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技術 ワイヤレス受電装置およびその制御方法、受電制御回路、電子機器

出願人 ローム株式会社
発明者 内本大介
出願日 2016年5月27日 (4年6ヶ月経過) 出願番号 2016-106701
公開日 2017年11月30日 (3年0ヶ月経過) 公開番号 2017-212858
状態 特許登録済
技術分野 電池等の充放電回路 電磁波による給配電方式 近接電磁界伝送方式
主要キーワード 波形乱れ ワイヤレス受信装置 フェーズシフト ポータブルオーディオプレイヤ 複数値 バッテリ駆動型 後方散乱変調 動作区間
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図面 (11)

課題

整流回路波形乱れを抑制する。

解決手段

受信アンテナ301は、電力信号S2を受ける受信コイル302を含む。整流回路304は受信アンテナ301に流れる交流電流IACを整流する。平滑キャパシタ306は整流回路304の出力を平滑化する。波形安定器380は、受電装置300が所定の条件を満たすときにイネーブル状態となり、受信アンテナ301の並列共振周波数シフトさせる。

概要

背景

近年、電子機器電力を供給するために、無接点電力伝送非接触給電ワイヤレス給電ともいう)が普及し始めている。異なるメーカー製品間の相互利用を促進するために、WPC(Wireless Power Consortium)が組織され、WPCにより国際標準規格であるQi(チー)規格が策定された。

図1は、Qi規格に対応したワイヤレス給電システム100の構成を示す図である。給電システム100は、送電装置200(TX、Power Transmitter)と受電装置300r(RX、Power Receiver)と、を備える。受電装置300rは、携帯電話端末スマートホンオーディオプレイヤゲーム機器タブレット端末などの電子機器に搭載される。

送電装置200は、送信アンテナ201、インバータ204、コントローラ206、復調器208を備える。送信アンテナ201は、送信コイル(1次コイル)202および共振キャパシタ203を含む。インバータ204は、Hブリッジ回路(フルブリッジ回路)あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル202に駆動信号S1、具体的にはパルス信号印加し、送信コイル202に流れる駆動電流により、送信コイル202に電磁界電力信号S2を発生させる。コントローラ206は、送電装置200全体を統括的に制御するものであり、具体的には、インバータ204のスイッチング周波数、あるいはスイッチングデューティ比、あるいは位相を制御することにより、送信電力を変化させる。

Qi規格では、送電装置200と受電装置300rの間で通信プロトコルが定められており、受電装置300rから送電装置200に対して、制御データS3を伝達可能となっている。この制御データS3は、後方散乱変調(Backscatter modulation)を利用して、AM(Amplitude Modulation)変調された形で、受信コイル302(2次コイル)から送信コイル202に送信される。この制御データS3には、たとえば、受電装置300rに対する電力供給量を指示する電力制御データパケットともいう)、受電装置300rの固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器208は、送信コイル202の電流あるいは電圧に含まれる制御データS3を復調する。コントローラ206は、復調された制御データS3に含まれる電力制御データにもとづいて、インバータ204を制御する。

受電装置300rは、受信コイル302、整流回路304、キャパシタ306、変調器308、メインコントローラ電源回路314、復調器320を備える。受信コイル302は、送信コイル202からの電力信号S2を受信するとともに、制御データS3を送信コイル202に対して送信する。整流回路304およびキャパシタ306は、電力信号S2に応じて受信コイル302に誘起される電流S4を整流平滑化し、直流電圧VRECTに変換する。電源回路314は、直流電圧VRECTを安定化し、出力電圧VOUTを生成する。出力電圧VOUTは図示しない負荷回路に供給される。

メインコントローラは、受電装置300rが受けている電力供給量をモニタし、それに応じて、電力供給量を指示する電力制御データ(コントロールエラー値)を生成する。変調器308は、電力制御データを含む制御データS3を変調し、受信コイル302のコイル電流を変調することにより、送信コイル202のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

Qi規格では、送電装置200から受電装置300rに対しても、制御データS5を伝達可能となっている。この制御データS5は、FSK(Frequency Shift Keying)により電力信号S2に重畳され、送信コイル202から受信コイル302に送信される。この制御データS5は、制御データS3の受領通知するアクリッジACK)信号、受信できなかったことを通知する非アクナリッジ(NACK)信号などを含みうる。

FSKの変調器220は、コントローラ206に内蔵されており、送信すべきデータに応じて、インバータ204のスイッチング周波数を変化させる。受電装置300r側の復調器320は、FSKされた制御データ(FSK信号ともいう)S5を復調する。

図2は、本発明者らが検討した整流回路304および復調器320の回路図である。整流回路304は、いわゆる同期整流回路同期検波回路ともいう)であり、Hブリッジ回路330、ドライバ332、第1コンパレータ334、第2コンパレータ336、ロジック回路338を含む。Hブリッジ回路330は、トランジスタM1〜M4および整流ダイオードD1〜D4を含む。

