TWI642254B - 移動設備 - Google Patents

Abstract

一種移動設備，包括：外殼，所述外殼包括導電區域；以及無線電源接收機，所述無線電源接收機包括接收線圈，該接收線圈用於通過所述導電區域接收無線電源；其中，所述導電區域的厚度小於δ/10，其中，δ為所述導電區域在提供所述無線電源的電磁信號的主要頻率下的趨膚深度。

Description

移動設備

本發明有關於無線電源輸送技術領域，尤其有關於移動設備。

由於以不使用電纜或連接器的簡便方式傳輸電源(power)，無線電源傳輸系統(Wireless Power Transfer Systems，WPTS)變得越來越受歡迎。當前在產業中使用的WPTS可分為兩種主要的類型：磁感應(Magnetic Induction，MI)系統和磁諧振(Magnetic Resonance，MR)系統。這兩種類型的系統均包括無線電源發射機(wireless power transmitter)和無線電源接收機(wireless power receiver)。這兩種類型的系統可被用於為處於其他應用中的移動設備(例如，智慧型電話、平板電腦，)供電或充電。

感應式WPTS系統通常操作在指定的幾百赫茲的頻率範圍，其使用頻率變化作為電源流控制機制。磁諧振WPTS系統通常操作在單諧振頻率，其使用輸入電壓調節(regulation)來調節輸出電源。在一個典型的應用中，磁諧振WPTS系統操作在6.78MHz的頻率。

許多產業委員會，已致力於為基於無線電源傳輸的消費產品推進國際標準。

本發明公開了移動設備，可允許無線電源發射機產生的電/磁場到達該移動設備內部的無線電源接收機的接收線圈。

本發明提供的一種移動設備，可包括：外殼，所述外殼包括導電區 域；以及無線電源接收機，所述無線電源接收機包括接收線圈，該接收線圈用於通過所述導電區域接收無線電源；其中，所述導電區域的厚度小於δ/10，其中，δ為所述導電區域在提供所述無線電源的電磁信號的主要頻率下的趨膚深度。

由上可知，本發明所提供的移動設備的外殼上包括導電區域，無線電源接收機的接收線圈可通過所述導電區域接收無線電源。基於此，本發明實施例可允許無線電源發射機產生的電/磁場到達該移動設備內部的無線電源接收機的接收線圈。

1a、1b、1c‧‧‧移動設備

10‧‧‧外殼

2‧‧‧導電層

9‧‧‧使用者介面

3‧‧‧無線電源接收機

4、14‧‧‧接收線圈

5‧‧‧導電區域

6‧‧‧非導電支撐

15、16‧‧‧隔離區域

11‧‧‧肋骨

21‧‧‧無線電源發射機

22‧‧‧穩定的電壓源

27‧‧‧驅動電路

23‧‧‧反相器

26、33‧‧‧匹配網路

30‧‧‧驅動發射線圈

29‧‧‧信號發生器

25‧‧‧控制器

34‧‧‧整流器

35‧‧‧直流/直流轉換器

Vout‧‧‧輸出電壓

第1A圖示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在175kHz的無線電源傳輸頻率下的B-場(B-field)的透明度。

第1B圖示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在6.78MHz的無線電源傳輸頻率下的B-場的透明度。

第2A圖和第2B圖分別示出移動設備1a的側視圖和後視圖。

第3A圖和第3B圖依據本發明的一些實施例分別示出移動設備1b的側視圖和後視圖。

第4A圖和第4B圖依據本發明的一些實施例分別示出移動設備1c的側視圖和後視圖。

第5圖示出用於機械地支撐較薄的導電層的多個肋骨。

第6圖示出包括無線電源發射機21和無線電源接收機3的無線電源傳輸系統。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些術語來指稱特定的元件。所屬領域技術人員應可理解，硬體製造商可能會用不同的名稱來稱呼同一個元件。本檔並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在接下來的說明書及申請專利範圍中，術語“包含”及“包括”為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限制於”。此外，“耦接”一詞在此包含直接及間接的電性連接手段。因此，如果一個裝置耦接於另一個裝置，則代表該一個裝置可直接電性連接於該另一個裝置，或通過其它裝置或連接手段間接地電性連接至該另一個裝置。

金屬後蓋(Metal back cover)為移動電子設備(例如，智慧型電話和平板電腦)的通用特徵。不幸的是，由於金屬後蓋旨在使移動設備內部的電子器件避開電磁場，因此金屬後蓋也阻止了使用電磁波將無線電源傳輸給所述移動設備。

本發明的發明人已經認識並瞭解到，如果金屬後蓋的厚度實質上小於用於無線電源傳輸的頻率下的趨膚深度(skin depth)，對於無線電源發射機產生的電磁場而言，金屬後蓋將大體上為透明的。一種材料的趨膚深度δ可由下面的等式給出，其中，f為頻率，μ為所述材料的導磁率(magnetic permeability)，σ為所述材料的導電率(electrical conductivity)。

