JP6438788B2 - 受電制御回路、ワイヤレス受電装置の制御方法、電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、電子機器への給電方式として、ワイヤレス給電が普及の兆しを見せている。ワイヤレス給電には、電磁誘導（MI：Magnetic Induction）方式と磁気共鳴（MR：Magnetic Resonance）方式の２つの方式が存在するが、ＭＩ方式では、現在、（１）ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が策定した規格「Qi」と、（２）ＰＭＡ（Power Matters Alliance）が策定した規格（以下、ＰＭＡ）が主流となっている。

図１は、ＰＭＡ規格に準拠したワイヤレス給電システム１００Ｒの構成を示す図である。給電システム１００Ｒは、送電装置２００Ｒ（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３００Ｒ（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３００Ｒ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２００Ｒ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２００Ｒ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。

受電装置３００Ｒ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Ｉ_ＲＸを整流・平滑化し、直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴ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Ｖ_ＲＥＣＴ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。

ＰＭＡ規格では、送電装置２００Ｒと受電装置３００Ｒの間で通信プロトコルが定められており、受電装置３００Ｒから送電装置２００Ｒ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３００Ｒに対する電力供給量を指示する電力制御信号（パケットともいう）、受電装置３００Ｒ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信号にもとづいて、ドライバ２０４を制御する。

本発明者らは、図１のにおける給電システム１００Ｒにおける電力制御について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。

ＰＭＡ規格において、受電装置３００Ｒのコントローラ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信号を生成する。具体的には、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴに対して目標値が設定され、この目標値の近傍に上限電圧Ｖ_Ｈ、下限電圧Ｖ_Ｌが設定される。コントローラ３１２は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦ（Ｖ_Ｌ〜Ｖ_Ｈ）の間に含まれるように、電力制御信号Ｄ_ＰＣを生成する。

ＰＭＡ規格において、電力制御信号Ｄ_ＰＣは、３つのステート、すなわち、（i）送信電力の維持（第１状態φ_Ａとする）、（ii）送信電力の増大（第２状態φ_Ｂとする）、（iii）送信電力の減少（第３状態φ_Ｃとする）を取り得る。送電装置２００Ｒは、受電装置３００からの電力制御信号Ｄ_ＰＣにもとづいて送信周波数ｆ_ＴＸを変化させることにより、送信電力を制御する。具体的には、電力制御信号Ｄ_ＰＣが第１状態φ_Ａであるとき、送信周波数ｆ_ＴＸを維持し、送信電力を維持する。電力制御信号Ｄ_ＰＣが第２状態φ_Ｂであるとき、送信周波数ｆ_ＴＸを所定幅（たとえば複数ステップ）Δｆ_ＵＰ、送信電力が増大する方向に変化させる。反対に電力制御信号Ｄ_ＰＣが第３状態φ_Ｃであるとき、送信周波数ｆ_ＴＸを送信電力が低下する方向に、所定幅Δｆ_ＤＮ（たとえば１ステップ）、変化させる。

図２（ａ）、（ｂ）は、図１の給電システム１００Ｒの電力制御を示す波形図である。図２（ａ）は、非発振状態における制御を示す。時刻ｔ１において、Ｖ_ＲＥＣＴ＜Ｖ_Ｌであるから、送信電力を増加させるためにコントローラ３１２は電力制御信号Ｄ_ＰＣを第２状態φ_Ｂとする。これに応答して、送電装置２００Ｒのコントローラ２０６が、送信周波数ｆ_ＴＸを所定幅Δｆ_ＵＰ変化させると、送信電力が増加し、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが上昇する。

時刻ｔ２に、Ｖ_ＲＥＣＴ＞Ｖ_Ｈとなると、送信電力を減少させるためにコントローラ３１２は電力制御信号Ｄ_ＰＣを第３状態φ_Ｃとする。これに応答して、送電装置２００Ｒのコントローラ２０６が、送信周波数ｆ_ＴＸを所定幅Δｆ_ＤＮ変化させると、送信電力が減少し、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが下降する。続く時刻ｔ３においても、Ｖ_ＲＥＣＴ＞Ｖ_Ｈであり、引き続き電力制御信号Ｄ_ＰＣが第３状態φ_Ｃとなり、送信電力ひいては整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴはさらに低下する。この動作を繰り返すことにより、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴは目標電圧範囲Ｖ_Ｌ〜Ｖ_Ｈの間に安定化される。

ところが、図１の給電システム１００Ｒにおいては、送信コイルと受信コイルの位置関係、温度などによっては、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲Ｖ_Ｌ〜Ｖ_Ｈ内に安定化せず、発振状態に陥ることがわかった。この発振状態は、送信周波数ｆ_ＴＸの変化幅Δｆ_ＵＰ（もしくはΔｆ_ＤＮ）と、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの変化幅の関係は一定ではなく、状況に応じて変化することに起因する。図２（ｂ）を参照して発振状態を説明する。