整流回路304の交流入力端子AC1,AC2には、受信アンテナ301が接続され、電力信号S2により誘起される交流電流IAC(図1のS4)が流れる。整流回路304は、交流電流IACがゼロ、つまり極性反転するタイミングで、Hブリッジ回路330の状態φを切り替える。これをゼロカレントスイッチングという。Hブリッジ回路330は、以下の4つの状態φ1〜φ4と取り得る。
・第1状態φ1
第1トランジスタM1=ON
第2トランジスタM2=OFF
第3トランジスタM3=OFF
第4トランジスタM4=ON
・第2状態φ2
第1トランジスタM1=OFF
第2トランジスタM2=OFF
第3トランジスタM3=OFF
第4トランジスタM4=OFF
・第3状態φ3
第1トランジスタM1=OFF
第2トランジスタM2=ON
第3トランジスタM3=ON
第4トランジスタM4=OFF
・第4状態φ4
第1トランジスタM1=OFF
第2トランジスタM2=OFF
第3トランジスタM3=OFF
第4トランジスタM4=OFF
第2状態φ2、第4状態φ4は、整流回路304はダイオード整流回路として機能する。

第1コンパレータ334、第2コンパレータ336は、AC1端子、AC2端子それぞれの電圧VAC1,VAC2を、ゼロカレント検出用しきい値電圧VZC1、VZC2と比較する。これらのコンパレータ334,336は、ヒステリシスコンパレータであり、しきい値電圧は、負の電圧(たとえば−0.2V)と0近傍の電圧(たとえば−2mV)の2値で変化する。

ロジック回路338は、第1コンパレータ334、第2コンパレータ336の出力AC1_DET,AC2_DETの組み合わせにもとづいて、Hブリッジ回路330の状態を制御する。ドライバ332は、ロジック回路338からの制御信号に応じて、トランジスタM1〜M4を駆動する。なおここで説明した図2の整流回路304の構成、動作のすべてを公知技術と認定してはならない。

図3は、整流回路304の動作波形図である。本明細書における波形図やタイムチャート縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

AC1_DET信号は、AC1端子の電圧VAC1が−2mVを超えるとハイレベルに、−0.2Vより低くなるとローレベルに変化する。同様に、AC2_DET信号は、AC2端子の電圧VAC2が−2mVを超えるとハイレベルに、−0.2Vより低くなるとローレベルに変化する。ロジック回路338は、AC1_DET信号、AC2_DET信号にもとづいて、第1状態φ1〜第4状態φ4を切り替える。

図2に戻り、復調器320について説明する。AC2_DET信号の周波数は、交流電流IACの周波数、言い換えれば電力信号S2と等しい。したがって復調器320は、AC2_DET信号の周期カウントすることにより、その周波数を検出し、FSK復調を行う。AC1端子とAC2端子は対称であるから、復調器320はAC1_DET信号にもとづいてFSK復調を行ってもよい。

概要

整流回路の波形乱れを抑制する。受信アンテナ301は、電力信号S2を受ける受信コイル302を含む。整流回路304は受信アンテナ301に流れる交流電流IACを整流する。平滑キャパシタ306は整流回路304の出力を平滑化する。波形安定器380は、受電装置300が所定の条件を満たすときにイネーブル状態となり、受信アンテナ301の並列共振周波数シフトさせる。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

ワイヤレス送電装置からの電力信号を受けるワイヤレス受電装置であって、前記電力信号を受ける受信コイルを含む受信アンテナと、前記受信アンテナに流れる交流電流整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑化する平滑キャパシタと、前記ワイヤレス受電装置が所定の条件を満たすときにイネーブル状態となり、前記受信アンテナの並列共振周波数シフトさせる波形安定器と、を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。

請求項2

前記波形安定器は、前記ワイヤレス受電装置の出力電流が所定のしきい値を超えたときにイネーブル状態となることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。

請求項3

前記波形安定器は、前記ワイヤレス受電装置の出力電流が所定の範囲に含まれるときにイネーブル状態となることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。

請求項4

前記波形安定器は、前記ワイヤレス受電装置の負荷電力もしくは受信電力が所定の範囲に含まれるときにイネーブル状態となることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。

請求項5

前記整流回路は、前記受信アンテナと接続される第1交流入力端子、第2交流入力端子を有するHブリッジ回路と、前記Hブリッジ回路を制御する同期整流コントローラと、を含むことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。

請求項6

前記同期整流コントローラは、前記ワイヤレス受電装置の出力電流が所定のしきい値より小さいとき、前記Hブリッジ回路を半同期整流モードで制御し、前記出力電流が所定のしきい値より大きいとき、Hブリッジ回路を全同期整流モードで制御し、前記波形安定器は、前記Hブリッジ回路が全同期整流モードで動作するときに、イネーブル状態となることを特徴とする請求項5に記載のワイヤレス受電装置。

