CN107408847B - 无线供电装置、异物检测方法、充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线供电装置，其中，发送天线(201)包含被串联连接的共振电容器及发送线圈(202)。驱动器(204)包含对发送天线(201)施加驱动电压的电桥电路(205)。电流传感器(220)用于检测流入电桥电路(205)的电流(I_S)。异物检测器(230)用于一边改变电桥电路(205)的开关频率，一边检测流入电桥电路(205)中的电流(I_S)，并基于其结果判断有无异物。

Description

无线供电装置、异物检测方法、充电器

技术领域

本发明涉及无线供电技术，尤其涉及异物检测。

背景技术

近年来，为了给电子设备供给电力，无线供电正在开始普及。为了促进不同生产商的产品间的相互利用，组织起了WPC(Wireless Power Consortium：无线充电联盟)，并由WPC制定了作为国际标准规范的Qi标准。

基于Qi标准的无线供电，利用了发送线圈与接收线圈间的电磁感应。供电系统由具有发送线圈的供电装置和具有接收线圈的受电终端构成。

图1是表示遵循Qi标准的无线供电系统10的构成的图。供电系统10包括供电装置20(TX，Power Transmitter：电力发送器)和受电装置30(RX，Power Receiver：电力接收器)。受电装置30被安装于便携式电话终端、智能手机、音频播放器、游戏设备、平板电脑终端等电子设备中。

供电装置20包括发送线圈(初级线圈)22、驱动器24、控制器26、解调器28。驱动器24包含H电桥电路(全桥电路)或者半桥电路，对发送线圈22施加驱动信号S1，具体来说施加脉冲信号，并通过流入发送线圈22的驱动电流，在发送线圈22中产生电磁场的功率信号S2。控制器26为总体地控制供电装置20整体的装置，具体来说，通过控制驱动器24的开关频率、或者开关的占空比，使发送功率产生变化。

在Qi标准中，在供电装置20与受电装置30之间规定有通信协议，能从受电装置30向供电装置20基于控制信号S3传递信息。该控制信号S3被以利用反向散射调制(Backscatter modulation)进行AM(Amplitude Modulation：调幅)调制后的形式，从接收线圈32(次级线圈)发送到发送线圈22。该控制信号S3中例如包含控制针对受电装置30的功率供给量的功率控制数据(也称包)、表示受电装置30的固有信息的数据等。解调器28用于将发送线圈22的电流或电压中所包含的控制信号S3解调。控制器26基于被解调后的控制信号S3中所包含的功率控制数据，控制驱动器24。

受电装置30包括接收线圈32、整流电路34、平滑电容器36、调制器38、负载40、控制器42、电源电路44。接收线圈32用于接收来自发送线圈22的功率信号S2，以及向发送线圈22发送控制信号S3。整流电路34及平滑电容器36根据功率信号S2对接收线圈32中感应起的电流S4进行整流、平滑化，转换成直流电压。

电源电路44利用从供电装置20供给来的电力对未图示的可充电电池充电，或者将直流电压V_RECT升压或降压并提供给控制器42及其它负载40。

控制器42监视提供给负载40的功率，并据此生成用于控制来自供电装置20的功率供给量的功率控制数据。调制器38通过调制包含功率控制数据的控制信号S3，并调制接收线圈32的线圈电流，从而调制发送线圈22的线圈电流及线圈电压。

在该供电系统10中，因为供电装置20与受电终端(电子设备)被配置在比较自由的空间中，所以可能发生在发送线圈22与接收线圈32之间或者其附近放置有金属片等导电性的异物(Foreign Object)的情况。若在该状态下进行无线供电，则电流就会向异物流动，产生功率损失。此外还存在异物发热这样的问题。鉴于这样的状况，在WPC1.1(SystemDescription Wireless Power Transfer Volume I:Low Power Part 1:InterfaceDefinition Version 1.1)规范中，制定了异物检测(FOD：Foreign Object Detection)功能。

在该FOD中，将供电装置200送出的功率与受电装置300接收的功率进行比较，若其之间产生超过容许值的不一致，则判定为存在异物。

现在，面向中等功率的Qi标准(Volume II Middle Power)的制定正在推进，另外方式的FOD方式也正在被摸索。作为其中之一，可以举出利用发送线圈(天线)的Q值的方法。具体来说，利用若异物靠近发送线圈，则发送天线的Q值会发生变化这一情况，来尝试判断有无异物。

