本發(fā)明通常涉及無線電源(Wireless power,WP)技術(shù)領(lǐng)域，更特別地，本發(fā)明涉及無線電源接收機、無線電源組件及電子設(shè)備。

背景技術(shù)：

無線電源系統(tǒng)(wireless power system)使用一對電感線圈形成松散(loosely-coupled)耦合變壓器用于無線地傳輸電源。所述一對電感線圈包括發(fā)射線圈，所述發(fā)射線圈例如可加工為充電墊的一部分，以及與電子設(shè)備集成在一起的接收線圈，所述電子設(shè)備例如為移動電話、智能手機或其他計算設(shè)備。傳輸至接收線圈的電源可被所述電子設(shè)備用于對所述電子設(shè)備的電池等充電。

圖1示出包括無線電源發(fā)射機2和無線電源接收機3的無線電源系統(tǒng)。無線電源發(fā)射機2從直流適配器(DC adapter)接收固定電壓(fixed voltage)。所述固定的適配器電壓由DC/DC轉(zhuǎn)換器4(直流-直流轉(zhuǎn)換器)縮放(scale)后提供至反相器6。反相器連同發(fā)射機匹配網(wǎng)絡8在發(fā)射線圈10產(chǎn)生交流電流(AC current)。發(fā)射線圈10處的交流電流依據(jù)安培法則產(chǎn)生振蕩磁場。所述振蕩磁場根據(jù)安培法則將交流電壓感應至無線電源接收機3的調(diào)諧接收線圈12。接收線圈12處感應的交流電壓被提供至整流器16以產(chǎn)生未經(jīng)調(diào)節(jié)的(unregulated)直流電壓。使用DC/DC轉(zhuǎn)換器18對所述未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電壓過濾以調(diào)節(jié)所述未經(jīng)調(diào)節(jié)的直流電壓，然后將調(diào)節(jié)后的直流電壓提供給負載，例如電子設(shè)備的電池充電器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供無線電源接收機、無線電源組件及電子設(shè)備，可改善無線電源系統(tǒng)的整體效率。

本發(fā)明的一些實施例涉及一種無線電源接收機，其包括：接收線圈，用于在有磁場的區(qū)域產(chǎn)生交流電壓；導電基板，靠近所述接收線圈設(shè)置；磁屏蔽，設(shè)置在所述接收線圈和所述導電基板之間，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一層和具有第二材料的第二層，其中，所述第二材料的磁導率大于所述第一材料的磁導率。

本發(fā)明的一些實施例涉及一種無線電源組件，其包括：無線電源線圈；靠近所述無線電源線圈設(shè)置的磁屏蔽，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一層和具有第二材料的第二層，其中，所述第二材料的磁導率大于所述第一材料的磁導率。

本發(fā)明的一些實施例涉及一種電子設(shè)備，其包括：接收線圈，用于在有磁場的區(qū)域產(chǎn)生交流電壓；電池，靠近所述接收線圈設(shè)置；磁屏蔽，設(shè)置在所述接收線圈和所述電池之間，所述磁屏蔽包括具有第一材料的第一層和具有第二材料的第二層，其中，所述第二材料的磁導率大于所述第一材料的磁導率。

由上述列舉的方案可知，本發(fā)明實施例的磁屏蔽至少包括具有第一材料的第一層和具有第二材料的第二層，其中，所述第二材料的磁導率大于所述第一材料的磁導率。因此，本發(fā)明實施例提供的多層磁屏蔽在不需要實際的更厚的屏蔽和不需要在組件之間設(shè)置間隙的情形下捕獲和回傳更多的雜散磁通量以改善無線電源系統(tǒng)的整體效率。

