JP2017143690A - 回路装置、受電装置及び電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】チャージポンプ回路からバッテリーへ過電圧或いは過電流が印加されることを抑制する回路装置、受電装置及び電子機器を提供する。
【解決手段】回路装置370は、バッテリー90からの電力を電力供給対象100に供給する電力供給部57と、電力供給部を制御する制御部54とを含む。電力供給部は、バッテリーのバッテリー電圧VBATをm/n降圧して端子371から電力供給対象に供給するチャージポンプ回路61を含む(nは1以上の整数であり、mは1以上(n−1)以下の整数である)。制御部は、端子の電圧VOUT’がVOUT’>VBAT×m/nである場合に、チャージポンプ回路のチャージポンプ動作を停止させる。
【選択図】図3

Description

本発明は、回路装置、受電装置及び電子機器等に関する。
近年、モバイル機器等の電源としてバッテリー(二次電池)が広く普及している。バッテリーは充電することにより繰り返し利用できるが、その際にはバッテリーの特性に応じた手法で充電することが推奨される。
バッテリーを充電する手法の従来技術としては、例えば特許文献1に開示される技術がある。この従来技術では、バッテリーの充電電圧と温度、端子電圧を測定し、その測定値が許容範囲を逸脱した場合には充電電圧の印加を一旦中断し、測定値が許容範囲に入ったら充電電圧の印加を再開する。
特開平10−98836号公報
バッテリーから電力供給対象へ電力を供給する経路は、その電力供給対象の仕様等に応じて種々想定できる。例えばバッテリーの出力電圧よりも電力供給対象の動作電圧が低い場合には、バッテリーの出力電圧をチャージポンプ回路で降圧して電力供給対象へ供給することが考えられる。このとき、チャージポンプ回路の出力に何らかの電圧が印加される場合がある。例えば、補聴器ではチューニング用の装置から補聴器へ電源が供給され、その電源電圧がチャージポンプ回路の出力に印加されることになる。そうすると、バッテリーの出力電圧を降圧した電圧とチャージポンプ回路の出力に印加された電圧との条件によっては、チャージポンプ回路からバッテリーへの制御されない充電が発生し、バッテリーに過電圧或いは過電流が印加される可能性がある。
本発明の幾つかの態様によれば、チャージポンプ回路からバッテリーへ過電圧或いは過電流が印加されることを抑制する回路装置、受電装置及び電子機器等を提供できる。
本発明の一態様は、バッテリーからの電力を電力供給対象に供給する電力供給部と、前記電力供給部を制御する制御部と、を含み、前記電力供給部は、前記バッテリーのバッテリー電圧VBATをm/n降圧(nは1以上の整数、mは1以上(n−1)以下の整数)して端子から前記電力供給対象に供給するチャージポンプ回路を含み、前記制御部は、前記端子の電圧VOUT’がVOUT’>VBAT×m/nである場合に、前記チャージポンプ回路のチャージポンプ動作を停止させる回路装置に関係する。
バッテリー電圧VBATがm/n降圧された電圧よりも高い電圧がチャージポンプ回路の出力に印加された場合に、VOUT’>VBAT×m/nとなる。本発明の一態様によれば、VOUT’>VBAT×m/nである場合に、チャージポンプ回路のチャージポンプ動作が停止される。これにより、バッテリー電圧VBATがm/n降圧された電圧よりも高い電圧がチャージポンプ回路の出力に印加された場合に、チャージポンプ回路のチャージポンプ動作が停止できる。チャージポンプ動作が停止することで、チャージポンプ回路からバッテリーへ過電圧或いは過電流が印加されることを抑制できる。
また本発明の一態様では、回路装置は、前記バッテリー電圧VBATと前記端子の電圧VOUT’が入力され、VOUT’>VBAT×m/nである場合にアクティブになる検出信号を出力する検出回路を含み、前記制御部は、前記検出信号がアクティブになった場合に、前記チャージポンプ回路のチャージポンプ動作を停止させてもよい。
このようにすれば、バッテリー電圧VBATと端子の電圧VOUT’に基づいてVOUT’>VBAT×m/nを満たすか否かを検出できる。そして、その検出結果である検出信号に基づいて、VOUT’>VBAT×m/nである場合にチャージポンプ動作を停止できる。
また本発明の一態様では、前記制御部は、VOUT’>VBAT×m/nである場合に、前記チャージポンプ回路に含まれるチャージポンプトランジスターのスイッチング信号を非アクティブにして、前記チャージポンプ動作を停止させてもよい。
スイッチング信号を非アクティブにすることでキャパシターのスイッチングが停止するので、チャージポンプ回路による電圧変換(電荷の移動)を停止できる。これにより、チャージポンプ回路からバッテリーへの充電経路が遮断され、バッテリーを保護できる。
また本発明の一態様では、前記制御部は、定の再開条件が満たされた場合に、停止した前記チャージポンプ動作を再開させてもよい。
このようにすれば、VOUT’>VBAT×m/nを満たした場合に一旦停止したチャージポンプ動作を、所定の再開条件が満たされた場合に再び開始させることができる。例えば、上述した補聴器の例において、チューニングが終了して、所定の再開条件が満たされた場合にチャージポンプ動作を再開させ、補聴器への電力供給を再開できる。
また本発明の一態様では、前記制御部は、回路装置が含まれる電子機器の操作部に所定の操作情報が入力された場合に、停止した前記チャージポンプ動作を再開させてもよい。
このようにすれば、VOUT’>VBAT×m/nを満たさなくなった(即ち、チャージポンプ回路の出力に電圧が印加されなくなった)後に、例えばユーザー等が操作部に所定の操作を行うことによりチャージポンプ動作を再開させることができる。
また本発明の一態様では、前記電力供給部は、前記バッテリーに電力を供給して、前記バッテリーを充電する充電部と、前記チャージポンプ回路を有し、前記バッテリーに充電された電力を前記電力供給対象に供給する放電動作を行う放電部と、を含んでもよい。
このような構成では、放電部からバッテリーの端子へ電圧或いは電流が供給された場合には、充電部からバッテリーへの充電経路とは異なる経路でバッテリーが充電される。本発明の一態様によれば、このような充電部による制御がされていない充電経路でバッテリーに過電圧或いは過電流が印加されることを抑制できる。
また本発明の一態様では、前記電力供給部は、無接点電力伝送により受電部が受電した電力を前記バッテリーに供給して、前記バッテリーを充電してもよい。
無接点電力伝送では、送電装置に受電装置を着地させている場合に電力伝送が可能となり、送電装置から受電装置を取り去った場合に電力伝送が停止する。この取り去りはユーザーの任意のタイミングで行われる可能性があり、その際のバッテリー電圧は不確定である。本発明の一態様によれば、このようなバッテリー電圧が不確定な状態でチャージポンプ回路の出力に電圧が印加された場合であっても、バッテリーを保護できる。
また本発明の一態様では、前記制御部は、着地が検出された場合に、前記放電部の前記放電動作を停止し、取り去り期間において、前記放電部に前記放電動作を行わせてもよい。
このように取り去り期間において放電部に放電動作を行わせた場合、送電装置から受電装置を取り去るとバッテリーから電力供給対象への電力供給が開始されることになる。例えば上述した補聴器の例では、チューニング前には基本的に電力供給がオンした状態となっている。そのため、例えば操作忘れ等によって電力供給(チャージポンプ動作)をオフすることなくチューニング装置が補聴器に接続される可能性がある。本発明の一態様によれば、このようなチャージポンプ回路の出力への電圧印加が生じた場合であっても、バッテリーを保護できる。
また本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載された回路装置を含む受電装置に関係する。
また本発明の更に他の態様は、上記のいずれかに記載された回路装置を含む電子機器に関係する。
本実施形態の回路装置を含む補聴器(電子機器)の構成例。 チューニング装置を補聴器に接続した際のバッテリーの出力電流の例。 本実施形態の回路装置の構成例。 検出回路の詳細な構成例。 チャージポンプ回路の詳細な構成例。 チャージポンプ回路の詳細な構成例。 本実施形態の無接点電力伝送システムの説明図。 本実施形態の無接点電力伝送システムの説明図。 本実施形態の制御装置、送電装置、受電装置の構成例。 本実施形態の制御装置、送電装置、受電装置の詳細な構成例。 無接点電力伝送システムの動作シーケンスの一例の説明図。 着地検出時の動作シーケンスを説明する信号波形図。 取り去り時の動作シーケンスを説明する信号波形図。 取り去り時の動作シーケンスを説明する信号波形図。 負荷変調による通信手法の説明図。 受電部、充電部の詳細な構成例。
