JP6908348B2 - ワイヤレス送電装置およびそのプロセッサ - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

近年、電子機器にケーブルによる接続無く電力を供給するワイヤレス給電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（ＴＸ：Transmitter）と、受信コイルを有する受電端末（ＲＸ：Receiver）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１０の構成を示す図である。給電システム１０は、送電装置２０（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置３０（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置３０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２０は、送信コイル（１次コイル）２２、インバータ回路２４、コントローラ２６、復調器２８を備える。インバータ回路２４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２２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２２に流れる駆動電流により、送信コイル２２に電磁界の電力信号Ｓ２を発生させる。コントローラ２６は、送電装置２０全体を統括的に制御する。

Ｑｉ規格では、送電装置２０と受電装置３０の間で通信プロトコルが定められており、受電装置３０から送電装置２０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３２（２次コイル）から送信コイル２２に送信される。この制御信号Ｓ３には、たとえば、受電装置３０に対する電力供給量を制御する電力制御データ（パケットともいう）や、受電装置３０の固有の情報を示すデータなどが含まれる。復調器２８は、送信コイル２２の電流あるいは電圧にもとづいて制御信号Ｓ３を復調する。コントローラ２６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、インバータ回路２４を制御する。

受電装置３０は、受信コイル３２、整流回路３４、平滑キャパシタ３６、変調器３８、負荷４０、コントローラ４２、電源回路４４を備える。受信コイル３２は、送信コイル２２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２２に対して送信する。整流回路３４および平滑キャパシタ３６は、電力信号Ｓ２に応じて受信コイル３２に誘起される電流Ｓ４を整流・平滑化し、直流電圧Ｖ_ＲＥＣＴに変換する。

電源回路４４は、送電装置２０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４２やその他の負荷４０に供給する。

コントローラ４２は、整流電圧Ｖ_ＲＥＣＴがその目標値に近づくように、送電装置２０からの電力供給量を制御する電力制御データ（コントロールエラーパケット、ＣＥパケットとも称する）を生成する。変調器３８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３２のコイル電流を変調することにより、送信コイル２２のコイル電流およびコイル電圧を変調する。

Ｑｉ規格は当初、携帯電話端末、スマートホン、タブレット端末など、５Ｗ以下の低電力向けに策定された（Volume I Low Power、以下、Low Power規格という）。続いて、１５Ｗまでの中電力（Volume II Middle Power、以下、Middle Power規格という）の策定の準備が進められ、将来的には１２０Ｗの大電力をサポートすることが計画されている。

特開２０１３−０３８８５４号公報 特開２０１４−１０７９７１号公報

本発明者は、図１の送電装置２０に対する給電のために、汎用性および既存インフラの有効活用の観点から、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）インタフェースを採用することを検討した。

ＵＳＢを利用した次世代の二次電池充電の方式、システムとして、USB Power Deliveryと呼ばれる規格（以下、ＰＤ規格という）が策定されている。ＰＤ規格では、供給可能な電力が従来のUSB Battery Charging Specification（ＢＣ規格）の７．５Ｗから、最大１００Ｗまで大幅に増大する。具体的にはＰＤ規格では、ＵＳＢバス電圧として、ＢＣ規格の５Ｖより高い電圧（具体的には、１２Ｖ、２０Ｖ）の供給が許容されており、電流も、ＢＣ規格の量（１００ｍＡ，５００ｍＡ，９００ｍＡ、１５００ｍＡ）よりも大きな量（具体的には、２Ａ，３Ａ、５Ａ）の供給が許容される。

このように現状のＵＳＢインタフェースでは、ホストや充電アダプタ（以下、ホスト／充電アダプタと記す）ごとに、バス電圧と電流容量の組み合わせが多岐にわたっている。したがって送電装置２０への給電にＵＳＢインタフェースを採用すると、ホスト／充電アダプタから供給されるバス電圧の電圧値（あるいは電流量）によっては、動作が不安定になりうる。具体的には、受電装置３０に対して十分な電力を供給できなかったり、給電効率が低下したり、異物検出に失敗するといった問題が生じうる。同様の問題は、ＵＳＢインタフェースに限らずに、バス電圧や充電電流が複数から選択可能なその他の給電インタフェースを採用した場合にも生じうる。

本発明は係る状況におい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、さまざまなホスト／充電アダプタが接続されても安定動作可能なワイヤレス送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に電力信号を送信するワイヤレス送電装置に使用されるプロセッサ（信号処理装置）に関する。ワイヤレス送電装置は、プロセッサに加えて、外部のホスト／充電アダプタが接続され、バス電圧を受けるレセプタクルと、送信コイルを含む送信アンテナと、バス電圧を受け、送信アンテナに交流の駆動信号を印加するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御回路と、を備える。制御回路は、レジスタと、レジスタに格納される制御パラメータにもとづいてインバータ回路を制御する送信制御ユニットと、を備える。プロセッサは、レセプタクルに接続されるホスト／充電アダプタと通信し、バス電圧の電圧値を決定するネゴシエーションユニットと、バス電圧の電圧値の複数の候補に対応する複数の設定データを保持するメモリと、ネゴシエーションにより決定されたバス電圧の電圧値に対応する設定データに基づいて制御パラメータを生成し、レジスタに書き込む制御パラメータ生成部と、を備える。

