CN101425704B - 功率接收设备和功率传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率接收设备和功率传输系统，其中该功率接收设备能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从接收的载波获得电功率，并且包括：载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收载波并且产生与载波对应的感应电压；处理部分，用以基于感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及阻抗转换部分，用以转换载波接收部分与处理部分之间的阻抗。其中，阻抗转换部分包括各自具有预定电容并且相互串联连接的第一电容器和第二电容器，通信天线、第一电容器和第二电容器构成谐振电路，以及阻抗转换部分对在谐振电路中产生的感应电压进行分压。

Description

功率接收设备和功率传输系统
相关申请的交叉引用
本发明包含与2007年8月31日向日本专利局提交的日本专利申请JP 2007-226572有关的主题内容，这里通过引用将其全部内容结合于此。
技术领域
本发明涉及功率接收设备和功率传输系统。
背景技术
能够与读取器/写入器(或者具有读取器/写入器功能的信息处理设备)无接触通信的信息处理设备如无接触集成电路(IC)卡、射频识别(RFID)标签和配备有无接触IC芯片的蜂窝电话已经得到广泛应用。
读取器/写入器和信息处理设备如IC卡或者蜂窝电话通过使用特定频率如13.56MHz的磁场作为载波来相互通信。具体而言，读取器/写入器和信息处理设备以如下方式通信：读取器/写入器发送其上叠加了载波信号的载波，并且信息处理设备如IC卡用天线接收载波并且通过负载调制来返回对接收的载波信号的响应信号。
另外，信息处理设备如IC卡或者蜂窝电话在读取器/写入器产生的磁场作为电源经过通信天线时由根据磁通量产生的电压(感应电压)驱动。因此，读取器/写入器可以通过发送载波来将电功率无线地供应给信息处理设备如IC卡或者蜂窝电话。
已经开发了一种通过执行阻抗转换来提高使用载波无线传输电功率的效率的技术。在“HAM Journal No.98，1995.7/8”(CQ Publishing Co.，Ltd.1995年，第47页)公开了借助阻抗转换来提高电波接收效率的技术。
发明内容
根据通过执行阻抗转换来提高使用载波无线传输电功率的效率的技术，作为用以接收电源的设备的功率接收设备包括被设置成通过将谐振电容器连接到用于接收载波的线圈或者环形天线(通信天线)而在特定频率谐振的谐振电路并且直接通过来自线圈或者环形天线的中间抽头或者通过分离地设置耦合线圈来执行阻抗转换。然而，由于线圈或者环形天线的尺寸一般大于谐振电容器的尺寸，所以中间抽头的引线或者耦合线圈的设置可能构成对封装的限制。另外，由于阻抗转换比在使用中间抽头或者耦合线圈的阻抗转换中是固定的，所以只有在特定情况下才可以执行阻抗匹配。
鉴于前述，希望提供一种提高电功率无线传输效率而无需在用于接收载波的通信天线中设置中间抽头的新颖的改进型功率接收设备和功率传输系统。
根据本发明的一个实施例，提供了一种能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从所接收的载波获得电功率的功率接收设备，该功率接收设备包括：载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收载波并且产生与载波对应的感应电压；处理部分，用以基于感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及阻抗转换部分，用以转换载波接收部分与处理部分之间的阻抗。
上述功率接收设备包括载波接收部分、处理部分和阻抗转换部分。载波接收部分无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且产生与载波对应的感应电压。载波接收部分包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线。处理部分基于在载波接收部分中产生的感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理。阻抗转换部分转换载波接收部分与处理部分之间的阻抗。在这一配置中，有可能提高电功率无线传输效率而无需在用以接收载波的通信部分中设置中间抽头。
阻抗转换部分可以包括各自具有预定电容并且相互串联连接的第一电容器和第二电容器，通信天线、第一电容器和第二电容器可以构成谐振电路，并且阻抗转换部分可以对在谐振电路中产生的感应电压进行分压。
在这一配置中，有可能提高电功率无线传输效率而无需在用以接收载波的通信天线中设置中间抽头。
载波接收部分还可以包括用以构成谐振电路的具有预定电容的第三电容器，并且阻抗转换部分可以包括变压器，变压器的初级侧和次级侧的匝数比为4∶1。
在这一配置中，有可能提高电功率无线传输效率而无需在用以接收载波的通信天线中设置中间抽头。
载波接收部分还可以包括用以构成谐振电路的具有预定电容的第四电容器，并且阻抗转换部分可以包括具有预定电感并且与处理部分串联连接的电感器并且对在谐振电路中产生的感应电压进行分压。
在这一配置中，有可能提高电功率无线传输效率而无需在用以接收载波的通信天线中设置中间抽头。
载波接收部分还可以包括用以构成谐振电路的具有预定电容的第五电容器，并且阻抗转换部分可以包括具有预定电容并且与处理部分串联连接的第六电容器，并且对在谐振电路中产生的感应电压进行分压。
