[发明专利]可校正电感电容共振频率的共振式磁耦合无线传能系统

说明书

本发明揭露一种可校正电感电容共振频率的共振式磁耦合无线传能系统，其通过在适当的校正环境设定下，检测线圈电感或共振电容两端的峰值电压并据以调整此共振电容值，直到此峰值电压为最大来完成校正系统中的该多个共振电容，以准确控制功率传送端与功率接收端电路之中的电感电容共振频率(LC resonance frequency)，进而达成最高功率传输效率与最大传输功率。

技术领域

本发明有关一种磁共振式无线传能系统(wireless power transfer system)，特别是关于一种可以自动校正电感电容(LC)共振频率的共振式磁耦合无线传能系统。

背景技术

无线传能(WPT)是一种相当便利的技术，可以广泛应用在携带型设备上，例如行动电话、生医植入式装置、感测器、电动车辆等等。这些无线传能系统通常会具有二种主要规格，一种是功率传输效率(Power Transfer Efficiency，PTE)，此为传输至负载的功率与供应功率的比值，此PTE值小于或等于1；另一种主要规格则是最大传输功率(MaximalTransferred Power，MTP)，亦即负载可以从WPT系统接收到的最大功率。

非共振式磁耦合(NRMC)和共振式磁耦合(RMC)都是常见的无线传能技术。然而非共振式磁耦合WPT系统只有在传送端线圈与接收端之间的耦合系数(k)接近1时，亦即当二个线圈具有相近的直径且它们的距离远小于线圈的直径时，才能提供较佳的传输效率与功率。也因此，非共振式磁耦合WPT系统仅适用于一对一的WPT。

另一方面，共振式磁耦合WPT系统能在一个非常小的耦合系数的操作环境下达成非共振式磁耦合WPT系统在较高的耦合系数的操作环境下才能达成的功率传输效率，亦即共振式磁耦合WPT系统可以在相同线圈的条件下在较长的距离下运作。再者，二线圈的直径无须相似，且一个传送端可以对应数个接收端，而这些特征扩大了WPT系统的应用。

虽然共振式磁耦合WPT系统具有这么多优点，但目前商业产品量产时，最主要的困难在于共振式磁耦合WPT系统需要将传送端和接收端二侧的LC电路的共振频率准确控制在某些与系统电路参数相关的特定值，LC共振频率的一个小偏差就会严重影响系统的功率传输效率和最大传输功率。然而，电路中的元件一定存在出厂误差，致使共振式磁耦合WPT系统的效能远低于理论上可达的最佳值。

传统用来校正LC共振频率的方法通常是通过LCR仪器来分别测量电感及电容值，通常使用可变电容器并利用手动调整来补偿电感器与电容器的出厂误差值。另一种常见的方法为加入匹配电路(matching network(s))来调整传送端所见等效负载阻抗与负载所见的等效传送端的源阻抗。然而，匹配电路中的元件依然有出厂误差的问题。加拿大专利CA2448316A1提出一种测量最大和最小共振频率，并使用线性插值来猜测一数字控制电容器的目标控制代码，以节省校正时间。但是此方法应用于WPT系统时需先量测WPT系统电路参数来计算出校正目标值，因此费时费力，且校正环境不同于正常操作环境，所以它们会具有不同的寄生电容和电感值，因此，校正后WP T系统的共振频率在正常操作期间仍会偏离目标。

其他已知校正LC的方法，包括有美国专利US 7,940,140 B2、US 8,508,308 B2、US8,902,009 B1、US 8,766,712 B2等专利前案调整PLL的振荡频率，或是如美国专利US 8,918,070 B2调整LNA的振荡频率等，目前尚未有发展出适用于校正WPT系统的共振频率以提升其效能的校正技术。

有鉴于此，本发明遂提出一种可以自动校正LC共振频率的共振式磁耦合无线传能系统，以解决前述困扰。

发明内容

本发明的主要目的在提供一种共振式磁耦合无线传能系统，其可以自动校正传送端与接收端的共振电容来准确控制功率传送端和功率接收端中的LC共振频率，进而达到以无线方式传输最大的功率至负载的功效。