請求項7

前記波形安定器は、前記受信アンテナの一端と接地の間に直列に設けられる第1キャパシタおよび第1スイッチと、前記受信アンテナの他端と接地の間に直列に設けられる第2キャパシタおよび第2スイッチと、前記イネーブル状態において、前記第1スイッチおよび前記第2スイッチをオンするドライバと、を含むことを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。

請求項8

前記第1スイッチおよび前記第2スイッチの低電位側の端子共通ノードに接続され、前記波形安定器は、前記共通ノードと接地の間に設けられた抵抗をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載のワイヤレス受電装置。

請求項9

前記波形安定器は、前記受信アンテナの一端と接地の間に、前記第1キャパシタ、前記第1スイッチと直列に設けられる第1抵抗と、前記受信アンテナの他端と接地の間に、前記第2キャパシタ、前記第2スイッチと直列に設けられる第2抵抗と、を含むことを特徴とする請求項7に記載のワイヤレス受電装置。

請求項10

前記受信アンテナと接続され、AM変調信号に応じて前記受信アンテナの並列共振周波数を変化させるAM変調器をさらに備えることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。

請求項11

前記波形安定器は、前記AM変調器と少なくとも一部が共通に構成されることを特徴とする請求項10に記載のワイヤレス受電装置。

請求項12

前記波形安定器は、前記AM変調器の動作区間は、ディセーブル状態となることを特徴とする請求項10または11に記載のワイヤレス受電装置。

請求項13

前記波形安定器は、前記ワイヤレス送電装置による位置検出が完了する前は、イネーブル不可とされることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。

請求項14

Qi規格に対応することを特徴とする請求項1から13のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。

請求項15

請求項1から14のいずれかに記載のワイヤレス受電装置を備えることを特徴とする電子機器

請求項16

ワイヤレス受電装置に使用される受電制御回路であって、ワイヤレス送電装置からの電力信号を受ける受信アンテナと接続される第1交流入力端子および第2交流入力端子と、前記第1交流入力端子および前記第2交流入力端子と接続され、前記受信アンテナに流れる交流電流を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑化する平滑キャパシタが接続される整流端子と、前記ワイヤレス受電装置が所定の条件を満たすときにイネーブル状態となり、前記受信アンテナの並列共振周波数をシフトさせる波形安定器と、を備えることを特徴とする受電制御回路。

請求項17

ワイヤレス送電装置からの電力信号を受信するワイヤレス受電装置の制御方法であって、受信コイルを含む受信アンテナによって前記電力信号を受信するステップと、整流回路によって、前記受信アンテナに流れる交流電流を整流するステップと、前記整流回路の出力を平滑化するステップと、前記ワイヤレス受電装置が所定の条件を満たすときに、前記受信アンテナの並列共振周波数をシフトさせるステップと、を備えることを特徴とする制御方法。

技術分野

0001

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

背景技術

0002

近年、電子機器電力を供給するために、無接点電力伝送非接触給電、ワイヤレス給電ともいう)が普及し始めている。異なるメーカー製品間の相互利用を促進するために、WPC(Wireless Power Consortium)が組織され、WPCにより国際標準規格であるQi(チー)規格が策定された。

0003

図1は、Qi規格に対応したワイヤレス給電システム100の構成を示す図である。給電システム100は、送電装置200(TX、Power Transmitter)と受電装置300r(RX、Power Receiver)と、を備える。受電装置300rは、携帯電話端末スマートホンオーディオプレイヤゲーム機器タブレット端末などの電子機器に搭載される。

0004

送電装置200は、送信アンテナ201、インバータ204、コントローラ206、復調器208を備える。送信アンテナ201は、送信コイル(1次コイル)202および共振キャパシタ203を含む。インバータ204は、Hブリッジ回路(フルブリッジ回路)あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル202に駆動信号S1、具体的にはパルス信号印加し、送信コイル202に流れる駆動電流により、送信コイル202に電磁界電力信号S2を発生させる。コントローラ206は、送電装置200全体を統括的に制御するものであり、具体的には、インバータ204のスイッチング周波数、あるいはスイッチングデューティ比、あるいは位相を制御することにより、送信電力を変化させる。

0005

Qi規格では、送電装置200と受電装置300rの間で通信プロトコルが定められており、受電装置300rから送電装置200に対して、制御データS3を伝達可能となっている。この制御データS3は、後方散乱変調(Backscatter modulation)を利用して、AM(Amplitude Modulation)変調された形で、受信コイル302(2次コイル)から送信コイル202に送信される。この制御データS3には、たとえば、受電装置300rに対する電力供給量を指示する電力制御データパケットともいう)、受電装置300rの固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器208は、送信コイル202の電流あるいは電圧に含まれる制御データS3を復調する。コントローラ206は、復調された制御データS3に含まれる電力制御データにもとづいて、インバータ204を制御する。

