用于諧振無線功率系統(tǒng)的異物檢測方法
【專利說明】用于諧振無線功率系統(tǒng)的異物檢測方法
[0001]【交叉引用及相關申請】
[0002]本發(fā)明主張在2013年3月14日提交的美國臨時專利申請N0.61/782，672的優(yōu)先權，因此在全文中合并參考該美國臨時專利申請案。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及無線充電器領域，并且特別涉及用于諧振無線功率系統(tǒng)(resonantwireless power system)的異物檢測(foreign-object detect1n)。
【【背景技術】】
[0004]許多電子設備都設計得體積小、重量輕、并便于攜帶，以符合用戶的需求。因此，各種便攜式電子設備由電子設備的制造商生產(chǎn)。常見的便攜式電子設備包括例如移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)、掌上游戲機(例如PSP，NDSL和Gameboy系列游戲控制臺)，諸如此類。
[0005]由于便攜式電子設備的可攜帶性，便攜式電子設備未能在任何時候與電源連接。為了提供供應電源給便攜式電子設備的所需電功率(electric power)，內置的電池通常被安裝在便攜式電子設備中。電池是可充電電池。一旦電源是可用的，則便攜式電子設備的可充電電池可以由電源根據(jù)需要進行充電。
[0006]例如，在一種情況下，便攜式電子設備的剩余電池容量不足時，該便攜式電子設備的可充電電池可以由充電器充電。眾所周知，常規(guī)的充電器具有連接線。在連接線被插入便攜式電子設備以及常規(guī)的充電器與電源連接之后，電功率可以從充電器經(jīng)由連接線傳輸?shù)奖銛y式電子設備。然而，充電器的應用通常受到連接線的限制。例如，在便攜式電子設備的充電過程中，連接線通常會成為操作所述充電器的障礙。
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【發(fā)明內容】
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[0007]根據(jù)本發(fā)明實施例的一方面，提供一種無線充電系統(tǒng)。該無線充電系統(tǒng)包括充電器部分，接收一個或多個便攜式元件用于無線充電，所述充電器部分控制對所述一個或多個便攜式元件充電所需要的功率量；以及帶內通信模塊，使用隨機存取模式從一個或多個便攜式元件接收帶內通信，所述充電器部分利用所述帶內通信以確定需要多少功率，通過基于能量的報告，充電所述一個或多個便攜式元件，避免傳送標識信息。
[0008]根據(jù)本發(fā)明實施例的另一方面，提供一種執(zhí)行無線充電的方法。該方法包括提供一個或多個便攜式元件，用于經(jīng)由充電器部分進行無線充電，所述充電部分控制對所述一個或多個便攜式元件充電所需要的功率量。該方法還包括通過帶內通信模塊使用隨機存取模式從一個或多個便攜式元件接收帶內通信，所述充電器部分利用所述帶內通信以確定需要多少功率，通過基于能量的報告，充電所述一個或多個便攜式元件，避免傳送標識信息。
【【附圖說明】】
[0009]圖1為充電器系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖2為負載到源通信的阻抗變化的示意圖；
[0011]圖3為當前可用的無線充電拓撲結構的充電器和設備定位的示意圖；
[0012]圖4A-4B為根據(jù)本發(fā)明使用的發(fā)射和接收方塊的示意圖；
[0013]圖5為根據(jù)本發(fā)明使用的功率傳輸?shù)耐诫A段的示意圖；以及
[0014]圖6功率傳輸?shù)碾S機存取階段的示意圖；
[0015]圖7為源設備功率測量窗口的示意圖；
[0016]圖8為用于單一目標設備的目標設備能量報告機制的示意圖；
[0017]圖9A-9B為來自兩個設備的所積累的能量和穿過源測量窗口計算的功率的曲線圖；
[0018]圖10A-10B為來自兩個設備的所積累的能量和穿過源測量窗口計算的功率的曲線圖；以及
[0019]圖11為使用從兩個目標設備情景所報告的低通濾波后的能量值的功率誤差的機率密度函數(shù)。
【【具體實施方式】】
[0020]本發(fā)明提供了為了功率管理的目的，使用無線充電介質將消息從充電設備發(fā)送到源(source)的可行性，而不需要充電設備通過注冊或通過某些其它機制來提供消息確認或傳達獨特的標識符(隱式的或顯式的)。無線充電是當能量從源轉移到負載而沒有物理連接。在這種情況下，一個典型的例子是位于平坦表面上的充電板(pad)充當源，放在充電板或靠近充電板的移動電話充當負載。
[0021]圖1示出包括帶內通信系統(tǒng)2的無線功率傳輸系統(tǒng)(wireless power transfersystem)。相比帶外解決方案來說，帶內通信系統(tǒng)2具有的優(yōu)點是作為成本更低的解決方案。帶內通信允許:(1)異物檢測；(2)匹配至負載的功率(vs全TX功率)；(3)每個負載的功率分配；(4)手機可獲知充電器狀態(tài)；以及(5)配置/計費(provis1ning/billing)。
[0022]本發(fā)明的無線功率傳輸帶內通信系統(tǒng)不同于目前市場上或其它公司提出的系統(tǒng)，因為它采用了專用的前置碼(preamble)同步方法和用于消息糾錯(message errorcorrect1n)的信道編碼。在這種拓撲結構中，負載設備4需要與源8進行通信，以提供功率控制命令(command)、狀態(tài)和異物檢測的信息。有可能通過改變從源8看到的負載4的反射阻抗來調制發(fā)射功率波形上的信號，以促進負載和源之間的通信。圖2示出了可以如何改變負載阻抗6(點A)來調制在源8處的發(fā)送信號。調制成分可以是電容性或電阻性的。
