KR20140025280A - 전원 장치, 반도체 장치 및 와이어리스 통신 장치 - Google Patents

전원 장치, 반도체 장치 및 와이어리스 통신 장치 Download PDF

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가즈히또 아유까와
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르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는, 전원 장치에 있어서 보다 안정된 출력 전압의 가변 제어를 실현하는 것이다.
동적인 출력 전압의 변경이 가능한 본 전원 장치(2)는, 스위칭 방식에 의해 입력된 전압을 강압해서 제1 노드(OUT)에 출력하는 제1 레귤레이터(20)와, 전압 강하에 의해 입력된 전압을 강압해서 상기 제1 노드에 출력하는 제2 레귤레이터(25)를 갖는다. 본 전원 장치는, 제1 정보(TGT_VOUT)에 의해 지시된 목표 전압이 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 제어함과 함께 제2 레귤레이터로부터의 전압의 공급을 정지시킨다. 또한, 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 제2 레귤레이터를 제어함과 함께 제1 레귤레이터로부터의 전압의 출력을 정지시킨다.

Description

전원 장치, 반도체 장치 및 와이어리스 통신 장치{POWER SUPPLY UNIT, SEMICONDUCTOR DEVICE, AND WIRELESS COMMUNICATION DEVICE}
본 발명은 전압을 생성하는 전원 장치, 상기 전원 장치를 제어하기 위한 반도체 장치 및 상기 전원 장치를 적용한 와이어리스 통신 장치에 관한 것으로, 특히 출력하는 전압을 가변하는 기능을 구비하는 전원 장치에 적용하여 유효한 기술에 관한 것이다.
최근 들어, 비접촉(와이어리스)으로 전력 공급을 행하는 와이어리스 급전 시스템이 보급되기 시작하고 있다. 예를 들어, 이격되어 배치된 코일간의 전자 유도를 이용한 전자 유도 방식의 와이어리스 급전 시스템은, 전력을 송전하는 송전측 장치와 송전된 전력을 받는 수전측 장치로 구성되고, 수전측 장치가 되는 소형 휴대 단말 장치는, 예를 들어 수취한 전력에 기초하여 배터리의 충전이 가능해진다. 또한, 무선에 의해 정보의 전송을 행하는 비접촉 통신 기술에 관한 표준 규격으로서 NFC(Near Field Communication)가 알려져 있고, NFC 규격에 준거한 소형 휴대 단말 장치도 보급되기 시작하고 있다.
최근 들어, NFC에 의한 통신에 사용하는 안테나와 전자 공명 방식의 와이어리스 급전에 사용하는 안테나를 공용하고, 전력의 송전과 정보 전달을 위한 통신을 전환하여 행하는 와이어리스 급전 시스템의 개발이 진행되고 있다. 이러한 와이어리스 급전 시스템에 있어서의 송전측 장치는, 정보 전달을 위한 통신을 행할 때는 드라이브 회로에 의해 비교적 진폭이 작은 구동 신호를 생성하여 안테나를 구동함으로써 신호를 송신하고, 전력을 송전할 때는 드라이브 회로에 의해 진폭이 큰 구동 신호를 생성하여 안테나를 구동함으로써 신호를 송신한다. 이와 같이, 송전측 장치에 있어서, 1개의 드라이브 회로에 의해 전력의 송전과 정보의 통신으로 상이한 진폭의 구동 신호를 생성하기 위해서는, 예를 들어 드라이브 회로에 공급하는 전원 전압을 가변할 수 있는 전원 장치가 필요해진다.
종래부터 전원 장치로서 스위칭 레귤레이터나 직렬 레귤레이터가 알려져 있다. 그 밖에 스위칭 레귤레이터로부터의 출력과 직렬 레귤레이터로부터의 출력을 선택적으로 전환하여 부하에 전력을 공급하는 전원 장치가 알려져 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는 부하 전류에 따라서 리니어 레귤레이터를 이루는 LDO(Low Drop Out)와 스위칭 레귤레이터의 각 출력 전압 중 어느 하나를 전환하여 출력함으로써 경부하 시의 소비 전류의 저감을 도모하는 전원 장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2008-61452호 공보
본원 발명자는, 와이어리스 급전 시스템에 있어서의 송전측 장치에 적용하는 전원 장치로서 소정의 전압 범위에서 출력 전압이 가변하는 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것을 검토하였다. 그러나, 스위칭 레귤레이터는, 입출력 전위차가 바뀌면 스위칭 소자를 구동하는 신호의 듀티비가 바뀌고, 전원 장치의 귀환 루프의 주파수 특성이 바뀌므로, 입출력 전위차의 변동 폭이 크면 모든 입출력 조건에 있어서 안정된 제어를 행하는 것이 극히 곤란해지는 것이 명확해졌다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 기술은, 고정의 전압을 출력할 경우의 부하 변동에 대응하기 위한 기술이며, 출력 전압을 가변하는 경우나 입출력 전압차가 변화하는 경우에 대하여 특히 고려되어 있지 않다.
