非常低的電力損耗將電力輸送給負(fù)載150。
[0025]系統(tǒng)100的電氣圖200在圖2中被提供。當(dāng)電力信號(hào)Ugen的頻率接近于由負(fù)載&、電阻器Rs (表示電感器電阻)、電容器C1和C2以及電感器Ls組成的電路的串聯(lián)諧振時(shí)，最大電力被獲得。串聯(lián)諧振由電容器Cp C2和電感器Ls的值來(lái)確定。電容器Cp C2和電感器Ls的值被選擇使得它們?cè)谛盘?hào)Ugm的工作頻率下彼此抵消。因此，僅電極的連通性和電感器Rs的串聯(lián)電阻限制電力傳輸。應(yīng)領(lǐng)會(huì)，這允許以低頻信號(hào)傳輸以高功率為特征的AC信號(hào)。
[0026]返回到圖1，驅(qū)動(dòng)器110生成其振幅、頻率以及波形能夠被控制的AC信號(hào)。輸出信號(hào)典型地具有幾十伏特的振幅和高達(dá)幾兆赫茲(MHz)的頻率。在示范性實(shí)施例中，輸出信號(hào)典型地是50V / 400 kHz。
[0027]在本文中所描述的一個(gè)實(shí)施例中，所生成的信號(hào)與串聯(lián)諧振之間的頻率調(diào)諧能夠通過改變由驅(qū)動(dòng)器110所輸出的信號(hào)的頻率、相位或占空比而被執(zhí)行。在另一實(shí)施例中，頻率調(diào)諧能夠通過改變連接到驅(qū)動(dòng)器110的電路的電容或感應(yīng)值而被實(shí)現(xiàn)。作為非限制性例子，電感器112和160中的任一個(gè)都可以是可調(diào)諧電感器(例如，回轉(zhuǎn)器類型的調(diào)諧)。此夕卜，系統(tǒng)100可以包括可變電容器或一堆開關(guān)式電容器以便控制電容。
[0028]在本文中所描述的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器110感測(cè)在其輸出端處的電壓和電流的相位以便確定系統(tǒng)100是否被調(diào)諧。在另一實(shí)施例中，電壓和電流的相位在接收器電極141、142中被測(cè)量。在兩個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)最大電流流過負(fù)載150時(shí)，系統(tǒng)100被調(diào)諧。也就是說，串聯(lián)諧振頻率和信號(hào)頻率不匹配。感測(cè)可以在工作頻率和該工作頻率的高次諧波處被執(zhí)行。
[0029]絕緣層130是薄層襯底材料，其可以為任何絕緣材料，包括例如空氣、紙、木材、織物、玻璃、去離子水等等。在一個(gè)實(shí)施例中，具有介電常數(shù)的材料被選擇。絕緣層130的厚度典型地在10微米(例如，漆層)與幾個(gè)毫米(例如，玻璃層)之間。
[0030]發(fā)送器電極121、122由放置在絕緣層130的與接收器電極141、142不相鄰的一面上的兩個(gè)單獨(dú)的導(dǎo)電材料的主體組成。例如，如在圖1中所圖示的那樣，發(fā)送器電極121、122是在絕緣層130的底部。在另一實(shí)施例中，發(fā)送器電極121、122能夠被放置在絕緣層130的相反面上。發(fā)送器電極121、122可以是任何形狀，包括例如矩形、圓、正方形或其組合。發(fā)送器電極中的每一個(gè)的導(dǎo)電材料可以是例如碳、鋁、銦錫氧化物(ITO)、諸如PEDOG之類的有機(jī)材料、銅、銀、導(dǎo)電漆或任何導(dǎo)電材料。
[0031]接收器電極141、142可以是與發(fā)送器電極121、122相同的導(dǎo)電材料或者由不同的導(dǎo)電材料制成。系統(tǒng)100的總電容由相應(yīng)的發(fā)送器和接收器電極121、141和122、142的重疊面積以及絕緣層130的厚度和材料性質(zhì)形成。系統(tǒng)100的電容在圖1中被圖示為Cl和C2。為了允許電諧振，系統(tǒng)100還應(yīng)該包括感應(yīng)元件。該元件的形式可以是分布在驅(qū)動(dòng)器110和負(fù)載之上的作為發(fā)送器電極或接收器電極的一部分的一個(gè)或多個(gè)電感器(例如，圖1中所示出的電感器160和112)、合并在絕緣層130內(nèi)的電感器或其任何組合。在一個(gè)實(shí)施例中，在系統(tǒng)100中利用的電感器可以是集總線圈(lumped coil)的形式。