時刻ｔ１において、Ｖ_ＲＥＣＴ＜Ｖ_Ｌであるから、電力制御信号Ｄ_ＰＣが第２状態φ_Ｂとなる。これに応答して送電装置２００Ｒは、送信周波数ｆ_ＴＸをΔｆ_ＵＰ、変化させ、送信電力を増加させる。これにより整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがδＶ_ＵＰ１、増大する。

時刻ｔ２に、Ｖ_ＲＥＣＴ＞Ｖ_Ｈとなると、送信電力を減少させるためにコントローラ３１２は電力制御信号Ｄ_ＰＣを第３状態φ_Ｃとする。これに応答して送電装置２００Ｒは、送信周波数ｆ_ＴＸをΔｆ_ＤＮ、変化させ、送信電力を減少させる。これにより整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがδＶ_ＤＮ２、低下する。時刻ｔ３においてもＶ_ＲＥＣＴ＞Ｖ_Ｈであるため、電力制御信号Ｄ_ＰＣは第３状態φ_Ｃであり、送信周波数ｆ_ＴＸがさらにΔｆ_ＤＮ、変化し、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがδＶ_ＤＮ３、低下する。

時刻ｔ４においても依然としてＶ_ＲＥＣＴ＞Ｖ_Ｈである。電力制御信号Ｄ_ＰＣは第３状態φ_Ｃであり、送信周波数ｆ_ＴＸがさらにΔｆ_ＤＮ、変化し、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがδＶ_ＤＮ４、低下する。Ｖ_Ｈ−Ｖ_Ｌ＝ΔＶとしたとき、δＶ_ＤＮ４＞ΔＶであると、Ｖ_ＲＥＣＴは、目標電圧範囲Ｖ_Ｌ〜Ｖ_Ｈに収まらず、下限電圧Ｖ_Ｌを下回る。この動作が、以降も繰り返されることで、発振状態に陥る。この発振は、系の安定性の観点から望ましくない上、発振によって発熱が増大し、効率が低下するという問題も引き起こす。

かかる発振は、ＰＭＡ規格に限らず、同様の電力制御を行う将来策定されるであろう別の規格においても生じうる。

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発振を抑制可能なワイヤレス受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の制御回路に関する。ワイヤレス受電装置は、受信コイルと、受信コイルの電流を整流する整流回路と、整流回路の出力と接続された平滑コンデンサと、を備える。制御回路は、平滑コンデンサに発生する整流電圧の目標電圧範囲を規定する上限電圧と下限電圧を設定する目標電圧範囲設定部と、整流電圧と、上限電圧および下限電圧それぞれとの比較結果にもとづき、ワイヤレス送電装置の送信電力を制御する電力制御信号を生成する電力制御部と、電力制御信号を変調し、受信コイルを介してワイヤレス送電装置に送信する変調器と、を備える。目標電圧範囲設定部は、整流電圧の発振状態が検出されると、目標電圧範囲を変化させる。

この態様によると、発振が起こらない状態では、整流電圧を、狭い目標電圧範囲内に安定化させることができ、高効率で動作させることができ、発振が起こった場合、あるいは起こりそうな場合には、目標電圧範囲を変化させることで、発振を抑制することができる。
なお、本明細書において、「発振状態の検出」とは、実際に発振状態が起きていることを検出することのみでなく、発振の予兆を検出することも含む。

目標電圧範囲設定部は、整流電圧が目標電圧範囲内に安定化された安定状態から、整流電圧が目標電圧範囲から逸脱した不安定状態に遷移すると、目標電圧範囲を初期化してもよい。

電力制御信号は、送信電力の維持を指示する第１状態、送信電力の増加を指示する第２状態、送信電力の減少を指示する第３状態のいずれかを取ってもよい。目標電圧範囲設定部は、電力制御信号を第３状態とした結果、整流電圧が下限電圧を下回ると、整流電圧が発振状態であると判定してもよい。
電力制御信号に応じて送信電力を段階的に低下させていく過程において、整流電圧が目標電圧範囲を通り越す場合には、発振状態に陥っている可能性が高い。したがってこの態様によれば、発振状態を好適に検出できる。

目標電圧範囲設定部は、整流電圧が目標電圧範囲から逸脱した状態が所定時間連続するとき、整流電圧が発振状態であると判定してもよい。
発振状態では、整流電圧は目標電圧範囲を跨いで遷移するため、目標電圧範囲から逸脱した状態が持続するため、この方法によっても発振状態を好適に検出できる。