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
例えば、以下では電子機器が補聴器である場合を例にとって説明するが、本発明を適用できる電子機器は補聴器に限定されない。例えば、チャージポンプ回路の出力が何らかの電源等にショートする可能性がある電子機器であれば本発明を適用できる。
1.補聴器(電子機器)
図1は、本実施形態の回路装置を含む補聴器(電子機器)の構成例である。図1の補聴器300は、処理部310(処理回路、電力供給対象)、回路装置370、バッテリー90(二次電池)、マイクロフォン320、スピーカー330、メモリー340(記憶装置)、操作部350(操作装置)、接続部360(インターフェース)を含む。
回路装置370は、補聴器300の外部から供給される電力に基づいてバッテリー90を充電する。例えば有線或いは無接点電力伝送により電力が回路装置370へ供給される。また回路装置370はチャージポンプ回路61を含み、チャージポンプ回路61はバッテリー90の出力電圧VBAT(バッテリー電圧)を降圧して電圧VOUTを処理部310へ供給する。回路装置370は、例えば集積回路装置(IC)などにより実現できる。
マイクロフォン320は、補聴器300へ入力される音声を電気信号に変換する。処理部310は、マイクロフォン320からの電気信号を信号処理(例えば増幅処理やフィルター処理)してスピーカー330へ出力する。そしてスピーカー330は、処理部310からの信号を音声に変換する。このようにして、増幅等の信号処理された音声がユーザーに提供される。
なお、メモリー340は例えば補聴器300の設定情報を記憶したり、或いは処理部310のワーキングメモリーとして機能する。例えばメモリー340はRAMや不揮発性メモリー(例えばEEPROM)である。操作部350は、医師やユーザーが操作入力を行うものであり、例えばボタンやスイッチ等である。処理部310は、例えばアナログ処理回路、或いはデジタル処理回路、或いはそれらの組み合わせである。例えば処理部310はDSP、マイクロコンピューター、CPU、ASIC等である。
このような補聴器300では、医師が患者の聴力に合わせたチューニングを行う際に、補聴器300の接続部360をチューニング装置400に接続して調整を行う。接続部360は例えば端子やコネクター等であり、チューニング装置400から補聴器300へ例えば電源の供給やデータの入出力等が行えるようになっている。このようなチューニング装置400では、補聴器300の処理部310に規定の電圧VPROGを与え、その規定の電圧のもとでチューニングを行うことが標準になっている。即ち、チューニング装置400を補聴器300に接続した状態ではチャージポンプ回路61の出力にチューニング装置400からの電圧VPROGが印加された状態となる。
このとき、医師が操作部350を操作してチャージポンプ回路61をオフしていることが望ましいが、必ずしもオフ操作が行われる保証はなく、チャージポンプ回路61が動作した状態でチャージポンプ回路61の出力(端子371)に電圧VPROGが印加される可能性がある。チャージポンプ回路61はキャパシターのスイッチングにより電荷を移動させているため、出力側に印加された電圧を昇圧して入力側から出力してしまう場合がある。このような状態になると、チャージポンプ回路61からバッテリー90への充電が生じることになるが、これは回路装置370からバッテリー90への通常の充電経路とは異なっている。そのため、適切に制御された充電経路ではなく、バッテリー90へ過電圧や過電流が入力されてしまう可能性がある。
図2は、チューニング装置400を補聴器300に接続した際のバッテリー90の出力電流ibatの例である。図2には、チャージポンプ回路61の出力電圧はVOUT=VBAT×(1/3)であり、VPROG=1.333Vである場合の例を示す。バッテリー90の出力電流ibatの符号は、バッテリー90から電流が出力される場合を正、バッテリー90へ電流が入力される場合を負としている。
図2に示すように、VBAT>4.000Vの場合にはVBAT×(1/3)>1.333V=VPROGである。この場合、チャージポンプ回路61は入力側から出力側へ電荷を移動させる。即ち、ibat>0mAであり、バッテリー90は放電状態となる。
一方、VBAT<4.000Vの場合にはVBAT×(1/3)<1.333V=VPROGである。この場合、チャージポンプ回路61は出力側から入力側へ電荷を移動させる。即ち、出力側から入力側への3倍昇圧回路として機能し、VBATよりも高い1.333V×3=4.000Vをバッテリー90の端子へ供給することになる。この場合、ibat<0mAであり、その電流によってバッテリー90は充電されることになる。
例えば、ibat<−2mAの場合にバッテリー90の特性低下等が生じる可能性がある場合、バッテリー90の出力電圧で見るとVBAT<3.900Vに相当する。チューニング時においてバッテリー90の出力電圧VBATがどのような電圧であるかは不明であるため、VBAT<3.900Vでチューニング装置400が接続される可能性がある。
2.回路装置
図3は、上記のような課題を解決できる本実施形態の回路装置の構成例である。図3の回路装置370は、バッテリー90からの電力を電力供給対象100に供給する電力供給部57(電力供給回路)と、電力供給部57を制御する制御部54(制御回路)と、を含む。また、チャージポンプ回路61の出力電圧VOUTが出力される端子371(チャージポンプ回路61の出力に接続された端子)を含むことができる。なお、端子371は例えば集積回路装置の端子であり、例えば半導体チップのパッド、或いは半導体チップが実装されたパッケージの端子に対応する。
そして電力供給部57は、バッテリー90のバッテリー電圧VBATをm/n降圧して端子371から電力供給対象100に供給するチャージポンプ回路61を含む。ここで、nは1以上の整数であり、mは1以上(n−1)以下の整数である。制御部54は、端子371の電圧VOUT’がVOUT’>VBAT×m/nである場合に、チャージポンプ回路61のチャージポンプ動作を停止させる。
チャージポンプ回路61の出力(端子371)に電力供給対象100が接続され、外部からの電圧が印加されていない場合には、端子371の電圧はVOUT’=VOUT≦VBAT×m/nとなるはずである。即ち、VOUT’>VBAT×m/nである場合にチャージポンプ動作を停止することで、チャージポンプ回路61の出力に外部からの電圧(例えば図1ではVPROG=VOUT’)が印加された場合にチャージポンプ動作を停止できる。また、VOUT’>VBAT×m/nである場合にはチャージポンプ回路61の入力ノードが昇圧電圧VOUT’×n/m>VBATとなり、バッテリー90の端子にバッテリー電圧VBATよりも高い電圧が印加される。本願では、このような場合にチャージポンプ動作を停止できるので、バッテリー90の端子に過電圧或いは過電流が印加されることを抑制し、バッテリー90を保護できる。
なお、「VOUT’>VBAT×m/n」の条件は、比較電圧がVBAT’×m/nである場合に限らず、VBAT×m/n以上の比較電圧よりも電圧VOUT’が高ければよい。例えば、1以上の係数をKSとする場合において、VOUT’>KS×VBAT×m/nである場合にチャージポンプ動作を停止してもよい。例えば図2で説明したようにVBAT=3.9000Vを境界にする場合、KSは約1.025となる。
ここで、チャージポンプ動作とは、チャージポンプ回路がキャパシターの接続をスイッチングすることにより電圧変換(電荷の移動)を行う動作のことである。即ち、チャージポンプ動作の停止とは、キャパシターの接続をスイッチングする動作を停止させ、電圧変換(電荷の移動)を停止させることである。
また本実施形態の回路装置370は、バッテリー電圧VBATと端子371の電圧VOUT’が入力され、VOUT’>VBAT×m/nである場合にアクティブになる検出信号SDTを出力する検出回路68を含む。そして制御部54は、検出信号SDTがアクティブ(第1論理レベル)になった場合に、チャージポンプ回路61のチャージポンプ動作を停止させる。
このようにすれば、バッテリー電圧VBATと端子371の電圧VOUT’に基づいて、検出回路68はVOUT’>VBAT×m/nを満たすか否かを検出できる。そして、その検出結果である検出信号SDTに基づいてチャージポンプ動作を停止できる。
また本実施形態では、制御部54は、VOUT’>VBAT×m/nである場合に、チャージポンプ回路61に含まれるチャージポンプトランジスターのスイッチング信号を非アクティブにして、チャージポンプ動作を停止させる。
