JP6392771B2 - ワイヤレス受電装置およびその制御回路、それを用いた電子機器、受信電力の計算方法 - Google Patents

ワイヤレス受電装置およびその制御回路、それを用いた電子機器、受信電力の計算方法 Download PDF

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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。
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。給電システムは、送信コイルを有する給電装置と、受信コイルを有する受電端末で構成される。
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、送信コイル(1次コイル)202、ドライバ204、コントローラ206、復調器208を備える。ドライバ204は、Hブリッジ回路(フルブリッジ回路)あるいはハーフブリッジ回路を含み、送信コイル202に駆動信号S1、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、制御信号S3による情報の伝達が可能となっている。この制御信号S3は、後方散乱変調(Backscatter modulation)を利用して、AM(Amplitude Modulation)変調された形で、受信コイル302(2次コイル)から送信コイル202に送信される。この制御信号S3には、たとえば、受電装置300に対する電力供給量を指示する電力制御データ(パケットともいう)、受電装置300の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器208は、送信コイル202の電流あるいは電圧に含まれる制御信号S3を復調する。コントローラ206は、復調された制御信号S3に含まれる電力制御データにもとづいて、ドライバ204を制御する。
受電装置300は、受信コイル302、整流回路304、平滑コンデンサ306、変調器308、負荷310、コントローラ312、電源回路314を備える。受信コイル302は、送信コイル202からの電力信号S2を受信するとともに、制御信号S3を送信コイル202に対して送信する。整流回路304および平滑コンデンサ306は、電力信号S2に応じて受信コイル302に誘起される電流S4を整流・平滑化し、直流電圧に変換する。
電源回路314は、送電装置200から供給された電力を利用して図示しない二次電池を充電し、あるいは直流電圧VRECTを昇圧あるいは降圧し、コントローラ312やその他の負荷310に供給する。
コントローラ312は、負荷310に供給される電力をモニタし、それに応じて、送電装置200からの電力供給量を指示する電力制御データを生成する。変調器308は、電力制御データを含む制御信号S3を変調し、受信コイル302のコイル電流を変調することにより、送信コイル202のコイル電流およびコイル電圧を変調する。
この給電システム100では、送電装置200と受電端末(電子機器)は、比較的自由な空間に配置されるため、送信コイルと受信コイルの間、あるいはそれらの近傍に金属片などの異物が存在する状況が想定される。異物が存在すると、送信コイル202と受信コイル302の結合度が低下して給電効率が低下し、また異物が発熱するという問題がある。
そこでQi規格では、異物検出(FOD:Foreign Object Detection)について定められている。FODの方法としては、送信電力と受信電力をそれぞれ測定し、それらの比較結果にもとづいて、異物の有無を検出する方法が提案されている。
特開2013−38854号公報
本発明者らは当初、受電装置300の内部の消費電力、具体的には電源回路314、負荷310、制御回路400等の消費電力の合計を、FODのための受信電力として使用することについて検討した。しかしながら、受電装置300の内部の消費電力は、受電装置300の受信電力と必ずしも一致しない場合がある。
このことは、受電装置300が受信した電力のすべてが、受電装置300の内部で消費されるわけではないこと、言い換えれば、受電装置300に供給された電力の一部は、受信コイル302に到達する前に吸収され、あるいは電源回路314およびその負荷310や制御回路400以外の回路で消費されていることを意味する。さらに検討を進めた結果、受電装置300に使用される受信コイル302の形状、構造、レイアウト、あるいは、電子機器の筐体の形状や材料などが、受信電力に影響を及ぼすことを認識するに至った。
なお、これらの認識を当業者の一般的な知識ととらえてはならず、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、受信電力を高い精度で計算可能な受電装置の制御回路の提供にある。
1. 本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置の制御回路に関する。この制御回路は、ワイヤレス受電装置の消費電力PDを、所定の演算式にもとづいて計算する受信電力演算部と、外部から、第1パラメータα、第2パラメータβを取得するパラメータ取得部と、受信電力演算部により計算された消費電力PDを、補正式α×PD+βにしたがって補正することによりワイヤレス受電装置の受信電力PRPを計算する補正部と、を備える。
この態様によると、受信コイルの形状、構造、レイアウトや、ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器の筐体の形状や材料などにもとづいて、2つの補正用のパラメータα、βを最適化することにより、ワイヤレス受電装置の受信電力を高い精度で検出でき、ひいては異物検出の精度を高めることができる。
パラメータ取得部は、複数の抵抗が外付け可能に構成され、接続される複数の抵抗それぞれの抵抗値に応じて、第1パラメータα、第2パラメータβを取得可能に構成されてもよい。
パラメータ取得部は、複数の抵抗の抵抗値を、複数の電圧に変換する電圧変換部と、複数の電圧それぞれを複数のデジタル値に変換するA/Dコンバータと、を含み、複数のデジタル値を、第1パラメータα、第2パラメータβとして取り込んでもよい。