目標電圧範囲設定部は、電力制御信号の変動が所定時間持続するとき、整流電圧が発振状態であると判定してもよい。
発振状態では、電力制御信号が一定値を維持することなく変動し続ける。この方法によっても発振状態を好適に検出できる。

電力制御信号は、送信電力の維持を指示する第１状態、送信電力の増加を指示する第２状態、送信電力の減少を指示する第３状態のいずれかを取ってもよい。目標電圧範囲設定部は、電力制御信号が第１状態である期間が所定時間持続すると、安定状態と判定してもよい。

目標電圧範囲設定部は、整流電圧の発振状態が検出されると、目標電圧範囲を広げてもよい。
目標電圧範囲が広がるにしたがい、整流電圧が目標電圧範囲に含まれる可能性を高めることができる。

目標電圧範囲設定部は、下限電圧を低下させることにより、目標電圧範囲を広げてもよい。
整流電圧がリニアレギュレータによって安定化され、負荷に供給されるプラットフォームにおいては、下限電圧を低下させることで、リニアレギュレータの効率の低下を抑制しつつ、発振を抑制でき、また発熱を抑制できる。

目標電圧範囲設定部は、上限電圧を上昇させることにより、目標電圧範囲を広げてもよい。
整流電圧がスイッチングレギュレータによって安定化され、負荷に供給されるプラットフォームにおいては、上限電圧を上昇させてもスイッチングレギュレータの効率の低下はわずかであるため、効率低下を抑制しつつ、発振を抑制できる。あるいは、整流電圧が低下すると後段の負荷が動作不能となるプラットフォームにおいては、上限電圧を上昇させることにより、後段の負荷を確実に動作させることができる。

目標電圧範囲設定部は、整流電圧の発振状態が検出されると、目標電圧範囲をシフトさせてもよい。
整流電圧が取り得る電圧レベルに、目標電圧範囲をシフトすることで、発振を抑制できる。

制御回路は、ＰＭＡ規格に準拠していてもよい。

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もしくは電子機器に関する。ワイヤレス受電装置もしくは電子機器は、受信コイルと、受信コイルの電流を整流する整流回路と、整流回路の出力と接続された平滑コンデンサと、上述のいずれかの制御回路と、を備えてもよい。

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、発振を抑制できる。

ＰＭＡ規格に準拠したワイヤレス給電システムの構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１の給電システムの電力制御を示す波形図である。 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。 図４（ａ）、（ｂ）は、図３の受電装置の動作波形図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、図３の受電装置の別の動作波形図である。 目標電圧範囲設定部の制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係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。

図３は、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、図示しない送電装置からの電力信号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。

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、および制御回路４００を備える。図３の受電装置３００は、ＰＭＡ規格に準拠しており、図１の給電システム１００Ｒに使用可能である。

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。受信コイル３０２には、電力信号Ｓ２により誘起される電流Ｉ_ＲＸが流れる。整流回路３０４の入力側は受信コイル３０２と接続され、電流Ｉ_ＲＸを全波もしくは半波整流する。整流回路３０４はダイオードブリッジ回路であってもよいし、Ｈブリッジ回路であってもよい。平滑コンデンサ３０６は、整流回路１０２の出力と接続され、整流回路１０２の出力電圧を平滑化する。平滑コンデンサ３０６に発生する直流電圧（整流電圧という）Ｖ_ＲＥＣＴが、後段の負荷５０２に供給される。

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。
整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを用いてプロセッサ５０８などの電子回路を直接駆動することは困難であるため、電源回路５０４が設けられる。電源回路５０４は、リニアレギュレータおよび／またはスイッチングレギュレータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を含み、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを適切な電圧レベルにレギュレートし、プロセッサ５０８に供給する。また電源回路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を含んでもよい。

続いて実施の形態に係る制御回路４００について説明する。制御回路４００は、電圧測定部４０２、目標電圧範囲設定部４０４、電力制御部４０６、変調器４０８を備え、ひとつの半導体基板に一体集積化された機能ＩＣ（Integrated Circuit）である。なお、整流回路３０４の一部が制御回路４００に集積化されてもよい。

電圧測定部４０２は、平滑コンデンサ３０６に生ずる整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴあるいはそれに応じた電圧を測定する。電圧測定部４０２は、測定された整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを示すデジタル値Ｄ_ＲＥＣＴを生成するＡ／Ｄコンバータであってもよい。

