无线功率传输和通信的制作方法

1.本发明涉及无线功率传输中的通信，特别地但非排他性地涉及要求传输大量数据的、功率发射器与功率接收器之间的通信。


背景技术：

2.当今的大多数电气产品都要求专用的电接触以便从外部电源获得供电。然而，这往往是不切实际的并且要求用户物理地插入连接器或者以其他方式建立物理电接触。通常，功率要求也显著不同，并且当前的大多数设备被提供有它们自己的专用电源，从而使得在通常情况下用户具有大量不同电源，其中，每个电源专用于特定设备。虽然使用内部电池可以避免在使用期间对有线连接到电源的需求，但是这仅提供了部分解决方案，因为电池将需要再充电(或更换)。使用电池也会显著增加设备的重量和潜在的成本和尺寸。
3.为了提供显著改善的用户体验，已经提出了使用无线功率供应，其中，将功率从功率发射器设备中的发射电感器感应地传输到各个设备中的接收器线圈。
4.经由磁感应进行的功率发射是众所周知的构思，它主要应用于在初级发射电感器/线圈与次级接收器线圈之间具有紧密耦合的变压器中。通过在两个设备之间分离初级发射器线圈和次级接收器线圈，基于松散耦合的变压器的原理，这些设备之间的无线功率传输变为可能。
5.这样的布置允许到设备的无线功率传输，而不要求进行任何电线或物理电连接。实际上，这样的布置可以简单地允许将设备放置在发射器线圈附近或在发射器线圈之上，以便从外部得到再充电或供电。例如，功率发射器设备可以被布置有水平表面，在该水平表面上能够简单地放置设备以便得到供电。
6.此外，可以有利地设计这样的无线功率传输布置，使得功率发射器设备能够与一系列功率接收器设备一起使用。特别地，已经定义了被称为qi规范的无线功率传输方法，并且目前正在进一步开发这种方法。这种方法允许符合qi规范的功率发射器设备与也满足qi规范的功率接收器设备一起使用，而它们不必来自同一制造商或者不必是对彼此专用的。qi标准还包括用于允许操作适应特定功率接收器设备的某种功能(例如取决于特定的功率抽取)。
7.qi规范由无线充电联盟(wireless power consortium)开发，并且更多信息能够在他们的网站上找到：http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html，在其上特别是能够找到定义的规范文档。
8.在功率传输能够开始之前，功率发射器和功率接收器需要对功率传输条件执行相互识别和协商。这些内容是在qi规范中定义的，使用功率信号调制的通信方法也是在qi规范中定义的。由于功率信号载波的频率在100khz区域中并且系统的惯性很大，因此可能的数据速率相对较低。
9.在一些情形中，特别是在更高的功率系统的情况下，需要交换的数据量变得很大，因为出于安全原因而要求进行更多检查。


技术实现要素：

10.因此，本发明寻求以单独方式或以任何组合方式来减轻、减弱或消除上面提到的缺点中的一个或多个缺点。
11.因此，提供了一种用于经由感应功率传输信号向功率接收器无线地提供功率的功率发射器，所述功率发射器包括：发射器谐振电路，其包括具有在第一频率下的发射谐振的功率发射电感器，并且被布置用于生成所述功率传输信号，所述功率发射电感器被布置为能被磁性耦合到所述功率接收器中的功率接收器电感器；功率发射器驱动器，其被操作性耦合到所述功率发射器谐振电路，并且被布置为生成用于所述功率发射电感器的驱动信号；以及发射器通信谐振电路，其不同于所述发射器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率发射电感器，并且没有显著地磁性耦合到所述功率发射器电感器，所述发射器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的发射器通信谐振以用于通信，其中，所述功率发射电感器既参与发射又参与发射器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振。
12.这种布置对功率发射器和功率接收器的相对放置情况的敏感程度要小得多，因此用户移动功率接收器带来的通信中断的风险较小。此外，与基于nfc的系统相比，放松了设计约束，使得功率发射器和功率接收器的总体设计更加简单。除了可能节省部件以外，这还可以有助于降低系统总成本。
13.在实施例中，功率信号和通信信号经由所述功率发射电感器进行传递。
14.在实施例中，功率信号和通信信号能够同时存在。
15.由于发射和通信谐振同时存在，因此功率传输信号和通信信号可以同时存在。此外，与使用功率信号调制(例如，负载调制)的技术相比，通信载波的mhz频率可以提供高得多的带宽。
