【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及無(wú)線電源輸送技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于進(jìn)行無(wú)線電源傳輸?shù)囊苿?dòng)設(shè)備。

背景技術(shù)：

由于以不使用電纜或連接器的簡(jiǎn)便方式傳輸電源(power)，無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)(wirelesspowertransfersystems，wpts)變得越來(lái)越受歡迎。當(dāng)前在產(chǎn)業(yè)中使用的wpts可分為兩種主要的類型：磁感應(yīng)(magneticinduction，mi)系統(tǒng)和磁諧振(magneticresonance，mr)系統(tǒng)。這兩種類型的系統(tǒng)均包括無(wú)線電源發(fā)射機(jī)(wirelesspowertransmitter)和無(wú)線電源接收機(jī)(wirelesspowerreceiver)。這兩種類型的系統(tǒng)可被用于為處于其他應(yīng)用中的移動(dòng)設(shè)備(例如，智能電話、平板電腦，)供電或充電。

感應(yīng)式wpts系統(tǒng)通常操作在指定的幾百赫茲的頻率范圍，其使用頻率變化作為電源流控制機(jī)制。磁諧振wpts系統(tǒng)通常操作在單諧振頻率，其使用輸入電壓調(diào)節(jié)(regulation)來(lái)調(diào)節(jié)輸出電源。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，磁諧振wpts系統(tǒng)操作在6.78mhz的頻率。

許多產(chǎn)業(yè)委員會(huì)，已致力于為基于無(wú)線電源傳輸?shù)南M(fèi)產(chǎn)品推進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開了移動(dòng)設(shè)備，可允許無(wú)線電源發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電/磁場(chǎng)到達(dá)該移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的無(wú)線電源接收機(jī)的接收線圈。

本發(fā)明提供的一種移動(dòng)設(shè)備，可包括：外殼，所述外殼包括導(dǎo)電區(qū)域；以及無(wú)線電源接收機(jī)，所述無(wú)線電源接收機(jī)包括接收線圈，該接收線圈用于通過(guò)所述導(dǎo)電區(qū)域接收無(wú)線電源；其中，所述導(dǎo)電區(qū)域的厚度小于δ/10，其中，δ為所述導(dǎo)電區(qū)域在提供所述無(wú)線電源的電磁信號(hào)的主要頻率下的趨膚深度。

由上可知，本發(fā)明所提供的移動(dòng)設(shè)備的外殼上包括導(dǎo)電區(qū)域，無(wú)線電源接收機(jī)的接收線圈可通過(guò)所述導(dǎo)電區(qū)域接收無(wú)線電源?；诖?，本發(fā)明實(shí)施例可允許無(wú)線電源發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電/磁場(chǎng)到達(dá)該移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的無(wú)線電源接收機(jī)的接收線圈。

【附圖說(shuō)明】

圖1a示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在175khz的無(wú)線電源傳輸頻率下的b-場(chǎng)(b-field)的透明度。

圖1b示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在6.78mhz的無(wú)線電源傳輸頻率下的b-場(chǎng)的透明度。

圖2a和圖2b分別示出移動(dòng)設(shè)備1a的側(cè)視圖和后視圖。

圖3a和圖3b依據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別示出移動(dòng)設(shè)備1b的側(cè)視圖和后視圖。

圖4a和圖4b依據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別示出移動(dòng)設(shè)備1c的側(cè)視圖和后視圖。

圖5示出用于機(jī)械地支撐較薄的導(dǎo)電層的多個(gè)肋骨。

圖6示出包括無(wú)線電源發(fā)射機(jī)21和無(wú)線電源接收機(jī)3的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)。

【具體實(shí)施方式】

金屬后蓋(metalbackcover)為移動(dòng)電子設(shè)備(例如，智能電話和平板電腦)的通用特征。不幸的是，由于金屬后蓋旨在使移動(dòng)設(shè)備內(nèi)部的電子器件避開電磁場(chǎng)，因此金屬后蓋也阻止了使用電磁波將無(wú)線電源傳輸給所述移動(dòng)設(shè)備。

本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)并了解到，如果金屬后蓋的厚度實(shí)質(zhì)上小于用于無(wú)線電源傳輸?shù)念l率下的趨膚深度(skindepth)，對(duì)于無(wú)線電源發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)而言，金屬后蓋將大體上為透明的。一種材料的趨膚深度δ可由下面的等式給出，其中，f為頻率，μ為所述材料的導(dǎo)磁率(magneticpermeability)，σ為所述材料的導(dǎo)電率(electricalconductivity)。