スイッチング信号を非アクティブにすることでキャパシターのスイッチングが停止するので、チャージポンプ回路61による電圧変換を停止できる。これにより、チャージポンプ回路61からバッテリー90への充電経路が遮断され、バッテリー90を保護できる。
ここで、チャージポンプトランジスターとは、チャージポンプ回路61のキャパシターの接続をスイッチングするトランジスター(広義にはスイッチ素子)である。例えば図5A、図5Bで後述するチャージポンプ回路では、スイッチ素子SB1〜SB7を構成するトランジスターがチャージポンプトランジスターに相当する。スイッチング信号は、チャージポンプトランジスターのオン及びオフを制御する信号である。「スイッチング信号を非アクティブにする」とは、スイッチング信号の論理レベルをハイ又はローに固定して、論理レベルのスイッチングを停止することである。
また本実施形態では、制御部54は、所定の再開条件が満たされた場合に、停止したチャージポンプ動作を再開させる。
このようにすれば、VOUT’>VBAT×m/nを満たした場合に一旦停止したチャージポンプ動作を、所定の再開条件が満たされた場合に再び開始させることができる。例えば、上述した補聴器の例では、チューニングが終了して、所定の再開条件が満たされた場合にチャージポンプ動作を再開させ、処理部310への電力供給を再開できる。
例えば制御部54は、回路装置370が含まれる電子機器の操作部(例えば補聴器300の操作部350)に所定の操作情報が入力された場合に、停止したチャージポンプ動作を再開させる。
このようにすれば、VOUT’>VBAT×m/nを満たさなくなった(即ち、チャージポンプ回路61の出力に電圧が印加されなくなった)後に、ユーザー等が所定の操作を行った場合にチャージポンプ動作を再開させることができる。例えば、操作部がスイッチ部(スイッチ、ボタン)である場合、そのスイッチ部に対して所定の操作(例えばスイッチ部を所定時間押し続ける等)を行った場合にチャージポンプ動作を再開できる。
或いは、制御部54は、検出信号SDTが非アクティブ(第2論理レベル)になった場合に、チャージポンプ回路61のチャージポンプ動作を行わせて(再開させて)もよい。
このようにすれば、VOUT’>VBAT×m/nを満たさなくなった(即ち、チャージポンプ回路61の出力に電圧が印加されなくなった)場合に、自動的にチャージポンプ動作を再開させ、電力供給対象100に電力を供給できる。これにより、チューニング時においてバッテリー90を保護すると共に、チューニング後においてユーザーが特別に操作を行うことなく補聴器の動作を再開できる。
また本実施形態では、図8等で後述するように、電力供給部57は充電部58(充電回路)と放電部60(放電回路)とを含んでもよい。充電部58は、バッテリー90に電力を供給して、バッテリー90を充電する。放電部60は、チャージポンプ回路61を有し、バッテリー90に充電された電力を電力供給対象100に供給する放電動作を行う。
このような構成では、充電時には充電部58がバッテリー90の端子に電流又は電圧を印加し、放電時には放電部60がバッテリー90の端子からの電力を電力供給対象100に供給する。即ち、放電部60からバッテリー90の端子へ電圧或いは電流を出力した場合には、充電部58からの充電経路とは異なる経路でバッテリー90が充電される。本実施形態では、このような充電部58による制御がされていない充電経路でバッテリー90が充電されることを防ぐことができる。
また本実施形態の回路装置は、図6以降で後述するように、無接点電力伝送システムの受電装置40の制御装置50(回路装置)であってもよい。なお、この場合に限定されず本実施形態の回路装置は受電装置40以外の電子機器にも適用可能である。
本実施形態の回路装置を受電装置40に適用した場合、電力供給部57は、無接点電力伝送により受電部52が受電した電力をバッテリー90に供給して、バッテリー90を充電する。
このようにすれば、無接点電力伝送で供給された電力によりバッテリー90を充電し、そのバッテリー90に充電された電力を電力供給対象100に供給できる。無接点電力伝送では、所定の条件を満たしたとき、例えば送電装置10に受電装置40を着地(接近)させている場合に電力伝送が可能となる。そして、所定の条件を満たさなくなったとき、例えば送電装置10から受電装置40を取り去った場合に電力伝送が停止する。この取り去りはユーザーの任意のタイミングで行われる可能性があり、その際のバッテリー電圧VBATは不確定である。本実施形態では、このようなバッテリー電圧VBATが不確定な状態でチャージポンプ回路61の出力に電圧が印加された場合であっても、バッテリー90を保護できる。
また本実施形態の回路装置を受電装置40に適用した場合、制御部54は、着地が検出された場合に、放電部60の放電動作を停止し、取り去り期間において、放電部60に放電動作を行わせる。
このように取り去り期間において放電部60に放電動作を行わせた場合、送電装置10から受電装置40を取り去るとバッテリー90から電力供給対象100への電力供給が開始されることになる。例えば上述した補聴器の例では、チューニング前には基本的に電力供給がオンした状態となっている。そのため、例えば操作忘れ等によって電力供給(チャージポンプ動作)をオフすることなくチューニング装置400が補聴器300に接続される可能性がある。本実施形態では、このような接続が行われた場合であっても、バッテリー90を保護できる。
また本実施形態の回路装置を受電装置40に適用した場合、制御部54は、受電部52の出力電圧VCC(整流電圧)が低下し、放電動作の起動期間が経過した後に、放電部60の放電動作を開始する。
具体的には、制御部54は、受電部52の出力電圧VCCが判定電圧(図11のC4)を下回ってから起動期間(図11のTST)が経過した後に、放電部60の放電動作を開始する(図11のC8)。
このようにすれば、上述のように取り去り期間において放電部60に放電動作を行わせることができる。そして、この状態でチューニング装置400が補聴器300に接続された場合であっても、バッテリー90を保護できる。
また、受電部52の出力電圧VCCが低下した場合にも、放電動作の起動期間TSTが経過しない限り、バッテリー90の放電動作は行われないようになる。そして、起動期間TSTが経過すると、バッテリー90からの電力が放電されて、電力供給対象100に電力が供給されるようになる。このようにすれば、バッテリー90が不必要に放電されて、必要以上に再充電が行われてしまう事態を抑制できる。従って、再充電によるバッテリー90の特性劣化等を抑制できる。また、不必要にバッテリー90が放電されないことで省電力化も実現できるようになる。
また本実施形態の回路装置を受電装置40に適用した場合、制御部54は、受電装置40が送電装置10から取り去られている取り去り期間において、スイッチ部514(スイッチ、ボタン。広義には操作部)の操作状態の監視結果に基づいて、放電動作をオンからオフ又はオフからオンに切り替えてもよい。この場合、制御装置50(回路装置)はスイッチの操作状態を監視する不図示の監視部を含んでもよい。
このようにすれば、スイッチ部の操作状態に応じて放電動作(チャージポンプ動作)をオンからオフ又はオフからオンに切り替えることができる。例えば、スイッチ部514を所定時間押し続ける操作が行われた場合に、放電動作(チャージポンプ動作)をオンからオフ又はオフからオンに切り替える。補聴器300のチューニング時において、このスイッチ部514の操作によって放電動作をオフすることが可能であるが、必ずしもこの手順が守られるとは限らない。本実施形態では、チューニング時にスイッチ部514によるオフ操作が行われなかった場合であってもバッテリー90を保護できる。
3.検出回路
図4に、検出回路68の詳細な構成例を示す。検出回路68は、コンパレーターCPA(電圧比較回路)、抵抗RA1、RA2を含む。
抵抗RA1、RA2は直列に接続されており、バッテリー電圧VBATと基準電圧(例えば低電位側電源電圧、グランド電圧)との間を抵抗分割し、その分割電圧VA1をノードNA1に出力する。ノードNA1は、コンパレーターCPAの第1入力ノード(正極性入力ノード)である。コンパレーターCPAの第2入力ノードNA2(負極性入力ノード)には、端子371の電圧VOUT’(外部からVPROG等の電圧が印加されていない場合には、チャージポンプ回路61の出力電圧VOUT)が入力される。
抵抗RA1、RA2の抵抗比は、分割電圧VA1=KS×VBAT×m/nとなるように設定される。そして、VOUT’>KS×VBAT×m/nである場合にはコンパレーターCPAはローレベル(アクティブ)の検出信号SDTを出力する。一方、VOUT’<KS×VBAT×m/nである場合にはコンパレーターCPAはハイレベル(非アクティブ)の検出信号SDTを出力する。
4.チャージポンプ回路
