CN106208411A - 馈电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及馈电系统，在馈电系统的受电电路中防止向负载施加过电压。具备具有馈电线圈的馈电装置和具有受电线圈的受电装置，在谐振电路处于谐振状态时，受电线圈所产生的电压的峰的电压值被设定为比规定的电压值高，在谐振电路处于非谐振状态时，受电线圈所产生的电压的峰的电压值被设定为比规定的电压值低。

Description

馈电系统
技术领域
本发明涉及馈电系统。
背景技术
近年来，已知有一种馈电系统，其利用馈电线圈与受电线圈之间的电磁感应或电磁耦合，以无线方式供给电力(例如，参照专利文献1)。例如，为了对移动电话或PDA(Personal Digital Assistant：个人数字助手)等电子设备所具备的电池进行充电，使用这样的馈电系统。
在馈电系统中，将馈电装置所具备的馈电线圈与受电装置所具备的受电线圈相对地配置，并使电流流过馈电线圈，从而使受电线圈产生感应电流，由此能够向受电装置供给电力。
专利文献1：日本特开2014－131440号公报
发明内容
然而，通过在专利文献1中所示那样的利用电磁感应从馈电线圈向受电线圈馈送电力的馈电系统，例如对充电电池充电的情况下，当完成充电的时候、即在负载变轻的状态下，有时产生对充电电池施加过电压的问题。
为了解决上述课题，本发明的馈电系统具备馈电装置和受电装置，从所述馈电装置向所述受电装置馈送电力，所述馈电系统的特征在于，所述馈电装置具备馈电线圈，所述受电装置具备：谐振电路，该谐振电路具有受电线圈、谐振电容器和开关元件，其中，所述受电线圈被从所述馈电线圈馈电，所述谐振电容器与所述受电线圈发生谐振，所述开关元件对所述谐振电容器的电连接状态进行变更，来控制谐振状态；整流电路，其对所述谐振电路所产生的交流输出电压进行整流和平滑，得到直流电；以及负载，其被供给由所述整流电路得到的直流电，在所述谐振电路处于谐振状态时，所述受电线圈所产生的电压的峰的电压值被设定为比规定的电压值高，在所述谐振电路处于非谐振状态时，所述受电线圈所产生的电压的峰的电压值被设定为比所述规定的电压值低。
根据本发明，在非谐振状态时，受电线圈所产生的电压的峰值被设定为比规定的电压值低，因此，能够防止向负载施加过电压。
附图说明
图1是用于说明在向馈电线圈施加了电压时受电线圈所产生的电压的极性的图。
图2是示出参考例的馈电系统的框图。
图3是用于说明第1实施方式中的馈电装置的馈电线圈所产生的电压波形的图。
图4是用于说明移除了图2中的馈电装置的馈电线圈和整流二极管时的受电线圈所产生的电压波形的图。
图5是用于说明图2中的馈电装置的受电线圈所产生的电压波形的图。
图6是示出本发明实施方式的馈电系统的一例的框图。
图7是用于说明移除了图6中的馈电装置的馈电线圈和整流二极管时的受电线圈所产生的电压波形的图。
图8是用于说明图6中的馈电装置的受电线圈所产生的电压波形的图。
标号说明
1：馈电装置；2：受电装置；3：直流电源；4：开关；5、26：负载；10、20：谐振电路；11：馈电线圈；12、22：谐振电容器；13：驱动晶体管；14：振荡电路；21：受电线圈；23：谐振控制晶体管；24：整流二极管；25：平滑电容器；27、28：电阻；60：谐振控制部；64：比较器；65：基准电源；100、200：馈电系统。
具体实施方式
在对本发明的实施方式进行说明之前，首先对本发明人想到本发明的原委进行说明。
图1示出了在使卷绕成相同方向的馈电线圈11与受电线圈21的中心轴重合而向馈电线圈11施加直流的情况下的受电线圈21处出现的感应电流的方向。
对馈电线圈11串联地连接有直流电源3和开关4。对受电线圈21连接有负载5。