複数の抵抗は、抵抗ストリングを形成するように直列に接続されてもよい。電圧変換部は、複数の抵抗の端子と接続される複数の設定端子と、抵抗ストリングに定電流を供給する電流源と、を含んでもよい。A/Dコンバータは、複数の設定端子の電圧および/または複数の設定端子の間の電位差をデジタル値に変換してもよい。
パラメータ取得部は、複数の抵抗が接続される複数の設定端子と、複数の抵抗に対応付けて設けられ、それぞれが対応する抵抗の抵抗値に反比例する電流を生成する複数の電流変換部と、複数の電流変換部に対応付けて設けられ、それぞれが対応する電流変換部が生成した電流を電圧に変換する電圧変換部と、を含んでもよい。
パラメータ取得部は、第1パラメータα、第2パラメータβを含むシリアルデータを、外部のプロセッサから受信するインタフェース回路と、第1パラメータα、第2パラメータβを格納するレジスタと、を含んでもよい。
受信電力演算部は、ワイヤレス受電装置に流れる電流ILOADを測定する負荷電流測定部を含み、所定の関数fD(ILOAD)にもとづいて、消費電力PDを計算してもよい。
ワイヤレス受電装置は、制御回路に加えて、受信コイルと、受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、を備えてもよい。電流ILOADは、平滑コンデンサから負荷に流れる電流であってもよい。
関数fD(ILOAD)は、(VRECT×ILOAD)の項を含んでもよい。
関数fD(ILOAD)は、所定の定数をRONとしてRON×ILOAD の項をさらに含んでもよい。
制御回路は、制御回路自身の動作電流IDDを測定する電源電流測定部と、制御回路に供給される電源電圧VDDを測定する電圧測定部と、を含んでもよい。関数fD(ILOAD)は、(VDD×IDD)の項をさらに含んでもよい。
制御回路は、整流電圧VRECTを、電源電圧VDDとして動作してもよい。
制御回路は、Qi規格に準拠してもよい。
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IC(Integrated Circuit)として集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
本発明の別の態様は、ワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、受信コイルと、受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、上述のいずれかの制御回路と、を備える。
2. 本発明のある態様は、ワイヤレス受電装置の制御回路に関する。制御回路は、所定の経路に流れる電流Iを検出する電流検出部と、ワイヤレス受電装置の消費電力PDを、電流Iを引数とする所定の関数fD(I)にもとづいて計算する受信電力演算部と、電流Iの範囲がN個(Nは2以上の整数)の区間に分割されており、分割された区間ごとに指定されるパラメータα1〜αNを外部から取得するパラメータ取得部と、電流Iがi番目の区間に含まれるとき、受信電力演算部により計算された消費電力PDを、パラメータαiを用いて補正することによりワイヤレス受電装置の受信電力PRPを計算する補正部と、を備える。
この態様によれば、電流Iを複数の区間に分割し、受信コイルの形状、構造、レイアウトや、ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器の筐体の形状や材料などにもとづいて、区間ごとのパラメータを最適化することにより、ワイヤレス受電装置の受信電力を高い精度で検出でき、ひいては異物検出の精度を高めることができる。
ある態様において、j番目のパラメータαjは、j番目の区間における電流Iに対する受信電力PRPjの傾きを補正するために使用されてもよい。
この態様によれば、区間ごとに、電流Iに対する受信電力PRPjの傾きを調節することができ、計算された受信電力を、実際の受信電力に精度良くフィッティングさせることができる。
i番目の区間とi+1番目の区間のしきい値をIiとするとき、補正部は、j番目の区間における受信電力PRPiを、
PRP1=α1×fD(I)
PRP2=α2×fD(I−I1)+α1×fD(I1)
PRP3=α3×fD(I−I2)+α2×fD(I2−I1)+α1×fD(I1)
・・・
にしたがって計算してもよい。
これにより、区間の境界で受信電力PRPを連続とすることができる。
パラメータ取得部は、パラメータα1〜αNに加えて、パラメータβを外部から取得可能に構成されてもよい。補正部は、受信電力PPRにパラメータβを加算してもよい。
これにより計算された受信電力を、実際の受信電力に精度良くフィッティングさせることができる。
i番目の区間とi+1番目の区間のしきい値をIiとするとき、パラメータ取得部はさらに、しきい値I1〜IN−1を指定するデータを外部から取得可能に構成されてもよい。
この態様によれば、複数の区間それぞれの範囲を、受信コイルの形状、構造、レイアウトや、ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器の筐体の形状や材料などにもとづいて設定可能となるため、さらに高精度に受信電力を計算できる。
パラメータ取得部は、外部からのパラメータを含むシリアルデータを、外部のプロセッサから受信するインタフェース回路と、受信したパラメータを格納するレジスタと、を含んでもよい。
パラメータ取得部は、複数の抵抗が外付け可能に構成され、接続される複数の抵抗それぞれの抵抗値に応じて、パラメータを取得可能に構成されてもよい。
受信電力演算部は、ワイヤレス受電装置の負荷に流れる電流ILOADを測定する負荷電流測定部を含み、所定の関数fD(ILOAD)にもとづいて、消費電力PDを計算してもよい。
電流検出部は、ワイヤレス受電装置の負荷に流れる電流ILOADを測定するよう構成されてもよい。関数fD(I)は、電流ILOADを引数として定義されてもよい。
制御回路は、Qi規格に準拠してもよい。
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IC(Integrated Circuit)として集積化することにより、回路面積を削減することができるとともに、回路素子の特性を均一に保つことができる。