目標電圧範囲設定部４０４は、平滑コンデンサ３０６に発生する整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの目標電圧範囲ＲＥＦを規定する上限電圧Ｖ_Ｈと下限電圧Ｖ_Ｌを設定し、それらの設定値を示すデジタル値Ｄ_Ｈ、Ｄ_Ｌを出力する。本実施の形態において、目標電圧範囲ＲＥＦは可変であり、したがって上限電圧Ｖ_Ｈと下限電圧Ｖ_Ｌの少なくとも一方が可変となっている。

電力制御部４０６は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを上限電圧Ｖ_Ｈ、下限電圧Ｖ_Ｌそれぞれと比較し、比較結果にもとづいて電力制御信号Ｄ_ＰＣを生成する。ＰＭＡ規格において、電力制御信号Ｄ_ＰＣは、３つのステート、すなわち、（i）送信電力の維持（第１状態φ_Ａとする）、（ii）送信電力の増大（第２状態φ_Ｂとする）、（iii）送信電力の減少（第３状態φ_Ｃとする）を取り得る。送電装置２００は、受電装置３００からの電力制御信号Ｄ_ＰＣにもとづいて送信周波数ｆ_ＴＸを変化させることにより、送信電力を制御する。具体的には、電力制御信号Ｄ_ＰＣが第１状態φ_Ａであるとき、送信周波数ｆ_ＴＸを維持し、送信電力を維持する。電力制御信号Ｄ_ＰＣが第２状態φ_Ｂであるとき、送信周波数ｆ_ＴＸを所定幅（たとえば複数ステップ）Δｆ_ＵＰ、送信電力が増大する方向に変化させる。反対に電力制御信号Ｄ_ＰＣが第３状態φ_Ｃであるとき、送信周波数ｆ_ＴＸを送信電力が低下する方向に、所定幅Δｆ_ＤＮ（たとえば１ステップ）、変化させる。

変調器４０８は、電力制御信号Ｄ_ＰＣを変調した信号を生成し、受信コイル３０２に流れる電流Ｉ_ＲＸに変調信号を重畳して、制御信号Ｓ３をワイヤレス送電装置に送信する。

目標電圧範囲設定部４０４は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの発振状態φ１が検出されると、上限電圧Ｖ_Ｈを増加させ、および／または、下限電圧Ｖ_Ｌを低下させることにより、目標電圧範囲ＲＥＦを変化させる。具体的には本実施の形態では、目標電圧範囲ＲＥＦを広げる。

また目標電圧範囲設定部４０４は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦ内に安定化された安定状態φ２から、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦから逸脱した不安定状態φ３に遷移すると、目標電圧範囲ＲＥＦを初期化する。具体的には、上限電圧Ｖ_Ｈおよび下限電圧Ｖ_Ｌがそれぞれの初期値Ｖ_Ｈ０，Ｖ_Ｈ０にリセットされる。不安定状態φ３は、発振状態φ１を包含する。

以上が受電装置３００の構成である。続いてその動作を説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、図３の受電装置３００の動作波形図である。

図４（ａ）は、非発振状態における制御を示す。図４（ａ）の動作波形は、図２（ａ）のそれと同様である。目標電圧範囲ＲＥＦはもっとも狭い初期状態ＲＥＦ_０となっている。整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴと、上限電圧Ｖ_Ｈ０、下限電圧Ｖ_Ｌ０の比較結果に応じて電力制御信号Ｄ_ＰＣが調節され、送信電力が調節されて、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦ_０内に安定化される。

図４（ｂ）には発振状態における制御が示される。ある期間ｔ０〜ｔ１において、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴは、初期の目標電圧範囲ＲＥＦ_０内に安定化することができず、発振状態φ１となっている。制御回路４００の目標電圧範囲設定部４０４は、発振状態φ１を検出すると、目標電圧範囲ＲＥＦを拡大する。本実施の形態では、上限電圧Ｖ_Ｈ０を１ステップ高い電圧レベルＶ_Ｈ１に増大させることで、目標電圧範囲ＲＥＦ_１に拡大している。

目標電圧範囲ＲＥＦ_１に拡大した結果、電力制御信号Ｄ_ＰＣにもとづいて送信周波数ｆ_ＴＸ、ひいては送信電力を１ステップずつ低下させていく過程において、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦ_１に含まれることとなり、発振状態φ１から抜け出して安定状態φ２となる。

このように実施の形態に係る受電装置３００によれば、図４（ａ）のように発振が起こらない状態では、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴを、狭い目標電圧範囲ＲＥＦ_０内に安定化させることができ、その結果、高効率で動作させることができる。図４（ｂ）のように発振が起こった場合、あるいは起こりそうな場合には、目標電圧範囲ＲＥＦを広げることで、発振を抑制することができる。