図5A、図5Bに、チャージポンプ回路61の詳細な構成例を示す。図5Aには第1相でのスイッチング状態を示し、図5Bには第2相でのスイッチング状態を示す。なお、ここでは(1/3)降圧のチャージポンプ回路の構成例を説明するが、チャージポンプ回路の降圧比は(1/3)に限定されない。
チャージポンプ回路61は、キャパシターCB1〜CB3、スイッチ素子SB1〜SB7を含む。キャパシターCB1〜CB3の容量は同一(略同一を含む)である。スイッチ素子SB1〜SB7は、例えばトランジスターで構成できる。スイッチ素子SB1〜SB7のオン及びオフを制御する信号は、制御部54から供給される。
図5Aの第1相では、スイッチ素子SB1〜SB3がオンになり、スイッチ素子SB4〜SB7がオフになる。キャパシターCB1〜CB3はバッテリー電圧VBATのノードNB1と基準電圧のノードとの間に直列に接続される。各キャパシターには、VBAT×(1/3)の電圧が印加され、それに応じた電荷がチャージされる。
図5Bの第2相では、スイッチ素子SB1〜SB3がオフになり、スイッチ素子SB4〜SB7がオンになる。キャパシターCB1〜CB3は出力電圧VOUTのノードNB2と基準電圧のノードとの間に並列に接続される。そして、第1相で各キャパシターに充電された電圧VBAT×(1/3)が出力電圧VOUTとして出力される。
出力ノードNB2にチューニング装置400から電圧VPROGが印加され、出力ノードNB2の電圧(端子371の電圧)がVOUT’=VPROG>VBAT×(1/3)となったとする。この場合、第2相で各キャパシターにVOUT’=VPROGの電圧が印加され、それに応じた電荷がチャージされる。そして第1相でVOUT’×3=VPROG×3>VBATが入力ノードNB1に出力される。このように、チャージポンプ回路61は入力ノードNB1と出力ノードNB2の間で電荷を移動させているだけなので、入力ノードNB1に入力電圧(バッテリー電圧VBAT)よりも高い電圧が出力される場合がある。本実施形態では、このような場合にチャージポンプ動作を停止することができ、バッテリー90を保護できる。
5.無接点電力伝送システム
以下、本実施形態の回路装置を無接点電力伝送システムの受電装置に適用した場合を例にとり、回路装置及び回路装置を含む電子機器の詳細を説明する。
図6Aに本実施形態の無接点電力伝送システムの一例を示す。充電器500(電子機器の1つ)は送電装置10を有する。電子機器510は受電装置40を有する。また電子機器510は、操作用のスイッチ部514(広義には操作部)やバッテリー90を有する。なお図6Aではバッテリー90を模式的に示しているが、このバッテリー90は実際には電子機器510に内蔵されている。図6Aの送電装置10と受電装置40により本実施形態の無接点電力伝送システムが構成される。
充電器500には、電源アダプター502を介して電力が供給され、この電力が、無接点電力伝送により送電装置10から受電装置40に送電される。これにより、電子機器510のバッテリー90を充電し、電子機器510内のデバイスを動作させることができる。
なお充電器500の電源は、USB(USBケーブル)による電源であってもよい。また、本実施形態が適用される電子機器510としては種々の機器を想定できる。例えば補聴器、腕時計、生体情報の測定装置(脈波等を測定するウェアラブル機器)、携帯情報端末(スマートフォン、携帯電話機等)、コードレス電話器、シェーバー、電動歯ブラシ、リストコンピューター、ハンディターミナル、車載用機器、ハイブリッド車、電気自動車、電動バイク、或いは電動自転車などの種々の電子機器を想定できる。例えば本実施形態の制御装置(受電装置等)は、車、飛行機、バイク、自転車、或いは船舶等の種々の移動体に組み込むことができる。移動体は、例えばモーターやエンジン等の駆動機構、ハンドルや舵等の操舵機構、各種の電子機器(車載機器)を備えて、地上や空や海上を移動する機器・装置である。
図6Bに模式的に示すように、送電装置10から受電装置40への電力伝送は、送電側に設けられた1次コイルL1(送電コイル)と、受電側に設けられた2次コイルL2(受電コイル)を電磁的に結合させて電力伝送トランスを形成することなどで実現される。これにより非接触での電力伝送が可能になる。なお無接点電力伝送の方式としては、電磁誘導方式又は磁界共鳴方式等の種々の方式を採用できる。
6.送電装置、受電装置、制御装置の構成
図7に本実施形態の制御装置20、50及びこれを含む送電装置10、受電装置40の構成例を示す。受電側の制御装置50は、図3の回路装置370に対応する。なお、これらの各装置の構成は図7の構成に限定されず、その構成要素の一部を省略したり、他の構成要素(例えば報知部)を追加したり、接続関係を変更するなどの種々の変形実施が可能である。
図6Aの充電器500などの送電側の電子機器は送電装置10を含む。また受電側の電子機器510は受電装置40と負荷80を含む。負荷80は、バッテリー90、電力供給対象100を含むことができる。電力供給対象100は、例えば処理部(DSP等)などの各種のデバイスである。そして図7の構成により、1次コイルL1と2次コイルL2を電磁的に結合させて送電装置10から受電装置40に対して電力を伝送する無接点電力伝送(非接触電力伝送)システムが実現される。
送電装置10(送電モジュール、1次モジュール)は、1次コイルL1、送電部12(送電回路)、制御装置20を含む。送電部12は、電力伝送時において所定周波数の交流電圧を生成して、1次コイルL1に供給する。送電部12は、1次コイルL1を駆動する送電ドライバーや、送電ドライバーに電源を供給する電源回路(例えば電源電圧制御部)や、1次コイルL1と共に共振回路を構成する少なくとも1つのキャパシター(コンデンサー)を含むことができる。
1次コイルL1(送電側コイル)は、2次コイルL2(受電側コイル)と電磁結合して電力伝送用トランスを形成する。例えば電力伝送が必要なときには、図6A、図6Bに示すように、充電器500の上に電子機器510を置き、1次コイルL1の磁束が2次コイルL2を通るような状態にする。一方、電力伝送が不要なときには、充電器500と電子機器510を物理的に離して、1次コイルL1の磁束が2次コイルL2を通らないような状態にする。
制御装置20は、送電側の各種制御を行うものであり、集積回路装置(IC)などにより実現できる。制御装置20は、制御部24(制御回路)、通信部30(通信回路)を含む。なお送電部12を制御装置20に内蔵させるなどの変形実施も可能である。
制御部24は、送電側の制御装置20の各種の制御処理を実行する。例えば制御部24は、送電部12や通信部30の制御を行う。具体的には制御部24は、電力伝送、通信処理等に必要な各種のシーケンス制御や判定処理を行う。この制御部24は、例えばゲートアレイ等の自動配置配線手法で生成されたロジック回路や、或いはマイクロコンピューターなどの各種のプロセッサーにより実現できる。
通信部30は、受電装置40との間での通信データの通信処理を行う。例えば通信部30は、受電装置40からの通信データを検出して受信するための処理を行う。
受電装置40(受電モジュール、2次モジュール)は、2次コイルL2、制御装置50を含む。制御装置50(回路装置)は、受電側の各種制御を行うものであり、集積回路装置(IC)などにより実現できる。制御装置50は、受電部52(受電回路)、制御部54(制御回路)、電力供給部57(電力供給回路)、検出回路68を含む。また通信部46(通信回路)、記憶部48(メモリー)を含むことができる。なお、受電部52を制御装置50の外部に設けるなどの変形実施も可能である。
受電部52は、送電装置10からの電力を受電する。具体的には受電部52は、2次コイルL2の交流の誘起電圧を直流の整流電圧(VCC)に変換して、出力する。
電力供給部57は、受電部52が受電した電力に基づいて、負荷80に対して電力を供給する。例えば受電部52が受電した電力を供給して、バッテリー90を充電する。或いはバッテリー90からの電力や、受電部52が受電した電力を、電力供給対象100に供給する。電力供給部57は電力供給スイッチ42、チャージポンプ回路61を含む。電力供給スイッチ42は、受電部52が受電した電力を、負荷80に供給するスイッチ(スイッチ素子、スイッチ回路)である。例えば電力供給スイッチ42は、受電部52が受電した電力を、負荷80であるバッテリー90に供給して、バッテリー90を充電する。
制御部54は、受電側の制御装置50の各種の制御処理を実行する。例えば制御部54は、通信部46、電力供給部57の制御を行う。また受電部52や記憶部48の制御を行うこともできる。制御部54は、例えばゲートアレイ等の自動配置配線手法で生成されたロジック回路や、或いはマイクロコンピューターなどの各種のプロセッサーにより実現できる。
