JP2017077058A - ワイヤレス送電装置、その制御回路および制御方法、充電器 - Google Patents

Abstract

【課題】フルブリッジ動作とハーフブリッジ動作をシームレスに切り替え可能な送電装置を提供する。【解決手段】制御回路２１０は、送信アンテナ２０１がワイヤレス受電装置から受信した制御信号Ｓ３を復調し、制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データにもとづいてインバータ回路２０４を制御する。制御回路２１０は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２を含む第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４を含む第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第１ペアと第２ペアの位相差を最小値とし、スイッチング周波数を所望の送信電力に応じて変化させ、インバータ回路２０４をフルブリッジ動作させる。【選択図】図２

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関し、特に送信電力の制御に関する。

近年、電子機器に電力を供給するために、ワイヤレス給電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。Ｑｉ規格にもとづいたワイヤレス給電は、送信コイルと受信コイル間の電磁誘導を利用したものである。

図１は、Ｑｉ規格に準拠したワイヤレス給電システム１０の構成を示す図である。給電システム１０は、送電装置２０（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３０（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３０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２０は、送信コイル（１次コイル）２２、インバータ回路２４、コントローラ２６、復調器２８を備える。インバータ回路２４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２２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２２に流れる駆動電流により、送信コイル２２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。コントローラ２６は、送電装置２０全体を統括的に制御する。

Ｑｉ規格では、送電装置２０と受電装置３０の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３０から送電装置２０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３２（２次コイル）から送信コイル２２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３０に対する電力供給量を制御する電力制御データ（パケットともいう）や、受電装置３０の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器２８は、送信コイル２２の電流あるいは電圧にもとづいて制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２６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、インバータ回路２４を制御する。

受電装置３０は、受信コイル３２、整流回路３４、平滑コンデンサ３６、変調器３８、負荷４０、コントローラ４２、電源回路４４を備える。受信コイル３２は、送信コイル２２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２２に対して送信する。整流回路３４および平滑コンデンサ３６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴに変換する。

電源回路４４は、送電装置２０から供給された電力を利用して図示しない二次電池を充電し、あるいは直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを昇圧あるいは降圧し、コントローラ４２やその他の負荷４０に供給する。

コントローラ４２は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがその目標値に近づくように、送電装置２０からの電力供給量を制御する電力制御データ（コントロールエラーパケット、ＣＥパケットとも称する）を生成する。変調器３８は、電力制御データを含む制御信号Ｓ３にもとづいて、受信コイル３２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２２に制御信号Ｓ３を送信する。

特開２０１３−０３８８５４号公報 特開２０１４−１０７９７１号公報

Ｑｉ規格は当初、携帯電話端末、スマートホン、タブレット端末など、５Ｗ以下の低電力向けに策定された（Volume I Low Power、以下、Low Power規格という）。続いて、１５Ｗまでの中電力（Volume II Middle Power、以下、Middle Power規格という）の策定の準備が進められ、将来的には１２０Ｗの大電力をサポートすることが計画されている。

Low Power規格では、インバータ回路２４は、ハーフブリッジインバータで構成され、Middle Power規格では、フルブリッジ回路で構成される。送電装置２０が、Low Power規格の受電装置３０と、Middle Power規格の受電装置３０の両方をサポートする場合、送信電力を幅広いレンジで変化させるために、インバータ回路２４をフルブリッジ構成とし、送信電力に応じて、フルブリッジ動作とハーフブリッジ動作を切り替える必要がある。

本発明者らが、フルブリッジ動作とハーフブリッジ動作の切り替えについて検討した結果、それらの切り替えは、送電装置２０からの送信電力の不連続、ひいては受電装置３０における整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの不連続が生じさせる要因となることを認識するに至った。これらの不連続は、受電装置３０側において通信品質の低下を招き、また受電装置３０の安定性を損なう。またこれらの不連続は、受電装置３０の動作点を不安定にするため、充電が不安定となる。