本発明者らは、発振を抑制する別のアプローチとして、想定される電圧低下幅δＶ_ＤＮの最大値よりも、目標電圧範囲ＲＥＦ_０の幅ΔＶをあらかじめ大きく設定しておく技術（比較技術という）を検討した。この比較技術によれば、電力制御信号Ｄ_ＰＣにもとづいて送信電力を１ステップずつ低下させていく過程において、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲Ｖ_Ｌ〜Ｖ_Ｈに含まれる状態が存在することとなり、発振状態には陥らない。

ここで目標電圧範囲ＲＥＦ_０の幅ΔＶを大きくするには、上限電圧Ｖ_Ｈを高くし、および／または、下限電圧Ｖ_Ｈを低くする必要がある。上限電圧Ｖ_Ｈを高くしすぎると、電源回路３１４がリニアレギュレータで構成される場合には、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが高く安定化されるとリニアレギュレータでの損失が大きくなるという別の問題を引き起こす。下限電圧Ｖ_Ｌを低くしすぎると、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが、後段の負荷を駆動するための最低電圧を下回ってしまい、負荷を駆動できなくなるおそれがある。

実施の形態に係る受電装置３００によれば、目標電圧範囲ＲＥＦを固定せずに、動的に制御することで、比較技術において生ずる問題も最小限にとどめることができる。

図５（ａ）、（ｂ）は、図３の受電装置３００の別の動作波形図である。

図４（ｂ）では、目標電圧範囲ＲＥＦを１ステップ、拡大することで発振状態が解消されている。しかしながら、状況によっては、１ステップ拡大しただけでは、発振状態φ１が解消しない場合も想定される。そこで目標電圧範囲設定部４０４は、図５（ａ）に示すように、発振状態φ１が解消するまで、目標電圧範囲ＲＥＦを、ＲＥＦ_０，ＲＥＦ_１，ＲＥＦ_２…と、拡大し続けることが望ましい。具体的には、上限電圧Ｖ_ＨをＶ_Ｈ０，Ｖ_Ｈ１，Ｖ_Ｈ２…、Ｖ_ＨＮと段階的に上昇させることで、目標電圧範囲ＲＥＦを拡大する。Ｖ_ＨＮは上限電圧Ｖ_Ｈの最大値である。

一度拡大した目標電圧範囲ＲＥＦをそのまま使用し続けると、効率が悪化し、あるいは発熱量が大きくなるという問題が生じうる。そこで目標電圧範囲設定部４０４は、上述のように、安定状態φ２から不安定状態φ３に遷移すると、目標電圧範囲ＲＥＦを初期状態ＲＥＦ_０にリセットする。図５（ｂ）には、目標電圧範囲ＲＥＦのリセットが示される。

時刻ｔ０以前は、拡大された目標電圧範囲ＲＥＦ_３のもとで、安定状態φ２が維持されている。時刻ｔ０に、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦ_３から逸脱し、不安定状態φ３に遷移すると、上限電圧Ｖ_Ｈが初期値Ｖ_Ｈ０にリセットされ、目標電圧範囲ＲＥＦ_０にリセットされる。

時刻ｔ１においてＶ_ＲＥＣＴ＞Ｖ_Ｈ０であるから、電力制御信号Ｄ_ＰＣが低下し、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが低下する。時刻ｔ２，ｔ３，ｔ４と電力制御信号Ｄ_ＰＣが低下すると、やがて整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴは、目標電圧範囲ＲＥＦ_０に収まる。このときの様子が、実線（i）で示される。

図５（ｂ）には、目標電圧範囲ＲＥＦをリセットしない場合の波形が一点鎖線（ii）で示される。目標電圧範囲ＲＥＦ_３が維持される場合、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴ’は、相対的に高い電圧レベルをとることがわかる。したがって後段の電源回路５０４での損失が大きくなってしまい、効率が低下する。これに対して実施の形態に係る受電装置３００によれば、目標電圧範囲ＲＥＦをリセットすることで、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが低い状態で動作することとなるため、効率を改善できる。

図６は、目標電圧範囲設定部４０４の制御を示すフローチャートである。
はじめに上限電圧Ｖ_ＨがＶ_Ｈ０に初期化され、目標電圧範囲がＲＥＦ_０に設定される（Ｓ１００）。下限電圧Ｖ_Ｌを可変とする場合には、Ｖ_ＬをＶ_Ｌ０に初期化する。

目標電圧範囲設定部４０４は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの状態を判定する（Ｓ１０２）。そして非発振状態であれば、目標電圧範囲ＲＥＦを維持する（Ｓ１０４）。安定状態φ２から不安定状態φ３への遷移が検出されると（Ｓ１０６のＹ）、目標電圧範囲ＲＥＦが初期化される（Ｓ１００）、安定状態φ２が維持される間（Ｓ１０６のＮ）は、目標電圧範囲ＲＥＦを維持する（Ｓ１０４）。