16.在实施例中，在所述功率发射器中，所述发射器通信谐振电路包括发射器通信电感器(305)，所述发射器通信电感器(305)被布置为未被实质性磁性耦合到在功率接收器中存在的接收器通信电感器。
17.由于通信电感器未在任何显著程度上发生磁性耦合并且通信信号经由功率发射电感器和功率接收电感器进行传递，因此通信信号不太容易受到功率接收器和功率发射器的相对定位情况的扰动。实际上，进一步降低了通信信号被功率接收器中断的风险。
18.在实施例中，所述第二频率至少是所述第一频率的7倍。较高的载波频率允许比负载调制更高的数据速率，这继而允许更复杂的协商/通信协议和增强的安全特征。
19.在实施例中，所述发射器通信电感器是与所述功率发射电感器分开的部件。在另外的实施例中，所述发射器通信电感器包括电磁屏蔽。
20.在实施例中，所述发射器通信电感器是由形成所述功率发射电感器的同一电感器的部分形成的。这可以提供具有成本效益的解决方案，因为避免了额外的部件。
21.在实施例中，还存在通信驱动器，所述通信驱动器被耦合到所述发射器通信谐振电路并且被布置为生成通信驱动信号。这允许功率发射器使用高频系统对功率接收器做出响应。
22.在实施例中，所述功率发射器还包括通信接收器(501)，所述通信接收器被耦合到所述发射器通信谐振电路并且被布置为对通信信号进行解码，从而允许其接收高频通信。
23.类似地，提供了一种用于经由感应功率传输信号来无线地接收功率的功率接收器；所述功率接收器包括：功率接收电感器，其用于从所述功率传输信号中提取功率；接收器谐振电路，其被操作性耦合到所述功率接收电感器，并且被布置为建立在第一频率下的接收谐振；以及接收器通信谐振电路，其不同于所述接收器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率接收器电感器，并且没有显著地磁性耦合到所述功率接收器电感器，所述接收器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的接收器通信谐振以用于通信，其中，所述功率接收器电感器既参与接收又参与接收器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振。
24.在实施例中，通信信号经由所述功率接收电感器进行传递。
25.在实施例中，所述接收器通信谐振电路包括接收器通信电感器，所述接收器通信电感器被布置为未被实质性磁性耦合到在功率发射器中存在的通信电感器。
26.在实施例中，所述接收器通信电感器是与所述功率发射电感器分开的部件。
27.在实施例中，所述接收器通信电感器包括电磁屏蔽。
28.在实施例中，所述接收器通信电感器由形成所述功率接收电感器的同一电感器的部分形成。
29.在实施例中，功率接收器还包括通信驱动器，所述通信驱动器被耦合到所述接收器通信谐振电路并且被布置为生成通信驱动信号。
30.在实施例中，所述功率接收器还包括通信接收器，所述通信接收器被耦合到所述接收器通信谐振电路并且被布置为对通信信号进行解码，
31.还提供了一种无线功率传输系统，包括功率发射器，所述功率发射器用于经由感应功率信号向功率接收器提供功率，所述无线功率传输系统包括：功率发射器，其包括：发射器谐振电路，其包括具有在第一频率下的发射谐振的功率发射电感器，并且被布置用于生成所述功率传输信号，所述功率发射电感器被布置为能被磁性耦合到所述功率接收器中的功率接收器电感器；功率发射器驱动器，其被操作性耦合到所述功率发射器谐振电路，并且被布置为生成用于所述功率发射电感器的驱动信号；以及发射器通信谐振电路，其不同于所述发射器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率发射电感器，所述发射器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的发射器通信谐振以用于通信，其中，所述功率发射电感器既参与发射又参与发射器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振；以及所述功率接收器，其包括：功率接收电感器，其用于从所述功率传输信号中提取功率；接收器谐振电路，其被操作性耦合到所述功率接收电感器，并且被布置为建立在第一频率下的接收谐振；以及接收器通信谐振电路，其不同于所述接收器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率接收器电感器，所述接收器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的第二接收器谐振以用于通信，并且其中，所述功率接收器电感器既参与接收又参与接收器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振，所述系统被布置为使用经由功率发射器电感器和功率接收器电感器传递的在所述第二频率下的载波来执行所述功率发射器与所述功率接收器之间的通信的至少部分。