[0032]負(fù)載150允許AC雙向電流流動(dòng)。在實(shí)施例中，負(fù)載150可以包括二極管或AC/DC轉(zhuǎn)換器以便局部生成DC電壓。負(fù)載150可以進(jìn)一步包括用于基于由驅(qū)動(dòng)器110所生成的控制信號(hào)來(lái)控制負(fù)載150的各種功能或者對(duì)其進(jìn)行編程的電子設(shè)備。為此目的，在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器110生成在AC電力信號(hào)上被調(diào)制的控制信號(hào)。例如，如果負(fù)載150是LED燈，則由驅(qū)動(dòng)器110所輸出的控制信號(hào)可以被利用于LED燈的調(diào)光或顏色設(shè)置。
[0033]針對(duì)充當(dāng)負(fù)載150的燈的調(diào)光和/或顏色設(shè)置的另一實(shí)施例包括錯(cuò)放發(fā)送器和接收器電極，即，當(dāng)相應(yīng)的電極121/141和122/144彼此不完全重疊時(shí)。在這樣的情況下，電路失去諧振，借此較少電力從驅(qū)動(dòng)器110被傳輸?shù)綗?負(fù)載150)。其中電路不諧振的狀態(tài)還被稱為解諧(detuning)。
[0034]用于使系統(tǒng)100解諧的其它實(shí)施例包括:在負(fù)載150 (例如，燈)中或者在從驅(qū)動(dòng)器110到燈的路徑中添加電容、電感或電阻；將燈放置在基礎(chǔ)設(shè)施的另一位置上或在此位置處；或者使用由燈生成并且發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器110的反饋信號(hào)。使用燈上的按鈕來(lái)提供反饋，所述按鈕生成在驅(qū)動(dòng)器中被測(cè)量的短解諧。驅(qū)動(dòng)器110基于該反饋來(lái)改變輸出AC信號(hào)的功率和/或頻率。
[0035]在實(shí)施例中，接收器電極141、142相對(duì)于發(fā)送器電極121、122的正確放置能夠通過使用位置指示器而被確定，在最大功率或高于預(yù)定義門限的功率從驅(qū)動(dòng)器110被傳輸?shù)截?fù)載150時(shí)所述位置指示器提供指示。位置指示器可以是驅(qū)動(dòng)器110的一部分或者被集成在負(fù)載150中。指示可以是以例如點(diǎn)亮的LED、聲音、顯示被傳輸電力的消息或量度的液晶顯示器等等為形式。應(yīng)進(jìn)一步指出，位置指示器還能夠被利用來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)100中的電力熱點(diǎn)。
[0036]圖1中所示出的電容性供電系統(tǒng)100能夠被利用為電源線的無(wú)線擴(kuò)展。根據(jù)這個(gè)配置，驅(qū)動(dòng)器110被安裝在具有有線輸出和粘貼物的墻上插頭連接器中，所述粘貼物包括充當(dāng)發(fā)送器電極121、122的至少兩個(gè)導(dǎo)電區(qū)。接收器電極141、142包括至少兩個(gè)粘貼物、電線以及連接器插座。接收器電極141、142還可以包含用于電壓調(diào)節(jié)的電子裝置。這樣的系統(tǒng)允許電力傳輸?shù)较噜彽姆块g或櫥柜，而無(wú)需出于布線目的而鉆孔。
[0037]在另一實(shí)施例中，電容性無(wú)線電力能夠被用來(lái)給有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)表面供電。OLED是其中LED被形成在平坦表面上的技術(shù)。根據(jù)該實(shí)施例，接收器電極和發(fā)送器電極被放置在OLED表面的背面上。[0038]如圖1中示范性圖示的那樣，電容性供電系統(tǒng)100描繪了被驅(qū)動(dòng)器110供電的單個(gè)負(fù)載150。然而，應(yīng)指出，驅(qū)動(dòng)器110還能夠給多個(gè)負(fù)載供電，它們中的每一個(gè)都可以被調(diào)諧到不同的工作頻率。