在连接了开关4时，向馈电线圈11的端子a1、b1施加直流，而电流从馈电线圈11的端子a1向端子b1、即沿着i1的方向流过。此时，受电线圈21受到所产生的磁场而在受电线圈21中电流沿着i2的方向流过。对a2、b2连接有负载电阻，但在该情况下，在a2产生正极的电压，在b2产生负极的电压。
图2是示出参考例的馈电系统200的框图，示出了本发明人设计的馈电系统200的电路结构。
馈电系统200具备馈电装置1和受电装置2。
馈电系统200是从馈电装置1向受电装置2以无线(非接触)的方式供给电力的系统，向受电装置2所具备的负载26供给从馈电装置1向受电装置2供给的电力。受电装置2例如为移动电话终端或PDA等电子设备，馈电装置1例如为与受电装置2对应的充电器。
馈电装置1具备馈电线圈11、谐振电容器12、驱动晶体管13和振荡电路14。
关于馈电线圈11，端子a1与电源VCC连接，端子b1与节点N1连接。馈电线圈11例如为利用电磁感应或电磁耦合向受电装置所具备的受电线圈21供给电力的线圈。
谐振电容器12是与馈电线圈11并联地连接且与馈电线圈11发生谐振的电容器。这里，馈电线圈11和谐振电容器12构成谐振电路10。谐振电路10以通过馈电线圈11的电感值和谐振电容器12的电容值确定的规定的谐振频率(例如，100kHz)发生谐振。
驱动晶体管13与谐振电路10串联地连接。在本实施方式中，作为一例，对驱动晶体管13为NMOS晶体管的情况进行说明。
关于驱动晶体管13，源极端子被接地至电源GND，栅极端子与振荡电路14的输出信号线(节点N2)连接，漏极端子与节点N1连接。振荡电路14输出以规定的周期重复H状态和L状态的控制信号。驱动晶体管13根据振荡电路14的输出，周期性地重复ON状态(导通状态)和OFF状态(非导通状态)。由此，馈电线圈11产生周期性的信号，从馈电线圈11利用电磁感应向受电线圈21馈电。
受电装置2具备受电线圈21、谐振电容器22、谐振控制晶体管23、整流二极管(整流电路)24、平滑电容器25、负载26和谐振控制部60。
关于受电线圈21，端子a2与节点N5连接，端子b2与电源GND1连接。受电线圈21例如为利用电磁感应或电磁耦合从馈电装置1所具备的馈电线圈11被供给电力的线圈。与图1所示的馈电线圈11及受电线圈21同样，受电线圈21在向受电装置的负载26供给电力时，以卷绕方向与馈电线圈11相同的方式相对地配置。
谐振电容器22是与受电线圈21并联地连接且与受电线圈21发生谐振的电容器。谐振电容器22连接于节点N5与节点N6之间。这里，受电线圈21和谐振电容器22构成谐振电路20。谐振电路20以通过受电线圈21的电感值和谐振电容器22的电容值确定的规定的谐振频率(例如，100kHz)发生谐振。此外，在本实施方式中，受电装置2的谐振频率与馈电装置1的谐振频率相等，例如为100kHz。
谐振电路20还具备与谐振电容器22串联地连接的谐振控制晶体管23(开关元件)，谐振控制晶体管23和谐振电容器22一起与受电线圈21并联地连接。谐振控制晶体管23例如为NMOS晶体管，源极端子与电源GND1连接，漏极端子与节点N6连接。另外，谐振控制晶体管23的栅极端子与来自后述的谐振控制部60的输出信号线连接。谐振控制晶体管23通过谐振控制部60而成为ON状态，由此谐振电容器22发挥功能，使谐振电路20发生谐振。另外，谐振控制晶体管23通过谐振控制部60而成为OFF状态，由此谐振电容器22被电切断，停止谐振电路20的谐振。
关于整流二极管24(整流电路)，阳极端子与作为受电线圈21的一端的节点N5连接，阴极端子与作为平滑电容器25的一端的节点N7连接。整流二极管24对受电线圈21接收的电力进行整流而转换成直流电。即，整流二极管24将受电线圈21所产生的交流电(交流电压)转换成直流电(直流电压)。
