Система беспроводной зарядки и ее применение для зарядки мобильных и переносных устройств

Система беспроводной зарядки и ее применение для зарядки мобильных и переносных устройств

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

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

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

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

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

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

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

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

Раскрытие изобретения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура передающей катушки индуктивности определяется следующим образом:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Настоящее изобретение обеспечивает следующие главные усовершенствования:

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

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

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

Краткое описание чертежей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Осуществление изобретения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1Зависимость параметров передающего (TX) и приемного (RX) блоков от вариантов исполнения экранирующего элемента

Имяпараметра