JP6568300B2 - 同期整流器制御を使用して出力電力を調整するためのデバイス、システムおよび方法 - Google Patents

同期整流器制御を使用して出力電力を調整するためのデバイス、システムおよび方法 Download PDF

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Description

本出願は、一般に充電可能デバイスのワイヤレス電力充電に関し、より詳細には出力電力を調整するために同期整流器制御を使用するための、充電可能デバイスのワイヤレス電力充電に関する。
充電可能バッテリーによって電力を供給される電子デバイスの数および種類が増大している。そのようなデバイスには、モバイルフォン、携帯型音楽プレーヤ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、コンピュータ周辺デバイス、通信デバイス(たとえば、Bluetooth(登録商標)デバイス)、デジタルカメラ、補聴器などが含まれる。バッテリー技術は向上してきたが、バッテリー電源の電子デバイスは、より多くの電力量をますます必要とし消費するので、頻繁に充電する必要がある。充電可能デバイスは、多くの場合に、電源に物理的に接続されるケーブルまたは他の同様のコネクタを通して有線接続によって充電される。ケーブルおよび同様のコネクタは、不便であるか、または扱いにくく、他の欠点を有することが時々ある。充電可能電子デバイスを充電するか、または電子デバイスに電力を提供するのに用いられることになる電力を自由空間において伝達することができるワイヤレス充電システムは、有線式の充電解決策の欠点の一部を克服する可能性がある。したがって、電子デバイスに電力を効率的かつ安全に伝達するワイヤレス電力伝達システムおよび方法が望ましい。
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法およびデバイスの様々な実装形態は、それぞれいくつかの態様を有し、それらのうちの単一の態様が、本明細書で説明される望ましい属性を単独で受け持つわけではない。本明細書においては、添付の特許請求の範囲を限定することなしに、いくつかの顕著な特徴について説明する。
本明細書内で説明する主題の1つまたは複数の実装形態の詳細は、添付図面および下の説明内に記載される。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対寸法は一定の縮尺で描かれていないことがあることに留意されたい。
本開示で説明する主題の一態様は、電力をワイヤレスに受信するための装置を提供する。本装置は、負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を受信するように構成される受信回路を含む。本装置は、受信回路に結合され、出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために受信回路を共振周波数から離調するように構成される可変リアクタンス素子を備える同調回路をさらに含む。本装置は、受信回路に電気的に結合され、負荷に電力を供給するために受信回路内に生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に整流するように構成され、スイッチを備える整流器をさらに含む。本装置は、スイッチを通る電流が第1の非ゼロ電流値を満足するときにスイッチを作動させるように構成される駆動回路をさらに含む。駆動回路は、第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整するようにさらに構成される。
本開示で説明する主題の別の態様は、トランスミッタから電力をワイヤレス受信する方法の実装形態を提供する。本方法は、負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を、受信回路を介して受信するステップを含む。本方法は、出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために受信回路を共振周波数から、受信回路に結合される可変リアクタンス素子を介して離調するステップをさらに含む。本方法は、負荷に電力を供給するために磁場によって生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に、スイッチを備える整流器を介して整流するステップをさらに含む。本方法は、スイッチを通る電流が第1の非ゼロ電流値を満足するときにスイッチを作動させるステップをさらに含む。本方法は、第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整するステップをさらに含む。
本開示で説明する主題の別の態様は、電力をワイヤレスに受信するための装置を提供する。本装置は、負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を受信するための手段を含む。本装置は、出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために、受信回路を共振周波数から離調するための手段をさらに含む。本装置は、負荷に電力を供給するために磁場によって生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に、スイッチを備える整流器を介して整流するための手段をさらに含む。本装置は、スイッチング手段を通る電流が第1の非ゼロ電流値を満足するときにスイッチング手段を作動させるための手段をさらに含む。本装置は、第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整するための手段をさらに含む。
本開示で説明する主題の別の態様は、実行されたとき、負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を、受信回路を介して受信することを装置に行わせるコードを含む非一時的コンピュータ可読媒体を提供する。本コードはさらに、実行されたとき、出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために、受信回路を共振周波数から離調することを装置に行わせる。本コードはさらに、実行されたとき、負荷に電力を供給するために磁場によって生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に、スイッチを備える整流器を介して整流することを装置に行わせる。本コードはさらに、実行されたとき、スイッチを通る電流が第1の非ゼロ電流値を満足するときにスイッチを作動することを装置に行わせる。本コードはさらに、実行されたとき、第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整することを装置に行わせる。
例示的な実施形態による、例示的なワイヤレス電力伝達システムの機能ブロック図である。 様々な例示的な実施形態による、図1のワイヤレス電力伝達システムで使用されてもよい例示的な構成要素の機能ブロック図である。 例示的な実施形態による、送信アンテナまたは受信アンテナを含む、図2の送信回路または受信回路の一部の概略図である。 一実施形態による例示的な電力受信素子回路の図である。 図4の電力受信素子内で使用されてもよい例示的なスイッチ回路の一部の図である。 同調回路および整流器回路を含む例示的な電力受信素子の図である。 出力電力および誘導電圧の例示的な値、ならびに電力受信素子が出力電力および誘導電圧の値に基づいて利用してもよい異なる同調方法のチャートである。 異なる出力電力制御レベルに対する異なる出力電力制御方法を示すチャートである。 異なる電力および電圧の値に対する電圧および出力電力制御の異なる状態を示す図である。 異なるヒステリシス値に対するスイッチ電流、整流器入力電圧および誘導電圧の例示的な出力のチャートである。 整流器ヒステリシス、バッテリー電流、システムの効率、および異なるヒステリシス値に対する出力電力の例示的な出力を示すチャートである。 消費電力、バッテリー電流、および異なるヒステリシス値に対する出力電力の例示的な出力を示すチャートである。 本明細書の開示による、ワイヤレス電力を受信する例示的な方法のフローチャートである。
図面に示す様々な特徴は、一定の縮尺で描かれていないことがある。したがって、様々な特徴の寸法は、明快のために任意に拡大または縮小され得る。さらに、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを示さないことがある。最後に、同様の参照番号が、明細書および図面全体にわたって同様の特徴を表すために使用され得る。
以下の説明において、説明のために、本開示の完全な理解を提供するために多数の例および特定の詳細が示される。しかしながら、特許請求の範囲に示される本開示には、単独で、または以下で説明される他の特徴と組み合せて、これらの例における特徴のうちのいくつかまたはすべてを含めてもよいこと、また、本明細書において説明する特徴および概念の変更形態および均等物をさらに含めてもよいことが当業者には明らかであろう。