在這樣的配置中，由驅(qū)動(dòng)器110所輸出的信號(hào)的頻率確定哪一個(gè)設(shè)備將被供電。驅(qū)動(dòng)器110還可以生成AC掃描信號(hào)(具有變化的頻率的信號(hào))。當(dāng)足夠快時(shí)，頻率掃描將在AC信號(hào)的頻率與相應(yīng)負(fù)載諧振調(diào)諧一致的周期期間給設(shè)備供電。這樣，調(diào)諧到不同頻率的若干負(fù)載能夠以復(fù)用的方式被供電。為了填充在掃描之間的少電力(power-less)間隙，電池和/或電容器能夠被添加。
[0039]在另一實(shí)施例中，負(fù)載的擴(kuò)展頻譜供電被提供。因此，以大頻帶為特征的AC電力信號(hào)由驅(qū)動(dòng)器110生成，從而允許多個(gè)負(fù)載的組中的每個(gè)單獨(dú)負(fù)載在不同頻率的范圍內(nèi)被調(diào)諧。因此，每個(gè)單獨(dú)的負(fù)載可以被獨(dú)立地供電。
[0040]在包括多個(gè)負(fù)載的電容性供電系統(tǒng)中，被不同負(fù)載消耗的功率可以彼此不同。AC信號(hào)的功率由消耗最高功率的負(fù)載來(lái)確定。當(dāng)“高功率負(fù)載”和“低功率負(fù)載”在系統(tǒng)中被連接時(shí)，電力AC信號(hào)能夠損壞后面的負(fù)載。為了克服這個(gè)問題，過載保護(hù)是必需的。
[0041]圖3示出了包括兩個(gè)負(fù)載351和352的電容性供電系統(tǒng)300的示范性圖，所述兩個(gè)負(fù)載通過由驅(qū)動(dòng)器310所生成的AC信號(hào)供電。系統(tǒng)300包括如上面詳細(xì)地討論的發(fā)送器和接收器電極、絕緣層以及感應(yīng)元件。為了保護(hù)相應(yīng)的負(fù)載351和352，限制器(limiter)361和362被添加到電路300。
[0042]限制器能夠被串聯(lián)連接到負(fù)載以便限制給該負(fù)載供電的信號(hào)的電流。可替換地，限制器能夠被并聯(lián)連接到負(fù)載以便限制給該負(fù)載供電的電壓。如圖3中所示，限制器361被并聯(lián)連接到負(fù)載351，而限制器362被串聯(lián)連接到負(fù)載352。
[0043]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，電壓限制器(例如，限制器361)測(cè)量跨越負(fù)載351施加的電壓并且當(dāng)其振幅電平高于參考電壓值時(shí)關(guān)斷信號(hào)。當(dāng)信號(hào)的振幅電平低于參考電壓值時(shí)信號(hào)被接通(即，信號(hào)被供應(yīng)給負(fù)載)。
[0044]電流限制器(例如，限制器362)測(cè)量流過負(fù)載352的電流，并且信號(hào)取決于所測(cè)量到的電流值是高于或低于參考電流值而被接通或者關(guān)斷。電壓和電流值根據(jù)將不使負(fù)載過載的最大容許功率被設(shè)置。在替換實(shí)施例中，限制器可以被集成在負(fù)載中。
[0045]在另一實(shí)施例中，保護(hù)負(fù)載可以通過使電路解諧而被實(shí)現(xiàn)。如較早地討論的那樣，當(dāng)電路失去諧振時(shí)，較少的電力從驅(qū)動(dòng)器被傳輸?shù)截?fù)載。因此，使電路解諧控制負(fù)載上的功率，并且這個(gè)過程能夠被利用來(lái)限制負(fù)載上的功率。因?yàn)榻庵C包括再定位發(fā)送器和接收器電極，所以各種負(fù)載(例如，負(fù)載351和352)能夠被獨(dú)立地保護(hù)。
[0046]如上面所提到的那樣，當(dāng)負(fù)載的電阻等于或者高于電路的損耗電阻時(shí)，本文中所公開的電容性供電系統(tǒng)中的最大功率傳送被實(shí)現(xiàn)。此外，負(fù)載電阻與串聯(lián)損耗電阻的比確定系統(tǒng)的功率效率。然而，這可能對(duì)系統(tǒng)效率施加約束，因?yàn)樨?fù)載的電阻被給定并且不能夠被自由地選擇。例如，燈或LED串的電阻是固定的并且可以不遵守系統(tǒng)的電性質(zhì)以便實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的效率。