平滑电容器25对由整流二极管24转换后的直流电进行平滑化。
另外，平滑电容器25与负载26并联地连接。
谐振控制部60通过控制谐振控制晶体管23来控制谐振电路20的谐振状态，谐振控制部60根据对受电线圈21接收的电力进行整流后的直流电压，控制谐振控制晶体管23。谐振控制部60具备电阻27、28、比较器64和基准电源65。关于比较器64，+输入端子与基准电源65连接，－输入端子与节点N8连接。
电阻27的一端与节点N7连接，比较器64对由电阻27及电阻28将节点N7的电压分压到节点N8的电压与基准电源65的输出电压进行比较，在转换后的电压在基准电源65的输出电压以上的情况下，使谐振控制晶体管23成为OFF状态。
具体而言，在由电阻27及电阻28分压后的节点N8的电压比规定的阈值电压低的情况下，比较器64向输出端子输出H状态。另外，在由电阻27及电阻28分压后的节点N8的电压在规定的阈值电压以上的情况下，比较器64向输出端子输出L状态。
这样，谐振控制部60根据节点N7的整流后的电压，控制谐振控制晶体管23，改变谐振电路20的谐振状态。
通过这样的方式，构成在节点N7处可得到恒压化后的输出的受电电路。
基准电源65是输出与规定的阈值电压对应的规定的阈值电压的恒压源，通过基准电源65及电阻27、28的结构，决定节点N7的恒压值。
图3示出了图2的馈电装置1中的馈电线圈11的端子b1的电压的特性。
如之前说明那样，振荡电路14输出以规定的周期使驱动晶体管13处于ON状态(导通状态)和OFF状态(非导通状态)的控制信号，因此，在由馈电线圈11和谐振电容器12构成的谐振电路10中，在驱动晶体管13处于ON状态时，电源电流流过馈电线圈11，而向谐振电容器12施加电源电压。此时，馈电线圈11的端子b1成为大致GND电位。
在驱动晶体管13处于OFF状态时，由馈电线圈11和谐振电容器12构成的谐振电路10成为振荡状态，在馈电线圈11的端子b1中，如描绘弧形那样在正极产生电压。
振荡电路14以规定的周期重复输出，因此，由馈电线圈11和谐振电容器12构成的谐振电路10进行来自电源的电力的供给和振荡状态的重复，因此在馈电线圈11的端子b1处可观测如图3所示的重复波形。
振荡电路14的ON和OFF的周期可以是基于预先设定的时间的周期，也可以是基于在馈电线圈11的端子b1的电压在正极描绘弧形且再次回到0V的定时成为ON那样的计时器动作或0V开关等的周期。
图4示出了在图2的馈电系统200中在馈电线圈11和受电线圈21处出现的电压。不过，为了容易理解说明，图4示出了移除图2的受电装置2的整流二极管24而将受电线圈21的端子a2的电压(节点N5的电压)作为受电线圈21的电压来观测的结果。
在馈电线圈11中产生与图3同样的周期波形。此时，在受电线圈21处出现正负的电压。
在图2的受电装置21的谐振电路20中，在谐振控制晶体管23变为OFF而从受电线圈断开谐振电容器22的“非谐振状态”下，受电线圈21的电压波形成为具有与馈电线圈11的电压波形相似的形状的、正负的峰电压为81a－82a的小振幅。在正侧出现如描绘弧形的波形，在负侧出现峰部分具有平坦的部分的波形。
在受电装置21的谐振电路20中，在谐振控制晶体管23成为ON而谐振电容器22与受电线圈21连接的“谐振状态”下，受电线圈21的电压波形成为受电线圈的端子a2的正负的峰电压为83a－84a的大振幅。在谐振状态下，受电线圈21的电压波形在正负侧描绘弧形。
此外，在“谐振状态”下，馈电线圈11的电压与受电线圈21的电压的相位存在偏差。这是因为，由于受电线圈21与谐振电容器22连接而引起相位旋转。
图5示出了在将受电装置2的整流二极管24如图2那样连接的状态下使馈电系统200进行动作时、对在受电线圈21的端子a2处出现的电压进行测量的结果，图5捕捉了受电电路2的谐振电路20从“谐振状态”向“非谐振状态”转移的情形。