通信部46は、送電装置10に対して通信データを送信する通信を行う。或いは送電装置10から通信データを受信する通信を行ってもよい。通信部46の通信は、例えば負荷変調により実現できる。但し、通信部46の通信方式は負荷変調には限定されない。例えば通信部46は、1次コイルL1、2次コイルL2を用いて負荷変調以外の方式で通信を行ってもよい。或いは、1次コイルL1、2次コイルL2とは別のコイルを設け、この別のコイルを用いて負荷変調やそれ以外の通信方式で通信を行ってもよい。或いはRFなどの近接無線通信で通信を行ってもよい。
記憶部48は、各種の情報を記憶する。記憶部48は例えば不揮発性メモリーにより実現できるが、これに限定されるものではない。例えば不揮発性メモリー以外のメモリー(例えばROM)により記憶部48を実現してもよい。或いは、ヒューズ素子を用いた回路等により記憶部48を実現してもよい。
負荷80は、バッテリー90、電力供給対象100を含む。バッテリー90は例えば充電可能な二次電池であり、例えばリチウム電池(リチウムイオン二次電池、リチウムイオンポリマー二次電池等)、ニッケル電池(ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池等)などである。電力供給対象100は、例えば、処理部(DSP、マイコン)などのデバイス(集積回路装置)であり、受電装置40を内蔵する電子機器510(図6A)に設けられ、例えばバッテリー90の電力供給対象となるデバイスである。なお、受電部52が受電した電力を直接に電力供給対象100に供給してもよい。
7.送電装置、受電装置、制御装置の詳細な構成例
図8に本実施形態の制御装置20、50及びこれを含む送電装置10、受電装置40の詳細な構成例を示す。受電側の制御装置50は、図3の回路装置370に対応する。なお図8において図7と同様の構成については詳細な説明を省略する。
図8では、送電部12は、1次コイルL1の一端を駆動する第1の送電ドライバーDR1と、1次コイルL1の他端を駆動する第2の送電ドライバーDR2と、電源電圧制御部14(電源電圧制御回路)を含む。送電ドライバーDR1、DR2の各々は、例えばパワーMOSトランジスターにより構成されるインバーター回路(バッファー回路)などにより実現される。これらの送電ドライバーDR1、DR2は、制御装置20のドライバー制御回路22により制御(駆動)される。即ち、制御部24は、ドライバー制御回路22を介して送電部12を制御する。
電源電圧制御部14は、送電ドライバーDR1、DR2の電源電圧VDRVを制御する。例えば制御部24は、受電側から受信した通信データ(送電電力設定情報)に基づいて、電源電圧制御部14を制御する。これにより、送電ドライバーDR1、DR2に供給される電源電圧VDRVが制御されて、例えば送電電力の可変制御等が実現される。この電源電圧制御部14は、例えばDCDCコンバーターなどにより実現できる。例えば電源電圧制御部14は、電源からの電源電圧(例えば5V)の昇圧動作を行って、送電ドライバー用の電源電圧VDRV(例えば6V〜15V)を生成して、送電ドライバーDR1、DR2に供給する。具体的には、送電装置10から受電装置40への送電電力を高くする場合には、電源電圧制御部14は、送電ドライバーDR1、DR2に供給する電源電圧VDRVを高くし、送電電力を低くする場合には、電源電圧VDRVを低くする。
報知部16(報知装置。例えば表示部(表示装置))は、無接点電力伝送システムの各種状態(電力伝送中、ID認証等)を、光や音や画像などを用いて報知(表示)するものであり、例えばLEDやブザーやLCDなどにより実現できる。
送電側の制御装置20は、ドライバー制御回路22、制御部24、通信部30、クロック生成回路37、発振回路38を含む。ドライバー制御回路22(プリドライバー)は、送電ドライバーDR1、DR2を制御する。例えばドライバー制御回路22は、送電ドライバーDR1、DR2を構成するトランジスターのゲートに対して制御信号(駆動信号)を出力し、送電ドライバーDR1、DR2により1次コイルL1を駆動させる。発振回路38は、例えば水晶発振回路などにより構成され、1次側のクロック信号を生成する。クロック生成回路37は、送電周波数(駆動周波数)を規定する駆動クロック信号等を生成する。そしてドライバー制御回路22は、この駆動クロック信号や制御部24からの制御信号などに基づいて、所与の周波数(送電周波数)の制御信号を生成し、送電部12の送電ドライバーDR1、DR2に出力して、制御する。
受電側の制御装置50(回路装置)は、受電部52、制御部54、負荷変調部56(負荷変調回路)、電力供給部57、不揮発性メモリー62、検出部64(検出回路)、検出回路68を含む。
受電部52は、複数のトランジスターやダイオードなどにより構成される整流回路53を含む。整流回路53は、2次コイルL2の交流の誘起電圧を直流の整流電圧VCCに変換して、出力する。
負荷変調部56(広義には通信部)は負荷変調を行う。例えば負荷変調部56は電流源ISを有し、この電流源ISを用いて負荷変調を行う。具体的には、負荷変調部56は電流源IS(定電流源)とスイッチ素子SWを有する。電流源ISとスイッチ素子SWは、例えば整流電圧VCCのノードNVCとGND(広義には低電位側電源)のノードとの間に直列に設けられる。そして、例えば制御部54からの制御信号に基づいてスイッチ素子SWがオン又はオフにされ、ノードNVCからGNDに流れる電流源ISの電流(定電流)をオン又はオフにすることで、負荷変調が実現される。
なお、ノードNVCにはキャパシターCMの一端が接続される。このキャパシターCMは例えば制御装置50の外付け部品として設けられる。またスイッチ素子SWはMOSのトランジスターなどにより実現できる。このスイッチ素子SWは、電流源ISの回路を構成するトランジスターとして設けられるものであってもよい。また負荷変調部56は図8の構成に限定されず、例えば電流源ISの代わりとして抵抗を用いるなどの種々の変形実施が可能である。
電力供給部57は充電部58と放電部60を含む。充電部58はバッテリー90の充電(充電制御)を行う。例えば充電部58は、受電部52からの整流電圧VCC(広義には直流電圧)に基づく電圧が供給されて、バッテリー90を充電する。この充電部58は、電力供給スイッチ42とCC充電回路59を含むことができる。CC充電回路59は、バッテリー90のCC(Constant-Current)充電を行う回路である。
放電部60はバッテリー90の放電動作を行う。例えば放電部60は、バッテリー90の放電動作を行って、バッテリー90からの電力を電力供給対象100に対して供給する。例えば放電部60は、バッテリー90からのバッテリー電圧VBATが供給され、出力電圧VOUTを電力供給対象100に供給する。この放電部60はチャージポンプ回路61を含むことができる。チャージポンプ回路61は、バッテリー電圧VBATを降圧(例えば1/3降圧)して、出力電圧VOUT(VBAT/3)を電力供給対象100に対して供給する。この放電部60(チャージポンプ回路)は、例えばバッテリー電圧VBATを電源電圧として動作する。
不揮発性メモリー62(広義には記憶部)は、各種の情報を記憶する不揮発性のメモリーデバイスである。この不揮発性メモリー62は例えば受電装置40のステータス情報等の各種の情報を記憶する。不揮発性メモリー62としては、例えばEEPROMなどを用いることができる。EEPROMとしては例えばMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)型のメモリーを用いることができる。例えばMONOS型のメモリーを用いたフラッシュメモリーを用いることができる。或いはEEPROMとして、フローティングゲート型などの他のタイプのメモリーを用いてもよい。
検出部64は各種の検出処理を行う。例えば検出部64は、整流電圧VCCやバッテリー電圧VBAT等を監視して、各種の検出処理を実行する。具体的には検出部64はA/D変換回路65を有し、整流電圧VCCやバッテリー電圧VBATに基づく電圧や、不図示の温度検出部からの温度検出電圧などを、A/D変換回路65によりA/D変換し、得られたデジタルのA/D変換値を用いて検出処理を実行する。検出部64が行う検出処理としては、過放電、過電圧、過電流、或いは温度異常(高温、低温)の検出処理を想定できる。
そして図8では、負荷変調部56は、受電部52の出力電圧VCCが第1の電圧(VST)よりも高くなって着地が検出された場合に、負荷変調を開始し、取り去りが検出された場合に、負荷変調を停止する。具体的には負荷変調部56は、電子機器510の着地が検出された場合に、負荷変調を開始する。送電装置10(制御部24)は、例えば受電装置40(負荷変調部56)が負荷変調を開始したことを条件に、送電部12による通常送電を開始させる。そして電子機器510の取り去りが検出された場合に、負荷変調部56は負荷変調を停止する。送電装置10(制御部24)は、負荷変調が継続されている間は、送電部12による通常送電を継続させる。即ち、負荷変調が非検出となった場合に、通常送電を停止させ、例えば着地検出用の間欠送電を送電部12に行わせる。この場合に受電側の制御部54は、受電部52の出力電圧VCCに基づいて、着地検出、取り去り検出を行うことができる。
