JP2013201881A - 受電装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 信号の通信時の受電電圧と電力の伝送時の受電電圧の大小によらずに信号の通信と電力の伝送の判別が可能な受電装置を提供する。
【解決手段】 信号の通信と電力の伝送を時分割で行う受電アンテナ２１と、電力を直流電圧に変換する整流回路２２と、整流回路２２に接続され、負荷に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、通信信号を処理する通信部２７と、通信部を保護するスイッチ部２６と、整流回路の出力に応じてスイッチ部２６を制御するスイッチ制御部２３とを少なくとも備え、スイッチ制御部２３の切り替えの閾値は、信号の通信から電力の伝送に切り替える時の第１の閾値と充電から通信に切り替える第２の閾値が異なるヒステリシス特性を持つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力を受電する受電装置及び電子機器に関する。

従来の非接触電力伝送装置は、送電装置と受電装置から構成される。送電装置は、少なくとも受電装置との信号の通信や電力の伝送を制御する制御回路と、送電アンテナを有し、受電装置は、少なくとも受電アンテナと、送電装置から送信される通信信号を処理する通信部と、受電した交流電力を直流電力に変換する整流回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータを有する。電力伝送は、送電装置から受電した交流電力は整流回路により直流に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータを通過して負荷に電力を供給することで行うことができ、その際、送電装置と受電装置との間で互いに通信を行う。これらの動作は、信号の通信と電力の伝送を時分割で制御することにより、一対の送電アンテナと受電アンテナで実施することもできる。

特許文献１では、信号の通信と電力の伝送を一対のアンテナで行う際に、通信回路を保護するためのバイパス回路を通信回路の入力部に設ける技術が開示されている。すなわち、バイパス回路を設けることで、ＲＦＩＤ部に接続される整流回路に流れる電流と機能部に接続される整流回路に流れる電流の比を適宜調整する。より具体的には、整流回路の出力電圧のレベルを検出することで信号の通信と電力の伝送を区別し、必要に応じてバイパス回路を動作させ、通信回路と切り替える。

特開２０１１−１３４０４９号公報

一般に、信号の通信と電力の伝送を一対のアンテナで行う場合、電力を伝送するときの整流回路の出力電圧は、信号を通信するときの整流回路の出力電圧よりも高い。しかし、リーダライタの仕様によっては、信号を通信するときと電力を伝送するときの整流回路の出力が同等（例えば、両者の出力の差が１ボルト以下）もしくは電圧の大小関係が逆転する場合があり、電圧の大小だけでは信号の通信か電力の伝送かを判別することが難しいという課題がある。

すなわち、本発明の目的は、信号を通信するときと電力を伝送するときで整流回路の出力が同等もしくは大小関係が逆転するとき、整流回路の出力電圧の大小によらずに、信号の通信と電力の伝送の判別が可能な受電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による受電装置は、信号の通信と電力の伝送を時分割で行う受電アンテナと、交流電力を直流電力に変換する整流回路と、整流回路に接続され、負荷に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、通信信号を処理する通信部と、通信部を保護するスイッチ部と、整流回路の出力に応じてスイッチ部を制御するスイッチ制御部とを少なくとも備え、スイッチ制御部の切り替えの閾値は、信号の通信から電力の伝送に切り替える時の第１の閾値と電力の伝送から信号の通信に切り替える第２の閾値が異なることを特徴とする。

すなわち、信号の通信と電力の伝送の切り替え動作にヒステリシスを有することにより、信号を通信するときの整流回路の出力電圧と電力を伝送するときの整流回路の出力電圧が同等もしくは大小関係が逆転するときであっても、整流回路の出力電圧の大小によらずに信号の通信と電力の伝送の判別が可能な受電装置が得られる。

また、本発明による受電装置のスイッチ部は、少なくともアンテナと通信部とを結ぶライン上に設けられたラインスイッチ部と、各ラインとグランドとの間に設けられたグランドスイッチ部により構成されることを特徴とする。

また、ラインスイッチ部およびグランドスイッチ部は、Ｎチャネル（以下、Ｎｃｈと表記する）の電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと表記する）により構成されることを特徴とする。