また、インバータ回路２４の動作切り替えにともなう整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの急峻な上昇を許せば、受電装置３０の定格電圧を高めなければならず、回路部品を高耐圧化する必要があり、コストの上昇の要因となる。

なおこれらの問題を当業者の一般的な認識と捉えてはならず、本発明者らが独自に認識したものである。

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、フルブリッジ動作とハーフブリッジ動作をシームレスに切り替え可能な送電装置の提供にある。

本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置に関する。ワイヤレス送電装置は、送信コイルを含む送信アンテナと、電源ラインと送信アンテナの一端の間に設けられる第１スイッチ、電源ラインと送信アンテナの他端の間に設けられる第２スイッチ、送信アンテナの一端と接地ラインの間に設けられる第３スイッチ、送信アンテナの他端と接地ラインの間に設けられる第４スイッチ、を含むインバータ回路と、送信アンテナがワイヤレス受電装置から受信した制御信号を復調し、制御信号に含まれる電力制御データにもとづいてインバータ回路を制御する制御回路と、を備える。制御回路は、（i）第１スイッチおよび第２スイッチを含む第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第３スイッチと第４スイッチを含む第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第１ペアと第２ペアの位相差を最小値と最大値の間で送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をフルブリッジ動作させる第１モードと、（ii）第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第２モードと、（iii）第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第１ペアと第２ペアの位相差を最小値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をフルブリッジ動作させる第３モードと、が選択可能である。

この態様によると、第３モードを利用することで、インバータ回路がフルブリッジ動作する第１モードと、インバータ回路がハーフブリッジ動作する第２モードとの間の連続性を高めることができる。

制御回路は、送信電力を低下させるとき、第１モード、第３モードの順に遷移してもよい。

制御回路は、送信電力を増加させるとき、第２モードから第１モードへと、第３モードを経由せずに遷移してもよい。

制御回路は、第１モードから第３モードに加えて、（iv）第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第１ペアと第２ペアの位相差を最大値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をフルブリッジ動作させる第４モードが選択可能であり、第１モードからさらに送信電力を増加させるとき第４モードに遷移してもよい。

制御回路は、第１モードから第３モードに加えて、（v）第１ペアを相補的に、最大のスイッチング周波数にてスイッチングし、第１ペアのデューティ比を送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第５モードが選択可能であり、第２モードからさらに送信電力を低下させるとき第５モードに遷移してもよい。

ワイヤレス受電装置は、Ｑｉ規格に準拠してもよい。

本発明の別の態様は充電器に関する。充電器は、上述のいずれかのワイヤレス送電装置を備えてもよい。

本発明の別の態様は、ワイヤレス受電装置に電力信号を送信する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、制御回路に加えて、送信コイルを含む送信アンテナと、電源ラインと送信アンテナの一端の間に設けられる第１スイッチ、電源ラインと送信アンテナの他端の間に設けられる第２スイッチ、送信アンテナの一端と接地ラインの間に設けられる第３スイッチ、送信アンテナの他端と接地ラインの間に設けられる第４スイッチ、を含むインバータ回路と、を備える。制御回路は、送信アンテナが受信したワイヤレス受電装置からの制御信号を復調する復調器と、制御信号に含まれる、送信電力の増加、減少を指示する電力制御データにもとづき、インバータ回路への制御信号を生成する電力制御部と、を備える。電力制御部は、（i）第１スイッチおよび第２スイッチを含む第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第３スイッチと第４スイッチを含む第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第１ペアと第２ペアの位相差を最小値と最大値の間で送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をフルブリッジ動作させる第１モードと、（ii）第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第２モードと、（iii）第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、第１ペアと第２ペアの位相差を最小値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、インバータ回路をフルブリッジ動作させる第３モードと、が選択可能である。

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。
「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つのチップ上に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、インバータ回路のフルブリッジ動作とハーフブリッジ動作をシームレスに切り替えることが可能となる。