[现有技术文献]

[专利文献]

专利文献1:日本特开2013-38854号公报

专利文献2:特许第5071574号公报

发明内容

[发明要解决的课题]

本发明鉴于上述课题而完成，其一个方案的例示性目的之一在于，提供一种能够进行异物检测的供电装置。

用于解决课题的手段

本发明的一个方案，涉及向无线受电装置发送功率信号的无线供电装置。无线供电装置包括：包含被串联连接的共振电容器及发送线圈的发送天线、包含对发送天线施加驱动电压的电桥电路的驱动器、检测流入到电桥电路中的电流的电流传感器、以及在使电桥电路的开关频率变化的同时检测流入到电桥电路的电流，并基于其结果判断有无异物的异物检测器。

流入到电桥电路中的电流的频率特性，例如提供峰值的中心频率、和带宽，因为根据发送天线201的周围的状况发生变化，通过检测流入到电桥电路中的电流的频率特性，就能够检测出异物。基于该方案，与现有方案相比能够显著简化异物检测器的电路构成，降低成本。

异物检测器基于，电流达到峰值时的频率f₀、和电流从峰值按预定比例降低时的频率f₁，也可以判断有无异物。

异物检测器(i)以比发送天线的共振频率低的频率作为起始，在对电桥电路的开关频率f_SW进行扫频的同时，取得频率f₀及当时的电流值I_MAX，(iii)计算出由电流值I_MAX乘以预定比例的电流I_LOW，(iii)进而在对开关频率f_SW进行扫频的同时，也可以取得检测电流达到电流I_LOW时的频率f₁。

预定比例可为，

异物检测器按照Q＝f₀/(2×|f₀－f₁|)计算出Q值，基于计算出的Q值与预定的阈值的比较结果，也可以判断有无异物。

异物检测器也可以从无线受电装置接收阈值。

电流传感器也可以检测从DC电源流入到电桥电路的上游侧电源端子中的电流。

该情况下，因为能够将电流作为接近直流的信号测定，所以能够提高精度。特别是在电桥电路的上游侧电源端子上被连接有平滑电容器的情况下，该效果显著。

电流传感器也可以检测从电桥电路的下游侧电源端子接地流出的电流。

该情况下，因为能够将电流作为接近直流的信号测定，所以能够提高精度。

电流传感器也可以包含：在检测对象的电流的路径上被设置的检测电阻、放大检测电阻的电压降的读出放大器、接收读出放大器的输出的低通滤波器、以及将低通滤波器的输出转换成数值的A/D转换器。

电流传感器也可以与检测为了计算出发送功率所必需的电流的电流检测电路被共用。

该情况下，能够进一步削减追加的硬件。

无线供电装置也可以遵循Qi标准。

本发明的另一方案涉及充电器。充电器包括上述的任意一个无线供电装置。

需要说明的是，以上构成要素的任意组合、以及将本发明的构成要素在表现形式、方法、装置、系统等之间相互置换后的方案，作为本发明的方案也是有效的。

发明效果

根据本发明的一种方案，能够检测异物。

附图说明

图1是表示遵循Qi标准的无线供电系统的构成的图。

图2是包括实施方式的无线供电装置的供电系统的功能框图。

图3是表示电桥电路的开关频率f_SW与电流I_S的关系的图。

图4是表示异物检测程序的一个例子的流程图。

图5是表示供电装置的构成例的电路图。

图6是图5的供电装置的工作波形图。

图7是包括供电装置的充电器的电路图。

具体实施方式

以下，参照附图基于优选的实施方式对本发明进行说明。对于各附图所示的相同或等同的构成要素、部件、处理标注相同的附图标记，并适当省略重复的说明。此外，实施方式仅是例示，并非限定发明，并非实施方式中所记述的所有特征及其组合都是发明的本质内容。

在本说明书中，所谓“构件A与构件B连接的状态”，包括构件A与构件B物理性地直接连接的情况，也包括构件A与构件B经由其他构件间接地连接，且不会给它们的电连接状态带来实质性影响的、或者不会损害通过它们的结合而发挥的功能、效果的情况。

同样，所谓“构件C被设置在构件A与构件B之间的状态”，除了包括构件A与构件C、或者构件B与构件C直接连接的情况之外，还包括经由其他构件间接地连接，且不会对它们的电连接状态带来实质性影响的、或者不会损害通过它们的结合而发挥的功能、效果的情况。

