Схема для индуктивной передачи питания

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к индуктивным системам передачи питания. Технический результат - упрощение схемы при обеспечении эффективного управления. Схема, используемая в первичном модуле индуктивной системы передачи питания, для генерирования электромагнитного поля для передачи питания с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукцией одному или более вторичным модулям системы, причем вторичный модуль или каждый вторичный модуль, находится отдельно от первичного модуля, схема, включает: множество управляемых элементов, каждый элемент, включает первичную обмотку или индуктор - холостую обмотку, не участвующую в генерировании электромагнитного поля; средства управления, функционирующие для предоставления обоим или, по меньшей мере, двум из указанных элементов, управляющего сигнала, чтобы управляемые элементы, которые имеют указанную первичную обмотку, генерировали указанное электромагнитное поле; и средства контроля, функционирующие в зависимости от сигнала обратной связи, показывающего характеристики первичной или фиктивной обмотки одного или более управляемых элементов для управления схемой для возможности регулировать указанный сигнал обратной связи, причем схема конфигурируется так, что управляемые элементы соединены параллельно и настроены в резонанс; и указанный контроль обеспечивает регулировку характеристики каждой из указанных управляемых обмоток.3 н.и 32 з.п.ф-лы, 24 ил.

 

Представленное изобретение относится к схемам, используемым в индуктивных системах передачи питания, например для питания портативных электрических или электронных устройств.

Индуктивные системы передачи питания, подходящие для питания портативного устройств, могут состоять из двух элементов:

- Первичный модуль, имеющий, по меньшей мере, одну первичную обмотку, через которую управляет переменным током, создавая изменяющийся во времени магнитный поток.

- Вторичный модуль, расположенный отдельно от первичного модуля, имеющий вторичную обмотку.

Когда вторичная обмотка помещается вблизи от изменяющегося во времени потока, создаваемого первичной обмоткой, переменный поток вызывает переменный ток во вторичной обмотке, и таким образом питание может быть передано индуктивно от первичного модуля вторичному модулю.

Обычно вторичный модуль поставляет переданное ему питание внешней нагрузке, и вторичный модуль может входить в узловой объект или быть узловым объектом (вторичное устройство), который включает нагрузку. Например, узловой объект может быть портативным электрическим или электронным устройством, имеющим аккумулятор или ячейку. В этом случае нагрузка может быть схемой зарядного устройства батареи для того, чтобы заряжать батарею или ячейку. Как другой вариант, вторичный модуль может быть включен в такую перезаряжающуюся ячейку или батарею (вторичное устройство) вместе с подходящей схемой зарядного устройства батареи.

Для первичного модуля в таких системах необходимо иметь множество первичных обмоток, например, для передачи питания множеству вторичных модулей одновременно или предоставить таким вторичным модулям позиционную свободу размещения относительно первичного модуля. Таким образом, необходимо обеспечить передачу питания двум или больше вторичным модулям одновременно с единственным первичным модулем. Связь 1:1 между первичной обмоткой и вторичным модулем необязательна, и представленное изобретение распространяется на использование больше чем одной первичной обмотки для передачи питания вторичному модулю.

Известны реализации первичного модуля в индуктивной системе передачи питания с множеством первичных обмоток. Однако в известных схемах первичных модулей были обнаружены недостатки, связанные со стоимостью, производительностью и сложностью по сравнению с первичными модулями, имеющими единственную первичную обмотку. Это определяет необходимость в обеспечении схемы для использования в первичных модулях, устраняющей перечисленные недостатки, и первичных модулей и индуктивных систем передачи питания, включающих такую схему. Также необходимо обеспечить первичный модуль, в котором несколько первичных обмоток могут управляться эффективно, без необходимости значительно увеличивать число схем, необходимых для управления и контроля единственной первичной обмоткой. Также необходимо создать первичный модуль, схема которого уменьшает чувствительность к изменениям в его связи с вторичным модулем, или, например, к различиям между вторичными модулями.

Согласно первому варианту осуществления изобретения обеспечивается схема для использования в первичном модуле индуктивной системы передачи питания для генерирования электромагнитного поля, для передачи питания с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукцией одному или более вторичным модулям системы, причем вторичный модуль или каждый вторичный модуль, находящийся отдельно от первичного модуля, включает множество управляемых элементов, каждый элемент включает первичную обмотку или индуктор-фиктивную обмотку, не участвующую в генерировании электромагнитного поля; средства управления (например, управляющая схема), функционирующие для предоставления обоим или, по меньшей мере, двум из указанных элементов, управляющего сигнала, чтобы управляемые элементы, которые имеют указанную первичную обмотку, генерировали указанное электромагнитное поле; и средства контроля, функционирующие в зависимости от сигнала обратной связи, характеризующего характеристики первичной или фиктивной обмотки одного или более управляемых элементов, для управления схемой для возможности регулировать указанный сигнал обратной связи, причем схема конфигурируется так, что управляемые элементы соединяются параллельно и настроены в резонанс; указанный контроль обеспечивает регулировку характеристики каждой из указанных управляемых обмоток.

Характеристика (например, электрическая характеристика) такой обмотки может быть величиной сигнала с этой обмотки, или характеристикой, которая изменяется в функции от величины сигнала с этой обмотки.

Элементы могут быть постоянно соединены параллельно или могут быть временно соединяемыми параллельно для управления, например, с использованием переключателей. Основанное на обратной связи управление может быть, например, выполнено посредством микропроцессора, который может также выполнять управление такими переключателями.

В одном из вариантов осуществления каждый управляемый элемент включает, в основном, указанную первичную обмотку или фиктивную обмотку. Такой вариант осуществления может быть выгоден с точки зрения необходимости в минимальном повторении схемы, чтобы увеличить число основных или фиктивных обмоток. Снижение повторений может быть выгодно с точки зрения стоимости, и может обеспечивать хорошее управление по сравнению с растиражированными схемами управления и контроля.

Сигнал обратной связи может характеризовать величину напряжения или сигнал мощности на обмотках управляемых элементов.

Схема может включать емкостной элемент, предназначенный для последовательного соединения с управляемыми элементами. Такой емкостной элемент может эффективно участвовать в настройке элементов для резонансного контура.

Схема может быть сконфигурирована так, что, во время управления у управляющих сигналов имеется установленная основная частота; у емкостного элемента имеется установленное значение емкости; а управляемые элементы имеют в основном индуктивное сопротивление. Схема может быть сконфигурирована так, чтобы во время управления элементы всегда имели существенное комбинированное индивидуальное (собственное) значение индуктивности. Такая схема может быть прекрасно спроектирована, и такие варианты осуществления могут быть выгодными в смысле стоимости.

Те элементы, которые управляются во время одного интервала периода управления в одном варианте осуществления, не являются теми же самыми элементами, которые управляются во время другого такого интервала периода управления. В таком варианте осуществления может быть возможно выборочно управлять различными элементами в разное время. Например, если такие элементы обеспечиваются группой, элементы части группы, соответствующие расположению вторичного модуля, могут выборочно управляться для подачи питания.

Определенное значение емкости может быть таким, чтобы управляемые элементы настраивались в резонанс на определенной основной частоте. Таким образом, в одном из вариантов осуществления определенное значение емкости может быть выбрано так, что схема является резонансной на определенной основной частоте, когда определенное число элементов управляется одновременно. У емкостного элемента может быть фиксированное значение емкости, и у сигналов управления может быть фиксированная основная частота.

Управляемые элементы могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь примерно одинаковую индуктивность, и схема может быть сконфигурирована так, чтобы число элементов, управляемых во время одного интервала периода управления, было тем же, что и число элементов, управляемых во время другого интервала периода управления. При этом варианте число первичных управляемых обмоток может отличаться в течение времени, от числа индукторов - фиктивных управляемых обмоток, не участвующих в генерировании электромагнитного поля, изменяясь в течение времени по соответствующему алгоритму. Например, это может быть необходимо, чтобы изменить, управляемые первичные обмотки (и даже число управляемых обмоток) в определенное время в зависимости от положения/ориентации одного или более вторичных модулей относительно группы таких первичных обмоток в первичном модуле. Если необходимо управлять меньшим количеством первичных обмоток, может быть необходимо управлять большим количеством фиктивных обмоток, чтобы компенсировать снижение числа управляемых первичных обмоток.

В одном из вариантов осуществления схема может быть сконфигурирована так, что управляемые элементы имеют общую частотную характеристику, имеющую два основных резонансных пика и, обычно, плоский участок между ними или некоторую другую характеристику с существенным плоским участком, этот участок не изменяется существенно с изменением эффективной индуктивности в схеме из-за связи между первичной обмоткой и вторичным модулем. В таком варианте осуществления основная частота сигнала управления может быть расположена на этом плоском участке.

Управляемые элементы могут быть сконфигурированы так, что они соединяются вместе с емкостными элементами и схемой балластного сопротивления (например, схемой балластного сопротивления LC), а емкостной элемент и схема балластного сопротивления могут быть сконфигурированы так, что управляемые элементы имеют вместе такую частотную характеристику.

Схема может быть сконфигурирована так, что управляемые элементы имеют объединенную индуктивность L₁, и так, что емкостной элемент имеет емкость С₁, и так, что значения L₁ и C₁ сконфигурированы так, чтобы $$f_0=1(2\pi \sqrt{L_1{C}_1})$$ , где f₀ - основная частота.

У схемы балластного сопротивления может быть индуктивность L₂ последовательно соединенная с емкостью C₁, а емкость С₂ параллельно соединена с соединенными последовательно с емкостью C₁ и индуктивностью L₁, значения L₂ и С₂ могут быть сконфигурированы так, что $$f_0=1(2\pi \sqrt{L_1{C}_1})$$ , где f₀ - основная частота.

Значения L₁ и L₂ могут быть сконфигурированы так, что два основных резонансных пика находятся достаточно далеко друг от друга по частоте, так что влияние изменения эффективной индуктивности из-за связи между указанной первичной обмоткой и указанным вторичным модулем на работу схемы является незначительным. Это может обеспечить такой схеме эффективную стабильность от изменений на вторичной стороне, и способность работать устойчиво несмотря на составляющую допусков. Значения l₁ и L₂ могут быть сконфигурированы так, что, приблизительно, L₁/L₂=4.

В одном из вариантов осуществления каждый управляемый элемент может быть сконфигурирован так, что при управлении его частотная характеристика имеет два основных резонансных пика и существенный плоский участок между ними, или некоторую другую характеристику с существенно плоским участком, причем этот участок не изменяется существенно при изменении эффективной индуктивности в схеме, из-за связи между первичной обмоткой и вторичным модулем. При таком варианте осуществления основная частота сигнала управления может быть расположена на этом плоском участке.