また、第１の閾値の絶対値は、充電時における整流回路の出力電圧の絶対値より大であり、充電開始直後における整流回路の出力電圧の絶対値よりで小であることを特徴とする。

また、第２の閾値の絶対値は、充電時における整流回路の出力電圧の絶対値未満であることを特徴とする。

また、前記受電アンテナより通信信号を送信する場合には前記第１の閾値を第３の閾値に切り替え、前記第３の閾値の絶対値は前記第１の閾値の絶対値よりも大であることを特徴とする。

また、前記受電アンテナから負荷変調を行うことにより通信を行う場合、もしくは受信する場合の閾値は、前記第１の閾値であり、前記受電アンテナより通信信号を送信する場合には、前記第１の閾値を第３の閾値に切り替え、前記第３の閾値の絶対値は前記第１の閾値の絶対値よりも大であることを特徴とする。

また、前記第１の閾値と前記第３の閾値の切り替えは、前記通信部からの制御信号により行われることを特徴とする。

また、本発明による電子機器は、上記の特徴を有する受電装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、信号の通信から電力の伝送に切り替える第１の閾値と、電力の伝送から信号の通信に切り替える第２の閾値で異なる閾値を持つことにより、信号を通信するときと電力を伝送するときで整流回路の出力電圧が近い、もしくは電圧の大小関係が逆転する場合でも、信号の通信と電力の伝送の判別が可能となる。すなわち、信号の通信時における整流回路の出力電圧と電力の伝送時における整流回路の出力電圧の大小によらずに信号の通信と電力の伝送の判別が可能な受電装置が得られる。

本発明による受電装置の構成を示すブロック図である。 本発明による受電装置におけるスイッチ部の具体的な回路構成を示す図である。 本発明による受電装置におけるスイッチ部の第１の変形例を示す図である。 本発明による受電装置におけるスイッチ部の第２の変形例を示す図である。 本発明による受電装置におけるスイッチ部の第３の変形例を示す図である。 本発明による受電装置におけるスイッチ部の第４の変形例を示す図である。 本発明による受電装置の構成を示すブロック図であり、図１の変形例を示している。

本発明による受電装置の実施形態を、図を参照して説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明による受電装置の構成を示すブロック図である。図１において、送電装置１０は、少なくとも一次側制御部１１と、受電装置２０へ電力を供給するための送電アンテナ１２を有する。受電装置２０は、受電アンテナ２１と、整流回路２２と、スイッチ制御部２３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、スイッチ部２６と、通信部２７から構成される。スイッチ制御部２３にはヒステリシス回路２８を含み、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力には負荷２５が接続される。スイッチ部２６は、電力伝送時に受電アンテナ２１及び整流回路２２と、通信部２７との接続を遮断することで過電圧から通信部２７を保護する。

受電アンテナ２１は、送電装置１０から磁気的な結合により送電された電力を交流電力として受電し、整流回路２２に供給するとともに、一次側制御部１１と信号を通信する際にも使用される。即ち、本実施の形態による受電アンテナ２１は、電力の伝送と信号の通信とで共用される。

整流回路２２は、受電アンテナ２１で受電した交流電力を直流電力に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、整流回路２２で整流した直流電力の電圧を変換して負荷２５に電力として供給する。

スイッチ制御部２３は、ヒステリシス回路２８を含み、整流回路２２で整流した直流電力の電圧に応じて、スイッチ部２６を導通状態にするか遮断状態にするかを制御する。

以下、本発明による受電装置の動作を説明する。

受電装置２０が、一次側制御部１１と通信可能な領域に置かれると、一次側制御部１１と受電装置２０の間でＩＤによる認証が行われる。このとき、スイッチ制御部２３は、スイッチ部２６を導通させ、受電アンテナ２１と通信部２７が電気的に接続されるよう制御する。

認証が成功すると、一次側制御部１１は受電装置２０に対し、電力の伝送を開始する。受電アンテナ２１で受電装置２０に受電された電力は整流回路２２で整流される。このとき、スイッチ制御部２３は、後述の手順により整流後の電圧に応じてスイッチ部２６を制御する。