ワイヤレス電力伝達は、物理的な電気導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などに関連する任意の形態のエネルギーをトランスミッタからレシーバに伝達する(たとえば、電力は、自由空間を通して伝達され得る)ことを指す場合がある。電力伝達を実現するために、ワイヤレスフィールド(たとえば、磁場または電磁場)内に出力された電力は、「電力受信素子」によって受信され、捕捉され、または結合される場合がある。
図1は、例示的実施形態による、ワイヤレス電力伝達システム100の機能ブロック図である。入力電力102が電源(この図には示さず)からトランスミッタ104に供給され、エネルギー伝達を実施するためのワイヤレスフィールド(たとえば、磁場または電磁場)105が生成され得る。レシーバ108は、ワイヤレスフィールド105に結合し、出力電力110に結合されるデバイス(この図には示さず)によって蓄積または消費するように出力電力110を生成してもよい。トランスミッタ104とレシーバ108は、距離112だけ離されてもよい。トランスミッタ104は、エネルギーをレシーバ108に送信/結合するための電力送信素子114を含んでもよい。レシーバ108は、トランスミッタ104から送信されたエネルギーを受信するか、または捕捉し/結合するための電力受信素子118を含んでもよい。
1つの例示的実施形態では、トランスミッタ104およびレシーバ108は、相互共振関係に従って構成されてもよい。レシーバ108の共振周波数およびトランスミッタ104の共振周波数が実質的に同じであるか、または極めて近いとき、トランスミッタ104とレシーバ108との間の伝送損失が低減する。したがって、ワイヤレス電力伝達はより長い距離にわたって行われてもよい。したがって、共振誘導結合技法は、効率の改善と、種々の距離にわたる、様々な誘導電力送信および受信素子構成による電力伝達とを可能にする場合がある。
いくつかの実施形態では、以下においてさらに説明するように、ワイヤレスフィールド105はトランスミッタ104の「近距離場」に相当してもよい。近距離場は、電力送信素子114から放射する電力を最小限に抑える電力送信素子114内の電流および電荷から生じる強い反応場が存在する領域に相当してもよい。近距離場は、電力送信素子114の約1波長(または、波長の数分の一)内に存在する領域に相当してもよい。
いくつかの実施形態では、効率的なエネルギー伝達は、電磁波のエネルギーの大部分を遠距離場に伝搬するのではなく、ワイヤレスフィールド105内のエネルギーの大部分を電力受信素子118に結合することによって生じる場合がある。
いくつかの実装形態では、トランスミッタ104は、電力送信素子114の共振周波数に相当する周波数を有する時変磁場(または電磁場)を出力してもよい。レシーバ108がワイヤレスフィールド105内にあるとき、時変磁場(または電磁場)は、電力受信素子118内に電流を誘導してもよい。上述のように、電力受信素子118が電力送信素子114の周波数で共振するように共振回路として構成される場合、エネルギーが効率的に伝達される場合がある。電力受信素子118において誘導された交流(AC)信号が、負荷を充電するか、または負荷に電力を供給するために供給される場合がある直流(DC)信号を生成するように整流されてもよい。
図2は、別の例示的実施形態による、ワイヤレス電力伝達システム200の機能ブロック図である。システム200は、トランスミッタ204およびレシーバ208を含んでもよい。トランスミッタ204(本明細書では電力送信ユニット、PTUとも呼ばれる)は、発振器222と、ドライバ回路224と、フロントエンド回路226と、インピーダンス制御モジュール227とを含む場合がある送信回路206を含んでもよい。発振器222は、周波数制御信号223に応答して調節することのできる所望の周波数において信号を生成するように構成されてもよい。発振器222は、ドライバ回路224に発振器信号を供給してもよい。ドライバ回路224は、入力電圧信号(VD)225に基づいて、たとえば、電力送信素子214の共振周波数において、電力送信素子214を駆動するように構成されてもよい。ドライバ回路224は、発振器222から方形波を受信し、正弦波を出力するように構成されるスイッチング増幅器であってもよい。
フロントエンド回路226は、高調波または他の不要な周波数をフィルタ除去するためのフィルタ回路を含んでもよい。フロントエンド回路226は、トランスミッタ204のインピーダンスを電力送信素子214に整合させるために整合回路を含んでもよい。以下においてより詳細に説明するように、フロントエンド回路226は、電力送信素子214を含む共振回路を作成するための同調回路を含んでもよい。電力送信素子214を駆動する結果として、電力送信素子214は、ワイヤレスフィールド205を生成して、バッテリー236を充電するかまたは場合によっては負荷に電力を供給するのに十分なレベルで電力をワイヤレスに出力してもよい。インピーダンス制御モジュール227は、フロントエンド回路226を制御してもよい。
トランスミッタ204は、送信回路206の1つまたは複数の態様を制御するかまたは電力の伝達の管理に関連する他の動作を実現するように構成される送信回路206に動作可能に結合されるコントローラ240をさらに含んでもよい。コントローラ240は、マイクロコントローラであっても、あるいはプロセッサであってもよい。コントローラ240は、特定用途向け集積回路(ASIC)として実装されてもよい。コントローラ240は、直接的または間接的に、送電回路206の各構成要素に動作可能に接続されてもよい。コントローラ240は、送電回路206の構成要素の各々から情報を受信し、受信した情報に基づいて計算を実行するようにさらに構成されてもよい。コントローラ240は、その構成要素の動作を調整する場合がある構成要素の各々のための制御信号(たとえば、信号223)を生成するように構成されてもよい。したがって、コントローラ240は、それによって実行された演算の結果に基づいて、電力伝達を調整または管理するように構成されてもよい。トランスミッタ204は、たとえば、コントローラ240にワイヤレス電力伝達の管理に関係する機能などの特定の機能を実行させるための命令などのデータを記憶するように構成されるメモリ(図示せず)をさらに含んでもよい。
レシーバ208(本明細書では電力受信ユニット、PRUとも呼ぶ)は、フロントエンド回路232と整流器回路234とを含む場合がある受信回路210を含んでもよい。フロントエンド回路232は、受信回路210のインピーダンスを電力受信素子218に整合させるための整合回路を含んでもよい。以下において説明するように、フロントエンド回路232は、電力受信素子218を含む共振回路を作成するための同調回路をさらに含んでもよい。整流器回路234は、図2に示すように、AC電力入力からDC電力出力を生成し、バッテリー236を充電してもよい。レシーバ208およびトランスミッタ204はさらに、別個の通信チャネル219(たとえば、Bluetooth(登録商標)、Zigbee、セルラーなど)上で通信してもよい。レシーバ208およびトランスミッタ204は、代替的には、ワイヤレスフィールド205の特性を使用して帯域内シグナリングによって通信してもよい。
レシーバ208は、トランスミッタ204によって送信され、レシーバ208によって受信される電力量がバッテリー236を充電するのに適切であるかどうかを判定するように構成されてもよい。送電器204は、エネルギー転送を行うための直接場結合係数(k)を有する、大部分は非放射の場を生成するように構成され得る。レシーバ208は、ワイヤレス場205に直接結合してもよく、受信回路210の出力に結合されるバッテリー(または、負荷)236による蓄積または消費のために出力電力を生成してもよい。
レシーバ208は、ワイヤレス電力レシーバの1つまたは複数の態様の管理に関して上記において説明したような送信コントローラ240と同様に構成されるコントローラ250をさらに含んでもよい。レシーバ208は、たとえば、コントローラ250にワイヤレス電力伝達の管理に関係する機能などの特定の機能を実行させるための命令などのデータを記憶するように構成されるメモリ(図示せず)をさらに含んでもよい。
上記で論じたように、トランスミッタ204およびレシーバ208は距離によって分離されてもよく、トランスミッタとレシーバとの間の伝送損失を最小限に抑えるように相互共振関係に従って構成されてもよい。
図3は、例示的実施形態による、図2の送信回路206または受信回路210の一部の概略図である。図3に示すように、送信または受信回路350は、電力送信または受信素子352と同調回路360とを含んでもよい。電力送信または受信素子352はまた、アンテナまたは「ループ」アンテナと呼ばれることがあり、あるいはアンテナまたは「ループ」アンテナとして構成される場合がある。「アンテナ」という用語は、一般に、別の「アンテナ」に結合するためのエネルギーをワイヤレスに出力するか、または受け取る場合がある構成要素を指す。電力送信または受信素子352はまた、本明細書では「磁気」アンテナ、または誘導コイル、共振器、もしくは共振器の一部と呼ばれることがあり、あるいは「磁気」アンテナ、または誘導コイル、共振器、もしくは共振器の一部として構成される場合がある。電力送信または受信素子352は、電力をワイヤレスに出力するか、または受信するように構成されるタイプのコイルまたは共振器と呼ばれることもある。本明細書で使用する電力送信または受信素子352は、電力をワイヤレスに出力し、かつ/または受信するように構成されるタイプの「電力伝達構成要素」の一例である。電力送信または受信素子352は、空芯、またはフェライトコアなどの物理的コアを含んでもよい(この図に示さず)。