[0047]為了克服這樣的約束，根據(jù)本發(fā)明的特定實(shí)施例，電容性供電系統(tǒng)的接收器部分包括匹配電路，所述匹配電路將負(fù)載電阻和阻抗變換為等效損耗電阻和阻抗，從而優(yōu)化系統(tǒng)的功率和總體效率。
[0048]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例設(shè)計(jì)的具有無(wú)源匹配電路410的電容性供電系統(tǒng)400的非限制性和示范性的電氣圖。通過使用無(wú)源匹配電路410，負(fù)載420的電阻能夠被相當(dāng)于或高于系統(tǒng)400的損耗電阻的固定值來(lái)變換。在圖4中所描繪的實(shí)施例中，電感器(例如，圖1中所示出的電感器160和圖2的Ls)由被實(shí)施為變壓器的無(wú)源匹配電路410取代。變壓器通過感應(yīng)耦合的導(dǎo)體(即，變壓器線圈411和412)將AC信號(hào)(Ugen)從接收器電極431、432傳輸?shù)截?fù)載420。
[0049]變壓器以線圈411和412之間的雜散電感被最小化的這樣一種方式被構(gòu)建。變壓器的初級(jí)線圈411與次級(jí)線圈412之間的匝數(shù)的比被選擇，使得電阻(?)將相當(dāng)于或者高于系統(tǒng)400的損耗電阻。
[0050]次級(jí)線圈412中的電壓的振幅由變壓器410的匝比(N)來(lái)確定，所述匝比通過將次級(jí)線圈412的阻數(shù)(Ts)除以初級(jí)線圈的阻數(shù)(Tp)而計(jì)算(即，N = Ts / Tp)。
[0051]次級(jí)線圈412中的電壓(Vs)是初級(jí)線圈411中的電壓(Vp)與匝比N的乘積。因此，如果240V AC的電壓被施加到初級(jí)線圈411并且匝比是1:10，則24V落在次級(jí)線圈412上。例如,如果IA的電流被初級(jí)線圈411得出(drawn)，則理想地IOA的電流歸因于匝比將可在次級(jí)線圈412處得到。因此，等效負(fù)載電阻是240V/1A=240歐姆，其能夠被變換為等效輸出電阻24V/10A=2.4歐姆。
[0052]損耗電阻由電阻器Rs 440來(lái)表不。這確保和電容性供電系統(tǒng)400的電氣要求匹配，從而優(yōu)化系統(tǒng)的效率。在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用抽頭電感器實(shí)施匹配電路410。
[0053]圖5示出了根據(jù)另一示范性實(shí)施例設(shè)計(jì)的具有無(wú)源匹配電路510的電容性供電系統(tǒng)500的非限制性和示范性的電氣圖。通過使用無(wú)源匹配電路510，負(fù)載520的電阻能夠被相當(dāng)于或者高于系統(tǒng)500的損耗電阻的固定值來(lái)變換。無(wú)源匹配電路510被實(shí)施為包括連接到負(fù)載520的兩個(gè)并聯(lián)電容器511和512的電容性匹配電路，如圖5中所圖示的那樣。所述電容器中的每一個(gè)的電容值被選擇使得在工作頻率處的經(jīng)變換的負(fù)載電阻相當(dāng)于或者高于系統(tǒng)500的損耗電阻。具體地，通過負(fù)載電阻器的電流能夠依據(jù)并聯(lián)電容器511和512之間的電容比被縮放。損耗電阻由電阻器Rs 540來(lái)表示。這確保和電容性供電系統(tǒng)500的電氣要求匹配，從而優(yōu)化系統(tǒng)500的效率。應(yīng)指出，附加的電容器511和512應(yīng)該被考慮以便滿足系統(tǒng)500的適當(dāng)操作所需要的諧振條件。
[0054]圖6示出了根據(jù)另一實(shí)施例設(shè)計(jì)的具有有源匹配電路610的電容性供電系統(tǒng)600的非限制性和示范性的電氣圖。通過使用有源匹配電路610，負(fù)載620的電阻能夠被相當(dāng)于或者高于系統(tǒng)600的損耗電阻的固定值來(lái)變換。在本發(fā)明的實(shí)施例中，有源匹配電路610被并聯(lián)連接到負(fù)載620，并且包括電壓整流器611、DC/DC轉(zhuǎn)換器612以及控制器613。DC/DC轉(zhuǎn)換器612可以是例如降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器。