附圖說明

圖1示出包括無線電源發(fā)射機2和無線電源接收機3的無線電源系統(tǒng)。

圖2示出可作為電子設(shè)備(例如智能電話或平板電腦)的一部分的無線電源組件200。

圖3依據(jù)一些實施例示出包括多層磁屏蔽310的無線電源組件300。

圖4示出包括磁屏蔽層420的無線電源組件400。

圖5為實驗結(jié)果的表格，其演示了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例設(shè)計的多層磁屏蔽層改善無線電源線圈(發(fā)射線圈或接收線圈)的質(zhì)量因子(Q因子)的效果。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細給出參考信息至本發(fā)明的一些實施例，這些實施例中的示例在下面的附圖中來說明。

在說明書及權(quán)利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定的組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應可理解，硬件制造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權(quán)利要求并不以名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準則。在通篇說明書及權(quán)利要求當中所提及的“包含”及“包括”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定于”?！按篌w上”是指在可接受的誤差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問題，基本達到所述技術(shù)效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一組件耦接于一第二組件，則代表該第一組件可直接電性連接于該第二組件，或通過其它組件或連接手段間接地電性連接至該第二組件。以下所述為實施本發(fā)明的較佳方式，目的在于說明本發(fā)明的精神而非用以限定本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明的保護范圍當視后附的權(quán)利要求所界定者為準。

在無線電源系統(tǒng)中，發(fā)射線圈和接收線圈之間的電源傳輸存在損耗，部分原因是因為接收線圈未能捕捉(capture)到的雜散(stray)磁通量。無線電源系統(tǒng)的效率(η)按照下面的表達式與線圈的質(zhì)量因子(Q)直接相關(guān)：

其中，Q1為發(fā)射線圈的質(zhì)量因子，Q2為接收線圈的質(zhì)量因子，k為發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)(coupling coefficient)。由于無線電源系統(tǒng)中的線圈之間并不能完全耦合(也即，k<1)，線圈未能捕捉到的磁場以雜散磁通量的方式丟失，因此降低系統(tǒng)的效率。如后續(xù)將要討論的更多細節(jié)所述，雜散磁通量還會在發(fā)射線圈和接收線圈附近的導電基板上感應渦電流(eddy current)，這將導致不好的效果。

無論是有意或者無意，無線電源系統(tǒng)的發(fā)射和接收線圈中的一個或兩個靠近導電基板設(shè)置，以便發(fā)射線圈和接收線圈產(chǎn)生/感知的至少一部分磁場在操作過程中被所述導電基板捕獲(trapped)作為流動在所述導電基板中的渦電流。在本發(fā)明中，術(shù)語“靠近”是指空間靠近一個組件，但又不需要與所述組件相連。例如，間隔很小間隙的兩個組件仍可認為是本發(fā)明所述的“靠近”，即使所述兩個組件并未彼此物理連接。

在包括無線充電功能的電子設(shè)備(例如，智能電話)中，用于根據(jù)磁場產(chǎn)生電流的接收線圈可靠近所述設(shè)備的電池設(shè)置以提供電池充電(此時，電池作為本發(fā)明前述的導電基板使用)。用于電子設(shè)備的電池由高導電材料(例如，鋁)制成，所述電池將接收線圈未捕捉到的雜散磁通量捕獲作為渦電流。在另一個實施例中，集成在工作臺或車輛中的無線電源發(fā)射線圈可位于一個或多個導電基板附近，因此，雜散磁通量可被所述靠近的導電基板捕獲到。當無線電源系統(tǒng)中的線圈(發(fā)射線圈和接收線圈)中的一個或者兩個靠近導電基板設(shè)置，所述無線電源系統(tǒng)的效率由于靠近導電基板設(shè)置的線圈的質(zhì)量因子的減小而減小。例如，困在導電基板中生成的渦流中的雜散磁通量未形成到發(fā)射線圈的回路的一部分，因此減少了發(fā)射線圈的質(zhì)量因子。除減小無線電源系統(tǒng)的效率之外，困在導電基板中生成的渦流中的雜散磁通量還會產(chǎn)生不好的效果(undesirable effect)，所述不好的效果包括但不限于增加導電基板的熱量。