在这一配置中，有可能提高电功率无线传输效率而无需在用以接收载波的通信天线中设置中间抽头。
阻抗转换部分可以匹配载波接收部分的输出阻抗和处理部分的输入阻抗。
在这一配置中，有可能进一步提高电功率无线传输效率。
根据本发明的另一实施例，提供了一种功率传输系统，该功率传输系统包括用以发送载波的功率发送设备和能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从所接收的载波获得电功率的功率接收设备，其中功率发送设备包括：载波信号产生部分，用以产生载波信号；以及载波发送部分，用以发送与载波信号对应的载波，而功率接收设备包括：载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收载波并且产生与载波对应的感应电压；处理部分，用以基于感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及阻抗转换部分，用以转换载波接收部分与处理部分之间的阻抗。
在这一配置中，实现了如下功率传输系统，其中功率发送设备发送载波并且由此传输电功率，而用以接收载波的功率接收设备具有未配备中间抽头的用以接收载波的通信天线，由此提高电功率无线传输效率。
根据上述本发明实施例，有可能提高电功率无线传输效率而无需在用于接收载波的通信天线中设置中间抽头。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的功率传输系统的概况的说明图。
图2是示出了图1中所示IC芯片的通信天线部分的等效电路的说明图。
图3A是示出了图1中所示IC芯片的等效电路的说明图。
图3B是示出了图1中所示IC芯片的等效电路的说明图。
图3C是示出了图1中所示IC芯片的等效电路的说明图。
图4是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备的框图。
图5是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备的配置例子的等效电路的说明图。
图6是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备的等效负载电阻器RL’中产生的电压的例子的说明图。
图7是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备中当分压比变化时等效负载电阻器RL’中产生的电压的说明图。
图8是示出了根据本发明第二实施例的功率接收设备的配置例子的等效电路的说明图。
图9是示出了根据本发明第二实施例的功率接收设备中等效负载电阻器RL’中产生的电压的例子的说明图。
图10是相互比较地示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备的等效负载电阻器RL’中产生的电压和根据本发明第二实施例的功率接收设备的等效负载电阻器RL’中产生的电压的说明图。
图11是示出了根据本发明第二实施例的替选例子的功率接收设备的等效电路的说明图。
图12是示出了根据本发明第三实施例的功率接收设备的第一配置例子的等效电路的说明图。
图13是示出了根据本发明第三实施例的功率接收设备的第二配置例子的等效电路的说明图。
图14是示出了根据本发明第三实施例的功率接收设备的等效负载电阻器RL’中产生的电压的例子的说明图。
具体实施方式
下文将参照附图详细描述本发明的优选实施例。注意在本说明书和附图中，具有基本上相同功能和结构的结构单元用相同标号表示并且省略对这些结构单元的重复说明。
(功率传输系统的概况)
在描述根据本发明实施例的功率接收设备之前，下文描述根据本发明实施例的功率传输系统的概况。图1是示出了根据本发明实施例的功率传输系统的概况的说明图。
参照图1，根据本发明实施例的功率传输系统包括作为发送载波和供应电功率的功率发送设备的读取器/写入器100和作为接收载波和从载波获得电功率的功率接收设备的信息处理设备150。虽然功率发送设备(读取器/写入器)用来供应电功率的作为载波的介质通过举例说明在以下描述中是特定频率的磁场，但是根据本发明实施例的功率传输系统中的载波不限于此，并且它可以例如是电场。在这种情况下，例如平板电容器而不是线圈作为通信天线。图1中所示信息处理设备150的配置是用于说明功率传输系统的概况的例子，而根据本发明实施例的功率接收设备的配置随后加以描述。
[读取器/写入器100(功率发送设备)]
读取器/写入器100可以包括载波信号产生部分102、载波发送部分104、解调部分106和控制部分108。例如，读取器/写入器100连接到主机计算机120并且响应于来自主机计算机120的发送命令而发送载波信号。
读取器/写入器100还可以包括存储将由控制部分108使用的程序和控制数据如处理参数的只读存储器(ROM；未示出)、用以临时存储将由控制部分108执行的程序的随机存取存储器(RAM；未示出)、用以存储控制部分108中的处理结果和执行状态的寄存器(未示出)、用以对通信进行加密的加密电路(未示出)、用以存储将由读取器/写入器100使用的应用、数据等的存储部分(未示出)、用以与主机计算机120或者另一电路连接的接口(未示出)等。读取器/写入器100的这些单元可以通过作为数据传输线的总线来连接。存储部分(未示出)可以例如是磁存储介质如硬盘或者非易失性存储器如闪存，但是不限于此。接口可以例如是通用异步收发器(UART)或者网络终端，但是不限于此。