また図8では、図7の通信部46が、負荷変調により通信データを送信する負荷変調部56により実現されている。具体的には、負荷変調部56は、送電装置10(制御装置20)に送信する通信データ(通信データのビット)の第1の論理レベル(例えば「1」)については、第1の負荷状態と第2の負荷状態で構成される負荷変調パターンが第1のパターン(第1のビットパターン)となる負荷変調を行う。一方、送電装置10に送信する通信データ(通信データのビット)の第2の論理レベル(例えば「0」)については、負荷変調パターンが第1のパターンとは異なる第2のパターン(第2のビットパターン)となる負荷変調を行う。
一方、送電側の通信部30は、負荷変調パターンが第1のパターンである場合には、第1の論理レベルの通信データであると判断し、負荷変調パターンが第2のパターンである場合には、第2の論理レベルの通信データであると判断する。
ここで第1のパターンは、例えば第1の負荷状態の期間の幅が第2のパターンに比べて長くなるパターンである。例えば通信部30は、第1のパターンにおける第1の負荷状態の期間内に設定された第1のサンプリングポイントから、所与のサンプリング間隔で負荷変調パターンのサンプリングを行って、所与のビット数(例えば16ビット、64ビット)の通信データを取り込む。
このような負荷変調パターンを用いた手法によれば、負荷変調による負荷変動についての検出感度や検出のノイズ耐性の向上を図れる。これにより、通信開始電圧(負荷変調開始電圧)である第1の電圧を低い電圧に設定することが可能になる。この結果、広い距離範囲で着地を検出して、通信を開始し、バッテリー90の充電のための制御(例えば送電電力制御)を送電側に行わせることが可能になる。
また電力供給部57は、受電部52が受電した電力に基づいて、バッテリー90を充電する充電部58と、バッテリー90の放電動作を行って、バッテリー90からの電力を電力供給対象100に対して供給する放電部60を含む。
そして制御部54(放電系の制御部)は、着地が検出された場合に、放電部60の放電動作を停止する。即ち図6Aにおいて電子機器510の着地が検出された場合に、放電部60の放電動作(VOUTの供給)を停止して、バッテリー90の電力が電力供給対象100に放電されないようにする。そして制御部54は、取り去り期間(電子機器510が取り去られている期間)において、放電部60に放電動作を行わせる。この放電動作により、バッテリー90からの電力が放電部60を介して電力供給対象100に供給されるようになる。
8.無接点電力伝送システムの動作シーケンス
次に本実施形態の無接点電力伝送システムの動作シーケンスの一例について説明する。図9は動作シーケンスの概要を説明する図である。
図9のA1では、受電装置40を有する電子機器510が、送電装置10を有する充電器500に上に置かれておらず、取り去り状態になっている。この場合にはスタンバイステートとなる。このスタンバイステートでは、送電装置10の送電部12は、着地検出のための間欠送電を行って、電子機器510の着地を検出する状態になる。またスタンバイモードでは、受電装置40では、電力供給対象100への放電動作がオンになっており、電力供給対象100への電力供給がイネーブルになっている。これにより、処理部等の電力供給対象100は、バッテリー90からの電力が供給されて動作可能になる。
図9のA2に示すように、電子機器510が充電器500に上に置かれ、着地が検出されると、通信チェック&充電ステートになる。この通信チェック&充電ステートでは、送電装置10の送電部12は、連続送電である通常送電を行う。この際に、電力伝送の状態などに応じて電力が可変に変化する電力制御を行いながら、通常送電を行う。またバッテリー90の充電状態に基づく制御も行われる。電力伝送の状態は、例えば1次コイルL1、2次コイルL2の位置関係(コイル間距離等)などにより決まる状態であり、例えば受電部52の整流電圧VCCなどの情報に基づいて判断できる。バッテリー90の充電状態は、例えばバッテリー電圧VBATなどの情報に基づいて判断できる。
また通信チェック&充電ステートでは、受電装置40の充電部58の充電動作がオンになり、受電部52が受電した電力に基づいてバッテリー90の充電が行われる。また放電部60の放電動作がオフになり、バッテリー90からの電力が、電力供給対象100に供給されなくなる。また通信チェック&充電ステートでは、負荷変調部56の負荷変調により、通信データが送電側に送信される。例えば電力伝送状態情報(VCC等)や、充電状態情報(VBATや各種のステータスフラグ等)や、温度などの情報を含む通信データが、通常送電期間中の常時の負荷変調により、受電側から送電側に送信される。
図9のA3に示すように、バッテリー90の満充電が検出されると、満充電スタンバイステートになる。この満充電スタンバイステートでは、送電部12は、例えば取り去り検出のための間欠送電を行って、電子機器510の取り去りを検出する状態になる。また放電部60の放電動作はオフのままとなり、電力供給対象100への電力供給もディスエーブルのままとなる。
図9のA4に示すように電子機器510の取り去りが検出されると、A5に示すように電子機器510が使用状態になり、受電側の放電動作がオンになる。具体的には、放電部60の放電動作がオフからオンに切り替わり、バッテリー90からの電力が放電部60を介して電力供給対象100に供給される。これにより、バッテリー90からの電力が供給されて、処理部等の電力供給対象100が動作し、ユーザーが電子機器510を通常に使用できる状態となる。
以上のように本実施形態では図9のA1に示すように、電子機器510の着地が検出されると、通常送電が行われ、この通常送電期間において常時の負荷変調が行われる。また着地が検出されると、放電部60の放電動作が停止する。そして、この常時の負荷変調では、送電側の電力制御のための情報や受電側のステータスを表す情報を含む通信データが、受電側から送電側に送信される。例えば電力制御のための情報(電力伝送状態情報)を通信することで、例えば1次コイルL1と2次コイルL2の位置関係等に応じた最適な電力制御を実現できる。また受電側のステータスを表す情報を通信することで、最適で安全な充電環境を実現できる。そして本実施形態では、負荷変調が継続している間は、通常送電も継続され、放電部60の放電動作もオフのままになる。
また本実施形態では図9のA3に示すように、バッテリー90の満充電が検出されると、通常送電が停止し、取り去り検出用の間欠送電が行われる。そしてA4、A5に示すように、取り去りが検出されて、取り去り期間になると、放電部60の放電動作が行われる。これによりバッテリー90からの電力が電力供給対象100に供給されて、電子機器510の通常動作が可能になる。なお、着地検出や取り去り検出は、受電部52の出力電圧VCCに基づいて行われる。
このように本実施形態では、電子機器510のバッテリー90の充電期間(通常送電期間)においては、電力供給対象100への放電動作がオフになるため、充電期間において電力供給対象100により無駄に電力が消費されてしまう事態を抑制できる。
そして、電子機器510の取り去りが検出されると、通常送電から間欠送電に切り替わると共に、電力供給対象100への放電動作がオンになる。このように放電動作がオンになることで、バッテリー90からの電力が電力供給対象100に供給されるようになり、処理部(DSP)等の電力供給対象100の通常動作が可能になる。このようにすることで、例えば電子機器510が充電器500の上に置かれる充電期間においては動作しないようなタイプの電子機器510(例えば、補聴器、ウェアラブル機器等のユーザーが装着する電子機器)において、好適な無接点電力伝送の動作シーケンスを実現できる。
図10、図11、図12は本実施形態の無接点電力伝送システムの動作シーケンスの詳細を説明するための信号波形図である。
図10のB1は、図9のA1のスタンバイステートであり、着地検出用の間欠送電が行われている。即ち、期間TL1の間隔毎に期間TL2の間隔の送電が行われる。TL1の間隔は例えば3秒であり、TL2の間隔は例えば50ミリ秒である。そして図10のB2、B3では、整流電圧VCCは電圧VST以下(第1の電圧以下)であるため、負荷変調による通信は行われない。