一些無線電源系統(tǒng)試圖通過合并線圈和導電基板之間設(shè)置的磁屏蔽層(magnetic shielding layer)來減小位于無線電源線圈附近的導電基板上的磁通量的影響。圖2示出可作為電子設(shè)備(例如智能電話或平板電腦)的一部分的無線電源組件200。無線電源組件200包括用于無線電源系統(tǒng)(例如，無線充電系統(tǒng))中對電子設(shè)備的電池進行充電的接收線圈210。無線電源組件200還包括形成在接收線圈210和導電基板220之間的磁屏蔽230。

在無線電源系統(tǒng)的操作過程中，磁屏蔽230捕捉至少一部分雜散的磁通量以減少導電基板220上的雜散磁通帶來的不好的效果。圖2描述由無線電源的發(fā)射線圈產(chǎn)生，接收線圈210感知的振蕩磁場的磁通量240。如圖所示，磁通量240包括至少部分地由磁屏蔽230捕捉的磁通240a和磁屏蔽230未捕捉到的磁通240b，由此無線電源系統(tǒng)的效率被降低。后續(xù)詳細描述的一些實施例針對多層磁屏蔽，所述多層磁屏蔽相較于一些傳統(tǒng)的單層磁屏蔽而言可捕捉更多的磁通。

磁導率(permeability)(μ)為材料支持在所述材料中形成磁場的能力的度量。在無線電源系統(tǒng)中，發(fā)射線圈和接收線圈之間的媒介通常為磁導率μ＝μ0的自由空間(空氣)。當磁屏蔽230包括相對(relative)磁導率大于μ0(也即，μ>μ0)的材料，所述屏蔽用于在低磁阻路徑中捕獲雜散的磁通量。例如，磁屏蔽230可能包括相對磁導率位于200-2000之間的低損耗材料，例如鐵素體(ferrite)。雖然鐵素體具有低損耗的特性使其經(jīng)常被用作磁屏蔽的材料，但是其他材料，例如高磁導合金也可替代性地被使用。

磁場的大小與到接收線圈210的距離成反比。因此，一些用于獲取更多雜散磁通量的技術(shù)包括：增加磁屏蔽230的厚度以為磁通提供更大的低磁導回程路徑，和/或，增加接收線圈210和導電基板220之間的距離，例如，在線圈210和導電基板220之間引入間隙。在實際應用中，智能電話和平板電腦的制造商通過使用厚度設(shè)計約束來排除厚磁屏蔽或間隙的使用。

本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識并了解到，可使用多層磁屏蔽來改善傳統(tǒng)的無線電源系統(tǒng)中所使用的單層磁屏蔽，其中，多層磁屏蔽中的至少一部分層之間具有不同的磁特性。圖3依據(jù)一些實施例示出包括多層磁屏蔽310的無線電源組件300。多層磁屏蔽310設(shè)置在接收線圈210和導電基板220之間。磁屏蔽310包括第一層230和第二層320。在一些實施例中，第一層230可包括相對于磁導率位于200-6000范圍之間的低損耗材料，例如鐵素體。第一層230中的低損耗材料的非限定性實施例包括但不限于，EPCOS N30或N48，立方結(jié)構(gòu)的鐵氧體3H3或3E4，以及TDK H5A或H6K。第二層320可包括相對磁導率比第一層230中的材料的磁導率大的材料。第二層320中的材料的非限定性實施例包括但不限于，相對磁導率高于12000的層壓薄柔性材料800R，納米晶體箔制成的FT-3W材料，以及2605s3a磁性合金表。

在一些實施例中，第二層320可包括以高損耗為特點的材料，因為所述材料展現(xiàn)出比第一層230中的材料更高的磁損耗。如上所述，相較而言，由于低損耗材料(例如，鐵素體)高效地捕捉雜散磁通量的能力，在無線電源系統(tǒng)中常使用低損耗材料作為磁屏蔽。與預期的相反，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)如果高損耗材料設(shè)置在磁屏蔽中磁場比較弱的位置來捕捉雜散磁通量，同時包括低損耗材料和高損耗材料的磁屏蔽可能有助于改善無線電源系統(tǒng)的效率。