0006

受電装置300rは、受信コイル302、整流回路304、キャパシタ306、変調器308、メインコントローラ電源回路314、復調器320を備える。受信コイル302は、送信コイル202からの電力信号S2を受信するとともに、制御データS3を送信コイル202に対して送信する。整流回路304およびキャパシタ306は、電力信号S2に応じて受信コイル302に誘起される電流S4を整流平滑化し、直流電圧VRECTに変換する。電源回路314は、直流電圧VRECTを安定化し、出力電圧VOUTを生成する。出力電圧VOUTは図示しない負荷回路に供給される。

0007

メインコントローラは、受電装置300rが受けている電力供給量をモニタし、それに応じて、電力供給量を指示する電力制御データ(コントロールエラー値)を生成する。変調器308は、電力制御データを含む制御データS3を変調し、受信コイル302のコイル電流を変調することにより、送信コイル202のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

0008

Qi規格では、送電装置200から受電装置300rに対しても、制御データS5を伝達可能となっている。この制御データS5は、FSK(Frequency Shift Keying)により電力信号S2に重畳され、送信コイル202から受信コイル302に送信される。この制御データS5は、制御データS3の受領通知するアクリッジACK)信号、受信できなかったことを通知する非アクナリッジ(NACK)信号などを含みうる。

0009

FSKの変調器220は、コントローラ206に内蔵されており、送信すべきデータに応じて、インバータ204のスイッチング周波数を変化させる。受電装置300r側の復調器320は、FSKされた制御データ(FSK信号ともいう)S5を復調する。

0010

図2は、本発明者らが検討した整流回路304および復調器320の回路図である。整流回路304は、いわゆる同期整流回路同期検波回路ともいう)であり、Hブリッジ回路330、ドライバ332、第1コンパレータ334、第2コンパレータ336、ロジック回路338を含む。Hブリッジ回路330は、トランジスタM1〜M4および整流ダイオードD1〜D4を含む。

0011

整流回路304の交流入力端子AC1,AC2には、受信アンテナ301が接続され、電力信号S2により誘起される交流電流IAC(図1のS4)が流れる。整流回路304は、交流電流IACがゼロ、つまり極性反転するタイミングで、Hブリッジ回路330の状態φを切り替える。これをゼロカレントスイッチングという。Hブリッジ回路330は、以下の4つの状態φ1〜φ4と取り得る。
・第1状態φ1
第1トランジスタM1=ON
第2トランジスタM2=OFF
第3トランジスタM3=OFF
第4トランジスタM4=ON
・第2状態φ2
第1トランジスタM1=OFF
第2トランジスタM2=OFF
第3トランジスタM3=OFF
第4トランジスタM4=OFF
・第3状態φ3
第1トランジスタM1=OFF
第2トランジスタM2=ON
第3トランジスタM3=ON
第4トランジスタM4=OFF
・第4状態φ4
第1トランジスタM1=OFF
第2トランジスタM2=OFF
第3トランジスタM3=OFF
第4トランジスタM4=OFF
第2状態φ2、第4状態φ4は、整流回路304はダイオード整流回路として機能する。

0012

第1コンパレータ334、第2コンパレータ336は、AC1端子、AC2端子それぞれの電圧VAC1,VAC2を、ゼロカレント検出用しきい値電圧VZC1、VZC2と比較する。これらのコンパレータ334,336は、ヒステリシスコンパレータであり、しきい値電圧は、負の電圧(たとえば−0.2V)と0近傍の電圧(たとえば−2mV)の2値で変化する。

0013

ロジック回路338は、第1コンパレータ334、第2コンパレータ336の出力AC1_DET,AC2_DETの組み合わせにもとづいて、Hブリッジ回路330の状態を制御する。ドライバ332は、ロジック回路338からの制御信号に応じて、トランジスタM1〜M4を駆動する。なおここで説明した図2の整流回路304の構成、動作のすべてを公知技術と認定してはならない。

0014

図3は、整流回路304の動作波形図である。本明細書における波形図やタイムチャート縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化され、あるいは誇張もしくは強調されている。

0015

AC1_DET信号は、AC1端子の電圧VAC1が−2mVを超えるとハイレベルに、−0.2Vより低くなるとローレベルに変化する。同様に、AC2_DET信号は、AC2端子の電圧VAC2が−2mVを超えるとハイレベルに、−0.2Vより低くなるとローレベルに変化する。ロジック回路338は、AC1_DET信号、AC2_DET信号にもとづいて、第1状態φ1〜第4状態φ4を切り替える。