電力送信または受信素子352が同調回路360を含む共振回路または共振器として構成されるとき、電力送信または受信素子352の共振周波数は、インダクタンスおよびキャパシタンスに基づいてもよい。インダクタンスは、単に電力送信または受信素子352を形成するコイルまたはその他のインダクタによって生成されるインダクタンスであってもよい。キャパシタンス(たとえば、キャパシタ)は、所望の共振周波数における共振構造を作成するように同調回路360によって生成されてもよい。非限定的な例として、同調回路360はキャパシタ354を備えてもよく、共振回路を作成するように送信または受信回路350にキャパシタ356が付加されてもよい。
同調回路360は、電力送信または受信素子352を含む共振回路を形成するための他の構成要素を含んでもよい。別の非限定的な例として、同調回路360は、回路350の2つの端子間に並列に配置されたキャパシタ(図示せず)を含んでもよい。さらに他の構成も可能である。いくつかの実施形態では、フロントエンド回路226内の同調回路は、フロントエンド回路232内の同調回路と同じ構成(たとえば、360)を有してもよい。他の実施形態では、フロントエンド回路226は、フロントエンド回路232とは異なる同調回路構成を使用してもよい。
電力送信素子に関しては、信号358は、電力送信または受信素子352の共振周波数に実質的に相当する周波数を有し、電力送信または受信素子352への入力であってもよい。電力受信素子に関しては、信号358は、電力送信または受信素子352の共振周波数に実質的に相当する周波数を有し、電力送信または受信素子352からの出力であってもよい。本明細書で提供する実施形態および説明は、共振および非共振の実装形態(たとえば、電力送信または受信素子ならびに共振および非共振システムのための共振および非共振回路)に適用されてもよい。
図4は、同期整流器420を含む例示的な電力受信素子構造400の図である。図示のように、電力受信素子構造400は、電圧源401と、抵抗R5 402と、抵抗R12 416と、インダクタL2 403と、キャパシタC1 404、C2 405、C4 406およびC5 407とを備える。図4に示す例示的な構成では、電圧源は、6.78MHzの周波数を有する0〜4.243Vの範囲の正弦波電圧を有し、抵抗R5 402は667mΩの抵抗を有し、抵抗R12 416は1μΩの抵抗を有し、インダクタL2 403は766nHのインピーダンスを有し、キャパシタC1 404、C2 405、C4 406およびC5 407は、それぞれ50pF、1nF、1nFおよび150pFのキャパシタンスを有する場合がある。いくつかの態様では、図4に示す抵抗は別個の抵抗ではなく、電力受信素子構造400の構成要素に固有の抵抗を表す場合がある。いくつかの実施形態では、電圧源401は、単に、動作中に外部で生成された磁場に応答して時間変動する誘導電圧を表すために存在する。いくつかの態様では、電圧源にわたる電圧は、端子"rx"417および"neg"419において測定されてもよい。いくつかの態様では、電力受信素子構造400の共振回路は、インダクタL2 403とキャパシタC1 404およびC5 407とを備えてもよい。電力受信素子構造400はまた、ダイオードD1 421、D2 422、D3 423およびD4 424(一括して、D1〜D4)ならびにスイッチS2 425、S3 426、S5 427およびS6 428(一括して、S2〜S3およびS5〜S6)を備える整流器420を備える。いくつかの実施形態では、電力受信素子構造400は、信号"dr"440および"drb"441によってスイッチを作動させるように構成される駆動回路455を備えてもよい。いくつかの態様では、ダイオードD1〜D4は、整流器420の中に存在する実際のダイオードを表す。いくつかの態様では、ダイオードD1〜D4は、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のボディダイオードを表す。整流器420はフルブリッジ整流器を備えるが、他の態様では、ハーフブリッジ整流器が使用される場合がある。スイッチS2〜S3およびS5〜S6は、トランジスタ(たとえば、MOSFET、JFET、など)また
は任意の他のタイプのスイッチを備える場合がある。いくつかの実施形態では、整流器420は、図2の整流器回路234の例示的な構成を示す場合がある。図4の構成要素に関して本明細書で説明する特定の値は単なる例であり、非限定的である。
いくつかの実施形態では、整流器420の同期整流は、ターンオン時にZVS(ゼロ電圧スイッチング)においておよびターンオフ時にZCS(ゼロ電流スイッチング)においてスイッチS2〜S3およびS5〜S6を動作させることによって取得されてもよい。整流器420を使用するときに、スイッチS2〜S3およびS5〜S6の動作は、電圧源401からの入力信号に整合するように時間調整および制御される場合がある。
いくつかの実施形態では、スイッチS2〜S3およびS5〜S6がもはやZVSおよび/またはZCSで動作しないようにスイッチの動作を調整することが有利である場合がある。詳細には、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のターンオフタイミングは、スイッチS2〜S3およびS5〜S6内の電流の反転を可能にするために変更または遅延される場合がある。そのような実施形態では、電流は最初に負荷に流入してよく、ターンオフ前の少しの間に、電流は負荷から共振回路(たとえば、L2 403ならびにC1 404およびC5 407)に還流してよい。スイッチS2〜S3およびS5〜S6のターンオフにおけるこの遅延は、整流器を調べると見られるような実効インピーダンスの変化、および電流位相のシフトを生じる場合がある。いくつかの態様では、たとえば閉ループ実施形態において実装される場合、電力受信素子400は、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のタイミングまたはしきい値を調整することによって負荷への出力電力を制御してもよい。
たとえば、いくつかの実施形態では、受信回路は、負荷を電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を受信するように構成されてよく、電圧源401などの交流(AC)信号を生成してもよい。整流器420は、受信回路に電気的に結合されてよく、負荷に電力を供給するために受信回路内に生成されたAC信号を直流(DC)信号に整流するように構成されてもよい。整流器420はスイッチ(たとえば、S2〜S3およびS5〜S6)と、スイッチを通る電流が非ゼロ電流値を満足するときにスイッチを作動させるように構成される駆動回路455とを備える。いくつかの態様では、非ゼロ電流値は、スイッチをオープンまたはクローズするように駆動回路にシグナリングするしきい値である。いくつかの態様では、非ゼロ電流値は負の電流値であり、それによって電流の方向は、スイッチが開かれる前の時間期間の間に負荷から受信回路内に還流する。駆動回路は、負荷への出力電力を調整するために非ゼロ電流値を調整してもよい。いくつかの態様では、駆動回路は、所望の出力電力レベルに関する負荷からのフィードバックに基づいて非ゼロ電流値の大きさを調整する。いくつかの態様では、駆動回路は、スイッチ(たとえば、S2〜S3およびS5〜S6)に結合される電流センサまたは比較器を介して非ゼロ電流値が満足されるものと判定する。
図5は、図4の整流器回路420内に含まれてもよい例示的なスイッチ回路500の図である。図5に示すように、スイッチ回路500は、並列ダイオードD1を有するスイッチS1を備える。ダイオードD1は、任意のMOSトランジスタのボディダイオードを含んでもよい。スイッチ回路500は、スイッチの端子"rect"501および"out"510の電圧を比較する、スイッチS1にわたる比較器550と、スイッチS1にわたる電圧または電流がしきい値に到達するときにスイッチS1をオープンまたはクローズするようにスイッチS1に信号を送信する駆動回路555とをさらに備える。いくつかの実施形態では、駆動回路555は、対応するスイッチ(たとえば、S2〜S3およびS5〜S6)を作動させるまたはアクティブ化するように、信号を端子"dr"440および/または"drb"441(図4参照)に送信する。たとえば、いくつかの態様では、図4のスイッチS2 425およびS3 426(および対応するダイオードD2 422およびD3 423)は、スイッチS2 425およびS3 426を作動させるように"dr"440および/または"drb"441にシグナリングする駆動回路555に結合される比較器550を備えるスイッチ回路500で置き換えられてもよい。他の態様では、スイッチS5 427およびS6 428(および対応するダイオードD1 421およびD4 424)は、スイッチ回路500で置き換えられてもよい。上記で説明したように、同期整流器回路では、比較器550は、端子rect 501およびout 510の電圧が等しい(たとえば、ZVS)ときにスイッチS1をターンオンする(すなわち、スイッチをクローズする)ように信号を送信してもよい。加えて、比較器550は、端子rect 501およびout 510の電流が等しい(たとえば、ZCS)ときにスイッチS1をターンオフする(すなわち、スイッチをオープンする)ように信号を送信してもよい。
