CN111756411B

CN111756411B - 无线通信装置

Info

Publication number: CN111756411B
Application number: CN202010201227.8A
Authority: CN
Inventors: 耳野裕
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2020-03-20
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2040-03-20
Also published as: JP2020161935A; JP7227813B2; US20200313642A1; US10992280B2; CN111756411A

Abstract

本发明涉及无线通信装置。提供了能适当地进行共用天线与连接到其的电路之间的阻抗匹配的无线通信装置。无线通信装置具备：共用天线，共用通信和接受电力；阻抗匹配电路，连接到所述共用天线并且具有第一开关元件；通信电路，连接到所述阻抗匹配电路；第二开关元件，连接到所述第一开关元件；以及阻抗匹配调整电路，在通信时和接受电力时切换所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通关断。

Description

无线通信装置

技术领域

本发明涉及以非接触方式进行通信和接受电力的无线通信装置。

背景技术

已知使用110kHz至205kHz频带的Qi标准（WPC（Wireless Power Consortium，无线电力联盟）制定的无线供电标准）的通信装置（非接触的发送装置和接收装置）。此外，还已知被用于短距离的通信用途的NFC（Near Field Communication，近场通信）标准。近来，利用能够通过使用比在Qi中使用的频带高的频率（13.56MHz带）的NFC来使天线小型化的优点，开发了NFC耳机、NFC触摸笔等移动通信装置（以下，也称为NFC装置），在该移动通信装置中通过NFC传送电力来对电池进行充电（专利文献1）。此外，历来，开发了针对阻抗变化使频率、电路常数变化的天线自动调谐匹配装置（专利文献2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2017-538377号公报

专利文献2：日本特开2011-217212号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在移动通信装置的用途中，发送装置也使用电池（二次电池），因此，强烈要求在通信时降低输电电力以使发送装置的电池的工作时间变长。另一方面，在接收装置中，为了使接受电力时的电池的充电时间变短，降低匹配电路的阻抗以流动大电流，在通信时提高阻抗以使电流变小。在接受电力时阻抗较低，因此，如果在通信时和接受电力时不切换天线与电路的阻抗匹配电路则会产生不需要的反射波，而发生在通信时通信距离减少、在接受电力时供电量减少这样的问题。

本发明鉴于以上的现有技术的问题点而完成，其目的在于提供能适当地进行在无线通信装置中使用的共用天线与连接到其的电路之间的阻抗匹配的无线通信装置。

用于解决课题的方案

本发明的无线通信装置的特征在于，具备：共用天线，共用通信和接受电力；阻抗匹配电路，连接到所述共用天线并且具有第一开关元件；通信电路，连接到所述阻抗匹配电路；第二开关元件，连接到所述第一开关元件；以及阻抗匹配调整电路，在通信时和接受电力时切换所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通关断。

发明效果

根据本发明，能够实现能适当地进行共用天线与连接到其的电路之间的阻抗匹配的无线通信装置。

附图说明

图1是NFC装置系统的框图。

图2是NFC装置系统的框图。

图3是作为第一实施例的无线通信装置的概略框图。

图4是作为第一实施例的无线通信装置的概略框图。

具体实施方式

以下，一边参照附图一边详细地说明根据本发明的实施例。再有，在实施例中，针对具有实质上相同的功能和结构的结构要素，标注相同的符号，由此，省略重复说明。

首先，使用图1和图2来说明NFC装置系统。图1示出NFC装置系统的一例。发送装置1被构成为包括例如振荡器11、输电放大器12、天线L，另外还包括例如电源电路、控制电路、通信部等。但是，省略电源电路、控制电路、通信部等来进行示出。再有，通信部（未图示）也能够经由天线L来进行无线通信（NFC通信），但是，也可以采用另外设置专用天线来进行NFC通信的结构。例如，通过NFC通信来进行用于认证接受电力装置2是否为发送装置1的输电对象的认证数据的交换、通知接受电力装置2是否接收到从发送装置1输电的电力的接受电力通知的交换等。此外，控制电路（未图示）经由天线L与接受电力装置2进行NFC通信，由此，进行接受电力装置2中的电池（未图示）的剩余量的信息、非接触供电用的各种信息的交换，决定应输电的电力量。然后，该控制电路根据前述决定的电力量来调整输电放大器12的放大率。由此，从发送装置1送出与应输电的电力量对应的输电电力。