32.还提供了一种无线功率传输方法，其使用本文提出的功率发射器经由电感功率传输信号向本文提出的功率接收器提供功率，所述方法包括：在所述功率发射器中，生成驱动信号并且将所述驱动信号施加到所述功率发射电感器，以便生成功率传输信号；通过将通信驱动信号施加到所述功率接收器或所述功率发射器中的第二谐振电路来生成通信信号，其中，所述功率信号和所述通信信号同时存在。
附图说明
33.参考附图，通过下文对所公开的设备和方法的实施例的说明性和非限制性详细描述，将更好地理解所公开的设备、系统和方法的上述内容以及额外的目的、特征和优点，在附图中：
34.图1表示了无线功率传输系统。
35.图2a和图2b表示了半桥逆变器和全桥逆变器的示例。
36.图3表示了根据实施例的无线功率发射器中的电路。
37.图4a和图4b表示了根据实施例的功率发射器中的功率发射电路和通信电路的传输函数曲线。
38.图5表示了根据实施例的并被布置用于操作的功率发射器和功率接收器的电路。
39.图6a和图6b表示了根据实施例的通信电路的变型。
40.图7表示了对根据实施例的功率发射器中的信号的计时。
41.图8表示了根据实施例的通信电路的接收部分的实施例。
42.图9表示了根据实施例的包括发射器和接收器中的功率信号和通信信号的信号。
具体实施方式
43.在以下描述中，相同的附图标记指代相似的元件。
44.以下描述专注于适用于利用例如从qi规范已知的功率传输方法的无线功率传输系统的本发明的实施例。然而，将意识到，本发明不限于这种应用，而是可以应用于许多其他无线功率传输系统。
45.图1图示了根据本发明的一些实施例的功率传输系统100的示例。功率传输系统包括功率发射器101，功率发射器101包括(或者被耦合到)发射器线圈/电感器103。该系统还包括功率接收器105，功率接收器105包括(或者被耦合到)接收器线圈/电感器107。
46.系统100提供了电磁功率信号，所述电磁功率信号可以从功率发射器101被感应地传输到功率接收器105。具体地，功率发射器101生成电磁信号，所述电磁信号被发射器线圈或电感器103作为磁通量进行传播。该功率信号通常可以具有在约20khz至约500khz之间的频率，并且常常对于qi兼容系统通常在95khz至205khz的范围内(或者例如对于高功率厨房应用，频率可以例如通常在20khz至80khz之间的范围内)。功率发射电感器103与功率接收电感器107松散地耦合，因此功率接收线圈107拾取来自所述功率发射器101的功率传输信号(的至少部分)。因此，经由从发射器线圈103到功率接收线圈107的无线感应耦合，功率从功率发射器101被传输到功率接收器105。术语功率信号主要用于指代发射器线圈103与功率接收线圈107之间的感应信号/磁场(磁通量信号)，但是将意识到，通过等效方式，也可以将术语功率信号考虑为和用作对被提供给发射器线圈103的或由功率接收线圈107拾取的
电信号的参考。
47.在示例中，功率接收器105具体是经由接收器线圈107接收功率的功率接收器。然而，在其他实施例中，功率接收器105可以包括金属元件，例如，金属加热元件，在这种情况下，功率信号直接感应出涡电流，从而导致对该元件的直接加热。
48.系统100可以被布置为传输相当大的功率水平，并且具体地，在许多实施例中，功率发射器101可以支持超过500mw、1w、5w、50w、100w或500w的功率水平。例如，对于qi对应的应用，功率传输对于低功率应用(基本功率概况)通常可以在1-5w的功率范围内；对于qi规范版本1.2，功率传输最高可以达到15w；对于更高的功率应用(例如，电动工具、笔记本电脑、无人机、机器人等)，功率传输最高可以达到100w；并且对于超高功率应用(例如，厨房应用)，功率传输可以超过100w并且最高达到1000w以上。
49.在下文中，将具体参考总体上根据qi规范的实施例(除了本文描述的(或相应发生的)修改和增强以外)或者适合用于由无线充电联盟(wireless power consortium)开发的更高功率厨房规范的实施例来描述功率发射器101和功率接收器105的操作。特别地，功率发射器101和功率接收器105可以遵循qi规范版本1.0、1.1或1.2的要素或基本上与其兼容(除了本文描述的(或相应发生的)修改和增强以外)。
