JP5597145B2 - Power transmission equipment - Google Patents
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Description
本発明は、電力伝送装置に係り、特に、送受間に共振器を用いた非接触型の電力伝送装置に係る。 The present invention relates to a power transmission device, and more particularly to a non-contact power transmission device using a resonator between transmission and reception.
送受間に共振器を備え、磁気共鳴を用いたワイヤレス電力伝送では、LC共振器を用いて2つのコイル間で電力を伝送する。この場合、共振器のQ値を非常に高くすることで、銅損、鉄損がほとんど無く、伝送に係るエネルギーの損失を少なくすることができる。したがって、結合係数が低いコイル間においても高い電力効率でエネルギーを伝送することができる(特許文献1等参照)。 In wireless power transmission using a magnetic resonance provided with a resonator between transmission and reception, power is transmitted between two coils using an LC resonator. In this case, by making the Q value of the resonator very high, there is almost no copper loss or iron loss, and the loss of energy related to transmission can be reduced. Therefore, energy can be transmitted with high power efficiency even between coils having a low coupling coefficient (see Patent Document 1).
以下の分析は本発明において与えられる。 The following analysis is given in the present invention.
LC共振器を用いた電力伝送装置は、Q値が高い共振回路を用いるために狭い共鳴周波数帯域でのみ電力が伝送される。従って、送受信コイルの共振周波数が精度よく合っていない場合や送信コイルの駆動周波数と送信コイルの共振周波数とが合っていない場合、伝送効率が低下してしまう。すなわち、共振器を構成するインダクタ(コイル)やキャパシタの値の経時変化やばらつきによって、当初設計値からずれた場合、伝送効率が低下してしまう。 Since a power transmission device using an LC resonator uses a resonance circuit having a high Q value, power is transmitted only in a narrow resonance frequency band. Therefore, when the resonance frequency of the transmission / reception coil does not match accurately, or when the drive frequency of the transmission coil and the resonance frequency of the transmission coil do not match, the transmission efficiency decreases. That is, if the value of the inductor (coil) or capacitor constituting the resonator deviates from the initial design value due to a change or variation in the value of the inductor, the transmission efficiency is lowered.
したがって、本発明の課題は、共振器の共振周波数がずれた場合における伝送効率の低下を防止することにある。 Therefore, an object of the present invention is to prevent a decrease in transmission efficiency when the resonance frequency of the resonator is shifted.
本願発明者は、コイルを駆動する回路の駆動周波数とコイルの共振周波数とを一致させる技術、あるいは高効率で電力伝送できるように周波数帯域を広げる技術が必要であると考え、本願発明に至った。 The present inventor considered that a technique for matching the drive frequency of the circuit for driving the coil with the resonance frequency of the coil, or a technique for widening the frequency band so that power can be transmitted with high efficiency, was reached, leading to the present invention. .
本発明の1つのアスペクト(側面)に係る電力伝送装置は、送信回路と受信回路との間に共振器を備え、前記送信回路は発振器を有し、前記発振器からの電力を前記受信回路に伝送する非接触型の電力伝送装置において、前記発振器は、インダクタとキャパシタの直列接続で構成される送信回路側共振器をさらに備え、前記送信回路は、前記発振器からの基準タイミング信号を出力ノードを介し、前記送信回路側共振器に出力し、所望の期間の間、前記出力ノードをハイインピーダンスとする駆動回路と、前記所望の期間の間、前記送信回路側共振器から出力される信号の位相と前記基準タイミング信号の位相を比較する位相比較器と、前記位相比較器における比較結果に基づき、前記発振器の周波数を変化させ、前記送信回路側共振器の共振周波数と前記発振器の周波数を一致させる制御回路と、を送信回路側に備える。
本発明の他のアスペクト(側面)に係る電力伝送装置は、送信回路と受信回路との間に共振器を備え、前記送信回路は発振器を有し、前記発振器からの電力を前記受信回路に伝送する非接触型の電力伝送装置において、前記発振器は、インダクタとキャパシタの直列接続で構成される送信回路側共振器をさらに備え、前記送信回路は、前記発振器からの基準タイミング信号を、出力ノードを介し、前記送信回路側共振器に出力し、所望の期間の間、前記出力ノードをハイインピーダンスとする駆動回路と、前記所望の期間の間、前記送信回路側共振器から出力される信号の位相と前記基準タイミング信号の位相を比較する位相比較器と、前記位相比較器における比較結果に基づき、前記送信回路側共振器のキャパシタの値を変化させ、前記送信回路側共振器の共振周波数と前記発振器の周波数を一致させる制御回路と、を送信回路側に備える。
Power transmission device according to a first aspect of the present invention, feed comprises a resonator between a signal circuit and the receiving circuit, the transmission circuit has an oscillator, the receiving circuit power from the oscillator In the non-contact type power transmission device for transmitting to the transmitter, the oscillator further includes a transmitter circuit- side resonator configured by connecting an inductor and a capacitor in series, and the transmitter circuit outputs a reference timing signal from the oscillator as an output node the through, and outputs it to the transmitting circuit side resonators, and output during the desired period of time, and drive the dynamic circuit you said output node to a high impedance during the desired period of time, from the transmitting circuit side resonator a phase comparator for comparing the phase of the reference timing signal of the signal, the-out based on the comparison result of the phase comparator, changing the frequency of said oscillator, co of the transmitting circuit side resonator And a control circuit for matching the frequency of said oscillator, to the transmitting circuit side.