发送装置1经由线圈的天线L将高频信号传给在接收装置2的通信和接受电力中共用的线圈的共用天线L1。NFC的许多天线通过使用线圈的磁场耦合将高频信号从发送装置1传给接收装置2。从发送装置1发出的高频信号的强度在通信时较小并且在供电时较大。接收后的接收装置2通过整流电路22将从共用天线L1经由阻抗匹配电路的高频信号变为直流，而生成用于使装置本身工作的电力。用于使接收装置2工作的信号强度可以在通信时为能够使通信电路（未图示）工作的量的例如1mW左右的小信号强度，但是，在接受电力时需要为数100mW至数瓦的电力。在低功耗的通信和高功耗的接受电力工作中，整流电路、通信电路的阻抗发生变化，因此，当不调整天线与这些电路间的阻抗匹配电路时，会产生阻抗的不匹配。

于是，设置用于改变阻抗匹配电路的阻抗的电路。在此，需要使该电路工作的电力，但是，在无线通信/供电中，在工作开始时，在接受电力侧没有残留对于能够使内部电路工作的电源而言充分的电力的情况较多，而不能启动（以下，仅称为“没有电源”）。因此，不能使用于改变阻抗匹配电路的阻抗的电路工作。考虑是否应做成与工作开始时的天线的阻抗相适应的阻抗匹配电路，但是，由于无线通信/供电的顺序，所以不能与工作开始时的阻抗相适应。

例如，当说明无线通信/供电的顺序时，首先，发送装置1在工作开始时确认周围是否存在接收装置2。即，具有在接收侧存在不是NFC装置的装置的可能性。当最初发送大电力时，存在破坏接收侧的不是NFC装置的装置的可能性，因此，发送装置1用小信号确认NFC装置的接收装置2的存在。

因此，由于后述的实施例1中的接收装置2接收小信号，所以将阻抗匹配电路的阻抗为高的状态作为初始值。

图2是NFC装置系统的一例，示出将用于改变阻抗匹配电路的阻抗的电路追加到图1的结构中的结构。在该电路中，为了使阻抗变高，与线圈的共用天线L1并联地配置谐振用电容器C0，通过并联谐振来实现高阻抗。在使阻抗变低时，通过开关元件SW1使并联的电容器C0工作来实现。为了工作速度的提高和电路面积的削减，开关元件SW1不是机械式的继电器开关，而使用半导体开关。在NFC装置的情况下，线圈的共用天线L1的峰值电压很高，因此，当在开关元件SW1中使用PMOS晶体管时，难以使PMOS晶体管的栅极电压高到能够关断PMOS晶体管的程度，因此，使用漏极和源极的端子连接到谐振电路5的NMOS晶体管。

另一方面，为了在通信工作的开始时使阻抗变高，使开关元件SW1的NMOS晶体管为接通状态，从而实现与线圈的并联谐振状态。可是，在通信工作的开始时，在接收装置2中没有电源，因此，不能使开关元件SW1变为接通，而不能接收通信时的小信号。此外，不能满足对于通信用和接受电力用的各个而言理想的阻抗匹配条件，必须选择通信用和接受电力用的中间的阻抗匹配条件，因此，存在通信距离变短、供电量变少的可能性。

接着，对本实施例的无线通信装置进行说明。

[实施例1]

图3是本实施例的无线通信装置，概略性地示出了电路图。接受电力装置2是能够进行利用NFC通信的数据的收发和利用非接触供电的电池（未图示）的充电等的装置。接受电力装置2是具有在NFC通信中使用的天线和在电磁共振方式的无线供电中使用的共用天线L1并且切换NFC通信和电力的接受电力来使用共用天线L1的装置。