50.图2a示出了如在功率发射器101的实施例中使用的半桥开关桥/逆变器的示意图。跨输入端子v 和v-施加dc电压。开关s1和s2被控制为使得它们永远不会同时闭合。替代地，s1闭合的同时s2断开；并且s2闭合的同时s1断开。这些开关以所期望的频率断开和闭合，从而在输出部处生成了交流信号。通常，逆变器的输出部经由谐振电容器cres被连接到功率发射电感器103。
51.图2b示出了如在功率发射器101的实施例中使用的全桥开关桥/逆变器的示意图。跨输入端子v 和v-施加dc电压。在一些操作模式中，开关s1和s2被控制为使得它们永远不会同时闭合。开关s3和s4被控制为使得它们永远不会同时闭合。替代地，开关s1和s4闭合的同时s2和s3断开，然后s2和s3闭合的同时s1和s4断开，从而在输出部处创建了方波信号。这些开关以所期望的频率断开和闭合。在另一操作模式中，s1和s3断开，并且在该时间的部分中s2和s4闭合，并且反之亦然。这通常被称为相位控制。这些布置产生了方波类型的输出，在此变成了功率信号载波频率。功率发射器电感103的电感效应是将其变换成接近正弦波的效果。然而，由于逆变器中的开关具有有限的断开时间和闭合时间，因此直接从v 到v-的电流流动时刻很短，从而导致功率信号正弦波的过零点上的尖峰。在频域中，这些尖峰将表现为针对功率信号的高频部件。对于功率传输，能够通过接收器谐振电路和任何其他必要的滤波来滤除这些尖峰。
52.对于高功率系统(例如，传输100w的功率系统)，功率发射器和功率接收器通常建立通信通道，以便执行对无线功率传输的控制和/或执行身份验证或功率接收器与功率发射器之间的其他辅助数据传输。
53.可以使用并行的(带外)通信通道，例如，nfc。然而，这引起了许多问题。
54.为了使nfc工作，需要将nfc天线很好地对齐。在例如无线厨房的情况下，用户可能会移动功率接收器。虽然这种重新定位可能在功率传输的容许范围内，但是这可能在一定程度上扰动nfc场，使得碰巧在该时刻发生的任何nfc通信发生中断。这会在系统控制层级上引起错误，继而导致功率传输的重置。
55.nfc天线必须被定位为不会受到功率传输电感器103、107(发射或接收)的影响。这对功率发射器101或功率接收器105造成了额外的设计约束。
56.重要的是，只有当功率信号低于相对较低的水平时，nfc系统才能运行。
57.最后，nfc系统带有与硬件和技术人员将意识到的其他考虑因素相联系的成本牵连。
58.因此，期望解决上述问题的解决方案。
59.图3图示了功率发射器的示例性元件，特别是与功率发射电感器103相关联的谐振电路。
60.电容器301(c
p
)被连接在功率发射电感器103与功率发射器驱动器303(ptsdrv)之间。功率发射器驱动器303可以包括元件，例如，关于图2a和图2b所描述的那些元件。电容器301和功率发射电感器103形成第一(系列)谐振电路。通常，功率信号的载波在20khz至300khz之间。因此，谐振电路(发射器谐振电路)可以具有在该范围内的谐振频率co
p
，例如，100khz，其在功率信号载波的频率附近的某个地方。第二电感器305(发射器通信电感器lc)被耦合在功率发射电感器103与较低参考电位之间。在本示例中，期望将发射器通信电感器305直流(换句话说，dc)耦合或电容耦合到功率发射电感器103。
61.功率发射电感器103和发射器通信电感器305的耦合点被耦合到电容器307(cc)，电容器307继而被耦合到电阻器309(rc)。电阻器309的另一端子被连接到发射器通信驱动器311(tcdrv)。发射器通信接收器312耦合被耦合在电容器307与电阻器309之间，发射器通信接收器312(tcrcv)被布置为以对通信信号进行检测、解调和解码。功率发射器控制器313(ptctrl)被连接到功率发射器驱动器303、发射器通信驱动器311和发射器通信接收器312，以便控制功率信号的生成和与功率接收器105的通信。
62.第二(串联)谐振电路(发射器通信谐振电路)包括发射器通信电感器305、电容器307、电阻器309和功率发射电感器103。针对通信信号方便选择的载波频率将比功率信号载波高十倍(如果不会更高的话)。因此，在当前示例中，发射器通信谐振电路的谐振频率coc可以在mhz的范围内，例如，约1.1mhz。通信是相对较高的“高频”。
63.功率发射器驱动器303和发射器通信驱动器311都参考了较低参考或较低参考电位。
64.图4a示出了发射器谐振电路的传输曲线。第一迹线401示出了作为频率的函数的系统响应幅值，并且第二迹线403示出了相位。在发射器谐振电路的谐振处或附近(在100khz附近)存在功率传输中的峰值405。
65.图4b示出了发射器通信谐振电路的传输曲线。第一迹线407示出了作为频率的函数的系统响应幅值，并且第二迹线409示出了相位。在发射器通信谐振电路的谐振处(在1.1mhz附近)存在功率传输中的峰值411。