图2是包括实施方式的无线供电装置的供电系统100的功能框图。供电系统100包括供电装置200(TX，Power Transmitter)和受电装置300(RX，Power Receiver)。受电装置300被安装于手机终端、智能手机、音频播放器、游戏机、平板电脑终端等电子设备中。

供电装置200被安装于例如具有充电台的充电器中。供电装置200包括发送线圈(初级线圈)202、驱动器204、控制器206、解调器208、DC电源210、电流传感器220。

驱动器204包含H电桥电路(全桥电路)或者半桥电路，对发送线圈202施加驱动信号S1，具体来说施加脉冲信号，并通过流入发送线圈202的驱动电流，在发送线圈202中产生电磁场的功率信号S2。在本实施方式中，采用半桥电路205。半桥电路205的上侧电源端子P1被供给来自DC电源210的电源电压V_DD，下侧电源端子P2被接地。上侧电源端子P1上连接平滑电容器C_S。

控制器206是总体地控制供电装置200整体的装置，具体来说，通过控制驱动器204的开关频率f_SW、或者开关的占空比，来改变发送功率。关于控制器206的功能、构成，除了与后述的异物检测器230相关的部分外，采用公知技术即可，故省略说明。

在Qi标准中，在供电装置200和受电装置300之间规定有通信协议，能从受电装置300向供电装置200基于控制信号S3传递信息。该控制信号S3被以利用反向散射调制(Backscatter modulation)进行了AM(Amplitude Modulation：调幅)调制的形式，从接收线圈302(次级线圈)发送到发送线圈202。该控制信号S3中例如包含控制对受电装置300的功率供给量的功率控制数据(也称包)、表示受电装置300的固有信息的数据等。此外在控制信号S3中也可以包含规定发送天线201的Q值的适当范围的阈值。

解调器208解调发送线圈202的电流或者电压中所包含的控制信号S3。控制器206基于解调后的控制信号S3中包含的功率控制数据，控制驱动器204。

接下来说明供电装置200中的异物检测(FOD)。

关于FOD，供电装置200包括电流传感器220及控制器206的异物检测器(ForeignObject Detector)230。

电流传感器220检测流入电桥电路205的电流I_S，并生成表示检测到的电流量的电流检测值S4。电流检测值S4被输入到控制器206的异物检测器230。所谓“流入电桥电路的电流”，包括电桥电路的输入电流、或者流入到任一臂的电流，不包括输出电流、即流入天线的线圈电流。此外，电桥电路的输入电流包括流入电桥电路205的上侧电源端子的电流、以及从下侧电源端子流出的电流。

在向受电装置300的供电开始前，执行以下的异物检测处理。

具体来说，异物检测器230一边改变电桥电路205的开关频率f_SW，一边检测流入电桥电路205的电流I_S，基于其结果判断有无异物。

以上是供电装置200的基本构成。接下来对异物检测器230的原理、动作进行说明。

图3是表示电桥电路205的开关频率f_SW与电流I_S的关系的图。本发明人针对流入电桥电路205的电流I_S的开关频率依赖性进行研究后发现，得到例如峰值I_MAX的中心频率f₀、带宽(称为频率特性)Δf，会根据发送天线201的周围状况而变化。

关于带宽Δf，例如使用得到电流量I_S从峰值I_MAX降低了预定比例时的开关频率f_SW的频率f₁，由Δf＝2×|f₀－f₁|…(1)来定义。预定比例可以使用

1/2、1/e等，但是在电信领域通常采用

根据图2的供电装置200，由电流传感器220检测流入电桥电路205的电流I_S的频率特性，并监视频率特性的变化，从而能够检测异物。

根据该方法，因为只要测定流入电桥电路205的电流I_S即可，故能使异物检测器230的电路构成比以往显著简化，能降低成本。

在此，仅靠中心频率f₀的变动，有时异物检测的精度会较低。因此，优选异物检测器230基于电流I_S达到峰值I_MAX的频率f₀、以及电流I_MAX从峰值I_MAX降低了预定比例

时的频率f₁，来判断有无异物。

在遵循Qi标准的供电装置200中，也可以基于发送天线201的Q值检测异物。

Q＝I₀/Δf＝f₀/(2×|f₀－f₁|)