Управляемые элементы могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь приблизительно одинаковые частотные характеристики при управлении. Это упрощает проектирование и управление и, как следствие, снижает стоимость реализации. Управляемые элементы могут иметь, например, приблизительно одинаковую конфигурацию. Каждый управляемый элемент может включать емкостной элемент, последовательно соединенный с обмоткой, и схему балластного сопротивления (такую как схема балластного сопротивления LC), и для каждого такого управляемого элемента обмотка, емкостные элементы и схема балластного сопротивления могут быть сконфигурированы так, что управляемые элементы имеют соответствующую частотную характеристику, при которой происходит управление. Например, индуктивность первичной обмотки (или каждой первичной обмотки) может быть примерно одинаковой с индуктивностью фиктивной обмотки (или каждой фиктивной обмотки), в управляемых элементах могут быть примерно одинаковыми схемы балластного сопротивления, в управляемых элементах могут быть примерно одинаковыми и обмотки, емкостные элементы и схемы балластного сопротивления могут быть сконфигурированы примерно одним и тем же способом в каждом из управляемых элементов.

Для каждого управляемого элемента обмотка может иметь индуктивность l₁, емкостной элемент может иметь емкость С₁, а значения L₁ и C₁ могут быть сконфигурированы так, что $$f_0=1(2\pi \sqrt{L_1{C}_1})$$ , где f₀ указанная основная частота. Для каждого управляемого элемента схема балластного сопротивления может иметь индуктивность L₂, последовательно соединенную с емкостью C₁, и емкость С₂, параллельно соединенную с последовательно соединенными C₁ и обмоткой, а значения L₂ и С₂ могут быть сконфигурированы так, что $$f_0=1(2\pi \sqrt{L_1{C}_1})$$ , где f₀ - основная частота.

Для каждого указанного управляемого элемента значения L1 и L2 могут быть сконфигурированы так, что два основных резонансных пика находятся достаточно далеко друг от друга по частоте, так что влияние изменений эффективной индуктивности из-за связи между обмоткой и вторичным модулем на работу элементов является незначительным. Это может обеспечить такой схеме эффективную стабильность от изменений на вторичной стороне и способность работать устойчиво, несмотря на составляющую допусков. Значения L1 и L2 могут быть сконфигурированы так, что, приблизительно, L1/L2=4.

Схема может быть сконфигурирована так, что сигнал обратной связи получается только от одного из управляемых элементов. Сигнал обратной связи может быть напряжением или током, или мощностью на первичной обмотке или фиктивной обмотке этого элемента. Преимущество - необходим сигнал обратной связи от одного из элементов, с точки зрения простоты схемы управления, и таким образом уменьшения стоимости.

Схема может быть сконфигурирована так, что отдельный сигнал обратной связи получается от каждого из управляемых элементов и средства управления могут функционировать, чтобы выполнить управление в зависимости от одного или более сигналов обратной связи. Средства управления могут функционировать, чтобы выполнять управление в зависимости от всех сигналов обратной связи, или любого подмножества сигналов, дополнительно, в зависимости от числа и/или позиции/ориентации вторичных модулей, получающих питание от схемы.

В одном из вариантов осуществления схема может быть сконфигурирована так, что сигнал обратной связи получается от каждого управляемого элемента и/или от одного или каждого вторичного модуля, получающего питание индуктивно от схемы, каждый или каждый из управляемых элементов могут включать контролируемый элемент, и средства контроля могут действовать в ответ на сигналы обратной связи, воздействуя на управляемые элементы.

Отдельный контроль элемента или контроль элементов относительно друг друга может быть обеспечен соответствующим вариантом осуществления. Например, средства контроля могут функционировать для использования управляемых элементов, чтобы регулировать характеристики (например, сигналы с обмотки) управляемых обмоток относительно друг друга.

Контролируемый элемент или каждый контролируемый элемент может быть переменным реактивным сопротивлением. Контролируемый элемент или каждый управляемый элемент может быть переменной емкостью. Управляемый элемент или каждый управляемый элемент может функционировать под соответствующим контролем для изменения основной частоты управляющего сигнала в элементах. Контролируемый элемент или каждый контролируемый элемент может быть перестраиваемым инвертором или полумостовой схемой.

У каждого управляемого элемента может быть емкостной элемент, установленный последовательно с обмоткой, которая может быть таким контролируемым элементом.

Фиктивной обмоткой или каждой фиктивной обмоткой может быть индуктор, который, когда управляется, не генерирует электромагнитное поле. Такой индуктор может быть экранирован или разработан, чтобы не излучать при управлении. Индуктивность фиктивной обмотки (или каждой фиктивной обмотки) может быть приблизительно такой же, как индуктивность первичной обмотки (или каждой первичной обмотки).

У обмоток при управлении может быть та же полярность, как у других, у одной или более из них, полярность может отличаться от полярности одной или более других обмоток.

Согласно варианту осуществления второго аспекта представленного изобретения обеспечивается схема для использования в первичном модуле индуктивной системы передачи питания для генерирования изменяющегося во времени электромагнитного поля для передачи питания с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукции вторичному модулю системы, вторичный модуль, расположен отдельно от первичного модуля, схема включает: управляемый элемент, включающий первичную обмотку; и средства управления (например, схема управления), функционирующие для предоставления управляемым элементам сигналов управления, имеющих предопределенную основную частоту для генерирования первичной обмоткой электромагнитного поля, причем:

управляемый элемент конфигурируется так, что при управлении имеет частотную характеристику, имеющую два основных резонансных пика и существенно плоский участок между ними, или некоторую другую характеристику с существенно плоским участком, причем этот участок не изменяется значительно при изменении эффективной индуктивности в схеме из-за связи между первичной обмоткой и указанным вторичным модулем; и средство управления конфигурируется так, что указанная основная частота располагается между указанными основными резонансными пиками на указанном плоском участке.

Управляемый элемент при управлении может быть сконфигурирован так, что первичная обмотка соединяется последовательно с емкостью и со схемой балластного сопротивления (например, схемой балластного сопротивления LC), и первичная обмотка, емкостной элемент и схема балластного сопротивления могут быть сконфигурированы так, чтобы иметь определенную частотную характеристику при управлении.

У первичной обмотки может быть индуктивность (самоиндукция) L₁, емкостной элемент может иметь емкость C₁, а значения L₁ и C₁ могут быть сконфигурированы так, что $$f_0=1(2\pi \sqrt{L_1{C}_1})$$ , где f₀ - основная частота. Схема балластного сопротивления может иметь индуктивность l₂, соединенную последовательно с емкостью C₁, и емкость C₂, параллельно соединенную с последовательно соединенными емкостью C₁ и первичной обмоткой, когда управляемый элемент управляется, значения L₂ и С₂ могут быть сконфигурированы так, что $$f_0=1(2\pi \sqrt{L_1{C}_1})$$ , где f₀ - основная частота.

Значения L₁ и L₂ могут быть подобраны так, что два основных резонансных пика находятся достаточно далеко друг от друга по частоте так, что влияние изменений эффективной индуктивности из-за связи между первичной обмоткой и указанным вторичным модулем на работу схемы незначительно. Это может обеспечить такой схеме эффективную стабильность от изменений на вторичной стороне, и способность работать устойчиво, несмотря на составляющую допусков. Значения l₁ и L₂ могут быть сконфигурированы так, что приблизительно L₁/L₂=4.

Согласно варианту осуществления третьего аспекта представленного изобретения обеспечивается первичный модуль для использования в индуктивной системе передачи питания, включающий схему согласно вышеуказанным первому или второму аспекту представленного изобретения.

Согласно варианту осуществления четвертого аспекта представленного изобретения, обеспечивается индуктивная система передачи питания, включающая: первичный модуль, функционирующий для генерирования электромагнитного поля; и, по меньшей мере, один вторичный модуль, расположенный отдельно от первичного модуля, сконфигурированного для приема питания с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукции от первичного модуля, расположенного в близости к нему, причем первичный модуль включает схему согласно вышеуказанным первому или второму аспекту представленного изобретения.

Предусматривается, что схема, воплощающая представленное изобретение, может быть сконфигурирована в форме без указанных обмоток, так что указанные обмотки могут быть добавлены в более позднее время при использовании. Поэтому представленное изобретение распространяется на решения, соответствующие вышеуказанным вариантам, не имеющим таких обмоток, но предназначенным для соединения с ними.

Представленное изобретение может распространяться на аспекты способа, соответствующего контексту вышеуказанной схемы, первичного модуля и аспектам индуктивной системы передачи питания.

Согласно дополнительному аспекту изобретения обеспечивается первичный модуль для зарядки вторичного устройства, расположенного отдельно от первичного модуля посредством электромагнитной индукции, первичный модуль включает: по меньшей мере, две первичных обмотки; источник переменного напряжения или тока, связанный с, по меньшей мере, двумя первичными обмотками; датчик напряжения или тока, или мощности; причем первичный модуль измеряет напряжение, ток, или мощность, по меньшей мере, в одной обмотке и корректирует величину переменного напряжения или тока источника так, чтобы поддерживать, по меньшей мере, на двух обмотках, напряжение, ток или мощность в примерно одинаковом значении.

Согласно дополнительному аспекту изобретения обеспечивается способ зарядки вторичного устройства, расположенного отдельно от первичного модуля, посредством электромагнитной индукции, способ включает этапы: обеспечение, по меньшей мере, двух первичных обмоток; измерение напряжения, тока или мощности в первичных обмотках; корректировку источника напряжения или тока, так что две основные обмотки остаются примерно с тем же напряжением, током или мощностью.

Согласно дополнительному аспекту изобретения обеспечивается первичный модуль зарядки вторичного устройства, расположенного отдельно от первичного модуля электромагнитной индукцией. Первичный модуль включает: по меньшей мере, две первичных обмотки; источник переменного напряжения или тока соединенный с, по меньшей мере, двумя первичными обмотками; по меньшей мере, один переменный импеданс, соединенный с, по меньшей мере, одной первичной обмоткой; датчик напряжения или тока или мощности; причем первичный модуль измеряет напряжение, ток, или мощность, по меньшей мере, в одной обмотке и корректирует переменный импеданс так, чтобы изменить напряжение, ток, или мощность в обмотке независимо от другой обмотки.

Согласно дополнительному аспекту изобретения обеспечивается способ зарядки вторичного устройства, расположенного отдельно от первичного модуля, посредством электромагнитной индукции, способ включает этапы: обеспечения, по меньшей мере, двух первичных обмоток, предоставления напряжения, тока или питания, по меньшей мере, двум первичным обмоткам, и изменение импеданса, связанного с одной из обмоток так, что напряжение, ток или мощность, поставляемое указанной обмотке, изменяется независимо от другой обмотки.