ワイヤレス送電装置を、バス電圧の電圧値にかかわらず常に同じパラメータ、方式、方法もしくは条件で動作させるのではなく、ネゴシエーションの結果選択されたバス電圧の電圧値に応じて、それらを切りかえることにより、安定動作が可能となる。

設定データは、給電開始前に測定されたＱ値と、ワイヤレス受電装置から受信するＱ値情報の比較にもとづく異物検出に使用されるしきい値を含んでもよい。設定データは、パワーロスメソッドによる異物検出に使用されるしきい値を含んでもよい。設定データは、ワイヤレス受電装置の検出のためのアナログピンの周波数およびデューティ比の少なくとも一方を含んでもよい。設定データは、ワイヤレス受電装置の検出後のデジタルピンの周波数およびデューティ比の少なくとも一方を含んでもよい。設定データは、パワートランスファーフェーズにおける周波数、デューティ比、位相の少なくともひとつの可変範囲を含んでもよい。設定データは、パワートランスファーフェーズにおける電力安定化のためのＰＩＤ（比例積分微分）制御のための定数値を含んでもよい。

インバータ回路は、Ｈブリッジ回路を含んでもよい。設定データは、インバータ回路のハーフブリッジ動作と、フルブリッジ動作の切りかえの条件を含んでもよい。設定データは、制御パラメータ生成部の動作を規定するマイクロプログラムもしくはファームウェアを含んでもよい。

メモリは、さらに、バス電圧の電圧値の複数の候補とそれぞれの優先順位を規定する第１リストを保持しており、ネゴシエーションユニットは、優先順位の高い電圧値が選択されるようにネゴシエーションしてもよい。

プロセッサは、ホスト／充電アダプタが、第１リストに含まれるバス電圧の電圧値のすべての候補をサポートしないとき、エラー信号を出力し、制御回路は、エラー信号を受信すると、給電を行わなくてもよい。

ワイヤレス送電装置は、バス電圧を受け、電圧レベルを変換するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備えてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ホスト／充電アダプタが、バス電圧の電圧値のすべての候補をサポートしないとき、ホスト／充電アダプタから供給されるバス電圧をバス電圧の候補のひとつに変換してもよい。

メモリは、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力可能なバス電圧の電圧値の候補を規定する第２リストを保持してもよい。

制御パラメータは、インバータ回路のスイッチング周波数、デューティ比、位相、および異物検出に関する情報の少なくともひとつを含んでもよい。

ワイヤレス送電装置は、Ｑｉ規格に準拠してもよい。ホスト／充電アダプタは、ＵＳＢ規格に準拠してもよい。

プロセッサは、ひとつの半導体基板に一体集積化されてもよい。プロセッサは、制御回路とともにひとつのモジュールを構成してもよい。プロセッサと制御回路は、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つのチップ上に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、ワイヤレス送電装置に関する。ワイヤレス送電装置は、外部のホスト／充電アダプタが接続され、バス電圧を受けるレセプタクルと、送信コイルを含む送信アンテナと、バス電圧を受け、送信アンテナに交流の駆動信号を印加するインバータ回路と、インバータ回路を制御する制御回路と、上述のいずれかのプロセッサと、を備えてもよい。

本発明の別の態様もまた、ワイヤレス送電装置である。ワイヤレス送電装置は、外部のホスト／充電アダプタが接続され、バス電圧を受けるレセプタクルと、送信コイルを含む送信アンテナと、バス電圧を受け、送信アンテナに交流の駆動信号を印加するインバータ回路と、レジスタと、レジスタに格納される制御パラメータにもとづいてインバータ回路を制御する送信制御ユニットと、レセプタクルに接続されるホスト／充電アダプタと通信し、バス電圧の電圧値を決定するネゴシエーションユニットと、バス電圧の電圧値の複数の候補に対応する複数の設定データを保持するメモリと、ネゴシエーションにより決定されたバス電圧の電圧値に対応する設定データに基づいて制御パラメータを生成し、レジスタに書き込む制御パラメータ生成部と、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、さまざまな電圧値のバス電圧に対応することができる。

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２の実施の形態に係る給電システムのブロック図である。 パワートランスファーフェーズの状態遷移を示す図である。 第２の実施の形態に係る送電装置のブロック図である。 送電装置を備える充電器を示す図である。