需要較大的趨膚深度來增強通過金屬後蓋傳輸電磁場的傳輸性能。要得到δ>>T的條件，也即，趨膚深度δ遠遠大於金屬後蓋的厚度T，金屬後蓋的導電率和/或厚度T需選擇為足夠小。

下面的表1列出了多個用於形成金屬後蓋的材料的導電率以及這些 材料在兩個常用於進行無線電源傳輸的頻率下的趨膚深度，所述兩個常用的頻率為175kHz和6.78MHz。

如上所示，由於不銹鋼的導電率較低，相較於鋁或銅，不銹鋼將具有更高的趨膚深度。除不銹鋼之外，鎳為另一種合適的材料。但是，如果金屬後蓋做得足夠薄，也可以使用鋁或銅。

執行多個模擬來評估電磁場通過不同材料的金屬層和不同厚度的金屬層時的衰減。第1A圖示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在175kHz的無線電源傳輸頻率下的B-場(B-field)的透明度。術語“透明度”是指B-場在金屬材料層的任意一個面上的比率。如第1A圖所示，由於不銹鋼具有更大的趨膚深度，在相同的厚度下，不銹鋼的透明度優於鋁的透明度。第1A圖中還示出了鋁和不銹鋼的趨膚深度。當金屬層的厚度小於δ/40，B-場的絕大部分可通過所述金屬層。在δ/20和δ/10時可獲得低程度的透明度，它們可用於一些應用中。在175kHz，當使用鋁材料，要使50%的B-場通過金屬層，金屬層的厚度需要小於或等於10微米(μm)，當使用不銹鋼材料，要使50%的B-場通過金屬層，金屬層的厚度需要 小於或等於100微米(μm)。第1B圖示出不同厚度的鋁層和不銹鋼層在6.78MHz的無線電源傳輸頻率下的B-場的透明度。第1B圖可獲得與第1A圖定性地相似的結果。再一次，當金屬層的厚度小於δ/40，B-場的絕大部分可通過所述金屬層。在第1B圖中，由於頻率更高，因此要獲得175kHz所能看到的相同透明度需要更薄的金屬層厚度。在6.78MHz，當使用鋁材料，要使50%的B-場通過金屬層，金屬層的厚度需要小於或等於1-2微米(μm)，當使用不銹鋼材料，要使50%的B-場通過金屬層，金屬層的厚度需要小於或等於10-20微米(μm)。在一些實施例中，金屬層的厚度將選擇為低於δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低。在一些實施例中，金屬層的厚度可大於0.01微米，例如，大於0.1微米或大於1微米。

第2A圖和第2B圖分別示出移動設備1a的側視圖和後視圖，所述移動設備1a的外殼10的背面(back)上包括導電層2。導電層2跨越所述移動設備的所述背面區域的大部分區域。導電層2可包括金屬，且足夠厚，以及具有足夠的導電率以阻止無線電源通過其傳輸。如第2A圖和第2B圖所示，所述移動設備可包括無線電源接收機3，所述無線電源接收機3包括接收線圈4。無線電源接收機3用於從接收線圈4接收交流信號，並處理所述交流信號以產生直流電壓，作為舉例，所述直流電壓可用於對移動設備1a的電池進行充電和/或為移動設備1a本身供電。為了使電和/或磁場能傳輸至接收線圈4，移動設備1a的背面可包括對電和/或磁場增加了透明度的導電區域5。導電區域5可作為允許無線電源發射機產生的電和/或磁場通過移動設備1a的背面到達無線電源接收機3的接收線圈4的透明的“窗口”。如前所述，導電區域5可為金屬。適宜作為導電區域5的金屬可包括不銹鋼、鎳、鋁和銅。但是，本發明實施例所述的移動設備並不限於使用上述材料作為導電區域5。在一些實施例中，導電區域5的厚度(沿第2A圖的水準方向)可低於δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低，其中，δ為導電區 域5的趨膚深度。在一些實施例中，有別於導電層2，導電區域5將覆蓋接收線圈4的至少50%的區域(從移動設備的後面看)，以促進無線電源傳輸至接收線圈4。在一些實施例中，導電區域5可覆蓋接收線圈4(從移動設備的後面看)的至少75%、至少90%，以至於100%的區域。導電區域5可與接收線圈對準以促成導電區域5和接收線圈4在區域上的重疊。如第2B圖所示，在一些實施例中，導電區域5可延伸至接收線圈的區域外。