接受电力装置2被构成为包括按顺序连接的共用天线L1、阻抗匹配电路21、整流电路22、开关电路SW3和充电电路23。此外，接受电力装置2被构成为包括通信电路24，通信电路24连接到阻抗匹配电路21。接受电力装置2被构成为包括内部电路（未图示）。再有，在充电电路23中包括用于充电的电池（未图示）。如果接受电力装置2是例如智能电话，则内部电路是用于实现智能电话的功能的电子电路。阻抗匹配电路21被构成为包括电容器C0、开关元件SW1、以及电容器C1。由共用天线L1和电容器C0构成谐振电路5。

此外，接受电力装置2被构成为包括辅助接受电力天线L1a、连接到辅助接受电力天线L1a的辅助阻抗匹配电路21a、连接到辅助阻抗匹配电路21a的辅助整流电路22a、进行利用辅助整流电路22a使电力供给到开关元件SW1的接通关断控制的辅助开关元件SW2、以及控制辅助开关元件SW2的阻抗匹配调整电路25。辅助阻抗匹配电路21a被构成为包括辅助电容器C0a和电容器C1。

开关元件SW1是漏极和源极的端子串联连接到谐振电路5的电容器C0的NMOS晶体管。辅助开关元件SW2是漏极和源极的端子串联连接到开关元件SW1的栅极与辅助整流电路22a的输出的连接点、并且栅极连接到阻抗匹配调整电路25的NMOS晶体管。

辅助接受电力天线L1a、辅助阻抗匹配电路21a、辅助开关元件SW2和阻抗匹配调整电路25为了对阻抗匹配电路21的开关元件SW1进行接通关断控制而设置。阻抗匹配调整电路25利用辅助开关元件SW2来控制开关元件SW1，由此，使辅助接受电力天线L1a和辅助电容器C0a并联谐振，由此，使阻抗变大来降低消耗电流而抑制无用的电力损失的发生。

像这样，共用天线L1和阻抗匹配电路21的电容器C0构成二次侧的谐振电路，通过由发送装置1（参照图2）发生的磁场耦合作用来生成电动势（交流信号）。

阻抗匹配电路21通过调整开关元件SW1的接通关断来调整阻抗。通过调整阻抗匹配电路21的阻抗，从而能够效率良好地接收来自发送装置1（参照图2）的磁场。再有，阻抗匹配电路21的电容器C1用于匹配从阻抗匹配电路21观察整流电路22侧的阻抗。

整流电路22对与经由阻抗匹配电路21而接受的电力对应的交流电压（交流信号）进行整流来得到直流的输出电压。整流电路22是例如全波整流电路。虽然未特别限制，但是，整流电路22被构成为包括由肖特基二极管D1～D4构成的二极管桥电路和平滑化用的电容器C2。在二极管桥电路中，与二极管D1和二极管D2的连接点相当的一个输入端子连接到阻抗匹配电路21的电容器C1。

在二极管桥电路中，平滑化电容器C2的一端连接到与二极管D3和二极管D2的连接点相当的输出端子。平滑化电容器C2使由二极管桥电路整流的电压平滑化。能够基于平滑化电容器C2的一端中的整流电压来实现接受电力装置2内的各功能部的工作。平滑化电容器C2的另一端被接地。

通信电路24通过将共用天线L1用作通信用天线来在与发送装置1（参照图2）之间进行NFC通信。通信电路24对开关电路SW3进行接通关断控制。开关电路SW3在通信电路24的NFC通信的期间以外的期间内为接通状态，向充电电路23供给电力。

（装置的工作）

从发送装置1（参照图2）送出的信号被输入到共用天线L1和辅助接受电力天线L1a。从辅助接受电力天线L1a输入的信号被辅助整流电路22a变换为直流电压，并且被输入到阻抗匹配电路21的切换用开关元件SW1的栅极，使开关元件SW1变为接通状态。