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２の実施の形態に係る給電システム１００のブロック図である。給電システム１００は、送電装置２００（ＴＸ、Power Transmitter）と受電装置４００（ＲＸ、Power Receiver）と、を備える。受電装置４００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。以下では、送電装置２００および受電装置４００は、Ｑｉ規格に準拠することを前提として説明する。

送電装置２００は、たとえば充電台を有する充電器に搭載される。送電装置２００は、送信アンテナ２０１、インバータ回路２０４、レセプタクル２０８、プロセッサ３００、および制御回路３５０を備える。

レセプタクル２０８は、外部から直流のバス電圧（アダプタ電圧）Ｖ_ＡＤＰを受けるために設けられる。具体的にはレセプタクル２０８には、ケーブル１０２を介して、外部のホスト／充電アダプタ１０４が着脱可能に接続され、直流のバス電圧Ｖ_ＡＤＰが供給される。本実施の形態において、レセプタクル２０８、ケーブル１０２およびホスト／充電アダプタ１０４は、ＵＳＢ規格に準拠するものとする。

送信アンテナ２０１は、直列に接続された送信コイル（１次コイル）２０２および共振コンデンサ２０３を含む。インバータ回路２０４は、Ｈブリッジ回路（フルブリッジ回路）であり、ホスト／充電アダプタ１０４から供給される直流のバス電圧Ｖ_ＡＤＰを受け、交流の駆動信号Ｓ１に変換し、送信アンテナ２０１に供給する。駆動信号Ｓ１の電圧振幅はバス電圧Ｖ_ＡＤＰに比例する。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。なおインバータ回路２０４はハーフブリッジ回路であってもよい。レセプタクル２０８とインバータ回路２０４の間には、ロードスイッチＳＷ１１が挿入されてもよい。

制御回路３５０は、インバータ回路２０４を制御する。制御回路３５０は、インタフェース回路３５２、レジスタ３５４、ドライバ３５６および送信制御ユニット３６０を備え、ひとつの半導体基板に集積化された機能ＩＣである。プロセッサ３００と制御回路３５０の間は、内部バス２１２を介して接続される。内部バス２１２はたとえばＩ^２Ｃバスであってもよい。インタフェース回路３５２は、プロセッサ３００との間で通信を行い、受信したデータを、レジスタ３５４に格納する。送信制御ユニット３６０は、レジスタ３５４に格納されるデータ（制御パラメータＰＲＭ）にもとづいて、インバータ回路２０４を制御するための制御信号Ｓ５を生成する。制御パラメータＰＲＭは、インバータ回路２０４のスイッチング周波数ｆ、デューティ比ｄ、位相α、インバータ回路２０４の動作モード（ハーフブリッジ／フルブリッジ）、異物検出に関する情報の少なくともひとつを含む。ドライバ３５６は、送信制御ユニット３６０が生成した制御信号Ｓ５にもとづいて、インバータ回路２０４を構成する４個のトランジスタ（第１スイッチ〜第４スイッチ）ＳＷ１〜ＳＷ４を駆動する。

プロセッサ３００は、主としてデジタル回路で構成される。プロセッサ３００は、ネゴシエーションユニット３０２、メモリ３０４、制御パラメータ生成部３０６を含む。ネゴシエーションユニット３０２は、レセプタクル２０８に接続されるホスト／充電アダプタ１０４と通信し、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値を決定する。たとえばＵＳＢ−ＰＤ規格では、ネゴシエーションユニット３０２は、キャパシタＣ１を介してバスライン２１０と接続される。ネゴシエーションユニット３０２は、バスライン２１０を介してホスト／充電アダプタ１０４と通信し、ホスト／充電アダプタ１０４に内蔵されるコントローラとの間でネゴシエーションを行う。

送電装置２００は、バス電圧Ｖ_ＡＤＰとして複数の電圧値をサポートする。たとえば送電装置２００は、Ｖ_ＡＤＰ＝５Ｖ，９Ｖ，１２Ｖ，１９Ｖをサポートする。プロセッサ３００は、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値の複数の候補（５，９，１２，１９Ｖ）に対応して、複数の設定データＤ１を保持する。複数の設定データＤ１は、プロセッサ３００の内部の、あるいは外付けされる不揮発性のメモリ２２０に格納されている。不揮発性のメモリ２２０は、マスクＲＯＭ（Read Only Memory）、ＰＲＯＭ（Programmable ROM)）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュメモリ、抵抗変化型メモリ（ＲｅＲＡＭ）、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）などであってもよい。