66.因此，用于经由感应功率传输信号向功率接收器103无线地提供功率的功率发射器101包括：
67.发射器谐振电路，其包括具有在第一频率下的发射谐振的功率发射电感器，并且被布置用于生成所述功率传输信号，所述功率发射电感器被布置为能被磁性耦合到(即，可以被磁性耦合到)所述功率接收器中的功率接收器电感器；功率发射器驱动器303，其被操作性耦合到所述功率发射器谐振电路，并且被布置为生成用于所述功率发射电感器103的
驱动信号；发射器通信谐振电路，其不同于所述发射器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率发射电感器，所述发射器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的发射器通信谐振以用于通信；以及通信电路，其被耦合到第二发射器谐振电路，并且被布置为生成通信驱动信号，其中，所述功率发射电感器103既参与发射又参与发射器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路(在本示例中分别为301 103和305 307 309 103)被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振。
68.图5表示了根据实施例的被布置为执行功率传输和通信的功率发射器101和功率接收器103及其元件。已经参考图3讨论过了功率发射器101的元件，并且将不再描述功率发射器101的元件。
69.在功率接收器103侧，功率接收电感器107经由电容器505(c
p
)被耦合到接收器控制器507(rcvctrl)，在接收器控制器侧，电容器505也经由电容器506被耦合到较低参考电位。应当指出，功率发射器103中的较低参考电位与功率接收器105中的较低参考电位没有直接连接，并且相对于真实情况，每个参考电位的绝对值可能完全不同。功率接收电感器103和电容器505用于在接收器侧的第一谐振电路——接收器谐振电路。接收器控制器507从功率信号中提取功率，该功率信号是由功率接收电感器107使用接收器谐振电路捕获的。以与功率发射器103相似的方式，接收器谐振电路具有在20-200khz的范围内的谐振频率(例如，约100khz)。期望发射器谐振电路和接收器谐振电路的谐振频率相同。接收器控制器507被耦合到负载509，接收器控制器507向负载509提供功率。接收器控制器与负载509的耦合包括开关连接和/或允许如由功率接收电感器所看到的负载调制的其他元件。这里将不讨论这种耦合，并且技术人员在其能力范围内能够实现这种耦合。
70.接收器通信电感器511(lc)被耦合在功率接收电感器107与较低参考或较低参考电位之间。在该示例中，期望这种耦合要么是直流(dc)耦合要么是电容耦合。功率接收器电感器103和接收器通信电感器511的耦合点被耦合到电容器513(cc)，电容器513继而被耦合到电阻器515。电阻器515的另一端子被耦合到接收器通信驱动器517(rcdrv)。
71.以与功率发射器103的方式类似的方式，第二谐振电路(接收器通信谐振电路)包括接收器通信电感器511、电容器513、电阻器515和功率接收电感器107。发射器通信谐振电路的谐振频率可以在mhz的范围内，例如，约1.1mhz。
72.接收器通信接收器519(rcrcv)被耦合到接收器通信谐振电路，并且被布置为经由接收器通信谐振电路对通信信号进行解调和解码。
73.由于功率发射电感器103参与发射器通信谐振电路，因此它有可能利用发射器通信谐振电路的谐振附近(即，在mhz范围内)的载玻频率发射通信信号。因此，功率信号和通信信号可以经由功率发射电感器进行传递，并且功率信号和通信信号可以同时存在。
74.因此，用于经由感应功率传输信号来无线地接收功率的功率接收器(103)可以包括：功率接收电感器(107)，其用于从所述功率传输信号中提取功率；接收器谐振电路，其被操作性耦合到所述功率接收电感器，并且被布置为建立在第一频率下的接收谐振；接收器通信谐振电路，其被操作性耦合到所述功率接收电感器(107)，并且被布置为建立在第二频率下的第二接收器谐振，接收器通信谐振电路不同于所述接收器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率接收器电感器(107)，所述接收器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的接收器通信谐振以用于通信；以及接收器通信驱动器
(517)，其被耦合到第二接收器通信谐振电路，并且被布置为生成通信驱动信号，其中，所述功率接收器电感器(107)既参与接收又参与接收器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振。