本発明の別の態様は、ワイヤレス受電装置に関する。ワイヤレス受電装置は、受信コイルと、受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、上述のいずれかの制御回路と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明のある態様によれば、ワイヤレス受電装置の受信電力を高い精度で計算できる。
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。 第1の実施の形態に係る受電装置を備える電子機器のブロック図である。 パラメータ取得部の構成例を示す回路図である。 図4(a)、(b)は、第1の実施の形態に係る受電装置における受信電力PRPを示す図である。 パラメータ取得部の別の構成例を示す回路図である。 パラメータ取得部の別の構成例を示す回路図である。 図7(a)、(b)は、第2の実施の形態に係る受電装置における受信電力PRPを示す図である。 パラメータ取得部の別の構成例を示す回路図である。 受電装置を備える電子機器を示す図である。
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。
(第1の実施の形態)
図2は、第1の実施の形態に係る受電装置300を備える電子機器500のブロック図である。受電装置300は、送電装置200からの電力信号S2を受信し、そのエネルギーを平滑コンデンサ306に蓄え、負荷502に供給する。負荷502は、電源回路504、二次電池506、各種プロセッサ508を含む。
受電装置300は、受信コイル302、平滑コンデンサ306、変調器308、および制御回路400を備える。図2の受電装置300は、図1のQi規格に準拠した給電システム100に使用される。
受信コイル302は、送信コイル202からの電力信号S2を受信するとともに、制御信号S3を送信コイル202に対して送信する。整流回路304および平滑コンデンサ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VRECTに変換する。
電源回路504は、送電装置200から供給された電力を利用して二次電池506を充電する充電回路、および/または直流電圧VRECTを昇圧あるいは降圧し、プロセッサ508に供給するDC/DCコンバータを含む。
制御回路400は、受信電力演算部402、パラメータ取得部404、補正部406、制御データ生成部408、負荷電流測定部410、電圧測定部412、電源電流測定部414を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化される。
受信電力演算部402は、ワイヤレス受電装置300の消費電力PDを、所定の演算式にもとづいて計算する。
パラメータ取得部404は、制御回路400の外部から、第1パラメータα、第2パラメータβを取得する。
補正部406は、受信電力演算部402により計算された消費電力PDを、以下の補正式にしたがって補正することにより、ワイヤレス受電装置300の受信電力PRPを計算する。
PRP=α×PD+β
制御データ生成部408は、補正部406により計算された受信電力PRPにもとづいて、受電装置300の受信電力を示す制御データDRPを生成する。この制御データは、変調器308および受信コイル302を介して送電装置200に伝送される。送電装置200は、制御データDRPにもとづいて異物を検出する。
受信電力演算部403は、平滑コンデンサ306から負荷502に供給される電力を計算する。制御データ生成部408は、受信電力演算部403により計算された受信電力にもとづいて、電力制御データDPCを生成する。電力制御データDPCは、変調器308、受信コイル302を介して送電装置200に伝送される。送電装置200は、電力制御データDPCにもとづいて、送信電力を制御する。
続いて受信電力演算部402による消費電力の計算について詳細に説明する。
負荷電流測定部410、電圧測定部412、電源電流測定部414は、消費電力PDを計算するために必要な電圧あるいは電流量を測定する。
負荷電流測定部410は、ワイヤレス受電装置300に流れる電流ILOADを測定する。負荷電流ILOADは、平滑コンデンサ306から負荷502に流れる電流であってもよい。
受信電力演算部402は、少なくとも負荷電流ILOADを引数とする所定の関数fD(ILOAD)にもとづいて、消費電力PDを計算してもよい。
制御回路400の電源端子VDDには、直流電圧VRECTが供給される。電圧測定部412は、平滑コンデンサ306に生ずる直流電圧VRECTを測定する。
電源電流測定部414は、制御回路400の電源端子VDDに流れる電源電流IDDを測定する。
受信電力演算部402は、以下の関数fD(ILOAD)にしたがって、消費電力PDを計算する。
D=fD(ILOAD)=VRECT×ILOAD+RON×ILOAD +VDD×IDD
右辺第1項VRECT×ILOADは、負荷502の消費電力である。
右辺第2項RON×ILOAD は、電力損失である。RONは所定の定数であり、インピーダンスのディメンジョンを有する。
右辺第3項VDD×IDDは、制御回路400の消費電力である。本実施の形態では、制御回路400の電源端子VDDには、直流電圧VRECTが供給され、つまり制御回路400は整流電圧VRECTを電源として動作する。この場合、VDD=VRECTとなる。
続いて、パラメータ取得部404に対するパラメータα、βの設定について説明する。
図3は、パラメータ取得部404の構成例を示す回路図である。
パラメータ取得部404は、複数の抵抗Rα、Rβが外付け可能に構成される。パラメータ取得部404は、接続される複数の抵抗Rα、Rβそれぞれの抵抗値に応じて、第1パラメータα、第2パラメータβを取得可能に構成される。