Далее разъяснение сделано, посредством примеров, со ссылкой к сопроводительным чертежам, на которых:

Фигура 1 - принципиальная схема ранее разработанной индуктивной системы передачи питания;

Фигура 2 - принципиальная схема системы согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 3 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 4 представляет ряд принципиальных схем, используемых для понимания преимуществ схем балластного сопротивления в первичном модуле согласно одному или более вариантам осуществления представленного изобретения;

Фигура 5 - принципиальная схема системы согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения, используемого для выполнения моделирования;

Фигура 6 - график результатов моделирования, основанных на схеме из фигуры 5;

Фигура 7 - график результатов моделирования, показывающий эффект отношения индуктора на разделении между резонансными пиками;

Фигура 8 - график результатов моделирования, показывающий влияние значения индуктивности балластного индуктора схемы фигуры 5 на ток в первичной обмотке схемы фигуры 5;

Фигура 9 - принципиальная схема системы согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 10 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 11 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигуры 12-15 - принципиальные схемы первичных модулей, соответственно формирующих различные варианты осуществления представленного изобретения;

Фигура 16 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 17 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 18 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигуры 19 и 20 - принципиальные схемы возможных компоновок первичных обмоток на заряжающей поверхности первичного модуля согласно некоторым вариантам осуществления представленного изобретения;

Фигура 21 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 22 - принципиальная схема первичного модуля, представляющего несколько вариантов осуществления представленного изобретения;

Фигура 23 - принципиальная схема драйвера для использования в одном из вариантов осуществления представленного изобретения; и

Фигура 24 - принципиальная схема первичного модуля согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения.

Для лучшего понимания вариантов осуществления представленного изобретения ссылка будет сначала сделана на пример индуктивной системы передачи питания 1, непосредственно не являющуюся вариантом осуществления представленного изобретения, но полезную для понимания воплощений этого.

Фигура 1 - принципиальная схема системы 1. Система 1 включает первичный модуль (зарядное устройство) 100 и вторичный модуль (портативное устройство, в данном случае) 200.

Первичный модуль 100 включает преобразователь DC/DC 102, инвертор 104, конденсатор (или емкость) 106, первичную обмотку 108, буфер 110 и микропроцессор (MPU) 112. Вторичный модуль 200 включает вторичную обмотку 202, конденсатор (или емкость) 204, выпрямитель 206, преобразователь DC/DC 208 и нагрузку 210. Буфер 110, как можно понять, является пиковым детектором, и может использоваться для измерения пикового напряжения по первичной обмотке 108.

Первичный модуль 100 конфигурируется так, чтобы генерировать электромагнитное поле, и это поле может быть вызвано (как горизонтальное или вертикальное поле, относительно заряжающейся поверхности или поверхности передачи питания первичного модуля) в близости от первичной обмотки 108. Преимуществом является и то, что конфигурация поля зависит от конфигурации (то есть физического расположения) первичной обмотки 108. Электромагнитное поле может использоваться в системе 1, чтобы передать питание вторичному модулю 200, требующему питания, расположенному вблизи от первичного модуля 108.

У первичного модуля 100 может быть любая подходящая форма, например, плоской платформы, формирующей поверхность передачи питания на или вблизи, в которую вторичный модуль или каждый вторичный модуль 200 может быть помещен. В одном случае электромагнитное поле может быть распределено по области передачи питания на поверхности, как описано в GB-A-2388716, содержание которого включается в описание ссылкой. Преимуществом такой формы первичного модуля является то, что позволяет одному или более вторичным модулям 200 быть одновременно расположенными вблизи к первичному модулю, чтобы получить от него питание. Можно заметить, что много других форм первичного модуля 100 могут позволить одному или более вторичным модулям 200 быть одновременно расположенными в близости к первичному модулю, чтобы получить питание от него. Другая возможная форма для первичного модуля 100 является полкой, на которой вторичный модуль 200 может быть помещен, чтобы получить питание. Такая форма может быть выгодной для того, чтобы позволить элементам вторичного устройства находиться вне магнитного поля.

Вторичный модуль 200 на фигуре 1 расположен отдельно от первичного модуля 100 и включает вторичную обмотку 202, которая связывается с электромагнитным полем, сгенерированным первичным модулем 100, когда вторичный модуль 200 находится в близости к первичному модулю 100. Таким образом, питание может быть передано индуктивно от первичного модуля 100 к вторичному модулю 200, не требуя прямых электрически проводящих соединений между ними.

Чтобы передать питание индуктивно, магнитное поле/поток, сгенерированный первичной обмоткой 108, должно быть изменяющимся во времени. Соответственно, первичный модуль 100 конфигурируется так, чтобы предоставить первичной обмотке 108 изменяющиеся во времени электрические сигналы, такие как чередование сигналов. Первичная обмотка 108 и вторичная обмотка 202 могут иметь любые подходящие формы, но могут, например, быть изготовлены из медного провода, намотанного вокруг катушки высокой проницаемости, такой как ферритовая или из аморфного металла Высокочастотный обмоточный провод - особенный тип провода, который может использоваться в этом случае. Высокочастотный обмоточный провод имеет много жил провода, скрученного вместе, и может помочь уменьшить поверхностный эффект и эффект близости. Первичные и вторичные обмотки 108, 202 могут отличаться друг от друга, например, в размере, числе витков, типе катушки и физическом расположении и т.д. Могут использоваться несколько первичных и вторичных обмоток. Число первичных и вторичных обмоток может отличаться.

Из фигуры 1 важно, что вторичный модуль 200 показан как портативное устройство в роли объекта, требующего питания. Для простоты, портативное устройство показано являющимся тем же самым, что и вторичный модуль 200, однако вторичный модуль 200 может быть компонентом (например, съемным) частью портативного устройства. Нагрузку 210, можно предполагать, являющуюся фактической нагрузкой вторичного модуля 200, хотя она может быть отдельной или отделимой от вторичного модуля 200. Первичный модуль 100 системы 1 показан зарядным устройством, действующим, чтобы заряжать портативное устройство 200 посредством электромагнитной индукции. Первичный модуль, как в общем можно понять, является беспроводным электропитанием. Таким образом, зарядка батареи (или другой ячейки аккумулирования энергии) является одним, примерным, вариантом таких первичных модулей.

Соответственно, вторичный модуль 200, как можно понять, является только элементом устройства на фигуре 1, например, только вторичной обмоткой 202 или комбинацией вторичной обмотки 202, конденсатора 204, выпрямителя 206 и преобразователя DC/DC (постоянный ток/постоянный ток) 208. Вторичный модуль 200, таким образом, может быть соединен с внешней нагрузкой (нагрузкой 210), и может быть сконфигурирован так, чтобы передавать индуктивно полученное питание внешней нагрузке. Вторичный модуль 200 может быть встроен или присоединен к объекту, требующему питания (вторичному устройству), такому как портативное электрическое или электронное устройство, или аккумулятор, или элемент. Дополнительная информация относительно возможных решений вторичного модуля 200 и объектов (вторичных устройств), которые могут питаться от вторичного модуля 200, могут быть найдены в GB-A-2388716 (указанном выше). В GB-A-2388716 такие вторичные модули могут упоминаться как вторичные устройства. Вторичный модуль 200, для простоты показан, как портативное устройство для улучшения понимания представленного изобретения.

В контексте представленного изобретения вторичные модули (и/или вторичные устройства, включающие такие модули), как можно понять, являются любыми электрическими или электронными устройствами, которые требуют питания, и могут быть портативными устройствами, например (то есть не исключительно) мобильные телефоны, PDA (Персональные цифровые секретари), ноутбуки, персональная стереофоническая аппаратура, МР3-плееры и т.п., беспроводные гарнитуры, автомобильные зарядные устройства, бытовые приборы, такие как кухонная бытовая техника, персональные карты, такие как кредитные карты, и беспроводные теги, используемые для отслеживания товаров.

В первичном модуле 100 системы 1 преобразователь DC/DC 102 присоединяется к внешнему вводу DC (постоянный ток) и функционирует для понижающего преобразования полученного входящего DC (постоянный ток) в DC (постоянный ток) более низкого напряжения V_d. Преобразователь DC/DC 102 может быть преобразователем Маркера с импульсным режимом для высокой производительности. Преобразователь DC/DC 102 присоединяется для управления инвертором 104, который генерирует напряжение переменного тока на его выходе. Инвертор 104 может быть полумостом MOSFET, управляемым от соответствующего осциллятора (не показан).

Напряжение АС (переменного тока), снимаемое с инвертора 104, используется для управления первичной индуктивной обмоткой 108. Конденсатор 106 соединяется последовательно с первичной обмоткой, и обмоточная/конденсаторная комбинация конфигурируется так, что является резонансной на рабочей частоте (основной частоте) инвертора 104. Первичный модуль 100 в некоторых случаях может иметь батарею резонансных конденсаторов 106. Для уменьшения гармоник, существующих в электрических сигналах управления, управляющих первичной обмоткой (то есть выходящих с инвертора 104), может быть необходимо обеспечить схему балластного сопротивления LC (не показана) между инвертором 104 и первичной обмоткой 108. Пиковое обмоточное напряжение в первичной обмотке 108, V_pc, обычно намного больше, чем напряжение постоянного тока V_d, потому что схема после инвертора (то есть включая первичную обмотку 108 и конденсатор 106) конфигурируется, чтобы быть резонансной.

Рабочую частоту можно установить постоянной или она может быть переменной (то есть настраиваемой) для повышения эффективности. Действительно, частота может быть настроена для регулировки напряжения обмотки (то есть величины электрических сигналов управления в обмотке). Например, если первичная обмотка 108 конфигурируется, чтобы быть резонансной, то возможно изменить величину сигналов управления, изменяя частоту.

Во вторичном модуле 200 (портативном устройстве) системы 1, вторичная обмотка 202 соединяется с входом выпрямителя 206 последовательно с конденсатором 204, снова так, что обмоточная/конденсаторная схема является резонансной. Вторичный модуль 200, в некоторых случаях может не иметь батарею резонансных конденсаторов 204. При использовании вторичная обмотка 202 представляет выпрямителю 206 напряжение переменного тока, полученное посредством электромагнитной индукции от первичной обмотки 108. Выпрямитель 206 изменяет это напряжение переменного тока, чтобы на выходе к преобразователю DC/DC 208 было напряжение постоянного тока. Преобразователь DC/DC 208 преобразовывает измененное напряжение с обмотки для его соответствия входному напряжению, требуемого нагрузкой 210.

В некоторых ситуациях преобразователь DC/DC 208 предпочтительно выполнять импульсным (так же, как преобразователь 102), а не линейным преобразователем. Импульсный преобразователь обычно в состоянии преобразовать одно напряжение постоянного тока в другое напряжение постоянного тока намного более эффективно, чем линейный преобразователь. Кроме того, обычно имеются меньшие изменения в эффективности от входного напряжения для импульсного преобразователя, чем для линейного преобразователя. Линейный преобразователь обычно сбрасывает любое избыточное напряжение через сопротивление. Поэтому, чем больше различие между напряжениями ввода и выхода, тем ниже эффективность. Это изменение в эффективности с входным напряжением может сделать мощность, потребляемую вторичным модулем 200 системы 1, весьма зависимой от входного напряжения, что может быть нежелательно.

