JP2015008606A - 復調器およびそれを用いた、制御回路、ワイヤレス送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定したパケット受信が可能な送電装置を提供する。
【解決手段】復調器２０８は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス送電装置に搭載され、送信アンテナの１次コイルに流れるコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬまたはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号Ｓ５を復調する。複数の復調部２３０ａ、２３０ｂは、それぞれが異なる形式を有し、それぞれが並列に動作し、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬまたはコイル電圧から変調成分を抽出し、ベースバンド信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂを復調する。信号処理部２３２は、複数の復調部２３０ａ、２３０ｂにより生成される複数のベースバンド信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂのうち、サムチェックによる誤り検出の結果、正しく受信されたベースバンド信号を採用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、電子機器に電力を供給するために、無接点電力伝送（非接触給電、ワイヤレス給電ともいう）が普及し始めている。異なるメーカーの製品間の相互利用を促進するために、ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が組織され、ＷＰＣにより国際標準規格であるＱｉ（チー）規格が策定された。

図１は、Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電システム１００の構成を示す図である。給電システム１００は、送電装置２００（ＴＸ）と受電装置３００（ＲＸ）と、を備える。受電装置３００は、携帯電話端末、スマートホン、オーディオプレイヤ、ゲーム機器、タブレット端末などの電子機器に搭載される。

送電装置２００は、送信コイル２０２（１次コイル）、ドライバ２０４、コントローラ２０６、復調器２０８を備える。ドライバ２０４は、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）、あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル２０２に駆動信号Ｓ１、たとえば駆動電流あるいは駆動電圧を印加し、送信コイル２０２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。コントローラ２０６は、送電装置２００全体を統括的に制御する。具体的には、ドライバ２０４のスイッチング周波数、あるいはスイッチングのデューティ比を制御することにより、送信電力を変化させる。

Ｑｉ規格では、送電装置２００と受電装置３００の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３００から送電装置２００に対して、制御信号Ｓ３による情報の伝達が可能となっている。この制御信号Ｓ３は、後方散乱変調（Backscatter modulation）を利用して、ＡＭ（Amplitude Modulation）変調された形で、受信コイル３０２（２次コイル）から送信コイル２０２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３００に対する電力供給量を指示する電力制御データ（パケットともいう）、受電装置３００の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器２０８は、送信コイル２０２の電流あるいは電圧に含まれる制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２０６は、復調された制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データにもとづいて、ドライバ２０４を制御する。

受電装置３００は、受信コイル３０２、整流回路３０４、コンデンサ３０６、変調器３０８、負荷回路３１０、コントローラ３１２、電源回路３１４を備える。受信コイル３０２は、送信コイル２０２からの電力信号Ｓ２を受信するとともに、制御信号Ｓ３を送信コイル２０２に対して送信する。整流回路３０４およびコンデンサ３０６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３０２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧に変換する。

電源回路３１４は、送電装置２００から供給された電力を利用して図示しない２次電池を充電し、あるいは直流電圧Ｖｄｃを昇圧あるいは降圧し、コントローラ３１２やその他の負荷回路３１０に供給する。

コントローラ３１２は、受電装置３００が受けている電力供給量をモニタし、それに応じて、電力供給量を指示する電力制御データを生成する。変調器３０８は、電力制御データを含む制御信号Ｓ３を変調し、受信コイル３０２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２０２のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

特開２０１３−３８８５４号公報

送電装置２００と受電装置３００の通信プロトコルについて説明する。受電装置３００は、後方散乱変調を利用して、送電装置２００と通信する。具体的には受電装置３００は、送電装置２００からの電力信号Ｓ２を受信するものであるが、その受電量を変調することにより、送信コイル２０２のコイル電流および／またはコイル電圧を変調する。つまり、送電装置２００および受電装置３００は、ＡＭ変調された電力信号Ｓ２を、それらの間の通信チャンネルとして利用する。

図２は、送信コイル２０２に発生するコイル電流／コイル電圧を示す波形図である。受電装置３００は、送信コイル２０２のコイル電流および／またはコイル電圧を、２状態、つまりＨＩステートとＬＯステートで変化させる。Ｑｉ規格では、ＨｉステートＬｏステートの間でのコイル電流の差分は、１５ｍＡ以上、コイル電圧の差分は２００ｍＶ以上と規定されている。またコイル電流に関しては、電流変動量が８ｍＡ、コイル電圧に関しては、電圧変動幅が１１０ｍＡと規定されている。遷移時間Ｔｒは１００μｓ、最小安定時間Ｔｓは１５０μｓである。

