TWI738029B - 無線功率傳輸系統之異物偵測技術 - Google Patents
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Abstract
對無線功率發送器來說，利用基準Q因子和測量得到的Q因子能夠執行異物偵測。基準Q因子和測量得到的Q因子被比較，以確定是否存在異物。該比較是根據一個或多個附加參數調整的。
Description
本文描述的技術通常涉及無線電力傳送，以及具體地涉及在無線功率發送器(wireless power transmitter)產生的場(field)中進行異物偵測。
無線功率傳輸系統(Wireless Power Transfer Systems，WPTS)作為一種無需電線或連接器即可傳送電力的便捷方式而越來越受歡迎。目前行業中正在開發的WPTS可以分為兩大類：磁感應(magnetic induction，MI)系統和磁諧振(magnetic resonance，MR)系統。這兩種類型的系統都包括無線功率發送器和無線功率接收器(wireless power receiver)。這樣的系統可以用於為諸如智能手機或平板電腦之類的行動裝置供電或為其充電。這樣的行動裝置包括無線功率接收器，該無線功率接收器能夠具有通過無線功率發送器無線地傳送到其上的電力。例如，在無線充電期間，無線功率發送器可位於墊子(pad)內或檯面(stand)上，其上可以放置行動裝置。
感應式WPTS利用頻率變化作為功率流控制機制，通常操作在幾百千赫茲的分配頻率範圍內。
MR WPTS利用輸入電壓調節器來調節輸出功率，通常操作在單個的諧振頻率上。在典型應用中，MR WPTS操作在6.78MHz的頻率上。
幾個行業委員會一直在努力開發基於無線功率傳輸用於消費產品的國際標準。
一些實施例涉及一種針對無線功率發送器和無線功率接收器之間的無線功率傳輸執行異物偵測的方法，該方法包括：無線功率發送器測量包括該無線功率發送器和該無線功率接收器在內的系統的品質因子(Q-factor，Q因子)，以產生Q因子測量值(Q-factor measurement)；該無線功率發送器從該無線功率接收器接收基準Q因子(reference Q-factor)；以及，通過比較該基準Q因子和該Q因子測量值來確定是否存在異物，其中，該比較是考慮以下一項或多項進行的：該無線功率發送器存儲的參數；以及，從該無線功率接收器接收到的參數。
該比較是在考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的。
該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；參考無線功率發送器在該參考無線功率發送器沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，參考無線功率發送器在沒有加載無線功率接收器時的電感值與該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值之比；其中，該參考無線功率發送器是用來測量該基準Q因子的無線功率發送器。
該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值是利用兩種以上類型的無線功率接收器所表現出的電感值的平均值。
該比較是在考慮從該無線功率接收器接收到的參數的情況下進行
的。
從該無線功率接收器接收到的參數包括：參考無線功率發送器在加載有該無線功率接收器時的諧振頻率。
該比較是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，以及，該無線功率發送器存儲的參數包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
該無線功率發送器存儲的參數還包括以下一項或多項：該無線功率發送器在該無線功率發送器沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子。
該比較是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，其中，該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：在該參考無線功率發送器沒有加載無線功率接收器時該參考無線功率發送器的Q因子；以及，該無線功率發送器在利用諧振電容終止且該無線功率發送器沒有加載無線功率接收器時該無線功率發送器的諧振頻率。
該無線功率發送器存儲的參數還包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
該方法還包括：基於確定出的是否存在異物，允許或禁止無線功率傳輸或調整所傳送的功率電平，或與該無線功率接收器通訊。
該方法還包括：在該確定之前，評估該Q因子測量值，以確定是否存在無線功率接收器；其中，在確定出存在無線功率接收器的情況下執行確定是否存在異物的操作。
該Q因子測量值是通過部分考慮該無線功率發送器測量Q因子的
諧振頻率進行的。