上記で説明したように、負荷(たとえば、図2のバッテリー236)に伝達される出力電力を調整するためにスイッチS1の動作を調整することが望ましい場合がある。たとえば、端子rect 501の電圧がゼロでないときにスイッチS1のターンオンが発生するように、ヒステリシスが比較器550に加えられてもよい。いくつかの態様では、ヒステリシスは、いつまたはどの条件下でスイッチS1を作動させるかを判定するために、しきい値電圧または電流を含む。たとえば、比較器550がスイッチS1をターンオンするために使用するしきい値は、out端子510の電圧より30mV高い電圧がrect端子501に存在するとき(すなわち、Vrect-Vout=30mV)に発生する場合がある。この例では、ヒステリシスは30mVである。いくつかの態様では、比較器550は、rect端子501内の電圧はout端子510の電圧より30mV高いものと判定し、スイッチS1をターンオンするように駆動回路555にシグナリングする。したがって、スイッチS1は、スイッチにわたる電圧がゼロとは異なる(非ZVS)ときにターンオンされる。同様に、ヒステリシス(たとえば、-30mV)は、端子rect501の電圧が端子out510の電圧より低い(たとえば、Vrect-Vout=-30mV)ときにスイッチS1のターンオフが発生するように加えられてもよい。したがって、スイッチS1は、スイッチを通って流れる電流がゼロとは異なるかまたは負の値であるときにターンオフされてもよい。
いくつかの態様では、ヒステリシスをスイッチS1に加えることは、スイッチS1のターンオンまたはターンオフを遅延させることに相当し、したがって電圧の位相に対して電流の位相を効率的にシフトする場合がある。図5のヒステリシス実装形態は、スイッチを制御するために電流検知/しきい値調整のための1つのメカニズムを提供する。いくつかの態様では、任意のタイプの電流検知回路または他の方式が、スイッチS1を通る電流を検知し、その電流に基づいてスイッチS1のタイミングをどのように調整するかを決定するために使用されてもよい。たとえば、一態様では、スイッチS1は、スイッチを通る電流を検知するように構成される電流センサに結合されてもよい。センサは、検知された電流に基づいてスイッチS1のタイミングを調整するようにさらに構成されてもよい。
いくつかの態様では、電力受信素子400は、負荷に供給される出力電力のレベルを測定するための出力ユニットを備える場合がある。いくつかの態様では、電力受信素子400または負荷のコントローラは、整流器420へのフィードバックを供給してもよい。いくつかの態様では、フィードバックは、所望のレベルの電力要求または出力電力と所望の出力電力との間の差を含む場合がある。いくつかの態様では、整流器またはコントローラは、次いで、維持または調整されるべき所望の出力電力についてのフィードバックに基づいて、スイッチ(たとえば、S2〜S3およびS5〜S6)のタイミングまたは比較器550のヒステリシスをどのように調整するかを決定してもよい。上記で説明したように、整流器420またはコントローラは、次いで、所望の出力電力レベルを維持することまたは所望の出力電力レベルを調整することのいずれかのために決定された調整に基づいて、スイッチ(たとえば、S2〜S3およびS5〜S6)のタイミングまたはしきい値(ヒステリシス)を動的に調整してもよい。
他の実施形態では、電力受信素子400の共振回路が同調回路(たとえば、同調キャパシタ、トランスキャップ、可変キャパシタ、可変インダクタ、など)を使用することによるリアクタンスシフトとともに動作するとき、ヒステリシスの効果またはスイッチのタイミングの調整の効果は、共振において動作する共振回路の出力電圧より高いまたは同等の誘導電圧における出力電力に対して、増加した効果を有する場合がある。上記で説明したように、低い誘導電圧において有意なリアクタンスシフトなしに、負荷への電力は、ヒステリシスの量を増加させることによって増加する。対照的に、より高い誘導電圧および同調回路(たとえば、トランスキャップ離調)によって実現された所与のリアクタンスシフトによって、負荷(たとえば、図2のバッテリー236)に伝達される電力の量は、ヒステリシスレベルを増加させることによって減少する。
図6は、同調回路610および整流器回路420を含む例示的な電力受信素子600の図である。電力受信素子600は、共振回路605と、バッテリーまたは負荷690と、ドライバ回路625と、整流器ブースト制御回路630と、整流器バック制御回路640と、誤差増幅器631、641、651および652とをさらに備える。いくつかの実施形態では、同調回路610は、可変リアクタンス素子(たとえば、同調キャパシタ、トランスキャップ、可変キャパシタ、可変インダクタ、など)を備える場合がある。同調回路610は、共振回路605を共振から離調することまたは共振回路605を共振のより近くに同調することを行うように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、同調回路610は、共振回路605のリアクタンスシフトを生成するように構成される。いくつかの態様では、リアクタンスシフトに基づいて、整流器のインピーダンスが、(たとえば、共振における)ゼロ付近から極端な負に近い(たとえば、容量性)任意の場所に変更されてもよい。いくつかの態様では、有利なことに、共振回路605の離調は、上記で説明した整流器回路420のスイッチ(たとえば、S2〜S3およびS5〜S6)のタイミングまたはしきい値を調整することによる整流器回路420の同調とともに使用されるとき、出力電力制御の範囲を増加させる場合がある。
いくつかの実施形態では、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のタイミングまたはしきい値の調整は、整流器ブースト制御回路630および/または整流器バック制御回路640によって制御されてもよい。たとえば、整流器ブースト制御回路630は、整流器420の出力電力を同調回路610の最大値を越えて増加させるように構成されてもよい。加えて、整流器バック制御回路640は、整流器420の出力電力を同調回路610の離調能力を越えて低減させるように構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、電力受信素子600は、誘導電圧および/または出力電力を調整するためにどのタイプの制御を使用するかを決定するために、いくつかの入力を受信する。図6に示すように、誤差増幅器651は、入力として基準電流(Iref1)と、温度入力と、共振器電圧入力とを受信する。一般的に、これらの入力の間に支配的な入力が存在し(たとえば、電流が調整される場合、電流基準が存在する)、その他の入力は二次的入力である。二次的入力は、二次的入力に割り当てられたパラメータが所与のしきい値を超える場合のみ、基準に影響を及ぼす(一般的には基準値を低減する)制限因子になる場合がある。代替として、都度適切なパラメータを選択するために誤差増幅器651の前にマルチプレクサが存在してもよい。いくつかの態様では、誤差増幅器651は、次いで、もし必要であれば、同調または遅延の制御の量を決定するために誤差増幅器631、641および652によって使用される基準電流(Iref)または基準電圧(Vref、図示せず)を決定しかつ出力する。図6に示すfb信号は、制御されるパラメータに応じて電流、電圧、温度、共振電圧、または他のパラメータフィードバックであってもよいフィードバック信号を指す。いくつかの態様では、誤差増幅器652は同調回路610を制御し、fb信号は可変リアクタンス素子(たとえば、可変キャパシタ)フィードバックを指す。いくつかの態様では、誤差増幅器631、641および652のうちの2つ以上が同時に作動してもよい。他の態様では、誤差増幅器631、641および652は別々に機能してもよい。いくつかの実施形態では、誤差増幅器631、641および652は、それらの入力(たとえば、電流または電圧)が互いにトラッキングするように誤差信号を生成し、したがって所望のパラメータを調整する。
図7は、出力電力および誘導電圧の例示的な値、ならびに電力受信素子600が出力電力および誘導電圧の値に基づいて利用してもよい異なる同調方法のチャート700である。チャート700は、y軸上の誘導電圧(たとえば、電圧源401)の値と、出力電力(たとえば、バッテリー690への電力)の値とを示す。チャート700は、最大誘導電圧レベル705と、最小誘導電圧レベル710と、第1の出力電力レベル720と、第1の出力電力レベル720より高い第2の出力電力レベル725とをさらに示す。