図１の復調器２０８は、送信アンテナ２０１のコイル電圧あるいはコイル電流に生ずる状態変化を検出し、制御信号Ｓ３を復調する。Ｑｉ規格では、復調器２０８の具体的な復調方法、その構成は規定されておらず、各製造者にゆだねられている。

本発明者らは、こうした復調器２０８について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
図２に示すコイル電流あるいはコイル電圧のバイアス点は、受電装置３００側に流れる負荷電流、つまり送電量に応じてダイナミックに変動する。したがってあるいバイアス点（負荷電流）に最適化して復調器２０８を設計すると、負荷変動が発生したときに、パケットの受信率が変動するという問題が生ずる。なおこの問題を、当業者の一般的な認識としてとらえてはならない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、安定したパケット受信が可能な送電装置の提供にある。

本発明のある態様は、復調器に関する。この復調器は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス送電装置に搭載され、送信アンテナの１次コイルに流れるコイル電流またはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号を復調する。
復調器は、それぞれが異なる復調特性を有する複数の復調部であって、それぞれが並列に動作し、コイル電流またはコイル電圧から変調成分を抽出し、ベースバンド信号を復調する複数の復調部と、複数の復調部により生成される複数のベースバンド信号のうち、サムチェックによる誤り検出の結果、正しく受信されたベースバンド信号を採用する信号処理部と、を備える。

この態様によると、複数の形式の異なる復調部を用意しておき、複数の復調部により並列にベースバンド信号に復調し、正常に受信されたベースバンド信号を採用することにより、さまざまな状況下において、安定したパケット受信が可能となる。

複数の復調部はそれぞれ、異なる負荷電流において、高い受信率を有するよう構成されていてもよい。
これにより、受電装置における負荷電流が変動し、コイル電圧あるいはコイル電流のバイアス点が変化した場合であっても、そのときの負荷電流（バイアス点）に最適化された復調部により、パケットを正しく受信できる。

信号処理部は、複数のベースバンド信号を順にサムチェックの対象としてもよい。

複数の復調部の少なくともひとつは、コイル電流またはコイル電圧を整流するダイオード整流回路を含んでもよい。これにより、負荷電流が大きいときの受信率を高めることができる。

複数の復調部の少なくともひとつは、コイル電流またはコイル電圧を同期検波するブリッジ回路を含んでもよい。これにより、負荷電流が小さいときの受信率を高めることができる。

復調器は、送信アンテナに流れるコイル電流に応じた検出信号を生成するカレントトランスを含んでもよい。

復調器は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。「一体集積化」とは、回路の構成要素のすべてが半導体基板上に形成される場合や、回路の主要構成要素が一体集積化される場合が含まれ、回路定数の調節用に一部の抵抗やキャパシタなどが半導体基板の外部に設けられていてもよい。回路を１つのＩＣとして集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。

本発明の別の態様は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス送電装置に使用される制御回路に関する。ワイヤレス送電装置は、１次コイルを含む送信アンテナ、送信アンテナに接続されたドライバを備える。制御回路は、送信アンテナの１次コイルに流れるコイル電流またはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号を復調する上述のいずれかの復調器と、復調器から得られるベースバンド信号にもとづいて、ドライバを制御するコントローラと、を備える。

制御回路は、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。

本発明の別の態様は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス送電装置に関する。ワイヤレス送電装置は、１次コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナに接続されたドライバと、ドライバを制御するコントローラと、１次コイルに流れるコイル電流またはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号を復調する上述のいずれかの復調器と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、ワイヤレス受電装置からのパケット受信率を高めることができる。

Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 送信コイルに発生するコイル電流／コイル電圧を示す波形図である。 実施の形態に係るワイヤレス送電装置の構成を示す回路図である。 図３の復調器の構成を示す回路図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図３は、実施の形態に係るワイヤレス送電装置（以下、単に送電装置と称する）２００の構成を示す回路図である。送電装置２００は、図１のＱｉ規格に準拠した給電システム１００に使用される。

送電装置２００は、送信アンテナ２０１、ドライバ２０４、制御回路２２０、を備える。

送信アンテナ２０１は、直列に接続された送信コイル２０２および共振コンデンサ２０３を含み、所定の共振周波数ｆｒを有する。

ドライバ２０４は、トランジスタＭ１〜Ｍ４を含むＨブリッジ回路であり、送信アンテナ２０１の両端間に共振周波数ｆｒ近傍の周波数を有するパルス状の駆動信号Ｓ１を印加する。ドライバ２０４は、ハーフブリッジ回路であってもよい。