制御パラメータ生成部３０６は、ネゴシエーションにより決定されたバス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値に対応する設定データＤ１に基づいて制御パラメータＰＲＭを生成し、インタフェース回路３５２を介して制御回路３５０のレジスタ３５４に書き込む。復調器３０８は、送信アンテナ２０１と結合され、送信アンテナ２０１が受信した制御信号Ｓ３を復調する。復調されたデータは、制御パラメータ生成部３０６による制御パラメータＰＲＭの生成に使用される。

以上が送電装置２００の構成である。送電装置２００を、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値にかかわらず常に同じパラメータ、方式、方法、条件で動作させると、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値によっては、動作が不安定になる。これに対して本実施の形態では、送電装置２００のパラメータ、方式、方法もしくは条件を、ネゴシエーションの結果選択されたバス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値にもとづいて設定することにより、給電システム１００の動作を安定化することができる。具体的には、給電効率の低下を抑制し、異物検出の精度の低下を抑制し、あるいは誤動作を防止できる。

続いて、設定データＤ１について詳細に説明する。設定データＤ１は、以下の情報を含みうる。

１． Ｑｉ規格においては、プロセッサ３００には異物検出（ＦＯＤ：Foreign Object Detection）の機能が実装される。ＦＯＤの方式として、アンテナのＱ値が異物の有無に応じて変化することを利用するものが提案されている。具体的には、送電装置２００において給電開始前に送信アンテナのＱ値を測定しておき、受電装置４００から受信する送信アンテナのＱ値と比較し、給電開始前の測定値と、受信したＱ値の差分ΔＱが所定のしきい値ＱＴＨを超えると、異物が存在するものと判定する。制御パラメータ生成部３０６は、異物を検出すると、給電が停止し、あるいは送信電力が減少するように、レジスタ３５４の制御パラメータＰＲＭを書き換える。このようなＱ値にもとづくＦＯＤを行う場合、設定データＤ１は、しきい値ＱＴＨを含んでもよい。つまりバス電圧ＶＡＤＰに応じてしきい値ＱＴＨが可変である。

インバータ回路２０４の動作点（スイッチング周波数、デューティ比、位相など）は、インバータ回路２０４に供給されるバス電圧Ｖ_ＡＤＰに応じて変化しうる。そして動作点が変化すると、Ｑ値の初期値や実測値も変化する。バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値にかかわらず、しきい値Ｑ_ＴＨを一定にすると、ある電圧値においては精度よく異物が検出できるが、別の電圧値においては異物を誤検出し、あるいは異物が検出できないという問題が生じうる。設定データＤ１に、しきい値Ｑ_ＴＨを含めることにより、バス電圧Ｖ_ＡＤＰのさまざまな電圧値において、異物検出の精度を高めることができる。

２． ＦＯＤの別の方式として、パワーロスメソッドが利用される場合もある。パワーロスメソッドは、異物が存在する状態では、異物が送信電力Ｐ_ＴＸの一部を吸収することにより、受信電力Ｐ_ＲＸが減少することを利用する。具体的には、パワーロスメソッドでは、送電装置２００が送信した電力Ｐ_ＴＸと受電装置４００が受信した電力Ｐ_ＲＸを測定し、それらの差分ΔＰ＝Ｐ_ＴＸ−Ｐ_ＲＸをしきい値Ｐ_ＴＨと比較し、差分ΔＰがしきい値Ｐ_ＴＨより大きい場合に、異物が存在するものと判定する。制御パラメータ生成部３０６は、異物を検出すると、給電が停止し、あるいは送信電力が減少するように、レジスタ３５４の制御パラメータＰＲＭを書き換える。パワーロスメソッドにもとづくＦＯＤを行う場合、設定データＤ１は、しきい値Ｐ_ＴＨを含んでもよい。つまりバス電圧Ｖ_ＡＤＰに応じてしきい値Ｐ_ＴＨが可変である。

インバータ回路２０４の動作点（スイッチング周波数、デューティ比、位相など）は、インバータ回路２０４に供給されるバス電圧Ｖ_ＡＤＰに応じて変化しうる。そして動作点が変化すると、給電効率が変化する。バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値にかかわらず、しきい値Ｐ_ＴＨを一定にすると、ある電圧値においては精度よく異物が検出できるが、別の電圧値においては異物を誤検出し、あるいは異物が検出できないという問題が生じうる。設定データＤ１に、しきい値Ｐ_ＴＨを含めることにより、バス電圧Ｖ_ＡＤＰのさまざまな電圧値において、異物検出の精度を高めることができる。

３． Ｑｉ規格の給電システム１００では、送電装置２００は、アナログピン（Analog Ping）フェーズを実行する。アナログピンは、送電装置２００の充電台の上に、受電装置４００が載置されているか否かを検出するものである。アナログピンフェーズでは、送電装置２００は、インバータ回路２０４から送信アンテナ２０１に、動作周波数ｆ_ＯＤを含むショートパルスを供給する。レゾナンスシフト方式は、受電装置４００の有無に応じて、送信コイル２０２に流れる電流が変化することを利用する。