0016

図2戻り、復調器320について説明する。AC2_DET信号の周波数は、交流電流IACの周波数、言い換えれば電力信号S2と等しい。したがって復調器320は、AC2_DET信号の周期カウントすることにより、その周波数を検出し、FSK復調を行う。AC1端子とAC2端子は対称であるから、復調器320はAC1_DET信号にもとづいてFSK復調を行ってもよい。

先行技術

0017

特開2011−211780号公報

発明が解決しようとする課題

0018

ところが、図2の復調器320では、以下の問題が生ずる。
送電装置200は、送信周波数、スイッチングのデューティ比などを変化させることにより送信電力を調節する。ここでQi規格のミッドパワー(Mid Power)では、送信側にフルブリッジインバータが設けられ、送信電力制御のために、周波数制御およびデューティ制御に加えて、位相制御が採用される。

0019

図4(a)、(b)は、図2の整流回路304の動作波形図である。本発明者が検討したところ、位相制御により位相がある領域に入ると、Hブリッジ回路がダイオード整流回路となる第2状態φ2、第4状態φ4の間に、AC1端子、AC2端子の電圧VAC1,VAC2に、ときとして大きな波形割れあるいはリンギングが発生することがある。図4(b)に示すように、波形割れあるいはリンギングの振幅が大きくなると、交流電流IACのゼロクロス点とは無関係に、電圧VAC1(VAC2)が、しきい値電圧VZCとクロスすることとなり、AC1_DET信号(あるいはAC2_DET信号)のレベルが変化する。これにより電力信号S2の周波数とAC1_DET1信号(FSK_CLK_ID信号)の周波数が不一致となり、ビットエラーレートが悪化する。あるいはHブリッジ回路330のゼロカレントスイッチングが理想状態から外れるおそれがある。

0020

なお電圧VAC1,VAC2の波形割れ、リンギングは、位相制御中にかかわらず生ずる場合もある。

0021

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、Hブリッジ回路の2つの端子の波形乱れを抑制可能なワイヤレス受信装置の提供にある。

課題を解決するための手段

0022

本発明のある態様は、ワイヤレス送電装置からの電力信号を受けるワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、電力信号を受ける受信コイルを含む受信アンテナと、受信アンテナに流れる交流電流を整流する整流回路と、整流回路の出力を平滑化する平滑キャパシタと、ワイヤレス受電装置が所定の条件を満たすときにイネーブル状態となり、受信アンテナの並列共振周波数シフトさせる波形安定器と、を備える。

0023

この態様によると、整流回路の交流入力端子の電圧波形乱れが生ずる可能性がある場合に、受信アンテナの並列共振周波数をシフトさせることで、波形乱れを抑制できる。

0024

波形安定器は、ワイヤレス受電装置の出力電流が所定のしきい値を超えたときにイネーブル状態となってもよい。受信電力、ひいては送信電力が増加すると、ワイヤレス送電装置におけるインバータが、波形乱れを引き起こしやすい動作モードに遷移する場合に、この処理は有効である。

0025

波形安定器は、ワイヤレス受電装置の出力電流が所定の範囲に含まれるときにイネーブル状態となってもよい。受信電力ひいては送信電力がある範囲に含まれるときに、ワイヤレス送電装置におけるインバータが、波形乱れを引き起こしやすい動作モードに遷移する場合に、この処理は有効である。

0026

波形安定器は、ワイヤレス受電装置の負荷電力が所定の範囲に含まれるときにイネーブル状態となってもよい。

0027

整流回路は、受信アンテナと接続される第1交流入力端子、第2交流入力端子を有するHブリッジ回路と、Hブリッジ回路を制御する同期整流コントローラと、を含んでもよい。

0028

同期整流コントローラは、ワイヤレス受電装置の出力電流が所定のしきい値より小さいとき、Hブリッジ回路を半同期整流モードで制御し、出力電流が所定のしきい値より大きいとき、Hブリッジ回路を全同期整流モードで制御し、波形安定器は、Hブリッジ回路が全同期整流モードで動作するときに、イネーブル状態となってもよい。

0029

波形安定器は、受信アンテナの一端と接地の間に直列に設けられる第1キャパシタおよび第1スイッチと、受信アンテナの他端と接地の間に直列に設けられる第2キャパシタおよび第2スイッチを含み、イネーブル状態において、第1スイッチおよび第2スイッチをオンする。

0030

波形安定器は、第1スイッチおよび第2スイッチの低電位側の端子は共通ノードに接続され、波形安定器は、共通ノードと接地の間に設けられた抵抗をさらに含んでもよい。抵抗の抵抗値に応じて並列共振周波数のシフト量を決定できる。

0031

波形安定器は、受信アンテナの一端と接地の間に、第1キャパシタ、第1スイッチと直列に設けられる第1抵抗と、受信アンテナの他端と接地の間に、第2キャパシタ、第2スイッチと直列に設けられる第2抵抗と、を含んでもよい。