本發明所描述的移動設備可為任意適宜類型的移動設備，例如，智慧型電話、平板電腦、或可穿戴設備(例如，智慧手錶)等。這樣的移動設備的前端包括使用者介面9，例如，觸控式螢幕。所述移動設備的外殼可由任意類型的材料形成，並可為所述移動設備提供結構完整性。在所述移動設備的背後，所述外殼的表面可包括一層金屬層，所述金屬層可使使用者在所述移動設備背後感知和看到金屬。在一些實施例中，本發明所述描述的實施例中，可在維持金屬後蓋的感覺和視覺的前提下使無線電源通過所述移動設備的背面進行傳輸。

第3A圖和第3B圖依據本發明的一些實施例分別示出移動設備1b的側視圖和後視圖。在移動設備1b中，形成無線電源接收機3的接收線圈14的導電材料與導電層2的導電材料相同(例如，在相同層)。所述移動設備的後表面上的隔離區域(絕緣區域)15將接收線圈14和導電層2隔開。所述移動設備的後表面上的隔離區域16將接收線圈14和導電區域5隔開。類似於移動設備1a，導電區域5可作為允許無線電源發射機產生的電和/或磁場通過所述移動設備1b的背面到達接收線圈14的透明的窗口。

第4A圖和第4B圖依據本發明的一些實施例分別示出移動設備1c的側視圖和後視圖。在移動設備1c中，導電區域5跨越的區域比其在移動設備1a和1b中所跨越的區域大。在移動設備1c中，導電區域5將跨越所述移動設備的背面的 大部分區域，且移動設備1c的後表面上沒有導電層2。因此，無線電源發射機所產生的電和/或磁場可通過導電區域5通過所述移動設備1c的背面。在一些實施例中，導電區域5的厚度可低於δ/10，例如，δ/20或者更低，δ/40或者更低，其中，δ為導電區域5的趨膚深度。

為提供機械穩固性，作為選擇，導電區域5可設置在非導電支撐6上。支撐6可由任意適宜的材料形成，例如，塑膠。但是，支撐6是可選的而非必須的。在一些實施例中，導電區域5可設置為足夠小，以便其不會影響外殼的機械穩固性，但是其仍大到可促進無線電源的傳輸。例如，在一些實施例中，導電區域5的區域可小於接收線圈4所包圍的區域的150%或120%。在一些實施例中，零個、一個或多個導電支撐或肋骨橫跨導電區域5。肋骨11可為導電或非導電材料的拉長版本。在一些實施例中，肋骨11與導電材料2可通過相同的材料形成且具有相同的厚度，例如從移動設備的後視圖所看到的導電區域5上所覆蓋的肋骨11。如果肋骨11導電，則它們將以避免視窗5中形成閉路回路的圖形設置以避免產生渦流。作為舉例，第5圖中示出的肋骨11具有不會在視窗5中形成閉路回路的星形形狀。但是，在一些實施例中，肋骨11可由不導電材料形成，例如，塑膠。肋骨可應用在本發明所述的任意實施例中，例如，圖2和圖3所示的實施例。此外，肋骨可設置為任意的圖形，而不限於星形。

第6圖示出包括無線電源發射機21和無線電源接收機3的無線電源傳輸系統。無線電源發射機21包括驅動電路27，驅動電路27包括反相器23，反相器23通過匹配網路26驅動發射線圈30。無線電源發射機21可包括穩定的電壓源22(例如，穩壓器)用於向反相器23提供穩定的直流電壓。穩定的電壓源22根據控制器25輸出的控制刺激產生穩定的直流輸出電壓。在一些實施例中，驅動電路27可為D類或E類放大器，用於將反相器23的輸入端的直流電壓轉換為交流輸出電壓以驅動發射線圈30。交流輸出電壓的產生使得無線電源可通過電磁感應進行 傳輸。控制器25可控制信號發生器29使用選擇的無線電源傳輸頻率的信號驅動反相器23。作為舉例，根據對應於低Qi接收機的Qi規範，反相器23在100-205kHz之間的一個頻率發生切換以將電源傳輸至期望接收無線電源的無線電源接收機，以及，對於中電源Qi接收機，反相器23可在80-300kHz之間的一個頻率發生切換來傳輸電源。反相器23可在更高的頻率發生切換，例如位於ISM頻帶(例如，6.765MHz-6.795MHz)內的大於1MHz的頻率，以使用磁諧振技術將電源傳輸給設計為接收無線電源的接收器。然而，這裡所列舉的頻率僅是舉例，因為無線電源可依照任意適宜的規範在各種合適的頻率上進行傳輸。控制器25可為類比電路或數位電路。控制器25可為可程式設計的，且可命令信號發生器29根據存儲的程式指令在期望的傳輸頻率產生信號，以便反相器23可在所述期望的傳輸頻率發生切換。匹配網路26可通過向反相器23展現合適的阻抗來促進無線電源的傳輸。匹配網路可包括一個或多個電容性或電感性元件或者它們的任意適宜的組合。由於發射線圈30可具有電感性阻抗，因此，在一些實施例中，匹配網路26可包括一個或多個電容性元件，當這些電容性元件和發射線圈30的電感性阻抗結合時，在反相器23的輸出端展現適合驅動相應的發射線圈的阻抗。在一些實施例中，匹配網路26的諧振頻率可設置為等於或約等於反相器23的切換頻率。可通過任何適宜類型的導體實現發射線圈30。所述導體可為導線，例如，單導線或絞和線，或者可為圖案化的導體，例如，印刷電路板或積體電路的圖案化的導體。