パラメータ取得部404は、電圧変換部420、A/Dコンバータ422、を備える。電圧変換部420は、複数の抵抗Rα、Rβの抵抗値を、複数の電圧Vα、Vβに変換する。A/Dコンバータ422は、複数の電圧Vα、Vβそれぞれを複数のデジタル値Dα、Dβに変換する。A/Dコンバータ422の前段にはセレクタ426が設けられ、単一のA/Dコンバータ422が、時分割で複数の電圧Vα、Vβをデジタル値Dα、Dβに変換する構成としてもよい。デジタル値Dα、Dβは、第1パラメータα、第2パラメータβとしてレジスタ424に格納される。
電圧変換部420は、複数の設定端子P1〜P2、電流源428を含む。複数の抵抗Rα、Rβは、抵抗ストリングを形成するように、設定端子P1と外部の接地端子の間に直列に接続される。複数の設定端子P1、P2は、複数の抵抗Rα、Rβの端子(抵抗ストリングのタップ)と接続される。電流源428は設定端子P1と接続され、抵抗ストリングRα、Rβに所定の定電流Icを供給する。
A/Dコンバータ422は、設定端子それぞれの電圧、または、少なくともひとつの設定端子の間の電位差を、デジタル値に変換してもよい。
抵抗Rαの両端間には、電圧降下Vα=Rα×Icが発生し、抵抗Rβの両端間には、電圧降下Vβ=Rβ×Icが発生する。A/Dコンバータ422は、設定端子P1、P2の電位差である電圧降下Vαと、設定端子P2の電位である電圧降下Vβそれぞれをデジタル値に変換する。
以上が受電装置300の構成である。
続いて受電装置300の動作を説明する。図4(a)、(b)は、受電装置300における受信電力PRPを示す図である。横軸は負荷電流ILOADを、縦軸は受信電力PRPを示す。なお、上述の関数fDで与えられる受信電力PRPは非線形の項を含むものであるが、ここでは理解の容易化、説明の簡潔化を目的として、受信電力PRPを直線で示している。
第2パラメータβを変化させると、図4(a)に示すように所定の関数fD(ILOAD)にもとづいて計算される受信電力PRPを、切片方向に補正することができる。また第1パラメータαを変化させると、図4(b)に示すように所定の関数fD(ILOAD)の傾きを変化させることができる。
制御回路400の設計段階において、制御回路400とともに使用される受信コイルの形状、構造は不明であり、また受電装置300が搭載される電子機器の筐体の形状、材料等も不明である。したがって、所定の演算式は、受信コイルや筐体を考慮せずに定めることとなる。しかしながら、受信コイルや筐体が、受電装置300の受信電力に影響を及ぼすことは上述した通りである。
本実施の形態に係る制御回路400によれば、受電装置300を電子機器に載せた状態において、正しい受信電力が得られるように、パラメータα、βを最適化することにより、ワイヤレス受電装置300の受信電力PRPを高い精度で検出できる。そして、補正処理を経て得られた受信電力PRPを、送電装置200に送信し、送電装置200の送信電力PTPと比較することにより、異物検出の精度を高めることができる。
また、本実施の形態では、パラメータ取得部404に対するパラメータα、βの指示を、外付けの抵抗を用いて行うこととした。これにより、電子機器の設計者は、抵抗Rα、Rβの抵抗値を変更することで簡易に、パラメータα、βを変更することができる。
以上、本発明のある態様について、第1の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
(第1の変形例)
パラメータ取得部404の構成は、図3のそれには限定されない。
図5、図6は、パラメータ取得部404の別の構成例を示す回路図である。図6のパラメータ取得部404aは、抵抗Rα、Rβごとに設けられる。設定端子P1と接地端子の間には、抵抗Rαが接続され、設定端子P2と接地端子の間には、抵抗Rβが接続される。
パラメータ取得部404aは、複数の電流変換部430および複数の電圧変換部440を備える。
複数の電流変換部430および複数の電圧変換部440は、複数の設定端子P1、P2に対応して設けられる。電流変換部430は、対応する設定端子P1に接続される抵抗Rαの抵抗値に反比例した電流Iαを生成する。電圧変換部440は、対応する電流変換部430が生成した電流Iαを、それに比例した電圧Vαに変換する。
たとえば電流変換部430は、トランジスタM1、演算増幅器OA1を含む。トランジスタM1および抵抗Rαには、電流Iα=VREF/Rαが流れる。また電圧変換部440は、カレントミラー回路M2、M3および抵抗R1を含み、電流Iαを、電圧Vα=K×R1×Iαに変換する。Kはカレントミラー回路のミラー比である。設定端子P2に関しても同様である。電圧Vα、Vβは、図示しないA/Dコンバータに供給され、デジタル値α、βに変換される。
この構成によっても、制御回路400の外部から、抵抗値に応じてパラメータα、βを設定できる。
図6のパラメータ取得部404bは、第1パラメータα、第2パラメータβを含むシリアルデータを、外部のプロセッサ301から受信するインタフェース回路450と、第1パラメータα、第2パラメータβを格納するレジスタ452と、を含んでもよい。
あるいは、パラメータ取得部404は、不揮発性メモリを含み、電子機器の設計段階において不揮発性メモリにパラメータを書き込むようにしておいてもよい。
(第2の変形例)
実施の形態では、以下の関数にしたがって受信電力PPRを計算することとしたが本発明はそれには限定されない。
PD=fD(ILOAD)=VRECT×ILOAD+RON×ILOAD +VDD×IDD
制御回路400の消費電力が無視しうる場合、VDD×IDDの項は省略してもよい。あるいは、熱的な損失が無視しうる場合、RON×ILOAD の項は省略してもよい。
あるいは、受信電力演算部402は、負荷電流ILOAD以外の値を引数とする関数として定められてもよい。
(第3の変形例)
実施の形態では、Qi規格に準拠するワイヤレス送電装置について説明したが、本発明はそれに限定されず、Qi規格と類似するシステムに使用される受電装置300や、将来策定されるであろう規格に準拠する受電装置300にも適用しうる。
(第4の変形例)
制御回路400が集積化されるICには、変調器308や電源回路504の一部がさらに集積化されてもよい。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る受電装置300、制御回路400の基本構成は、図2で示す第1の実施の形態と同様である。以下、相違点のみを説明する。