A power transmission device according to another aspect of the present invention includes a resonator between a transmission circuit and a reception circuit, the transmission circuit includes an oscillator, and transmits power from the oscillator to the reception circuit. In the non-contact type power transmission device, the oscillator further includes a transmission circuit side resonator configured by connecting an inductor and a capacitor in series, and the transmission circuit receives a reference timing signal from the oscillator as an output node. And a phase of a signal output from the transmission circuit side resonator during the desired period, and a drive circuit that sets the output node to high impedance during the desired period. And a phase comparator that compares the phases of the reference timing signal and a comparison result of the phase comparator, and changes the value of the capacitor of the resonator on the transmission circuit side to And a control circuit for matching the frequency of the oscillator and the resonant frequency of the circuit-side resonator, to the transmitting circuit side.
本発明の他のアスペクト(側面)に係る電力伝送装置は、送信回路と受信回路との間に共振器を備え、前記送信回路は発振器を有し、前記発振器からの電力を前記受信回路に伝送する非接触型の電力伝送装置において、第1のインダクタと第1のキャパシタの直列接続で構成される送信回路側共振器をさらに備え、前記発振器からの基準タイミング信号を出力ノードを介し、前記送信回路側共振器に出力し、所望の期間の間、前記出力ノードをハイインピーダンスとする駆動回路と、第2のインダクタと第2のキャパシタと第3のキャパシタとの直列接続で構成される受信回路側共振器と、前記第3のキャパシタに並列接続される負荷抵抗と、を備え第1および第2のインダクタの値をそれぞれL1、L2とし、第1、第2および第3のキャパシタの値をそれぞれC1、C2、Cpとし、送信回路側および受信回路側共振回路の共振周波数をω/2πとするとき、
を満足するαを、0.001≦α≦0.05、βを、0.9≦β≦1.1の範囲になるように定める。
Another power transmission device according to the aspect of the present invention includes, feeding comprises a resonator between a signal circuit and the receiving circuit, the transmission circuit has an oscillator, the receiving circuit power from the oscillator In the non-contact type power transmission device for transmitting to the transmitter, the transmitter further includes a transmission circuit side resonator configured by connecting a first inductor and a first capacitor in series, and a reference timing signal from the oscillator is output via an output node, It is output to the transmitting circuit side resonator, and is configured by a series connection of a drive circuit having a high impedance at the output node for a desired period, and a second inductor, a second capacitor, and a third capacitor A receiving circuit side resonator and a load resistor connected in parallel to the third capacitor, and the values of the first and second inductors are L 1 and L 2 , respectively, and the first, second and third Ki The value of Pashita was a C 1, C 2, C p, respectively, when the resonance frequency of the transmitting circuit side and receiving circuit side resonance circuit and omega / 2 [pi,
Α satisfying the above is determined in a range of 0.001 ≦ α ≦ 0.05, and β in a range of 0.9 ≦ β ≦ 1.1.
本発明によれば、共振器の共振周波数がずれた場合であっても伝送効率の低下を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent a decrease in transmission efficiency even when the resonance frequency of the resonator is shifted.
以下、本発明を実施するための形態について、概説する。なお、以下の概説に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるための例示であり、図示の態様に限定することを意図するものではない。 Hereinafter, an embodiment for carrying out the present invention will be outlined. Note that the reference numerals of the drawings attached to the following outline are only examples for facilitating understanding, and are not intended to be limited to the illustrated embodiments.
本発明の一実施形態に係る電力伝送装置は、送受間に共振器を用いた非接触型の電力伝送装置において、インダクタ(図1のL1)とキャパシタ(図1のC1)の直列接続で構成される送信回路側共振器と、基準タイミング信号に従って送信回路側共振器の一端を駆動すると共に出力をハイインピーダンスとする駆動停止期間を設ける駆動回路(図1のMn、Mp)と、駆動停止期間において送信回路側共振器の一端における信号と基準タイミング信号との位相を比較する位相比較器(図1の12)と、位相比較器における比較結果に基づいて位相を一致させる制御回路(図1の13、14、11が相当)と、を送信回路側に備える。 A power transmission device according to an embodiment of the present invention is a non-contact power transmission device using a resonator between transmission and reception, and is configured by connecting an inductor (L1 in FIG. 1) and a capacitor (C1 in FIG. 1) in series. A transmission circuit side resonator to be driven, a drive circuit (Mn, Mp in FIG. 1) for driving one end of the transmission circuit side resonator in accordance with the reference timing signal and providing an output with high impedance, and a drive stop period In FIG. 1, a phase comparator (12 in FIG. 1) that compares the phase of the signal at one end of the transmitting circuit side resonator and the reference timing signal, and a control circuit (in FIG. 1) that matches the phases based on the comparison result in the phase comparator. 13, 14, 11) are provided on the transmission circuit side.
制御回路は、比較結果に基づいて基準タイミング信号の位相を変化させるようにしてもよい。 The control circuit may change the phase of the reference timing signal based on the comparison result.
制御回路は、比較結果に基づいてキャパシタの値を変化させるようにしてもよい。 The control circuit may change the value of the capacitor based on the comparison result.
駆動回路は、CMOS回路で構成され、CMOS回路の一方および他方のトランジスタが同時にオフ状態となる時間を設定し、この時間を駆動停止期間とするようにしてもよい。 The drive circuit may be constituted by a CMOS circuit, and a time during which one and the other transistors of the CMOS circuit are simultaneously turned off may be set, and this time may be set as a drive stop period.
駆動回路は、送信回路側共振器の一端を駆動する駆動電流が0レベルをよぎる時点の前後の所定期間をオフ状態となる時間とするようにしてもよい。 The drive circuit may be configured to set a predetermined period before and after the point when the drive current for driving one end of the transmission circuit side resonator crosses the 0 level to be in the OFF state.
駆動回路は、間欠的にオフ状態となる時間を設定するようにしてもよい。 The drive circuit may set the time for which it is intermittently turned off.