이러한 과제의 해결 수단 등을 이하에 설명하지만, 그 밖의 과제 및 신규 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 밝혀질 것이다.
본원에 있어서 개시되는 실시 형태 중 대표적인 것의 개요를 간단하게 설명하면 하기와 같다.
즉, 동적인 출력 전압의 변경이 가능한 본 전원 장치는, 스위칭 방식에 의해 입력된 전압을 강압해서 제1 노드에 출력하는 제1 레귤레이터와, 전압 강하에 의해 입력된 전압을 강압해서 상기 제1 노드에 출력하는 제2 레귤레이터를 갖는다. 본 전원 장치는, 제1 정보에 의해 지시된 목표 전압이 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 제어함과 함께 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급을 정지시킨다. 또한, 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 제2 레귤레이터를 제어함과 함께 제1 레귤레이터로부터의 전압 출력을 정지시킨다.
본원에 있어서 개시되는 실시 형태 중 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단하게 설명하면 하기와 같다.
즉, 본 전원 장치에 의하면, 보다 안정된 출력 전압의 가변 제어가 가능해진다.
도 1은 본원의 일실시 형태에 관한 전원 장치를 예시하는 블록도이다.
도 2는 실시 형태 1에 관한 와이어리스 통신 장치를 포함하는 와이어리스 충전 시스템을 예시하는 블록도이다.
도 3은 송전측 장치(101)에 있어서의 전원 회로(2)의 상세한 구성을 예시하는 블록도이다.
도 4는 PWM 신호 생성부(230)에 있어서의 각 전압의 타이밍을 예시하는 설명도이다.
도 5는 출력 전압(VOUT)의 목표 전압에 대한 기준 전압(VREF1 및 VREF2)을 나타내는 설명도이다.
도 6은 와이어리스 급전 시스템(100)에 있어서의 와이어리스 급전 시의 통신 타이밍을 예시하는 설명도이다.
1. 실시 형태의 개요
우선, 본원에 있어서 개시되는 대표적인 실시 형태에 대하여 개요를 설명한다. 대표적인 실시 형태에 관한 개요 설명에서 괄호를 붙여서 참조하는 도면 중의 참조 부호는 그것이 붙여진 구성 요소의 개념에 포함되는 것을 예시하는 것에 지나지 않는다.
〔1〕(출력해야 할 전압의 크기에 따라서 스위칭 방식과 직렬 방식을 전환하는 전원 장치)
본원의 대표적인 실시 형태에 관한 전원 장치(2)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 동적인 출력 전압(VOUT)의 변경이 가능한 전원 장치이다. 본 전원 장치는, 상기 출력 전압을 출력하기 위한 제1 노드(OUT)와, 스위칭 방식에 의해 입력된 전압을 강압해서 상기 제1 노드에 출력하는 제1 레귤레이터(20)와, 전압 강하에 의해 입력된 전압을 강압해서 상기 제1 노드에 출력하는 제2 레귤레이터(25)를 갖는다. 본 전원 장치는 또한, 상기 출력 전압의 목표 전압을 지시하는 제1 정보(TGT_VOUT)에 따라서 상기 제1 레귤레이터 및 상기 제2 레귤레이터를 제어하는 출력 전압 제어부(22)를 갖는다. 상기 출력 전압 제어부는, 상기 제1 정보에 의해 지시된 상기 목표 전압이 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 상기 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 상기 제1 레귤레이터를 제어함과 함께 상기 제2 레귤레이터로부터의 전압의 공급을 정지시킨다. 또한, 상기 출력 전압 제어부는, 상기 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 상기 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 상기 제2 레귤레이터를 제어함과 함께 상기 제1 레귤레이터로부터의 전압의 출력을 정지시킨다.