負荷電流測定部410は、所定の経路に流れる電流Iを検出する。受信電力演算部402は、ワイヤレス受電装置300の消費電力PDを、電流Iを引数とする所定の関数fD(I)にもとづいて計算する。
電流Iの範囲は、N個(Nは2以上の整数)の区間に分割されている。パラメータ取得部404は、分割された区間ごとに指定されるパラメータ(以下、第1パラメータともいう)α1〜αNを外部から取得する。
補正部406は、電流Iがi番目の区間に含まれるとき、受信電力演算部402により計算された消費電力PDを、第1パラメータαiを用いて補正することにより、ワイヤレス受電装置300の受信電力PRPを計算する。
j番目のパラメータαjは、j番目の区間における電流Iに対する受信電力PRPjの傾きを補正するために使用される。
より具体的には、i番目の区間とi+1番目の区間のしきい値をIiとするとき、補正部406は、j番目の区間における補正後の受信電力PRPを、
PRP1=α1×fD(I)
PRP2=α2×fD(I−I1)+α1×fD(I1)
PRP3=α3×fD(I−I2)+α2×fD(I2−I1)+α1×fD(I1)
・・・
にしたがって計算する。
一般化すると、以下の式を得る。
PRPj=αj×fD(I−Ij−1)+PRPj−1(Ij−1)
ただし、RP0=0、I0=0とする。
パラメータ取得部404は、複数のパラメータα1〜αNに加えて、パラメータ(第2パラメータともいう)βを外部から取得可能に構成される。
補正部48は、受信電力PRPにパラメータβを加算する。
制御データ生成部408は、補正部406により計算された受信電力PRPにもとづいて、受電装置300の受信電力を示す制御データDRPを生成する。この制御データは、変調器308および受信コイル302を介して送電装置200に伝送される。送電装置200は、制御データDRPにもとづいて異物を検出する。
受信電力演算部403は、平滑コンデンサ306から負荷502に供給される電力を計算する。制御データ生成部408は、受信電力演算部403により計算された受信電力にもとづいて、電力制御データDPCを生成する。電力制御データDPCは、変調器308、受信コイル302を介して送電装置200に伝送される。送電装置200は、電力制御データDPCにもとづいて、送信電力を制御する。
続いて受信電力演算部402による消費電力の計算について詳細に説明する。
負荷電流測定部410、電圧測定部412、電源電流測定部414は、消費電力PDを計算するために必要な電圧あるいは電流量を測定する。
負荷電流測定部410は、ワイヤレス受電装置300の所定の経路に流れる電流ILOADを測定する。負荷電流ILOADは、平滑コンデンサ306から負荷502に流れる電流であってもよい。
制御回路400の電源端子VDDには、直流電圧VRECTが供給される。電圧測定部412は、平滑コンデンサ306に生ずる直流電圧VRECTを測定する。
電源電流測定部414は、制御回路400の電源端子VDDに流れる電源電流IDDを測定する。
受信電力演算部402は、以下の関数fD(ILOAD)にしたがって、消費電力PDを計算する。
PD=fD(ILOAD)=VRECT×ILOAD+RON×ILOAD +VDD×IDD
右辺第1項VRECT×ILOADは、負荷502の消費電力である。
右辺第2項RON×ILOAD は、電力損失である。RONは所定の定数であり、インピーダンスのディメンジョンを有する。
右辺第3項VDD×IDDは、制御回路400の消費電力である。本実施の形態では、制御回路400の電源端子VDDには、直流電圧VRECTが供給され、つまり制御回路400は整流電圧VRECTを電源として動作する。この場合、VDD=VRECTとなる。
続いて、パラメータ取得部404に対するパラメータα、βの設定について説明する。図6には、パラメータ取得部404bの構成例が示される。図6のパラメータ取得部404bは、インタフェース回路450、レジスタ452を含む。インタフェース回路450は、第1パラメータα1〜αN、第2パラメータβを含むシリアルデータを、外部のプロセッサ301から受信する。レジスタ452は、第1パラメータα1〜αN、第2パラメータβを格納する。
あるいは、パラメータ取得部404は、不揮発性メモリを含み、電子機器の設計段階において不揮発性メモリにパラメータを書き込むようにしておいてもよい。
以上が受電装置300の構成である。続いて受電装置300の動作を説明する。図7(a)、(b)は、受電装置300における受信電力PRPを示す図である。横軸は負荷電流ILOADを、縦軸は受信電力PRPを示す。なお上述の関数fDで与えられる受信電力PRPは非線形の項を含むものであるが、ここでは理解の容易化、説明の簡潔化を目的として、受信電力PRPを直線で示している。
本実施の形態では、電流ILOADは3つの区間に分割されており、受信電力PRPは、3つのパラメータα1〜α3に応じて補正可能となっている。
図7(a)、(b)に示される受信電力PRPjは、以下の式を満たしている。
PRPj=αj×fD(I−Ij−1)+PRPj−1(Ij−1)+β
ただし、IRP0=0、I0=0とする。
電流ILOADに対する受信電力PRPの傾きを、関数fD(ILOAD)よりも小さくしたい場合、図7(a)の第1区間0<ILOAD<I1に示すように、α1<1とすればよい。
また電流ILOADに対する受信電力PRPの傾きを、関数fD(ILOAD)よりも大きくしたい場合、図7(a)の第3区間I2<ILOADに示すように、α3>1とすればよい。
また電流ILOADに対する受信電力PRPの傾きを、関数fD(ILOAD)と同一としたい場合、図7(a)の第2区間I1<ILOAD<I2に示すように、α2=1とすればよい。
また、図7(b)に示すように、第2パラメータβを変化させると、所定の関数fD(ILOAD)およびパラメータα1〜αNにもとづいて計算される受信電力PRPを、切片方向に補正することができる。
制御回路400の設計段階において、制御回路400とともに使用される受信コイルの形状、構造は不明であり、また受電装置300が搭載される電子機器の筐体の形状、材料等も不明である。したがって、所定の関数fD(ILOAD)は、受信コイルや筐体を考慮せずに定めることとなる。しかしながら、受信コイルや筐体が、受電装置300の受信電力に影響を及ぼすことは上述した通りである。