本発明の他の実施形態に係る電力伝送装置は、送受間に共振器を用いた非接触型の電力伝送装置において、第1のインダクタ(図6のL1)と第1のキャパシタ(図6のC1)の直列接続で構成される送信回路側共振器と、送信回路側共振器の一端を駆動する駆動回路(図6のV1)と、第2のインダクタ(図6のL2)と第2のキャパシタ(図6のC2)と第3のキャパシタ(図6のCp)との直列接続で構成される受信回路側共振器と、第3のキャパシタに並列接続される負荷抵抗(図6のRL)と、を備え、第1および第2のインダクタの値をそれぞれL1、L2とし、第1、第2および第3のキャパシタの値をそれぞれC1、C2、Cpとし、送信回路側および受信回路側共振回路の共振周波数をω/2πとするとき、
を満足するαを、0.001≦α≦0.05、βを、0.9≦β≦1.1の範囲になるように定める。
A power transmission device according to another embodiment of the present invention includes a first inductor (L1 in FIG. 6) and a first capacitor (in FIG. 6) in a contactless power transmission device using a resonator between transmission and reception. C1) a series connection of the transmission circuit side resonator, a drive circuit (V1 in FIG. 6) for driving one end of the transmission circuit side resonator, a second inductor (L2 in FIG. 6), and a second A resonator on the receiving circuit side constituted by a series connection of a capacitor (C2 in FIG. 6) and a third capacitor (Cp in FIG. 6), and a load resistor (RL in FIG. 6) connected in parallel to the third capacitor When provided with the value of the first and second inductors are L 1, L 2 respectively, and first, C 1 the value of the second and third capacitors respectively, C 2, C p, transmitting circuit side And when the resonance frequency of the resonance circuit on the receiving circuit side is ω / 2π,
Α satisfying the above is determined in a range of 0.001 ≦ α ≦ 0.05, and β in a range of 0.9 ≦ β ≦ 1.1.
上記の電力伝送装置における送信回路側共振器の一端を駆動する信号がデータ信号によって変調された信号であってもよい。 The signal that drives one end of the transmission circuit- side resonator in the power transmission device may be a signal modulated by a data signal.
基準タイミング信号をデータ信号によって周波数変調または位相変調する電圧制御発振器を備えるようにしてもよい。 A voltage-controlled oscillator that frequency-modulates or phase-modulates the reference timing signal with a data signal may be provided.
駆動回路と送信回路側共振器の一端との間にデータ信号によって駆動回路の出力信号を振幅変調する変調器を備えるようにしてもよい。 A modulator that amplitude-modulates the output signal of the drive circuit with a data signal may be provided between the drive circuit and one end of the transmission circuit side resonator.
半導体集積回路装置が上記の電力伝送装置を備えるようにしてもよい。 A semiconductor integrated circuit device may include the above power transmission device.
以上のような電力伝送装置によれば、共振器の共振周波数がずれた場合であっても伝送効率の低下を防止することができる。 According to the power transmission device as described above, it is possible to prevent a decrease in transmission efficiency even when the resonance frequency of the resonator is shifted.
以下、実施例に即し、図面を参照して詳しく説明する。 Hereinafter, it will be described in detail with reference to the drawings in accordance with embodiments.
図1は、本発明の第1の実施例に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。図1において、電力伝送装置は、タイミング生成回路11、位相比較器12、位相差電圧変換回路13、電圧制御発振器14、NMOSトランジスタMn、PMOSトランジスタMp、ダイオードD1、D2、キャパシタC1、C2、インダクタL1、L2を備える。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a power transmission device according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the power transmission device includes a
タイミング生成回路11は、電圧制御発振器14が出力する発振信号を入力し、位相比較許可信号EN、タイミング信号(クロック信号)Vrを位相比較器12に出力し、駆動信号Vn、VpをNMOSトランジスタMn、PMOSトランジスタMpのそれぞれのゲートに出力する。
The
NMOSトランジスタMnは、ドレインをキャパシタC1の一端に接続し、ソースを接地する。PMOSトランジスタMpは、ドレインをキャパシタC1の一端に接続し、ソースを電源に接続する。ダイオードD1は、カソードをNMOSトランジスタMnのドレインに接続し、アノードをNMOSトランジスタMnのソースに接続する。ダイオードD2は、カソードを電源に接続し、アノードをNMOSトランジスタMnのドレインに接続する。 The NMOS transistor Mn has a drain connected to one end of the capacitor C1, and a source grounded. The PMOS transistor Mp has a drain connected to one end of the capacitor C1, and a source connected to the power supply. The diode D1 has a cathode connected to the drain of the NMOS transistor Mn and an anode connected to the source of the NMOS transistor Mn. The diode D2 has a cathode connected to the power supply and an anode connected to the drain of the NMOS transistor Mn.
キャパシタC1は、他端をインダクタL1を介して接地し、インダクタL1と送信回路側LC共振器を構成する。 The other end of the capacitor C1 is grounded via the inductor L1, and constitutes the inductor L1 and the transmission circuit side LC resonator.
インダクタL1と誘導結合されるインダクタL2は、一端を接地し、他端をキャパシタC2を介して図示されない受信回路に接続し、キャパシタC2と受信回路側LC共振器を構成する。 The inductor L2 that is inductively coupled with the inductor L1 has one end grounded and the other end connected to a receiving circuit (not shown) via the capacitor C2, thereby forming a capacitor C2 and a receiving circuit side LC resonator.