Преобразователь DC/DC 208 вторичного модуля 200 дополнительно конфигурируется, чтобы передавать постоянное напряжение нагрузке 122. Это постоянное напряжение может обеспечиваться посредством обратной связи (не показана). Например, выходное напряжение преобразователя DC/DC 208 может использоваться для управления рабочим циклом преобразователя DC/DC 208, чтобы поддержать необходимое входное напряжение, V_load, нагрузки 210 независимо от изменений входного напряжения преобразователя DC/DC 210.

В течение времени необходимое нагрузке 210 напряжение может измениться, например, если нагрузкой 210 является батарея, имеющая цикл зарядки. У таких батарей могут быть элементы цикла зарядки, имеющие постоянный ток и постоянное напряжение, и таким образом будет необходимо, чтобы в разное время акцент мог быть перенесен на ток, а не на напряжение. Преобразователь DC/DC 208 может быть сконфигурирован так, чтобы поддерживать необходимое напряжение нагрузки V_load на разных уровнях для различных элементов такого цикла зарядки. Однако необходимое напряжение нагрузки V_load, обычно изменяется в относительно медленном темпе (за минуты), так что за короткий период времени (за секунды), кажется, относительно постоянным. Однако могут быть "переходные процессы", происходящие в быстром темпе (миллисекунды), обычно они происходят нечасто. Перемещение вторичного модуля, или некоторые определенные возможности вторичного модуля (например, если обладает RF (радио) функциональностью, такой как в мобильном телефоне), может вызвать такие переходные процессы.

Первичный модуль 100 системы 1 регулирует напряжение первичной обмотки Vpc на предопределенном уровне напряжения. Это достигается посредством обратной связи, включающей буфер (пиковый детектор) 110 и микропроцессор 112. Как показано на фигуре 1, напряжение первичной обмотки по существу буферизуется буфером 110 и передается микропроцессору (MPU) 112. На основании напряжения первичной обмотки микропроцессор 112 может управлять рабочим циклом преобразователя DC/DC 102, чтобы поддерживать предопределенный уровень напряжения на первичной обмотке Vpc независимо от нагрузки, представленной вторичным модулем 200 (и/или любой другой такой представленной загрузки).

Первичный модуль 100 системы 1 может быть сконфигурирован так, чтобы определять величину мощности, взятой через первичную обмотку 108, или величину тока, проходящего через первичную обмотку 108, в дополнение к или вместо того, чтобы измерять напряжение на первичной обмотке Vpc. Таким образом, регулирование может быть основано на напряжении, токе или мощности. Например, если рассмотреть регулировку по мощности, первичный модуль 100, как можно предполагать, измерял бы и напряжение Vd и ток Id, взятый с преобразователя DC/DC 102. У измерения напряжения и тока в этой точке есть преимущество, заключающееся в том, что сигналы являются сигналами постоянного тока (DC). В микропроцессоре 112 указанные сигналы могут быть измерены с использованием аналого-цифрового преобразователя (ADC) и отфильтрованы, по низким частотам для уменьшения шума. Усреднение может осуществляться элементом фильтрации. Значения напряжения Vd и тока Id могут тогда быть, например, определены в микропроцессоре 116 и перемножены для определения потребляемой мощности.

Дальнейшее описание уточняет много вариантов осуществления в качестве примеров представленного изобретения. Важно, что возможны другие варианты осуществления в рамках формулы изобретения. В вариантах осуществления, уточненных здесь, подобные элементы обозначаются одними цифрами позиций, и дублирующее описание опускается. Поэтому подразумевается, например, что функции системы 1 и связанное описание может применяться к аналогичным вариантам осуществления представленного изобретения.

Фигура 2 - принципиальная схема системы 300 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Система 300 включает первичный модуль 302 и множество вторичных модулей 200. Поэтому система 300 может использоваться для индуктивной передачи питания к двум или более вторичным модулям 200 одновременно (или один за другим, например, без необходимости заменять одно устройство на другое).

Важно, что фигура 2 представляется на уровне схемы, и в отношении данного варианта осуществления представленного изобретения внимание сосредотачивается на функциях схемы. Однако то же, что касается схемы представленного изобретения, распространяется непосредственно на первичный модуль (который может включать дополнительные особенности к показанным на схеме, например физическую структуру), и к полной системе передачи питания, включающей такой первичный модуль.

На фигуре 2 вторичные модули 200 показаны как включающие, каждый, вторичную обмотку 202, но как представляющие соответствующие схемы устройств. Это демонстрирует, что вторичные модули 200 могут быть только компонентами таких вторичных устройств, и также представлены в упрощенной принципиальной схеме. Таким образом, в одном из вариантов осуществления представленного изобретения вторичные модули 200 могут быть теми же, как на фигуре 1. В другом варианте осуществления представленного изобретения вторичные модули 200 на фигуре 2 (и в других иллюстрациях) могут отличаться от схем на фигуре 1, и могут отличаться друг от друга.

Первичный модуль 302 отличается от первичного модуля 100 фигуры 1 тем, что включает множество первичных обмоток 108. Первичные обмотки 108 соединяются вместе параллельно. Хотя три таких первичных обмотки показаны на фигуре 2, будет понятно, что могут быть обеспечены две или более такие обмотки и что число обмоток может быть большим, например до 10 или до 50, или больше.

В варианте осуществления, представленном на фигуре 2, две из первичных обмоток 108 показаны как имеющие вторичный модуль 200 вблизи к ним, и третья первичная обмотка 108 показана как не имеющая вторичного модуля 200 в близи к ней. Что показывает пример, и понятно, что любое число первичных обмоток 108 (или ни одна из них) может иметь один или более вторичный модуль 200 в близости к первичной обмотке, в зависимости от конфигурации первичных обмоток 108 и числа вторичных модулей 200, требующих питания. Первичная обмотка (в зависимости от ее конфигурации) может одновременно передавать питание более чем одному вторичному модулю. Точно так же вторичный модуль может получить питание одновременно более чем от одной первичной обмотки в таком же самом первичном модуле.

Вариант осуществления, представленный на фигуре 2, выгоден, по меньшей мере, по следующим причинам. По сравнению с системой, представленной в качестве примера на фигуре 1, первичный модуль 302 имеет возможность передачи питания через множество первичных обмоток 108, не требуя большого числа повторений схем. В частности в первичном модуле 302 дополнительно есть возможность (по сравнению с системой на фигуре 1) обеспечивать добавление дополнительных первичных обмоток 108 параллельно. Таким образом, минимизируется дополнительная стоимость и сложность.

В общем, варианты осуществления, обеспечивающие дополнительную возможность низкого дублирования в схеме, требуют более высоких по уровню (с возможностью более высокого питания) компонентов, чем варианты осуществления, в которых дублируются более низкие по уровню элементы. В общем, менее интенсивно увеличивается стоимость при использовании более высоких по уровню компонентов, чем при увеличении количества компонентов.

Дополнительно, напряжение на каждой из первичных обмоток 108 может регулироваться без необходимости обеспечивать дополнительную схему, потому что напряжение на первичной обмотке V_pc является одинаковым для всех соединенных параллелью первичных обмоток 108. Таким образом, пиковое напряжение, проходя через параллельную комбинацию, измеряется и возвращается посредством микропроцессора 112, и соответственно система управления располагается так, чтобы поддерживать на всех первичных обмотках 108 тот же отрегулированный уровень напряжения. Система на фигуре 2 конфигурируется так, чтобы работать, когда имеется нагрузка (вторичные модули/устройства) в близости ко всем первичным обмоткам 108 или только в близости к некоторым из первичных обмоток 108. Система на фигуре 2 в состоянии работать, когда имеются различные нагрузки на различных первичных обмотках 108. Регулирование, основанное на определении напряжения на первичной обмотке V_pc, в единственной точке, является удовлетворительным для первичных обмоток 108, подключенных взаимно- параллельно. Последовательно подключенный конденсатор 106 является общим для всех первичных обмоток 108. Таким образом, первичные обмотки 108 конфигурируются, чтобы быть резонансными на заданной частоте (то есть настраиваются). Заданной частотой может быть частота, в которой инвертор 104 генерирует переменный ток (то есть основной частотой переменного тока).

Фигура 3 - принципиальная схема первичного модуля 306 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Первичный модуль 306 может, например, использоваться взаимозаменяемо с первичным модулем 302 в варианте осуществления, представленном на фигуре 2.

Первичный модуль 306 отличается от первичного модуля 302 в том, что обеспечивается схема балластного сопротивления 308. Кроме того, из фигуры 3 более очевидно, что любое число первичных обмоток 108 может быть соединено параллельно друг с другом.

Схему балластного сопротивления 308 включена между инвертором 104, и конденсатором 106, и комбинацией обмоток 108. Схема балластного сопротивления 308 включает индуктор 310 и конденсатор 312. Соответственно, схема балластного сопротивления 308 может обозначатья как схема балластного сопротивления LC. Индуктор 308 соединяется последовательно между инвертором 104 и конденсатором 106. Конденсатор 312 соединяется параллельно с конденсатором 106, и комбинацией обмоток 108.

В представленном варианте осуществления схема балластного сопротивления 308 выгодна, поскольку действует как фильтр нижних частот и уменьшает величину гармоник, существующих в сигналах на первичных обмотках 108. Это позволяет уменьшить или избежать генерации первичным модулем 306 нежелательных радиочастотных помех и электромагнитной интерференции.

Присутствие схемы балластного сопротивления 308 в первичном модуле 306 может также быть выгодно с точки зрения устойчивости работы первичного модуля и с точки зрения регулировки работы первичного модуля. Это действительно и когда у первичного модуля одна первичная обмотка 108, и когда у первичного модуля множество первичных обмоток. Такая схема балластного сопротивления может быть сконфигурирована так, чтобы улучшить устойчивость системы соответствующим выбором значений компонентов. Преимущества схемы балластного сопротивления 308 рассматриваются далее.

Фигура 4 представляет ряд принципиальных схем, используемых для понимания преимуществ использования схемы балластного сопротивления в первичном модуле индуктивной системы передачи питания.

Фигура 4А - представляет принципиальную схему элементов системы фигуры 2. Предполагается, что первичная сторона питается фиксированным переменным током так, что первичная обмотка 108 генерирует электромагнитное поле для индуктивной передачи питания вторичной стороне. Также предполагается, что характеристики вторичной стороны неизвестны, например нагрузка во вторичном модуле, число представленных вторичных модулей и т.д. Также предполагается, что никакое регулирование сигналов в первичной обмотке 108 не обеспечивается. Важно, что никакой схемы балластного сопротивления не присутствует в схеме фигуры 4А.

Фигура 4В - схематическое представление частотной характеристики схемы первичной стороны фигуры 4А. Сплошная кривая указывает, что у схемы фигуры 4А может быть резонансная характеристика с единственным основным пиком. Кривые, показанные пунктирными линиями, должны представить траектории, которыми резонансная характеристика может измениться при изменении вторичной стороной (например, при изменении загрузки, числа вторичных модулей, и т.д.). Как показано, наклон кривой может изменить или сторону резонансного пика или пиковую частоту, или может произойти комбинация этих изменений.