需要較大的趨膚深度來(lái)增強(qiáng)通過(guò)金屬后蓋傳輸電磁場(chǎng)的傳輸性能。要得到δ>>t的條件，也即，趨膚深度δ遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬后蓋的厚度t，金屬后蓋的導(dǎo)電率和/或厚度t需選擇為足夠小。

下面的表1列出了多個(gè)用于形成金屬后蓋的材料的導(dǎo)電率以及這些材料在兩個(gè)常用于進(jìn)行無(wú)線電源傳輸?shù)念l率下的趨膚深度，所述兩個(gè)常用的頻率為175khz和6.78mhz。

表1

如上所示，由于不銹鋼的導(dǎo)電率較低，相較于鋁或銅，不銹鋼將具有更高的趨膚深度。除不銹鋼之外，鎳為另一種合適的材料。但是，如果金屬后蓋做得足夠薄，也可以使用鋁或銅。

執(zhí)行多個(gè)仿真來(lái)評(píng)估電磁場(chǎng)通過(guò)不同材料的金屬層和不同厚度的金屬層時(shí)的衰減。圖1a示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在175khz的無(wú)線電源傳輸頻率下的b-場(chǎng)(b-field)的透明度。術(shù)語(yǔ)“透明度”是指b-場(chǎng)在金屬材料層的任意一個(gè)面上的比率。如圖1a所示，由于不銹鋼具有更大的趨膚深度，在相同的厚度下，不銹鋼的透明度優(yōu)于鋁的透明度。圖1a中還示出了鋁和不銹鋼的趨膚深度。當(dāng)金屬層的厚度小于δ/40，b-場(chǎng)的絕大部分可通過(guò)所述金屬層。在δ/20和δ/10時(shí)可獲得低程度的透明度，它們可用于一些應(yīng)用中。在175khz，當(dāng)使用鋁材料，要使50％的b-場(chǎng)通過(guò)金屬層，金屬層的厚度需要小于或等于10微米(μm)，當(dāng)使用不銹鋼材料，要使50％的b-場(chǎng)通過(guò)金屬層，金屬層的厚度需要小于或等于100微米(μm)。圖1b示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在6.78mhz的無(wú)線電源傳輸頻率下的b-場(chǎng)的透明度。圖1b可獲得與圖1a定性地相似的結(jié)果。再一次，當(dāng)金屬層的厚度小于δ/40，b-場(chǎng)的絕大部分可通過(guò)所述金屬層。在圖1b中，由于頻率更高，因此要獲得175khz所能看到的相同透明度需要更薄的金屬層厚度。在6.78mhz，當(dāng)使用鋁材料，要使50％的b-場(chǎng)通過(guò)金屬層，金屬層的厚度需要小于或等于1-2微米(μm)，當(dāng)使用不銹鋼材料，要使50％的b-場(chǎng)通過(guò)金屬層，金屬層的厚度需要小于或等于10-20微米(μm)。在一些實(shí)施例中，金屬層的厚度將選擇為低于δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低。在一些實(shí)施例中，金屬層的厚度可大于0.01微米，例如，大于0.1微米或大于1微米。