스위칭 레귤레이터는 입출력 전위차의 변동 폭이 크면 모든 입출력 조건에 있어서 안정된 제어를 행하는 것이 곤란해지지만, 본 전원 장치는 입출력 전위차가 작은 범위에서는 스위칭 방식의 제1 레귤레이터에 의해 전압을 생성하고, 입출력 전위차가 큰 범위에서는 직렬 방식의 제2 레귤레이터에 의해 전압을 생성하므로, 보다 안정된 출력 전압의 가변 제어가 가능해진다.
〔2〕(직렬 레귤레이터 출력 정지: 레귤레이터의 레퍼런스 전압을 고정함)
〔1〕의 전원 장치에 있어서, 상기 제2 레귤레이터는, 상기 제1 노드에 전류를 공급하는 출력 트랜지스터(MP1)와, 상기 제1 노드의 전압에 기초하는 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF2)을 입력하여 2개의 입력 전압의 오차가 작아지도록 상기 출력 트랜지스터에 의한 전류 공급을 제어하는 에러 증폭기(251)를 갖는다. 상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는 해당 목표 전압보다도 낮은 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하고, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는 해당 목표 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성한다.
이에 의하면, 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급의 정지와 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급의 재개의 전환을 용이하게 제어할 수 있다. 또한, 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급을 정지시키기 위해서 에러 증폭기 등의 동작을 정지시키지 않으므로, 출력 전압의 공급원을 제1 레귤레이터에서 제2 레귤레이터로 전환하고 나서 출력 전압이 안정될 때까지의 시간을 단축할 수 있다.
〔3〕(2개의 상이한 입력 전압)
〔1〕 또는 〔2〕의 전원 장치에 있어서, 상기 제1 레귤레이터는 제1 입력 전압(VIN1)을 강압해서 출력하고, 상기 제2 레귤레이터는 상기 제1 입력 전압보다도 낮은 제2 입력 전압(VIN2)을 강압해서 출력한다.
이에 의하면, 제2 레귤레이터에 있어서의 전압 강하분을 작게 할 수 있기 때문에 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급 시의 효율을 향상시킬 수 있다.
〔4〕(역류 방지 다이오드)
〔3〕의 전원 장치에 있어서, 상기 제2 레귤레이터는 순방향으로 바이어스된 다이오드(D2)를 거쳐서 상기 제1 노드에 전압을 출력한다.
이에 의하면, 제1 레귤레이터로부터의 전압 공급 시에 출력 전압이 제2 입력 전압보다도 높은 경우에도 제1 노드로부터 제2 레귤레이터를 거쳐서 제2 입력 전압이 공급되는 노드에 전류가 역류하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 트랜지스터 등의 스위치 소자를 사용하는 경우에는 스위치 소자를 제어하기 위한 제어 신호 등이 필요해지지만, 이에 의하면, 그러한 제어 신호가 필요없으므로 회로 구성을 간소화할 수 있다.
〔5〕(직렬 레귤레이터의 기준 전압의 상한값: 임계값 전압)
〔1〕 내지 〔4〕 중 어느 하나의 전원 장치에 있어서, 상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는 상기 소정의 임계값 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성한다.
이에 의하면, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우, 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급이 정지하는 기준 전압을 용이하게 생성할 수 있다.
〔6〕(스위칭 레귤레이터의 정지: 스위치 소자를 오프)
〔1〕 내지 〔5〕 중 어느 하나의 전원 장치에 있어서, 상기 제1 레귤레이터는, 인덕터(L)에 공급하는 전류를 스위칭 소자(PW_PMOS)에 의해 제어함으로써, 입력된 전압보다도 낮은 전압을 생성하여 출력하는 전압 컨버터 회로(24)와, 상기 스위칭 소자의 온·오프를 제어하는 스위칭 제어부(23)를 갖는다. 상기 출력 전압 제어부는 상기 스위치 소자를 오프시키도록 상기 스위칭 제어부를 제어함으로써 상기 제1 레귤레이터로부터의 전압의 출력을 정지시킨다.
이에 의하면, 용이하게 제1 레귤레이터로부터의 전압 공급을 정지시킬 수 있다.