图5的A及B的部分是受电装置2的负载26的电压下降且谐振控制部60感测到节点N7的电压低于+5V的情况而将谐振控制晶体管23设为ON的期间的受电线圈21的峰电压部分，谐振电路20处于“谐振状态”。
在处于“谐振状态”时，应当描绘弧形的受电线圈21的峰部分倒塌的原因如下：平滑电容器25维持大致+5V的电压，因此要超过整流二极管25的正向电压部分的电流流入平滑电容器25，因而，受电线圈21的峰电压被限制为输出电压(+5V)与整流二极管的正向电压之和。
图5的C、D及E的部分是受电装置2的负载26的电压上升且谐振控制部60感测到节点N7的电压高于+5V的情况而将谐振控制晶体管23设为OFF的期间的受电线圈21的峰电压部分，谐振电路20处于“非谐振状态”。
判明了如下情况：在“非谐振状态”下，受电线圈21的峰电压应当如图5的D所示那样低于+5V，但是，却发生如图5的C及E所示那样高于+5V的情况。
在这样的情况下，产生如下问题：即使是非谐振状态，也继续向负载26供给电力，因此，在负载变轻的状态下，负载的两端电压变得比目标值高。
此外，在“非谐振状态”下，与“谐振状态”同样，受电线圈21的峰电压也被限制为平滑电容器25与整流二极管24的电压之和，因此，在图5的C及图5的E中，峰电压部分倒塌。然而，倒塌的峰部分超过+5V，实质上成为与谐振状态下的图5的A及B所示的波形大致同样的波形，导致无法进行谐振状态与非谐振状态的判别。
因此，在例如将充电电池用作负载26并由馈电系统对该充电电池进行充电之类的用途中，产生如下问题：在充电电池的充电结束时的负载变轻的状态下，向充电电池施加过电压。
另外，特别是在线圈间的距离小时、或者在受电侧要获取从大电力到小电力时负载电流变小时，容易发生这样的状态。
因此，本发明提供能够解决该问题的馈电系统。
图6是示出本发明实施方式的馈电系统的一例的框图。
在图6中，对于与图2所示的参考例同样的结构标注相同参照标号，由此省略说明。
在本实施方式的馈电系统100中，如图6所示，将馈电线圈11的连接设为与图2所示的馈电系统200相同，将受电装置2的受电线圈21的极性设为与馈电系统200相反的方向。
即，将受电线圈21的端子a2与GND连接，将端子b2与节点N5连接。
馈电装置1的动作与图2的馈电系统200相同，馈电线圈11所产生的电压的波形与图3所示的波形相同，因此省略这些的说明。
图7示出了在图6的馈电系统100中在馈电线圈11和受电线圈21处出现的电压。不过，为了容易理解说明，示出了移除图6的受电装置2的整流二极管24而将受电线圈21的端子b2的电压、即节点N5的电压作为受电线圈21的端子电压来观测的结果。
可确认受电线圈21的端子b2的电压的正负振幅是与图4相反的方向。
在图6的受电装置2的谐振控制晶体管23变为OFF而从受电线圈21断开谐振电容器22的“非谐振状态”下，受电线圈21的电压波形成为受电线圈21的正负的峰电压为91a－92a的小振幅。在图7中，与图4的不同点在于，在正侧出现峰部分具有平坦的部分的波形，在负侧出现如描绘弧形的波形。
即，在正侧出现峰值变得平坦的振幅波形，在负侧出现如描绘弧形的振幅波形。
在谐振控制晶体管23变为ON而受电线圈21与谐振电容器22连接的“谐振状态”下，受电线圈21的电压波形成为受电线圈21的正负的峰电压为93a－94a的大振幅。在“谐振状态”下，受电线圈21在正负侧描绘弧形。
图8示出了在将受电装置2的整流二极管24如图6那样连接的状态下使馈电系统100进行动作时、对在受电线圈21的端子b2处出现的电压进行测量的结果，图8捕捉了受电电路2的谐振电路20从“谐振状态”向“非谐振状态”转移的情形。