0032

受信アンテナと接続され、AM変調信号に応じて受信アンテナの並列共振周波数を変化させるAM変調器をさらに備えてもよい。波形安定器は、AM変調器と少なくとも一部が共通に構成されてもよい。AM変調器のハードウェア流用することで回路面積の増加を抑えることができる。

0033

ワイヤレス受電装置は、Qi規格に対応してもよい。

0034

本発明の別の態様は、電子機器に関する。電子機器は、上述のいずれかのワイヤレス受電装置を備えてもよい。

0035

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

発明の効果

0036

本発明のある態様によれば、Hブリッジ回路の2つの端子の波形乱れを抑制できる。

図面の簡単な説明

0037

Qi規格に対応したワイヤレス給電システムの構成を示す図である。
本発明者らが検討した整流回路および復調器の回路図である。
整流回路の動作波形図である。
図4(a)、(b)は、図2の整流回路の動作波形図である。
第1の実施の形態に係る受電装置の回路図である。
図6(a)〜(d)は、波形安定器の構成例を示す回路図である。
図7(a)〜(c)は、出力電流IOUTを0mA,50mA,100mAと変化させたときの波形図である。
受電装置の構成例を示す回路図である。
受電装置を備える電子機器の斜視図である。
第1変形例に係る波形安定器および変調器の回路図である。

実施例

0038

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

0039

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

0040

同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

0041

(第1の実施の形態)
図5は、第1の実施の形態に係る受電装置300の回路図である。受電装置300は、図1の受電装置300rに加えてさらに波形安定器380を備える。受信アンテナ301は、受信コイル302、直列共振キャパシタCs、並列共振キャパシタCdを含む。整流回路304は、受信アンテナ301に流れる交流電流IACを整流する。整流回路304は、第1交流入力(AC1)端子および第2交流入力(AC2)端子を介して受信アンテナ301と接続されており、ダイオードブリッジ回路あるいは同期整流回路である。平滑キャパシタ306は、整流回路304の出力を平滑化する。復調器320は、FSK信号S5が重畳された電力信号S2を復調する。

0042

波形安定器380は、受電装置300が所定の条件を満たすときにイネーブル状態となり、イネーブル状態において受信アンテナ301の並列共振周波数をシフトさせる。所定の条件は、AC1端子、AC2端子の電圧波形に乱れが生ずる可能性に対応付けて定めればよい。

0043

シフト後の並列共振周波数fd’は、受信アンテナ301に生ずる電圧VAC1,VAC2の乱れを抑制できるように定めればよく、特定の値に限定されるものではない。並列共振周波数fd’は、実験的あるいはシミュレーションにより、その最適値を見いだすことが可能である。

0044

メインコントローラは、波形安定器380のイネーブル(オン)、ディセーブルオフ)を切りかえるための制御信号S21を生成する。本実施の形態において波形安定器380は、受電装置300の出力電流IOUT(平滑キャパシタ306から流れ出る電流)が所定のしきい値ITHを超えたときにイネーブル状態となる。出力電流IOUTは、図示しない電流センサによって検出される。メインコントローラは、出力電流IOUTがしきい値ITHを超えると、制御信号S21をアサートして、波形安定器380をイネーブル化する。

0045

出力電流IOUTの増加にともない、受信電力ひいては送信電力が増加すると、ワイヤレス送電装置におけるインバータが、波形乱れを引き起こしやすい動作モードに遷移する。たとえば中電力向けQi規格(Power Class 0 Extended Power Profile)では、送信電力が大きくなると、電力制御のためにフェーズシフト動作に移行し、これが波形乱れの原因となる場合がある。したがって、出力電流IOUTの大きさに応じて、並列共振周波数を制御することで、AC1端子、AC2端子の波形乱れを好適に抑制するとともに、波形乱れが生ずる可能性が低い状況では、並列共振周波数を、規格で規定される値に維持することができる。

0046

図6(a)〜(d)は、波形安定器380の構成例を示す回路図である。図6(a)の波形安定器380aは、第1キャパシタC1、第2キャパシタC2、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2、抵抗R1を含む。第1キャパシタC1および第1スイッチSW1は、受信アンテナ301の一端E1と接地の間に直列に設けられる。また第2キャパシタC2および第2スイッチSW2は、受信アンテナ301の他端E2と接地の間に直列に設けられる。抵抗R1は、第1スイッチSW1と第2スイッチSW2の接続ノードと接地の間に挿入される。なお抵抗R1の配置は特に限定されず、複数の抵抗を設けてもよい。図6(d)に示すように、抵抗R1は省略してもよい。

