减少感应充电功率损耗的技术和装置的制作方法

减少感应充电功率损耗的技术和装置


技术实现要素：

1.本文档描述了在移动设备(例如，无线设备、智能手机、膝上型计算机)中实现的旨在减少感应充电功率损耗的技术和装置。在各方面，移动设备包括形成具有利兹线(litz-wire)结构的接收器线圈的多层柔性印刷电路板(fpcb)线圈。fpcb线圈包括多迹线束，其具有贯穿fpcb线圈的不同层系统地布线的用于减少涡流损耗的迹线。
2.另一方面，公开了一种电子设备。该电子设备包括多层fpcb和接收器线圈。该接收器线圈被容纳在多层fpcb内，其包括堆叠层、多个同心线回路和fpcb迹线束。该堆叠层包括第一层和第二层。多个同心线回路被包括在第一层和第二层的每一层中。fpcb迹线束位于多层fpcb上并且形成多个同心线回路。束中的一个或多个迹线在多个同心线回路中的至少一个回路上的多个位置在第一层和第二层之间系统地布线。
3.提供本发明内容是为了介绍旨在减少感应充电功率损耗的技术和装置的简化概念，其概念在下面的详细描述和附图中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的基本特征，也不旨在用于确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
4.在本文档中参考以下附图描述了旨在减少感应充电功率损耗的技术和装置的一个或多个方面的细节。贯穿各附图使用相同的附图标记来引用相同的特征和组件：
5.图1图示了借助于电磁感应对电子设备进行充电的示例实施方式；
6.图2a图示了根据本文中描述的实施方式的两层接收器线圈的示例顶层；
7.图2b图示了来自图2a的示例两层接收器线圈的底层；
8.图3a图示了示例两层混合接收器线圈的顶层；
9.图3b图示了来自图3a的示例两层混合接收器线圈的底层；
10.图4a图示了示例四层接收器线圈的顶层；
11.图4b图示了来自图4a的示例四层接收器线圈的底层；
12.图5图示了层堆叠，其表示使用来自图1的接收器线圈的电子设备的磁感应无线充电的示例系统；以及
13.图6图示了说明使用来自图1的接收器线圈对负载进行无线充电的示例系统的框图。
具体实施方式
14.该文档描述了旨在减少感应充电功率损耗的技术和装置。本文中针对多层fpcb线圈描述了不同的线圈结构，该多层fpcb线圈形成具有利兹线结构以减少涡流损耗的接收器线圈。
15.图1图示了借助于电磁感应对电子设备102进行充电的示例实施方式100。如图示，电子设备102是智能电话，但是电子设备102能够被实现为任何合适的电子设备，该电子设备能够经由感应无线功率传输接收功率以对电子设备102的电池(例如，内部电池)进行充
电。
16.电子设备102被定位于感应电源104(例如，充电站、感应垫)上方。在感应电源104内部，交流电流(ac电流)穿过线的线圈并且产生波动磁场106，该磁场106与ac电流的变化幅度成比例地传播。作为结果，当接收器线圈(例如，电子设备102内部的接收器线圈108)被定位于磁场106内时，磁场106生成在接收器线圈108中感应ac电流的电动势。然后，电子设备102将感应出的ac电流转换为直流电(例如，使用整流器)以对电池(图1中未示出)进行充电。
17.在各方面，接收器线圈108由fpcb迹线束组成。fpbc迹线以使得迹线能够用作以电并联配置而布置的多个分离的细线的方式被施加(例如，被印刷)到fpcb 112上。fpcb迹线束可以形成利兹线结构，这可以减少ac电流集中在导线外表面附近的趋势(“集肤效应”)。在利兹线结构中，多个利兹线可以在每个绕组中以扭绞模式缠绕在一起以减少涡流损耗。集肤效应有效地限制了导体中电子流动可用的横截面积，并且结果增加了电阻。通过采用多个迹线，线圈通过所有迹线等效地传播ac电流并且减少集肤效应。
18.接收器线圈108可以是感应线圈，其缠绕形状与现有无线充电设备(例如，感应电源104)的感应发射器线圈110的几何形状基本匹配，诸如用于对智能电话进行无线充电的那些。接收器线圈108和感应发射器线圈110的几何形状可以是任何合适的几何形状，包括盘状形状、环状形状、具有圆角的矩形形状等。在一些实施方式中，几何形状可以是圆柱形的以实现感应和/或共振无线充电。