發射線圈30中的交流電流依照安培法則產生振盪磁場。所述振盪磁場根據法拉第法則將交流電壓感應至無線電源接收機3的接收線圈4和14。接收線圈4和14所感應的所述交流電壓通過匹配網路33提供給整流器34以產生未調節的直流電壓。整流器34可為同步整流器或由二極體實現。未調節的直流電壓通過直流/直流轉換器35調節，所述直流/直流轉換器35的輸出被濾波後作為輸出電壓 Vout提供給負載。在一些可選的實施例中，直流/直流轉換器35可替換為線性穩壓器或電池充電器，或者可從電路中去掉。

在本發明中，描述“無線電源傳輸的頻率”和類似的描述指的是使用電磁信號傳輸無線電源的主要頻率(primary frequency)。在主要頻率下，電源的傳輸量可達到最大。本領域技術人員可知，當在特定頻率下無線地傳輸電源，在較低的電源等級處會出現一個或多個諧波(harmonics)。所述諧波可能位於比基本頻率高數倍的高頻處。由於趨膚深度取決於頻率，因此，諧波處的趨膚深度與基本頻率處的趨膚深度不同。由於基本頻率是傳輸無線電源的主要頻率，在選擇材料的厚度和/或類型以便允許無線電源傳輸時，相較於諧波處的趨膚深度，基本頻率處的趨膚深度是最為重要的標準。

申請專利範圍書中用以修飾元件的“第一”、“第二”等序數詞的使用本身未暗示任何優先權、優先次序、各元件之間的先後次序、或所執行方法的時間次序，而僅用作標識來區分具有相同名稱(具有不同序數詞)的不同元件。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (20)

1. 一種移動設備，包括：外殼，所述外殼包括導電區域；以及無線電源接收機，所述無線電源接收機包括接收線圈，該接收線圈用於通過所述導電區域接收無線電源；其中，所述導電區域的厚度小於δ/10，其中，δ為所述導電區域在提供所述無線電源的電磁信號的主要頻率下的趨膚深度；其中，所述導電區域為所述移動設備的所述外殼上的第一導電區域，所述外殼還包括：位於所述移動設備的所述外殼上的第二導電區域；其中，所述第二導電區域跨越所述第一導電區域和所述第一導電區域之外的一部分區域，且所述第一導電區域與所述接收線圈部分重疊，所述第一導電區域在所述第二導電區域內形成視窗以允許通過所述第一導電區域將無線電源傳輸至所述接收線圈。
2. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述第一導電區域的厚度小於δ/20。
3. 如申請專利範圍第2項所述的移動設備，所述第一導電區域的厚度小於δ/40。
4. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述第一導電區域與所述接收線圈對準。
5. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述第一導電區域包括金屬。
6. 如申請專利範圍第5項所述的移動設備，所述金屬包括銅、鋁、不銹鋼以及鎳中至少一種。
7. 如申請專利範圍第6項所述的移動設備，當所述金屬為所述不銹鋼時，所述厚度小於或等於100微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述外殼位於所述移動設備的背面。
9. 如申請專利範圍第8項所述的移動設備，所述外殼位於所述移動設備外表面。
10. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述接收線圈位於所述移動設備內部。
11. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述接收線圈位於所述移動設備背面。
12. 如申請專利範圍第11項所述的移動設備，所述接收線圈和所述第二導電區域由相同的金屬構成。
13. 如申請專利範圍第12項所述的移動設備，還包括： 一個或多個絕緣區域，用於隔離所述接收線圈與所述第二導電區域。
14. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述第二導電區域跨越所述移動設備的所述外殼的大部分區域。
15. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，還包括：非導電支撐，用於支撐所述第一導電區域。
16. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，還包括：多個肋骨，所述多個肋骨跨越所述第一導電區域並用於支撐所述第一導電區域。
17. 如申請專利範圍第16項所述的移動設備，所述多個肋骨是導電的。
18. 如申請專利範圍第17項所述的移動設備，所述多個肋骨的形成材料與形成所述移動設備的金屬後蓋的材料相同。
19. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述導電區域的區域小於等於所述接收線圈所占區域的150%。
20. 如申請專利範圍第1項所述的移動設備，所述第一導電區域的厚度大於0.01微米。