圖2a和圖2b分別示出移動(dòng)設(shè)備1a的側(cè)視圖和后視圖，所述移動(dòng)設(shè)備1a的外殼10的背面(back)上包括導(dǎo)電層2。導(dǎo)電層2跨越所述移動(dòng)設(shè)備的所述背面區(qū)域的大部分區(qū)域。導(dǎo)電層2可包括金屬，且足夠厚，以及具有足夠的導(dǎo)電率以阻止無(wú)線電源通過(guò)其傳輸。如圖2a和圖2b所示，所述移動(dòng)設(shè)備可包括無(wú)線電源接收機(jī)3，所述無(wú)線電源接收機(jī)3包括接收線圈4。無(wú)線電源接收機(jī)3用于從接收線圈4接收交流信號(hào)，并處理所述交流信號(hào)以產(chǎn)生直流電壓，作為舉例，所述直流電壓可用于對(duì)移動(dòng)設(shè)備1a的電池進(jìn)行充電和/或?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備1a本身供電。為了使電和/或磁場(chǎng)能傳輸至接收線圈4，移動(dòng)設(shè)備1a的背面可包括對(duì)電和/或磁場(chǎng)增加了透明度的導(dǎo)電區(qū)域5。導(dǎo)電區(qū)域5可作為允許無(wú)線電源發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電和/或磁場(chǎng)通過(guò)移動(dòng)設(shè)備1a的背面到達(dá)無(wú)線電源接收機(jī)3的接收線圈4的透明的“窗口”。如前所述，導(dǎo)電區(qū)域5可為金屬。適宜作為導(dǎo)電區(qū)域5的金屬可包括不銹鋼、鎳、鋁和銅。但是，本發(fā)明實(shí)施例所述的移動(dòng)設(shè)備并不限于使用上述材料作為導(dǎo)電區(qū)域5。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域5的厚度(沿圖2a的水平方向)可低于δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低，其中，δ為導(dǎo)電區(qū)域5的趨膚深度。在一些實(shí)施例中，有別于導(dǎo)電層2，導(dǎo)電區(qū)域5將覆蓋接收線圈4的至少50％的區(qū)域(從移動(dòng)設(shè)備的后面看)，以促進(jìn)無(wú)線電源傳輸至接收線圈4。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域5可覆蓋接收線圈4(從移動(dòng)設(shè)備的后面看)的至少75％、至少90％，以至于100％的區(qū)域。導(dǎo)電區(qū)域5可與接收線圈對(duì)準(zhǔn)以促成導(dǎo)電區(qū)域5和接收線圈4在區(qū)域上的重疊。如圖2b所示，在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域5可延伸至接收線圈的區(qū)域外。

本發(fā)明所描述的移動(dòng)設(shè)備可為任意適宜類型的移動(dòng)設(shè)備，例如，智能電話、平板電腦、或可穿戴設(shè)備(例如，智能手表)等。這樣的移動(dòng)設(shè)備的前端包括用戶接口9，例如，觸摸屏。所述移動(dòng)設(shè)備的外殼可由任意類型的材料形成，并可為所述移動(dòng)設(shè)備提供結(jié)構(gòu)完整性。在所述移動(dòng)設(shè)備的背后，所述外殼的表面可包括一層金屬層，所述金屬層可使用戶在所述移動(dòng)設(shè)備背后感知和看到金屬。在一些實(shí)施例中，本發(fā)明所述描述的實(shí)施例中，可在維持金屬后蓋的感覺(jué)和視覺(jué)的前提下使無(wú)線電源通過(guò)所述移動(dòng)設(shè)備的背面進(jìn)行傳輸。

圖3a和圖3b依據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別示出移動(dòng)設(shè)備1b的側(cè)視圖和后視圖。在移動(dòng)設(shè)備1b中，形成無(wú)線電源接收機(jī)3的接收線圈14的導(dǎo)電材料與導(dǎo)電層2的導(dǎo)電材料相同(例如，在相同層)。所述移動(dòng)設(shè)備的后表面上的隔離區(qū)域(絕緣區(qū)域)15將接收線圈14和導(dǎo)電層2隔開。所述移動(dòng)設(shè)備的后表面上的隔離區(qū)域16將接收線圈14和導(dǎo)電區(qū)域5隔開。類似于移動(dòng)設(shè)備1a，導(dǎo)電區(qū)域5可作為允許無(wú)線電源發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電和/或磁場(chǎng)通過(guò)所述移動(dòng)設(shè)備1b的背面到達(dá)接收線圈14的透明的窗口。

圖4a和圖4b依據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例分別示出移動(dòng)設(shè)備1c的側(cè)視圖和后視圖。在移動(dòng)設(shè)備1c中，導(dǎo)電區(qū)域5跨越的區(qū)域比其在移動(dòng)設(shè)備1a和1b中所跨越的區(qū)域大。在移動(dòng)設(shè)備1c中，導(dǎo)電區(qū)域5將跨越所述移動(dòng)設(shè)備的背面的大部分區(qū)域，且移動(dòng)設(shè)備1c的后表面上沒(méi)有導(dǎo)電層2。因此，無(wú)線電源發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的電和/或磁場(chǎng)可通過(guò)導(dǎo)電區(qū)域5通過(guò)所述移動(dòng)設(shè)備1c的背面。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域5的厚度可低于δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低，其中，δ為導(dǎo)電區(qū)域5的趨膚深度。