位相比較器12は、位相比較許可信号ENが例えばHレベルである場合に、タイミング信号VrとキャパシタC1の一端の信号Vcとの位相を比較し、位相差を位相差電圧変換回路13に出力する。
The
位相差電圧変換回路13は、例えばチャージポンプやΔΣ変調器などで構成され、位相比較器12から出力される位相差に応じた電圧を生成して電圧制御発振器14に出力する。
The phase difference
電圧制御発振器14は、位相差電圧変換回路13が出力する電圧に応じて変更される発振周波数を有する発振信号を発生する。
The voltage controlled
次に、本実施例の電力伝送装置の動作について説明する。図2は、本発明の第1の実施例に係る電力伝送装置の動作を表すタイミングチャートである。期間T1において、タイミング生成回路11は、駆動信号Vn、VpをそれぞれLレベルとし、NMOSトランジスタMnがオフし、PMOSトランジスタMpがオンする。したがって、NMOSトランジスタMnのドレインにおける信号Vcは電源電圧となり、電流Icが電源から送信回路側LC共振器に流れ込む。
Next, the operation of the power transmission apparatus according to this embodiment will be described. FIG. 2 is a timing chart showing the operation of the power transmission apparatus according to the first embodiment of the present invention. In the period T1, the
期間T3において、タイミング生成回路11は、駆動信号Vn、VpをそれぞれHレベルとし、NMOSトランジスタMnがオンし、PMOSトランジスタMpがオフする。したがって、信号Vcは接地電圧となり、電流Icが送信回路側LC共振器から接地に向け流れ出す。
In the period T3, the
期間T2、T4において、タイミング生成回路11は、駆動信号Vp、VnをそれぞれHレベル、Lレベルとし、NMOSトランジスタMn、PMOSトランジスタMpの両方をオフとする。また、位相比較許可信号ENをHレベルとする。期間T2、T4は、駆動回路の出力がハイインピーダンスとなる期間であって、LC共振器は正弦波状に振動を持続し、出力信号Vcは、LC共振器に流れる電流Icによって決まる。すなわち、期間T2の前半および期間T4の後半では、接地からダイオードD1を介してLC共振器に向けて電流Icが流れる。したがって、出力信号Vcは、接地電位からダイオードD1の順方向電圧降下VF分下った電位となる。また、期間T2の後半および期間T4の前半では、電流IcがLC共振器からダイオードD2を介して電源に向けて流れる。したがって、出力信号Vcは、電源電位からダイオードD2の順方向電圧降下VF分上がった電位となる。
In the periods T2 and T4, the
位相比較器12は、位相比較許可信号ENがHレベルである場合に、出力信号Vcと、タイミング生成回路から送られてくるタイミング信号Vrとのエッジを比較する、すなわち、LC共振器に流れる信号の位相と、タイミング生成回路11に入力される基準クロック信号の位相とを比較する。図3(a)は、タイミング信号Vrが進んでいる場合の波形を示し、図3(b)は、タイミング信号Vrが遅れている場合の波形を示す。
The
位相差電圧変換回路13は、位相比較器12が出力する位相比較結果を受け、出力信号Vcとタイミング信号Vrとのどちらが遅れているかまたは進んでいるかによって、基準クロック信号の位相を進めるか遅らせて、共振回路の周波数・位相と駆動回路の周波数・位相とを一致させる。
The phase difference
以上のような電力伝送装置によれば、送信回路側LC共振器の駆動信号の周波数に対し、送信回路側LC共振器の共振周波数がずれた場合であっても、送信回路側LC共振器の駆動信号の位相を進めるか遅らせることで、送信回路側LC共振器の駆動信号の周波数と送信回路側LC共振器の共振周波数とを一致させ、電力伝送効率の低下を防止することができる。 According to the power transmission device as described above, with respect to the frequency of the drive signal of the transmission circuit side LC resonator, even when the shift resonance frequency of the transmitting circuit side LC resonator, the transmitting circuit side LC resonator by delaying or advancing the phase of the drive signal, it is matched with the resonance frequency of the frequency and the transmitting circuit side LC resonators of the drive signal transmitting circuit side LC resonators, it is possible to prevent a decrease in power transmission efficiency.
図4は、本発明の第2の実施例に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。図4において、図1と同一の符号は、同一物を表し、その説明を省略する。本実施例の電力伝送装置は、図1の電圧制御発振器14に替えて一定の周波数で発振する発振器14aを備え、キャパシタC1に替えて可変容量キャパシタC1aを備える。位相差電圧変換回路13は、位相比較器12が出力する位相差信号に応じた電圧を可変容量キャパシタC1aに出力し、可変容量キャパシタC1aは、自身の容量値を変化させる。したがって、可変容量キャパシタC1aとインダクタL1とによる共振周波数は、位相差信号に応じて増減する。
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the power transmission apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals as those in FIG. The power transmission device of this embodiment includes an
次に、本実施例の電力伝送装置の動作について説明する。図5は、本発明の第2の実施例に係る電力伝送装置の動作を表すタイミングチャートである。電力伝送装置は、期間T1、T3において、実施例1で説明した期間T1、T3と同様に動作する。 Next, the operation of the power transmission apparatus according to this embodiment will be described. FIG. 5 is a timing chart showing the operation of the power transmission apparatus according to the second embodiment of the present invention. The power transmission apparatus operates in the periods T1 and T3 in the same manner as the periods T1 and T3 described in the first embodiment.
