用于无线功率传递的平面谐振器制造技术

一种平面谐振器及其制造方法，使用耦合电感器或变压器结构中传递接口上感应校准的至少两个电隔离轴，提供非接触功率传递。接着，通过磁通量耦合实现信号或功率传递。在同一接口上也实现电通量耦合，并且该电通量耦合由同一导电螺旋卷绕导体驱动。能量传递接口（ＩＯＥＴ）（２１５）具有设置在所述ＩＯＥＴ顶面的第一螺旋形导体（２１０）；设置在所述ＩＯＥＴ底面上的第二螺旋形导体（２３０），该第二螺旋形导体具有与该第一螺旋形导体对齐的垂直轴。该ＩＯＥＴ和该第一和第二螺旋形导体具有预定自谐振频率。该平面功率谐振器存储电能在ＩＯＥＴ中，并且在预定频率下，该第一和第二螺旋形导体和ＩＯＥＴ装置允许该第一和第二螺旋在ＩＯＥＴ上进行磁通量和电能传递。该谐振器方便了诸如手机和可佩戴电子设备中的非接触电池充电，这时该谐振器可被织入织品内或附在人的衣服上。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非接触功率传递系统。更具体地说，本专利技术设计非接触功率传递系统中用于无线功率传递的平面谐振器。
技术介绍
非接触功率传递用于如非侵入式起搏器电池充电，混和车辆电池充电的应用中。在这种应用中排他地使用感应耦合，使得电流从发电站向负载感应。在这种系统中，排他地依靠发电站和负载的耦合磁通量来实现功率传递。例如，诸如California等州已经在研究鼓励使用电车的道路系统。在这种系统中，感应耦合扁平线圈被嵌入路面，或者对嵌入路面的电缆赋能，使得车辆的感应线圈接收来自路面线圈的感应电流，以便允许电池充电和/或甚至推动。典型地，这种系统要求埋地线圈的通量采集表面和车辆相互之间的距离保持在5厘米之内，以便通过感应提供充分的功率传递。授予Steigerwald等人的美国专利5,608,771公开了一种非接触功率传递系统，其中通过使用旋转变压器从固定源向旋转负载传递功率。该系统取消了电刷和集电环装置。这种类型系统中的耦合也是感应的。另一种配置是在主导体周围使用夹紧连接，该连接并不与该导体物理接触。该功率传递还是通过感应。在安全识别的单独领域中，有个人和车辆识别标签(如EZ-Pass，Smart-Tag和从Boston到Virginia的隧道中某些桥梁和部分Interstate 95上的快速通道自动收费系统)，该识别标签不提供功率传递，但是以无线通信形式使用。与功率传递系统的感应耦合相反，这些安全标签和收费标签是容性耦合收发器。因此，现有技术缺少一种除了磁通量的感应耦合外还包括电通量的容性耦合功能的非接触功率传递系统。
技术实现思路
提供一种允许在无磁性的，不导电的直流绝缘体(材料)上进行功率传递的无线功率传递平面谐振器是非常有利的。电能和/或磁能存储在该绝缘体上，并通过该绝缘体传递能量。谐振元件展示出集成电感电容变压器的特性。本专利技术的第一方面，平面谐振器包括单螺旋结构排列的线圈。可是，当用于多螺旋结构中，螺旋之间的电容可用来能量传递，导致了IOET上电能和磁能转移的结合。另一方面，该螺旋可以相互对面排列，这样就不需要底板。例如，连接可以是无线的，这样不需要连接手机和充电器的物理导线就可以充电手机电池。对于无线能量传递来说，PCB典型地为一种不合适的IOET。根据使用的物理配置和/或材料，该平面谐振器同时存储电能和磁能，以便阻抗匹配或者在能量传递接口(以下为“IOET”)上以电形式或磁形式或者以电形式和磁形式传递功率之外，还完成附属切换功率电子变换器电路中的软切换。使用的物理配置和/或材料除了感应能量存储，电(电容)能量存储或者其组合如以内置LC谐振特性耦合的磁变压器之外，在有无容性能量传递的情况下都可允许变压器行为。该平面谐振器不需使用用于能量传递的IOET，例如，在单螺旋结构中。根据本专利技术的另一方面，绝缘耦合接口和谐振箱功能性地集成到具有功率转移的隔离特性的平面结构中。该设备可包含IOET任一面上的两个单独的结构，例如，手机及其充电器。由于在IOET上不需要电接触，因此可以根据安全标准如IEC950的绝缘规范减小整个充电电路的尺寸。该物理结构可包括IOET每一面上的一套螺旋线圈，典型地具有一个作为单独基底上的导体线路的螺旋，如电线或印刷线路板(FR-4)。本专利技术的一个优点在于它方便了可佩戴电子设备的使用。例如，可以使用如FR4材料和电线电路，致使线圈表面灵活。除了灵活性之外，该线圈可以形成任意形状，从而推动了设置在织品中的编织电线，或者可以附在衣服上具有嵌入导体的垫子。