該方法還包括：當確定出存在無線功率接收器時，在從該無線功率接收器接收該基準Q因子之前，增大該無線功率發送器產生的場的強度。
一些實施例涉及一種用於無線功率發送器的控制器，包括：電路，該電路被配置為：測量系統的Q因子，以產生Q因子測量值，該系統包括該無線功率發送器和無線功率接收器；接收該無線功率接收器的基準Q因子；以及，通過比較該基準Q因子和該Q因子測量值來確定是否存在異物，其中，該比較是考慮以下一項或多項進行的：該無線功率發送器存儲的參數；以及，從該無線功率接收器接收到的參數。
該比較是在考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的。
該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，參考無線功率發送器在沒有加載無線功率接收器時的電感值與該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值之比；其中，該參考無線功率發送器是用來測量該基準Q因子的無線功率發送器。
該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值是利用兩種以上類型的無線功率接收器所表現出的電感值的平均值。
該比較是在考慮從該無線功率接收器接收到的參數的情況下進行的。
從該無線功率接收器接收到的參數包括：參考無線功率發送器在加載有該無線功率接收器時的諧振頻率。
該比較是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，其中，該無線功率發送器存儲的參數包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
該無線功率發送器存儲的參數還包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子。
該比較是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，其中，該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，該無線功率發送器在利用諧振電容終止且該無線功率發送器沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
該無線功率發送器存儲的參數還包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
該電路被配置為：基於確定出的是否存在異物，允許或禁止無線功率傳輸或調整所傳送的功率電平，或與該無線功率接收器通訊。
該電路被配置為：在該確定之前，評估該Q因子測量值，以確定是否存在無線功率接收器；其中，在確定出存在無線功率接收器的情況下執行確定是否存在異物的操作。
該Q因子測量值是通過部分考慮該無線功率發送器測量Q因子的諧振頻率進行的。
該電路被配置為：當確定出存在無線功率接收器時，在從該無線功率接收器接收該基準Q因子之前，增大該無線功率發送器產生的場的強度。
一些實施例涉及一種無線功率發送器，包括控制器，該控制器被配置為：測量系統的Q因子，以產生Q因子測量值，該系統包括該無線功率發送器和無線功率接收器；接收該無線功率接收器的基準Q因子；以及，通過比較該基準Q因子和該Q因子測量值來確定是否存在異物，其中，該比較是考慮以下一項或多項進行的：該無線功率發送器存儲的參數；以及，從該無線功率接收器接收到的參數。
以上發明內容是通過示例的方式提供的，並且不旨在進行限制。
100:無線電力系統
1:無線功率發送器
11:無線功率接收器
19:存儲裝置
201、202、203、204、205、206:步驟
2:穩壓源
7:驅動電路
3:逆變器
6、13:匹配網絡
9:信號發生器
5:控制器
10:發射線圈
12:接收線圈
14:整流器
15:DC/DC轉換器
在附圖中，在各個附圖中示出的每個相同或幾乎相同的組件由相同的附圖標記表示。為了清楚起見，並非每個組件都在每個附圖中標記。附圖不一定按比例繪製，而是著重於說明本文描述的技術和裝置的各個方面。
第1圖示出了無線電力系統的框圖，該無線電力系統包括無線功率發送器和無線功率接收器，無線功率接收器向無線功率發送器提供基準Q因子(reference Q-factor)和可選地提供基準頻率(reference frequency)，以用於異物偵測(foreign object detection，FOD)。
第2圖根據一些實施例示出了一種執行異物偵測的方法的流程圖。
第3圖示出了包括無線功率發送器和無線功率接收器的無線電力系統的框圖。
第4圖示出了校準資料，其是在沒有異物存在的情況下利用加載有各種類型的無線功率接收器(被標記為1-5)(例如，行動裝置)的參考發送器測量得到的Q因子。
第5圖示出了原始資料，其是在存在無線功率接收器1-5而沒有異物存在的情
況下在實際的無線功率發送器(類型1)上測量得到的Q因子。
第6圖示出了與第5圖類似的圖，但用於類型2的實際的無線功率發送器。