75.如图5所示，功率发射电感器和接收电感器107被磁性耦合。在许多情形中，这种耦合的感应耦合因子k在0.2至0.8的范围内。然而，对于通信电感器305、511，期望它们与相应的“功率”电感器103、107没有显著的磁性耦合，或者彼此之间没有显著的磁性耦合。这种情形将有可能产生以下风险：在通信电感器305或511中的一者或两者中生成反相通信信号，从而产生不可预测的效果并且可能劣化通信信号。更重要的是，它旨在经由发射器电感器103和接收器电感器107以及它们的磁性耦合来进行通信信号传递。“没有显著的磁性耦合”意指低于1％的磁性耦合对于可接受的性能就足够低了并且期望低于0.1％的磁性耦合。可以通过寻找可测量的反相通信信号的存在情况来检查磁性耦合的水平。
76.这种布置有多重优点。
77.因为通信电感器305、511未在任何显著程度上经由功率发射电感器103和功率接收电感器107发生磁性耦合和通信信号传递，所以通信信号不太容易受到功率接收器103和功率发射器101的相对定位情况的扰动。实际上降低了因移动功率接收器103而中断通信信号的风险。
78.因为发射谐振和通信谐振同时存在，所以功率传输信号和通信信号可以同时存在。此外，与使用功率信号调制(例如，负载调制)的技术相比，通信载波的mhz频率可以提供高得多的带宽。
79.此外，与基于nfc的系统相比，放松了设计约束，使得功率发射器101和功率接收器103的总体设计更加简单。除了可能节省部件以外，这还可以有助于降低系统总成本。
80.现在将参考功率发射器103来讨论信号流，但是也可以将类似分析应用于功率接收器103。功率信号载波流过路径c
p-l
p-lc，即，301-103-305。在功率信号的载波频率(“低频”)下，电容器307(cc)具有高阻抗，并且通信电感器305(lc)的阻抗要低得多。例如，在功率信号载波频率与通信信号载波频率之间相差大约十倍的情况下，在低频下的电容器307cc与通信电感器305(lc)之间的阻抗差异可以为约40db。这具有限制由电阻器309(rc)——通信驱动器/接收器电路看到的功率信号的幅度的理想效果。该幅值越大，通信接收器501必须能够区分通信信号与功率信号的动态范围就越大。这种对通信-功率隔离的考虑使得在期望的载波频率中至少有十倍的差异。
81.从通信驱动器311提供的电流流过路径r
c-cc，并且在lc与l
p
之间进行分配。虽然大多数电流经由lc向下流向较低参考电位，但一些电流流过路径l
p-c
p-c
p-功率传输驱动器303(或接收器控制器507)。这种电流的量可以小于20％。尽管如此，通信载波的流过功率发射电感器103的电流可以仅是流过通信电感器305的电流的百分之几。由于功率发射电感器103中的通信载波引起的电流可以被给出如下：
[0082][0083]
在本示例中，在载波频率下，电容器307(c
p
)和驱动器303的阻抗较低，从而有效地将功率发射电感器103(l
p
)降低到较低参考。在本示例中，通信载波的幅度可以是功率信号载波的5％或更小。而且，在功率发射电感器103中的通信载波电流仅是在通信电感器305中
的通信载波电流的百分之几。尽管如此，也可以在接收侧检测到这种电流。因此，在功率传输电感器103(或针对功率接收器为107)中可以独立同时地具有功率信号载波和低水平的通信载波。
[0084]
如前面所提到的，期望由通信电感器305/511看到的任何感应耦合都非常小或者可以忽略不计。这也是为了确保能够获得所期望的信号流。
[0085]
由于驱动器303的性质(如关于图2所讨论的)，因此在功率信号的过零点上有(较)高的频率尖峰。出于通信信号的目的，这些尖峰可以在频带内。如果通信谐振电路的q因子太高，则这些尖峰可以引起通信谐振电路的振荡。这继而将要求额外的阻尼，以便能够对通信信号进行解码。因此，通信谐振电路的q因子为低，优选低于20。
[0086]
在实施例中，发射器通信电感器305可以是与功率发射电感器103分开的部件(例如，表面安装的部件)。这具有以下优点：它很小并且可以被相对自由地放置。
[0087]
在实施例中，发射器通信电感器305包括电磁屏蔽。所述屏蔽能够提供改善的隔离并降低与其他电感器中的一个或多个电感器发生不期望的耦合的风险。
[0088]
在实施例中，功率发射电感器103由线圈形成，并且发射器通信电感器305由同一电感器的部分形成，例如通过将电容器307耦合到沿着线圈的长度的某个位置的点来实现上述实施方式。该点应被选择为获得所期望的两个电感值。在技术人员的能力范围内能够进行这种计算。还期望选择与通信相关的部分的长度以及整体布局，使得与通信相关的部分不会发现它自己被定位为以下情况：它可能(例如通过被紧密对齐到其他电感器并且近似平行于其他电感器)被磁性耦合到功率接收器中的电感器。