载波信号产生部分102从控制部分108接收载波信号产生命令并且根据载波信号产生命令来产生载波信号。虽然交流电源在图1中图示为载波信号产生部分102，但是根据本发明实施例的载波信号产生部分102不限于此，而它可以例如包括执行ASK调制的调制器(未示出)和放大调制器的输出的放大器(未示出)。由载波信号产生部分102产生的载波信号可以包含将由信息处理设备150处理的各种处理命令和数据，但是不限于此。例如，根据本发明实施例的载波信号可以是使载波发送部分104产生用于向信息处理设备150进行功率供应的载波的信号。
载波发送部分104包括具有预定电感的线圈(电感器)并且根据载波信号产生部分102所产生的载波信号来发送载波。另外，载波发送部分104可以从信息处理设备150接收响应信号。因此，载波发送部分104可以作为读取器/写入器100的通信天线。虽然载波发送部分104在图1的例子中由线圈形成，但是根据本发明实施例的载波发送部分104不限于此，而它还可以包括例如用以构成谐振电路的电容器。
解调部分106执行对载波发送部分104的天线端处电压的幅度变化的包络检测并且将检测的信号转换成二进制代码，由此解调例如来自信息处理设备150的响应信号。然而，在解调部分106中解调响应信号的方法不限于此。例如，可以使用载波发送部分104的天线端处电压的相位变化来解调响应信号。
控制部分108例如由微处理单元(MPU)等形成并且执行各种处理，比如将解调部分106解调的数据发送到主机计算机120以及基于解调部分106解调的数据来生成载波信号产生命令。
读取器/写入器100例如具有上述配置，由此发送载波。
[信息处理设备150(功率接收设备)]
信息处理设备150包括能够接收载波并且通过负载调制来发送响应信号的IC芯片152。信息处理设备150还可以包括由MPU等形成并且整体控制信息处理设备150的控制部分(未示出)、用以存储将在信息处理设备150中使用的应用、数据等的存储部分(未示出)等。存储部分(未示出)例如可以是磁存储介质如硬盘或者非易失性存储器如闪存，但是不限于此。
(IC芯片152的配置)
IC芯片152包括通信天线154、检测部分156、调压器158、滤波部分160、解调部分162、数据处理部分164和负载调制部分166。另外，IC芯片152可以包括存储将由数据处理部分164使用的程序和控制数据如处理参数的ROM 168、用以临时存储将由数据处理部分164执行的程序、处理结果、执行状态等的RAM 170、用以存储将由数据处理部分164使用的数据的存储部分172等。数据处理部分164、ROM 168、RAM 170和存储部分172可以通过作为数据传输线的总线来连接。存储部分172可以例如是非易失性存储器如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、磁阻随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FeRAM)或者相变随机存取存储器(PRAM)，但是不限于此。
通信天线154由包括具有预定电感的线圈(电感器)L和具有预定电容的电容器C的谐振电路形成，并且它根据载波的接收通过电磁感应来产生感应电压。通信天线154然后通过在预定谐振频率使感应电压谐振来输出接收电压。通信天线154中的谐振频率可以例如根据载波的频率如13.56MHz来设置。在这一配置中，通信天线154可以接收载波并且发送通过在负载调制部分166中执行的负载调制来获得的响应信号。
检测部分156对从通信天线154输出的接收电压进行整流。检测部分156可以包括二极管D和电容器C10，但是不限于此。
调压器158将接收电压平滑成恒定电压并且将驱动电压输出到数据处理部分164。调压器158可以使用接收电压的直流分量作为驱动电压。
滤波部分160可以由例如包括电容器C11和电阻器R10的高通滤波器形成，并且执行对接收电压的滤波。
解调部分162使用从滤波部分160输出的接收电压来执行解调，并且获取与载波中所含载波信号对应的数据。解调部分162可以获取接收电压的交流分量作为数据。
数据处理部分164使用从调压器158输出的驱动电压作为电源来处理由解调部分164解调的数据。数据处理部分164可以例如由MPU形成。
负载调制部分166例如包括负载Z和晶体管Tr，并且它可以根据数据处理部分164中的处理结果来执行负载调制。由于负载调制部分166中的负载调制，当从读取器/写入器100观察时信息处理设备150的阻抗发生变化。读取器/写入器100例如通过使用载波发送部分104的天线端处电压的幅度变化来检测阻抗变化，由此接收从信息处理设备150发送到读取器/写入器100的响应信号。
信息处理设备150例如具有上述配置，由此从读取器/写入器100发送的载波获得电功率并且执行数据处理等。
(功率传输系统中的功率传输效率问题)
如前文所述，可以通过从读取器/写入器100(功率发送设备)发送的载波获得电功率来驱动构成功率传输系统的信息处理设备150(功率接收设备)。下文描述功率传输系统中的电功率传输效率问题。
图2是示出了图1中所示IC芯片152的通信天线154部分的等效电路的说明图。图3A至3C是示出了图1中所示IC芯片152的等效电路的说明图。
(1)谐振电路(通信天线154)部分的等效电路
图2示出了作为谐振电路的通信天线154部分的等效电路。图2中的电阻器R是由导体、线圈L等形成的等效并联电阻器。如果线圈L是具有面积S的环形线圈，则在等效并联电阻器R中消耗的电功率可以用下面表达式1来表达。在表达式1中，V是环形线圈的开端电压，ω＝2πf(f是载波频率)，μo是真空导磁率，Ho是磁场强度，n是环形线圈的匝数，L是环形线圈的电感，并且Q＝R/ωL。