19.另外，接收器线圈108可以被形成在容纳接收器线圈108和其他电路系统的多层柔性印刷电路板(fpcb)112上。多层fpcb 112可以被结合(例如，被层压)在一起并且具有用于容纳接收器线圈108的合适的粗细。在示例中，fpcb 112可以包括两层fpcb，其包含形成具有利兹线结构的接收器线圈的迹线束。在该示例中，接收器线圈108的迹线在两层fpcb的顶层和底层之间系统地布线。在另一示例中，多层fpcb 112可以包括四层fpcb，其包含形成具有利兹线结构的接收器线圈的迹线束，其中迹线在四层fpcb的相邻层之间系统地布线。在进一步的示例中，多层fpcb 112可以包括多层fpcb，其包含形成具有利兹线结构的接收器线圈的迹线束，其中迹线在多层fpcb的相邻层之间系统地布线。
20.图2a和2b图示了具有两层全利兹配置的接收器线圈。特别地，图2a图示了根据本文中描述的实施方式的两层接收器线圈202(例如，接收器线圈108)的示例顶层200。图2b图示了来自图2a的示例两层接收器线圈202的底层204。
21.可以是图1的接收器线圈108的接收器线圈202被缠绕成具有内径206和外径208。另外，接收器线圈202被容纳在多层fpcb 112内并且包括形成每个线圈回路(例如，绕组)的fpcb迹线束。图2a和2b中所图示的两层接收器线圈202被实现为全利兹结构实施方式，使得从内径206到外径208的线圈匝具有彼此相同的规格(粗细)。如图所示，两层fpcb 112包括顶层(例如，顶层200)和底层(例如，底层204)。接收器线圈202包括延伸到两层中的多个fpcb迹线(例如，迹线210)。更详细地，接收器线圈202可以在束中包括三个迹线210(例如，迹线210-1、迹线210-2和迹线210-3)。
22.在一个示例中，接收器线圈202中的一个迹线(例如，迹线210-1)可以在顶层200中被布线以用于接收器线圈回路的前三分之一。迹线210-1然后可以被布线到底层204以用于线圈回路的另外三分之一，然后向上返回到顶层200以用于线圈回路的又一个三分之一，等
等。另一迹线(例如，迹线210-2)可以在顶层200中被布线以用于接收器线圈回路的前三分之二，然后被布线到底层204以用于线圈回路的三分之一，然后向上返回到顶层200以用于线圈回路的三分之一，然后向下返回到底层204以用于线圈回路的三分之二，等等。利兹线中的第三迹线(例如，迹线210-3)可以在底层204中被布线以用于接收器线圈回路的前三分之一，然后被布线到顶层200以用于线圈回路的另一个三分之一，然后向下返回到底层204以用于线圈回路的三分之一，等等。两层fpcb 112中的接收器线圈108的该三迹线接线配置可以被称为两层全利兹配置。以该方式，接收器线圈包括以交替模式从一层被布线到另一层的fpcb迹线，该交替模式包括回路的连续区段在与底层204相比具有在顶层200中的更多数目和更少数目的迹线之间进行交替。此外，交替模式可以将在回路的每个连续部分中的层之间过渡的束中的迹线进行交替。
23.尽管图2a和图2b的示例被描述为将线圈回路分段成三部分，可以实现任何合适的配置以将迹线束缠绕在线圈回路的区段中并且在层之间过渡一个或多个迹线，包括将线圈回路分段为四部分、五部分、六部分、七部分等。在一些实施方式中，线圈回路可以具有与线圈回路中的区段的数目相同数目的迹线。此外，接收器线圈202的至少一个线圈回路可以具有长度不同于接收器线圈202的一个或多个其他线圈回路的区段长度的区段。
24.在图2a和2b所图示的示例中，接收器线圈202包括五个迹线210，包括第一迹线210-1、第二迹线210-2、第三迹线2103、第四迹线210-4和第五迹线210-5。第一迹线210-1和第二迹线210-2在顶层200中在电连接点212处布线。如图2b所示，第三迹线210-3、第四迹线210-4和第五迹线210-5在底层204中在电连接点212处布线。使用五个迹线，迹线210可以在大约是线圈回路长度的五分之一的回路区段长度中布线。然而，线圈回路的回路区段的长度可以不同于接收器线圈202的不同线圈回路中的区段长度。迹线210可以以扭绞模式布线，使得五个迹线在相对于彼此的不同位置(例如，过渡点214、216、218等)从顶层200布线到底层204(和/或从底层204布线到顶层200)。在层间过渡(例如，过渡点214)的迹线210的位置处或附近，其余迹线可以移向(或远离)接收器线圈202的中心。在该示例中，每个迹线210贯穿接收器线圈202在顶层200和底层204之间往复布线。在一个示例中，线圈回路可以包括由小于线圈回路的周长的一半的区段长度分离的层之间的过渡。