充電開始直後からＤＣ／ＤＣコンバータ２４が動作するまでの間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力インピーダンスが一時的に高い状態になるため、整流回路２２の出力電圧も一時的に上昇する。本発明による受電装置２０は、この整流回路２２の出力電圧が一時的に第１の閾値を越えるとスイッチ制御部２３およびスイッチ部２６を動作させる。第１の閾値は、充電開始直後の整流回路２２の出力電圧と充電時の整流回路２２の出力電圧の中間であればよい。

すなわち、整流回路２２の出力電圧が第１の閾値に達すると、スイッチ制御部は受電装置が信号を通信する状態から電力を伝送する状態に移行したとみなし、スイッチ部２６を遮断する。すると、通信部２７に電力は流れ込まない。

充電開始直後に一時的に上昇した整流回路２２の出力電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４が動作し始めるとともに出力インピーダンスが下がるため、整流回路２２の出力電圧も下がる。受電アンテナ２１で受電装置２０に受電された電力は整流回路２２で整流される。整流された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ２４を通して負荷２５へ供給される。

所定の時間電力が伝送されると、一次側制御部１１は充電を停止する。このとき、整流回路２２の出力電圧はグランドレベルまで下降する。整流回路２２の出力電圧が第２の閾値に到達したところで、受電装置２０は一次側制御部が電力を伝送する状態から信号を通信する状態に移行したとみなし、スイッチ部２６を導通させる。第２の閾値は、例えば、充電時の出力電圧の９０％以下とすることができる。

従って、整流回路２２の出力電圧のレベルをスイッチ制御部２３で検出し、整流回路の出力電圧が第１の閾値より大であればスイッチ部２６を遮断することで通信部２７を保護し、電力の受電を待機する。また、第２の閾値未満であれば電力伝送が終了したと判断し、通信部２７の保護を解除するという動作を繰り返すことにより、信号の通信時の受電電圧と電力の伝送時の受電電圧の大小によらずに信号の通信と電力の伝送の判別が可能となる。

図２は、本発明による受電装置における、スイッチ部２６の具体的な回路構成を示す図である。図２において、スイッチ部２６は、受電アンテナ２１と通信部２７とを結ぶライン上に設けられたラインスイッチ部５２と、各ラインとグランドとの間に設けられたグランドスイッチ部５４とを備えている。ラインスイッチ部５２及びグランドスイッチ部５４は、ＮｃｈのＦＥＴからなる。スイッチ部を構成するＦＥＴのドレインは、受電アンテナ２１のコイルの一端に接続され、ソースは通信部２７に接続され、ゲートはスイッチ制御部２３に接続されている。グランドスイッチ部５４を構成するＦＥＴのドレインは対応するラインに接続され、ソースはグランドに接続され、ゲートはスイッチ制御部２３に接続されている。ツェナーダイオードＺＤは、対応するラインに接続されたカソードと、グランドに接続されたアノードとを有する。

かかる構成を有するスイッチ部によれば、ラインスイッチ部５２を導通させると共にグランドスイッチ部５４を遮断することで、受電アンテナ２１と通信部２７とを接続できる。また、スイッチ部を遮断すると共にグランドスイッチ部５４を導通させることで、通信部２７の入力をグランドレベルで短絡させることができ、受電アンテナ２１から確実に切り離すことができる。

また、グランドスイッチ部５４と並列に接続されたツェナーダイオードを設けても良い。ツェナーダイオードＺＤを備えることで、スイッチ部を導通状態から遮断状態へ移行するときも通信部２７への入力電圧が一定レベル以上になることを防ぐことができる。すなわち、ツェナーダイオードＺＤは、スイッチ部に対して通信部２７の入力保護機能を付加する。

図３は、本発明による受電装置におけるスイッチ部の第１の変形例を示す図である。スイッチ部２６は、上述したものには限られず、スイッチ制御部２３の制御に従って受電アンテナ２１と通信部２７との間を導通または遮断できるものであればよい。例えば、図２に示されるスイッチ部２６においては、各ライン上にラインスイッチ部５２を設けることとしていたが、図３に示されるスイッチ部２６のように、一方のライン上に双方向スイッチ部５６を設けてもよい。