[0055]DC/DC轉(zhuǎn)換器將DC的源從一個(gè)電壓電平轉(zhuǎn)換為另一電平。能量被周期性地存儲(chǔ)到電感器或變壓器中的磁場(chǎng)中以及從電感器或變壓器中的磁場(chǎng)周期性地釋放。通過調(diào)整充電電壓的占空比，被傳輸?shù)碾娏Φ牧磕軌虮豢刂疲⑶揖唧w地DC/DC轉(zhuǎn)換器的阻抗比能夠被設(shè)置。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，控制器613測(cè)量在負(fù)載620處的電壓和電流以便確定輸出功率和負(fù)載電阻?？刂破?13測(cè)量在整流器611處的經(jīng)整流的電壓。通過使用所測(cè)量的值，控制器613改變?cè)贒C/DC轉(zhuǎn)換器612處的充電電壓的占空比，從而改變DC/DC轉(zhuǎn)換器612的輸出阻抗以便和負(fù)載620的阻抗匹配。當(dāng)流過負(fù)載電阻器的電流被測(cè)量為最大的時(shí)，最佳匹配被實(shí)現(xiàn)。這確保和電容性供電系統(tǒng)600的電氣要求匹配，從而優(yōu)化該系統(tǒng)的效率。[0056]在上面所討論的電容性供電系統(tǒng)中，如果電路是在諧振中，則在發(fā)送器電極處的電勢(shì)可能是非常高的。如上面所提到并且說明的那樣，例如，在圖2中，負(fù)載&被連接到接收器電極中的一個(gè)，并且因此它被連接到高交變電勢(shì)。這可能是安全隱患。此外，負(fù)載&相對(duì)于驅(qū)動(dòng)器Ug6n的參考電勢(shì)可能是在高交變電勢(shì)上。結(jié)果，當(dāng)不希望的共模電流可以流向接收器電極時(shí)，高寄生電容性電流可以從負(fù)載流向驅(qū)動(dòng)器Ugm。這還可以在電路中引發(fā)電磁干擾(EMI)。
[0057]為了克服該問題，根據(jù)圖7中所圖示的實(shí)施例，諧振接收器被分成兩個(gè)對(duì)稱的部分。第一接收器電極被耦合到電感器710 (Lsi)，并且第二接收器電極被耦合到電感器720(Ls2)。在這個(gè)布置中，高電勢(shì)的點(diǎn)在接收器電路中被限制，并且負(fù)載730 (?)是在與驅(qū)動(dòng)器740 (Ugen)相同的電位上。
[0058]此外，圖7中所圖示的布置消除了 EMI。也就是說，采用兩個(gè)電感器710和720，在負(fù)載730與驅(qū)動(dòng)器740之間沒有不同的電勢(shì)。因此，沒有不希望的共模電流在驅(qū)動(dòng)器740與負(fù)載730之間流動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)電感器710和720可以被磁耦合。然后，它們能夠被纏繞為一個(gè)芯上的兩個(gè)繞組并且僅一個(gè)設(shè)備是必要的。此外，較少匝是必要的，因?yàn)槔@組歸因于磁耦合而彼此增強(qiáng)。纏繞方向必須是相反的，如由點(diǎn)701和702所指示的那樣。
[0059]本發(fā)明的各種實(shí)施例的原理能夠被實(shí)施為硬件、固件、軟件或其任何組合。而且，軟件被優(yōu)選地實(shí)施為有形地體現(xiàn)在能夠以數(shù)字電路、模擬電路、磁介質(zhì)或其組合為形式的程序存儲(chǔ)單元、非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或非暫時(shí)性機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上的應(yīng)用程序。應(yīng)用程序可以被上傳到包括任何適合的架構(gòu)的機(jī)器并且被其運(yùn)行。優(yōu)選地，機(jī)器被實(shí)施在具有諸如一個(gè)或多個(gè)中央處理單元(“CPU”)、存儲(chǔ)器以及輸入/輸出接口之類的硬件的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上。