JP2016025702A - ワイヤレス受電装置、そのレシーバ回路およびワイヤレス受電装置の制御方法 - Google Patents

ワイヤレス受電装置、そのレシーバ回路およびワイヤレス受電装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】上述の課題の少なくともひとつを解決可能なワイヤレス受信装置を提供する。
【解決手段】整流回路404は、受信アンテナ401に接続され、整流電圧VRECTを生成する。充電回路414は、整流電圧VRECTを受け、蓄電素子450を充電する。変調器408は、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータS3に応じて、充電回路414の充電電流ICHGを変化させることにより、受信アンテナ401の電圧または電流を変調する。
【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規格に準拠し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、Power Transmitter)と受電装置300(RX、Power Receiver)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、送信アンテナ201、ドライバ204、コントローラ206、復調器208を備える。送信アンテナ201は、送信コイル(1次コイル)202および共振コンデンサ203を含む。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、具体的にはパルス信号を印加し、送信コイル202に流れる駆動電流により、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ものであり、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、制御データS3を伝達可能となっている。この制御データ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。この制御データ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データS3を復調する。コントローラ206は、復調された制御データ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、2次電池310、コントローラ312、充電回路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、制御データ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。
充電回路314は、送電装置200から供給された電力を利用して2次電池310を充電する。
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(コントロールエラー値)を生成する。変調器308は、電力制御データを含む制御データ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。
以上が給電システム100の構成である。
図2(a)、(b)は、本発明者らが検討した変調器308の回路図である。受信アンテナ301は、直列に接続された受信コイル302および共振用のコンデンサ303を含む。図2(a)の変調器308は、キャパシタC1、C2、スイッチSW1、SW2、抵抗R1を含む。スイッチSW1、SW2をオンすると、オフ状態に比べて並列共振周波数がシフトする。これによりAM通信用の変調深度が得られ、AM変調が可能となる。
図2(b)の変調器308は、整流回路304の出力と接地間に直列に接続されたスイッチSW3および抵抗R2を含む。スイッチSW3をオンすると、整流回路304の出力から接地に向かって電流が引き込まれ、これによりAM通信用の変調深度が得られる。
特開2013−230079号公報
本発明者らは、図2(a)、(b)の変調器308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3は、図2(a)の変調器308の周波数特性を示す図である。f1は、直列共振周波数を、f2は並列共振周波数を示す。スイッチSW1,SW2のオン、オフに応じて、並列共振周波数f2がシフトする。この場合に、2つの周波数特性のクロスポイントにおいては、変調深度がゼロとなるため、データ通信の周波数がクロスポイントの近傍となると、通信が不安定となるという問題が生ずる。
また、図2(b)の変調器308を用いた場合、受信した電力の一部を、スイッチSW3および抵抗R2を介して接地に捨てることとなるため、効率の低下、および/または発熱の要因となる。
本発明はかか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、上述の課題の少なくともひとつを解決可能なワイヤレス受信装置の提供にある。
本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、受信アンテナと、受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、整流電圧を受け、蓄電素子を充電する充電回路と、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、充電回路の充電電流を変化させることにより、受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、を備える。
この態様によると、充電電流を変化させることにより、受信アンテナに、データに応じた電流成分を誘起させることができ、これによりAM変調された信号を、ワイヤレス送電装置に送信できる。これによれば、周波数に依存せずに安定した変調度を得ることができ、および/または、充電電流は電池に回収されるため、効率の低下を抑制できる。
充電回路は、充電電流が、第1電流量と第2電流量で切りかえ可能に構成されてもよい。
充電回路は、電池に、第1電流量を定常的に供給する第1電流源と、電池に、第1電流量と第2電流量の差分電流を、データに応じてオン、オフ可能に供給する第2電流源と、を含んでもよい。