Важно что, если сигналы на первичной стороне будут на определенной частоте (например, как обозначено вертикальной пунктирной линией на фигуре 4В), то изменяющаяся частотная характеристика добавляет существенную нагрузку первичной стороне, если это требуется для регулировки, например, напряжения на первичной обмотке. Эта проблема присутствует при единственной первичной обмотке 108, как на фигуре 4А, и усиливается при нескольких параллельно установленных первичных обмотках 108, как на фигуре 2.

Фигура 4С - представляет принципиальную схему элементов системы фигуры 3. Снова предполагается, что первичная сторона питается фиксированным переменным током так, что первичная обмотка 108 генерирует электромагнитное поле для индуктивной передачи питания вторичной стороне. Также предполагается, что характеристики вторичной стороны неизвестны, например нагрузка во вторичном модуле, число представленных вторичных модулей и т.д. Также предполагается, что никакое регулирование сигналов в первичной обмотке 108 не обеспечивается. Однако в этом случае присутствует схема балластного сопротивления 308 в схеме.

Фигура 4D - схематическое представление частотной характеристики схемы в первичной стороне фигуры 4С. Сплошная кривая показывает, что схема фигуры 4С может быть сконфигурирована так, чтобы иметь резонансную настройку с двумя основными пиками, к которым присоединяется относительно плоский элемент. Кривая, показанная пунктирной линией, представляет траекторию, по которой резонансная настройка может измениться с изменением вторичной стороны (например, при изменении нагрузки, числа вторичных модулей, и т.д.). Как показано, хотя форма пиков может измениться, и хотя наклоны по обе стороны от пиков могут измениться, относительно плоский центральный участок (отмеченный полем маркированным "X" на фигуре 4D) испытывает небольшие изменения, если таковые вообще имеются.

Таким образом, если сигналы на первичной стороне на определенной основной частоте, выбранной в пределах поля X, то есть в относительно устойчивом центральном участке, то изменяющаяся частотная характеристика с изменением вторичной стороны либо добавляет небольшую нагрузку или существенно не добавляет нагрузки на первичной стороне, если требуется регулировка, например, напряжения на первичной обмотке. У первичной стороны уменьшается чувствительность к изменениям на вторичной стороне. Это преимущество, относительно схемы фигуры 4А, обеспечивается при одной первичной обмотке 108, как показано, и возможно более важно, если присутствует множество первичных обмоток. Таким образом, схема фигуры 3 воплощает представленное изобретение, даже когда обеспечивается только одна первичная обмотка 108.

Фигура 5 - принципиальная схема, аналогичная схеме на фигуре 4С, то есть системы согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения, в котором на первичной стороне установлена схема балластного сопротивления. Принципиальная схема использовалась для моделирования работы системы, демонстрации преимуществ схемы балластного сопротивления.

Для простоты понимания схемы на фигуре 5 соответствующие элементы были обозначены теми же самыми цифрами позиций, как соответствующие элементы фигур 1-4. Кратко, схема первичной стороны управляется инвертором 104 и включает индуктор 310 (балласт, L_bal) и конденсатор 312 (емкость, C_tank), чьи значения выбираются так, что схема настраивается на частоту $$f_0=1(2\pi \sqrt{LC})$$ . Схема дополнительно включает первичную обмотку 108 (основной индуктор, L_pad или L_p) и конденсатор 106 (последовательный резонансный контур, С_р), которые также настраиваются на f_o. Частота f_o выбирается в качестве переключающей частоты инвертора 104 для представленной модели, частота обычно находится в диапазоне 100-500 кГц для случаев беспроводной передачи питания. Для нерасхождения с вариантом осуществления фигуры 3 первичная обмотка 108 (основной индуктор, L_pad) может быть единственной первичной обмоткой 108 или несколькими параллельными (или даже соединенные последовательно) обмотками. Дополнительные обозначения на фигуре 5 - указатели для моделирования.

Для моделирования индуктор 310 (балласт) и конденсатор 312 (емкость) управляются постоянным напряжением переменного тока (обеспечиваемым инвертором 104) и может эффективно действовать как постоянный источник тока или использоваться для обеспечения постоянного напряжения на обмотке. Результат - независимость от маленьких допусков на компоненты, поэтому (как указанно выше), работа выполняется на плоском участке кривой частотной характеристики, между двумя основными резонансными пиками,

Фигура 6 - график результатов моделирования, основанного на схеме фигуры 5. В частности, фигура 6 - полученная кривая частотной характеристики при использовании значений параметров, изложенных далее. Маркировка параметров соответствует маркировке на фигуре 5. Частота работы была выбрана в 323 кГц (0.323 МГц).

Как может быть замечено, частотная характеристика, показанная кривой сплошной линии на фигуре 6, очень похожа на частотную характеристику на фигуре 4D, то есть с двумя основными резонансными пиками и примерно плоским участком между ними. Рабочая частота 323 кГц была выбрана, чтобы быть в центре кривой между двумя основными пиками, где кривая примерно плоская. Кривая сплошной линии показывает характеристику, когда нет вторичного модуля, и кривая пунктирной линии показывает характеристику, когда вторичная сторона присутствует и работает на полной мощности. Как может быть замечено, рабочая точка на кривой (на плоском участке) заметно не изменяется между этими двумя ситуациями.

В одном из вариантов осуществления представленного изобретения предпочтительно сохранить каждую пару компонентов, то есть индуктор 310 и конденсатор 312, как одну пару, и конденсатор 106 и первичную обмотку 108, как другую пару, настроенную на ту же частоту f_o (подходящим выбором значений индуктивности и емкости), как это устанавливается формами основной резонансной кривой. В рамках этих условий, увеличивая отношение ("отношение индуктора") индуктивности балластного индуктора 308 к индуктивности первичных обмоток 108 (то есть L_bal/L_pad), перемещают резонансные пики далее отдельно по частоте, и понижают индуктивность балластного индуктора 308, увеличивая ток в первичной обмотке (основной ток). Для понимания этих отношений используется следующие уравнение.

Резонансные пики располагаются следующим образом:

$$\frac{{\omega }_{peak}}{{\omega }_0}=\sqrt{\frac{\beta +\sqrt{{\beta }^2-4}}{2}},$$ $$\sqrt{\frac{\beta -\sqrt{{\beta }^2-4}}{2}}$$ $$\beta =\frac{L_{bal}}{L_{pad}}+2$$

где ω_peak - пиковая угловая частота (в радианах), ω_о, является операционной угловой частотой (в радианах), то есть центральной частотой кривой, L_bal является индуктивностью балластного индуктора 310, и L_pad - индуктивность первичной обмотки 108.

Ток на первичную обмотку 108 приблизительно подается:

$$V_{pad}=\frac{V_{inp}}{{\omega }_0\cdot L_{bal}}$$

где V_inp - пиковая величина входного переменного напряжения, как показано на фигуре 5. Пиковое напряжение на первичную обмотку приблизительно подают:

$$V_{pad}=V_{inp}\cdot \frac{L_{pad}}{L_{bal}}$$

V_inp - величина основной частоты (синусоидальный компонент f₀), сгенерированной инвертором 104. Которая, как можно понять, равна напряжению направляющей инвертора, умноженному на 2/π.

Фигура 7 - график результатов моделирования, показывающего влияние индуктора на расстояние между резонансными пиками. Ось Y представляет расстояние между пиками по частоте, разделенной на центральную частоту. Центральная частота в центре оси Х на фигуре 6. Фигура 8 - график результатов моделирования, показывающего влияние значения индуктивности балластного индуктора 310 на ток (основной ток) в первичной обмотке 108.

Основанный на вышеуказанном примере процесса моделирования для смоделированной на фигуре 5 схемы в одном из вариантов осуществления представленного изобретения может выглядеть следующим образом:

Этап 1: выбирают значение индуктивности L_bal балластного индуктора 310 и значение емкости C_tank, емкости конденсатора 312 так, чтобы пара была настроена на частоту $$f_0=1(2\pi \sqrt{LC})$$ . Кроме того, выбирают значение индуктивности L_pad основной обмотки 108 и значение емкости С_р последовательно подключенного резонансного конденсатора 106 так, чтобы пара была настроена на частоту f₀. Затем выбирают частоту f₀ как частоту переключения инвертора 104.

Этап 2: выбирают значение для отношения индуктора L_bal/L_pad так, чтобы резонансные пики были достаточно далеко друг от друга, чтобы влияние от допусков компонентов было существенно небольшим. Это обнаруживается при L_bal/L_pad=1/4, приблизительно являющейся возможной начальной точкой.

Этап 3: ожидаемое напряжение на первичной обмотке(ах) 108 таким образом приблизительно:

$$V_{pad}=V_{inp}\cdot \frac{L_{pad}}{L_{bal}}$$

Число витков в первичной обмотке может быть выбрано, чтобы работать с фактическим напряжениями инвертора, напряжением первичной обмотки и током первичной обмотки. На выбор инвертора и напряжения первичной обмотки обычно влияют достигнутые соображения по: FETs, требованиям эффективности, стоимости и ЕМС (электромагнитной совместимости). Компромиссы проектирования могут привести к тому, что отношение, выбранное на этапе 2, соответственно корректируется.

Этап 4: если подстраивают, выполняют подстройку всего моделирования. Например, резонансная частота балластного индуктора 310 и емкость конденсатора 312 в паре может быть немного скорректирована, чтобы обеспечить нулевое переключающее напряжение для использования в инверторе FET при всех условиях допуска. Использование нулевого переключающего напряжения (ZVS), приводит к низкому шуму переключения и уменьшению потерь.

Вышеуказанные этапы, возможно, должны быть выполнены, на практике, совместно или многократно отдельно. В практических реализациях могут быть ограничения на значения компонентов так, что, возможно, не будет полной свободы выбора значений компонентов.

Возвращаясь к фигурам 4-8, можно отметить, что первичная обмотка имеет собственную индуктивность L_pad или L_p, которая является реактивным сопротивлением обмотки в изоляции (пренебрегая потерями, такими как межобмоточная емкость). Однако, когда первичная обмотка соединяется с вторичной обмоткой во вторичном модуле, эффективная индуктивность может оказаться отличающейся и может быть изменена в зависимости от индуктивности вторичной обмотки Ls, степени связи между двумя обмотками и импедансом нагрузки, наложенным вторичным модулем. Таким образом, эффективная индуктивность может отличаться от измеренной индуктивности в изоляции. Эффективная индуктивность может измениться в зависимости от того, насколько сильна связь и поэтому зависит от того, как близко установлены первичные и вторичные обмотки. Это может также зависеть от вторичной нагрузки и поэтому может изменяться в течение времени. Именно эта эффективная индуктивность обычно определяет резонансную частоту системы. Таким образом, как на фигуре 4 В, может случиться так, что частота работы иногда, или даже часто или всегда, отличается от резонансной частоты. Тогда система выполняется обычно при небольшом отклонении "от резонанса". Преимуществом схемы на фигуре 4D может, таким образом, быть то, что система сознательно выполняется на частоте между двумя резонансными пиками, то есть разрабатывается, чтобы уйти от резонанса. Систему можно, таким образом, считать неуязвимой или обладающей уменьшенной чувствительностью к изменениям в эффективной индуктивности (то есть существенно устойчивой).