無線功率傳輸會因無線功率發送器產生的場中存在異物而降低。諸如金屬物體之類的導電物體由於在導電物體中引起渦流而吸收功率。這種物體的存在會大大降低無線功率傳輸的效率。如果存在金屬物體，則效率會大大降低(例如，從90%降至40%)。此外，由於吸收功率，物體的溫度顯著升高，這是不希望的。已經開發出無線功率接收器針對無線功率傳輸測量品質因子(quality factor，Q-fact，Q因子)來感測異物的存在的技術。根據這樣的技術，由於異物的存在會降低系統的Q因子，因此，測量該Q因子能夠用來確定是否存在異物。如果Q因子在可接受範圍之外，則確定出存在異物，以及，無線功率傳輸被禁用(disabled)。另一方面，如果Q因子在可接受的範圍內，則確定出不存在異物，以及，無線功率傳輸被允許。為了確定出測量得到的Q因子是否在可接受的範圍內，一種技術是無線功率接收器存儲用於無線功率接收器的基準Q因子(reference Q-factor)。無線功率接收器的基準Q因子是已利用參考無線功率發送器(reference wireless power transmitter)測得的。為了執行異物偵測，無線功率接收器將其基準Q因子發送至無線功率發送器。無線功率發送器將基準Q因子與無線功率發送器測量得到的Q因子進行比較。如果基準Q因子和測量得到的Q因子彼此足夠接近(例如，在一閾值量之內)，則確定出不存在異物。然而，如果基準Q因子和測量得到的Q因子彼此之間不是足夠接近，則確定出存在異物。
本發明人已經認識並意識到，上述用於偵測異物的技術在某些情況下無法準確地偵測到是否存在異物。例如，如果無線功率發送器測量Q因子的頻率不同於確定基準Q因子的頻率，則基準Q因子和測量得到的Q因子之間的比較不是合適的比較，因為Q因子會隨系統的諧振頻率(resonant frequency)變化。一種技術涉及以100kHz的頻率測量基準Q因子。發明人已經意識到，在實踐中，當無線功率發送器在存在無線功率接收器的情況下測量Q因子時，諧振頻率在90-110kHz的範圍內，例如，可從測量無線功率接收器的基準Q因子的頻率(100kHz)處變化。
發明人已經意識到，當比較基準Q因子與測量得到的Q因子時，可以通過考慮(taking into account)附加資訊來提高異物偵測的準確度。例如，該附加資訊可以是無線功率接收器、無線功率發送器和/或被用來測量基準Q因子的參考無線功率發送器的一個或多個參數。一個或多個參數被存儲在無線功率發送器中，並在表達式(expression)或方程式(equation)中進行評估(evaluated)，以對基準Q因子和測量得到的Q因子執行調整後的比較(adjusted comparison)。對基準Q因子和測量得到的Q因子執行調整後的比較能夠提高異物偵測的準確度。
第1圖示出了包括無線功率發送器1和無線功率接收器11的無線電力系統100的框圖。無線功率發送器1和無線功率接收器11通過帶內(in-band)或帶外(out of band)通訊彼此通訊。本文描述的技術不限於用於傳輸該資訊的通訊技術。在無線功率發送器1開始(initiate)無線功率傳輸之前，無線功率接收器11將參考資訊(reference information)發送給無線功率發送器1。該參考資訊包括基準Q因子(QREF.MD)。可選地，該參考資訊還包括基準頻率(fREF.MD)，
該基準頻率是參考發送器在具有被安裝在充電位置中的無線功率接收器11時的自諧振頻率(self-resonant frequency)。
在一些實施例中，基準Q因子和/或基準頻率已經在校準過程中測得並且被存儲在無線功率接收器11的至少一個存儲裝置19中，存儲裝置19可以是任何合適類型的計算機可讀存儲裝置，例如記憶體或寄存器。該校準過程是由具有已知參數的參考無線功率發送器或由諸如LCR儀表的測量設備執行的。LCR儀表通常在固定頻率下同時執行Q因子和線圈電感(coil inductance)的測量。此頻率不同於測試發送器(test transmitter)所呈現的自激振蕩頻率(self-oscillating frequency)，因此，Q因子的測量值需要被歸一化(normalized)以進行比較。然而，本文描述的技術對用於測量無線功率接收器的基準頻率和基準Q因子的技術不做限制。
無線功率發送器1執行測量，以測量包括無線功率發送器1和無線功率接收器11的系統100的Q因子。測量得到的Q因子是QPR.MD.FO。可以使用用於測量Q因子的任何合適的技術，其中一些是本領域已知的，以及，本文通過示例方式描述了其中的一些。在一些實施例中，為了測量Q因子，可以將無功率傳輸時間窗(no-power transfer time window)合併到無線功率發送器操作例程(operating routine)中。
第2圖根據一些實施例示出了執行異物偵測(FOD)的方法的流程圖。舉例來說，第2圖的方法可由無線功率發送器的控制器執行。
在步驟201中，無線功率發送器1針對無線功率傳輸測量Q因子。該測量是在無線功率接收器與無線功率發送器通訊之前進行的。可以通過以相對較低的能量激勵(energize)無線功率發送器的發射線圈(transmit coil)來