整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの状態判定の結果、（Ｓ１０２）、発振状態であれば、目標電圧範囲ＲＥＦが拡大される（Ｓ１０４）。そして発振状態か非発振状態かがあらためて判定される（Ｓ１０２）。このループにより、発振状態が収まるまで目標電圧範囲ＲＥＦが拡大していく。

続いて、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態であるか否かの判定方法について説明する。

（第１の方法）
電力制御信号Ｄ_ＰＣに応じて送信周波数ｆ_ＴＸを変化させながら送信電力を段階的に低下させていく過程において、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦを通り越す場合には、発振状態に陥っているか、もしくはこれから発振状態に陥る可能性が高い。そこで目標電圧範囲設定部４０４は、電力制御信号Ｄ_ＰＣを第３状態φ_Ｃとして送信電力を低下させた結果、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが下限電圧Ｖ_Ｈを下回ると、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態φ１の予兆であると判定し、目標電圧範囲ＲＥＦを変化させる。

あるいは目標電圧範囲設定部４０４は、複数サイクルにわたり、この状態が持続すると、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態φ１であると判定し、目標電圧範囲ＲＥＦを変化させてもよい。

（第２の方法）
発振状態φ１では、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴは目標電圧範囲ＲＥＦを跨いで遷移するため、目標電圧範囲ＲＥＦから逸脱した状態が持続する。そこで目標電圧範囲設定部４０４は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦから逸脱した状態が所定時間連続するとき、言い換えれば、所定時間の間、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦに一度も含まれないときに、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態φ１であると判定する。

（第３の方法）
発振状態φ３では、電力制御信号Ｄ_ＰＣが第１状態φ_Ａをとなることなく変動し続ける。そこで目標電圧範囲設定部４０４は、電力制御信号Ｄ_ＰＣの変動が所定時間持続するとき、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態φ１であると判定してもよい。言い換えれば、電力制御信号Ｄ_ＰＣが、ある判定時間の間、第１状態φ_Ａを維持した場合に、非発振状態と判定してもよい。

（用途）
最後に、実施の形態に係るワイヤレス受電装置３００を用いた電子機器の例を説明する。図７は、実施の形態に係る受電装置３００を備える電子機器５００を示す図である。図７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。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（変形例１）
実施の形態では、上限電圧Ｖ_ＨをＶ_Ｈ０，Ｖ_Ｈ１，Ｖ_Ｈ２，…Ｖ_ＨＮ（ただしＶ_Ｈ０＜Ｖ_Ｈ１＜Ｖ_Ｈ２…＜Ｖ_ＨＮ）と段階的に上昇させることにより、目標電圧範囲ＲＥＦを拡大したが、本発明はそれには限定されない。たとえば、下限電圧Ｖ_Ｌを、Ｖ_Ｌ０，Ｖ_Ｌ１，Ｖ_Ｌ２，…Ｖ_ＬＮ（ただしＶ_Ｌ０＞Ｖ_Ｌ１＞Ｖ_Ｌ２…＞Ｖ_ＬＮ）と段階的に低下させることにより、目標電圧範囲ＲＥＦを拡大してもよい。

電源回路５０４がリニアレギュレータで構成されるプラットフォームでは、上限電圧Ｖ_Ｈを上昇させると、効率が悪化し、発熱量が増加するため好ましくない。このようなプラットフォームでは、下限電圧Ｖ_Ｌを低下させることで、効率を高めながら、発振を抑制できる。

（変形例２）
あるいは、上限電圧Ｖ_Ｈと下限電圧Ｖ_Ｌを両方変化させてもよい。この場合、上限電圧Ｖ_Ｈを初期値Ｖ_Ｈ０に固定した状態で、下限電圧Ｖ_Ｌを低下させていき、下限電圧Ｖ_Ｌが最低値Ｖ_ＬＮに到達すると、上限電圧Ｖ_Ｈを上昇させてもよい。あるいは反対に、下限電圧Ｖ_Ｌを初期値Ｖ_Ｌ０に固定した状態で、上限電圧Ｖ_Ｈを上昇させていき、上限電圧Ｖ_Ｈが最大値Ｖ_ＨＮに到達すると、下限電圧Ｖ_Ｈを低下させてもよい。あるいは、上限電圧Ｖ_Ｈと下限電圧Ｖ_Ｌを交互に変化させてもよいし、それらを同時に１ステップずつ変化させてもよい。

（変形例３）
実施の形態では、ＰＭＡ規格について説明したが、本発明はそれには限定されず、同様の電力制御を採用する将来策定されるであろう別の規格にも適用可能である。