期間T5において、タイミング生成回路11は、駆動信号Vp、VnをそれぞれHレベル、Lレベルとし、NMOSトランジスタMn、PMOSトランジスタMpの両方をオフとする。また、位相比較許可信号ENをHレベルとする。期間T5は、駆動回路がハイインピーダンスとなる期間であって、LC共振器は正弦波状に振動を持続し、駆動回路の出力信号Vcは、LC共振器に流れる電流Icによって決まる。すなわち、接地からダイオードD1を介してLC共振器に向けて電流Icが流れる場合、出力信号Vcは、接地電位からダイオードD1の順方向電圧降下VF分下った電位となる。また、電流IcがLC共振器からダイオードD2を介して電源に向けて流れる場合、出力信号Vcは、電源電位からダイオードD2の順方向電圧降下VF分上がった電位となる。
In the period T5, the
位相比較器12は、位相比較許可信号ENがHレベルである場合に、出力信号Vcと、タイミング生成回路から送られてくるタイミング信号Vrとのエッジを比較する。すなわち、LC共振器に流れる信号の位相と、タイミング生成回路11に入力される基準クロック信号の位相とを比較する。
The
位相差電圧変換回路13は、位相比較器12が出力する位相比較結果を受け、どちらが遅れているかまたは進んでいるかによって、可変容量キャパシタC1aの容量値を変化させることで、共振回路の周波数・位相と、駆動回路の周波数・位相とを一致させる。位相が一致することで、電力伝送効率を高めることができる。
The phase difference
以上のような電力伝送装置によれば、送信回路側LC共振器の駆動信号の周波数に対し、送信回路側LC共振器の共振周波数がずれた場合であっても、送信回路側LC共振器の共振周波数を変更することで、送信回路側LC共振器の駆動信号の周波数と送信回路側LC共振器の共振周波数とを一致させ、伝送効率の低下を防止することができる。 According to the power transmission device as described above, with respect to the frequency of the drive signal of the transmission circuit side LC resonator, even when the shift resonance frequency of the transmitting circuit side LC resonator, the transmitting circuit side LC resonator by changing the resonant frequency, is matched with the resonance frequency of the frequency and the transmitting circuit side LC resonator of the drive signal transmitting circuit side LC resonator, it is possible to prevent a decrease in transmission efficiency.
図6は、本発明の第3の実施例に係る電力伝送装置の構成の原理を示す等価回路図である。図6において、電力伝送装置は、駆動回路である電圧源V1と、電圧源の内部抵抗10Ωと、キャパシタC1(=5pF)と、インダクタの内部抵抗2Ωと、インダクタL1(=15μH)とが直列に接続され送信側回路を構成する。 FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing the principle of the configuration of the power transmission device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 6, in the power transmission device, a voltage source V1, which is a drive circuit, an internal resistance 10Ω of a voltage source, a capacitor C1 (= 5 pF), an internal resistance 2Ω of an inductor, and an inductor L1 (= 15 μH) are connected in series. To constitute a transmission side circuit.
また、インダクタL2と、インダクタの内部抵抗2Ωと、キャパシタC2(=C1=5pF)と、キャパシタCpおよび負荷抵抗RL(=50Ω)の並列回路とが直列に接続され受信側回路を構成する。インダクタL1、L2は、結合係数k=0.01で誘導結合されているものとする。 Further, the inductor L2, the internal resistance 2Ω of the inductor, the capacitor C2 (= C1 = 5 pF), and the parallel circuit of the capacitor Cp and the load resistance RL (= 50Ω) are connected in series to constitute a receiving side circuit. It is assumed that the inductors L1 and L2 are inductively coupled with a coupling coefficient k = 0.01.
ここで、図6(a)に示すように、インダクタL2をL2=(1+α)L1=15.3μHに増大させると同時に、負荷抵抗RLと並列接続の容量CpをCp=C1/α=250pFとする。 Here, as shown in FIG. 6A, the inductor L2 is increased to L2 = (1 + α) L1 = 15.3 μH, and at the same time, the capacitance Cp connected in parallel with the load resistor RL is Cp = C1 / α = 250 pF. To do.
あるいは、図6(b)に示すように、容量C2をC2=(1+α)C1=5.1pFに増大させると同時に、負荷抵抗RLと並列接続の容量CpをCp=C1/α=250pFとする。 Alternatively, as shown in FIG. 6B, the capacitance C2 is increased to C2 = (1 + α) C1 = 5.1 pF, and at the same time, the capacitance Cp connected in parallel with the load resistor RL is set to Cp = C1 / α = 250 pF. .
このような構成の電力伝送装置において、受信回路側LC共振器を構成するL2とC2のどちらか一方または両方の値を僅かに大きくすることで、LC共振器の固有振動数は低くなる。しかしながら、負荷抵抗RLと並列に接続した容量CpがLC共振器と直列に接続されることで、LC共振器の容量成分は、C2とCpの直列合成容量となって、発振周波数を送信回路側LC共振器と同じ所望の値にすることが可能である。 In the power transmission device having such a configuration, the natural frequency of the LC resonator is lowered by slightly increasing the value of one or both of L2 and C2 constituting the receiving circuit side LC resonator. However, since the capacitance Cp connected in parallel with the load resistor RL is connected in series with the LC resonator, the capacitance component of the LC resonator becomes a series combined capacitance of C2 and Cp, and the oscillation frequency is changed to the transmission circuit side. It is possible to have the same desired value as the LC resonator.
ここで、送信回路側および受信回路側共振回路の共振周波数をω/2πとするとき、
を満足するαを、0.001≦α≦0.05、βを、0.9≦β≦1.1の範囲になるように定める。すなわち、L2を0.1%〜5%程度大きくする(α=0.001〜0.05)のが実験的に好ましい。L2を元のL1から微増させてL2=(1+α)L1とした場合、並列容量はCP=C1/α=C2/αが目安となる。
Here, when the resonance frequency of the transmission circuit side and the reception circuit side resonance circuit is ω / 2π,
Α satisfying the above is determined in a range of 0.001 ≦ α ≦ 0.05, and β in a range of 0.9 ≦ β ≦ 1.1. That is, it is experimentally preferable to increase L2 by about 0.1% to 5% (α = 0.001 to 0.05). When L2 is slightly increased from the original L1 so that L2 = (1 + α) L1, CP = C1 / α = C2 / α is a guideline for the parallel capacity.