インバータ回路２０４の動作点（スイッチング周波数、デューティ比、位相など）は、インバータ回路２０４に供給されるバス電圧Ｖ_ＡＤＰに応じて変化しうる。バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値にかかわらず、アナログピンフェーズにおけるインバータ回路２０４の動作周波数ｆ_ＯＤや位相を一定とすると、受電装置４００の有無によるコイル２０２の電流の変化量が微小となり、受電装置４００が検出できない状況が生じうる。あるいは反対に電流変化が過敏となり、受電装置４００が存在しないにもかかわらず、受電装置４００を誤検出する可能性がある。

そこで設定データＤ１は、受電装置４００の検出のためのアナログピンフェーズにおける、インバータ回路２０４の動作周波数ｆ_ＯＤおよびデューティ比の少なくとも一方を含んでもよい。これにより、アナログピンフェーズにおいて受電装置４００を正確に検出できる。

４． Ｑｉ規格の給電システム１００では、アナログピンフェーズの後に、デジタルピン（Digital Ping）フェーズが実行される。デジタルピンでは送電装置２００は動作点の電力信号を発生し、送信電力を一定に維持する。そして送電装置２００は、受電装置４００からの応答（パケット）を受信すると、認証・設定（identification & configuration）フェーズに移行する。

周波数やデューティ比を固定すると、バス電圧Ｖ_ＡＤＰに応じて、デジタルピンにおける送信電力が動作点から逸脱する。そこで設定データＤ１は、デジタルピンの周波数およびデューティ比の少なくとも一方を含んでもよい。これにより、バス電圧Ｖ_ＡＤＰにかかわらず、デジタルピンにおける送信電力を一定に保つことができる。

５． Ｑｉ規格においては、送電装置２００は、パワートランスファーフェーズにおいて、受電装置４００からのコントロールエラー（ＣＥ）パケットにもとづいて、ＰＩＤ（比例積分微分）制御によって送信電力Ｐ_ＴＸを調節する。送信電力Ｐ_ＴＸはインバータ回路２０４の以下の動作条件の少なくともひとつを変化させることにより制御される。
（１）インバータ回路２０４のスイッチング周波数（周波数制御）
（２）インバータ回路２０４のデューティ比（デューティ比制御）
（３）インバータ回路２０４のスイッチングの位相（位相制御）

すなわち、ある電力範囲（ＰＩＤ値の範囲）においては、スイッチング周波数がある可変範囲において制御され、ある電力範囲においては、デューティ比がある可変範囲において制御され、ある電力範囲においてはスイッチングの位相がある可変範囲において制御される。インバータ回路２０４を同じ動作条件で動作させたときの送信電力Ｐ_ＴＸは、バス電圧Ｖ_ＡＤＰによって変化する。言い換えれば、所望の送信電力Ｐ_ＴＸを得るために必要な動作条件は、バス電圧Ｖ_ＡＤＰに依存する。

そこで設定データＤ１は、パワートランスファーフェーズにおけるスイッチング周波数、デューティ比、位相の少なくともひとつの可変範囲を含んでもよい。これにより、バス電圧Ｖ_ＡＤＰにかかわらず、受電装置４００からの要求にもとづいて適切な電力信号Ｓ２を供給できる。

またインバータ回路２０４がＨブリッジ回路で構成される場合に、送信電力の範囲に応じて、ハーフブリッジ動作とフルブリッジ動作を切りかえる場合がある。この場合、設定データＤ１は、ハーフブリッジ動作とフルブリッジ動作を切りかえる条件を、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値に応じて変化させてもよい。

図３は、パワートランスファーフェーズの状態遷移を示す図である。本実施の形態において、制御回路３５０は、所望の送信電力Ｐ_ＴＸのレンジ（すなわちＰＩＤ値）に応じて、第１モードφ１〜第４モードφ４の４つのモードが選択可能となっており、モードごとにインバータ回路２０４を異なる態様でスイッチングする。

（i） 第１モードφ１
第１モードφ１において、インバータ回路２０４は以下の態様でフルブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされる。スイッチング周波数ｆは、第１周波数ｆ_１（たとえば１６０ｋＨｚ）で固定される。制御回路３５０は、第１ペアと第２ペアの位相差αを、その最小値α_ＭＩＮと最大値α_ＭＡＸの間で所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。

（ii） 第２モードφ２
第２モードφ２において、インバータ回路２０４は以下の態様でハーフブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２は、デューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４は、ＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとして固定される。なお変形例においてＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとしてもよい。第２モードφ２では、制御回路３５０は、スイッチング周波数ｆを、第１周波数ｆ_１と第２周波数ｆ_２の間で、所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化する。