図４は、本発明による受電装置におけるスイッチ部の第２の変形例を示す図である。図３において、スイッチ部２６は、通信部２７の入力を保護する入力保護部として双方向スイッチ部５６が設けられたラインとグランドとの間に接続されたツェナーダイオードＺＤを有しているが、図４に示されるスイッチ部２６のように、ツェナーダイオードＺＤを省略してもよい。図３に示されるスイッチ部２６や図４に示されるスイッチ部２６においても、信号時は双方向スイッチ部５６を導通させる一方でグランドスイッチ部５４を遮断することで、スイッチ部２６を導通状態とし、電力伝送時は双方向スイッチ部５６を遮断とする一方でグランドスイッチ部５４を導通させることで、スイッチ部２６を遮断状態とするように、スイッチ制御部２３はスイッチ部２６を制御する。

図５は、本発明による受電装置におけるスイッチ部の第３の変形例を示す図である。上述したスイッチ部２６において、通信部２７の入力を保護する入力保護部５５はツェナーダイオードＺＤで構成されていたが、本発明はこれに限定されるわけではない。例えば、図５に示されるスイッチ部２６は、ダイオードからなる入力保護部５５−１を備えている。入力保護部５５−１を構成するダイオードのアノードは、対応するラインに接続されており、同ダイオードのカソードはグランドに接続されている。かかる構成によれば、ダイオードの順電圧Ｖｆ以上の電圧が対応するラインに印加されると、ダイオードが導通し、通信部２７が保護される。

図６は、本発明による受電装置におけるスイッチ部の第４の変形例を示す図である。図６に示されるスイッチ部２６のように、複数のダイオードを直列接続して入力保護部５５−２を構成してもよい。

図６で図示されているように、直列接続された複数のダイオードの一端を構成するダイオードのアノードは対応するラインに接続されている一方、直列接続された複数のダイオードの他端を構成するダイオードのカソードはグランドに接続されている。同構成のダイオードを用いて入力保護部５５−２を構成する場合、ダイオードの順電圧Ｖｆ×ダイオードの個数（直列数）で決まる電圧が入力保護部５５−２の動作電圧となる。

また、複数種のダイオードを用いて入力保護部５５−２を構成する場合、個々の入力保護部５５−２の順電圧Ｖｆの合計で決まる電圧が入力保護部５５−２の動作電圧となる。このように、複数のダイオードを用いて入力保護部５５−２を構成すると、入力保護部５５−２の動作電圧を細かく設定することができる。

このようにして設定された動作電圧以上の電圧がラインに印加されると、入力保護部５５−２に電流が流れ、通信部２７が保護される。

図７は、本発明による受電装置の構成を示すブロック図であり、図１の変形例を示している。図１とは、受電アンテナ２１と整流回路２２の間にスイッチ部２６１を設け、通信部２７からスイッチ制御部２３への制御信号経路２９を有している点が異なる。

受電装置２０が他のＩＣカードやＩＣタグと通信するような、受電装置２０からの通信を行う場合がある。この場合は受電装置２０がリーダライタのような機能を有することとなり、送電装置１０が通信先のＩＣカードやＩＣタグ等に該当する。

このような受電装置２０から送電装置１０への通信を行う場合には、受電アンテナ２１から通信信号を発信することになるため、整流回路２２の出力電圧が、受電アンテナ２１が通信信号を受信することを基に想定していた第１の閾値を超えてしまうことがある。

受電装置２０から送電装置１０への通信を行っている最中に整流回路２２の出力電圧が第１の閾値を超してしまうと、スイッチ部２６を遮断するため、受電アンテナ２１から通信信号を出力できなくなってしまう。

そこで、スイッチ制御部に予め第３の閾値を設定しておき、受電装置２０から送電装置１０への通信を行う場合のみ通信部２７からスイッチ制御部２３へ制御信号経路２９を介して制御信号を伝達し、第１の閾値を第３の閾値に切り替えるよう構成すれば、受電装置２０から送電装置１０への通信を行っている最中にスイッチ部２６による通信信号の遮断が起こらないため、上記のような問題が起こらない。