進行該測量，該能量低於將激勵無線功率接收器的能量的電平。這樣的測量能夠有助於確定是否存在無線功率接收器。無線功率發送器的控制器控制這樣的測量。可以使用多種合適的測量技術中的任何一種，例如，時域測量或頻域測量。合適的測量的示例在Muratov等人的美國公開專利申請2018/0241257中進行了描述，在此合併參考該申請案的全部內容。
在步驟202中，基於測量得到的Q因子來確定是否存在潛在的(potential)無線功率接收器，或者，基於測量得到的Q因子而沒有來自無線功率接收器的任何參考資訊來確定是否存在異物。例如，相對于沒有負載的(unloaded)無線功率發送器的情形，該Q因子的適度改變(moderate change)可能表明存在潛在的無線功率接收器。而該Q因子的顯著改變(significant change)可能表明存在異物。例如，如果測量得到非常低的Q因子，則這表明存在異物。如果確定出存在異物或沒有偵測到潛在的無線功率接收器，則該過程從頭開始。無線功率發送器以此方式重複執行測量，直到檢測到潛在的無線功率接收器。
在步驟203中，如果偵測到潛在的無線功率接收器，則無線功率發送器增大發射功率，以嘗試激勵無線功率接收器並發起通訊。如果存在無線功率接收器，則在無線功率發送器和無線功率接收器之間啟動通訊。然後，他們可以交換資訊，以及，無線功率接收器提供其參考資訊，以執行更深入的(more fine-grained)異物偵測技術。
在步驟204中，無線功率發送器接收無線功率接收器的基準Q因子以及可選地接收無線功率接收器的基準頻率(例如，由控制器透過無線功率發送器的通訊介面接收)。如上所述，例如，可從無線功率接收器接收基準Q因
子和/或基準頻率。可以使用任何適當的通訊技術來發送資訊，例如無線通訊。
在步驟205中，鑑於附加資訊(例如，無線功率接收器、無線功率發送器和/或用來測量該基準Q因子的參考無線功率發送器的一個或多個參數)，在基準Q因子和測量得到的Q因子之間執行調整後的比較。此類參數是從無線功率接收器接收到的或是被存儲在無線功率發送器中的(例如，在製造和/或編程時)。該參數與基準Q因子、測量得到的Q因子一起進行評估(evaluate)，以及，該參數被作為表達式或方程式進行評估，以對基準Q因子和測量得到的Q因子執行調整後的比較。
在步驟206中，基於該比較來確定是否存在異物。例如，如果在調整一個或多個附加參數之後，該比較表明基準Q因子和測量得到的Q因子彼此相似(are similar to one another)，則可以確定出不存在異物。如果在調整一個或多個附加參數之後，該比較表明基準Q因子和測量得到的Q因子彼此不相似(are not similar to one another)，則可以確定出存在異物。如果確定出不存在異物，則允許無線功率發送器發起或繼續無線功率傳輸，或者允許無線功率發送器增大無線功率傳輸的功率電平。如果確定出存在異物，則阻止(prevent)無線功率發送器發起或繼續無線功率傳輸，或者控制無線功率發送器降低無線功率傳輸的功率電平。
調整後的比較的示例
可以以各種合適的方式並利用許多不同的參數來執行測量得到的Q因子和基準Q因子之間的調整後的比較，下面描述其示例。首先提供方程式和表達式中使用的參數的列表，然後提供調整後的比較的幾個示例。應當理解，這些是示例，以及，可以對該比較進行各種適當的調整。
參數說明
QPR.MD.FO--無線功率發送器1在加載有無線功率接收器11且存在預期的異物時的Q因子的測量值。
QREF.C--無載的參考無線功率發送器的參考線圈的Q因子。
fREF.C--測量QREF.C的頻率，或者，參考無線功率發送器的參考線圈在測量QREF.C時自激振蕩(self-oscillate)。
QREF.MD--參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器11且確定沒有異物時該參考無線功率發送器的參考線圈的Q因子。
fREF.MD--參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器11時該參考無線功率發送器的參考線圈的自諧振頻率(self-resonant frequency)。
QPR.C--無載的無線功率發送器1的Q因子。
fPR.C--實際的發送器1處於無載狀態并利用CPR終止(terminated)時的線圈自諧振頻率，CPR-諧振電容。
QPR.MD--無線功率發送器1在加載有無線功率接收器且沒有異物時
的Q因子。
fPR.MD--在存在有無線功率接收器11且沒有異物時，無線功率發送器1的發射線圈諧振的頻率。
餘量(margin)-Q因子“好”值(‘good’value)和“差”值(‘bad’value)之間的閾值差。可以具有正值或負值。
fPR.MD.FO--在存在有行動裝置和異物時，實際的發射線圈諧振的頻率。
例子1
異物偵測準則：
如果QPR.MD_FO<
-餘量，則存在FO。
公知參數：
QREF.C；fREF.C；基於對行動裝置(MD)的校準的參數，該參數是在參考公知線圈上執行的，並被從無線功率接收器發送到無線功率發送器：QREF.MD；fREF.MD；