制御回路２２０は、コントローラ２０６および復調器２０８を備え、ひとつの半導体基板上に一体集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。復調器２０８は、送信アンテナ２０１が受信した受電装置（不図示）からの制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２０６は、復調された制御信号Ｓ３に応じたベースバンド信号Ｓ５にもとづいて、ドライバ２０４を制御する。

コントローラ２０６は、パルス信号生成部２２２およびプリドライバ２２４を含む。パルス信号生成部２２２は、電力制御データを含むベースバンド信号Ｓ５にもとづいて、トランジスタＭ１〜Ｍ４のオン、オフを指示するパルス信号Ｓ６を生成する。プリドライバ２２４は、パルス信号Ｓ６にもとづいてドライバ２０４のトランジスタＭ１〜Ｍ４をスイッチングする。

図３の送電装置２００において、送信電力は、ドライバ２０４が送信コイル２０２に印加する駆動信号Ｓ１の周波数、つまりパルス信号Ｓ６の周波数にもとづいて調節される。具体的には、パルス信号Ｓ６の周波数を、送信コイル２０２を含むアンテナの共振周波数ｆｒに近づけると、送信電力が増加し、遠ざかるにしたがって送信電力は低下する。つまりパルス信号生成部２２２は、ベースバンド信号Ｓ５にもとづいてパルス信号Ｓ６の周波数を調節する。

図４は、図３の復調器２０８の構成を示す回路図である。復調器２０８は、送信アンテナ２０１の１次コイル２０２に流れるコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬまたはその両端間のコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬに重畳された振幅変調信号Ｓ３を復調する。本実施の形態では、復調器２０８は、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに重畳される振幅変調信号Ｓ３を復調する。

復調器２０８は、複数の復調部２３０ａ、２３０ｂ、信号処理部２３２、カレントトランス２３４を備える。本実施の形態では、２個の復調部を説明するが、その個数は任意である。

カレントトランス２３４は、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに応じた検出信号Ｓ７を生成する。
複数の復調部２３０ａ、２３０ｂは、それぞれが異なる復調特性を有する。複数の復調部２３０ａ、２３０ｂは、それぞれが並列に動作し、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに応じた検出信号Ｓ７から変調成分を抽出し、ベースバンド信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂを復調する。

好ましくは複数の復調部２３０ａ、２３０ｂはそれぞれ、異なる負荷電流において、高い受信率を有するよう構成されている。

たとえば復調部２３０ａは、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬ（またはコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬ）を整流するダイオード整流回路を含んでもよい。ダイオード整流回路により、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに含まれるパルス信号Ｓ６の周波数成分が直流化され、直流成分をＲＣフィルタにより除去することにより、振幅変調信号Ｓ３が抽出される。復調部２３０ａは、抽出された振幅変調信号Ｓ３からベースバンド信号Ｓ５ａを復調する。この復調方式を、本明細書において、電流方式とも称する。

また復調部２３０ｂは、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬ（またはコイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬ）を同期検波するブリッジ回路を含んでもよい。ブリッジ回路を用いて、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬを同期検波し、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬがピーク付近で平坦となる部分を抽出することで、コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに含まれる振幅変調信号Ｓ３が抽出される。復調部２３０ｂは、抽出された振幅変調信号Ｓ３からベースバンド信号Ｓ５ｂを復調する。この復調方式を、本明細書において、同期方式とも称する。

信号処理部２３２は、複数の復調部２３０ａ、２３０ｂにより生成される複数のベースバンド信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂのうち、サムチェックによる誤り検出の結果、正しく受信されたひとつのベースバンド信号Ｓ５を採用する。

以上が復調器２０８の構成である。
続いてその動作を説明する。

コイル電流Ｉ_ＣＯＩＬに応じた検出信号Ｓ７にもとづいて、復調部２３０ａ、２３０ｂにより、同時並列的に、ベースバンド信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂが生成される。
たとえば信号処理部２３２は、複数のベースバンド信号Ｓ５ａ、Ｓ５ｂを順にサムチェックの対象とする。具体的には、ひとつのベースバンド信号Ｓ５ａをサムチェックの対象とし、正しく受信されているときには、ベースバンド信号Ｓ５ａを採用し、コントローラ２０６に出力する。ベースバンド信号Ｓ５ａが正しく受信されていない場合、次のベースバンド信号Ｓ５ｂをサムチェックの対象とし、ベースバンド信号Ｓ５ｂが正しく受信されている場合にはそれをコントローラ２０６に出力する。ベースバンド信号Ｓ５ｂが正しく受信されない場合、送電装置２００は受電装置３００にエラーを返す。