本発明者が検討したところ、受信コイルの形状、構造、レイアウト、あるいは、電子機器の筐体の形状や材料などが、受信電力に影響を及ぼす影響度は、受信電力の大きさ、すなわち、電流ILOADの大きさに応じて異なる。
そこで電流ILOADを複数の区間に分割し、受電装置300を電子機器に載せた状態において、正しい受信電力が得られるように、区間ごとのパラメータα1〜αNを最適化することにより、ワイヤレス受電装置300の受信電力PRPを高い精度で検出できる。そして、補正処理を経て得られた受信電力PRPを、送電装置200に送信し、送電装置200の送信電力PTPと比較することにより、異物検出の精度を高めることができる。
また、第2パラメータβを併用することで、さらに高い精度で受信電力PRPを検出できる。
以上、本発明のある態様について、第2の実施の形態をもとに説明した。こ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5の変形例)
実施の形態では、外部からパラメータα1〜αN、βを設定可能とした場合を説明したが本発明はそれには限定されない。たとえば、パラメータα1〜αNに加えて、電流区間の境界I1、I2、…IN−1を設定可能としてもよい。つまりパラメータ取得部404は、外部からパラメータα1〜αN、βに加えて、しきい値I1〜IN−1を指示するデータを取得可能に構成される。
この変形例によれば、複数の区間それぞれの範囲を、受信コイルの形状、構造、レイアウトや、ワイヤレス受電装置を搭載する電子機器の筐体の形状や材料などにもとづいて設定可能となるため、さらに高精度に受信電力を計算できる。
(第6の変形例)
実施の形態では、切片を設定するパラメータβを、すべての区間で共通とし、傾きを設定するパラメータα1〜αNを区間ごとに設定可能としたが本発明はそれには限定されない。たとえばパラメータβを、区間ごとに設定可能としてもよい。また、パラメータを用いた補正により計算された受信電力PRPは、区間の境界において不連続であってもよい。
(第7の変形例)
本実施の形態では、パラメータ取得部404に対するパラメータα、βの指示を、シリアルインタフェースを用いて行うこととしたが、本発明はそれには限定されない。たとえばパラメータα、βの指示を、外付けの抵抗を用いて行うことしてもよい。図8は、パラメータ取得部404の別の構成例を示す回路図である。
図8のパラメータ取得部404は、複数の抵抗Rα1〜RαN、Rβが外付け可能に構成される。図8ではN=3である。パラメータ取得部404は、接続される複数の抵抗それぞれの抵抗値に応じて、第1パラメータα1〜αN、第2パラメータβを取得可能に構成される。
パラメータ取得部404は、電圧変換部420、A/Dコンバータ422、を備える。電圧変換部420は、複数の抵抗Rα1〜RαN、Rβの抵抗値を、複数の電圧Vα1〜VαN、Vβに変換する。A/Dコンバータ422は、複数の電圧Vα1〜VαN、Vβそれぞれを複数のデジタル値Dα1〜DαN、Dβに変換する。A/Dコンバータ422の前段にはセレクタ426が設けられ、単一のA/Dコンバータ422が、時分割で複数の電圧Vα1〜VαN、Vβをデジタル値Dα1〜DαN、Dβに変換する構成としてもよい。デジタル値Dα1〜DαN、Dβは、第1パラメータα1〜αN、第2パラメータβとしてレジスタ424に格納される。
電圧変換部420は、複数の設定端子P1〜P4、電流源428を含む。複数の抵抗Rα1〜RαN、Rβは、抵抗ストリングを形成するように、設定端子P1と外部の接地端子の間に直列に接続される。複数の設定端子P1〜P4は、複数の抵抗Rα1〜RαN、Rβの端子(抵抗ストリングのタップ)と接続される。電流源428は設定端子P1と接続され、抵抗ストリングRα1〜RαN、Rβに所定の定電流Icを供給する。
A/Dコンバータ422は、設定端子それぞれの電圧、または、少なくともひとつの設定端子の間の電位差を、デジタル値に変換してもよい。
この構成によれば、制御回路400に外付けされる抵抗Rα1〜RαN、Rβの抵抗値を変更することにより、パラメータの値を任意に設定できる。
図5のパラメータ取得部404aを、抵抗Rα1〜RαN、Rβごとに設けることとしてもよい。設定端子P1と接地端子の間には、抵抗Rαが接続され、設定端子P2と接地端子の間には、抵抗Rβが接続される。
パラメータ取得部404aは、複数の電流変換部430および複数の電圧変換部440を備える。
複数の電流変換部430および複数の電圧変換部440は、複数の設定端子P1、P2に対応して設けられる。電流変換部430は、対応する設定端子P1に接続される抵抗Rαの抵抗値に反比例した電流Iαを生成する。電圧変換部440は、対応する電流変換部430が生成した電流Iαを、それに比例した電圧Vαに変換する。
たとえば電流変換部430は、トランジスタM1、演算増幅器OA1を含む。トランジスタM1および抵抗Rαには、電流Iα=VREF/Rαが流れる。また電圧変換部440は、カレントミラー回路M2、M3および抵抗R1を含み、電流Iαを、電圧Vα=K×R1×Iαに変換する。Kはカレントミラー回路のミラー比である。設定端子P2に関しても同様である。電圧Vα、Vβは、図示しないA/Dコンバータに供給され、デジタル値α、βに変換される。
この構成によっても、外部から、抵抗値に応じてパラメータα、βを設定できる。
(第8の変形例)
実施の形態では、以下の関数にしたがって受信電力PPRを計算することとしたが本発明はそれには限定されない。
PD=fD(ILOAD)=VRECT×ILOAD+RON×ILOAD +VDD×IDD
制御回路400の消費電力が無視しうる場合、VDD×IDDの項は省略してもよい。あるいは、熱的な損失が無視しうる場合、RON×ILOAD の項は省略してもよい。
あるいは、受信電力演算部402は、負荷電流ILOAD以外の値を引数とする関数として定められてもよい。
(第9の変形例)
実施の形態では、Qi規格に準拠するワイヤレス送電装置について説明したが、本発明はそれに限定されず、Qi規格と類似するシステムに使用される受電装置300や、将来策定されるであろう規格に準拠する受電装置300にも適用しうる。