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。 実施の形態に係るワイヤレス送電装置を備える給電システムのブロック図である。 第１モードのインバータ回路の動作波形図である。 第２モードのインバータ回路の動作波形図である。 第３モードのインバータ回路の動作波形図である。 第４モードのインバータ回路の動作波形図である。 第５モードのインバータ回路の動作波形図である。 第１モード〜第５モードを模式的に示す図である。 第１モード〜第５モードの状態遷移図である。 電力制御部の構成例を示すブロック図である。 送電装置を備える充電器の回路図である。

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２は、実施の形態に係るワイヤレス送電装置を備える給電システム１００のブロック図である。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。以下では、送電装置２００および受電装置３００は、Ｑｉ規格に準拠することを前提として説明する。

送電装置２００は、たとえば充電台を有する充電器に搭載される。送電装置２００は、送信アンテナ２０１、インバータ回路２０４および制御回路２１０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（１次コイル）２０２および共振コンデンサ２０３を含む。

インバータ回路２０４は、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４を含むＨブリッジ回路（フルブリッジ回路）であり、図示しない電源からの直流電圧Ｖ_ＤＤを交流の駆動電圧に変換し、送信アンテナ２０１に供給する。インバータ回路２０４は、第１スイッチＳＷ１〜第４スイッチＳＷ４のスイッチングに応じて、送信アンテナ２０１の両端間に駆動信号Ｓ１を印加し、その結果、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。

第１スイッチＳＷ１は、電源ラインと送信アンテナ２０１の一端の間に設けられる。第２スイッチＳＷ２は、電源ラインと送信アンテナ２０１の他端の間に設けられる。第３スイッチＳＷ３は、送信アンテナ２０１の一端と接地ラインの間に設けられ、第４スイッチＳＷ４は、送信アンテナ２０１の他端と接地ラインの間に設けられる。第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２を第１ペア、第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４を第２ペアと称する。ペアを形成する２個のスイッチは、制御回路２１０により相補的にスイッチングされる。

制御回路２１０は、送電装置２００全体を統括的に制御する。制御回路２１０は、送信アンテナ２０１がワイヤレス受電装置３００から受信した制御信号Ｓ３を復調し、制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データ（コントロールエラーパケット、以下、ＣＥパケットと称する）にもとづいて、インバータ回路２０４を制御し、送信電力Ｐ_ＴＸ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制御する電力制御データ（コントロールエラーパケット、以下ＣＥパケットともいう）が含まれる。ＣＥパケットは、受電装置３００において生成される整流電圧とその目標値との誤差を示しており、整流電圧が目標値より高いとき、ＣＥパケットは負の値をとり、整流電圧が目標値より低いとき、ＣＥパケットは正の値をとる。Ｑｉ規格においては送電装置２００と受電装置３００により、送信電力に関してＰＩＤ（比例・積分・微分）制御のフィードバックループが形成される。

制御回路２１０は、送信アンテナ２０１が受電装置３００から受信した制御信号Ｓ３を復調し、制御信号Ｓ３に含まれる電力制御データ（ＣＥパケット）にもとづいてインバータ回路２０４を制御する。

本実施の形態において、制御回路２１０は、所望の送信電力Ｐ_ＴＸのレンジに応じて、第１モードφ１〜第５モードφ５の５つのモードが選択可能となっており、モードごとにインバータ回路２０４を異なる態様でスイッチングする。

（i） 第１モードφ１
図３は、第１モードφ１のインバータ回路２０４の動作波形図である。第１モードφ１において、インバータ回路２０４は以下の態様でフルブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされる。スイッチング周波数ｆは、第１周波数ｆ_１（たとえば１６０ｋＨｚ）で固定される。制御回路２１０は、第１ペアと第２ペアの位相差αを、その最小値α_ＭＩＮと最大値α_ＭＡＸの間で所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。図３では、位相αがとある値で固定されているときの様子を示す。たとえばα_ＭＡＸ＝１８０°、α_ＭＩＮ＝１０°としてもよい。