本発明の別の態様もまた、ワイヤレス受電装置である。このワイヤレス受電装置は、受信アンテナと、受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、整流回路から負荷に流れ込む電流の経路上に設けられ、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、電流を変化させることにより、受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、を備える。
この態様によれば、負荷に流れ込む電流を変化させることにより、受信アンテナに、データに応じた電流成分を誘起させることができ、これによりAM変調された信号を、ワイヤレス送電装置に送信できる。これによれば、周波数に依存せずに安定した変調度を得ることができ、および/または、電流の変動成分は負荷に無駄なく供給されるため、効率の低下を抑制できる。
ワイヤレス受電装置は、Qi規格に準拠してもよい。
本発明のさらに別の態様は、レシーバ回路である。このレシーバ回路は、受信アンテナとともにワイヤレス受電装置に使用されるレシーバ回路であって、受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、整流電圧を受け、蓄電素子を充電する充電回路と、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、充電回路の充電電流を変化させることにより、受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、を備える。
充電回路は、充電電流が、第1電流量と第2電流量で切りかえ可能に構成されてもよい。
充電回路は、電池に、第1電流量を定常的に供給する第1電流源と、電池に、第1電流量と第2電流量の差分電流を、データに応じてオン、オフ可能に供給する第2電流源と、を含んでもよい。
本発明のさらに別の態様もまた、レシーバ回路である。このレシーバ回路は、受信アンテナとともにワイヤレス受電装置に使用されるレシーバ回路であって、受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、整流回路から負荷に流れ込む電流の経路上に設けられ、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、電流を変化させることにより、受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、を備える。
レシーバ回路は、Qi規格に準拠してもよい。
レシーバ回路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。
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、上述の課題の少なくともひとつを解決できる。
Qi規格に準拠したワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 図2(a)、(b)は、本発明者らが検討した変調器の回路図である。 図2(a)の変調器の周波数特性を示す図である。 実施の形態に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。 図4の受電装置の動作波形図である。 図6(a)〜(d)は、充電回路の構成例を示す回路図である。 第1変形例に係る受電装置の回路図である。
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4は、実施の形態に係るワイヤレス受電装置(以下、単に受電装置と称する)400の構成を示す回路図である。受電装置400は、図1のQi規格に準拠した給電システム100に、受電装置300に代えて使用可能である。
本実施の形態において、受電装置400は、図示しない送電装置200からの電力信号S2を受け、受信した電力を利用して蓄電素子450を充電可能に構成される。蓄電素子450は、リチウムイオンやニッケル水素などの2次電池であってもよい。あるいは蓄電素子450はキャパシタであってもよい。
受電装置400は、受信アンテナ401およびレシーバ回路440を備える。受信アンテナ401は、直列に接続された受信コイル402および共振コンデンサ403aと、受信コイル402および共振コンデンサ403aにわたり並列に設けられた共振コンデンサ403bを含む。なお受信アンテナ401の構成は特に限定されない。
レシーバ回路440は、受信アンテナ401および蓄電素子450と接続される。レシーバ回路440は、電力信号S2に応じて受信アンテナ401に誘起される電流を整流・平滑化して直流電圧VRECTに変換し、直流電圧VRECTを利用して蓄電素子450を充電可能に構成される。またレシーバ回路440は、受信アンテナ401に流れる電流を、送電装置200に送信すべきデータに応じて変調し、後方散乱によりデータを送電装置200に送信する機能を有する。レシーバ回路440は、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能ICであってもよい。
レシーバ回路440は、整流回路404、平滑コンデンサ406、変調器408、コントローラ410、充電回路414を備える。
整流回路404は、受信アンテナ401に接続され、整流電圧VRECTを生成する。整流回路404は、ダイオードブリッジ回路あるいは同期整流回路であってもよい。整流回路304の出力には、平滑用のコンデンサ306が接続され、整流電圧VRECTを平滑化する。
充電回路414は、整流電圧VRECTを受け、蓄電素子450を充電する。具体的には充電回路414は、蓄電素子450の電圧VBATの範囲に応じて、蓄電素子450を定電流(CC:Constant Current)モード、あるいは定電圧(CV:Constant Voltage)モードで充電可能に構成される。充電回路414は、蓄電素子450に供給する充電電流ICHGを、充電を目的として調節された電流量を基準として、あるいはその近傍で、2値あるいは多値で切りかえ可能に構成され、あるいはある範囲を連続的に変化可能に構成されている。