無線功率發送器中可得到的參數：
通過設計--QPR.C；fPR.C；CPR；QPR.MD；fPR.MD；餘量；RATL；通過在無線功率發送器操作期間執行測量--QPR.MD.FO；fPR.MD.FO。
可選地比例方程式(Alternative Scaling Equations)
RATL-電感比。參考線圈的固有電感(native inductance)與加載有給定(given)行動裝置或具有代表數量的各種行動裝置的參考TX線圈的電感之比的平均值。
所示表達式的其它替代派生形式或簡化形式可用於實現相同或接近的結果。
例子2
代替
異物偵測準則：
如果QPR.MD.FO<
-餘量，則存在FO。
公知參數：
QREF.C；fREF.C；基於對行動裝置(MD)的校準的參數，該參數是在參考公知線圈上執行的，並被從無線功率接收器發送到無線功率發送器：QREF.MD；fREF.MD；
無線功率發送器中可得到的參數：
通過設計--QPR.C；fPR.C；CPR；QPR.MD；fPR.MD；餘量；通過在無線功率發送器操作期間執行測量--QPR.MD.FO；fPR.MD.FO。
例子3
通過參考線圈和實際的線圈的固有頻率之比對示例2進行附加校準：
異物偵測準則：
如果QPR.MD.FO<
-餘量，則存在FO。
公知參數：
QREF.C；fREF.C；基於對行動裝置(MD)的校準的參數，該參數是在參考公知線圈上執行的，並被從無線功率接收器發送到無線功率發送器：QREF.MD；fREF.MD；
無線功率發送器中可得到的參數：
通過設計--QPR.C；fPR.C；CPR；QPR.MD；fPR.MD；餘量；通過在無線功率發送器操作期間執行測量--QPR.MD.FO；fPR.MD.FO。
例子4
異物偵測準則：
如果QPR.MD.FO<
-餘量，則存在FO。
公知參數：
QREF.C；fREF.C；
基於對行動裝置(MD)的校準的參數，該參數是在參考公知線圈上執行的，並被從無線功率接收器發送到無線功率發送器：QREF.MD；fREF.MD；
無線功率發送器中可得到的參數：
通過設計--QPR.C；fPR.C；CPR；QPR.MD；fPR.MD；餘量；通過在無線功率發送器操作期間執行測量--QPR.MD.FO；fPR.MD.FO。
系統描述及Q因子和Fo測量
本文描述的技術和裝置使得能夠使用相對較低的功率電平來偵測異物。在一些實施例中，可以通過激勵和控制無線功率發送器的驅動電路並測量無線功率發送器中的瞬態的特性(characteristic of a transient)來執行偵測，以測量Q因子。基於瞬態特性，無線功率發送器能夠確定出在無線功率發送器產生的場中是否存在異物。然而，可以以任何合適的方式來測量Q因子，且不限於測量瞬態的特性。在一些實施例中，可以通過頻域測量或時域和頻域測量的組合來檢測Q因子。
第3圖示出了包括無線功率發送器1和無線功率接收器11的無線電力系統100的框圖。無線功率發送器1具有驅動電路7，驅動電路7包括逆變器3，逆變器3通過匹配網絡6驅動發射線圈10。無線功率發送器1包括穩壓源(regulated voltage source)2(例如，電壓調節器)，穩壓源2提供經調節的DC電壓給逆變器3。穩壓源2響應於來自控制器5的控制激勵(control stimulus)而產生經調節的DC輸出電壓。在一些實施例中，驅動電路7可以是D類或E類放大器，其將逆變器3的輸入處的DC電壓轉換成AC輸出電壓，以驅動發射線圈10。AC輸出電壓的產生使能通過電磁感應的無線功率傳輸。控制器5控
制信號發生器9，以利用所選擇的無線功率傳輸頻率的信號來驅動逆變器3。作為示例，逆變器3可在100與205kHz之間的頻率上切換，以將功率發送到無線功率接收器，該無線功率接收器被設計為根據用於低功率Qi接收器的Qi規範和用於中等功率Qi接收器的80-300kHz來接收無線功率。逆變器3可以在更高頻率上(諸如ISM頻帶內大於1MHz的頻率，如6.765MHz至6.795MHz)切換，以向被設計為使用MR技術接收無線功率的接收器發射功率。但是，這些頻率僅作為示例進行描述，因為根據任何合適的規範，無線功率可以以各種合適的頻率進行傳輸。控制器5可以是類比電路或數位電路。控制器5可以是可編程的，且可以命令信號發生器9基於所存儲的程序指令在期望的傳輸頻率上產生信號，從而逆變器3在該期望的傳輸頻率上進行切換。匹配網絡6通過向逆變器3呈現適當的阻抗來促進無線功率傳輸。(一個或多個)匹配網絡可以具有一個或多個電容性或電感性元件或電容性和電感性元件的任何適當的組合。由於發射線圈10具有電感性阻抗，因此在一些實施例中，匹配網絡6可以包括一個或多個電容性元件，當與發射線圈10的一個或多個阻抗相結合時，其向逆變器的輸出呈現適於驅動發射線圈10的阻抗。在一些實施例中，在無線功率傳輸期間，匹配網絡6的諧振頻率被設置為等於或近似等於逆變器3的切換頻率(switching frequency)。發射線圈10可以通過任何合適類型的導體來實現。該導體可以是導線，包括實心線或Litz線，或被圖案化的導體，例如PC板或集成電路的圖案化導體。