表达式1：
P = | V | 2 R
= | ( jωμ O · H O · S · n · Q ) | 2 R
= ω ( μ O · H O · S · n ) 2 · Q L
在理想绕组线圈中，电感L与匝数的平方成比例。因此，在通信天线154中消耗的电功率P不依赖于环形线圈的匝数，而它取决于载波频率f、磁场强度H或者环形线圈物理形状并且它与通信天线154的Q成比例。因此，当通信天线154的Q更高时，也就是说，当等效并联电阻器R的电阻更高时，在通信天线154中消耗的电功率P更大。
(2)整个功率接收侧(IC芯片152)的等效电路
图3A是通过等效并联电阻器RL来代表在检测部分156之后的各级单元的等效电路，而图3B是通过等效并联电阻器RL’来代表检测部分156和等效并联电阻器RL的等效电路。图3C是通过等效并联电阻器R’来代表等效并联电阻器R和等效并联电阻器RL’的等效电路。
如果将整体作为功率接收侧的IC芯片152视为如图3C中所示单个谐振电路，则如表达式1中表达的那样，当整个功率接收侧的Q更高时，也就是说，当等效并联电阻器R’的电阻更高时，在整个功率接收侧(IC芯片152)中消耗的电功率P变大。
另外，在IC芯片152中，例如如前所述在数据处理部分164中执行各种数据处理。因此，如果在图3B的等效并联电阻器RL’或者甚至图3A的等效并联电阻器RL中可以消耗更大电功率，则功率传输系统可以提高电功率传输效率。
然而，当功率接收侧(信息处理设备150中的IC芯片152)的电路变得更复杂并且以更高速度执行处理时，负载变得更重，使得在等效并联电阻器R的电阻与等效并联电阻器RL的电阻之间的关系变成“RL＜＜R”。因此，即使谐振电路(通信天线154)部分的Q可以设置得更高，但仍然是图3A中所示等效并联电阻器RL支配整个功率接收侧(IC芯片)152的Q。
因而，信息处理设备150(功率接收设备)例如无法增加图3A的等效并联电阻器RL中的功率消耗，因此功率传输系统无法充分提高电功率传输效率。
(用以解决根据本发明实施例的功率接收设备中的问题的方案)
为了解决上述功率传输系统中的功率传输效率问题，根据本发明实施例的功率接收设备例如执行在图3B的等效并联电阻器R与等效并联电阻器RL’之间从高阻抗转换到低阻抗的阻抗转换。与没有执行阻抗转换的情况相比，通过执行阻抗转换，从谐振电路观察的阻抗在功率接收设备中没有减小而整个功率接收侧的Q可以保持为高。功率接收设备由此可以在作为用以执行各种处理的部分的图3B等效并联电阻器RL’中使用更高电功率，由此提高功率传输系统中的电功率传输效率。
(根据第一实施例的功率接收设备)
下文描述以用以解决问题的上述方案为基础的根据本发明第一实施例的功率接收设备。图4是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备250的框图。
图4也示出了根据本发明实施例的用于发送载波的功率发送设备200。功率发送设备200可以具有与图1中所示读取器/写入器100类似的配置，并且它可以例如包括载波信号产生部分202和载波发送部分204。功率发送设备200还可以包括由MUP等形成的控制部分(未示出)、存储将由控制部分使用的控制数据如程序和处理参数的ROM(未示出)、用以临时存储将由控制部分执行的程序等的RAM(未示出)、用以存储将在功率发送设备200中使用的应用、数据等的存储部分(未示出)等。
功率接收设备250可以包括载波接收电路252(载波接收部分)、阻抗转换电路254(阻抗转换部分)和处理电路256(处理部分)。虽然图4中未示出，但是根据本发明第一实施例的载波接收电路252、阻抗转换电路254和处理电路256可以由IC芯片实施。
载波接收电路252接收从功率发送设备200发送的载波并且根据载波来产生感应电压。载波接收电路252可以至少包括未配备中间抽头的通信天线，并且它例如通过通信天线中的电磁感应来产生感应电压。
阻抗转换电路254转换载波接收电路252与处理电路256之间的阻抗。阻抗转换电路254例如可以将载波接收电路252与处理电路256之间的阻抗从高阻抗转换成低阻抗。另外，阻抗转换电路254可以匹配载波接收电路252与处理电路256之间的阻抗。
处理电路256可以基于感应电压来产生驱动电压，并且基于感应电压来解调从功率发送设备200发送的载波信号。另外，处理电路256通过使用所产生的驱动电压作为电源来执行数据处理。处理电路256可以包括图1中所示的检测部分156、调压器158、滤波部分160、解调部分162、数据处理部分164和负载调制部分166，但是不限于此。
[功率接收设备250的配置例子]
图5是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备250的配置例子的等效电路的说明图。图5也示出了发送载波的功率发送设备200。
参照图5，功率接收设备250的载波接收电路252、阻抗转换电路254和处理电路256分别具有以下配置。
(载波接收电路252)
载波接收电路252由未配备中间抽头的具有预定电感的电感器L(通信天线)形成。
(阻抗转换电路254)
阻抗转换电路254包括串联连接的电容器C1和C2。电感器L以及电容器C1和C2构成谐振电路。
(处理电路256)
处理电路256对应于等效并联电阻器RL’(与图3B的RL’相同)。