0047

ドライバ382は、メインコントローラから制御信号S21を受ける。ドライバ382aは、制御信号S21がアサートされる間、第1スイッチSW1および第2スイッチSW2をオンする。なおドライバ382を省略し、制御信号S21を用いて第1スイッチSW1、第2スイッチSW2を直接駆動してもよい。

0048

図6(b)の波形安定器380bは、スイッチSW3、キャパシタC3を含む。スイッチSW3、キャパシタC3は、受信アンテナ301の両端E1,E2の間に直列に、またキャパシタCdと並列に設けられる。ドライバ382bは、制御信号S21がアサートされる間、スイッチSW3をオンする。なおキャパシタC3およびスイッチSW3と直列に抵抗を挿入してもよい。

0049

図6(c)の波形安定器380cは、図6(a)の波形安定器380aの変形であり、第1キャパシタC1、第2キャパシタC2それぞれの容量が可変となっている。受信アンテナ301の一端E1と接地の間には、キャパシタC1とスイッチSW1の直列接続回路が、複数個(同図では2個)、並列に設けられている。同様に受信アンテナ301の他端E2と接地の間には、キャパシタC2とスイッチSW2の直列接続回路が、複数個、並列に設けられている。この構成によれば、並列共振周波数を複数値で切りかえることができ、給電システム100の動作状況に応じてFSK通信中に適切な並列共振周波数を選択できる。したがって波形乱れをさらに抑制できる。図6(c)においても抵抗R1は省略しうる。

0050

以上が受電装置300の構成である。続いてその動作を説明する。図7(a)〜(c)は、出力電流IOUTを0mA,50mA,100mAと変化させたときの波形図である。各図において、左波形図は、波形安定器380がディセーブル状態の波形を、右波形図は、波形安定器380がイネーブル状態の波形を示す。図7(a)〜(c)の左波形図を参照すると、出力電流IOUTが増加するにしたがって、波形乱れ(リンギング)の振幅は、増加していく。いずれの場合も、波形安定器380をイネーブル状態とすることで、右波形図に示すように、波形の乱れを抑制できる。

0051

波形乱れの抑制の結果、FSK復調のエラーを低減できる。また整流回路304が同期整流回路である場合に、ゼロカレントスイッチングを維持することができる。

0052

さらに電圧VAC1,VAC2にリンギングが生じていると、整流電圧VRECTに跳ね上がりが生ずる場合がある。実施の形態に係る受電装置300では、整流電圧VRECTの安定性も高めることができる。

0053

ここで、図7(a)や(b)においては、AC1端子の電圧、AC2端子の電圧にリンギングが生じていたとしても、しきい値との比較結果である出力AC1_DET,AC2_DETは正しく生成されている。図7(c)のように、IOUT=100mAとした場合には、AC1_DET信号およびAC2_DET信号にリンギングの影響が現れる。したがって、上述のように出力電流IOUTがしきい値電流ITHを超えた場合にのみ波形安定器380をオンし、それより低い場合、つまり波形乱れの影響が深刻でない状況では、波形安定器380をオフすることで、受信アンテナ301の並列共振周波数を、規格で規定される値で動作させることができる。

0054

本発明は、図5ブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。

0055

図8は、受電装置300の構成例を示す回路図である。受電装置300は、受信アンテナ301、平滑キャパシタ306および受信制御IC400を備える。受信制御IC400は、整流回路304、変調器308、メインコントローラ312、電源回路314、復調器320が集積化された機能ICである。

0056

メインコントローラ312は、受電装置300全体を統括的に制御するロジック回路である。メインコントローラ312は、変調器308および復調器320を利用して送電装置200と通信可能である。メインコントローラ312には、受信制御IC400の内部のさまざまな情報が入力されている。たとえばA/Dコンバータ340,342は、整流電圧VRECT、出力電流IOUTそれぞれをデジタル値に変換し、メインコントローラ312に供給する。メインコントローラ312は、以下の機能を備える。

0057

・出力電流IOUTの測定値にもとづいて、整流電圧VRECTの目標値(DP:Desired Point)を設定する。
・目標値DPと整流電圧VRECTの誤差に応じたコントロールエラー(CE)パケットを生成し、CEパケットを含む変調信号S22を変調器308に出力する。
・出力電流IOUTにもとづいて、波形安定器380のイネーブル、ディセーブルを指示する制御信号S21を生成する。
・出力電流IOUTにもとづいて、整流回路304の動作モード(半同期整流モード、全同期整流モード)を指示する制御信号S23を生成する。
・出力電流IOUTおよび整流電圧VRECTにもとづいて、受信電力を演算する。
なおメインコントローラ312の機能はこれらに限定されない。

0058

整流回路304は、Hブリッジ回路330および同期整流コントローラ331を備える。同期整流コントローラ331の構成は図2に示した通りであり、ドライバ332、第1コンパレータ334、第2コンパレータ336、ロジック回路338を備える。同期整流コントローラ331は、制御信号S23が指示するモードで、Hブリッジ回路330を駆動する。半同期整流モードでは、Hブリッジ回路330のローサイドのトランジスタM3,M4のみがスイッチングされ、ハイサイドのトランジスタがオフに固定される。