Фигура 9 - принципиальная схема системы 350 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Система 350, так же как система 300, включает первичный модуль 352 и несколько вторичных модулей 200.

Первичный модуль 352 обычно тот же, что и первичный модуль 306, за исключением того, что показаны только две первичных обмотки 108, и за исключением того, что показана определенная реализация в качестве примера основной обмотки 108. Каждая первичная обмотка 108 первичного модуля 352 включает панель, сформированную ферритовым элементом, функционирующим как первичный сердечник 109 с витками соответствующей первичной обмотки 108 вокруг него и распределенных вдоль его длины. Вторичные обмотки 302 вторичного модуля 200 системы 350 также имеют подобную конфигурацию. Таким образом, вторичная обмотка 202 в каждом вторичном модуле 200 фигуры 9 включает панель, сформированную ферритовым элементом, функционирующую как вторичный сердечник 203 с витками соответствующей вторичной обмотки 202 вокруг него и распределенные вдоль его длины.

В представленном варианте осуществления вторичные обмотки 202 (и сердечники 203) имеют немного меньшие размеры, чем первичные обмотки 108 (и сердечники 109), давая некоторую свободу размещения при расположении устройства. В другом варианте осуществления представленного изобретения первичные обмотки 108 могут быть такого же размера, как (или немного меньшего чем) вторичные обмотки.

В представленном варианте осуществления первичные обмотки 108 физически располагаются так, что, они совместно используют общую обмоточную ось, однако они располагаются так, чтобы смежные витки у таких первичных обмоток были противоположные полярности друг другу. Это иллюстрируется фигурой 9, концы обмоток двух показанных первичных обмоток 108, которые расположены смежно друг с другом, соединены вместе и так же самые дальние концы, соединены вместе. Преимущество этого расположения состоит в том, что электромагнитное поле, сгенерированное первичными обмотками 108, может быть до некоторой степени погашено, что может уменьшить интерференцию, вызванную первичным модулем 352. Таким же способом большее число первичных обмоток 108 может быть установлено с альтернативными полярностями. В другом варианте осуществления представленного изобретения первичные обмотки 108 могут быть расположены другим способом, например одна за другой. В других вариантах осуществлениях у первичных обмоток может быть та же полярность, или противоположная полярность может быть обеспечена от отдельных не совпадающих по фазе систем управления.

Расположение первичных обмоток 108 в представленном варианте осуществления представляет собой первичный модуль, выполненный в виде полки, как описано выше. Линия первичных обмоток 108 может находиться под полкой, обеспечивая полку непосредственно как поверхность передачи питания. Вторичные модули 200 тогда могут быть расположены на полке для индуктивного получения питания.

Фигура 10 - принципиальная схема первичного модуля 362 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Как указанно выше, число первичных обмоток 108, обеспечиваемых в первичных модулях, представленных здесь, может измениться от одного варианта осуществления к другому варианту. В этом качестве первичный модуль 362 может, например, использоваться взаимозаменяемо с первичными модулями 302, 306 и 352.

Первичный модуль 362 отличается от первичного модуля 306 следующим. Во-первых, управляемые элементы схемы включают схему балластного сопротивления 308, конденсатор 106 и одну из первичных обмоток 108, и элементы соединяются вместе параллельно. Во-вторых, буфер 110 (пиковый детектор) соединяется только с одной из первичных обмоток 108.

Соответственно, в первичном модуле 362 схемы балластного сопротивления соединяются с инвертором 104 так, что инвертор 104 управляет ими одновременно. Эта конфигурация первичного модуля 362 использует преимущества схемы балластного сопротивления 308, указанные подробно выше. Таким образом, инвертор 104 конфигурируется так, что его основная выходная частота находится на по существу плоском элементе кривой частотной характеристики для каждых из соединенных параллельно элементов. Конфигурируя соединенные параллельно элементы так, что они взаимно подобны, основная частотная характеристика может быть расположена на существенно плоском элементе кривой частотной характеристики для каждого из соединенных параллельно элементов, и находится в приблизительно том же самом месте по частоте. Поэтому у полной комбинации соединенных параллельно элементов (и каждого такого элемента в отдельности) уменьшают чувствительность к изменениям на вторичной стороне (например, к присутствию/отсутствию вторичного модуля 200, или типу вторичного модуля 200). Это - одна причина, по которой возможна регулировка напряжения каждой из первичных обмоток 108, измеряя напряжение только для одной из обмоток 108 (в этом случае, высшей обмотке 108). Таким образом, регулируя работу одной из первичных обмоток 108, регулируется работа всех первичных обмоток 108. Это выгодно с точки зрения уменьшения стоимости и сложности, чтобы не надо было разделять схему регулирования на первичные обмотки 108 (например, необходимость отдельных буферов 110 обмотке 108 и более сложных MPU 112).

Фигура 11 - принципиальная схема первичного модуля 372 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Первичный модуль 372 может, например, использоваться взаимозаменяемо с первичными модулями 302, 306, 352, и 362.

Первичный модуль 372 является обычно таким же, как первичный модуль 362, за исключением того, что каждой первичной обмотке 108 предоставляют обратную связь через буфер 110 (пиковый детектор). Далее, MPU 374 с многократными вводами обеспечивается вместо MPU 112.

Первичный модуль 372 функционирует для обнаружения напряжения на каждой из первичных обмоток 108 и регулирования их работы, в этом случае контроль работы преобразователя DC/DC 102 зависит от любого одного или более количества измеренных напряжений. При определенных обстоятельствах, например, когда только один вторичный модуль 200 присутствует, может быть выгодно управлять регулированием, основываясь на обнаруженном напряжении от определенной первичной обмотки 108, для повышения точности управления этой определенной обмоткой. При других обстоятельствах может быть выгодно базировать регулирование на напряжениях от различных обмоток 108 в разное время. В целом в первичном модуле 372 обеспечивается высокая возможность контроля.

Фигуры 12-15 представляют принципиальные схемы первичных модулей 382, 392, 402 и 412, соответственно, каждый формирующий различный вариант осуществления представленного изобретения. Каждый из этих первичных модулей может, например, использоваться взаимозаменяемо с любым из первичных модулей 302, 306, 352, 362 и 372.

Каждый из первичных модулей 382, 392, 402 и 412 является обычно тем же, что и первичный модуль 302, за исключением следующих различий. Важно, что эти варианты осуществления предназначены для демонстрации того, что сигнал обратной связи (измеряемая работа схемы) может быть получен в любой из нескольких различных точек схемы первичного модуля.

В первичном модуле 382 фигуры 12, измерение напряжения переменного тока обеспечивается в первичном модуле 302, между конденсатором 106 и инвертором 104. В первичном модуле 392 фигуры 13, измерение переменного тока 394 обеспечивается на первичных обмотках (представленных как преобразователь тока). В первичном модуле 402 фигуры 14, измерение напряжения постоянного тока обеспечивается между преобразователем DC/DC 102 и инвертором 104. В первичном модуле 412 фигуры 15, измерение постоянного тока DC (сформированный добавочным резистором 414 и операционным усилителем 416) обеспечивается между преобразователем DC/DC 102 и инвертором 104.

Фигура 16 - принципиальная схема первичного модуля 422 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Первичный модуль 422 может, например, использоваться взаимозаменяемо с любым из первичных модулей 302, 306, 352, 362, 372, 382, 392, 402 и 412.

Первичный модуль 422 обычно подобен первичному модулю 372, за исключением того, что у параллельных элементов нет балластных схем (но другой вариант осуществления может включать такие схемы балластного сопротивления), и что конденсаторы 106 в каждой параллельном элементе заменяются переменными реактивными сопротивлениями (переменные конденсаторы) 424. Дополнительно, у первичного модуля 422 есть MPU 426 (вместо MPU 112), у которого есть ввод на датчики напряжения (через буферы 110) и вывод на переменное реактивное сопротивление 424, чтобы управлять значением этих реактивных сопротивлений.

Соответственно, в первичном модуле 422, у каждого параллельного элемента есть первичная обмотка 108 и переменное реактивное сопротивление 424, соединенные последовательно. Каждое переменное реактивное сопротивление 424 реализуется в этом варианте осуществления как переменный конденсатор, сформированный батареей конденсаторов, которые могут быть переключены под управлением MPU 426. Переменные конденсаторы могут быть произведены, используя MOSFETs (МОП-транзисторы) или MEM для примера. Величина переменных конденсаторов управляется MPU 426.

Поскольку значение емкости в переменных реактивных сопротивлениях 424 различно, комбинация LC (основной обмотки 108 и переменное реактивное сопротивление 424) настраивается так, что комбинация может быть введена или выведена из резонанса. Таким образом, пиковое напряжение указанной обмотки может быть управляемым различно, основываясь на настройке резонансной частоты комбинации LCк или далеко от основной частоты инвертором 104.

Таким образом, в первичном модуле 422, пиковое напряжение в каждой первичной обмотке 108 определяется, и эти сигналы обратной связи могут использоваться MPU 426 для управления и преобразователем DC/DC 102 и переменными реактивными сопротивлениями 424. Каждая первичная обмотка 108 может быть отрегулирована на различный уровень напряжения. Подразумевается, что хотя варианты осуществления, раскрытые здесь, сосредотачиваются на определении напряжения и регулировании, другие варианты осуществления представленного изобретения могут определять ток или мощность на первичных обмотках 108.

В первичном модуле 422 каждой из первичных обмоток 108 необязательно иметь переменное реактивное сопротивление 424. Например, у одной из первичных обмоток 108 мог быть фиксированный конденсатор, такой как конденсатор 106, и у других могут быть переменные реактивные сопротивления. Первичные обмотки 108 могут быть отрегулированы вместе, под контролем преобразователя DC/DC 102, и первичные обмотки 108 могут быть отрегулированы относительно друг друга (и обмотки 108 с фиксированным конденсатором 106), под контролем переменных реактивных сопротивлений 424. Дополнительно, переменный импеданс может использоваться (объединенные сопротивления), однако потери, связанные с сопротивлениями (проявляющиеся как теплоотдача), могут быть нежелательны в некоторых варианты осуществлениях.

Фигура 17 - принципиальная схема первичного модуля 432 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Как и раньше, первичный модуль 432 может использоваться взаимозаменяемо с ранее описанными первичными модулями, воплощающими представленное изобретение.

Первичный модуль 432 является тем же самым, что и первичный модуль 422, за исключением того, что вместо параллельных элементов, управляемых общим инвертором 104, каждый такой элемент управляется полумостом 434, с полумостами 434, управляемыми общим управляющим устройством 436 и осциллятором 438.