载波接收电路252和阻抗转换电路254构成谐振电路。阻抗转换电路254包括电容器C1和C2，这些电容器串联连接以便对通过使谐振电路中的电感器L所产生的感应电压谐振而产生的接收电压进行分压，由此执行阻抗转换。例如，如果电容器C1和C2的电容分别是“C1＝k/(k-1)×C”和“C2＝k×C”(其中k＞1)，则电容器C1和C2的组合电容是C。因而，接收电压由串联连接的电容器C1和C2以1/k倍进行分压。电容器C1和C2可以由具有可变电容的电容器形成，但是不限于此。
图6是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备250的等效负载电阻器RL’中产生的电压例子的说明图。在图6中，纵轴表示在没有执行阻抗转换的情况下(图3B)和在以k＝2执行电容分压情况下(图5)在等效负载电阻器RL’中产生的电压，而横轴表示载波的频率。图6例如示出了谐振电路的Q值是1000并且等效负载电阻器R与等效负载电阻器RL’之比是85的情况。
参照图6，在比较没有执行阻抗转换的情况(图3B)与以k＝2执行电容分压的情况时，虽然谐振频率出现略微偏差，但是在等效负载电阻器RL’中产生的电压因执行阻抗转换而变大。因此，功率接收设备250可以通过执行阻抗转换而在等效负载电阻器RL’(处理电路256)中消耗更大电功率，使得功率传输系统中的电功率传输效率与没有执行阻抗转换的情况相比得到提高。
图7是示出了根据本发明第一实施例的功率接收设备250中当分压比变化时等效负载电阻器RL’中产生的电压的说明图。
参照图7，在等效负载电阻器RL’中产生的电压在k＝8至10时最大，而如果k＝8至10的情况与图6中所示的没有执行阻抗转换(图3B)的情况相比，在等效负载电阻器RL’中产生的电压约为4.5倍而电功率传输效率约为20倍。用于匹配载波接收电路252与处理电路256之间阻抗的条件可以用以下表达式2来近似表达。
表达式2：
k2＝R/RL’
如果导出图7波形的R和RL’条件被代入表达式2中，则k≈√(85)＝9.2，使得在等效负载电阻器RL’中产生的电压如图7中所示在k＝8至10时最大。
如果在等效负载电阻器RL’中产生的电压例如变为4.5倍，则在功率传输系统中有可能使用载波传输功率的距离(下文称为工作距离)与没有执行阻抗转换的情况相比至少为1.65倍(4.5的立方根)。另外，如果作为功率发送设备200的通信天线的线圈(电感器)的尺寸例如与在没有执行阻抗转换的情况下的工作距离相同或者更大，则磁场强度相对于距离的衰减减小，使得工作距离的增加变得更显著。
如前文所述，根据本发明第一实施例的功率接收设备250包括转换载波接收电路252与处理电路256之间的阻抗的阻抗转换电路254。载波接收电路252包括未配备中间抽头的电感器L，阻抗转换电路254包括串联连接的电容器C1和C2。载波接收电路252和阻抗转换电路254构成谐振电路。功率接收设备250通过对从谐振电路输出的接收电压的电容分压来执行阻抗转换，使得可以在处理电路256中消耗的电功率与没有执行阻抗转换的情况相比更大。因而，功率接收设备250可以在无电池的配置中实施在没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中由于功率消耗的限制而未在无电池的配置中实施的功能。此外，功率接收设备250可以允许工作距离比没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中的工作距离更长，由此例如稳定在功率发送设备与功率接收设备之间的通信。
另外，功率接收设备250可以例如通过用具有可变电容的电容器形成阻抗转换电路254来调节阻抗转换。因此，功率接收设备250可以通过调节阻抗转换来调节在载波接收电路252与处理电路256之间的阻抗匹配，使得阻抗匹配不是如同在使用中间抽头或者耦合线圈来执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中那样固定于特定情况。
另外，与使用中间抽头或者耦合线圈来执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备不同，由于在功率接收设备250中构成载波接收电路252的电感器L没有配备中间抽头，所以没有中间抽头的引线或者耦合线圈的设置来构成对封装的限制。
(根据第二实施例的功率接收设备)
根据上述第一实施例的功率接收设备250借助阻抗转换电路中的电容分压来执行阻抗转换。然而，根据本发明实施例的阻抗转换方法不限于使用电容分压。下文描述执行与根据第一实施例的功率接收设备250不同的阻抗转换方法的根据第二实施例的功率接收设备。
[功率接收设备350的配置例子]
图8是示出了根据本发明第二实施例的功率接收设备350的配置例子的等效电路的说明图。图8也示出了发送载波的功率发送设备200。
与第一实施例的功率接收设备250相似，功率接收设备350包括载波接收电路352、阻抗转换电路354和处理电路356。参照图8，载波接收电路352、阻抗转换电路354和处理电路356分别具有以下配置。
(载波接收电路352)
载波接收电路352由谐振电路形成，该谐振电路包括未配备中间抽头的具有预定电感的电感器L(通信天线)和具有预定电容的电容器。
(阻抗转换电路354)
阻抗转换电路354由变压器(例如初级侧∶次级侧＝4∶1)形成。
处理电路(356)
处理电路356对应于等效并联电阻器RL’(与图3B的RL’相同)。