充電回路414は、CCモードにおいては定電流源、CVモードにおいては定電圧源として動作する電源416と、電源416を制御する充電コントローラ418を含む。充電コントローラ418はCCモードにおいては、電源416が生成する充電電流ICHGのベースライン(平均レベル)を目標値に近づくようにフィードバック制御する。また充電コントローラ418はCVモードにおいては、電池電圧VBATが目標値に近づくように、電源416が生成する充電電流ICHGのベースライン(平均レベル)を調節する。
充電回路414の出力電流ICHGは、充電コントローラ418により調節された電流量の近傍で変化する。
コントローラ410は、レシーバ回路440、ひいては受電装置400を統括的に制御する。たとえばコントローラ410は、送電装置200に送信すべき制御データS3を適切なタイミングで生成し、変調器408に出力する。
制御データS3としては、(i)認証フェーズにおいて送電装置200に送信されるIDデータ、(ii)送電装置200の送信電力を制御するためのコントロールエラー(CE)パケット、(iii)受電装置400が現在受信している電力PRXを示す受信電力データなどが例示される。
CEパケットは、整流電圧VRECTとその目標レベルであるデザイアドポイント(DP:Desired Point)の差分から求められる。したがってコントローラ410は、整流電圧VRECTをセンスし、DPとの差分を演算する機能を有する。また、コントローラ410は、充電回路414に流れる電流IOUTをセンスし、整流電圧VRECTとの積を計算することにより、受信電力PRXを演算する機能を有する。なお、受信電力RPXの演算式はこれには限定されず、他の手法を用いてもよい。
変調器408は、送電装置200に送信すべき制御データS3を受け、制御データS3に応じて、充電回路414から蓄電素子450に供給される充電電流ICHGを変化させる。これにより、受信アンテナ401の電圧または電流に、制御データS3に応じた変調成分が重畳され、受信アンテナ401から制御データS3に応じた信号が放射される。
以上が受電装置400の構成である。続いてその動作を説明する。
図5は、図4の受電装置400の動作波形図である。充電回路414は、充電コントローラ418により調節された充電電流ICHGを生成する。変調器408は、コントローラ410から、送電装置200に送信すべき制御データS3を受け、制御データS3に応じて、充電回路414が生成する充電電流ICHGを振幅変調する。受信アンテナ401には、電力信号S2により誘起される受信電流IRX(S4)が流れており、この受信電流IRXに、充電電流ICHGの変動に応じた変調成分S5が重畳され、変調成分S5に応じた電磁界S6が、受信コイル402から放射される。これにより、電磁界S6により制御データS3が搬送される。
このように、充電電流ICHGを変化させることにより、受信アンテナ401に、データS3に応じた電流成分S5を誘起させることができ、これによりAM変調された信号を、ワイヤレス送電装置に送信できる。受電装置400によれば、周波数に依存せずに安定した変調度を得ることができる。また、充電電流ICHGは電池450に回収されるため、充電電流ICHGを変動させることによる電力損失は実質的に発生せず、受電装置400の効率の低下を抑制できる。
本発明は、上述の説明により把握されるあらゆる態様に及ぶものであるが、以下、充電回路414の構成例を説明する。
図6(a)〜(d)は、充電回路414の構成例を示す回路図である。
図6(a)の充電回路414は、充電コントローラ418、第1電流源420、第2電流源422、を含む。
充電回路414は、第1電流量I1を供給する第1状態と、第2電流量I2を供給する第2状態と、が切り換え可能に構成される。
第1電流源420は、電池450に充電コントローラ418により調節される第1電流量I1を定常的に供給する。第2電流源422は、変調器408からの変調信号に応じて、第1電流量I1と第2電流量I2の差分電流ΔIを、変調器408からの変調信号(データS3)に応じてオン、オフ可能に供給する。第2電流源422のオン、オフは、たとえば電流経路上に設けたスイッチSW11により制御してもよい。これにより、充電電流ICHGは、I1と、I2=I1+ΔIの2値で切り換えられる。
第2電流源422が生成する差分電流(変調電流ともいう)ΔIは、第1電流量I1に比例して調節されてもよいし、固定電流であってもよい。
図6(b)の充電回路414では、変調器408からの変調信号(データS3)に応じて、充電電流ICHGの目標電流IREFが変調される。充電コントローラ418は、充電電流ICHGを、変調された目標電流IREFに近づくようにフィードバック制御する。
図6(c)、(d)には、電源416の具体的な構成例が示される。図6(c)の電源416はリニア電源であり、MOSFETあるいはバイポーラトランジスタを含む。充電コントローラ418は誤差増幅器であり、CCモードでは、充電電流ICHGの検出値が目標値に近づくように、CVモードでは、電池電圧VBATの検出値が目標値に近づくように、トランジスタのゲート/ベース電圧を調節する。
図6(d)の電源416はスイッチング電源であり、スイッチング素子であるトランジスタM1、インダクタL1、整流素子D1を含む。充電コントローラ418は、誤差増幅器430、パルス変調器432、ドライバ434を含む。誤差増幅器430は、充電電流ICHGの検出値と目標値の誤差を増幅し、CVモードでは、電池電圧VBATの検出値と目標値の誤差を増幅する。パルス変調器432は、誤差増幅器430からの誤差信号を受け、誤差信号に応じたデューティ比を有するパルス信号を生成する。ドライバ434は、パルス変調器432が生成したパルス信号に応じてスイッチングトランジスタM1をスイッチングする。なお、ここでは蓄電素子450が多セルの二次電池であり、VRECT<VBATである場合を想定して昇圧型のDC/DCコンバータを示すが、VRECT>VBATである場合には、降圧型のDC/DCコンバータを用いればよい。
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変形例)
整流回路404と充電回路414の間には、整流電圧VRECTを安定化し、充電回路414に供給するリニアレギュレータ(LDO:Low Drop Output)が挿入されてもよい。別の観点からいえば、このリニアレギュレータは、充電回路414に含まれるものと解釈してもよい。具体的には、電源416は、リニアレギュレータと、リニアレギュレータの出力電圧を受けて動作する電流源を含んでもよい。