一方、B4では整流電圧VCCが電圧VST(例えば4.5V)を超えたため、B5に示すように負荷変調部56が負荷変調を開始する。即ち、B2、B3ではL1、L2のコイルが十分には電磁的結合状態になっていないが、B4ではL1、L2のコイルが図6Bに示すように適正な電磁的結合状態になっている。このため、整流電圧VCCが上昇して、電圧VSTを超え、B5に示すように負荷変調が開始する。そして、この負荷変調により、B6に示すような通信データが送電側に送信される。このB5の負荷変調は、B7に示す着地検出用の間欠送電により整流電圧VCCが上昇したことにより開始している。
具体的には、受電側は、着地検出用のダミーデータ(例えば64ビットの「0」)を送信する。送電側は、このダミーデータを検出(例えば8ビットの「0」の検出)することで、受電側の着地を検出して、B7に示すように通常送電(連続送電)を開始する。
次に受電側は、ID情報や整流電圧VCCの情報を送信する。前述したように、ID情報の送信に対して送電側が応答を行うことで、簡易的な認証処理が実現される。
また送電側は、整流電圧VCCの情報である送電電力設定情報を受信して、送電電力の制御を行う。この送電側の送電電力の制御により、B8に示すように整流電圧VCCが上昇する。そしてB9に示すように、VCCが電圧VCCL(第2の電圧)を超えると、バッテリー90への充電が開始する。
このように本実施形態では、負荷変調(通信)を開始する電圧VSTを低く設定できる。これにより送電側の駆動電圧が高く設定されることによる耐圧異常等の不具合の発生を抑制できる。そして、開始した負荷変調により、送電電力設定情報(VCC)を送電側に送信することで、送電側の送電電力の制御が行われ、この送電電力の制御により、B8に示すように整流電圧VCCが上昇する。そして、整流電圧VCCが上昇して、B9に示すように充電可能電圧である電圧VCCLを超えると、バッテリー90の充電が開始するようになる。従って、広い距離範囲での着地検出と、耐圧異常等の不具合の発生の抑制とを、両立して実現できるようになる。
図11のC1では、バッテリー90の充電が行われる通常送電期間において、電子機器510が取り去られている。このC1の取り去りは、C2、C3に示すように、バッテリー90の満充電前(満充電フラグ=Lレベル)の取り去りである。
このように電子機器510の取り去りが行われると、送電側の電力が受電側に伝達されなくなり、整流電圧VCCが低下する。そしてC4に示すように例えばVCC<3.1Vになると、C5に示すように負荷変調部56による負荷変調が停止する。負荷変調が停止すると、C6に示すように送電部12による通常送電が停止する。
また、整流電圧VCCが低下し、判定電圧である例えば3.1Vを下回ると、不図示の受電側のスタートキャパシターの放電が開始する。このスタートキャパシターは、受電側の放電動作の起動用(起動期間の計測用)のキャパシターであり、例えば受電側の制御装置50の外付け部品として設けられる。そして、整流電圧VCCが判定電圧(3.1V)を下回ってから、起動期間TSTが経過すると、C8に示すように放電部60の放電動作がオフからオンに切り替わり、バッテリー90からの電力が電力供給対象100に供給されるようになる。また送電部12は、通常送電を停止した後、C9に示すように、着地検出用の間欠送電を行うようになる。
なお本実施形態では受電側の制御部54として、充電系の制御部と、放電系の制御部が設けられている。充電系の制御部は、受電部52の整流電圧VCC(出力電圧)による電源電圧が供給されて動作する。一方、放電系の制御部や放電部60は、バッテリー電圧VBATによる電源電圧が供給されて動作する。そしてスタートキャパシターの充放電の制御や、放電部60の放電動作の制御(オン・オフ制御)は、放電系の制御部が行うことになる。
図12のD1では、満充電フラグがアクティブレベルであるHレベルになっており、バッテリー90の満充電が検出されている。このように満充電が検出されると、D2に示すように満充電後の取り去り検出用の間欠送電が行われる。即ち、期間TR1の間隔毎に期間TR2の間隔の送電が行われる。TR1の間隔は例えば1.5秒であり、TR2の間隔は例えば50ミリ秒である。取り去り検出用の間欠送電の期間TR1の間隔は、着地検出用の間欠送電の期間TL1の間隔に比べて、短くなっている。
この取り去り検出用の間欠送電により、図12のD3、D4に示すように整流電圧がVCC>VSTとなり、D5、D6に示すように負荷変調が行われる。送電側は、この負荷変調(空の通信データ等)を検出することで、電子機器510が未だ取り去られていないことを検出できる。
そして、前述のスタートキャパシターにより設定されるD7に示す起動期間TSTの間隔(例えば3秒より長い)に比べて、取り去り検出用の間欠送電の期間TR1の間隔(例えば1.5秒)は短い。従って、電子機器510が取り去られていない状態では、スタートキャパシターの電圧(充電電圧)は、放電動作オンのための閾値電圧VTを下回らず、D8に示すように放電動作のオフからオンへの切り替わりは行われない。
一方、D9では、電子機器510が取り去られている。そして、D4に示す取り去り検出用の間欠送電の期間TR2の終了後に、D10に示すように、整流電圧VCCは判定電圧である3.1Vを下回るため、D7に示す起動期間TSTの計測がスタートする。そしてD11では、スタートキャパシターの電圧が放電動作オンのための閾値電圧VTを下回っており、起動期間TSTの経過が検出されている。これにより、放電部60の放電動作がオフからオンに切り替わり、バッテリー90からの電力が電力供給対象100に供給されるようになる。またD12に示すように、電子機器510の着地検出用の間欠送電が行われるようになる。
以上のように本実施形態では、図10のB5に示すように受電装置40が負荷変調を開始したことを条件に、B7に示すように送電部12による通常送電が開始する。そしてB5の負荷変調が継続されている間は、B7に示す通常送電は継続する。具体的には図11のC5に示すように負荷変調が非検出となった場合に、C6に示すように送電部12による通常送電が停止する。そしてC9に示すように送電部12による着地検出用の間欠送電が行われるようになる。
このように本実施形態では、負荷変調の開始を条件に通常送電を開始し、負荷変調が継続されている間は通常送電を継続し、負荷変調が非検出になると通常送電を停止するという動作シーケンスを採用している。このようにすれば、シンプルで簡素な動作シーケンスで、無接点電力伝送と、負荷変調による通信を実現できるようになる。また、通常送電期間中において、常時の負荷変調による通信を行うことで、電力伝送の状態等に応じた効率的な無接点電力伝送も実現できるようになる。
9.通信手法
図13は、負荷変調による通信手法を説明する図である。図13に示すように、送電側では、送電ドライバーDR1、DR2が、電源電圧制御部14から供給された電源電圧VDRVに基づいて動作して、1次コイルL1を駆動する。
一方、受電側(2次側)では、2次コイルL2のコイル端電圧を受電部52の整流回路53が整流し、ノードNVCに整流電圧VCCが出力される。なお、1次コイルL1とキャパシターCA1により送電側の共振回路が構成され、2次コイルL2とキャパシターCA2により受電側の共振回路が構成されている。
受電側では、負荷変調部56のスイッチ素子SWをオン・オフさせることで、電流源ISの電流ID2をノードNVCからGND側に間欠的に流して、受電側の負荷状態(受電側の電位)を変動させる。
送電側では、負荷変調による受電側の負荷状態の変動により、電源ラインに設けられたセンス抵抗RCSに流れる電流ID1が変動する。例えば送電側の電源(例えば図6Aの電源アダプター502等の電源装置)と電源電圧制御部14との間に、電源に流れる電流を検出するためのセンス抵抗RCSが設けられている。電源電圧制御部14は、このセンス抵抗RCSを介して電源から電源電圧が供給される。そして負荷変調による受電側の負荷状態の変動により、電源からセンス抵抗RCSに流れる電流ID1が変動し、通信部30が、この電流変動を検出する。そして通信部30は、検出結果に基づいて、負荷変調により送信される通信データの検出処理を行う。
10.受電部、充電部
図14に、受電部52、充電部58等の詳細な構成例を示す。図14に示すように、受電部52の整流回路53は、整流用のトランジスターTA1、TA2、TA3、TA4と、これらのトランジスターTA1〜TA4を制御する整流制御部51(整流制御回路)を有する。トランジスターTA1〜TA4の各々のドレイン・ソース間にはボディーダイオードが設けられている。整流制御部51は、トランジスターTA1〜TA4のゲートに対して制御信号を出力して、整流電圧VCCを生成するための整流制御を行う。
整流電圧VCCのノードNVCとGNDのノードとの間には抵抗RB1、RB2が直列に設けられている。整流電圧VCCを、抵抗RB1、RB2で電圧分割した電圧ACH1が、例えばA/D変換回路65に入力される。これにより整流電圧VCCの監視が可能になり、VCCに基づく電力制御や、VCCに基づく通信開始や充電開始の制御を実現できる。