25.图2a和2b的两层全利兹配置中的fpcb迹线的设计和利用可以减轻涡流损耗，但也可以增加接收器线圈中的直流(dc)电阻。dc电阻可能增加，因为细线比相同材料的粗线具有更大的电阻。尽管增加了dc电阻，但两层全利兹配置仍然减少了总功率损耗。因此，感应充电可以以更高的效率操作达到更长的持续时间，这导致减少的热量生成和更快的感应充电。
26.图3a和图3b图示了具有两层混合利兹配置的接收器线圈。特别地，图3a图示了根据本文中描述的实施方式的两层接收器线圈302(例如，接收器线圈108)的示例顶层300。图3b图示了来自图3a的示例两层接收器线圈302的底层304。
27.图3a和3b的接收器线圈302，其可以是图1的接收器线圈108，包括内回路306和外回路308。另外，接收器线圈302被容纳在多层fpcb 112内。在所图示示例中，仅接收器线圈302的内回路306以类似于关于图2a和2b描述的两层全利兹配置的方式被接线和布线。接收器线圈302的外回路308可以利用未扭绞的绕组、一个厚线迹线或另一种技术来减少dc电阻损耗。在任何一种情况下，对于线圈回路的某些区段，外回路308中的线都没有像内回路306
那样贯穿fpcb的不同层系统地布线。例如，如果接收器线圈302总共由十个回路组成，然后五个外回路可以用一个厚线迹线(例如，比内回路中的迹线束更粗的fpcb迹线)接线，并且五个内回路可以以类似于图2a和2b的两层全利兹配置的方式接线(例如，分别在顶层和底层300和304之间往复系统地布线的迹线)。
28.因为涡流损耗通常在接收器线圈的内回路306中最严重，所以两层混合利兹配置可以显著地减少与感应涡流相关联的损耗。另外，与图2a和2b的两层全利兹配置相比，两层混合利兹配置可以具有更小的dc电阻。由于减少的涡流损耗和较小的dc电阻，两层混合利兹配置显著地减少了从接收器线圈产生的功率损耗。当接收器线圈与感应电源的发射器线圈很好地对齐(例如，被直接定位在上方)时，可以最好地实现两层混合利兹的益处。
29.图4a和4b图示了具有四层全利兹配置的接收器线圈。特别地，图4a图示了根据本文中描述的实施方式的四层接收器线圈402的示例顶层400。图4b图示了来自图4a的示例四层接收器线圈402的底层404。
30.顶层400包括第一子层406和第二子层408。底层404包括第三子层410和第四子层412。在图4a中，第一子层406被图示在前面(颜色是黑色)，并且第二子层408被图示在第一子层406后面(颜色是灰色)。在图4b中，第三子层410被图示在前面(颜色是灰色)，并且第四子层412被图示在第三子层410后面(颜色是黑色)。另外，包括顶层400和底层404的接收器线圈402被容纳在多层fpcb 112内。
31.如图所示，接收器线圈402的每个回路都以全利兹配置接线。四层全利兹配置可以将接收器线圈402的回路划分成相对于回路的长度大体上相等长度的区段。例如，每个回路可以被划分为三部分、四部分、五部分等。因为每个回路具有不同的长度(和直径)，所以与接收器线圈402的不同回路的区段相比，接收器线圈402的一个回路的区段可以具有不同的长度。接收器线圈402的迹线可以在第一子层406和第二子层408之间以及在第三子层410和第四子层412之间系统地布线。另外，接收器线圈402的迹线也可以在第二子层408和第三子层410之间系统地布线。在一个示例中，第一迹线集合在第一子层和第二子层之间系统地布线以形成顶层子组件(例如，顶层400)，第二迹线集合在第三子层和第四子层之间系统地布线以形成底层子组件(例如，底层404)，并且第一迹线集合的第一子集和第二迹线集合的第二子集在第二子层和第三子层之间系统地布线。
32.在所图示的配置中，与感应涡流相关联的功率损耗可忽略不计。尽管四层全利兹配置显著地减少了涡流损耗，但是与关于图2a、2b、3a和3b描述的两层配置相比，它还可能引入更多的dc电阻。
33.图5图示了表示用于电子设备的磁感应无线充电的示例系统500的层堆叠。无线功率发射器502被图示为充电器基座502-1。然而，任何合适的无线功率发射器都能够被用于经由接收设备的电池的磁感应无线充电来无线地传输功率。无线功率发射器502还能够包括能够实现无线充电的其他设备，诸如台式计算机、游戏系统、游戏控制台、音频系统、汽车、轨迹板、绘图板、平板电脑、膝上型计算机、智能电话、上网本、电子阅读器、家用电器等。