Обращая внимание на LC комбинации в первичных модулях 422 и 432, отметим, что есть несколько способов сформировать переменный конденсатор (например, использование варакторов или различных комбинаций последовательно и параллельно подключаемых конденсаторов). Альтернативно, может использоваться фиксированный конденсатор, последовательно подключенный с переменной индуктивностью. В случае изменения L или С изменится полная комбинация LC. Это может быть осуществлено с коммутируемым массивом отдельных проводников, или, например, обеспечением обмотки вокруг ферритового сердечника с касаниями в обмотке, так что различные наборы витков могут быть отключены или выбраны, чтобы изменить полную индуктивность.

Фигура 18 - принципиальная схема первичного модуля 442 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Как и раньше, первичный модуль 442 может использоваться взаимозаменяемо с ранее описанными первичными модулями, воплощающими представленное изобретение.

Первичный модуль 442 подобен первичному модулю 432, за исключением того, что каждому параллельному элементу предоставляют собственный инвертор 104 вместо полумостов 434 (и управляющий элемент 436 и осциллятор 438). Дополнительно, каждое из переменных реактивных сопротивлений 424 заменяется фиксированным конденсатором 106.

Чтобы обеспечить возможность контроля каждого параллельного элемента, подобно элементам на фигуре 17, каждому инвертору обеспечивается его собственный настраиваемый осциллятор 444, управляемый MPU 426. Таким образом, частота управления (то есть основная выходная частота инвертора 104) обеспечивается для каждой первичной обмотки 108, может быть скорректирована для перевода обмотки к или далеко от резонанса, таким образом, корректируется напряжение переменного тока (пиковое напряжение или, например напряжение RMS). Как и на фигуре 17, сигнал на каждой первичной обмотке измеряется посредством буфера (пикового детектора) 110, и MPU 426, функционирующего для динамического контроля сигнала на выводах обмотки для выполнения системного контроля/регулирования. Таким образом, MPU 426 может выборочно контролировать работу преобразователя DC/DC 102 и/или работу одного или более настраиваемых осцилляторов 444. MPU 426 функционирует для динамической регулировки напряжения (или тока или питания, в других варианты осуществлениях) в каждой из первичных обмоток 108, для приведения всех к одному уровню или к разным уровням, как это необходимо.

Как и ранее, нет необходимости обеспечивать каждый инвертор 104 собственным настраиваемым осциллятором 444. Например, одному из инверторов 104 можно обеспечить осциллятор фиксированной частоты, а у других могут быть настраиваемые осцилляторы 444. Первичные обмотки 108 могут быть отрегулированы вместе, под контролем преобразователя DC/DC 102, и первичные обмотки 108 могут быть отрегулированы относительно друг друга (и относительно обмотки 108 с осциллятором фиксированной частоты), под контролем настраиваемого осциллятора 444.

Фигуры 19 и 20 - принципиальные схемы возможных разметок первичной обмотки 108 на заряжающих поверхностях первичных модулей согласно некоторым вариантам осуществления представленного изобретения. Представленный вариант осуществления предназначен, чтобы показать, что вторичный модуль 200 может быть помещен куда угодно, или почти куда угодно, на таких заряжающих поверхностях первичных модулей для зарядки. В таких случаях указанный первичный модуль может включать множество первичных обмоток.

На фигуре 19 заряжающая поверхность имеет массив ферритовых обмоток 450, то есть массив обмоток 450 на ферритовой основе 452. На фигуре 20 у заряжающей поверхности имеется массив печатных шестиугольных спиральных обмоток 460, вытравленный на РСВ (печатной плате) 462, у которой может быть ферритовый и/или металлический экран снизу. На фигуре 20 каждое шестиугольная область 460, как можно понять, является отдельной обмоткой. Прямоугольники 464 представляют возможные места вторичного модуля 200, или вторичного устройства, включающего такой вторичный модуль, помещенный на заряжающую поверхность указанного первичного модуля для зарядки (то есть индуктивного получения питания индуктивно).

Важно, что в некоторых варианты осуществления место вторичного модуля 200 может быть меньшим, чем заряжающая область на заряжающей поверхности, так что несколько вторичных модулей могут быть заряжены одновременно. В массивах, таких как показанные на фигурах 19 и 20, можно переключить первичные обмотки 108, включить и выключить, чтобы только определенные обмотки были активными в определенное время. Когда одна первичная обмотка 108 выключается, может быть необходимо переключиться на индуктор (фиктивную обмотку) вместо того, чтобы сохранять ту же полную индуктивность и сохранять систему в резонансе. Эта концепция может быть применена аналогично к любому из ранее описанных вариантов осуществления для формирования новых вариантов осуществления представленного изобретения, и это концепция описана ниже более подробно. Представленная концепция может также быть выгодна, даже если только единственный вторичный модуль получает питание, поскольку различные первичные обмотки и даже различные числа первичных обмоток, возможно, должны быть активными в зависимости от позиции и/или ориентации вторичного модуля относительно заряжающей поверхности. Поэтому, в зависимости от такой позиции/ориентации, различные фиктивные обмотки или различные числа фиктивных обмоток, возможно, должны быть активными в разное время, чтобы поддержать системный резонанс.

"Фиктивные обмотки" могут быть стандартными индукторами, которые могут быть меньшего размера и легче чем первичные обмотки. Дополнительно, они могут быть экранированы или разработаны так, чтобы не излучать, чтобы не влиять на электромагнитное поле, сгенерированное первичными обмотками. Фиктивные обмотки могут быть расположены в первичном модуле далеко от области передачи питания, чтобы минимизировать любой эффект от них (тепло, излучение, или др.). Таким образом, возможно поддержать индуктивность, указанную в схеме управления, используя фиктивные обмотки, без тех фиктивных обмоток, влияющих на сгенерированное электромагнитное поле.

Фигура 21 - принципиальная схема первичного модуля 472 согласно одному варианту осуществления представленного изобретения. Как и ранее, первичный модуль 472 может использоваться взаимозаменяемо с любым из ранее описанных первичных модулей, воплощающих представленное изобретение.

Как указанно выше, понятие "фиктивные обмотки" может быть применено к любому из ранее описанных вариантов осуществления, и первичный модуль 472 является одним примером этого понятия в применении к первичному модулю 306 фигуры 3.

Как может быть замечено на фигуре 21, каждая из первичных обмоток 108 обеспечивается последовательно переключателем 474, так чтобы обмотку можно быть переключить (например, под управлением MPU 112) включить или выключить. Параллельно с первичными обмотками 108 (и переключателями 474) включены соответствующие индукторы 476 (функционирующие как фиктивные обмотки), соединенные последовательно с переключателями 478. Таким образом, при выключении одной первичной обмотки 108, индуктор (фиктивная обмотка) 476 может быть включен, чтобы поддерживать ту же полную индуктивность параллельного расположения первичных обмоток 108 и индукторов 476.

В вышеуказанном пояснении принимается отношение между индуктивностями первичных обмоток 108 и индукторов (фиктивные обмотки) 476, равное 1:1 так, что они могут быть включены, чтобы заменить один элемент другим в схеме. Дополнительно предполагается, что в рассматриваемом первичном модуле 472 первичных обмоток 108 столько же, что и индукторов (фиктивных обмоток) 476. Хотя это верно для одного варианта осуществления представленного изобретения, это необязательно для других вариантов осуществления. Например, в одном из вариантов осуществления представленного изобретения может быть известно, что когда в любой момент определенное число первичных обмоток 108 будет выключено, необходимо обеспечить подключение определенного числа индукторов 476 (такое число может быть меньшим, чем число первичных обмоток 108). Кроме того, например, в другом варианте осуществления представленного изобретения, когда первичные обмотки 108 переключаются, всегда будет, по меньшей мере, определенное число выключенных. В этом случае, возможно сконфигурировать один из индукторов (фиктивную обмотку) 476 так, чтобы у нее была та же индуктивность, как у определенного числа первичных обмоток 108 (такое число может быть более чем 1). Заметим, что возможны другие расположения первичных обмоток 108 и индукторов (фиктивных обмоток) 476, формирующие дальнейшие варианты осуществления представленного изобретения.

Фигура 22 - принципиальная схема первичного модуля 492, представляющего несколько вариантов осуществления представленного изобретения.

Первичный модуль 482 предназначен, чтобы, в общем, демонстрировать, как концепция переключения, включения и выключения первичных обмоток 108 и индукторов (фиктивных обмоток) 476 может быть применена к вариантам осуществления представленного изобретения. Первичный модуль 482 включает массив первичных обмоток 108 и индукторы 476, управляющее устройство 484 и модуль переключателя 486. Первичные обмотки 108 и индукторы 476 обычно соединяются с одного конца через модуль переключателя 486 к заземлению в управляющем устройстве 484. Другой конец каждой из первичных обмоток 108 и индуктора 476 является выборочно присоединяемым под управлением модуля переключателя 486, или к выходу 1 или выходу 2 управляющего устройства 484. Как станет понятным, у управляющего устройства 484 может быть любое число выводов, и только два показаны, для удобства.

Конфигурация первичного модуля 482 обычно применима к вариантам осуществления первичного модуля, раскрытым здесь. Например, первичные обмотки 108 могли быть массивом на фигуре 19 или 20. Кроме того, например, рассматривая управляющее устройство 484 только с одним выводом (или с другими свободными выводами), первичные обмотки 108 и индукторы 476 могли быть теми же что показаны на фигуре 21, модуль переключателя 486 мог быть комбинацией переключателей 474 и 478 на фигуре 21, и управляющее устройство 484 могло быть остающимися частями схемы на фигуре 21, с выводом управляющего устройства, расположенным между конденсатором 106, и буфером 110 на фигуре 21.

Преимущество обеспечения более одного вывода в управляющем устройстве 484 заключается в том, что первичными обмотками 108 и индукторами 476 можно управлять в наборах, один набор на вывод, так что (например) один набор мог быть отрегулирован с отличным от другого напряжением. Как показано на фигуре 22, любое число первичных обмоток 108 и индукторов 476 может быть соединено с любым из выводов управляющего устройства.

Фигура 23 - принципиальная схема управляющего устройства 492, которое может взаимодействовать с управляющим устройством 484 для формирования варианта осуществления представленного изобретения. Важно, что управляющее устройство 492 - то же, что и первичный модуль 492 фигуры 23, за исключением того, что первичная обмотка 108 была удалена, оставляя выходы 1 и 2, и что оставшиеся более низкие выходы полумостов 434 соединяются вместе для совместимости с точками соприкосновения на фигуре 22. Соответственно, подразумевается, что один набор первичных обмоток 108 (или индукторов 476) может быть отрегулирован с одним напряжением (через выход 1), и другой набор первичных обмоток 108 (или индукторов 476) может быть отрегулирован с другим напряжением (через выход 2). Снова, как и ранее, регулирование может быть в зависимости от напряжения, тока или мощности.