發射線圈10中的AC電流根據安培定律產生振盪磁場。振盪磁場根據法拉第定律將AC電壓感應到無線功率接收器11的接收線圈12中。在接收線圈12中感應出的AC電壓通過匹配網絡13提供給整流器14，整流器14產
生未調節的DC電壓。整流器14可以是同步整流器，或者可以使用二極管來實現。使用DC/DC轉換器15來調節未調節的DC電壓，該DC/DC轉換器的輸出被濾波並且作為輸出電壓Vout被提供給負載。在一些替代實施例中，DC/DC轉換器15能夠被線性調節器或電池充電器代替，或者完全省去。在一些實施例中，無線功率發送器1可具有通訊電路(例如，在控制器5內)，用於通過帶內通訊或帶外通訊與無線功率接收器11通訊。類似地，無線功率接收器11可具有用於與無線功率發送器1進行通訊的通訊電路。無線功率接收器11可向無線功率發送器1發送反饋資訊，該資訊指示無線功率接收器11處所需的功率或者在要提供的功率電平中的改變。作為響應，無線功率發送器1相應地增大或減少其功率輸出。無線功率發送器1可通過改變電壓驅動電平，所發送的信號的頻率或這兩者來控制發送的功率量。可以使用任何合適的功率控制技術。
如第3圖所示，如果導電的異物20進入無線功率發送器1的發射線圈10產生的場，則無線功率傳輸效率降低和/或導電的異物20會經歷明顯的加熱。舉例來說，導電的異物20的示例包括硬幣、回形針和鑰匙。
實驗資料
第4圖至第6圖示出了能夠提高區分不存在異物的情況和存在異物的情況的能力的示例計算。
第4圖示出了校準資料(calibration data)，該校準資料是參考發送器在加載有各種類型的無線功率接收器(例如，行動裝置)(標記為1-5)但沒有異物存在時測量得到的Q因子。還示出了該參考發送器在加載了相同類型的無線功率接收器但存在不同類型的異物(標記為FO#1至FO#4)時的Q因子測量值。使用了四種Qi標準的異物：FO#1-不銹鋼圓盤(stainless disk)；FO
#2-不銹鋼環(stainless ring)；F0#3-鋁箔盤(Aluminum foil disk)；FO#4-厚鋁盤(thick aluminum disk)。如圖所示，在沒有異物的情況下，測量得到的Q因子在35-50的範圍內。對於不同的異物和接收器類型，異物的存在使測量得到的Q因子降低不同的量。區分存在異物和不存在異物具有挑戰性，因為這兩種情況下的Q因子差異可能相對較小。例如，對於行動裝置類型5，不存在異物和存在FO#4的Q因子測量值之間的餘量僅約為5。
第5圖示出了原始資料(raw data)，其是在存在無線功率接收器1-5但沒有異物的情況下在實際的無線功率發送器(類型1)上測量得到的Q因子。在第5圖中也示出了當類型1的無線功率發送器在加載有相同類型的無線功率接收器但存在不同類型的異物(標記為FO#1至FO#4)時，由類型1的無線功率發送器進行的Q因子測量值。在存在異物和不存在異物之間的Q因子的差異小於第4圖中的參考線圈的情況，特別是針對無線功率接收器5和FO#4。在第5圖中也示出了預測器(predictor)1-4，其分別是基於本文描述的與例子1至4相對應的方程式計算出的被補償後的Q因子值。如第5圖所示，預測器的值(補償後的Q因子)高於原始資料，以及，在存在異物時和不存在異物時的情況之間提供更大的餘量。
第6圖示出了與第5圖類似的圖，但用於類型2的實際的無線功率發送器。第6圖示出了原始資料，該原始資料是在存在無線功率接收器1-5但沒有異物的情況下，在實際的無線功率發送器(類型2)上測量得到的Q因子。在第6圖中也示出了當類型2的無線功率發送器加載有相同類型的無線功率接收器且存在不同類型的異物(標記為FO#1至FO#4)時，由類型2的無線功率發送器進行的Q因子測量。存在異物和不存在異物之間的Q因子的差異
小於第4圖中的參考線圈的情況，特別是對於無線功率接收器5和FO#4，以及，除非執行補償，否則實際上是不可偵測的。在第6圖中也示出了預測器1-4，其分別是基於本文描述的對應於例子1-4的方程式計算出的被補償後的Q因子值。如第6圖所示，預測器的值(補償後的Q因子)高於原始資料，且在存在異物時和不存在異物時的情況之間提供更大的餘量。
上述線圈類型的參數：
1、參考線圈
a.電感值-24uH
b.匝數-兩層20(20 in two layers)
c.外徑
43.0mm
d.內徑
20.5mm
2、實際的發送器類型1
a.電感值-10uH
b.匝數-一層12
c.外形尺寸48mmx48mm
d.內尺寸19mmx19mm
3、實際的發送器類型2
a.電感值-8.9uH
b.匝數-一層11
c.外徑
48.5mm
d.內徑
23.0mm
附加方面
如上所述，可以使用控制器5來控制多模式無線功率發送器，該控制器可以由任何適當類型的電路來實現。例如，控制器5可以使用硬體或者硬體和軟體的組合來實現。當使用軟體實施時，可以在任何合適的處理器(例如，微處理器)或處理器的集合上執行合適的軟體代碼。可以以多種方式來實現一個或多個控制器，例如利用專用硬體或通用硬體(例如，一個或多個處理器)，其是利用微碼(microcode)或軟體進行編程的，以執行上述功能。