图8的A及B的部分是受电装置2的负载26的电压下降且谐振控制部60感测到节点N7的电压低于+5V的情况而将谐振控制晶体管23设为ON的期间的受电线圈21的峰电压部分。这些峰电压超过+5V(规定的电压值)，谐振电路20处于“谐振状态”。
在处于“谐振状态”时，应当描绘弧形的受电线圈21的电压波形的峰部分倒塌而具有平坦部的原因如下：与图2所示的馈电系统同样，受电线圈21的峰电压的上限值被限制为输出电压(+5V)与整流二极管24的正向电压之和。
图8的C、D及E的部分是受电装置2的负载26的电压上升且谐振控制部60感测到节点N7的电压高于+5V的情况而将谐振控制晶体管23设为OFF的期间的受电线圈21的峰电压部分，谐振电路20处于“非谐振状态”。
如图8的C、D及E所示，“非谐振状态”的受电线圈21的峰电压低于+5V。这是因为：将受电线圈21的方向设为与图2相反的方向，由此，受电线圈21所产生的电压波形的峰值具有平坦部，能够使该峰的电压值可靠地低于+5V(规定的电压值)。
在图5的状态下，在“非谐振状态”下也继续向负载26供给电力，但是，在图8的状态下受电线圈21的峰电压低于+5V，因此向负载26供给的电力变为零，从而能够防止向负载26施加过电压。
因此，在负载26轻的状态到重的状态的宽范围内，能够准确地控制向负载26施加的电压。
如以上说明那样，根据本实施方式的馈电系统，在如电池的充电那样的需求宽范围的负载电流时，能够实现充电电流达到0为止的控制，因此，从需要很多充电电流的充电开始时、到充电电流变得非常少的即将完成充电时，能够进行正常的充电动作。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更是理所当然的。
例如，在上述实施方式中，通过将馈电线圈11与受电线圈21的方向设为反方向的方法来在非谐振时使受电线圈21的峰电压不超过规定电位，但不限于此，也可以采用限定线圈间的距离、或使负载电流受到限制等方法。
另外，上述实施方式中的负载26可以是电阻负载也可以是具有阻抗变动的负载。另外，负载26可以是使用了微型计算机的系统的电源或声频放大器、无线电路、传感器电路、照明驱动电路、显示电路等，或者也可以是对电池进行充电的电路。
此外，在上述实施方式中，作为整流电路使用了二极管，但也可以使用采用了FET的同步整流电路。在使用了同步整流电路时，能够构成热损耗少的受电电路。

Claims (2)

1.一种馈电系统，其具备馈电装置和受电装置，从所述馈电装置向所述受电装置馈送电力，所述馈电系统的特征在于，
所述馈电装置具备馈电线圈，
所述受电装置具备：
谐振电路，该谐振电路具有受电线圈、谐振电容器和开关元件，其中，所述受电线圈被从所述馈电线圈馈电，所述谐振电容器与所述受电线圈发生谐振，所述开关元件对所述谐振电容器的电连接状态进行变更，来控制谐振状态；
整流电路，其对所述谐振电路所产生的交流输出电压进行整流和平滑，得到直流电；以及
负载，其被供给由所述整流电路得到的直流电，
在所述谐振电路处于谐振状态时，所述受电线圈所产生的电压的峰的电压值被设定为比规定的电压值高，
在所述谐振电路处于非谐振状态时，所述受电线圈所产生的电压的峰的电压值被设定为比所述规定的电压值低。
2.根据权利要求1所述的馈电系统，其特征在于，
在所述谐振电路处于非谐振状态时，被驱动为所述受电线圈所产生的所述电压的峰的部分具有平坦部的电压波形。
CN201610352268.0A 2015-05-27 2016-05-25 馈电系统 Active CN106208411B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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