計(jì)算機(jī)平臺(tái)還可以包括操作系統(tǒng)和微指令代碼。本文中所描述的各種過程和功能可以是可以被CPU執(zhí)行的微指令代碼的一部分或應(yīng)用程序的一部分或其任何組合，而無(wú)論這種計(jì)算機(jī)或處理器是否被明確地示出。此外，各種其它外圍單元可以被連接到計(jì)算機(jī)平臺(tái)，諸如附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和打印單元。
[0060] 雖然已經(jīng)關(guān)于若干所描述的實(shí)施例相當(dāng)詳細(xì)并且具體地描述了本發(fā)明，但意圖不在于它應(yīng)該被限制于任何這種細(xì)節(jié)或?qū)嵤├蛉魏翁囟▽?shí)施例，而是它將參考所附權(quán)利要求被解釋以便鑒于現(xiàn)有技術(shù)來(lái)提供對(duì)這種權(quán)利要求的最廣泛的可能解釋，以及因此，以便有效地包含本發(fā)明的預(yù)定范圍。此外，上文依據(jù)本發(fā)明人所預(yù)見的、使能實(shí)現(xiàn)的描述對(duì)于其可用的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是目前未預(yù)見的本發(fā)明的非實(shí)質(zhì)修改仍然可以表示其等同物。
【權(quán)利要求】
1.一種電容性供電系統(tǒng),包括: 一對(duì)接收器電極，其通過第一電感器連接到負(fù)載，其中所述第一電感器被耦合到所述負(fù)載以便使所述系統(tǒng)諧振； 連接到驅(qū)動(dòng)器的一對(duì)發(fā)送器電極；以及 具有彼此相反的第一面和第二面的絕緣層，其中所述一對(duì)發(fā)送器電極被耦合到所述絕緣層的第一面并且所述一對(duì)接收器電極被從所述絕緣層的第二面解耦，使得電容性阻抗被形成在所述一對(duì)發(fā)送器電極與所述一對(duì)接收器電極之間，其中由所述驅(qū)動(dòng)器所生成的電力信號(hào)從所述一對(duì)發(fā)送器電極被無(wú)線地傳輸?shù)剿鲆粚?duì)接收器電極，以便當(dāng)所述電力信號(hào)的頻率和所述第一電感器與所述電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)給所述負(fù)載供電。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)通過以下各項(xiàng)中的至少一個(gè)而被調(diào)諧成在所述串聯(lián)諧振頻率下諧振:改變所述第一電感器的電感、改變所述接收器電極相對(duì)于所述發(fā)送器電極的位置、以及改變所述電力信號(hào)的頻率。
3.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括多個(gè)負(fù)載，每個(gè)都被連接到不同的一對(duì)接收器電極并且在不同的串聯(lián)諧振頻率下諧振，其中所述多個(gè)負(fù)載中的每個(gè)負(fù)載都通過由所述驅(qū)動(dòng)器生成并且通過所述一對(duì)發(fā)送器電極被無(wú)線傳輸?shù)碾娏π盘?hào)被供電。
4.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)負(fù)載中的每個(gè)負(fù)載都在所述相同的串聯(lián)諧振頻率下諧振。
5.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)負(fù)載中的至少一個(gè)負(fù)載被限制器保護(hù)，其中所述限制器是并聯(lián)連接到所述至少一個(gè)負(fù)載的電壓限制器和串聯(lián)連接到所述至少一個(gè)負(fù)載的電流限制器中的一個(gè)。
6.權(quán)利要求5所述的 系統(tǒng)，其中當(dāng)在所述至少一個(gè)負(fù)載上的振幅電壓電平高于參考電壓值時(shí)，所述電壓限制器關(guān)斷所述電力信號(hào)。