〔7〕(와이어리스 통신 장치)
본원의 대표적인 실시 형태에 관한 와이어리스 통신 장치(101)는 데이터의 송수신과 전력의 송전을 전환하여 통신을 행하는 것이 가능한 와이어리스 통신 장치이다. 본 와이어리스 통신 장치는, 안테나(5)와, 상기 안테나를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 드라이브 회로(3)와, 상기 안테나와 수신 장치측의 안테나의 사이의 임피던스 정합을 위한 정합 회로(4)와, 〔1〕 내지 〔6〕 중 어느 하나의 전원 장치(2)와, 상기 통신을 제어하기 위한 데이터 처리 제어부(1)를 갖는다. 상기 데이터 처리 제어부는, 상기 안테나를 개재하여 데이터의 송신을 행하는 경우에는, 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 목표 전압을 지시하는 상기 제1 정보(TGT_VOUT)를 상기 전원 장치에 부여한다. 또한, 상기 데이터 처리 제어부는, 상기 안테나를 개재하여 전력의 송전을 행하는 경우에는, 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 목표 전압을 지시하는 상기 제1 정보를 상기 전원 장치에 부여한다. 상기 드라이브 회로는 상기 전원 장치로부터 출력된 전압에 따른 상기 구동 신호를 생성한다.
이에 의하면, 데이터의 송수신과 전력의 송전을 전환함에 있어서, 전원 장치에 의한, 보다 안정된 출력 전압의 가변 제어가 가능해진다. 또한, 데이터의 송수신 시에는 스위칭 방식이 아닌 제2 레귤레이터로부터의 출력 전압에 기초하여 상기 구동 신호가 생성되므로, 송수신 신호가 스위칭 노이즈의 영향을 받을 우려가 없고, 안정된 데이터 통신의 실현에 도움이 된다.
〔8〕(마이크로콘트롤러)
〔7〕의 와이어리스 통신 장치에 있어서, 상기 데이터 처리 제어부는 마이크로콘트롤러를 포함하여 구성된다.
〔9〕(전원 제어(IC))
본원의 대표적인 실시 형태에 관한 반도체 장치(21)는 강압형의 스위칭 레귤레이터(20)에 있어서의 스위칭 회로(PW_PMOS)의 온·오프를 제어하기 위한 제어 신호(VGD)를 생성하는 스위칭 제어부(23)와 직렬 레귤레이터(25)를 갖는다. 본 반도체 장치는 또한, 출력해야 할 목표 전압을 지시하는 제1 정보(TGT_VOUT)에 따라서 상기 스위칭 제어부와 상기 직렬 레귤레이터를 제어하는 출력 전압 제어부(22)를 갖는다. 상기 출력 전압 제어부는, 상기 제1 정보에 의해 지시된 상기 목표 전압이 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 해당 목표 전압이 되는 상기 제어 신호를 생성함과 함께 상기 직렬 레귤레이터로부터의 전압의 공급을 정지시킨다. 또한, 상기 출력 전압 제어부는, 상기 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 상기 직렬 레귤레이터의 출력 전압이 해당 목표 전압이 되도록 상기 직렬 레귤레이터를 제어함과 함께 상기 스위칭 레귤레이터에 의한 전압의 생성을 정지시킨다.
본 반도체 장치는, 예를 들어 복수의 레귤레이터 중 어느 하나의 레귤레이터에 의해 생성된 전압을 출력 전압으로서 출력하는 전원 장치에 있어서, 상기 출력 전압을 가변하기 위한 제어를 행하는 제어부로서 적용할 수 있다. 이에 의하면, 〔1〕과 마찬가지로, 입출력 전위차가 작은 범위에서는 스위칭 레귤레이터에 의해 전압을 생성하고, 입출력 전위차가 큰 범위에서는 직렬 레귤레이터에 의해 전압을 생성하므로, 전원 장치에 있어서의 보다 안정된 출력 전압의 가변 제어가 가능해진다.
〔10〕(레귤레이터 출력 정지: 레귤레이터의 레퍼런스 전압을 고정함)
〔9〕의 반도체 장치에 있어서, 상기 직렬 레귤레이터는, 부하를 구동하는 출력 트랜지스터(MP1)와, 상기 출력 전압에 따른 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF2)을 입력하고, 2개의 입력 전압의 오차가 작아지도록 상기 출력 트랜지스터를 제어하는 에러 증폭기(251)를 갖는다. 상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는 해당 목표 전압보다도 작은 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하고, 상기 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는 해당 목표 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성한다.