たとえば実施の形態では、電力制御信号Ｄ_ＰＣが３状態をとったが、本発明はそれには限定されない。たとえば電力制御信号Ｄ_ＰＣは、送信電力あるいは送信周波数を指示する多値データであってもよい。この場合、電力制御部４０６は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが上限電圧Ｖ_Ｈを超えると電力制御信号Ｄ_ＰＣを第１方向に変化させ、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが下限電圧Ｖ_Ｌを下回ると電力制御信号Ｄ_ＰＣを第２方向に変化させる。たとえば第１方向は減少方向、第２方向は増加方向であり、電力制御部４０６は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが上限電圧Ｖ_Ｈを超えると電力制御信号Ｄ_ＰＣを１ステップ、減少させ、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが下限電圧Ｖ_Ｌを下回ると電力制御信号Ｄ_ＰＣを複数ステップ、増加させる。送電装置２００は、電力制御信号Ｄ_ＰＣに応じた送信電力を受電装置３００に送信する。

この変形例では、目標電圧範囲設定部４０４は、電力制御信号を第１方向に変化させた結果、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが下限電圧Ｖ_Ｌを下回ると、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態であると判定してもよい。
電力制御信号Ｄ_ＰＣを変化させながら送信電力を段階的に低下させていく過程において、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが目標電圧範囲ＲＥＦを通り越す場合には、発振状態に陥っている可能性が高い。したがってこの態様によれば、発振状態を好適に検出できる。

また目標電圧範囲設定部４０４は、電力制御信号Ｄ_ＰＣの変動が所定時間持続するとき、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴが発振状態であると判定してもよい。
発振状態では、電力制御信号Ｄ_ＰＣが一定値を維持することなく変動し続ける。この方法によっても発振状態を好適に検出できる。

また目標電圧範囲設定部４０４は、電力制御信号Ｄ_ＰＣが同一値を維持する状態が所定時間持続すると、安定状態と判定してもよい。

（変形例４）
実施の形態では、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴをデジタル値Ｄ_ＲＥＣＴに変換し、目標電圧範囲設定部４０４、電力制御部４０６がデジタル信号処理により、電力制御信号Ｄ_ＰＣおよび上限電圧Ｖ_Ｈ、下限電圧Ｖ_Ｌを制御したが本発明はそれには限定されない。すなわち、電力制御部４０６による電力制御信号Ｄ_ＰＣの制御、目標電圧範囲設定部４０４による上限電圧Ｖ_Ｈ、下限電圧Ｖ_Ｌの制御のいずれか一方あるいは両方における、一部あるいは全部を、アナログ信号処理によって行ってもよい。たとえば電圧比較に関して、電圧コンパレータを用いて行ってもよい。

（変形例５）
実施の形態では、目標電圧範囲ＲＥＦを広げることで発振を抑制したが、本発明はそれには限定されない。目標電圧範囲設定部４０４は、目標電圧範囲ＲＥＦを上方向あるいは下方向にシフトさせることで、発振を抑制してもよい。これにより、目標電圧範囲ＲＥＦを広げる場合に比べて整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴの安定性を高めることができる。

また目標電圧範囲ＲＥＦの拡大とシフトを併用してもよい。

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。

Ｓ１…駆動信号、Ｓ２…電力信号、Ｓ３…制御信号、１００…給電システム、２００…送電装置、２０２…送信コイル、２０４…ドライバ、２０６…コントローラ、２０８…復調器、３００…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…電圧測定部、４０４…目標電圧範囲設定部、４０６…電力制御部、４０８…変調器、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、ＲＥＦ…目標電圧範囲。

Claims (16)