盡管在大磁場區(qū)域高損耗材料捕捉雜散磁通量的效率沒有低損耗材料(例如，鐵素體)那么好，但是當磁場比較弱時，高損耗材料捕捉雜散磁通量的效率實際上會大于低損耗材料。如前所述，當距離接收線圈210的距離增大，磁場的強度減小。有別于僅僅增加磁場中的低損耗材料的厚度或增加間隙來增大導電基板220和接收線圈210之間的距離，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在磁場強度較弱的位置設(shè)置高損耗、高相對磁導率的材料可有助于改善無線電源系統(tǒng)的效率。高相對磁導率材料在為用于增加線圈的質(zhì)量因子Q的磁通提供回程路徑的弱磁場區(qū)域高效地捕捉雜散磁通量。

一些實施例包括層經(jīng)過安排的多層磁屏蔽，以便在每一層中捕捉雜散磁通量的效率和所述層中的材料的磁特性以及所述層距離接收線圈210的距離相關(guān)。特別的，如圖3所示，一些實施例包括直接設(shè)置在接收線圈210附近的磁場最強區(qū)域的具有低損耗、低相對磁導率材料的第一磁屏蔽層230，還包括設(shè)置在第一磁屏蔽層230和導電層220之間的磁場較弱區(qū)域的具有高損耗、高相對磁導率材料的第二磁屏蔽層320。通過每一層均能高效地基于所述層中的材料的磁特性捕捉雜散磁通量的方式設(shè)置磁屏蔽310的各層，接收線圈210的質(zhì)量因子被改善，因此無線電源系統(tǒng)的總效率得到改善。

多層磁屏蔽310中不同層的厚度可不相同。第一層230的厚度大于第二層320的厚度。例如，在一些實施例中，第一層230的厚度為1毫米，第二層320的厚度小于或等于0.4毫米。在一些實施例中，第二層320的厚度為0.1毫米。在另一些實施例中，當?shù)诙?20包括磁導率非常高的材料(μ>μ0)時，第二層320的厚度小于0.1毫米。也可替代性地使用其他的厚度，本發(fā)明并不限于此處列舉的實施例。

在一些實施例中，多層磁屏蔽層可包括比兩層更多的層。圖4示出包括磁屏蔽層420的無線電源組件400，磁屏蔽層420包括三層，其中每一層具有的材料的磁特性均不相同。如圖4所示，磁屏蔽層410包括設(shè)置在接收線圈210和導電基板220之間的第一層230、第二層320以及第三層420。第一層230和第二層320可包括磁特性與圖3中描述的磁屏蔽310的各層的磁特性相似的材料。附加的第三層420可包括磁導率比第二層320中的材料和第一層230中的材料的磁導率更高的材料。第三層420的厚度可小于或大于第二層320的厚度。盡管圖中僅示出磁屏蔽層410的三層，可理解的是，可使用任意合適數(shù)量的層，本發(fā)明并不限于此處所列舉的實施例，

此外，盡管圖2-4是以接收線圈210為例進行圖示，具體實施時，接收線圈210也可替換為發(fā)射線圈。

圖5為實驗結(jié)果的表格，其演示了根據(jù)本發(fā)明的一些實施例設(shè)計的多層磁屏蔽層改善無線電源線圈(發(fā)射線圈或接收線圈)的質(zhì)量因子(Q因子)的效果。線圈的質(zhì)量因子定義為線圈的電感(L)和電阻(R)的比值，也即，其中，ω＝2πf。除線圈的質(zhì)量因子之外，表中還示出線圈在不同無線電源組件配置中的電感。所有的測量均在100kHZ的諧振頻率下執(zhí)行。