图4是表示异物检测程序的一个例子的流程图。

将低于发送天线201的共振频率f_R的预定频率f_S作为起始频率，对开关频率f_SW进行扫频(スイープアップ)。

在进行扫频的过程中，取得频率f₀及当时的电流值I_MAX(S102)。接着，算出使峰值电流值I_MAX乘以预定比例

后的电流I_LOW(S104)。(iii)进而对开关频率f_SW进行扫频，取得检测电流I_S达到计算出的电流I_LOW时的频率f₁(S106)，并计算出Q值(S108)。

异物检测器230基于这样得到的Q值，判断有无异物(S110)。更具体来说，异物检测器230能够基于计算出的Q值与预定的阈值的比较结果，判断有无异物。在此，异物检测器230也可以从无线受电装置接收预定的阈值。以上是异物检测的流程。

接下来对供电装置200的具体构成例进行说明。图5是表示供电装置200的构成例的电路图。

电流传感器220将从DC电源210流入电桥电路205的上侧电源端子P1的电流(称为输入电流)I_S作为检测对象。电流传感器220包括：在检测对象的电流I_S的路径上设置的检测电阻R_S、放大检测电阻R_S的电压降V_S的读出放大器(センスアンプ)222、接收读出放大器222的输出的低通滤波器224、以及将低通滤波器224的输出转换为数字值的A/D转换器226。在上侧电源端子P1连接有平滑电容器C_S，因此电流传感器220也可以理解为测定流入平滑电容器C_S的电流I_S。通过将输入电流I_S作为检测对象，从保护工作的观点出发也是有利的。

供电装置200多具备算出自身的发送功率的功能，现有的供电装置也为计算功率而具备用于检测电流的电路。在该情况下，电流传感器220能够与用于计算功率的电流检测电路共用(沿用)。

图6是图5的供电装置200的动作波形图。在图6中表示有：流入发送天线201的电流I_COIL、输往电桥电路205的输入电流I_S、以及低通滤波器224的输出信号S5。

理论上说，输入电流I_S相当于电桥电路205的高侧晶体管导通期间的线圈电流I_COIL，故虽然输入电流I_S为半波形，但是因为在电桥电路205的上侧电源端子P1(DC电源210的输出)上连接有平滑用的电容器C_S，所以输入电流I_S成为与线圈电流I_COIL的振幅相应的DC分量和与开关频率f_SW相应的交流分量之和。利用低通滤波器224除去与开关频率f_SW相应的交流分量，由此能够检测出DC分量、即线圈电流I_COIL。

接下来说明供电装置200的用途。图7是包括供电装置200的充电器400的电路图。充电器400为具备受电装置300的电子设备充电。充电器400包括壳体402、充电台404、电路基板406。供电对象的电子设备被放置在充电台404上。驱动器204、控制器206及其它电路部件被安装在电路基板406上。发送天线201被布局在充电台404的正下方。充电器400既可以通过AC/DC转换器410接受直流电压，也可以内置AC/DC转换器。或者，充电器400也可以通过具有USB(Universal Serial Bus)等供电线的总线来从外部接收DC功率的供给。

实施方式如例示，本领域技术人员应理解其各构成要素和各处理过程的组合可以有各种各样的变形例，并且这样的变形例也在本发明的范围中。以下，对这样的变形例进行说明。

(第1变形例)

电流传感器220监视的电流不限定于电桥电路的输入电流I_S。例如可以在比电桥电路205靠接地侧插入检测电阻R_S。但是，在接地侧测定电流的情况下，因为不能期待基于平滑电容器C_S的电流平滑化的效果，故有时也需要追加电路及信号处理。但是即使在该情况下，也能够享受如下优点：与测定电桥电路205的输出电流(即线圈电流I_COIL)的情况相比，能够简化电路构成及信号处理。

此外，也可以不插入检测电阻R_S，而是利用电桥电路205的开关晶体管(高侧晶体管或者低侧晶体管)的导通电阻。但是，在利用开关晶体管的导通电阻的情况下，因为要测定电桥电路的内部电流，所以无法期待基于平滑电容器C_S的电流平滑化的效果，有时也需要追加电路及信号处理。但是即使在该情况下，也能够享受如下优点：与测定电桥电路205的输出电流(即线圈电流I_COIL)的情况相比，能够简化电路构成及信号处理。