図7に示すように、最小誘導電圧レベル710付近または以下の誘導電圧レベルにおいて、電力受信素子600は、整流器ブースト制御回路630を介して誘導電圧および/または出力電力を増加させるために整流器ブースト制御を利用してもよい。たとえば、整流器ブースト制御回路630および整流器420は、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のタイミングまたはしきい値を調整することによって誘導電圧および/または出力電力をブーストまたは増加させてもよい。一態様では、バッテリー690の電圧レベルが充電レベルの終わりに近い場合、電力受信素子600は一定電圧モードで動作していてもよく、バッテリー690への出力電力を増加させることを望んでもよい。一態様では、整流器ブースト制御回路630は、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のターンオフタイミングのヒステリシスを低減してもよく、それによってバッテリー690からより少ない電流が共振回路605に還流し、そのことで出力電力が増加する場合がある。
加えて、最大誘導電圧レベル705付近または以上の高誘導電圧レベルにおいて、電力受信素子600は、整流器バック制御回路640を介して誘導電圧および/または出力電力を低減させるために整流器バック制御を利用してもよい。たとえば、バッテリー690が(たとえば、高誘導電圧レベルにおいて)満充電または充電終了に近づいている場合、電力受信素子600は一定電圧モードで動作していてもよく、出力電力をゼロ付近に低減することを望んでもよい。いくつかの態様では、整流器バック制御回路640は、スイッチS2〜S3およびS5〜S6のターンオフタイミングを遅延させ、そのことがバッテリー690から共振回路605に幾分かの電流を還流することを可能にし、そのことで出力電力が低減される場合がある。同じく図7に示すように、最大誘導電圧レベル705と最小誘導電圧レベル710との間(たとえば、動作範囲)で、電力受信素子600は、整流器420の誘導電圧および/または出力電力を制御するために同調回路610を利用してもよい。
上記で説明したように、同調回路610が整流器420の誘導電圧および/または出力電力を調整し得る量において、同調回路610が制限される場合がある。同調回路610が整流器420を調整してもよい最小値が、最大誘導電圧レベル705と第1の出力電力レベル720とが交差する点において示される。同調回路610が整流器420を調整してもよい最大値が、最小誘導電圧レベル710と第2の出力電力レベル725とが交差する点において示される。加えて、典型的な充電シナリオでは、バッテリー690の初期充電の間、電力受信素子600は、第1の電力レベル720と第2の電力レベル725との間に示される一定電流充電モードで動作している場合がある。一定電流充電モードでは、同調回路610は、バッテリー690への一定電流を維持するために可変リアクタンス素子の値を調整してもよい。バッテリー690内の電圧レベルがしきい値を満足した後、電力受信素子は、ゼロと第1の電力レベル720との間の一定電圧モード(トリクル充電モードまたはビーコン拡張モードとも呼ばれる)で動作してもよい。一定電圧モードでは、整流器420は、バッテリー690において一定電圧を維持するために電流および/または出力電力を調整するためにスイッチS2〜S3およびS5〜S6のタイミングまたはしきい値を調整してもよい。いくつかの態様では、整流器バック制御および整流器ブースト制御は、一定電圧モードの間に発生する。
図8は、異なる出力電力制御レベルに対する異なる出力電力制御方法を示すチャート800である。チャート800は、y軸上の出力電力およびx軸上の時間の値を示す。また、図8は、水平の破線によって表される第1の出力電力レベル805を示しており、その破線は、同調回路610または整流器バック制御回路640を介して同調され得る出力電力の値に対する範囲の境界を表す。図8は、同調回路610または整流器ブースト制御回路630を介して同調され得る出力電力の値に対する範囲の境界を表す第1の出力電力レベル805の上に、第2の出力電力レベル810をさらに含む。いくつかの態様では、第1の出力電力レベル805は、同調回路610が出力電力を同調し得る最小出力電力レベルに相当する。いくつかの態様では、第2の出力電力レベル810は、同調回路610が出力電力を同調し得る最大出力電力レベルに相当する。
図9は、電力受信素子(たとえば、電力受信素子600)が異なる電力および電圧の値に対して使用してもよい電圧および出力電力の制御の異なる状態を示す図900である。いくつかの実施形態では、図900は、電力受信素子400または600によって実装されてもよい。状態902において、誤差増幅器651は、共振回路605の入力901、たとえば電圧、温度および/または電流を受信してもよい。いくつかの実施形態では、誤差増幅器651は、共振回路605(たとえば、電力受信素子600の外部ループ)の電流レベル(Iref)または電圧レベル(Vref)を決定する。次いで、Iref および/またはVrefの値は、どちらのタイプの制御が実装されるべきであるかを判定するために使用されてもよい。図6に関して上記で説明したように、Iref および/またはVrefの値は、信号903、904および905によってそれぞれ示されるように、バック整流器制御状態906、同調回路制御状態907、およびブースト整流器制御状態908の各々に出力される。
図6および図7を参照すると、いくつかの実施形態では、バック整流器制御状態906は、電圧レベルおよび/または出力電力レベルを低減するためにスイッチS2〜S3およびS5〜S6のタイミングまたはしきい値を調整するように構成される整流器バック制御回路640を含んでもよい。そのような低減は、同調回路610によって可能な低減を越える場合がある。いくつかの実施形態では、整流器バック制御回路640は、スイッチがターンオフするための非ゼロ電流値を調整してもよい。たとえば、整流器バック制御回路640は、スイッチを通る電流が非ゼロ電流値を満足するときにスイッチS2〜S3およびS5〜S6のうちの1つまたは複数を作動させるように構成されてもよい。いくつかの態様では、整流器バック制御回路640は、非ゼロ電流値を第1の値から第2の値に調整してもよく、第2の値は第1の値よりも小さい。たとえば、非ゼロ電流値は、-5mA〜-200mAで調整されてもよい。そのような調整は、バッテリー690から共振回路605に還流する電流の量を増加させて出力電力を低減する。
別の例では、バッテリー690が(たとえば、高誘導電圧レベルにおいて)満充電または充電終了に近づいている場合、電力受信素子600は一定電圧モードで動作していてもよく、出力電力をゼロ付近に低減することを望んでもよい。図7を参照すると、同調回路610を介する同調回路制御状態907は、出力電力を第1の電力レベル720(たとえば、1W)に低減することのみ可能であり、出力電力をゼロ近くにさらに低減するために、バック整流器制御状態906は同調回路制御状態907とともに使用されてもよい。同調制御のこの組合せでは、著しい効率損失なしに電力受信素子600が出力電力制御の範囲を拡張することが可能になる。図9に示すように、電力受信素子600は、同調回路制御907の使用からバック整流器制御状態906の使用に遷移してもよい。たとえば、遷移909で示されるように、電力受信素子600が同調回路制御状態907の能力を越えて電圧または電力のレベルを低減する(たとえば、0V近くまで)ことを望む場合、電力受信素子600は、電圧または電力のレベルをさらに低減するためにバック整流器制御状態906に遷移してもよい。同様に、電力受信素子600は、バック整流器制御状態906の使用から同調回路制御状態907の使用に遷移してもよい。たとえば、遷移910によって示されるように、バック整流器制御状態906が0Vに接近する(たとえば、もはや電圧レベルおよび/または電力レベルを低減する必要はない)とき、所望の制御は同調回路制御状態907の能力内にあるので、電力受信素子600はバック整流器制御状態906から同調回路制御状態907に遷移する。
いくつかの態様では、一定電流モードの間、電力受信素子600は、同調回路610を介して同調回路制御状態907のみにおいて動作してもよい。図6および図7を参照すると、同調回路制御状態907において、同調回路610は、一定の範囲(たとえば、1Wおよび1.7Wの間)内で出力電力を調整するために可変リアクタンス構成要素(たとえば、同調キャパシタ、トランスキャップ、可変キャパシタ、可変インダクタ、など)の値を調整してもよい。電力受信素子600は、信号911において示すように、出力電力レベルまたは電圧レベルが所望の範囲内に留まるかどうかを判定してもよく、留まる場合は、電力受信素子600の同調を制御するために同調回路制御状態907の使用を継続することになる。