图9是示出了根据本发明第二实施例的功率接收设备350的等效并联电阻器RL’中产生的电压的例子的说明图。在图9中，纵轴表示在没有执行阻抗转换的情况下(图3B)和在使用阻抗转换比为4∶1的变压器来执行阻抗转换的情况下(图8)在等效负载电阻器RL’中产生的电压，而横轴表示载波频率。图9例如示出了谐振电路的Q值是1000且等效负载电阻器R与等效负载电阻器RL’之比是85的情况。
如果等效负载电阻器R与等效负载电阻器RL’之比充分高于阻抗转换比，则在等效并联电阻器RL’中产生的电压近似为阻抗转换比的平方根。参照图9，在没有执行阻抗转换的情况(图3B)与通过变压器来执行阻抗转换的情况(图8)之间的峰值之比近似为阻抗转换比的平方根。由于在等效并联电阻器RL’中消耗的电功率是所产生电压的平方，所以从功率发送设备200到功率接收设备350的电功率传输效率是没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备的电功率传输效率的约4倍。
另外，如果在等效并联电阻器RL’中产生的电压例如加倍，则在功率传输系统中的工作距离与没有执行阻抗转换的情况相比增加为至少1.26(2的立方根)倍。另外，如果作为功率发送设备200的通信天线的线圈(电感器)的尺寸例如与在没有执行阻抗转换的情况下的工作距离相同或者更大，则磁场强度相对于距离的衰减减小，使得工作距离的增加变得更显著。
图10是相互比较地示出了根据第一实施例的功率接收设备250的等效负载电阻器RL’中产生的电压和根据第二实施例的功率接收设备350的等效负载电阻器RL’中产生的电压的说明图。
参照图10，在通过电容分压来执行阻抗转换的根据第一实施例的功率接收设备250和通过变压器来执行阻抗转换的根据第二实施例的功率接收设备350中，虽然谐振频率出现略微偏差，但是在等效负载电阻器RL’中产生的电压的峰值基本上相同。因此，虽然阻抗转换方法不同，但是功率接收设备350具有与第一实施例的功率接收设备250相同的优点。
如前文所述，根据本发明第二实施例的功率接收设备350包括转换载波接收电路352与处理电路356之间的阻抗的阻抗转换电路354。载波接收电路352包括未配备中间抽头的电感器L和具有预定电容的电容器C，并且它们构成谐振电路。阻抗转换电路354由变压器形成。功率接收设备350使用变压器执行对从谐振电路输出的接收电压的阻抗转换，使得可以在处理电路356中消耗的电功率与没有执行阻抗转换的情况相比更大。因而，功率接收设备350可以在无电池的配置中实施在没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中由于功率消耗的限制而未在无电池的配置中实施的功能。另外，功率接收设备350允许工作距离比没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中的工作距离更长，由此例如稳定在功率发送设备与功率接收设备之间的通信。
另外，对于同一尺寸，可以在大的变化范围内选择在构成功率接收设备350的阻抗转换电路354的变压器中的电路常数。这有助于按照处理电路356(即等效负载电阻器RL’的值)的阻抗转换。
另外，与使用中间抽头或者耦合线圈来执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备不同，在功率接收设备350中，构成载波接收电路352的电感器L未配备中间抽头，使得没有中间抽头的引线或者耦合线圈的设置来构成对封装的限制。
[根据第二实施例的功率接收设备的可替选例子]
图11是示出了根据本发明第二实施例的可替选例子的功率接收设备450的等效电路的说明图。与功率接收设备350相似，功率接收设备450包括载波接收电路452、阻抗转换电路454和处理电路456。
图11中所示的阻抗转换电路454是图8中所示的阻抗转换电路354的变压器的等效电路，其中电感器配备有抽头。如果图8中所示变压器的匝数比是L1∶L2＝n∶1，则抽头被设置为满足L2＝L2’和L1＝(1+n)2×L2’的关系，使得阻抗转换电路454等效于阻抗转换电路354并且阻抗是n2∶1。
因而，根据第二实施例的功率接收设备不一定具有图8中所示功率接收设备350的配置，并且例如可以在图11中所示的功率接收设备450的配置中执行阻抗转换。
(第三实施例)
上述第一实施例的功率接收设备250具有以下配置，即阻抗转换电路执行电容分压以由此执行阻抗转换，并且第二实施例的功率接收设备350具有以下配置，即阻抗转换电路使用变压器来执行阻抗转换。然而，根据本发明实施例的阻抗转换方法不限于使用电容分压或者变压器。下文描述执行与根据第一和第二实施例的功率接收设备不同的阻抗转换方法的根据第三实施例的功率接收设备。
[第一配置例子：功率接收设备550的配置例子]
图12是示出了根据本发明第三实施例的功率接收设备的第一配置例子的等效电路的说明图。图12也示出了发送载波的功率发送设备200。
与第一实施例的功率接收设备250相似，功率接收设备550包括载波接收电路552、阻抗转换电路554和处理电路556。参照图12，载波接收电路552、阻抗转换电路554和处理电路556分别具有以下配置。
(载波接收电路552)
载波接收电路552由谐振电路形成，该谐振电路包括未配备中间抽头的具有预定电感的电感器L(通信天线)和具有预定电容的电容器。
(阻抗转换电路554)
阻抗转换电路554由与等效负载电阻器RL’串联连接的电感器形成。
(处理电路556)
处理电路556对应于等效并联电阻器RL’(与图3B的RL’相同)。