このような構成の電力伝送装置によれば、インダクタ間の結合係数kが低い場合に最大伝送効率を改善しながら伝送効率の高いバンド幅を広げる効果を発揮する。また、結合係数kが高い場合には最大伝送効率は変わらないものの、伝送効率の高い周波数バンド幅が広がる効果がある。 According to the power transmission device having such a configuration, when the coupling coefficient k between the inductors is low, the effect of widening the bandwidth with high transmission efficiency is exhibited while improving the maximum transmission efficiency. Further, when the coupling coefficient k is high, the maximum transmission efficiency does not change, but there is an effect that the frequency bandwidth with high transmission efficiency is widened.
次に、従来と本実施例との負荷電圧の違いについて説明する。 Next, the difference in load voltage between the prior art and this embodiment will be described.
図7(a)は、磁気共鳴を用いた従来のワイヤレス電力伝送回路である。LC共振器を構成するインダクタLとキャパシタCの中点の電圧VLC1およびVLC2は、Q値の高い共振器を用いることで、入力振幅の数十倍から数百倍の振幅が得られる。これは、摩擦損失がほとんど無い振り子に、外部から周期的に振幅の小さな力を加えることで、振り子の振幅が徐々に大きくなる原理と同じである。受信回路側の負荷抵抗RLで取り出せる電圧V2は、コイルの銅損、鉄損、電波などの放射損失によって、入力電圧V1よりも小さくなる。 FIG. 7A shows a conventional wireless power transmission circuit using magnetic resonance. As the voltages V LC1 and V LC2 at the midpoint between the inductor L and the capacitor C constituting the LC resonator, a resonator having a high Q value can be obtained with an amplitude several tens to several hundred times as large as the input amplitude. This is the same as the principle of gradually increasing the amplitude of the pendulum by applying a force having a small amplitude periodically to the pendulum with almost no friction loss. The voltage V2 that can be extracted by the load resistor RL on the receiving circuit side is smaller than the input voltage V1 due to radiation loss such as copper loss, iron loss, and radio wave of the coil.
図7(b)は、図7(a)に対し、受信回路側LC共振器を構成するキャパシタを2つに分割した例を示す。C1を例えば2%増大させたC2=1.02・C1と、直列に接続した大きな容量Cp=51・C1とで、合成容量がC1となる回路を構成する。このような構成によれば、LC共振器の固有振動数は変化しない。ここで、1.02・C1と51・C1の中点の電圧VCC2に注目すると、大きな振幅で振れているノードVLC2の電圧が2つの容量素子で容量分圧されるので、V2よりも高い電圧振幅が得られる。 FIG. 7B shows an example in which the capacitor constituting the receiving circuit side LC resonator is divided into two as compared with FIG. A circuit in which the combined capacitance is C1 is configured by C2 = 1.02 · C1 obtained by increasing C1 by 2%, for example, and a large capacitance Cp = 51 · C1 connected in series. According to such a configuration, the natural frequency of the LC resonator does not change. Here, paying attention to the midpoint voltage VCC2 of 1.02 · C1 and 51 · C1, the voltage of the node VLC2 swinging with a large amplitude is capacitively divided by two capacitive elements, so that the voltage is higher than V2. Amplitude is obtained.
図7(c)は、前述の容量の中間ノードVLC2で得られる大きな振幅を取り出して、負荷抵抗に与えるように変更した回路である。このような回路構成をとることで、受電側回路の負荷に与える電圧を大きくすることができ、送電効率を高めることができる。 FIG. 7C is a circuit in which a large amplitude obtained at the intermediate node VLC2 having the above-described capacitance is extracted and applied to the load resistance. By adopting such a circuit configuration, it is possible to increase the voltage applied to the load on the power receiving side circuit and increase the power transmission efficiency.
図8は、従来方式と本実施例とを比較した電力伝送効率を示している。送受信回路のコイルと容量を対称に構成した場合、送信側回路の電圧源から受信側回路の負荷抵抗への最大電圧利得は92%である。これに対して、L2を2%増大させてCpを追加した回路では、最大電圧利得が97%に改善される。また、高い効率で電力伝送を行うことができる周波数帯域が広くなっていることが分かる。 FIG. 8 shows the power transmission efficiency comparing the conventional method and this example. When the coils and capacitors of the transmission / reception circuit are configured symmetrically, the maximum voltage gain from the voltage source of the transmission side circuit to the load resistance of the reception side circuit is 92%. On the other hand, in the circuit in which C2 is added by increasing L2 by 2%, the maximum voltage gain is improved to 97%. Moreover, it turns out that the frequency band which can perform electric power transmission with high efficiency is wide.
本発明の電力伝送装置は、ワイヤレス電力伝送装置、メモリカートリッジへの非接触電力供給、携帯端末への非接触電力供給、半導体チップへの非接触電力供給など種々の適用形態が可能であり、そのいくつかの例について説明する。 The power transmission device of the present invention can be applied in various forms such as a wireless power transmission device, contactless power supply to a memory cartridge, contactless power supply to a portable terminal, contactless power supply to a semiconductor chip, etc. Some examples will be described.
本発明の一応用例を図9に示す。本発明の電力伝送装置は、図9(a)のようにメモリカードへの無線電源供給(データはRFなどを用いる)や、図9(b)のように携帯電話、デジカメ、ノートPCなどへの無線電力供給、電気自動車への無線電力供給などに用いることができる。 An application example of the present invention is shown in FIG. The power transmission apparatus according to the present invention supplies wireless power to a memory card (data uses RF or the like) as shown in FIG. 9A, and is used for a mobile phone, digital camera, notebook PC, etc. as shown in FIG. 9B. It can be used for wireless power supply, and wireless power supply to electric vehicles.