（ii） 第２モードφ２
図４は、第２モードφ２のインバータ回路２０４の動作波形図である。なお、図４〜図７それぞれにおいて、左の方が送信電力Ｐ_ＴＸが大きく、右の方が送信電力Ｐ_ＴＸが小さい。第２モードφ２において、インバータ回路２０４は以下の態様でハーフブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２は、デューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４は、ＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとして固定される。なお変形例においてＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとしてもよい。第２モードφ２では、制御回路２１０は、スイッチング周波数ｆを、第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の間で、所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化する。第２周波数ｆ_２はたとえば２０５ｋＨｚである。

（iii） 第３モードφ３
図５は、第３モードφ３のインバータ回路２０４の動作波形図である。第３モードφ３において、インバータ回路２０４は以下の態様でフルブリッジ動作する。第３モードφ３において、第１ペアＳＷ１，ＳＷ２はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４もデューティ比５０％で相補的にスイッチングされる。制御回路２１０は、第１ペアＳＷ１，ＳＷ２と第２ペアＳＷ３，ＳＷ４の位相差αを１８０°より小さい所定値（たとえば最小値α_ＭＩＮ）に固定し、スイッチング周波数ｆを、第１周波数ｆ_１と第３周波数ｆ_３の間で、所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。第３周波数ｆ_３はたとえば２００ｋＨｚである。

（iv） 第４モードφ４
図６は、第４モードφ４のインバータ回路２０４の動作波形図である。第４モードφ４において、インバータ回路２０４は以下の態様でフルブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４もデューティ比５０％で相補的にスイッチングされる。制御回路２１０は、第４モードφ４において、第１ペアＳＷ１，ＳＷ２と第２ペアＳＷ３，ＳＷ４の位相差αを最大値α_ＭＡＸ（すなわち１８０°）とし、スイッチング周波数ｆを、第１周波数ｆ_１と最低周波数ｆ_０（ただしｆ_０＜ｆ_１）の間で、所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。たとえばｆ_０＝１１０ｋＨｚである。

（v） 第５モードφ５
図７は、第５モードφ５のインバータ回路２０４の動作波形図である。第５モードφ５において、インバータ回路２０４は以下の態様でハーフブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２は、最大のスイッチング周波数（上述の第２周波数ｆ_２）で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４は、ＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとして固定される。なお変形例においてＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとしてもよい。制御回路２１０は、第１ペアＳＷ１，ＳＷ２のデューティ比ｄを最大値Ｄ_ＭＡＸと最小値Ｄ_ＭＩＮの間で所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。最大値Ｄ_ＭＡＸはたとえば５０％である。最小値Ｄ_ＭＩＮは５％程度としてもよい。

図８は、第１モードφ１〜第５モードφ５を模式的に示す図である。

続いて、第１モードφ１〜第５モードφ５の切り替え制御について説明する。図９は、第１モードφ１〜第５モードφ５の状態遷移図である。

第１モードφ１において、位相差αが最小値α_ＭＩＮまで低下した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの低下を指示する電力制御信号（負のＣＥパケット）を受信したとき、第３モードφ３に遷移する（Ｓ１００）。

第３モードφ３において、スイッチング周波数ｆが第１周波数ｆ_１まで低下した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの増加を指示する電力制御信号（正のＣＥパケット）を受信したとき、第１モードφ１に遷移する（Ｓ１０２）。

第３モードφ３において、スイッチング周波数ｆが第２周波数ｆ_２まで上昇した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの低下を指示する電力制御信号（負のＣＥパケット）を受信したとき、第２モードφ２に遷移する（Ｓ１０４）。