阻抗转换电路554通过使用电感器L3对从谐振电路输出的接收电压进行分压来执行阻抗转换。功率接收设备550将构成阻抗转换电路554的电感器L3的电感L3设置为以下表达式3中所示的值，由此将从谐振电路输出的接收电压分压成1/m(其中m＞1)。m表示分压比，并且R’表示等效负载电阻器R’(图3C)的电阻。
表达式3：
L 3 = ( m 2 - 1 ) · R ′ / ω
构成阻抗转换电路554的电感器L3置于不与构成谐振电路的电感器L耦合的位置，并且电感器L3的电感被设置为例如充分大于构成谐振电路的电感器L的电感的值。
在具有图12中所示配置的功率接收设备550中，构成阻抗转换电路554的电感器L3可以执行阻抗转换而不受谐振电路中的谐振所影响，并且可以容易地进行用于获得期望阻抗转换比的调节。
[第二配置例子：功率接收设备650的配置例子]
虽然图12中所示的根据第三实施例的功率接收设备的第一配置例子示出了阻抗转换电路由电感器形成的情况，但是根据第三实施例的功率接收设备不限于此。图13是示出了根据本发明第三实施例的功率接收设备的第二配置例子的等效电路的说明图。图13也示出了发送载波的功率发送设备200。
与第一配置例子的功率接收设备550相似，功率接收设备650包括载波接收电路652、阻抗转换电路654和处理电路656。参照图13，载波接收电路652、阻抗转换电路654和处理电路656分别具有以下配置。
(载波接收电路652)
载波接收电路652由谐振电路形成，该谐振电路包括未配备中间抽头的具有预定电感的电感器L(通信天线)和具有预定电容的电容器。
(阻抗转换电路654)
阻抗转换电路654由与等效负载电阻器RL’串联连接的电容器C3形成。
(处理电路656)
处理电路656对应于等效并联电阻器RL’(与图3B的RL’相同)。
阻抗转换电路654通过使用电容器C3对从谐振电路输出的接收电压进行分压来执行阻抗转换。功率接收设备650将构成阻抗转换电路654的电容器C3的电容C3设置为以下表达式4中所示的值，由此将从谐振电路输出的接收电压分压为1/m(其中m＞1)。m表示分压比，并且R’表示等效负载电阻器R’(图3C)的电阻。
表达式4：
C 3 = 1 / ( ( m 2 - 1 ) · R ′ · ω )
构成阻抗转换电路654的电容器C3的电容被设置为例如充分小于构成谐振电路的电容器C的电容的值。在具有图13中所示配置的功率接收设备650中，构成阻抗转换电路654的电容器C3可以执行阻抗转换而不受谐振电路中的谐振所影响，并且可以容易地进行用于获得期望阻抗转换比的调节。
图14是示出了根据本发明第三实施例的功率接收设备的等效负载电阻器RL’中产生的电压的例子的说明图。在图14中，纵轴分别表示在没有执行阻抗转换的情况下(图3B)、在使用变压器(4∶1)来执行阻抗转换的情况下(图8)、在通过使用电感器以1/m(m＝2)进行分压来执行阻抗转换的情况下(图12)和在使用电容器以1/m(m＝2)进行分压来执行阻抗转换的情况下(图13)在等效负载电阻器RL’中产生的电压，而横轴表示载波频率。图14例如示出了谐振电路的Q值是1000且等效负载电阻器R与等效负载电阻器RL’之比是85的情况。
参照图14，虽然谐振频率出现略微偏差，但是在等效负载电阻器RL’中产生的电压的峰值在使用变压器的阻抗转换(第二实施例的功率接收设备)、通过添加电感器的阻抗转换(第三实施例的功率接收设备的第一例子)、通过添加电容器的阻抗转换(第三实施例的功率接收设备的第二例子)这些情况之间基本上相同。因此，虽然阻抗转换方法不同，但是根据第三实施例的功率接收设备具有与第二实施例的功率接收设备350相同的优点。例如，可以通过调节构成谐振电路(载波接收电路652)的电感器的电感或者电容器的电容来补偿如图14中所示的谐振频率偏差。
如前文所述，根据本发明第三实施例的功率接收设备550和650包括转换载波接收电路与处理电路之间的阻抗的阻抗转换电路。载波接收电路包括构成谐振电路的未配备中间抽头的电感器L和具有预定电容的电容器C。功率接收设备550的阻抗转换电路554由电感器形成，并且对从谐振电路输出的接收电压进行分压，而功率接收设备650的阻抗转换电路654由电容器形成，并且对从谐振电路输出的接收电压进行分压。功率接收设备550和650分别通过使用电感器或者电容器对从谐振电路输出的接收电压进行分压来执行阻抗转换，使得可以在处理电路中消耗的电功率与没有执行阻抗转换的情况相比更大。因而，功率接收设备550和650可以在无电池的配置中实施在没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中由于功率消耗的限制而未在无电池的配置中实施的功能。另外，功率接收设备550和650允许工作距离比没有执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中的工作距离更长，由此例如稳定在功率发送设备与功率接收设备之间的通信。
另外，功率接收设备550和650可以例如通过用具有可变电感的电感器或者具有可变电容的电容器形成阻抗转换电路来调节阻抗转换。因此，功率接收设备550和650可以通过调节阻抗转换来调节载波接收电路与处理电路之间的阻抗匹配，使得阻抗匹配不是如同使用中间抽头或者耦合线圈来执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备中那样固定于特定情况。
另外，与使用中间抽头或者耦合线圈来执行阻抗转换的相关技术的功率接收设备不同，由于构成载波接收电路的电感器L在功率接收设备550和650中未配备中间抽头，所以没有中间抽头的引线或者耦合线圈的设置来构成对封装的限制。