0059

メインコントローラ312は、波形安定器380のイネーブル/ディセーブルを、整流回路304の動作モードと連動させてもよい。すなわち、メインコントローラ312は、出力電流IOUTが所定のしきい値ITHより小さいとき、整流回路304を半同期整流モードに設定し、また波形安定器380をディセーブル状態とする。反対に出力電流IOUTが所定のしきい値ITHより大きいとき、整流回路304を全同期整流モードに設定し、波形安定器380をイネーブル状態とする。

0060

メインコントローラは、出力電流IOUTとしきい値ITHの比較結果にもとづいて、波形安定器380に対する制御信号S21と、整流回路304に対する制御信号S23を生成する。

0061

図8の波形安定器380は、図6(d)と同様に構成されるが、その他の構成であってもよい。変調器308は、波形安定器380と同様に構成されており、外付けの第3キャパシタC3、第4キャパシタC4、第3スイッチSW3、第4スイッチSW4およびドライバ310を含む。ドライバ310は、AM変調信号S22にもとづいて第3スイッチSW3および第4スイッチSW4をスイッチングする。

0062

なお、波形安定器380をイネーブル状態として受信アンテナ301の並列共振周波数をシフトさせると、変調器308によるAM変調の変調度が小さくなってしまう場合がある。この場合、メインコントローラ312は、変調器308によるAM変調期間の間、波形安定器380をディセーブル状態とすることが好ましい。なお、キャパシタCs,Cd,C1〜C4の容量値を最適化することで、十分な変調度が確保できる場合には、変調器308の変調期間の間も、波形安定器380をイネーブル状態とすることができる。

0063

受電装置300がQi規格に対応している場合、アナログPingフェーズにおいて、送電装置200による受電装置300の位置検出が行われる場合がある。またムービングコイル方式の送電装置200の場合には、アナログPingフェーズに限らず、デジタルPingフェーズより前において位置検出が行われる。この位置検出において、受信アンテナ301の並列共振周波数は、規格で定められた値であることが求められる。そこでQi規格においては、位置検出が完了するまでの間は、波形安定器380を確実にディセーブルとすることが望ましい。

0064

(用途)
受電装置300の用途を説明する。図9は、受電装置300を備える電子機器500の斜視図である。電子機器500は、携帯電話端末、ラップトップコンピュータ、スマートホン、タブレット端末、ポータブルオーディオプレイヤデジタルカメラデジタルビデオカメラなどであり、バッテリ駆動型デバイスである。電子機器500は、受電装置300に加えて、2次電池502、充電回路504を備える。充電回路504は、受電装置300が生成する出力電圧VOUTを受け、2次電池502を充電する。

0065

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

0066

(第1変形例)
図10は、第1変形例に係る波形安定器380および変調器308の回路図である。図8に示すように、波形安定器380と変調器308は、いずれも並列共振周波数をシフトさせるという点およびその回路構成が共通している。そこで波形安定器38と変調器308は、回路素子の一部を共有して構成される。この変形例では、変調器308のキャパシタC3,C4およびスイッチSW3,SW4が、波形安定器380のキャパシタC1,C2およびスイッチSW1,SW2としても機能する。この変形例によれば、回路面積の増加を抑制できる。

0067

(第2変形例)
実施の形態は、出力電流IOUTにもとづいて、波形安定器380のオン、オフを制御したが、受電装置300の出力電力、言い換えれば受電装置300の受信電力にもとづいて、波形安定器380のオン、オフを制御してもよい。

0068

(第3変形例)
実施の形態では、Qi規格に対応するワイヤレス送電装置について説明したが、本発明はそれに限定されず、Qi規格と類似するシステムに使用される受電装置300や、将来策定されるであろう規格に対応する受電装置300にも適用しうる。

0069

(第4変形例)
実施の形態で説明した各信号のハイレベル、ローレベルの割り当ては例示に過ぎず、当業者によれば、容易に変更することができる。

0070

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

0071

100…給電システム、200…送電装置、201…送信アンテナ、202…送信コイル、203…共振キャパシタ、204…インバータ、206…コントローラ、208…復調器、300…受電装置、301…受信アンテナ、302…受信コイル、304…整流回路、306…平滑キャパシタ、308…変調器、312…メインコントローラ、314…電源回路、320…復調器、330…Hブリッジ回路、331…同期整流コントローラ、332…ドライバ、334…第1コンパレータ、336…第2コンパレータ、338…ロジック回路、340,342…A/Dコンバータ、380…波形安定器、382…制御回路、S21…制御信号、S22…AM変調信号、400…受信制御IC。

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