开关元件SW1变为接通状态，由此，共用天线L1和电容器C0满足并联谐振的条件，通信电路24开始工作。通信电路24开始工作，从而开始发送装置1与接收装置2的通信，当在发送装置1中确认通信装置的存在时，从发送装置1发送充电用的大电力，从而开始供电。

与供电开始同时，监视接收装置2的通信电路24的阻抗匹配调整电路25根据通信电路24的工作使辅助开关元件SW2变为接通状态，降低开关元件SW1的栅极电位，使开关元件SW1变为关断状态，降低共用天线L1侧的阻抗，变为接受电力用的阻抗匹配状态。在完成供电工作时，阻抗匹配调整电路25根据通信电路24的工作使辅助开关元件SW2的栅极偏置变为关断，由此，能够使共用天线L1的阻抗变高，并能够再次开始通信。

根据本实施例，阻抗匹配调整电路25利用辅助开关元件SW2来控制开关元件SW1，由此，能够做成对于阻抗匹配电路21的通信状态和供电状态各自最佳的阻抗匹配条件，从而能够实现可通信距离的扩大和供电量的增加。

[实施例2]

图4是本发明的第二实施例的概略电路图。作为本实施例的无线通信装置的接受电力装置2A不使用第一实施例的辅助接受电力天线L1a、阻抗匹配电路21a和辅助整流电路22a，代替这些，设置使整流电路22的电力供给到开关元件SW1的栅极的电力线PL，辅助开关元件SW2对电力线PL进行接通关断控制，阻抗匹配调整电路25控制辅助开关元件SW2，除此之外，与第一实施例相同。

如果没有电力线PL，则在工作开始时，在接收装置2中没有电源，因此，开关元件SW1为关断状态，不能在共用天线L1和谐振用电容器C0中做成并联谐振状态。因此，在本实施例中，即使整流电路22的输出不能得到使接收装置2的通信电路24工作的程度的电压，但是只要设置上述电力线PL并将阈值电压低的NMOS晶体管选择为开关元件SW1，则能够使开关元件SW1变为接通。如果NMOS的开关元件SW1变为接通状态，则共用天线L1和谐振用电容器C0变为并联谐振状态，而能够发生能够使一连串的电路工作的量的电压。

在第二实施例中，除了第一实施例的效果之外，还能够使接收装置2的天线线圈和整流电路变为一个，从而削减电路面积。工作开始时得到的电压比第一实施例低，因此，优选的是，将阈值电压比在第一实施例中使用的电路切换用开关元件SW2低的NMOS晶体管选择为开关元件SW1。

附图标记的说明

2，2A接受电力装置

21阻抗匹配电路

21a辅助阻抗匹配电路

22整流电路

22a辅助整流电路

23充电电路

24通信电路

25阻抗匹配调整电路

SW1开关元件

SW2辅助开关元件

SW3开关电路

L1共用天线

L1a辅助接受电力天线

C0谐振用电容器

PL电力线。

Claims

1.一种无线通信装置，其特征在于，具备：

共用天线，共用通信和接受电力；

阻抗匹配电路，连接到所述共用天线并且具有第一开关元件；

通信电路，连接到所述阻抗匹配电路；

第二开关元件，切换所述第一开关元件的接通关断；以及

阻抗匹配调整电路，在通信时和接受电力时切换所述第一开关元件和所述第二开关元件的接通关断，

所述阻抗匹配调整电路切换所述第二开关元件的接通关断，由此所述第一开关元件由所述第二开关元件控制。

2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，还具备：

整流电路，连接到所述阻抗匹配电路；

辅助接受电力天线；

辅助阻抗匹配电路，连接到所述辅助接受电力天线；以及

辅助整流电路，连接到所述辅助阻抗匹配电路并且向所述第一开关元件供给电力。

3.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，还具备整流电路，所述整流电路连接到所述阻抗匹配电路并且向所述第一开关元件供给电力。