虽然使用功率发送设备200作为构成根据本发明实施例的功率传输系统的单元的例子，但是本发明的实施例不限于此。例如，它们可以应用于便携式通信设备，比如读取器/写入器和具有读取器/写入器功能(即，有源发送载波的功能)的蜂窝电话、具有读取器/写入器功能的计算机如超级移动个人计算机(UMPC)等。
另外，虽然使用功率接收设备250、350等作为构成根据本发明实施例的功率传输系统的单元的例子，但是本发明的实施例不限于此。例如，它们可以应用于便携式通信设备，比如RFID标签、IC卡、配备有IC芯片的蜂窝电话、配备有IC芯片的计算机如个人计算机(PC)等。
本领域技术人员应当理解，在所附权利要求或其等同物的范围内，根据设计要求和其它因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更。
例如，虽然图5中所示的根据第一实施例的功率接收设备250具有以下配置，即阻抗转换电路包括两个电容器并且执行对从谐振电路输出的接收电压的电容分压，但是本发明的实施例不限于此。例如，根据第一实施例的功率接收设备可以具有三个电容器作为阻抗转换电路以便执行对从谐振电路输出的接收电压的电容分压。
上述配置仅说明本发明实施例的一个例子、因此被囊括于本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种功率接收设备，能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从所接收的载波获得电功率，包括：
载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收所述载波并且产生与所述载波对应的感应电压；
处理部分，用以基于所述感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及
阻抗转换部分，用以转换所述载波接收部分与所述处理部分之间的阻抗，
其中：
所述阻抗转换部分包括各自具有预定电容并且相互串联连接的第一电容器和第二电容器，
所述通信天线、所述第一电容器和所述第二电容器构成谐振电路，以及
所述阻抗转换部分对在所述谐振电路中产生的感应电压进行分压。
2.根据权利要求1所述的功率接收设备，其中：
所述阻抗转换部分匹配所述载波接收部分的输出阻抗和所述处理部分的输入阻抗。
3.一种功率接收设备，能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从所接收的载波获得电功率，包括：
载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收所述载波并且产生与所述载波对应的感应电压；
处理部分，用以基于所述感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及
阻抗转换部分，用以转换所述载波接收部分与所述处理部分之间的阻抗，
其中：
所述载波接收部分还包括用以构成谐振电路的具有预定电容的第三电容器，以及
所述阻抗转换部分包括变压器，所述变压器的初级侧和次级侧的匝数比为4∶1。
4.根据权利要求3所述的功率接收设备，其中：
所述阻抗转换部分匹配所述载波接收部分的输出阻抗和所述处理部分的输入阻抗。
5.一种功率接收设备，能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从所接收的载波获得电功率，包括：
载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收所述载波并且产生与所述载波对应的感应电压；
处理部分，用以基于所述感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及
阻抗转换部分，用以转换所述载波接收部分与所述处理部分之间的阻抗，
其中：
所述载波接收部分还包括用以构成谐振电路的具有预定电容的第四电容器，以及
所述阻抗转换部分包括具有预定电感并且与所述处理部分串联连接的电感器并且对在所述谐振电路中产生的感应电压进行分压。
6.根据权利要求5所述的功率接收设备，其中：
所述阻抗转换部分匹配所述载波接收部分的输出阻抗和所述处理部分的输入阻抗。
7.一种功率接收设备，能够无接触地接收从功率发送设备发送的载波并且从所接收的载波获得电功率，包括：
载波接收部分，至少包括具有预定电感并且未构成耦合线圈的通信天线，用以接收所述载波并且产生与所述载波对应的感应电压；
处理部分，用以基于所述感应电压来产生驱动电压并且使用所产生的驱动电压来执行数据处理；以及
阻抗转换部分，用以转换所述载波接收部分与所述处理部分之间的阻抗，
其中：
所述载波接收部分还包括用以构成谐振电路的具有预定电容的第五电容器，以及
所述阻抗转换部分包括具有预定电容并且与所述处理部分串联连接的第六电容器并且对在所述谐振电路中产生的感应电压进行分压。
8.根据权利要求7所述的功率接收设备，其中：
所述阻抗转换部分匹配所述载波接收部分的输出阻抗和所述处理部分的输入阻抗。
9.一种功率传输系统，包括用以发送载波的功率发送设备和能够无接触地接收从所述功率发送设备发送的所述载波并且从所接收的载波获得电功率的功率接收设备，
所述功率发送设备包括：
载波信号产生部分，用以产生载波信号；以及
载波发送部分，用以发送与所述载波信号对应的载波，以及
所述功率接收设备为根据权利要求1至8中任一项所述的功率接收设备。
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