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は、
   受信コイルと、
   前記受信コイルの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た平滑コンデンサと、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記平滑コンデンサに発生する整流電圧の目標電圧範囲を規定する上限電圧と下限電圧を設定する目標電圧範囲設定部と、
   前記整流電圧と、前記上限電圧および前記下限電圧それぞれとの比較結果にもとづき、ワイヤレス送電装置の送信電力を制御する電力制御信号を生成する電力制御部と、
   前記電力制御信号を変調し、前記受信コイルを介して前記ワイヤレス送電装置に送信する変調器と、
   を備え、
   前記目標電圧範囲設定部は、前記整流電圧の発振状態が検出されると、前記目標電圧範囲を変化させることを特徴とする制御回路。
2. 前記目標電圧範囲設定部は、前記整流電圧が前記目標電圧範囲内に安定化された安定状態から、前記整流電圧が前記目標電圧範囲から逸脱した不安定状態に遷移すると、前記目標電圧範囲を初期化することを特徴とする請求項１に記載の制御回路。
3. 前記電力制御信号は、送信電力の維持を指示する第１状態、送信電力の増加を指示する第２状態、送信電力の減少を指示する第３状態のいずれかを取り、
   前記目標電圧範囲設定部は、前記電力制御信号が前記第３状態となった結果、前記整流電圧が前記下限電圧を下回ると、前記整流電圧が前記発振状態であると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
4. 前記目標電圧範囲設定部は、前記整流電圧が前記目標電圧範囲から逸脱した状態が所定時間連続するとき、前記整流電圧が前記発振状態であると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
5. 前記目標電圧範囲設定部は、前記電力制御信号が周期的に変動するとき、前記整流電圧が前記発振状態であると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の制御回路。
6. 前記電力制御信号は、送信電力の維持を指示する第１状態、送信電力の増加を指示する第２状態、送信電力の減少を指示する第３状態のいずれかを取り、
   前記目標電圧範囲設定部は、前記電力制御信号が前記第１状態である期間が所定時間持続すると、前記安定状態と判定することを特徴とする請求項２に記載の制御回路。
7. 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は、
   受信コイルと、
   前記受信コイルの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た平滑コンデンサと、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記平滑コンデンサに発生する整流電圧の目標電圧範囲を規定する上限電圧と下限電圧を設定する目標電圧範囲設定部と、
   前記整流電圧と、前記上限電圧および前記下限電圧それぞれとの比較結果にもとづき、ワイヤレス送電装置の送信電力を制御する電力制御信号を生成する電力制御部と、
   前記電力制御信号を変調し、前記受信コイルを介してワイヤレス送電装置に送信する変調器と、
   を備え、
   前記電力制御信号は、送信電力の維持を指示する第１状態、送信電力の増加を指示する第２状態、送信電力の減少を指示する第３状態のいずれかを取り、
   前記目標電圧範囲設定部は、前記電力制御信号が前記第３状態となった結果、前記整流電圧が前記下限電圧を下回ると、前記目標電圧範囲を変化させることを特徴とする制御回路。
8. 前記目標電圧範囲設定部は、前記整流電圧の発振状態が検出されると、前記目標電圧範囲を広げることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の制御回路。
9. 前記目標電圧範囲設定部は、前記下限電圧を低下させることにより、前記目標電圧範囲を広げることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の制御回路。
10. 前記目標電圧範囲設定部は、前記上限電圧を上昇させることにより、前記目標電圧範囲を広げることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の制御回路。
11. 前記目標電圧範囲設定部は、前記整流電圧の発振状態が検出されると、前記目標電圧範囲をシフトさせることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の制御回路。
12. ＰＭＡ規格に準拠していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の制御回路。
13. ひとつの半導体基板に一体集積化されたことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の制御回路。
14. 受信コイルと、
    前記受信コイルの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た平滑コンデンサと、
    請求項１から１３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。
15. ワイヤレス受電装置の制御方法であって、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    受信コイルと、
    前記受信コイルの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た平滑コンデンサと、
    を備え、
    前記制御方法は、
    前記平滑コンデンサに発生する整流電圧の目標電圧範囲を規定する上限電圧と下限電圧を設定するステップと、
    前記整流電圧を、前記上限電圧および前記下限電圧それぞれと比較し、比較結果にもとづき、ワイヤレス送電装置の送信電力を制御する電力制御信号を生成するステップと、
    前記電力制御信号を変調し、前記受信コイルを介して前記ワイヤレス送電装置に送信するステップと、
    を備え、
    前記電力制御信号は、送信電力の維持を指示する第１状態、送信電力の増加を指示する第２状態、送信電力の減少を指示する第３状態のいずれかを取り、
    前記設定するステップは、前記電力制御信号を前記第３状態とした結果、前記整流電圧が前記下限電圧を下回ると、前記目標電圧範囲を変化させることを特徴とする制御方法。
16. ワイヤレス受電装置の制御方法であって、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    受信コイルと、
    前記受信コイルの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た平滑コンデンサと、
    を備え、
    前記制御方法は、
    前記平滑コンデンサに発生する整流電圧の目標電圧範囲を規定する上限電圧と下限電圧を設定するステップと、
    前記整流電圧を、前記上限電圧および前記下限電圧それぞれと比較し、比較結果にもとづき、ワイヤレス送電装置の送信電力を制御する電力制御信号を生成するステップと、
    前記電力制御信号を変調し、前記受信コイルを介してワイヤレス送電装置に送信するステップと、
    を備え、
    前記設定するステップは、前記整流電圧の発振状態を検出すると、前記目標電圧範囲を変化させることを特徴とする制御方法。

Images