34.无线功率接收器504被图示为具有各种示例设备，包括计算手表504-1(例如，智能手表)、计算眼镜504-2(例如，智能眼镜)、电子耳机盒504-3、安全相机504-4、平板电脑504-5、膝上型计算机504-6、移动电话504-7(例如，智能电话)和便携式音频播放器504-5(例如，mp3播放器)。无线功率接收器504还能够包括具有小形状因子的其他设备，诸如小型无线电
话、电动牙刷、电动剃须刀、无人机、无线游戏控制器、遥控器、数码相机和其他小型电池供电设备。
35.无线功率发射器502可以包括发射器线圈506，其可以是用于生成用于磁感应无线功率传输的电磁场的任何合适的线圈，包括现有线圈。在一些方面，发射器线圈110可以被实现为发射器线圈506。
36.无线功率接收器504可以包括接收器线圈108(例如，接收器线圈202、接收器线圈302和/或接收器线圈402)，其被实现为接收器线圈以基于暴露于电磁场而生成电流，以对无线功率接收器504的电池充电。当接收器线圈108不仅与发射器线圈506对齐而且与发射器线圈506大体上大小匹配时，功率传输的效率最高。使用本文中描述的技术，接收器线圈108可以改进无线充电性能而不需要改变接收器线圈108的大小，从而使接收器线圈108能够继续与现有发射器线圈506大小匹配。
37.图6图示了图示使用接收器线圈108对负载进行无线充电的示例系统600的框图。无线功率发射器502包括连接到发射器功率管理集成电路(pmic)604的微控制器单元(mcu)602，该发射器功率管理集成电路(pmic)604被连接到逆变器电路606(例如，全桥逆变器电路、半桥逆变器电路)。逆变器电路606被连接到一个或多个电容器，诸如电容器c
tx 608。电容器c
tx 608被连接到发射器线圈l
tx
，诸如发射器线圈506。系统600包括与ac电源耦合的ac适配器610。该ac适配器610提供输入电压v
in
，其可以由发射器pmic 604和mcu 602使用以管理向发射器线圈506驱动的功率。逆变器电路606将dc输入电源电压(例如，输入电压v
in
)转换为具有期望幅度和频率的对称ac电压。所得ac电压被输出到电容器c
tx 608，该电容器c
tx 608将能量传递到发射器线圈l
tx 506。
38.发射器线圈l
tx 506生成磁场612并且耦合到接收器线圈l
rx 614(例如，接收器线圈108，其可以包括接收器线圈202、302或402中的任何一个)以将能量传输到接收器线圈l
rx 614。接收器线圈l
rx 614从由发射器线圈l
tx 506生成的磁场612接收能量。该能量在接收器线圈l
rx 614中感应出电流。接收器线圈l
rx 614将能量从电流传递到一个或多个电容器c
rx 616，然后所述一个或多个电容器c
rx 616将能量传递到接收器pmic 618。接收器pmic 618使用由所述一个或多个电容器c
rx
616提供的能量来向用于充电的pmic 620提供输出电压v
out
。附加地，接收器pmic 618能够根据qi无线充电协议向无线功率发射器502提供返回负载调制。负载调制信号能够通过接收器线圈l
rx 614并且经由发射器线圈l
tx 506传递到无线功率发射器502上，以使无线功率发射器502能够管理被传输的功率量。附加地，无线功率发射器502可以通过使用诸如频移键控(fsk)的频率调制来向无线功率接收器504提供信号。这些调制的信号可以通过发射器线圈l
tx
506并且经由接收器线圈l
rx
传递到无线功率接收器504上，以实现从无线功率发射器502到无线功率接收器504的通信(例如，控制信号或反馈信号)。用于充电的pmic 620通过提供处于负载622的电压水平的dc电流来提供用于对诸如负载622(例如电池)的负载进行快速充电的电源管理。
39.结论
40.尽管已经用特定于特征和/或方法的语言描述了用于减少感应充电功率损耗的技术和装置的各方面，但是所附权利要求的主题不一定限于所描述的特定特征或方法。相反，特定特征和方法是作为用于减少感应充电功率损耗的技术和装置的示例实施方式而公开的，并且其他等同的特征和方法旨在所附权利要求的范围内。此外，描述了各种不同的方
面，并且应当理解，每个描述的方面能够独立地或者结合一个或多个其他所描述的方面来实现。

技术特征：