(第10の変形例)
制御回路400が集積化されるICには、変調器308や電源回路504の一部がさらに集積化されてもよい。
(第11の変形例)
第2の実施の形態およびその変形例で説明した制御回路400は、以下のように把握することも可能である。
図7(a)、(b)に示される受信電力PRPjは、以下の式を満たしている。
PRPj=αj×fD(I−Ij−1)+PRPj−1(Ij−1)+β
ただし、IRP0=0、I0=0とする。
制御回路400は、所定の経路に流れる電流Iを検出する電流検出部(410)と、電流Iの範囲がN個(Nは2以上の整数)の区間に分割されており、分割された区間ごとに指定されるパラメータα1〜αNを外部から取得するパラメータ取得部(404)と、j番目の区間におけるワイヤレス受電装置の受信電力PPRjを、電流Iを引数とし、パラメータαj〜αNを用いて定義される区間ごとに固有の関数にもとづいて計算する受信電力演算部(402、406)と、を備える。
最後に、電子機器の具体例を説明する。図9は、受電装置300を備える電子機器500を示す図である。図9の電子機器500は、スマートホン、タブレットPCや携帯型ゲーム機、携帯型オーディオプレイヤであり、筐体501の内部には、電源回路504、二次電池506、プロセッサ508、ディスプレイ装置510および上述の受電装置300が内蔵される。プロセッサ508は、無線(RF)部、ベースバンドプロセッサ、アプリケーションプロセッサ、オーディオプロセッサ等を含んでもよい。
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
100…給電システム、200,TX…送電装置、201…送信アンテナ、202…送信コイル、203…共振コンデンサ、204…ドライバ、206…コントローラ、208…復調器、300,RX…受電装置、302…受信コイル、304…整流回路、306…平滑コンデンサ、308…変調器、400…制御回路、402,403…受信電力演算部、404…パラメータ取得部、406…補正部、408…制御データ生成部、410…負荷電流測定部、412…電圧測定部、414…電源電流測定部、S1…駆動信号、420…電圧変換部、422…A/Dコンバータ、424…レジスタ、426…セレクタ、428…電流源、430…電流変換部、440…電圧変換部、450…インタフェース回路、452…レジスタ、500…電子機器、501…筐体、502…負荷、504…電源回路、506…二次電池、508…プロセッサ、P1,P2…設定端子。
本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

Claims (26)

  1. ワイヤレス受電装置の制御回路であって、
    前記ワイヤレス受電装置の消費電力PDを、所定の演算式にもとづいて計算する受信電力演算部と、
    外部から、第1パラメータα、第2パラメータβを取得するパラメータ取得部と、
    前記ワイヤレス受電装置の受信電力PRPを、補正式PRP=α×PD+βにしたがって計算する補正部と、
    を備え、
    前記パラメータ取得部は、複数の抵抗が外付け可能に構成され、接続される複数の抵抗それぞれの抵抗値に応じて、前記第1パラメータα、前記第2パラメータβを取得可能に構成されることを特徴とする制御回路。
  2. 前記パラメータ取得部は、
    前記複数の抵抗の抵抗値を、複数の電圧に変換する電圧変換部と、
    前記複数の電圧それぞれを複数のデジタル値に変換するA/Dコンバータと、
    を含み、前記複数のデジタル値を、前記第1パラメータα、前記第2パラメータβとして取り込むことを特徴とする請求項に記載の制御回路。
  3. 前記複数の抵抗は、抵抗ストリングを形成するように直列に接続され、
    前記電圧変換部は、
    前記複数の抵抗の端子と接続される複数の設定端子と、
    前記抵抗ストリングに定電流を供給する電流源と、
    を含み、
    前記A/Dコンバータは、前記複数の設定端子の電圧および/または前記複数の設定端子の間の電位差をデジタル値に変換することを特徴とする請求項に記載の制御回路。
  4. 前記パラメータ取得部は、
    前記複数の抵抗が接続される複数の設定端子と、
    前記複数の抵抗に対応付けて設けられ、それぞれが対応する抵抗の抵抗値に反比例する電流を生成する複数の電流変換部と、
    前記複数の電流変換部に対応付けて設けられ、それぞれが対応する電流変換部が生成した電流を電圧に変換する電圧変換部と、
    を含むことを特徴とする請求項に記載の制御回路。
  5. ワイヤレス受電装置の制御回路であって、
    前記ワイヤレス受電装置の消費電力PDを、所定の演算式にもとづいて計算する受信電力演算部と、
    外部から、第1パラメータα、第2パラメータβを取得するパラメータ取得部と、
    前記ワイヤレス受電装置の受信電力PRPを、補正式PRP=α×PD+βにしたがって計算する補正部と、
    を備え、
    前記受信電力演算部は、前記ワイヤレス受電装置の負荷に流れる電流ILOADを測定する負荷電流測定部を含み、所定の関数fD(ILOAD)にもとづいて、前記消費電力PDを計算し、
    前記ワイヤレス受電装置は、前記制御回路に加えて、
    受信コイルと、
    前記受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、
    を備え、
    前記制御回路は、
    前記制御回路の動作電流IDDを測定する電源電流測定部と、
    前記制御回路に供給される電源電圧VDDを測定する電圧測定部と、を含み、
    前記関数fD(ILOAD)は、(VRECT×ILOAD)の項と、(VDD×IDD)の項と、を含むことを特徴とする制御回路。
  6. 前記関数fD(ILOAD)は、所定の定数をRONとしてRON×ILOADの項をさらに含むことを特徴とする請求項に記載の制御回路。
  7. 前記制御回路は、前記整流電圧VRECTを前記電源電圧VDDとして動作することを特徴とする請求項に記載の制御回路。