(第2变形例)

在实施方式中，说明了半桥电路的驱动器204，但是对于H电桥电路也可以适用。

(第3变形例)

在实施方式中，说明了基于Q值进行异物检测的情况，但是本发明不限定于此。在Qi标准以外的将来可能制定的标准中，也可以不根据Q值，而是基于中心频率f₀和带宽Δf的变化来检测异物。

基于实施方式使用具体的用语对本发明进行了说明，但是实施方式仅表示本发明的原理、应用，在不脱离权利要求书规定的本发明的思想的范围中，可以有多种变形例和配置的变更。

[附图标记说明]

100…供电系统、200，TX…供电装置、201…发送天线、202…发送线圈、204…驱动器、205…电桥电路、206…控制器、208…解调器、210…DC电源、220…电流传感器、222…读出放大器、224…低通滤波器、226…A/D转换器、230…异物检测器、300，RX…受电装置、302…接收线圈、S1…驱动信号、S2…功率信号、S3…控制信号、S4…电流检测值、400…充电器、402…壳体、404…充电台、406…电路基板。

[工业可利用性]

本发明能够利用于无线供电技术。

Claims (11)

1.一种向无线受电装置发送功率信号的无线供电装置，其特征在于，包括：

包含被串联连接的共振电容器及发送线圈的发送天线，

包含对上述发送天线施加驱动电压的电桥电路的驱动器，

检测流入上述电桥电路的电流的电流传感器，以及

一边改变上述电桥电路的开关频率，一边检测流入上述电桥电路的上述电流，并基于其结果判断有无异物的异物检测器，

上述异物检测器基于上述电流达到峰值时的上述开关频率的频率f₀、和上述电流从峰值降低了预定比例时的上述开关频率的频率f₁，判断有无异物，

上述预定比例为

上述异物检测器按照Q＝f₀/(2×|f₀－f₁|)计算出Q值，并基于计算出的Q值判断有无异物。

2.如权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于，

上述异物检测器，

(i)以比上述发送天线的共振频率低的频率为起始，一边使上述电桥电路的开关频率扫频，一边取得上述频率f₀及当时的电流值I_MAX，

(iii)计算出使电流值I_MAX乘以上述预定比例后的电流I_LOW，

(iii)进而，一边使上述开关频率扫频，一边取得检测电流达到上述电流I_LOW时的频率f₁。

3.如权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于，

上述异物检测器基于计算出的Q值与预定的阈值的比较结果，判断有无异物。

4.如权利要求3所述的无线供电装置，其特征在于，

上述异物检测器从上述无线受电装置接收上述阈值。

5.如权利要求1或2所述的无线供电装置，其特征在于，

上述电流传感器检测从DC电源流入上述电桥电路的上侧电源端子的电流。

6.如权利要求5所述的无线供电装置，其特征在于，还包括：

被连接于上述电桥电路的上侧电源端子的平滑电容器。

7.如权利要求1或2所述的无线供电装置，其特征在于，

上述电流传感器包括：

被设置在检测对象的电流的路径上的检测电阻，

放大上述检测电阻的电压降的读出放大器，

接收上述读出放大器的输出的低通滤波器，以及

将上述低通滤波器的输出转换为数字值的A/D转换器。

8.如权利要求1或2所述的无线供电装置，其特征在于，

上述电流传感器，与检测为计算出发送功率所需要的电流的电流检测电路共用。

9.如权利要求1或2所述的无线供电装置，其特征在于，

遵循Qi标准。

10.一种充电器，其特征在于，

包括如权利要求1或2所述的无线供电装置。

11.一种无线供电装置中的异物检测方法，其特征在于，

上述无线供电装置包括：

包含被串联连接的共振电容器及发送线圈的发送天线，以及

对上述发送天线施加驱动电压的电桥电路；

上述异物检测方法包括：

一边改变上述电桥电路的开关频率，一边检测流入上述电桥电路的电流的步骤，以及

基于上述电流达到峰值时的上述开关频率的频率f₀、和上述电流从峰值降低了预定比例时的上述开关频率的频率f₁，来判断有无异物的步骤，

上述预定比例为

在上述判断有无异物的步骤中，按照Q＝f₀/(2×|f₀－f₁|)计算出Q值，并基于计算出的Q值判断有无异物。

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