1.一种电子设备，包括：多层柔性印刷电路板fpcb；以及在所述多层fpcb内容纳的接收器线圈，所述接收器线圈包括：堆叠层，所述堆叠层包括第一层和第二层；所述第一层和所述第二层的每一层中的多个同心线回路；以及fpcb迹线束，所述fpcb迹线束位于所述多层fpcb上并且形成所述多个同心线回路，所述束中的一个或多个迹线在所述多个同心线回路中的至少一个回路上的多个位置处在所述第一层和所述第二层之间被系统地布线。2.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述fpcb迹线束包括三个迹线或五个迹线。3.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述多层fpcb的所述第一层和所述第二层被层压在一起。4.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述至少一个回路上的所述多个位置各自由具有小于所述至少一个回路的周长的一半的长度的回路区段分离。5.根据权利要求1所述的电子设备，其中：每个回路包括一定数目的区段；以及所述fpcb迹线束包括与所述区段的数目相同数目的迹线。6.根据权利要求1所述的电子设备，其中，所述fpcb迹线以交替模式从层到层来布线，所述交替模式包括所述至少一个回路的每个连续区段在与所述第二层相比具有在所述第一层中的更多数目和更少数目的迹线之间进行交替。7.根据权利要求6所述的电子设备，其中，所述交替模式包括在将所述至少一个回路的每个连续区段中在所述第一层和所述第二层之间过渡的迹线进行交替。8.根据权利要求6所述的电子设备，其中，所述fpcb迹线在所述至少一个回路周围的不同位置处在所述第一层和所述第二层之间相对于彼此过渡。9.根据权利要求1所述的电子设备，其中：所述同心线回路包括多个内回路和多个外回路；所述多个内回路包括在所述第一层和所述第二层之间被系统地布线的所述fpcb迹线束；以及所述多个外回路包括未在所述第一层和所述第二层之间被系统地布线的至少一个fpcb迹线，所述至少一个fpcb迹线比所述多个内回路中的所述fpcb迹线束更粗。10.根据权利要求9所述的电子设备，其中，所述多个外回路包括：位于所述第一层中的至少一个fpcb迹线的第一部分；位于所述第二层中的所述至少一个fpcb迹线的第二部分；以及位于所述第一层中的所述至少一个fpcb迹线的第三部分；其中，所述第二部分位于所述第一部分与所述第三部分之间。11.根据权利要求1所述的电子设备，其中：所述堆叠层包括第三层和第四层；所述多个同心线回路也在所述第三层和所述第四层中的每一个中；以及所述fpcb迹线包括：第一迹线集合，所述第一迹线集合在所述第一层和所述第二层之间被系统地布线以形
成顶层子组件；以及第二迹线集合，所述第二迹线集合在所述第三层和所述第四层之间被系统地布线以形成底层子组件。12.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述第一迹线的集合的第一子集和所述第二迹线的集合的第二子集在所述第二层和所述第三层之间被系统地布线，所述第二层和所述第三层被堆叠在所述第一层和所述第四层之间。13.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述第一迹线集合以交替模式在所述第一层和所述第二层之间被布线，所述交替模式包括回路的连续部分在与所述第二层相比具有在所述第一层中的更多数目和更少数目的迹线之间进行交替。14.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述第二迹线集合以交替模式在所述第三层和所述第四层之间被布线，所述交替模式包括回路的连续部分在与所述第四层相比具有在所述第三层中的更多数目和更少数目的迹线之间进行交替。15.根据权利要求11至14中任一项所述的电子设备，其中，所述迹线在所述回路周围的不同位置处在所述第一层和所述第二层之间、所述第二层和所述第三层之间、和/或所述第三层和所述第四层之间相对于彼此过渡。

技术总结
该文档描述了旨在减少感应充电功率损耗的技术和装置。在各方面，一种移动设备包括形成具有利兹线结构的接收器线圈(202)的多层柔性印刷电路板(FPCB)线圈。该FPCB线圈包括多迹线束，其具有贯穿FPCB线圈的不同层(200、204)系统地布线的用于减少涡流损耗的迹线(210)。系统地布线的用于减少涡流损耗的迹线(210)。系统地布线的用于减少涡流损耗的迹线(210)。


技术研发人员：杨礼宇 贾靓 斯里坎斯
受保护的技术使用者：谷歌有限责任公司
技术研发日：2021.10.20
技术公布日：2023/7/12