(第2変形例)
実施の形態では、蓄電素子450を充電する充電回路414の電流を変調する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。
図7は、第1変形例に係る受電装置400の回路図である。変調器408は、整流回路404から負荷460に流れ込む電流IOUTの経路上に設けられる。負荷460は、蓄電素子450の他、マイコン、プロセッサ、電源回路などが例示される。変調器408は、コントローラ410からのデータS3に応じて、電流IOUTを変化させることにより、受信アンテナ401の電圧または電流を変調する。これによれば、図4と同様の効果を得ることができる。
より具体的には、第1変形例のように、整流回路404と充電回路414の間に、リニアレギュレータが挿入される場合、充電回路414の充電電流ICHGを変調するかわりに、リニアレギュレータの出力電流を変調してもよい。
(第3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受電装置400や、将来策定されるであろう規格に準拠する受電装置400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、400,RX…受電装置、401…受信アンテナ、402…受信コイル、403…共振コンデンサ、404…整流回路、406…平滑コンデンサ、408…変調器、410…コントローラ、414…充電回路、416…電源、418…充電コントローラ、420…第1電流源、422…第2電流源、430…誤差増幅器、432…パルス変調器、434…ドライバ、440…レシーバ回路、450…蓄電素子、S1…駆動信号、S2…電力信号、S3…制御データ。

Claims (12)

  1. 受信アンテナと、
    前記受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、
    前記整流電圧を受け、蓄電素子を充電する充電回路と、
    ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、前記充電回路の充電電流を変化させることにより、前記受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
  2. 前記充電回路は、前記充電電流が、第1電流量と第2電流量で切りかえ可能に構成されることを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス受電装置。
  3. 前記充電回路は、
    前記電池に、前記第1電流量を定常的に供給する第1電流源と、
    前記電池に、前記第1電流量と前記第2電流量の差分電流を、前記データに応じてオン、オフ可能に供給する第2電流源と、
    を含むことを特徴とする請求項2に記載のワイヤレス受電装置。
  4. 受信アンテナと、
    前記受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、
    前記整流回路から負荷に流れ込む電流の経路上に設けられ、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、前記電流を変化させることにより、前記受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
  5. Qi規格に準拠したことを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。
  6. 受信アンテナとともにワイヤレス受電装置に使用されるレシーバ回路であって、
    前記受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、
    前記整流電圧を受け、蓄電素子を充電する充電回路と、
    ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、前記充電回路の充電電流を変化させることにより、前記受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、
    を備えることを特徴とするレシーバ回路。
  7. 前記充電回路は、前記充電電流が、第1電流量と第2電流量で切りかえ可能に構成されることを特徴とする請求項6に記載のレシーバ回路。
  8. 前記充電回路は、
    前記電池に、前記第1電流量を定常的に供給する第1電流源と、
    前記電池に、前記第1電流量と前記第2電流量の差分電流を、前記データに応じてオン、オフ可能に供給する第2電流源と、
    を含むことを特徴とする請求項7に記載のレシーバ回路。
  9. 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6から8のいずれかに記載のレシーバ回路。
  10. 受信アンテナとともにワイヤレス受電装置に使用されるレシーバ回路であって、
    前記受信アンテナに接続され、整流電圧を生成する整流回路と、
    前記整流回路から負荷に流れ込む電流の経路上に設けられ、ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、前記電流を変化させることにより、前記受信アンテナの電圧または電流を変調する変調器と、
    を備えることを特徴とするレシーバ回路。
  11. Qi規格に準拠したことを特徴とする請求項7から10のいずれかに記載のレシーバ回路。
  12. ワイヤレス受電装置の制御方法であって、
    受信アンテナにより電力信号を受信するステップと、
    前記受信アンテナに誘起される電流を整流し、整流電圧を生成するステップと、
    前記整流電圧にもとづいて蓄電素子を充電するステップと、
    ワイヤレス送電装置に送信すべきデータに応じて、前記電池への充電電流を変化させることにより、前記受信アンテナの電圧または電流を変調し、前記ワイヤレス送電装置に前記データを送信するステップと、
    を備えることを特徴とする制御方法。
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