為提供機(jī)械穩(wěn)固性，作為選擇，導(dǎo)電區(qū)域5可設(shè)置在非導(dǎo)電支撐6上。支撐6可由任意適宜的材料形成，例如，塑料。但是，支撐6是可選的而非必須的。在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域5可設(shè)置為足夠小，以便其不會(huì)影響外殼的機(jī)械穩(wěn)固性，但是其仍大到可促進(jìn)無(wú)線電源的傳輸。例如，在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)域5的區(qū)域可小于接收線圈4所包圍的區(qū)域的150％或120％。在一些實(shí)施例中，零個(gè)、一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電支撐或肋骨橫跨導(dǎo)電區(qū)域5。肋骨11可為導(dǎo)電或非導(dǎo)電材料的拉長(zhǎng)版本。在一些實(shí)施例中，肋骨11與導(dǎo)電材料2可通過(guò)相同的材料形成且具有相同的厚度，例如從移動(dòng)設(shè)備的后視圖所看到的導(dǎo)電區(qū)域5上所覆蓋的肋骨11。如果肋骨11導(dǎo)電，則它們將以避免窗口5中形成閉路回路的圖形設(shè)置以避免產(chǎn)生渦流。作為舉例，圖5中示出的肋骨11具有不會(huì)在窗口5中形成閉路回路的星形形狀。但是，在一些實(shí)施例中，肋骨11可由不導(dǎo)電材料形成，例如，塑料。肋骨可應(yīng)用在本發(fā)明所述的任意實(shí)施例中，例如，圖2和圖3所示的實(shí)施例。此外，肋骨可設(shè)置為任意的圖形，而不限于星形。

圖6示出包括無(wú)線電源發(fā)射機(jī)21和無(wú)線電源接收機(jī)3的無(wú)線電源傳輸系統(tǒng)。無(wú)線電源發(fā)射機(jī)21包括驅(qū)動(dòng)電路27，驅(qū)動(dòng)電路27包括反相器23，反相器23通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)26驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈30。無(wú)線電源發(fā)射機(jī)21可包括穩(wěn)定的電壓源22(例如，穩(wěn)壓器)用于向反相器23提供穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)定的電壓源22根據(jù)控制器25輸出的控制刺激產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出電壓。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電路27可為d類或e類放大器，用于將反相器23的輸入端的直流電壓轉(zhuǎn)換為交流輸出電壓以驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈30。交流輸出電壓的產(chǎn)生使得無(wú)線電源可通過(guò)電磁感應(yīng)進(jìn)行傳輸。控制器25可控制信號(hào)發(fā)生器29使用選擇的無(wú)線電源傳輸頻率的信號(hào)驅(qū)動(dòng)反相器23。作為舉例，根據(jù)對(duì)應(yīng)于低qi接收機(jī)的qi規(guī)范，反相器23在100-205khz之間的一個(gè)頻率發(fā)生切換以將電源傳輸至期望接收無(wú)線電源的無(wú)線電源接收機(jī)，以及，對(duì)于中電源qi接收機(jī)，反相器23可在80-300khz之間的一個(gè)頻率發(fā)生切換來(lái)傳輸電源。反相器23可在更高的頻率發(fā)生切換，例如位于ism頻帶(例如，6.765mhz-6.795mhz)內(nèi)的大于1mhz的頻率，以使用磁諧振技術(shù)將電源傳輸給設(shè)計(jì)為接收無(wú)線電源的接收器。然而，這里所列舉的頻率僅是舉例，因?yàn)闊o(wú)線電源可依照任意適宜的規(guī)范在各種合適的頻率上進(jìn)行傳輸?？刂破?5可為模擬電路或數(shù)字電路?？刂破?5可為可編程的，且可命令信號(hào)發(fā)生器29根據(jù)存儲(chǔ)的程序指令在期望的傳輸頻率產(chǎn)生信號(hào)，以便反相器23可在所述期望的傳輸頻率發(fā)生切換。匹配網(wǎng)絡(luò)26可通過(guò)向反相器23展現(xiàn)合適的阻抗來(lái)促進(jìn)無(wú)線電源的傳輸。匹配網(wǎng)絡(luò)可包括一個(gè)或多個(gè)電容性或電感性組件或者它們的任意適宜的組合。由于發(fā)射線圈30可具有電感性阻抗，因此，在一些實(shí)施例中，匹配網(wǎng)絡(luò)26可包括一個(gè)或多個(gè)電容性組件，當(dāng)這些電容性組件和發(fā)射線圈30的電感性阻抗結(jié)合時(shí)，在反相器23的輸出端展現(xiàn)適合驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的發(fā)射線圈的阻抗。在一些實(shí)施例中，匹配網(wǎng)絡(luò)26的諧振頻率可設(shè)置為等于或約等于反相器23的切換頻率?？赏ㄟ^(guò)任何適宜類型的導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)發(fā)射線圈30。所述導(dǎo)體可為導(dǎo)線，例如，單導(dǎo)線或絞和線，或者可為圖案化的導(dǎo)體，例如，印刷電路板或集成電路的圖案化的導(dǎo)體。