図6および図7を参照すると、いくつかの実施形態では、ブースト整流器制御状態908は、電圧レベルおよび/または出力電力レベルを増加させるためにスイッチS2〜S3およびS5〜S6のタイミングまたはしきい値を調整するように構成される整流器ブースト制御回路630を含んでもよい。そのような増加は、同調回路610によって可能な電圧レベルおよび/または出力電力レベルの増加を越えて拡大する場合がある。たとえば、バッテリー690の電圧レベルが充電レベルの終わりに近い場合、電力受信素子600は一定電圧モードで動作してもよく、バッテリー690への出力電力を増加させることを望んでもよい。図7を参照すると、同調回路610を介する同調回路制御状態907は、第1の電力レベル720から第2の電力レベル725まで(たとえば、1〜1.7W)出力電力を増加させることのみが可能であり、第1の電力レベル720より低い値から同調回路制御状態907の能力内の値まで出力電力を増加させるために、電力受信素子600の能力をさらに増加させるために、ブースト整流器制御状態908が同調回路制御状態907とともに使用されてもよい。同調制御のこの組合せでは、著しい効率損失なしに電力受信素子が出力電力制御の範囲を拡張することが可能になる。図9に示すように、電力受信素子600は、それが電圧または電力のレベルを同調回路制御状態907の能力を超えるレベルまで増加させることを望むとき、同調回路制御状態907からブースト整流器制御状態908に遷移してもよい。たとえば、遷移912に示すように、同調回路制御状態907がその最大電圧レベル(たとえば、12V)に接近し、電力受信素子600またはバッテリー690がより高い電力または電圧を要求する場合、電力受信素子600は、負荷(たとえば、バッテリー690)に伝達される電圧/電力レベルを増加させるために、ブースト整流器制御状態908をさらに利用することになる。同様に、ブースト整流器制御状態908がもはや必要でない(たとえば、遷移913によって示されるように、ブースト電圧が0に接近する)とき、所望の制御は同調回路制御状態907の能力内にあるので、電力受信素子600はブースト整流器制御状態908から同調回路制御状態907に遷移してもよい。
図10は、異なるヒステリシス値に対するスイッチ電流、整流器入力電圧および誘導電圧の例示的な出力のチャート1000である。チャート1000は、1mVから50mVの範囲の異なるヒステリシス値に対する3つの異なる波形1001〜1003を含む。上部の波形1001は、スイッチ(たとえば、図4のS2)内の電流を表す。中間の波形1002は、整流器入力電圧(たとえば、図4の端子"rect"430および"rectb"431にわたる電圧)を表す。下部の波形1003は、誘導電圧(たとえば、図4の端子"rx"417および"neg"419にわたる電圧)を表す。図示のように、ヒステリシスが増加するにつれて、ターンオフにおける電流はより早く反転し(たとえば、より大きい負の値を獲得し)、それより下の波形1003(誘導電圧波形)に対する電流のピークのシフトは減少し、より左の方に移動する。したがって、スイッチS2をターンオフするときに、電流(および電力)は、負荷またはバッテリー(たとえば、図2のバッテリー236)から共振回路に還流している。
たとえば、上部の波形1001の曲線1010は、1mVのヒステリシスを有するスイッチに対する電流を表し、上部の波形の曲線1015は、50mVのヒステリシスを有するスイッチに対する電流を表す。曲線1010では、時間t1においてスイッチS2がターンオフされるとき、スイッチS2を通る電流は約-50mAである。曲線1015では、時間t2においてスイッチS2がターンオフされるとき、スイッチS2を通る電流は約-450mAである。加えて、曲線1010は約700mAのピーク電流値を示す一方で、曲線1015は約550mAのピーク電流値を示す。図示のようにt2>t1であり、それは、ヒステリシスが増加するにつれて実際に増加したスイッチS2のターンオフにおける遅延を示す。
いくつかの実施形態では、上記のようにヒステリシス効果を加えることまたは整流器の電流の位相をシフトすることは、電力受信素子400の条件および共振回路の残りのものに応じて様々な効果を有する場合がある。低い誘導電圧レベルにおいて、および特に出力(たとえば、図2のバッテリー236)電圧が誘導電圧に対して比較的高い(バッテリー電圧が誘導電圧の自乗平均(rms)値より高い)とき、上記で説明したスイッチのタイミングを調整することによって出力電力を調整することが可変キャパシタ技術とともに使用される場合、キャパシタンス値は、電力受信素子400の共振回路が共振においてまたは共振のごく近くで動作しているように構成されてもよい。その場合、整流器を調べると見られるインピーダンスは容量性であってよく、誘導電圧が低いほどインピーダンスはより容量性になる。
低い誘導電圧(出力電圧に対して)において、スイッチのヒステリシスが増加すると、負荷に対する出力電力の量が増加する場合がある。図11は、整流器ヒステリシス、バッテリー電流、システムの効率、および異なるヒステリシス値に対する出力電力の例示的な出力を示すチャート1100である。チャート1100は、比較器550のヒステリシス値が20mVから70mVに変化するときのこれらの出力に対する4つの異なる波形1101〜1104を含む。上部の波形1101は、比較器(たとえば、図5の比較器550)のヒステリシス値を表す。次の下の波形1102は、負荷またはバッテリー(たとえば、図2のバッテリー236)内の電流を表す。次の下の波形1103は、ワイヤレス電力伝達システム(たとえば、図2のワイヤレス電力伝達システム200)の効率を表す。下部の波形1104は、負荷またはバッテリー(たとえば、図2のバッテリー236)に伝達される出力電力を表す。チャート1100に示すように、ヒステリシスが20mVから70mVに変化するとき、バッテリー電流および出力電力は増加するが、システムの効率は減少する。システム効率はヒステリシスが増加した結果として減少する場合がある(たとえば、反比例関係)が、いくつかの態様では、(たとえば、充電接続を確立するためにトランスミッタからの低い電力ビーコン出力の期間中の動作に対して)効率の減少は増加した出力電力の利点によって克服される。
いくつかの態様では、整流器420のヒステリシスを調整することは、アナログループ、別個のコントローラの手段によって、またはヒステリシスにおける変化の傾斜を調整するためのパルスによって達成されてもよい。他の態様では、整流器420のヒステリシスを調整することまたはスイッチS2〜S3およびS5〜S6のうちの1つもしくは複数のタイミングを調整することは、本明細書で説明する実施形態による任意の他の手段によって達成されてもよい。
いくつかの実施形態では、電力受信素子400の共振回路が共振状態にあり、出力電圧より高いまたは同等の誘導電圧を有するとき、ヒステリシスからの位相シフトまたはスイッチS2〜S3およびS5〜S6のうちの1つまたは複数のタイミングの調整は無視され、出力電力の影響も同様にほぼゼロである場合がある。
図12は、消費電力、バッテリー電流、および異なるヒステリシス値に対する出力電力の例示的な出力を示すチャート1200である。チャート1200は、5mVから50mVの範囲の異なるヒステリシス値に対するこれらの出力に対する3つの異なる波形1201〜1203を含む。上部の波形1201は、システム内の消費電力を表す。中間の波形1202は、負荷またはバッテリー(たとえば、図2のバッテリー236)内の電流を表す。その下の波形1203は、負荷またはバッテリー(たとえば、図2のバッテリー236)に伝達される出力電力を表す。チャート1200に示すように、ヒステリシスが増加するにつれて、波形1202および1203に示すようにバッテリー内の電流は減少し、出力電力は減少する。たとえば、波形1203において、曲線1210は5mVのヒステリシスに対して約1.7Wの出力電力を示し、曲線1215は50mVのヒステリシスに対して約250mWの出力電力を示す。加えて、波形1201に示すように、出力電力を1.7Wから250mWに低減することは、大量の電力を消費することなく達成される場合がある。したがって、ワイヤレス電力伝達システム内でスイッチタイミングを調整することまたはヒステリシスを加えることは、(たとえば、低誘導電圧レベルにおいて)より大きい出力電力が望まれるときと、(たとえば、高誘導電圧レベルにおいて)一定電圧モードの動作の場合のように、より小さい電力が望ましいときの両方において、同調効果を拡大する利点を有する場合がある。
加えて、この増加した同調範囲は、電流の位相をシフトすることが余分な構成要素を必要とせず、共振回路を同調するコストを低減する場合があるという点で、費用対効果が高い場合がある。さらに、ワイヤレス電力伝達システム内でスイッチタイミングを調整することまたはヒステリシスを加えることは、整流器の要素または任意の他の構成要素の電圧ルーティングを増加しない。いくつかの実施形態では、本明細書で説明する出力電力を調整するための整流器スイッチの制御は、構成要素の公差による構成要素値変動の影響を排除または低減するために使用される場合がある。また、この整流器制御は、長いビーコン拡張を実用化するブートアップ誘導電圧レベルを用いて出力電力を制御するために使用されてもよい。また、この整流器制御は、共振器端子において発生する最大電圧を制御するために使用されてもよい。その上、整流器420を介して出力電力レベルを調整することは、DC-DC変換器のない電力受信素子の実装を可能にする場合がある。
いくつかの態様では、ヒステリシスの使用は、電磁干渉(EMI)および高調波成分に影響を及ぼす場合がある。また、本明細書で説明する例および実施形態は、閉ループ回路に拡張されてもよい。本明細書で説明する例および実施形態は、共振と非共振の両方の回路およびシステムに適用されてもよい。