以上が復調器２０８の動作である。

実施の形態に係る復調器２０８によれば、複数の形式の異なる復調部２３０を用意しておき、複数の復調部２３０により並列にベースバンド信号Ｓ５に復調し、正常に受信されたベースバンド信号Ｓ５を採用することにより、さまざまな状況下において、安定したパケット受信が可能となる。

特に、複数の復調部２３０ａ、２３０ｂをそれぞれ、異なる負荷電流において、高い受信率を有するよう構成したことにより、受電装置３００における負荷電流が変動し、コイル電圧あるいはコイル電流のバイアス点が変化した場合であっても、そのときの負荷電流（バイアス点）に最適化されたいずれかの復調部により、パケットを正しく受信できる。

複数の復調部２３０のひとつを電流方式としたことで、負荷電流が大きいときの受信率を高めることができる。また、復調部２３０のひとつを、同期方式としたことにより、負荷電流が小さいときの受信率を高めることができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１の変形例）
たとえば複数の復調部２３０の構成、方式の組み合わせは特に限定されず、後方散乱変調された信号を復調可能な公知の技術を用いてもよい。
また、実施の形態では、複数の復調部２３０がコイル電流Ｉ_ＣＯＩＬにもとづいてベースバンド信号Ｓ５を復調する場合を説明したが、一部あるいは全部の復調部２３０は、コイル電圧Ｖ_ＣＯＩＬにもとづいてベースバンド信号Ｓ５を復調してもよい。

（第２の変形例）
実施の形態では、Ｑｉ規格に準拠するワイヤレス送電装置について説明したが、本発明はそれに限定されず、Ｑｉ規格と類似するシステムに使用されるワイヤレス送電装置や、将来策定されるであろう規格に準拠する送電装置２００にも適用しうる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１００…給電システム、２００，ＴＸ…送電装置、２０１…送信アンテナ、２０２…送信コイル、２０３…共振コンデンサ、２０４…ドライバ、２０６…コントローラ、２０８…復調器、３００，ＲＸ…受電装置、３０２…受信コイル、３０４…整流回路、３０６…コンデンサ、３０８…変調器、３１０…負荷回路、３１２…コントローラ、３１４…電源回路、Ｓ１…駆動信号、Ｓ２…電力信号、２２０…制御回路、２２２…パルス信号生成部、２２４…プリドライバ、２３０…復調部、２３０ａ…第１復調部、２３０ｂ…第２復調部、２３２…信号処理部、２３４…カレントトランス。

Claims (10)

1. Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス送電装置に搭載され、送信アンテナの１次コイルに流れるコイル電流またはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号を復調する復調器であって、
   それぞれが異なる復調特性を有する複数の復調部であって、それぞれが並列に動作し、前記コイル電流または前記コイル電圧から変調成分を抽出し、ベースバンド信号を復調する複数の復調部と、
   前記複数の復調部により生成される複数のベースバンド信号のうち、サムチェックによる誤り検出の結果、正しく受信されたベースバンド信号を採用する信号処理部と、
   を備えることを特徴とする復調器。
2. 前記複数の復調部はそれぞれ、異なる負荷電流において、高い受信率を有するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の復調器。
3. 前記信号処理部は、前記複数のベースバンド信号を順にサムチェックの対象とすることを特徴とする請求項１または２に記載の復調器。
4. 前記複数の復調部の少なくともひとつは、前記コイル電流または前記コイル電圧をダイオード整流するダイオード整流回路を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の復調器。
5. 前記複数の復調部の少なくともひとつは、前記コイル電流または前記コイル電圧を同期検波するブリッジ回路を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の復調器。
6. 前記送信アンテナに流れるコイル電流に応じた検出信号を生成する検出するカレントトランスをさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の復調器。
7. ひとつの半導体基板に一体集積化されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の復調器。
8. １次コイルを含む送信アンテナ、前記送信アンテナに接続されたドライバを備えるＱｉ規格に準拠したワイヤレス送電装置に使用される制御回路であって、
   前記送信アンテナの１次コイルに流れるコイル電流またはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号を復調する、請求項１から７のいずれかに記載の復調器と、
   前記復調器から得られるベースバンド信号にもとづいて、前記ドライバを制御するコントローラと、
   を備えることを特徴とする制御回路。
9. ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項８に記載の制御回路。
10. １次コイルを含む送信アンテナと、
    前記送信アンテナに接続されたドライバと、
    前記ドライバを制御するコントローラと、
    前記１次コイルに流れるコイル電流またはその両端間のコイル電圧に重畳された振幅変調信号を復調する、請求項１から７のいずれかに記載の復調器と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス送電装置。

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