7.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)流過所述至少一個(gè)負(fù)載的電流高于參考電流值時(shí)，所述電流限制器關(guān)斷所述電力信號(hào)。
8.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括連接到所述一對(duì)接收器電極的匹配電路，其中所述匹配電路將所述負(fù)載的電阻變換為至少等于所述系統(tǒng)的損耗電阻的固定電阻。
9.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述匹配電路至少是包括被所述第一電感器取代的變壓器的無(wú)源匹配電路，并且其中所述變壓器的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的匝數(shù)的比被選擇成將所述負(fù)載電阻增加到所述損耗電阻的值以上。
10.權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述匹配電路至少是包括電壓整流器、DC至DC轉(zhuǎn)換器以及控制器的有源匹配電路，其中所述控制器被配置成測(cè)量在所述整流器處的電壓電平，并且基于所測(cè)量的電壓電平來(lái)改變?cè)谒鯠C至DC轉(zhuǎn)換器處的充電電壓的占空比，其中改變所述充電電壓導(dǎo)致所述DC至DC轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗和所述負(fù)載的阻抗匹配。
11.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)負(fù)載中的每個(gè)負(fù)載都至少是以下各項(xiàng)中的任何一個(gè):燈、發(fā)光二極管(LED)串以及LED燈。
12.權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述絕緣層是所述接收器電極的一部分，并且其中所述絕緣層至少是以下各項(xiàng)中的任何一個(gè):紙、木材、織物、玻璃以及漆層。
13.權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)被配置成無(wú)線地給安裝在大面積結(jié)構(gòu)上的燈、LED串以及LED燈中的任何一種的多個(gè)供電。
14.一種電容性非接觸電力傳輸?shù)姆椒?，包? 通過第一電感器將一對(duì)接收器電極連接到負(fù)載； 將一對(duì)發(fā)送器電極連接到驅(qū)動(dòng)器； 通過以下各項(xiàng)在所述一對(duì)發(fā)送器電極與所述一對(duì)接收器電極之間形成電容性阻抗: 將所述一對(duì)發(fā)送器電極耦合到絕緣層的第一面； 使所述一對(duì)接收器電極從所述絕緣層的第二面解耦； 對(duì)由所述驅(qū)動(dòng)器所生成的電力信號(hào)的頻率進(jìn)行調(diào)諧以便和所述第一電感器與所述電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配；以及 無(wú)線地將所述電力信號(hào)從所述一對(duì)發(fā)送器電極傳輸?shù)剿鲆粚?duì)接收器電極，以便當(dāng)所述電力信號(hào)的頻率和所述第一電感器與所述電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)給所述負(fù)載供電。
15.權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括從所述串聯(lián)諧振頻率解諧以便控制所述負(fù)載的功能性?！?br> 【文檔編號(hào)】H02J5/00GK103718417SQ201280039779
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月16日
【發(fā)明者】A.塞姆佩, E.瓦夫芬施米特, D.W.范戈?duì)? H.T.范德贊登 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司