Наличие различных первичных обмоток 108, отрегулированных с различными напряжениями первичных обмоток, может быть полезным для предоставления разных уровней мощности к различным нагрузкам (например, различные типы вторичного модуля 200 или вторичного устройства), которые находятся на той же заряжающей поверхности или, по меньшей мере, получающие питание индуктивно от того же первичного модуля. Это может также быть полезно, потому что связь между первичным модулем и вторичным модулем может значительно различаться в зависимости от позиции и/или ориентации вторичного модуля относительно первичного модуля. Кроме того, фактические допуски на конденсаторы и индукторы могут привести к различиям от одного вторичного модуля или устройства к другому.

В сумме эти изменения могут привести к тому, что вторичным модулям/устройствам будет необходимо охватывать большой диапазон входных напряжений, и важным требованием является ограничение диапазона напряжений, который вторичный модуль/устройство должен охватывать, так как может включать компоненты более низкого напряжения и таким образом уменьшать стоимость и улучшать эффективность. С учетом этого, в одном из вариантов осуществления представленного изобретения, первичные и вторичные модули могут быть расположены, чтобы образовывать связь друг с другом. Например, вторичное устройство в одном из вариантов осуществления представленного изобретения может быть сконфигурировано так, чтобы связаться с индикатором мощности первичного модуля, показывая, какая мощность требуется. Соответственно первичный модуль может быть сконфигурирован так, чтобы отрегулировать соответствующие первичные обмотки. Ясно, что в некоторых вариантах осуществления такая передача информации необходима только в одностороннем порядке, например от вторичного модуля к первичному модулю, хотя для более устойчивой связи может использоваться двухсторонняя передача.

Фигура 24 - принципиальная схема первичного модуля 502 согласно одному из вариантов осуществления представленного изобретения. Первичный модуль 502 является реализацией в качестве примера первичного модуля 582, в котором комплекты первичных обмоток 108 и индукторов (фиктивных обмоток) 476 показываются отдельно (как на фигуре 21) и в котором явно показана реализация в качестве примера модуля переключателя 486. Дополнительно показывается, что управление модуля переключателя 486 может быть осуществлено MPU 504, который может быть элементом или отдельно от MPUs, показанного в других варианты осуществлениях представленного изобретения.

В одном из вариантов осуществления представленного изобретения, аналогичного варианту на фигуре 18, может быть выгодно регулировать частоту управления на первичном модуле. Это может быть полезно, например, если вторичные модули не включают преобразователей DC/DC и вместо этого передают информацию об обратной связи первичному модулю. Например, в одном из вариантов осуществления первичный модуль может потенциально управлять первичной обмоткой или обмотками для одного вторичного модуля на одной частоте и другой первичной обмоткой или обмотками для другого вторичного модуля на другой частоте, в зависимости от сигналов обратной связи от вторичных модулей. В этом отношении, по меньшей мере, некоторые варианты осуществления могут получить сигналы обратной связи от вторичной стороны (так же, как, или вместо, сигналов обратной связи от первичной стороны).

Очевидно, что другие варианты осуществления представленного изобретения возможны в рамках добавленных требований.

Следует отметить что возможны другие варианты осуществления представленного изобретения без выхода за рамки формулы изобретения.

1. Схема для использования в первичном модуле индуктивной системы передачи питания
для генерирования электромагнитного поля, чтобы передать питание с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукцией одному или более вторичным модулям системы, или каждому вторичному модулю, находящемуся отдельно от первичного модуля, причем схема, включает:
множество управляемых элементов, каждый элемент включает первичную обмотку или холостую обмотку;
схему управления, действующую для питания обоих или, по меньшей мере, двух из указанных элементов сигналом управления, чтобы подключить указанные управляемые элементы, которые имеют указанную первичную обмотку, для генерирования указанного электромагнитного поля; и
схему контроля, действующую в зависимости от сигнала обратной связи, показывающего характеристики первичной или холостой обмотки одного или более управляемых элементов, для контроля схемы, чтобы регулировать указанный сигнал обратной связи,
причем схема сконфигурирована так, что:
управляемые элементы соединены вместе параллельно и настроены в резонанс; и
указанный контроль предназначен для регулирования такой характеристики каждой из указанных управляемых обмоток.

2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что характеристика указанной обмотки - величина сигнала с этой обмотки.

3. Схема по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждый указанный управляемый элемент включает, в основном, только указанную первичную обмотку.

4. Схема по п. 3, отличающаяся тем, что указанный сигнал обратной связи обычно представляет собой величину сигнала напряжения на обмотках управляемых элементов.

5. Схема по п. 3, отличающаяся тем, что содержит конденсатор, соединенный последовательно с управляемыми элементами.

6. Схема по п. 5, отличающаяся тем, что в течение периода управления:
сигналы управления имеют заданную основную частоту;
конденсатор имеет заданное значение емкости; и
управляемые элементы имеют общее заданное значение индуктивности.

7. Схема по п. 6, отличающаяся тем, что в течение периода управления, управляемые элементы всегда имеют определенное значение индуктивности.

8. Схема по п. 6, отличающаяся тем, что управляемые элементы во время одного периода управления не являются теми же управляемыми элементами, которые регулируются во время другого такого периода управления.

9. Схема по п. 6, отличающаяся тем, что заданное значение емкости такое, что управляемые элементы настроены в резонанс на заданной основной частоте.

10. Схема по п. 6, отличающаяся тем, что конденсаторы имеют фиксированное значение емкости, причем сигналы управления имеют фиксированную основную частоту.

11. Схема поп.п. 6 , отличающаяся тем, что схема конфигурируется так, что число управляемых элементов во время одного интервала периода управления равно числу управляемых элементов во время другого интервала периода управления.

12. Схема по п. 3, отличающаяся тем, что схема конфигурируется так, что все управляемые элементы имеют частотную характеристику, имеющую два основных резонансных пика и по существу плоский участок между ними; и
основная частота сигнала управления расположена по частоте между указанными основными резонансными пиками и на указанном плоском участке.

13. Схема по п. 12, отличающаяся тем, что
управляемые элементы конфигурируются так, что, они соединяются последовательно с конденсатором и схемой балластного сопротивления; и конденсатор и балластная схема конфигурируются так, что управляемые элементы имеют вместе определенную частотную характеристику.

14. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что схема конфигурируется так, что все управляемые элементы имеют частотную характеристику, имеющую два основных резонансных пика и существенно плоский участок между ними; и основная частота
сигнала управления расположена по частоте между указанными основными резонансными пиками и на указанном плоском участке.

15. Схема по п. 14, отличающаяся тем, что управляемые элементы имеют одну и ту же частоту во время периода управления.

16. Схема по п. 14, отличающаяся тем, что управляемые элементы имеют одну и ту же конструкцию.

17. Схема по п. 14, отличающаяся тем, что каждый управляемый элемент содержит конденсатор, соединенный последовательно с его обмоткой, и балластную схему, причем каждый управляемый элемент, его обмотка, конденсатор и балластная схема выполнены так, что управляемый элемент имеет определенную частоту в период управления.

18. Схема по п. 17, отличающаяся тем, что
конденсаторы в указанных управляемых элементах одинаковы, балластные схемы в указанных управляемых элементах одинаковы,
обмотки, конденсаторы и балластные схемы выполнены одинаковым образом в каждом управляемом элементе.

19. Схема по п. 14, отличающаяся тем, что указанный сигнал обратной связи формируется в одном из управляемых элементов.

20. Схема по п. 19, отличающаяся тем, что в качестве сигнала обратной связи используется напряжение или ток, или мощность в первичной обмотке одного из управляемых элементов.

21. Схема по п. 14, отличающаяся тем, что отдельный сигнал обратной связи формируется от каждого управляемого элемента, контролируемые элементы работают в зависимости от одного или более сигналов обратной связи.

22. Схема по п.1, отличающаяся тем, что отдельный сигнал обратной связи формируется от каждого элемента, который регулируется, и/или от каждого вторичного модуля, получающего индуктивно питание от схемы, каждый или один из управляемых элементов
содержит контролируемый элемент, контролирующая схема работает в соответствии с сигналом обратной связи, воздействуя на контролируемые элементы.

23. Схема по п. 22, отличающаяся тем, что контролирующая схема воздействуют на указанные контролируемые элементы, чтобы регулировать характеристики управляемых обмоток относительно друг друга.

24. Схема по п.22, отличающаяся тем, что указанный контролируемый элемент или каждый указанный контролируемый элемент является переменным реактивным сопротивлением.

25. Схема по п.22, отличающаяся тем, что указанный контролируемый элемент или каждый указанный контролируемый элемент является переменной емкостью.

26. Схема по п. 22, отличающаяся тем, что указанный контролируемый элемент или каждый указанный контролируемый элемент действует под таким управлением, чтобы изменить основную частоту указанного сигнала управления в этом элементе.

27. Схема по п. 26, отличающаяся тем, что указанный контролируемый элемент или каждый указанный контролируемый элемент является настраиваемой схемой инвертора или полумоста.

28. Схема по п.22, отличающаяся тем, что каждый указанный управляемый элемент имеет конденсатор, последовательно соединенный с его обмоткой.

29. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере, одна первичная обмотка управляемого элемента является холостой обмоткой, которая при управлении не генерирует электромагнитное поле.

30. Схема по п. 29, отличающаяся тем, что индуктивность указанной холостой обмотки относительно такая же, как индуктивность указанной первичной обмотки.

31. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что сконфигурирована так, что указанные обмотки при управлении имеют одинаковую полярность.

32. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что при управлении, одна или более указанных обмоток имеют полярность, отличную от полярности одной или более других указанных обмоток.

33. Схема для использования в первичном модуле индуктивной системы передачи питания для генерирования изменяющегося во времени электромагнитного поля для передачи питания с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукции к вторичному модулю системы, вторичный модуль расположен отдельно от первичного модуля, схема, включает:
управляемый элемент, включающий первичную обмотку; и
средства управления, действующие для предоставления управляемым элементам сигнала управления, имеющего предопределенную основную частоту, чтобы первичная обмотка генерировала указанное электромагнитное поле,
причем:
управляемый элемент конфигурируется так, что при управлении имеет частотную характеристику, имеющую два основных резонансных пика и относительно плоский участок между ними; и
средство управления конфигурируется так, что указанная основная частота располагается в диапазоне частот между указанными основными резонансными пиками и на указанном плоском участке.

34. Схема по п. 33, отличающаяся тем, что
при управлении первичная обмотка управляемого элемента соединяется последовательно с конденсатором и со схемой балластного сопротивления; а
первичную обмотку, конденсатор и схему балластного сопротивления конфигурируют, чтобы при управлении управляемым элементом иметь определенную частотную характеристику.

35. Индуктивная система передачи питания, включающая:
первичный модуль, функционирующий для генерирования электромагнитного поля; и
по меньшей мере, один вторичный модуль, расположенный отдельно от первичного модуля, сконфигурированный для получения питания с помощью беспроводных технологий электромагнитной индукции от первичного модуля, когда находится вблизи его,
причем первичный модуль включает схему по п. 1.