作為參考，無線電源組件建造為包括靠近1毫米單層鐵素體屏蔽(測試1)設(shè)置的無線電源線圈。圖5中還在最右邊的兩列示出圖5中與測試1的配置相比較的所有其他無線電源組件配置(也即，測試2-11的配置)的高度和估計的成本。如圖5所示，當單層鐵素體屏蔽形成于絕緣基板(dielectric substrate)上，此布局下的線圈的質(zhì)量因子Q為165.7，而當所述單層鐵素體屏蔽形成于導電基板上，可觀察到，線圈的質(zhì)量因子Q下降約68％。

在測試2和3中，在屏蔽和導電基板之間引入間隙。如圖5所示，當在導電基板上形成屏蔽時，間隙的存在將會改善線圈的質(zhì)量因子Q，例如，當使用6毫米的間隙時，可獲得95.9的質(zhì)量因子。盡管引入間隙可改善線圈的質(zhì)量因子Q，但是這種配置下無線電源組件的高度也需要增加，因此其將不適合便攜式電子設(shè)備的一些設(shè)計限制要求。

在測試4-7中，測試1-3中的單層鐵素體屏蔽替換為包括具有高相對磁導率(高μ)材料的薄層的屏蔽。相較于沒有間隙配置的單層鐵素體屏蔽(測試1)，當在導電基板附近形成0.3毫米(測試6)或0.4毫米(測試7)厚度的高μ材料，線圈的質(zhì)量因子Q改善18-25％。如圖5所示，按照估計，0.1毫米厚的高μ材料的成本為1毫米厚的鐵素體屏蔽材料的1.5倍，因此，測試6和7中的配置的相對成本比單層鐵素體屏蔽(測試1)的成本高4.5-6倍。

在測試8-11中，測試1-3中的單層鐵素體屏蔽替換為包括具有高相對磁導率(高μ)材料的較薄層和1毫米鐵素體層的多層混合(hybrid)屏蔽。在這些配置中，在高度并未實際增加的情形下降線圈的質(zhì)量因子Q改善至超過100。例如，在測試8所使用的配置(1毫米的鐵素體+0.1毫米的高μ材料屏蔽)中，在高度相較于測試1的配置僅增加0.1毫米的情形下，線圈的質(zhì)量因子為102.7。在測試8的配置中引入高相對磁導率材料的薄層使線圈的質(zhì)量因子Q相較于測試1所使用的配置中確定的底線質(zhì)量因子Q增大了約62％。在測試9-11中將高高μ材料的厚度增加比1.0毫米更大的厚度使線圈的質(zhì)量因子進一步得到改善，其中，測試11的配置(1毫米的鐵素體+0.4毫米的高μ材料屏蔽)表明質(zhì)量因子Q比測試1的配置中確定的底線質(zhì)量因子增大了80％以上。

根據(jù)圖5的實驗結(jié)果可知，在無線電源組件中使用多層磁屏蔽可通過增加線圈的質(zhì)量因子的方式提供無線電源系統(tǒng)的效率增益。相較于單層鐵素體磁屏蔽，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例設(shè)計的多層磁屏蔽在不需要實際的更厚的屏蔽和不需要在組件之間設(shè)置間隙的情形下捕獲和回傳更多的雜散磁通量以改善無線電源系統(tǒng)的整體效率。這樣的多層磁屏蔽使更能滿足電子設(shè)備的制造規(guī)格的薄設(shè)備外形變得可實現(xiàn)。

權(quán)利要求書中用以修飾元件的“第一”、“第二”等序數(shù)詞的使用本身未暗示任何優(yōu)先權(quán)、優(yōu)先次序、各元件之間的先后次序、或所執(zhí)行方法的時間次序，而僅用作標識來區(qū)分具有相同名稱(具有不同序數(shù)詞)的不同元件。

盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合用于指導目的的某些特定實施例進行了描述，但本發(fā)明不限于此。因此，對所描述實施例的各種特征的各種變型、改編以及組合可以被實施，而不脫離權(quán)利要求書中所闡述的本發(fā)明的范圍。