なお、第３の閾値は通信部２７を保護できる上限の電圧と、受電装置２０から送電装置１０への通信による整流回路２２の出力電圧の上限値の中間であればよい。

また、受電装置２０と送電装置１０の間で通信を行う場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４から負荷２５に通信信号の電力が消費されることで充分な通信信号レベルを確保できない場合には、整流回路２２とＤＣ／ＤＣコンバータ２４の間に設けたスイッチ部２６１により、通信時のみ遮断するよう構成してもよい。

他に、スイッチ部２６１の開閉により負荷２５への送電電力を変調することで、受電アンテナ２１へ受電する際に負荷変調通信を行うこともできる。ここで、ＩＣカードのようにスイッチ部２６１による負荷変調通信を行う場合は第１の閾値を採用し、ＩＣカードに対するリーダライタのように通信部２７からの通信信号の送受信を行う場合は第１の閾値を第３の閾値に変更することとしてもよい。

以上、この発明の実施の形態を説明したが、この発明は本実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。

本発明は、非接触充電機能を有する携帯電話機やデジタルカメラ等のような電子機器に適用可能であり、更に、それらを備えるシステムにも適用可能である。

１０ 送電装置
１１ 一次側制御部
１２ 送電アンテナ
２０ 受電装置
２１ 受電アンテナ
２２ 整流回路
２３ スイッチ制御部
２４ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５ 負荷
２６、２６１ スイッチ部
２７ 通信部
２８ ヒステリシス回路
２９ 制御信号経路
５２ ラインスイッチ部
５４ グランドスイッチ部
５５、５５−１、５５−２ 入力保護部
５６ 双方向スイッチ部
Ｄ ドレイン
Ｇ ゲート
Ｓ ソース
ＺＤ ツェナーダイオード

Claims (9)

1. 通信信号の伝送と電力の伝送を時分割で行う受電アンテナと、
   前記電力を直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路に接続され、負荷に電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記通信信号を処理する通信部と、
   前記通信部を保護するスイッチ部と、
   前記整流回路の出力に応じて前記スイッチ部を制御するスイッチ制御部とを少なくとも備え、
   前記スイッチ制御部の切り替えの閾値は、通信から充電に切り替える時の第１の閾値と充電から通信に切り替える第２の閾値が異なることを特徴とする受電装置。
2. 前記スイッチ部は、少なくとも前記受電アンテナと前記通信部とを結ぶライン上に設けられたラインスイッチ部と、各ラインとグランドとの間に設けられたグランドスイッチ部により構成されることを特徴とする、請求項１に記載の受電装置。
3. 前記ラインスイッチ部と前記グランドスイッチ部は、ＮｃｈのＦＥＴにより構成されることを特徴とする、請求項１か請求項２のいずれかに記載の受電装置。
4. 前記第１の閾値の絶対値は、充電時における前記整流回路の出力電圧の絶対値より大であり、充電開始直後における前記整流回路の出力電圧の絶対値より小であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の受電装置。
5. 前記第２の閾値の絶対値は、充電時における前記整流回路の出力電圧の絶対値未満であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の受電装置。
6. 前記受電アンテナより通信信号を送信する場合には前記第１の閾値を第３の閾値に切り替え、
   前記第３の閾値の絶対値は前記第１の閾値の絶対値よりも大であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の受電装置。
7. 前記受電アンテナから負荷変調を行うことにより通信を行う場合、もしくは受信する場合の閾値は、
   前記第１の閾値であり、
   前記受電アンテナより通信信号を送信する場合には、前記第１の閾値を第３の閾値に切り替え、
   前記第３の閾値の絶対値は前記第１の閾値の絶対値よりも大であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の受電装置。
8. 前記第１の閾値と前記第３の閾値の切り替えは、前記通信部からの制御信号により行われることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の受電装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の受電装置を備えることを特徴とする電子機器。

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