（iii） 第３モードφ３
第３モードφ３において、インバータ回路２０４は以下の態様でフルブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２はデューティ比５０％で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４もデューティ比５０％で相補的にスイッチングされる。制御回路３５０は、第３モードφ３において、第１ペアＳＷ１，ＳＷ２と第２ペアＳＷ３，ＳＷ４の位相差αを最大値α_ＭＡＸ（すなわち１８０°）とし、スイッチング周波数ｆを、第１周波数ｆ_１と最低周波数ｆ_０（ただしｆ_０＜ｆ_１）の間で、所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。たとえばｆ_０＝１１０ｋＨｚである。

（iv） 第４モードφ４
第４モードφ４において、インバータ回路２０４は以下の態様でハーフブリッジ動作する。第１ペアＳＷ１，ＳＷ２は、最大のスイッチング周波数（上述の第２周波数ｆ_２）で相補的にスイッチングされ、第２ペアＳＷ３，ＳＷ４は、ＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとして固定される。なお変形例においてＳＷ３をオフ、ＳＷ４をオンとしてもよい。制御回路３５０は、第１ペアＳＷ１，ＳＷ２のデューティ比ｄを最大値Ｄ_ＭＡＸと最小値Ｄ_ＭＩＮの間で所望の送信電力Ｐ_ＴＸに応じて変化させる。最大値Ｄ_ＭＡＸはたとえば５０％である。最小値Ｄ_ＭＩＮは５％程度としてもよい。

図３の４つのモードを切りかえて送信電力を制御する場合、設定データＤ１は、図３に示される周波数ｆ_０〜ｆ_２、デューティ比の最小値Ｄ_ＭＩＮ、最大値Ｄ_ＭＡＸ、位相差の最大値α_ＭＡＸ、最小値α_ＭＩＮの少なくともひとつを含むことができる。

なお、送電装置２００がサポートするモードの数や、各モードにおける電力制御の方式はこれには限定されず、いくつかのモードが省略されてもよいし、別のモードが追加されてもよい。

６． 上述のようにパワートランスファーフェーズでは、電力安定化のためのＰＩＤ（比例積分微分）制御が行われる。設定データＤ１は、ＰＩＤ制御の定数値（Ｐ項の係数、Ｉ項の係数、Ｄ項の係数）を含んでもよい。これにより、バス電圧Ｖ_ＡＤＰに応じて、ループゲインや応答性、粘性、即応性を最適化することができる。

７． 設定データＤ１は、制御パラメータ生成部３０６の動作を規定するマイクロプログラムもしくはファームウェアを含んでもよい。

バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値の候補（５，９，１２，１９Ｖ）には、優先順位が付与されており、メモリ３０４は、電圧値の複数の候補とそれぞれの優先順位を規定する第１リスト１２２を保持してもよい。たとえば図２では、１２Ｖ，９Ｖ，１９Ｖ，５Ｖの順で優先順位が高くなっている。

ネゴシエーションユニット３０２は、第１リスト２２２を参照し、優先順位の高い電圧値が選択されるように、ホスト／充電アダプタ１０４とネゴシエーションを行う。たとえば優先順位を、給電システム１００の給電効率が高い順に定めることにより、給電効率を高めることができる。あるいは優先順位を、給電システム１００の安定性、異物検出の精度などにもとづいて定めてもよく、この場合、安定性や異物検出の精度を高めることができる。

プロセッサ３００は、ホスト／充電アダプタ１０４が、第１リスト２２２に含まれるバス電圧Ｖ_ＢＵＳの電圧値のすべての候補をサポートしないとき、エラー信号を出力してもよい。制御回路３５０は、エラー信号を受信した場合、給電を行わない。これにより不安定な状態で給電システム１００が動作するのを防止できる。

（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態に係る送電装置２００ａのブロック図である。送電装置２００ａは、図２の送電装置２００に加えてＤＣ／ＤＣコンバータ２３０をさらに備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０は、バス電圧Ｖ_ＡＤＰを受け、電圧レベルを変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０は、昇圧コンバータであってもよいし、降圧コンバータであってもよいし、昇降圧コンバータであってもよい。

本実施の形態では、第１リスト２２２には、３つの電圧値９Ｖ，１９Ｖ，５Ｖの候補が保持される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０は、ホスト／充電アダプタ（不図示）が、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値のすべての候補をサポートしないとき、ホスト／充電アダプタから供給されるバス電圧Ｖ_ＡＤＰを、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの候補５Ｖ，９Ｖ，１９Ｖのひとつに変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０はプロセッサ３００ａからの制御信号Ｓ６にもとづいて動作する。制御信号Ｓ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０のイネーブル／ディセーブルの切りかえ、およびＤＣ／ＤＣコンバータ２３０の出力電圧の設定値（降圧比、昇圧比）を含みうる。