[0089]
在实施例中，接收器通信电感器511可以是与功率发射电感器103分开的部件，例如，表面安装的部件。
[0090]
在实施例中，接收器通信电感器511包括电磁屏蔽。
[0091]
在实施例中，功率接收电感器107由线圈形成，并且发射器通信电感器511由同一电感器的部分形成，例如通过将电容器513耦合到沿着线圈的长度的某个位置的点来实现上述实施方式。该点应被选择为获得所期望的两个电感值。在技术人员的能力范围内能够进行这种计算。还期望选择与通信相关的部分的长度以及整体布局，使得与通信相关的部分不会发现它自己被定位为以下情况：它可能(例如通过被紧密对齐到其他电感器并且近似平行于其他电感器)被磁性耦合到功率接收器中的电感器。
[0092]
在无线功率传输系统中，可以具有用于经由感应功率传输信号向根据实施例的功率接收器(103)提供功率的根据实施例的功率发射器(101)。一方面，所述功率发射器包括：发射器谐振电路，其包括具有在第一频率下的发射谐振的功率发射电感器(103)，并且被布置用于生成所述功率传输信号，所述功率发射电感器被布置为能被磁性耦合到所述功率接收器(103)中的功率接收器电感器(107)；功率发射器驱动器(303)，其被操作性耦合到所述功率发射器谐振电路，并且被布置为生成用于所述功率发射电感器(103)的驱动信号；发射器通信谐振电路，其不同于所述发射器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率发射电感器，所述发射器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的发射器通信谐振以用于通信；发射器通信接收器(501)，其被耦合到所述第二发射器谐振电路，并且被布置为从通信信号中提取信息，其中，所述功率发射电感器(103)既参与发射又参与发射器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够
同时表现出第一谐振和第二谐振。另一方面，所述功率接收器(103)包括：功率接收电感器(107)，其用于从所述功率传输信号中提取功率；接收器谐振电路，其被操作性耦合到所述功率接收电感器(107)，并且被布置为建立在第一频率下的接收谐振；接收器通信谐振电路，其被操作性耦合到所述功率接收电感器，并且被布置为建立在第二频率下的第二接收器谐振，接收器通信谐振电路不同于所述接收器谐振电路，并且被直流耦合或电容耦合到所述功率接收器电感器(107)，所述接收器通信谐振电路被布置为建立在不同于所述第一频率的第二频率下的第二接收器谐振以用于通信；以及接收器通信驱动器(517)，其被耦合到第二接收器通信谐振电路，并且被布置为生成通信驱动信号，其中，所述功率接收器电感器(107)既参与接收又参与接收器通信谐振，并且其中，所述发射器和所述发射器通信谐振电路被布置为能够同时表现出第一谐振和第二谐振。
[0093]
该系统可以被布置为使用经由功率发射器电感器和功率接收器电感器传递的在第二频率下的载波来执行功率发射器与功率接收器之间的通信的至少部分。
[0094]
借助在功率发射器103和功率接收器105这两者中存在的发射谐振和通信谐振，可以使用根据实施例的功率发射器经由感应功率传输信号向根据实施例的功率接收器提供功率，所述使用包括：在功率发射器中，生成驱动信号并将驱动信号施加到功率发射电感器，以便生成功率信号；并且在功率发射器103或功率接收器105中，通过将通信驱动信号施加到功率接收器或功率发射器中的第二谐振电路来生成通信信号，其中，功率信号和通信信号(“高频”信号)同时存在。
[0095]
在具有带内通信通道的无线功率系统中，从功率接收器105到功率发射器103的典型通信方法是负载调制。一个有利的解决方案是使用相对负载调制，所述相对负载调制能够通过在功率接收器105侧的高频载波生成来实现。它允许仅具有单个高频载波调制器的功率接收器105在具有和没有高频解调器的情况下与功率发射器103通信。对功率信号的调制将“类似于”对仅具有tow频率的功率发射器的负载调制(较旧的负载调制)。因此，具有高频调制器的功率接收器仍然可以与“旧的”功率发射器通信。
[0096]
例如，在协商开始时，可以使用应用于功率信号(“低频”)的已知的负载调制技术来执行初始通信。能够使用这些通信的部分来确定对于功率发射器103来说功率接收器105是否能够支持本文描述的“高频”通信以及这是单向的(simplex)还是双向的(duplex)。如果确定是这种情况，则功率发射器103和功率接收器105能够移动以使用“高频”方法。