在這方面，應當理解，本文所述實施例的一種實現方式包括至少一種計算機可讀存儲介質(例如，RAM，ROM，EEPROM，閃存或其它存儲技術，或者其它有形的，非暫時性的計算機可讀介質)，其編碼有計算機程序(即，多個可執行指令)，當被一個或多個處理器執行時，執行上述一個或多個實施例的功能。另外，應當理解，對計算機程序的引用不限於在主機計算機上運行的應用程序，該計算機程序被執行時執行上述任何功能。而是，本文在一般意義上使用術語計算機程序和軟體來指代可以用來對一個或多個處理器進行編程的任何類型的計算機代碼(例如，應用軟體，固件，微代碼或任何其它形式的計算機指令)，以實現本文討論的技術的各個方面。
本文描述的裝置和技術的各個方面可以單獨使用，組合使用或以在先前描述中描述的實施例中未具體討論的各種佈置使用，因此，其應用不限於在前面的描述中或在附圖中示出的元件的詳情和安排。例如，一個實施例中描述的方面可以以任何方式與其它實施例中描述的方面組合。
申請專利範圍中用以修飾申請專利範圍元素的諸如“第一”，“第二”，“第三”等序數詞的使用本身並不意味著一個申請專利範圍元素相對於另一個的任何優先級，優先次序或順序，或所執行的方法的動作的時間順序，但僅
用作區分具有相同名稱的一個申請專利範圍元素與具有相同名稱的另一個元素(但使用序數詞)，以區分申請專利範圍元素。
另外，本文所使用的措詞和術語是出於描述的目的，而不應被視為限制。本文中“包括”，“由...組成”或“具有”，“包含”，“涉及”及其變體的使用意在涵蓋其後列出的項目及其等同物以及其它項目。
100:無線電力系統
1:無線功率發送器
11:無線功率接收器
19:存儲裝置
Claims (29)
- 一種針對無線功率發送器和無線功率接收器之間的無線功率傳輸執行異物偵測的方法，該方法包括：該無線功率發送器測量系統的Q因子，以產生Q因子測量值，該系統包括該無線功率發送器和該無線功率接收器；該無線功率發送器接收該無線功率接收器的基準Q因子；以及，該無線功率發送器通過利用該基準Q因子、該Q因子測量值以及其它的附加資訊來確定是否存在異物，其中，該附加資訊包括以下一項或多項：該無線功率發送器存儲的參數；以及，從該無線功率接收器接收到的除該基準Q因子外的參數。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該確定是在至少考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的。
- 根據申請專利範圍第2項所述的方法，其中，該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；一參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，一參考無線功率發送器在沒有加載無線功率接收器時的電感值與該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值之比；其中，該參考無線功率發送器是用來測量該基準Q因子的無線功率發送器。
- 根據申請專利範圍第3項所述的方法，其中，該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值是利用兩種以上類型的無線功率接收器所表現出的電感值的平均值。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該確定是在至少考慮從該無線功率接收器接收到的除該基準Q因子外的參數的情況下進行的。
- 根據申請專利範圍第5項所述的方法，其中，從該無線功率接收器接收到的除該基準Q因子外的參數包括：一參考無線功率發送器在加載有該無線功率接收器時的諧振頻率，其中，該參考無線功率發送器是用來測量該基準Q因子的無線功率發送器。
- 根據申請專利範圍第6項所述的方法，其中，該確定是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，以及，該無線功率發送器存儲的參數包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
- 根據申請專利範圍第7項所述的方法，其中，該無線功率發送器存儲的參數還包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子。
- 根據申請專利範圍第6項所述的方法，其中，該確定是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，以及，該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，該無線功率發送器在利用諧振電容終止且沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
- 根據申請專利範圍第9項所述的方法，其中，該無線功率發送器存儲的參數還包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，還包括：基於確定出的是否存在異物，允許或禁止無線功率傳輸或調整所傳送的功率電平，或與該無線功率接收器通訊。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，還包括：在該確定之前，評估該Q因子測量值，以確定是否存在該無線功率接收器；其中，在確定出存在該無線功率接收器的情況下執行確定是否存在異物的操作。