第２モードφ２において、スイッチング周波数ｆが第１周波数ｆ_１まで低下した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの増加を指示する電力制御信号（正のＣＥパケット）を受信したとき、第１モードφ１に遷移する（Ｓ１０６）。

第２モードφ２において、スイッチング周波数ｆが第３周波数ｆ_３まで上昇した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの低下を指示する電力制御信号（負のＣＥパケット）を受信したとき、第５モードφ５に遷移する（Ｓ１０８）。

第５モードφ５において、デューティ比ｄが最大値ｄ_ＭＡＸまで上昇した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの増加を指示する電力制御信号（正のＣＥパケット）を受信したとき、第２モードφ２に遷移する（Ｓ１１０）。

また第１モードφ１において、位相差αが最大値α_ＭＡＸまで増加した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの増加を指示する電力制御信号（正のＣＥパケット）を受信したとき、第４モードφ４に遷移する（Ｓ１１２）。

第４モードφ４において、スイッチング周波数ｆが第１周波数ｆ_１まで上昇した状態で、送信電力Ｐ_ＴＸの低下を指示する電力制御信号（負のＣＥパケット）を受信したとき、第１モードφ１に遷移する（Ｓ１１４）。

つまり制御回路２１０は、送信電力Ｐ_ＴＸを低下させるとき、第１モードφ１から第３モードφ３を経て、第２モードφ２に遷移する。また制御回路２１０は、送信電力Ｐ_ＴＸを増加させるとき、第２モードφ２から第１モードφ１へと、第３モードφ３を経由せずに遷移する。

実施の形態に係る送電装置２００によれば、第３モードφ３を経由させることで、インバータ回路２０４がフルブリッジ動作する第１モードφ１と、インバータ回路２０４がハーフブリッジ動作する第２モードφ２との間の連続性を高めることができる。これにより、送信電力Ｐ_ＴＸの不連続、ひいては受電装置３００における整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの不連続を防止でき、通信品質を改善し、受電装置３００の安定性を高めることができる。

また、受電装置３００における整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの急峻な上昇を抑制できるため、受電装置３００の定格電圧を低く設計でき、回路部品の耐圧を下げることができ、コストを下げることができる。

本発明は、上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例を説明する。

制御回路２１０の具体的な構成を説明する。制御回路２１０は、復調器２１２、電力計算部２１４、電力制御部２１６、ドライバ２１８を備える。制御回路２１０は、ひとつの半導体基板に一体に集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。

復調器２１２は、送信アンテナ２０１が受信したワイヤレス受電装置からの制御信号Ｓ３を復調する。電力計算部２１４は、送信アンテナ２０１からの送信電力Ｐ_ＴＸを測定する。具体的には電力計算部２１４は、送信アンテナ２０１に印加される電圧および電流を検出し、それらの積にもとづいて送信電力Ｐ_ＴＸを計算する。送信電力Ｐ_ＴＸは、異物検出などに利用することができる。

電力制御部２１６は、制御信号Ｓ３から送信電力の増加、減少を指示するＣＥパケットを抽出する。電力制御部２１６は、各モードにおいて、ＣＥパケットに応答してスイッチング周波数ｆ、位相差α、デューティ比ｄのひとつを変化させ、あるいは別のモードに遷移する。

図１０は、電力制御部２１６の構成例を示すブロック図である。電力制御部２１６は、ロジック回路で構成することができる。電力制御部２１６は、ステートマシン２２０および駆動信号生成部２２４を含む。ステートマシン２２０は、スイッチング周波数ｆ、デューティ比ｄ、位相差α、ＣＥパケットにもとづいて、適切なモードを選択する。駆動信号生成部２２４は、ＣＥパケットおよび現在のモードにもとづいて、インバータ回路２０４の４個のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御するための駆動信号を生成する。第１モードφ１では、ＣＥパケットに応答して位相差αを変化させ、第２モードφ２、第３モードφ３、第４モードφ４では、ＣＥパケットに応答してスイッチング周波数ｆを変化させ、第５モードφ５では、ＣＥパケットに応答してデューティ比ｄを変化させる。