レギュレーター67は、整流電圧VCCの電圧調整(レギュレート)を行って、電圧VD5を出力する。この電圧VD5は、トランジスターTC1を介して、充電部58のCC充電回路59に供給される。トランジスターTC1は、例えばバッテリー電圧VBATが所与の電圧を超える過電圧の検出時において、制御信号GC1に基づいてオフになる。なお制御装置50の各回路(放電部60等の放電系の回路を除く回路)は、この電圧VD5に基づく電圧(VD5をレギュレートした電圧等)を電源電圧として動作する。
CC充電回路59は、トランジスターTC2と、演算増幅器OPCと、抵抗RC1と、電流源ISCを有する。演算増幅器OPCの仮想接地により、抵抗RC1の一端の電圧(非反転入力端子の電圧)と、外付け部品であるセンス抵抗RSの他端の電圧VCS2(反転入力端子の電圧)とが等しくなるように、トランジスターTC2が制御される。信号ICDAの制御により電流源ISCに流れる電流をIDAとし、センス抵抗RSに流れる電流をIRSとする。すると、IRS×RS=IDA×RC1となるように、制御される。即ち、このCC充電回路59では、センス抵抗RSに流れる電流IRS(充電電流)が、信号ICDAにより設定される一定の電流値になるように制御される。これにより、CC(Constant-Current)充電が可能になる。
トランジスターTC3は、CC充電回路59の出力ノードと、バッテリー電圧VBATの供給ノードNBATとの間に設けられる。P型のトランジスターTC3のゲートには、N型のトランジスターTC4のドレインが接続されており、トランジスターTC4のゲートには、制御部54からの充電の制御信号CHONが入力されている。また、トランジスターTC3のゲートとノードNBATの間には、プルアップ用の抵抗RC2が設けられ、トランジスターTC4のゲートとGND(低電位側電源)のノードの間には、プルダウン用の抵抗RC3が設けられている。トランジスターTC3(TC4)により、図7の電力供給スイッチ42が実現される。
充電時には、制御部54が、制御信号CHONをアクティブレベル(Hレベル)にする。これにより、N型のトランジスターTC4がオンになって、P型のトランジスターTC3のゲート電圧がLレベルになる。この結果、トランジスターTC3がオンになり、バッテリー90の充電が行われるようになる。
一方、制御部54が、制御信号CHONを非アクティブレベル(Lレベル)にすると、N型のトランジスターTC4がオフになる。そしてP型のトランジスターTC3のゲート電圧が、抵抗RC2によりバッテリー電圧VBATにプルアップされることで、トランジスターTC3がオフになり、バッテリー90の充電が停止する。
また、充電系の電源電圧が回路の動作下限電圧よりも低くなった場合には、トランジスターTC4のゲート電圧が、抵抗RC3によりGNDにプルダウンされることで、トランジスターTC4がオフになる。そしてトランジスターTC3のゲート電圧が、抵抗RC2によりバッテリー電圧VBATにプルアップされることで、トランジスターTC3がオフになる。このようにすれば、例えば受電側が取り去られ、電源電圧が動作下限電圧よりも低くなった場合に、トランジスターTC3がオフになることで、CC充電回路59の出力ノードとバッテリー90のノードNBATとの間の経路が電気的に遮断される。これにより、電源電圧が動作下限電圧以下になった場合におけるバッテリー90からの逆流が防止されるようになる。
またノードNBATとGNDのノードとの間には抵抗RC4、RC5が直列に設けられており、バッテリー電圧VBATを、抵抗RC4、RC5で電圧分割した電圧ACH2が、A/D変換回路65に入力される。これによりバッテリー電圧VBATの監視が可能になり、バッテリー90の充電状態に応じた各種の制御を実現できる。またバッテリー90の近くには、サーミスターTH(広義には温度検出部)が設けられている。このサーミスターTHの一端の電圧RCTが制御装置50に入力され、これによりバッテリー温度の測定が可能になる。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また本実施形態及び変形例の全ての組み合わせも、本発明の範囲に含まれる。またチャージポンプ回路、検出回路、回路装置、電子機器、無接点電力伝送システムの構成・動作等も、本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
10…送電装置、12…送電部、14…電源電圧制御部、16…報知部、
20…制御装置、22…ドライバー制御回路、24…制御部、30…通信部、
37…クロック生成回路、38…発振回路、40…受電装置、
42…電力供給スイッチ、46…通信部、48…記憶部、50…制御装置、
51…整流制御部、52…受電部、53…整流回路、54…制御部、
56…負荷変調部、57…電力供給部、58…充電部、59…CC充電回路、
60…放電部、61…チャージポンプ回路、62…不揮発性メモリー、
64…検出部、65…A/D変換回路、67…レギュレーター、
68…検出回路、80…負荷、90…バッテリー、100…電力供給対象、
300…補聴器、310…処理部、320…マイクロフォン、
330…スピーカー、340…メモリー、350…操作部、360…接続部、
370…回路装置、400…チューニング装置、500…充電器、
502…電源アダプター、510…電子機器、514…スイッチ部、
CB1〜CB3…キャパシター、L1…1次コイル、L2…2次コイル、
SB1〜SB7…スイッチ素子、SDT…検出信号、
VBAT…バッテリー電圧、VCC…整流電圧

Claims (10)

  1. バッテリーからの電力を電力供給対象に供給する電力供給部と、
    前記電力供給部を制御する制御部と、
    を含み、
    前記電力供給部は、
    前記バッテリーのバッテリー電圧VBATをm/n降圧(nは1以上の整数、mは1以上(n−1)以下の整数)して端子から前記電力供給対象に供給するチャージポンプ回路を含み、
    前記制御部は、
    前記端子の電圧VOUT’がVOUT’>VBAT×m/nである場合に、前記チャージポンプ回路のチャージポンプ動作を停止させることを特徴とする回路装置。
  2. 請求項1において、
    前記バッテリー電圧VBATと前記端子の電圧VOUT’が入力され、VOUT’>VBAT×m/nである場合にアクティブになる検出信号を出力する検出回路を含み、
    前記制御部は、
    前記検出信号がアクティブになった場合に、前記チャージポンプ回路のチャージポンプ動作を停止させることを特徴とする回路装置。
  3. 請求項1又は2において、
    前記制御部は、
    VOUT’>VBAT×m/nである場合に、前記チャージポンプ回路に含まれるチャージポンプトランジスターのスイッチング信号を非アクティブにして、前記チャージポンプ動作を停止させることを特徴とする回路装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
    前記制御部は、
    所定の再開条件が満たされた場合に、停止した前記チャージポンプ動作を再開させることを特徴とする回路装置。
  5. 請求項4において、
    前記制御部は、
    回路装置が含まれる電子機器の操作部に所定の操作情報が入力された場合に、停止した前記チャージポンプ動作を再開させることを特徴とする回路装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれかにおいて、
    前記電力供給部は、
    前記バッテリーに電力を供給して、前記バッテリーを充電する充電部と、
    前記チャージポンプ回路を有し、前記バッテリーに充電された電力を前記電力供給対象に供給する放電動作を行う放電部と、
    を含むことを特徴とする回路装置。
  7. 請求項6において、
    前記電力供給部は、
    無接点電力伝送により受電部が受電した電力を前記バッテリーに供給して、前記バッテリーを充電することを特徴とする回路装置。
  8. 請求項6又は7において、
    前記制御部は、
    着地が検出された場合に、前記放電部の前記放電動作を停止し、取り去り期間において、前記放電部に前記放電動作を行わせることを特徴とする回路装置。
  9. 請求項6乃至8のいずれかに記載された回路装置を含むことを特徴とする受電装置。
  10. 請求項1乃至8のいずれかに記載された回路装置を含むことを特徴とする電子機器。
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