- 根據申請專利範圍第1項所述的方法，其中，該Q因子測量值是通過部分考慮該無線功率發送器測量Q因子的諧振頻率進行的。
- 根據申請專利範圍第12項所述的方法，還包括：當確定出存在該無線功率接收器時，在從該無線功率接收器接收該基準Q因子之前，增大該無線功率發送器產生的場的強度。
- 一種用於無線功率發送器的控制器，包括：電路，被配置為：測量系統的Q因子，以產生Q因子測量值，該系統包括該無線功率發送器和無線功率接收器；接收該無線功率接收器的基準Q因子；以及，通過利用該基準Q因子、該Q因子測量值和其它的附加資訊來確定是否存在異物，其中，該附加資訊包括以下一項或多項：該無線功率發送器存儲的參數；以及，從該無線功率接收器接收到的除該基準Q因子外的參數。
- 根據申請專利範圍第15項所述的控制器，其中，該確定是在至少考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的。
- 根據申請專利範圍第16項所述的控制器，其中，該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；一參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及， 一參考無線功率發送器在沒有加載無線功率接收器時的電感值與該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值之比；其中，該參考無線功率發送器是用來測量該基準Q因子的無線功率發送器。
- 根據申請專利範圍第17項所述的控制器，其中，該參考無線功率發送器在加載有無線功率接收器時的電感值是利用兩種以上類型的無線功率接收器所表現出的電感值的平均值。
- 根據申請專利範圍第15項所述的控制器，其中，該確定是在至少考慮從該無線功率接收器接收到的參數的情況下進行的。
- 根據申請專利範圍第19項所述的控制器，其中，從該無線功率接收器接收到的參數包括：一參考無線功率發送器在加載有該無線功率接收器時的諧振頻率，其中，該參考無線功率發送器是用來測量該基準Q因子的無線功率發送器。
- 根據申請專利範圍第20項所述的控制器，其中，該確定是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，以及，該無線功率發送器存儲的參數包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
- 根據申請專利範圍第21項所述的控制器，其中，該無線功率發送器存儲的參數還包括以下一項或多項：該無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及，該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子。
- 根據申請專利範圍第20項所述的控制器，其中，該確定是在進一步考慮該無線功率發送器存儲的參數的情況下進行的，以及，該無線功率發送器存儲的參數包括以下一項或多項：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的Q因子；以及， 該無線功率發送器在利用諧振電容終止且沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
- 根據申請專利範圍第23項所述的控制器，其中，該無線功率發送器存儲的參數還包括：該參考無線功率發送器在其沒有加載無線功率接收器時的諧振頻率。
- 根據申請專利範圍第15項所述的控制器，其中，該電路被配置為：基於確定出的是否存在異物，允許或禁止無線功率傳輸或調整所傳送的功率電平，或與該無線功率接收器通訊。
- 根據申請專利範圍第15項所述的控制器，其中，該電路被配置為：在該確定之前，評估該Q因子測量值，以確定是否存在該無線功率接收器；其中，在確定出存在該無線功率接收器的情況下執行確定是否存在異物的操作。
- 根據申請專利範圍第15項所述的控制器，其中，該Q因子測量值是通過部分考慮該無線功率發送器測量Q因子的諧振頻率進行的。
- 根據申請專利範圍第26項所述的控制器，其中，該電路還被配置為：當確定出存在該無線功率接收器時，在從該無線功率接收器接收該基準Q因子之前，增大該無線功率發送器產生的場的強度。
- 一種無線功率發送器，包括：控制器，被配置為：測量系統的Q因子，以產生Q因子測量值，該系統包括該無線功率發送器和無線功率接收器；接收該無線功率接收器的基準Q因子；以及， 通過利用該基準Q因子、該Q因子測量值以及其它的附加資訊來確定是否存在異物，其中，該附加資訊包括以下一項或多項：該無線功率發送器存儲的參數；以及，從該無線功率接收器接收到的除該基準Q因子外的參數。
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