이에 의하면, 〔2〕와 마찬가지로, 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급의 정지와 재개의 전환을 용이하게 제어할 수 있고, 또한, 출력 전압의 공급원을 제1 레귤레이터에서 제2 레귤레이터로 전환하고 나서 출력 전압이 안정될 때까지의 시간을 단축할 수 있다.
〔11〕(직렬 레귤레이터의 기준 전압의 상한값: 임계값 전압)
〔10〕의 반도체 장치에 있어서, 상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는 상기 소정의 임계값 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성한다.
이에 의하면, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에 제2 레귤레이터로부터의 전압 공급이 정지하는 기준 전압을 용이하게 생성할 수 있다.
〔12〕(2개의 상이한 입력 전압)
〔9〕 내지 〔11〕중 어느 하나의 반도체 장치에 있어서, 상기 직렬 레귤레이터는 상기 스위칭 레귤레이터의 입력 전압(VIN1)보다도 낮은 전압(VIN2)을 강압해서 출력한다.
이에 의하면, 직렬 레귤레이터에 있어서의 전압 강하분을 작게 할 수 있으므로 직렬 레귤레이터로부터의 전압 공급 시의 효율을 향상시킬 수 있다.
2. 실시 형태의 상세
실시 형태에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
≪실시 형태1≫
도 2에, 실시 형태 1에 관한 와이어리스 통신 장치를 포함하는 와이어리스 충전 시스템을 예시한다. 동일 도면에 도시하는 와이어리스 충전 시스템(100)은, 송전측의 와이어리스 통신 장치(이하, 「송전측 장치」라고 칭함)(101)와, 수전측의 와이어리스 통신 장치(이하, 「수전측 장치」라고 칭함)(102)를 포함한다. 와이어리스 충전 시스템(100)에서는, 근거리 무선 통신에 의해 송전측 장치(101)와 수전측 장치(102) 사이에서 서로 데이터의 송신과 수신이 가능해진다. 해당 근거리 무선 통신은, 예를 들어 NFC(Near FieldCommunication)에 의한 근거리 무선 통신(이하, 간단히, 「NFC 통신」이라고 칭함)이다. 또한, 와이어리스 충전 시스템(100)에서는 송전측 장치(2)로부터 수전측 장치(3)에의 비접촉(와이어리스)에 의한 전력 공급이 가능해진다.
송전측 장치(101)는, 예를 들어 NFC 제어부(1), 전원 회로(2), 드라이브 회로(3), 정합 회로(4) 및 안테나(5)를 포함하여 구성된다. NFC 제어부(1)는 수전 장치(102)와의 사이의 통신을 위한 통괄적인 제어를 행한다. 예를 들어, NFC 통신과 와이어리스에 의한 전력의 송전과의 전환을 제어함과 함께, NFC 통신에 있어서의 데이터의 송수신을 위한 각종 처리를 행한다. NFC 제어부(1)는 특별히 제한되지는 않지만, NFC 통신 기능을 구비한 마이크로컴퓨터에 의해 형성되고, 예를 들어 제어 회로(11), 메모리 회로(13) 및 통신 회로(12)를 포함한다. 제어 회로(11)는, 예를 들어 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 형성되고, 와이어리스 급전이나 NFC 통신을 위한 소정의 프로그램을 실행한다. 상세한 것은 후술하지만, 제어부(11)는 전력의 송전 시나 NF 통신 시에 전원 장치(2)의 출력 전압(VOUT)의 목표 전압을 지시하는 정보(이하, 설정 전압 정보라고도 칭함)(TGT_VOUT)를 출력함으로써 전력의 송전과 NFC 통신의 각각에 적합한 출력 전압(VOUT)의 생성을 전원 장치(2)에 지시한다. 메모리 회로(252)는, 예를 들어 ROM(Read Only Memory)이나 RAM(Random Access Memory)을 포함하여 구성된다. 상기 ROM에는, 예를 들어 상기 중앙 처리 장치로 실행되는 프로그램이 저장된다. 상기 RAM은 상기 중앙 처리 장치로 행해지는 연산 처리의 작업 영역 등에 이용된다. 통신 회로(12)는 안테나(5)를 개재하여 수전측 장치(102) 사이에서 NFC 통신을 행한다. 예를 들어, NFC 통신에 있어서의 신호의 수신 시는, 안테나(5)에 의해 수전측 장치(102)로부터 송신된 신호를 수신하고, 그 수신 신호를 정합 회로(4)를 개재하여 NFC 제어부(1) 내에 도입한다. 또한, NFC 통신에 있어서의 신호의 송신 시는, NFC 제어부(1)는 송신해야 할 데이터를 드라이브 회로(3)에 부여하고, 드라이브 회로(3)가 수취한 데이터에 따라서 안테나(5)를 구동함으로써 송신 신호를 생성한다.