図10は、ワイヤレス電力伝送の送受信回路を搭載した半導体集積回路の構成例である。図10(a)において、送信側チップ20は、電力送信回路21と制御マイコン22を備える。また、受信側チップ30は、電力受信回路31と制御マイコン32を備える。電力送信回路21は、キャパシタC1とインダクタL1との共振回路を駆動し、電力受信回路31は、キャパシタC2とインダクタL2との共振回路から電力を受け取る。
FIG. 10 is a configuration example of a semiconductor integrated circuit equipped with a transceiver circuit for wireless power transmission. In FIG. 10A, the
このような電力伝送装置は、送電、受電の制御(伝送開始・停止、送電電圧の調整、送受信回路のLCタンクの共振周波数のキャリブレーションなどのプロトコル制御)のための制御マイコン22、32を搭載することが望ましい。また、非接触メモリカードなどに応用する場合は、ホスト側のマイコンチップに電力送信回路21、カートリッジ側のメモリチップに電力受信回路31を搭載する。また、LC共振器を構成するインダクタLとキャパシタCは、チップ外に配設され接続することが好ましい。その理由は、Q値が高いLとCが必要(Q=100〜1000)であり、LとCの中間ノードに、チップの電源電圧の数百倍の電圧振幅の信号が現れるので、オンチップ素子では耐圧が足りないためである。
Such a power transmission device is equipped with
図10(b)において、送信側チップ20aは、電力送信回路21とマイコン22aとデータ送受信回路23を備える。また、受信側チップ30aは、電力受信回路31とデータ送受信回路33とフラッシュメモリ34を備える。データ送受信回路23、33間は、アンテナによって電波、磁界、電界などの変動を相手側に伝達しデータ送受を行う。このような構成によれば、マイコン22aは、データ送受信回路23、33を介してフラッシュメモリ34にデータを蓄えるように制御することができる。
In FIG. 10B, the transmission-
図11は、送受を行う電力のキャリアを変調することで、データの通信も行う電力伝送装置の構成例である。図11において、送信側チップ20bは、電力送信回路21とデータ送受信回路23と変復調器25を備える。また、受信側チップ30bは、電力受信回路31とデータ送受信回路33と変復調器35を備える。電力送信回路21は、変復調器25でデータ変調された電力信号によってキャパシタC1とインダクタL1との共振回路を駆動し、電力受信回路31は、キャパシタC2とインダクタL2との共振回路から電力を受け取ると共に、データ送受信回路33は、電力信号から変復調器35でデータ復調した信号を受け取る。
FIG. 11 is a configuration example of a power transmission apparatus that also performs data communication by modulating a carrier of power to be transmitted and received. In FIG. 11, the transmission-
このような構成の電力伝送装置によれば、LC共振器に与える電力に、微小な振幅変調、周波数変調、位相変調などを加えることで、2つのチップ間でデータの伝送も行うことができる。このデータ通信機能を用いて、2つのチップ間での電力の送受の制御(電圧、電流の設定、送電開始・停止など)を行うことも可能である。 According to the power transmission device having such a configuration, data can be transmitted between two chips by adding minute amplitude modulation, frequency modulation, phase modulation, or the like to the power applied to the LC resonator. Using this data communication function, it is also possible to control power transmission / reception between two chips (setting of voltage and current, start / stop of power transmission, etc.).
図12は、図11におけるデータ送受信を、周波数変調を用いて行う例である。図12において図1と同一の符号は、同一物を示し、その説明を省略する。変調器15が電圧制御発振器(VCO)14の周波数制御信号をデータDataの値に応じて変調することで、電圧制御発振器14の発振周波数が変化する。受信側では、周波数の変化または振幅の変化(共振点がずれることで送電効率が変化し、結果的に受信側での電力が変化する)を読み取ることで、データが再生される。
FIG. 12 shows an example in which data transmission / reception in FIG. 11 is performed using frequency modulation. In FIG. 12, the same reference numerals as those in FIG. The
図13は、図11のデータ送受信を、振幅変調を用いて行う例である。図13において図1と同一の符号は、同一物を示し、その説明を省略する。変調器15a、15bは、LCタンクを駆動するPMOSトランジスタMp、NMOSトランジスタMnのそれぞれのゲート電圧をデータDataの値に応じて変化させることで、LCタンクに供給される電流振幅が変化し、受信側回路で受け取った電力量が変化する。この変化を受信側回路が読み取り、データを再生する。
FIG. 13 is an example in which the data transmission / reception of FIG. 11 is performed using amplitude modulation. In FIG. 13, the same reference numerals as those in FIG. The
図14は、LCタンクを駆動するトランジスタを別チップとして、図1などで示される制御回路を搭載したチップとSiP(System in Package)を構成した例である。図14において、送信側チップ20cは、制御チップ26とパワートランジスタであるNMOSトランジスタMn、PMOSトランジスタMpを備える。LC共振器を駆動するNMOSトランジスタMn、PMOSトランジスタMpは、受信回路に電力を供給するために大電力のトランジスタである必要がある。通常の集積回路で用いられるCMOSトランジスタは、このような大電力の駆動には適していないので、大電力の駆動に適したトランジスタを別チップすることで、大きな電力を効率よく伝送することができる。
FIG. 14 shows an example in which a transistor on which the control circuit shown in FIG. 1 and the like are mounted and a SiP (System in Package) are configured using a transistor for driving the LC tank as another chip. In FIG. 14, the transmission-
なお、前述の特許文献等の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。 It should be noted that the disclosures of the aforementioned patent documents and the like are incorporated herein by reference. Within the scope of the entire disclosure (including claims) of the present invention, the embodiments and examples can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various combinations and selections of various disclosed elements are possible within the scope of the claims of the present invention. That is, the present invention of course includes various variations and modifications that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the technical idea.