図13は、本明細書の開示による、ワイヤレス電力を受信する例示的な方法1300のフローチャートである。図13に示す方法は、図1〜図6の電力受信素子118と、電力受信素子218と、受信回路350と、電力受信素子400と、電力受信素子600と、スイッチ回路500とに類似する、ワイヤレス電力伝達システム100内の1つまたは複数のデバイスを介して実装されてもよい。方法1300は、特定の順序に関して本明細書で説明されるが、様々な実装形態では、本明細書のブロックが異なる順序で実行されても、または省略されてもよく、さらなるブロックが追加されてもよい。
ブロック1305において、電力受信素子は、負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を、受信回路を介して受信する。ブロック1310において、電力受信素子は、負荷の電圧レベルに基づいて第1の出力電力レベルを達成するために、可変リアクタンス素子を備えかつ受信回路に結合される同調回路を介して、受信回路を共振周波数から離調する。ブロック1315において、電力受信素子は、負荷に電力を供給するために磁場によって生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に、スイッチを備える整流器を介して整流する。ブロック1320において、電力受信素子は、スイッチを通る電流が第1の非ゼロ電流値を満足するときにスイッチを作動させる。ブロック1325において、電力受信素子は、第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整する。
上で説明された方法の様々な動作は、様々なハードウェアおよび/またはソフトウェア構成要素、回路、および/またはモジュールなどの、動作を実行することが可能な任意の好適な手段によって実行され得る。概して、図に示された任意の動作は、その動作を実施することが可能な対応する機能的手段によって実施されてもよい。
情報および信号は、様々な異なる技術および技法のうちのいずれかを使用して表されることがある。たとえば、上記の説明全体にわたって参照され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、記号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光学粒子、またはそれらの任意の組合せによって表されてよい。
本明細書で開示した実施形態に関して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、概してそれらの機能性に関して上記で説明された。そのような機能をハードウェアとして実装するか、ソフトウェアとして実装するかは、具体的な適用例および全体的なシステムに課された設計制約に依存する。説明された機能は特定の適用例ごとに様々な方法で実装され得るが、そのような実装の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきではない。
本明細書で開示される実施形態とともに説明される様々な例示的ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタロジック、ディスクリートハードウェア構成要素、または本明細書で説明される機能を実施するために設計されるそれらの任意の組合せで実装または実施され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってもよいが、代替として、このプロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンであってもよい。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ(たとえば、DSPとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携した1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成)として実装される場合もある。
本明細書で開示される実施形態に関連して説明される方法またはアルゴリズムおよび機能のステップは、ハードウェアとして直接的に、プロセッサによって実行可能なソフトウェアモジュールとして、あるいは両者の組合せとして実施され得る。ソフトウェアとして実装される場合、機能は、1つまたは複数の命令またはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶され、または送信され得る。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD-ROM、または当技術分野で知られている任意の他の形態の記憶媒体内に存在し得る。記憶媒体は、プロセッサが情報を記憶媒体から読取り、記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替として、記憶媒体は、プロセッサと一体化されてもよい。本明細書で使用するディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(disc)(CD)、レーザーディスク(登録商標)(disc)、光ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(disc)(DVD)、フロッピーディスク(disk)、およびブルーレイディスク(disc)を含み、ディスク(disk)は、通常、データを磁気的に再生し、ディスク(disc)は、レーザーを用いてデータを光学的に再生する。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲に含まれるべきである。プロセッサおよび記憶媒体は、ASIC内に存在することができる。ASICはユーザ端末中に存在し得る。あるいは、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内のディスクリートな構成要素として存在し得る。
本明細書では、本開示を要約するために、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴について説明した。必ずしも本発明の何らかの特定の実施形態に従ってすべてのそのような利点を達成することができるわけではないことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書において教示または示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書において教示された1つの利点または利点のグループを達成し、または最適化する方法で具現化または実施することができる。
上記で説明した実施形態への様々な修正が容易に明らかになり、本明細書で定義する一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定されることを意図したものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲を与えられるものである。
100 ワイヤレス電力伝達システム
102 入力電力
104 トランスミッタ
105 ワイヤレスフィールド
108 レシーバ
110 出力電力
112 距離
114 電力送信素子
118 電力受信素子
200 ワイヤレス電力伝達システム
204 トランスミッタ
205 ワイヤレスフィールド
206 送信回路
208 レシーバ
210 受信回路
214 電力送信素子
218 電力受信素子
219 通信チャネル
222 発振器
223 周波数制御信号
224 ドライバ回路
225 入力電圧信号(VD)
226 フロントエンド回路
227 インピーダンス制御モジュール
232 フロントエンド回路
234 整流器回路
236 バッテリー
240 送信コントローラ
250 コントローラ
350 送信または受信回路
352 電力送信または受信素子
354 キャパシタ
356 キャパシタ
358 信号
360 同調回路
400 電力受信素子構造
401 電圧源
402 抵抗R5
403 インダクタL2
404 キャパシタC1
405 キャパシタC2
406 キャパシタC4
407 キャパシタC5
416 抵抗R12
417 端子"rx"
419 端子"neg"
420 同期整流器
421 ダイオードD1
422 ダイオードD2
423 ダイオードD3
424 ダイオードD4
425 スイッチS2
426 スイッチS3
427 スイッチS5
428 スイッチS6
430 端子"rect"
431 端子"rectb"
440 信号"dr"
441 信号"drb"
455 駆動回路
500 スイッチ回路
501 端子"rect"
510 端子"out"
550 比較器
555 駆動回路
600 電力受信素子
605 共振回路
610 同調回路
625 ドライバ回路
630 整流器ブースト制御回路
631 誤差増幅器
632 遅延制御
640 整流器バック制御回路
641 誤差増幅器
642 遅延制御
651 誤差増幅器
652 誤差増幅器