たとえばメモリ３０４は、第１リスト２２２に加えて第２リスト２２４を保持する。第２リスト２２４はＤＣ／ＤＣコンバータ２３０に入力可能なバス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値の候補（たとえば１２Ｖ，８Ｖ）を含む。

ネゴシエーションユニット３０２は、ロードスイッチＳＷ１１のオン、オフを指示する制御信号Ｓ７を生成する。ネゴシエーションユニット３０２は、ホスト／充電アダプタが第１リスト２２２に含まれる電圧（５Ｖ，９Ｖ，１９Ｖ）をサポートするとき、ロードスイッチＳＷ１１をオンし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０をディセーブルとする。またネゴシエーションユニット３０２は、ホスト／充電アダプタが第２リスト２２４に含まれる電圧（８Ｖ，１２Ｖ）をサポートするとき、ロードスイッチＳＷ１１をオフし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０をイネーブルとする。

たとえばＤＣ／ＤＣコンバータ２３０は降圧コンバータである。ホスト／充電アダプタ１０４が第２リスト２２４に含まれる候補１２Ｖをサポートするとき、プロセッサ３００ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０に、１２Ｖのバス電圧Ｖ_ＡＤＰを、第１リスト２２２に含まれる候補９Ｖに変換させる。ホスト／充電アダプタ１０４が第２リスト２２４に含まれる候補８Ｖをサポートするとき、プロセッサ３００ａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０に、８Ｖのバス電圧Ｖ_ＡＤＰを、第１リスト２２２に含まれる候補５Ｖに変換させる。

第２リスト２２４は、バス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値の候補の優先順位を規定してもよい。プロセッサ３００ａは、第１リスト２２２の候補についてネゴシエーションが失敗すると、第２リスト２２４に含まれる電圧値の候補について、優先順位にしたがってネゴシエーションする。

第２の実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０を設けることにより、第１の実施の形態よりも多くのバス電圧Ｖ_ＡＤＰの電圧値に対応することが可能となる。

図５は、送電装置２００を備える充電器５００を示す図である。充電器５００は、筐体５０２、充電台５０４を備える。給電対象の電子機器は、充電台５０４上に載置される。インバータ回路２０４や制御回路３５０、プロセッサ３００（３００ａ）、送信アンテナ２０１は、回路基板４０６上に実装される。送信アンテナ２０１は、充電台５０４の直下にレイアウトされる。筐体５０２には、レセプタクル２０８が設けられる。レセプタクル２０８には、ホスト／充電アダプタ１０４のプラグが差し込まれる。

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、こうした変形例を説明する。

実施の形態では、Ｑｉ規格について説明したが、本発明は将来策定されるであろうＱｉ規格の派生規格、あるいは別の規格にも適用可能である。

実施の形態では、ＵＳＢ−ＰＤ規格を説明したが、本発明は米Ｑｕａｌｃｏｍ社が開発したQuick Charge規格やそれに類する将来策定されるであろうＵＳＢ規格の派生規格、あるいは別の規格にも適用可能である。送電装置２００が複数の異なる規格をサポートする場合、規格ごとにレセプタクルを備えてもよい。

実施の形態では、プロセッサ３００（プロセッサ３００ａ）と制御回路３５０とが別々のＩＣとして構成される場合を説明したが、それには限定されない。たとえばプロセッサ３００と制御回路３５０をひとつの半導体基板に集積化して制御装置を構成してもよい。あるいはプロセッサ３００のチップと制御回路３５０のチップとを、１パッケージ化し、制御モジュールを構成してもよい。あるいはプロセッサ３００と制御回路３５０をさらに多くの半導体チップに分割して構成してもよいし、プロセッサ３００の一部を制御回路３５０に集積化したり、制御回路３５０の一部をプロセッサ３００に集積化してもよい。

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。

１００…給電システム、１０２…ケーブル、１０４…ホスト／充電アダプタ、２００…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…インバータ回路、２０６…プロセッサ、２０８…レセプタクル、２１０…バスライン、２１２…内部バス、２２０…メモリ、２２２…第１リスト、２２４…第２リスト、２３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３００…プロセッサ、３０２…ネゴシエーションユニット、３０４…メモリ、３０６…制御パラメータ生成部、３０８…復調器、３５０…制御回路、３５２…インタフェース回路、３５４…レジスタ、３５６…ドライバ、３６０…制御ユニット、４００…受電装置、ＳＷ１…ロードスイッチ。

Claims (18)

1. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置に使用されるプロセッサであって、
   前記ワイヤレス送電装置は、
   前記プロセッサに加えて、
   外部のホスト／充電アダプタが接続され、バス電圧を受けるレセプタクルと、
   送信コイルを含む送信アンテナと、
   前記バス電圧を受け、前記送信アンテナに交流の駆動信号を印加するインバータ回路と、
   前記インバータ回路を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   レジスタと、
   前記レジスタに格納される制御パラメータにもとづいて前記インバータ回路を制御する送信制御ユニットと、
   を備え、
   前記プロセッサは、
   前記レセプタクルに接続される前記ホスト／充電アダプタと通信し、バス電圧の電圧値を決定するネゴシエーションユニットと、
   前記バス電圧の電圧値の複数の候補に対応する複数の設定データを保持するメモリと、
   前記ネゴシエーションユニットにより決定された前記バス電圧の電圧値に対応する設定データに基づいて前記制御パラメータを生成し、前記レジスタに書き込む制御パラメータ生成部と、
   を備えることを特徴とするプロセッサ。
2. 前記設定データは、パワーロスメソッドを利用した異物検出に使用されるしきい値を含むことを特徴とする請求項１に記載のプロセッサ。
3. 前記設定データは、前記ワイヤレス受電装置の検出のためのアナログピンフェーズにおける前記インバータ回路の動作周波数およびデューティ比の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のプロセッサ。
4. 前記設定データは、前記ワイヤレス受電装置の検出後のデジタルピンフェーズにおける前記インバータ回路の周波数およびデューティ比の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプロセッサ。
5. 前記設定データは、パワートランスファーフェーズにおける前記インバータ回路の周波数、デューティ比、位相の少なくともひとつの可変範囲を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプロセッサ。
6. 前記設定データは、パワートランスファーフェーズにおける電力安定化のためのＰＩＤ（比例積分微分）制御のための定数値を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のプロセッサ。
7. 前記インバータ回路は、Ｈブリッジ回路を含み、
   前記設定データは、前記インバータ回路のハーフブリッジ動作と、フルブリッジ動作の切りかえの条件を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のプロセッサ。
8. 前記メモリは、さらに、前記バス電圧の電圧値の複数の候補とそれぞれの優先順位を規定する第１リストを保持しており、
   前記ネゴシエーションユニットは、前記優先順位の高い電圧値が選択されるようにネゴシエーションす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プロセッサ。
9. 前記プロセッサは、前記ホスト／充電アダプタが、前記第１リストに含まれる前記バス電圧の電圧値のすべての候補をサポートしないとき、エラー信号を出力し、
   前記制御回路は、前記エラー信号を受信すると、給電を行わないことを特徴とする請求項８に記載のプロセッサ。
10. 前記ワイヤレス送電装置は、前記バス電圧を受け、電圧レベルを変換するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記ホスト／充電アダプタが、前記バス電圧の電圧値のすべての候補をサポートしないとき、前記ホスト／充電アダプタから供給される前記バス電圧を前記バス電圧の候補のひとつに変換す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プロセッサ。
11. 前記メモリは、さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに入力可能な前記バス電圧の電圧値の候補を規定する第２リストを保持することを特徴とする請求項１０に記載のプロセッサ。
12. 前記制御パラメータは、前記インバータ回路のスイッチング周波数、デューティ比、位相の少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載のプロセッサ。
13. 前記ワイヤレス送電装置は、Ｑｉ規格に準拠することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のプロセッサ。
14. 前記ホスト／充電アダプタは、ＵＳＢ規格に準拠することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載のプロセッサ。
15. 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１４のいずれかに記載のプロセッサ。
16. 前記制御回路とともにひとつのモジュールを構成することを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載のプロセッサ。
17. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置であって、
    外部のホスト／充電アダプタが接続され、バス電圧を受けるレセプタクルと、
    送信コイルを含む送信アンテナと、
    前記バス電圧を受け、前記送信アンテナに交流の駆動信号を印加するインバータ回路と、
    前記インバータ回路を制御する制御回路と、
    請求項１から１６のいずれかに記載のプロセッサと、
    を備えることを特徴とするワイヤレス送電装置。
18. ワイヤレス受電装置に電力信号を送信するワイヤレス送電装置であって、
    外部のホスト／充電アダプタが接続され、バス電圧を受けるレセプタクルと、
    送信コイルを含む送信アンテナと、
    前記バス電圧を受け、前記送信アンテナに交流の駆動信号を印加するインバータ回路と、
    レジスタと、
    前記レジスタに格納される制御パラメータにもとづいて前記インバータ回路を制御する送信制御ユニットと、
    前記レセプタクルに接続される前記ホスト／充電アダプタと通信し、バス電圧の電圧値を決定するネゴシエーションユニットと、
    前記バス電圧の電圧値の複数の候補に対応する複数の設定データを保持するメモリと、
    前記ネゴシエーションユニットにより決定された前記バス電圧の電圧値に対応する設定データに基づいて前記制御パラメータを生成し、前記レジスタに書き込む制御パラメータ生成部と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス送電装置。

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