發(fā)射線圈30中的交流電流依照安培法則產(chǎn)生振蕩磁場(chǎng)。所述振蕩磁場(chǎng)根據(jù)法拉第法則將交流電壓感應(yīng)至無(wú)線電源接收機(jī)3的接收線圈4和14。接收線圈4和14所感應(yīng)的所述交流電壓通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)33提供給整流器34以產(chǎn)生未調(diào)節(jié)的直流電壓。整流器34可為同步整流器或由二極管實(shí)現(xiàn)。未調(diào)節(jié)的直流電壓通過(guò)直流/直流轉(zhuǎn)換器35調(diào)節(jié)，所述直流/直流轉(zhuǎn)換器35的輸出被濾波后作為輸出電壓vout提供給負(fù)載。在一些可選的實(shí)施例中，直流/直流轉(zhuǎn)換器35可替換為線性穩(wěn)壓器或電池充電器，或者可從電路中去掉。

在本發(fā)明中，描述“無(wú)線電源傳輸?shù)念l率”和類似的描述指的是使用電磁信號(hào)傳輸無(wú)線電源的主要頻率(primaryfrequency)。在主要頻率下，電源的傳輸量可達(dá)到最大。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，當(dāng)在特定頻率下無(wú)線地傳輸電源，在較低的電源等級(jí)處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)諧波(harmonics)。所述諧波可能位于比基本頻率高數(shù)倍的高頻處。由于趨膚深度取決于頻率，因此，諧波處的趨膚深度與基本頻率處的趨膚深度不同。由于基本頻率是傳輸無(wú)線電源的主要頻率，在選擇材料的厚度和/或類型以便允許無(wú)線電源傳輸時(shí)，相較于諧波處的趨膚深度，基本頻率處的趨膚深度是最為重要的標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明所述描述的裝置和技術(shù)的各部分可獨(dú)立使用，或合并使用，或以本發(fā)明前面并未描述的其他方式使用，因此，本發(fā)明不限于前面所描述的或附圖所示出的組件的應(yīng)用或排布。例如，一個(gè)實(shí)施例中描述的部件也可與其他實(shí)施例描述的部件以任何方式進(jìn)行組合。

權(quán)利要求書中用以修飾元件的“第一”、“第二”，“第三”等序數(shù)詞的使用本身未暗示任何優(yōu)先權(quán)、優(yōu)先次序、各元件之間的先后次序、或所執(zhí)行方法的時(shí)間次序，而僅用作標(biāo)識(shí)來(lái)區(qū)分具有相同名稱(具有不同序數(shù)詞)的不同元件。

在說(shuō)明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來(lái)指稱特定的組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會(huì)用不同的名詞來(lái)稱呼同一個(gè)組件。本說(shuō)明書及權(quán)利要求并不以名稱的差異來(lái)作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來(lái)作為區(qū)分的準(zhǔn)則。在通篇說(shuō)明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”及“包括”為一開放式的用語(yǔ)，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”?！按篌w上”是指在可接受的誤差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問(wèn)題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接于該第二裝置，或通過(guò)其它裝置或連接手段間接地電性連接至該第二裝置。以下所述為實(shí)施本發(fā)明的較佳方式，目的在于說(shuō)明本發(fā)明的精神而非用以限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。

本發(fā)明雖以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明的范圍，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可做些許的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。