続いて送電装置２００の用途を説明する。図１１は、送電装置２００を備える充電器４００の回路図である。充電器４００は、受電装置３００を備える電子機器５００を充電する。充電器４００は、筐体４０２、充電台４０４、回路基板４０６、を備える。給電対象の電子機器は、充電台４０４上に載置される。インバータ回路２０４や制御回路２１０その他の回路部品は、回路基板４０６上に実装される。送信アンテナ２０１は、充電台４０４の直下にレイアウトされる。充電器４００は、ＡＣ／ＤＣコンバータ４１０により直流電圧を受けてもよいし、ＡＣ／ＤＣコンバータを内蔵してもよい。あるいは充電器４００は、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などの給電線を備えるバスを介して、外部からＤＣ電力の供給を受けてもよい。

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、こうした変形例を説明する。

（第１の変形例）
実施の形態では、第２モードφ２からさらに送信電力Ｐ_ＴＸを増加させる際に、第３モードφ３を経由せずに第１モードφ１に遷移することとしたが、第３モードφ３を経由させてもよい。具体的には、第２モードφ２においてスイッチング周波数ｆが第２周波数ｆ_２まで低下した状態で、正のＣＥパケットを受信すると、第３モードφ３に遷移してもよい。

（第２の変形例）
実施の形態では、第３モードφ３からさらに送信電力Ｐ_ＴＸを増加させる際に、第２モードφ２に遷移することとしたが、第３モードφ３の周波数の上限を、第２周波数ｆ_２（２０５ｋＨｚ）に設定し、第３モードφ３から第５モードφ５に遷移するようにしてもよい。

（第３の変形例）
実施の形態では、第４モードφ４や第５モードφ５を選択可能としたが、送信電力Ｐ_ＴＸのレンジが狭い場合には、それらの一方、あるいは両方を省略してもよい。

（第４の変形例）
実施の形態では、Ｑｉ規格について説明したが、本発明は将来策定されるであろうＱｉ規格の派生規格、あるいは別の規格にも適用可能である。

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…インバータ回路、２１０…制御回路、２１２…復調器、２１４…電力計算部、２１６…電力制御部、２１８…ドライバ、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ、ＳＷ４…第４スイッチ、２２０…ステートマシン、２２４…駆動信号生成部、３００，ＲＸ…受電装置、３０２…受信コイル、Ｓ１…駆動信号、Ｓ２…電力信号、Ｓ３…制御信号、４００…充電器、４０２…筐体、４０４…充電台、４０６…回路基板。

Claims (15)

1. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置であって、
   送信コイルを含む送信アンテナと、
   電源ラインと前記送信アンテナの一端の間に設けられる第１スイッチ、前記電源ラインと前記送信アンテナの他端の間に設けられる第２スイッチ、前記送信アンテナの前記一端と接地ラインの間に設けられる第３スイッチ、前記送信アンテナの前記他端と前記接地ラインの間に設けられる第４スイッチ、を含むインバータ回路と、
   前記送信アンテナが前記ワイヤレス受電装置から受信した制御信号を復調し、前記制御信号に含まれる電力制御データにもとづいて前記インバータ回路を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   （i）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを含む第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第３スイッチと前記第４スイッチを含む第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの位相差を最小値と最大値の間で送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第１モードと、
   （ii）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第２モードと、
   （iii）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの前記位相差を前記最小値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第３モードと、
   が選択可能であることを特徴とするワイヤレス送電装置。
2. 前記制御回路は、前記送信電力を低下させるとき、前記第１モード、前記第３モードの順に遷移することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
3. 前記制御回路は、前記送信電力を増加させるとき、前記第２モードから前記第１モードへと、前記第３モードを経由せずに遷移することを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置。
4. 前記制御回路は、前記第１モードから前記第３モードに加えて、
   （iv）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの前記位相差を前記最大値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第４モードが選択可能であり、
   前記第１モードからさらに前記送信電力を増加させるとき前記第４モードに遷移することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
5. 前記制御回路は、前記第１モードから前記第３モードに加えて、
   （v）前記第１ペアを相補的に、最大のスイッチング周波数にてスイッチングし、前記第１ペアのデューティ比を前記送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第５モードが選択可能であり、
   前記第２モードからさらに前記送信電力を低下させるとき前記第５モードに遷移する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送電装置。
6. Ｑｉ規格に準拠す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ワイヤレス送電装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のワイヤレス送電装置を備えることを特徴とする充電器。
8. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置に使用される制御回路であって、
   前記ワイヤレス送電装置は、前記制御回路に加えて、
   送信コイルを含む送信アンテナと、
   電源ラインと前記送信アンテナの一端の間に設けられる第１スイッチ、前記電源ラインと前記送信アンテナの他端の間に設けられる第２スイッチ、前記送信アンテナの前記一端と接地ラインの間に設けられる第３スイッチ、前記送信アンテナの前記他端と前記接地ラインの間に設けられる第４スイッチ、を含むインバータ回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記送信アンテナが受信した前記ワイヤレス受電装置からの制御信号を復調する復調器と、
   前記制御信号に含まれる、送信電力の増加、減少を指示する電力制御データにもとづき、前記インバータ回路への制御信号を生成する電力制御部と、
   を備え、
   前記電力制御部は、
   （i）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを含む第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第３スイッチと前記第４スイッチを含む第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの位相差を最小値と最大値の間で送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第１モードと、
   （ii）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第２モードと、
   （iii）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの前記位相差を前記最小値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第３モードと、
   が選択可能であることを特徴とする制御回路。
9. 前記電力制御部は、前記送信電力を低下させるとき、前記第１モード、前記第３モードの順に遷移することを特徴とする請求項８に記載の制御回路。
10. 前記電力制御部は、前記送信電力を増加させるとき、前記第２モードから前記第１モードへと、前記第３モードを経由せずに遷移することを特徴とする請求項８または９に記載の制御回路。
11. Ｑｉ規格に準拠することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の制御回路。
12. 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８から１１のいずれかに記載の制御回路。
13. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置の制御方法であって、
    前記ワイヤレス送電装置は、
    送信コイルを含む送信アンテナと、
    電源ラインと前記送信アンテナの一端の間に設けられる第１スイッチ、前記電源ラインと前記送信アンテナの他端の間に設けられる第２スイッチ、前記送信アンテナの前記一端と接地ラインの間に設けられる第３スイッチ、前記送信アンテナの前記他端と前記接地ラインの間に設けられる第４スイッチ、を含むインバータ回路と、
    を備え、
    前記制御方法は、
    （i）前記第１スイッチおよび前記第２スイッチを含む第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第３スイッチと前記第４スイッチを含む第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの位相差を最小値と最大値の間で送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第１ステップと、
    （ii）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をハーフブリッジ動作させる第２ステップと、
    （iii）前記第１ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第２ペアをデューティ比５０％で相補的にスイッチングし、前記第１ペアと前記第２ペアの前記位相差を前記最小値とし、スイッチング周波数を送信電力に応じて変化させ、前記インバータ回路をフルブリッジ動作させる第３ステップと、
    前記送信電力に応じて前記第１ステップから前記第３ステップを切り替えるステップと、
    を備えることを特徴とする制御方法。
14. 前記送信電力を低下させるとき、前記第１ステップ、前記第３ステップの順に遷移することを特徴とする請求項１３に記載の制御方法。
15. 前記送信電力を増加させるとき、前記第２ステップから前記第１ステップへと、前記第３ステップを経由せずに遷移することを特徴とする請求項１３または１４に記載の制御方法。

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