  8. Qi規格に準拠したことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の制御回路。
  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1からのいずれかに記載の制御回路。
  10. 受信コイルと、
    前記受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、
    請求項1からのいずれかに記載の制御回路と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
  11. 受信コイルと、
    前記受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、
    請求項1からのいずれかに記載の制御回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
  12. ワイヤレス受電装置の制御回路であって、
    所定の経路に流れる電流Iを検出する電流検出部と、
    前記電流Iの範囲がN個(Nは2以上の整数)の区間に分割されており、i番目の区間とi+1番目の区間のしきい値はIiであり、分割された区間ごとに指定されるパラメータα1〜αNを外部から取得するパラメータ取得部と、
    前記電流Iを引数として定義された所定の関数fD(I)と、前記パラメータα1〜αNと、にもとづいて、j番目の区間における受信電力PRPjを、
    PRP1=α1×fD(I)
    PRP2=α2×fD(I−I1)+α1×fD(I1)
    PRP3=α3×fD(I−I2)+α2×fD(I2−I1)+α1×fD(I1)
    ・・・
    により計算する演算部と、
    を備えることを特徴とする制御回路。
  13. 前記パラメータ取得部は、前記パラメータα1〜αNに加えて、パラメータβを外部から取得可能に構成され、
    前記演算部は、前記受信電力PRPにパラメータβを加算することを特徴とする請求項12に記載の制御回路。
  14. 前記パラメータ取得部はさらに、しきい値I1〜IN−1を指定するパラメータを外部から取得可能に構成されることを特徴とする請求項12または13に記載の制御回路。
  15. 前記パラメータ取得部は、
    外部からのパラメータを含むシリアルデータを、外部のプロセッサから受信するインタフェース回路と、
    受信したパラメータを格納するレジスタと、
    を含むことを特徴とする請求項12から14のいずれかに記載の制御回路。
  16. 前記パラメータ取得部は、複数の抵抗が外付け可能に構成され、接続される複数の抵抗それぞれの抵抗値に応じて、前記パラメータα1〜αNを取得可能に構成されることを特徴とする請求項12から14のいずれかに記載の制御回路。
  17. 前記電流検出部は、前記ワイヤレス受電装置の負荷に流れる電流ILOADを測定するよう構成され、
    前記関数fD(I)は、前記電流ILOADを引数として定義されることを特徴とする請求項12から16のいずれかに記載の制御回路。
  18. 前記ワイヤレス受電装置は、前記制御回路に加えて、
    受信コイルと、
    前記受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、
    を備え、
    前記関数fD(I)は、(VRECT×)の項を含むことを特徴とする請求項17に記載の制御回路。
  19. 前記関数fD(I)は、所定の定数をRONとしてRON× の項をさらに含むことを特徴とする請求項18に記載の制御回路。
  20. 前記制御回路は、
    前記制御回路の動作電流IDDを測定する電源電流測定部と、
    前記制御回路に供給される電源電圧VDDを測定する電圧測定部と、を含み、
    前記関数fD(I)は、(VDD×IDD)の項をさらに含むことを特徴とする請求項18または19に記載の制御回路。
  21. 前記制御回路は、前記整流電圧VRECTを前記電源電圧VDDとして動作することを特徴とする請求項20に記載の制御回路。
  22. Qi規格に準拠したことを特徴とする請求項12から21のいずれかに記載の制御回路。
  23. 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12から22のいずれかに記載の制御回路。
  24. 受信コイルと、
    前記受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、
    請求項12から23のいずれかに記載の制御回路と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
  25. 受信コイルと、
    前記受信コイルに流れる電流を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力と接続され、整流電圧VRECTを発生させる平滑コンデンサと、
    請求項12から23のいずれかに記載の制御回路と、
    を備えることを特徴とする電子機器。
  26. ワイヤレス受電装置において受信電力を計算する方法であって、
    所定の経路に流れる電流Iを引数として所定の関数fD(I)を定義するステップと、
    前記電流Iの範囲を、i番目の区間とi+1番目の区間のしきい値をIiとして、N個(Nは2以上の整数)の区間に分割するステップと、
    分割された区間ごとに指定されるパラメータα1〜αNを外部から取得するステップと、
    前記電流Iを引数として定義された所定の関数fD(I)と、前記パラメータα1〜αNと、にもとづいて、j番目の区間における受信電力PRPjを、
    PRP1=α1×fD(I)
    PRP2=α2×fD(I−I1)+α1×fD(I1)
    PRP3=α3×fD(I−I2)+α2×fD(I2−I1)+α1×fD(I1)
    ・・・
    により計算するステップと、
    を備えることを特徴とする方法。
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