这样，例如，人们通过携带与织品相近的设备，就可以充电收音机，手机，和/或计算机(仅列举了许多可佩戴设备中的几种)。因此，本专利技术在可佩戴电子设备上的实施可以在可佩戴设备和外部电源之间提供一个接口。也可通过这种接口传送数字或模拟信号，以便例如上传或下载数字信号。本专利技术的另一方面，平面功率谐振器可具有薄的和/或相对扁平的顶端线圈表面。在无线应用中，IOET可包含，例如(i)顶端螺旋底部的不导电/绝缘薄膜(用于隔离)，(ii)空气和(iii)底部螺旋顶端的不导电/绝缘薄膜(用于隔离)。该线圈可以设置在基本轴向排列的上部和下部结构中。另外，在上部线圈的底部可以有乳化剂，并且在乳化剂和下部线圈的顶部之间有空气间隙。该螺旋形导体可包含pcb螺旋卷绕导体。另外，电池充电电路可与第一和第二螺旋形导体中的一个耦合，而负载可与第一和第二螺旋形导体中的另一个耦合。该电池充电电路的耦合可包含容性耦合。负载可通过磁性耦合进行耦合，其中功率通过IOET上的磁通量耦合进行传递。根据本专利技术的一个方面，通过IOET上第一和第二螺旋形导体的磁通量耦合，施加到第一螺旋形导体上的信号可以被传递到第二螺旋形导体上。第一和第二螺旋形导体和IOET优选地被集成到平面(扁平/薄的)结构中。该平面谐振器可进一步包含第三螺旋形导体，在该IOET的顶面上该第三螺旋形导体与第一螺旋形导体一起被设计成双线螺旋结构，和/或第四螺旋形导体，在该IOET的底面上该第四螺旋形导体与第二螺旋形导体一起被设计成双线螺旋结构。应当理解，双线顶部和单底部，或者单底部和双线底部都是可选配置。通过在这两个螺旋之间去掉和加上导电连接，可以分别实现等效串联或并联谐振器工作。因此，该IOET顶面和底面上的双线螺旋结构可以被用来形成并联谐振器，或串联谐振器。另外，代替双线结构的是，多个螺旋形导体还可以分别在顶面或者在底面布置成多线结构。该螺旋形导体可以被设计成使得该平面谐振器包含并联谐振器，或者串联谐振器。第一多个和第二多个螺旋形导体可被设计成该平面谐振器包含并联谐振器，或串联谐振器。可以有具有一个电容板的配置。该线圈一端连接点该电容器的绝缘体，另一端连接点充电电路。在该配置中，该平面谐振器作为电感和电容串联，影响该电路的Q。双线配置也可由分离两个螺旋的绝缘材料第二薄膜获得，该两个螺旋在IOET的一个面上形成双线配置。(即，该绝缘薄膜是在顶部螺旋的顶部；另一螺旋位于该绝缘薄膜的顶部。)该绝缘薄膜存储电能并形成该谐振器的容性部分，其中感性部分从该套螺旋在该绝缘薄膜任一面的自耦合中获得。该薄膜不传递能量，但是存储能量，该能量可以在IOET上传递。代替螺旋同向卷绕双线配置的是该螺旋中的一个可以具有相反的卷绕方向。因此，在这种情况下两个螺旋不在同一物理平面上。当需要或者希望拥有柔性电路，或者当希望拥有几个线圈层以增加谐振器的磁容量和电容量时，可以利用其优势。所有上述配置都拥有传输线特性和多个谐振频率。通过等效电阻，电容，电感和耦合电感的分布网可进一步模拟电行为。通过对接口和螺旋的几何结构和材料特性的选择，可以控制分布元件的数值，从而控制其端点结构的电行为，包括谐振频率，阻抗，增益和相位。附图说明图1A和1B示出了本专利技术中所使用的一种基本螺旋，和一种双线螺旋配置。图2A和2B示出了根据本专利技术的平面谐振器的一种实施例，以及螺旋和IOET的横截面切片。图2C示出了一种可选配置，其中绝缘体和螺旋被安排在基底材料240，241中。图3是一种卷绕在IOET周围的螺旋的横截面示意图。图4示出了图1A中示出的螺旋配置的近似等效电路。图5示出了图1B中示出的螺旋配置的近似等效电路。图6和7示出了螺旋的示意配置，该螺旋被设计成使得本专利技术作为串联本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面功率谐振器，包含：能量传递接口ＩＯＥＴ（２１５），所述ＩＯＥＴ具有顶面和底面；设置在所述ＩＯＥＴ顶面上的第一线圈导体（２１０，２２５）；设置在所述ＩＯＥＴ底面上的第二线圈导体（２３０），所述第二线圈导体具有与所述第一线圈导体对齐的垂直轴；和所述ＩＯＥＴ和第一线圈导体具有预定的自谐振频率；其中第一和第二导体允许能量在该ＩＯＥＴ上传递，和其中该线圈导体包含串联谐振结构和并联谐振结构中的一个。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：WG奥登达亚，Y李，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]