[0023]需要注意的是，現(xiàn)任感應無線充電的設置要求該設備(負載)6與充電器(源)8是處于非常特定的方位上，如圖3所示。緊密靠近和固定方位兩者均導致非常良好的無線充電器通信信道條件一一因而允許簡單的通信方案。
[0024]本發(fā)明的無線充電系統(tǒng)可以利用較大的形狀因素(form factor)，以允許多個設備同時充電。本發(fā)明的無線充電系統(tǒng)可以具有多個任意方位的設備。這些設備不必非?？拷蚓哂泄潭ǖ姆轿弧ＴO備的任意偏移和位置導致了非常惡劣的(hostile)帶內無線充電通信信道條件。這使得負載和源之間的通信變得困難。
[0025]通信系統(tǒng)必須具備低復雜度以及足夠穩(wěn)健，以確保負載(發(fā)射器)和源(接收器)之間的良好通信。復雜度是一個重要的因素，因為發(fā)送和接收這兩種通信必須能夠在相對簡單的MCU上實施。圖4A和圖4B示出發(fā)送路徑和接收路徑的方框圖。詳細地，圖4A示出消息編碼模塊22正在接收消息。該消息編碼模塊22執(zhí)行必要的編碼程序來準備用于傳輸?shù)南?。消息編碼模塊22發(fā)送編碼后的消息到數(shù)字模擬轉換器(DAC)24進行處理。DAC 24將編碼后的消息轉換成模擬信號以供傳輸。DAC 24通過改變由源看到的負載的阻抗來發(fā)送該模擬信號到模擬TX電路26。一種簡單的方法可以用轉換阻抗(switched impedance)來代替DAC 24。模擬TX電路26包括將模擬信號傳輸?shù)浇邮掌?0所需的所有元件，諸如次級線圈28，如圖4B所示。
[0026]圖4B示出初級線圈32和負載阻抗感測模塊34正在接收模擬信號以準備用于解碼的模擬信號。負載阻抗感測模塊34發(fā)送該模擬信號到抗混疊(ant1-aliasing)模塊36?？够殳B模塊36用于防止連續(xù)信號轉換回樣本時的混疊現(xiàn)象。抗混疊模塊36發(fā)送抗混疊信號到模擬數(shù)字轉換器(ADC) 38。抗混疊信號被轉換成數(shù)字信號，并且該數(shù)字被提供給濾波器40。濾波器40是高通濾波器，去除與模擬信號的傳輸相關聯(lián)的任何附屬噪聲。濾波器40將其輸出提供給消息檢測器和同步模塊42以及消息解碼模塊44。消息檢測器和同步模塊42使用各種同步方案來同步數(shù)字信號以用于解碼，并相應提供其信息給消息解碼模塊44來解碼該數(shù)字信號。
[0027]諧振無線功率(Resonant Wireless Power，RWP)充電器是由通常被插入到壁式插座上的低電壓電源(low voltage power supply)供電。當沒有負載設備存在時，RWP充電器工作在待機模式(其為低功率狀態(tài))中。每200ms，RWP充電器會“喚醒”并為附近的任意負載設備傳遞最低量的功率以上電(power up)(如果需要)，并開始充電。此時，負載設備將利用呈現(xiàn)給充電器的反射阻抗中的增量變化(incremental change)的形式來發(fā)送功率控制命令給充電器。當RWP充電器接收功率控制命令時，它采用功率控制算法，包括多設備考慮(如果有必要)，以設定合適的功率電平。
[0028]帶內通信方案有兩種變化可用在RWP充電器中:(1)具有低數(shù)據(jù)速率的同步一一典型的2kbps比特率；和(2)具有低數(shù)據(jù)速率的隨機存取一一典型的4kbps比特率。
[0029]負載設備只傳送功率管理信息到RWP充電器，如上電或掉電(power down)請求、接收的功率和故障狀態(tài)的凸顯(highlight)。該RWP充電器從所有接收器接收消息并仲裁(arbitrate)請求，以提供最佳的用戶體驗。負載設備將通過限壓技術來限制任何潛在過度接收的線圈電壓。
[0030]當所有負載設備被完全充電或從充電區(qū)移除時，RWP充電器返回到待機模式。如果進入該場(field)的設備不是有效的接收器，所述RWP充電器同樣地識別它，并返回到待機模式。
[0031]RWP充電器通過提供給負載的功率中的增量變化的方式，提供消息同步和協(xié)調、以及消息確認給負載。同步標記每隔一定時間從充電器發(fā)送到負載(一個或多個)，以使負載(一個或多個)可以發(fā)送功率管理狀態(tài)和功率變化請求消息到充電器并最小化與充電板(charging pad)上其他負載設備消息碰撞的可能性。一種同步方法可以通過逐漸增加或減少至負載的功率來實現(xiàn)。帶內通信使用與用于功率傳輸相同的6.78MHz交流磁場。沒有使用次要頻率(secondary frequency) 0無線充電系統(tǒng)被設計為要求負載設備被放置成與操作于近場(near field)的充電板的表面接觸。在最壞的情況下，負載設備必須在充電板表面4cm以內。這滿足了 RF能量被局部產(chǎn)生和使用的要求。RWP充電器的輻射發(fā)射(radiatedemiss1n)符合如前所述的福射發(fā)射。
[0032]對于同步帶內通信，功率傳輸行為可分成四個不同的階段，如圖5所示。
[0033]當充電器上電或沒有檢測到負載設備時，充電器進入低功耗的待機模式50。在待機模式50期間，充電器將定期選通(strobe)以檢測負載的存在。在選通期間充電器提供的功率電平將足以對負載上的控制