690 バッテリーまたは負荷
700 チャート
705 最大誘導電圧レベル
710 最小誘導電圧レベル
720 第1の出力電力レベル
725 第2の出力電力レベル
800 チャート
805 第1の出力電力レベル
810 第2の出力電力レベル
900 図
901 共振回路の入力
902 状態
903 信号
904 信号
905 信号
906 バック整流器制御状態
907 同調回路制御状態
908 ブースト整流器制御状態
909 遷移
910 遷移
911 信号
912 遷移
913 遷移
1000 チャート
1001 波形
1002 波形
1003 波形
1010 曲線
1015 曲線
1100 チャート
1101 波形
1102 波形
1103 波形
1104 波形
1200 チャート
1201 波形
1202 波形
1203 波形
1210 曲線
1215 曲線

Claims (30)

  1. 電力をワイヤレスに受信するための装置であって、
    負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を受信するように構成される、受信回路と、
    前記受信回路に結合され、かつ出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために前記受信回路を共振周波数から離調するように構成される可変リアクタンス素子を備える、同調回路と、
    前記受信回路に電気的に結合され、かつ前記負荷に電力を供給するために前記受信回路内に生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に整流するように構成される整流器であって、スイッチを備える、整流器と、
    駆動回路であって、
    前記スイッチを通る前記AC信号の測定された電流値が第1の非ゼロ電流値と等しいと判定することと、
    前記スイッチを通る前記AC信号の前記測定された電流値が前記第1の非ゼロ電流値と等しいとの前記判定に基づいて前記スイッチを作動させることと、
    前記第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、前記第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整することと
    を行うように構成される、駆動回路と
    を備える、装置。
  2. 前記可変リアクタンス素子が可変キャパシタを備える、請求項1に記載の装置。
  3. 前記駆動回路が、ヒステリシス効果に基づいて前記スイッチを作動させるようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
  4. 前記ヒステリシス効果が前記スイッチのターンオフにおける遅延を含む、請求項3に記載の装置。
  5. 前記第2の非ゼロ電流値が負の電流値であり、それによって前記電流の方向が、前記負荷から前記受信回路内に流れる、請求項1に記載の装置。
  6. 前記駆動回路が、前記スイッチを通る前記AC信号の前記電流値を測定するように構成される比較器をさらに備える、請求項1に記載の装置。
  7. 前記駆動回路が、前記スイッチを通る前記AC信号の前記電流値を検知するように構成される電流センサをさらに備える、請求項1に記載の装置。
  8. 前記第1の非ゼロ電流値が前記第2の非ゼロ電流値より低く、前記第1の出力電力レベルが前記第2の出力電力レベルより低い、請求項1に記載の装置。
  9. 前記受信回路内で生成された電圧が、前記負荷に供給された電圧レベルより低い、請求項8に記載の装置。
  10. 前記第1の非ゼロ電流値が前記第2の非ゼロ電流値より低く、前記第1の出力電力レベルが前記第2の出力電力レベルより高い、請求項1に記載の装置。
  11. 前記受信回路内で生成された電圧が、前記負荷に供給された電圧レベル以上である、請求項10に記載の装置。
  12. 前記同調回路が、前記受信回路内でリアクタンスシフトを生成するようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
  13. 前記第2の出力電力レベルが、前記同調回路が達成可能な電力レベルを超える、請求項1に記載の装置。
  14. 前記第2の出力電力レベルが前記第1の出力電力レベルより低い、請求項13に記載の装置。
  15. 前記第2の出力電力レベルが前記第1の出力電力レベルより高い、請求項13に記載の装置。
  16. 前記同調回路が、前記受信回路の基準電圧レベルまたは基準電流レベルに基づいて前記第1の出力電力レベルを達成するために、前記受信回路を前記共振周波数から離調するようにさらに構成される、請求項1に記載の装置。
  17. 前記基準電圧レベルまたは前記基準電流レベルが、前記受信回路の電圧、温度および電流のうちの1つまたは複数に基づく、請求項16に記載の装置。
  18. ワイヤレス電力を受信する方法であって、
    受信回路を介して、負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を受信するステップと、
    前記受信回路に結合される可変リアクタンス素子を介して、出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために前記受信回路を共振周波数から結合される離調するステップと、
    整流器を介して、前記負荷に電力を供給するために前記磁場によって生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に整流するステップであって、前記整流器はスイッチを備える、ステップと、
    前記スイッチを通る前記AC信号の測定された電流値が第1の非ゼロ電流値と等しいと判定するステップと、
    前記スイッチを通る前記AC信号の前記測定された電流値が前記第1の非ゼロ電流値と等しいとの前記判定に基づいて前記スイッチを作動させるステップと、
    前記第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、前記第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整するステップと
    を含む、方法。
  19. 前記スイッチを作動させるステップが、ヒステリシス効果に基づいて前記スイッチを作動させるステップを含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記第2の非ゼロ電流値が負の電流値であり、それによって前記電流の方向が、前記負荷から前記受信回路内に流れる、請求項18に記載の方法。
  21. 第1の非ゼロ電流値が前記第2の非ゼロ電流値より低く、前記第1の出力電力レベルが前記第2の出力電力レベルより低い、請求項18に記載の方法。
  22. 前記受信回路内で生成された電圧が、前記負荷に供給された電圧レベルより低い、請求項21に記載の方法。
  23. 前記第1の非ゼロ電流値が前記第2の非ゼロ電流値より低く、前記第1の出力電力レベルが前記第2の出力電力レベルより高い、請求項18に記載の方法。
  24. 前記受信回路内で生成された電圧が、前記負荷に供給された電圧レベル以上である、請求項23に記載の方法。
  25. 電力をワイヤレスに受信するための装置であって、
    負荷に電力供給または充電するのに十分な磁場を介してワイヤレス電力を受信するための手段と、
    出力電力レベルを第1の出力電力レベルに調整するために前記受信手段を共振周波数から離調するための手段と、
    前記負荷に電力を供給するために前記磁場によって生成された交流(AC)信号を直流(DC)信号に整流するための手段であって、スイッチングのための手段を含む、手段と、
    前記スイッチング手段を駆動するための手段であって、
    前記スイッチング手段を通る前記AC信号の測定された電流値が第1の非ゼロ電流値と等しいと判定することと、
    前記スイッチング手段を通る前記AC信号の前記測定された電流値が前記第1の非ゼロ電流値と等しいとの前記判定に基づいて前記スイッチング手段を作動させることと、
    前記第1の出力電力レベルを第2の出力電力レベルに調整するために、前記第1の非ゼロ電流値を第2の非ゼロ値に調整することと
    を行うように構成される、手段と
    を含む、装置。
  26. 前記駆動手段は、ヒステリシス効果に基づいて前記スイッチング手段を作動させるようにさらに構成される、請求項25に記載の装置。
  27. 前記第1の非ゼロ電流値が前記第2の非ゼロ電流値より低く、前記第1の出力電力レベルが前記第2の出力電力レベルより低い、請求項25に記載の装置。
  28. 前記受信手段内で生成された電圧が、前記負荷に供給された電圧レベルより低い、請求項27に記載の装置。
  29. 前記第1の非ゼロ電流値が前記第2の非ゼロ電流値より低く、前記第1の出力電力レベルが前記第2の出力電力レベルより高い、請求項25に記載の装置。
  30. 前記受信手段内で生成された電圧が、前記負荷に供給された電圧レベル以上である、請求項29に記載の装置。
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