11 タイミング生成回路
12 位相比較器
13 位相差電圧変換回路
14 電圧制御発振器
14a 発振器
15、15a、15b 変調器
20、20a、20b、20c 送信側チップ
21 電力送信回路
22、32 制御マイコン
22a マイコン
23、33 データ送受信回路
25、35 変復調器
26 制御チップ
30、30a、30b 受信側チップ
31 電力受信回路
34 フラッシュメモリ
C1、C2、Cp キャパシタ
C1a 可変容量キャパシタ
D1、D2 ダイオード
L1、L2 インダクタ
Mn NMOSトランジスタ
Mp PMOSトランジスタ
RL 負荷抵抗
V1 電圧源
11
Claims (10)
前記発振器は、
インダクタとキャパシタの直列接続で構成される送信回路側共振器をさらに備え、
前記送信回路は、
前記発振器からの基準タイミング信号を、出力ノードを介し、前記送信回路側共振器に出力し、所望の期間の間、前記出力ノードをハイインピーダンスとする駆動回路と、
前記所望の期間の間、前記送信回路側共振器から出力される信号の位相と前記基準タイミング信号の位相を比較する位相比較器と、
前記位相比較器における比較結果に基づき、前記発振器の周波数を変化させ、前記送信回路側共振器の共振周波数と前記発振器の周波数を一致させる制御回路と、
を送信回路側に備えることを特徴とする電力伝送装置。 Comprising a resonator between the transmit circuit and the receive circuit, said transmission circuit includes an oscillator, in a non-contact type power transmission device for transmitting to said receiving circuit power from said oscillator,
The oscillator is
It further includes a transmission circuit side resonator composed of a series connection of an inductor and a capacitor,
The transmission circuit includes:
A reference timing signal from the oscillator, via the output node, and output to the transmitting circuit side resonator, a driving dynamic circuit shall be the high impedance between the said output node of the desired period,
A phase comparator for comparing said desired during the period of the phase between the reference timing signal of the signal outputted from the transmitting circuit side resonator phase,
-Out based on the comparison result of the phase comparator, to change the frequency of the oscillator, and a control circuit for matching the frequency of the oscillator and the resonant frequency of the transmitting circuit side resonators,
Is provided on the transmission circuit side.
前記発振器は、 The oscillator is
インダクタとキャパシタの直列接続で構成される送信回路側共振器をさらに備え、 It further includes a transmission circuit side resonator composed of a series connection of an inductor and a capacitor,
前記送信回路は、 The transmission circuit includes:
前記発振器からの基準タイミング信号を、出力ノードを介し、前記送信回路側共振器に出力し、所望の期間の間、前記出力ノードをハイインピーダンスとする駆動回路と、 A reference timing signal from the oscillator is output to the transmitting circuit side resonator via an output node, and the output node has a high impedance for a desired period; and
前記所望の期間の間、前記送信回路側共振器から出力される信号の位相と前記基準タイミング信号の位相を比較する位相比較器と、 A phase comparator that compares the phase of the signal output from the transmission circuit side resonator and the phase of the reference timing signal during the desired period;
前記位相比較器における比較結果に基づき、前記送信回路側共振器のキャパシタの値を変化させ、前記送信回路側共振器の共振周波数と前記発振器の周波数を一致させる制御回路と、 Based on the comparison result in the phase comparator, the control circuit changes the value of the capacitor of the transmission circuit side resonator, and matches the resonance frequency of the transmission circuit side resonator with the frequency of the oscillator;
を送信回路側に備えることを特徴とする電力伝送装置。 Is provided on the transmission circuit side.
第1のインダクタと第1のキャパシタの直列接続で構成される送信回路側共振器をさらに備え、
前記発振器からの基準タイミング信号を出力ノードを介し、前記送信回路側共振器に出力し、所望の期間の間、前記出力ノードをハイインピーダンスとする駆動回路と、
第2のインダクタと第2のキャパシタと第3のキャパシタとの直列接続で構成される受信回路側共振器と、
前記第3のキャパシタに並列接続される負荷抵抗と、
を備え、
前記第1および第2のインダクタの値をそれぞれL1、L2とし、
前記第1、第2および第3のキャパシタの値をそれぞれC1、C2、Cpとし、
前記送信回路側および受信回路側共振回路の共振周波数をω/2πとするとき、
を満足するαを、0.001≦α≦0.05、βを、0.9≦β≦1.1の範囲になるように定めることを特徴とする電力伝送装置。 Comprising a resonator between the transmit circuit and the receive circuit, said transmission circuit includes an oscillator, in a non-contact type power transmission device for transmitting to said receiving circuit power from said oscillator,
Further comprising a configured transmitting circuit side resonator connected in series in the first inductor and the first capacitor,
A drive circuit that outputs a reference timing signal from the oscillator to the transmitting circuit side resonator via an output node, and sets the output node to high impedance for a desired period ;
A receiving circuit side resonator constituted by a series connection of a second inductor, a second capacitor, and a third capacitor;
A load resistor connected in parallel to the third capacitor;
With
The values of the first and second inductors are L 1 and L 2 , respectively.
The values of the first, second and third capacitors are C 1 , C 2 and C p , respectively.
When the resonance frequency of the transmission circuit side and the reception circuit side resonance circuit is ω / 2π,
Α satisfying the above is defined such that 0.001 ≦ α ≦ 0.05, and β is within the range of 0.9 ≦ β ≦ 1.1.
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