[0097]
图6a和图6b表示了根据实施例的通信电路。在图6a中，通信接收器501/519被耦合在电容器307/513与电阻器309/515之间。在电阻器309/515与通信驱动器311/517之间有双向开关601，当通信电路在接收模式中时，可以使用双向开关601来断开通信驱动器311/517。开关601的公共端子被耦合到电阻器309/515，开关601的一个切换端子被耦合到通信驱动器311/517，并且开关601的另一个开关端子被连接到较低参考电位。图6b示出了另一实施例，其中，开关601的公共端子被耦合到电容器307/513。一个开关端子被耦合到第一电阻器309/515，并且另一开关端子被耦合到第二电阻器603，第二电阻器603继而被连接到较低参考电位。
[0098]
这两种布置都提供了半双向通信。可以通过多种调制方案(例如，振幅键控、相/频移键控、正交调制或其他技术)将所期望的信息调制到通信载波信号上。
[0099]
在实施例中，通信是从功率接收器105到功率发射器101的单向通信。功率发射器
103仅具有通信接收器312，并且功率接收器105不具有通信接收器519。在这种情况下，迄今为止被示为被连接到通信驱动器311的电阻器309的端子应被连接到较低参考电位。在具有在另一方向上的单向通信的实施例中，它是电阻器515，电阻器515将被连接到功率接收器105的较低参考电位。
[0100]
图7表示了功率传输驱动信号701和703的有利相对定时。如先前所提到的，在功率信号的过零点上有(较)高的频率尖峰。出于通信信号的目的，这些尖峰可以在频带内。因此，可以有用的是，将通信载波的调制限制为功率传输驱动信号701的一个半部或其他半部，而不是在过零点期间调制通信信号。
[0101]
图8表示了用于开关键调制信号的检测器电路的实施例。传入的信号(vm2)经由高通滤波器801通过，然后经由放大器(或比较器？)803到达恢复电路，所述恢复电路包括4位计数器805和可重新触发的多谐振荡器807，可重新触发的多谐振荡器807被布置为重置计数器805。然后将计数器输出馈送到另一可重新触发的多谐振荡器809，以便恢复原始调制。这种布置的优点在于，可以改变每个位的载波循环数，而不必对功率信号载波的占空比强加约束。然后可以对所恢复的调制进行解码以恢复信息。
[0102]
图9示出了与先前描述的实施例有关的调制和检测的示例波形。迹线901示出了系统的未经校正的(unrectified)ac功率输出，即，跨电容器506的电压。迹线903示出了多谐振荡器809的检测器的输出。迹线905示出了计数器805的输出。迹线907示出了载波检测器信号，该载波检测器信号是多谐振荡器807的输出。迹线909示出了从比较器803中恢复的脉冲。跟踪911示出了针对高通滤波器的输入。最后，迹线913示出了在其上叠加有通信输入信号调制(用于可视化)的功率信号驱动器信号。
[0103]
应当指出，以上提及的实施例图示而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够设计许多替代实施例，而不偏离权利要求的范围。
[0104]
在权利要求中，置于括号内的任何附图标记均不应被解读为对权利要求的限制。动词“包括”及其词性变化的使用不排除权利要求中记载的那些以外的其他元件或步骤的存在。元件前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件，以及借助于被适当编程的计算机或处理单元来实施。在列举了若干单元的装置型权利要求中，这些单元中的若干可以由同一项硬件来实施。某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
[0105]
本发明的各个方面可以被实施在计算机程序产品中，所述计算机程序产品可以是被存储在可以由计算机运行的计算机可读存储设备上的计算机程序指令的集合。本发明的指令可以在任何可解释或可执行的代码机制中，包括但不限于脚本、可解释程序、动态链接库(dll)或java类。这些指令能够被提供为完整的可执行程序、部分可执行程序、对现有程序的修改(例如，更新)或对现有程序的扩展(例如，插件)。此外，本发明的处理的部分可以被分布在多个计算机或处理器上。
[0106]
适合用于存储计算机程序指令的存储介质包括所有形式的非易失性存储器，包括但不限于eprom、eeprom和闪存存储器设备、磁盘(例如，内部和外部的硬盘驱动器、可移动磁盘和cd-rom磁盘)。计算机程序产品可以被分布在这样的存储介质上，也可以通过http、ftp、电子邮件或连接到网络(例如，互联网)的服务器来下载提供。