정합 회로(4)는 안테나(5)와 수신 장치(102)측의 안테나(6)의 사이의 임피던스 정합을 행하기 위한 회로이며, 예를 들어 안테나(5)에 병렬 접속되어서 공진 회로를 형성한다. 안테나(5)는 전력의 송전과 NFC 통신에 의한 신호의 송수신을 행하기 위한 공용 안테나이며, 예를 들어 코일 안테나이다.
드라이브 회로(3)는 안테나(5)를 구동하기 위한 구동 신호를 생성한다. 예를 들어, NFC 통신에 있어서의 신호의 송신 시에는 통신 회로(12)로부터 부여된 송신해야 할 데이터에 따라서 구동 신호를 생성하고, 전력의 송전 시에는 공급해야 할 전력의 크기에 따른 구동 신호를 생성한다. 이 구동 신호에 의해 안테나(5)가 여진된다. 드라이브 회로(3)는 전원 회로(2)로부터 출력되는 출력 전압(VOUT)을 전원으로서 동작한다. 상세한 것은 후술하지만, 드라이브 회로(3)에 의해 생성되는 구동 신호의 진폭의 크기는 전원 회로(2)의 출력 전압(VOUT)의 크기에 따라 결정된다.
전원 회로(2)는, 예를 들어 전원 어댑터나 유니버설 시리얼 버스(USB) 등으로부터 공급된 입력 전압(VIN1)에 기초하여 송전측 장치(101) 내의 각 기능부의 동작 전원이 되는 복수의 전압을 생성한다. 예를 들어, 드라이브 회로(2)의 동작 전원이 되는 전압(VOUT)이나, NFC 제어부(1)의 동작 전원이 되는 전압(VNFC)을 생성한다. 전원 회로(2)의 상세에 대해서는 후술한다.
수전측 장치(3)는, 예를 들어 안테나(6), 정합 회로(7), 정류 회로(10), 전원부(9), 배터리(94), NFC 제어부(8)를 포함한다. 안테나(6)는 송전측 장치(101)의 안테나(5)에 의해 발생된 공명 작용에 의해 기전력(교류 신호)을 발생하는 동시에, NFC 통신에 관한 신호의 송신 및 수신을 행한다. 정합 회로(7)는 안테나(6)에 병렬 접속되어서 공진 회로를 형성한다. 정류 회로(10)는 안테나(6)를 개재하여 얻어진 교류 신호를 정류한다. 전원부(9)는 상기 정류 회로(10)의 출력 전압에 기초하여, 소형 휴대 단말 장치(예를 들어, 스마트폰 등)의 부하 회로가 되는 전자 회로(EC)(103)에의 동작용 전원 전압의 공급이나, 배터리(94)에의 충전 전압의 공급이나, NFC 제어부(8)의 동작용 전원 전압의 공급 등을 행한다. 배터리(94)는 특별히 제한되지는 않지만, 1셀의 전지(4.0 내지 4.2V)가 되고, 예를 들어 리튬 이온 전지가 된다. 전원부(9)는 강압 회로(91), 충전 제어 회로(92), NFC 전원 회로(93)를 포함한다. 강압 회로(91)는 상기 정류 회로(10)의 출력 전압을 강압한다. 충전 제어 회로(92)는 강압 회로(91)의 출력 전압에 기초하여 배터리(94)의 충전을 행한다. NFC 전원 회로(93)는 NFC 제어부(8)의 동작용 전원 전압을 형성한다. NFC 통신에 있어서의 수신 신호는 정합 회로(7)를 개재하여 NFC 제어부(8) 내에 도입된다. NFC 제어부(8)는 특별히 제한되지는 않지만, 마이크로컴퓨터에 의해 형성되고, 통신 회로(82), 메모리 회로(83), 제어 회로(81)를 포함한다. 통신 회로(82)는 상기 안테나(6)를 개재하여 NFC 통신을 행한다. 제어 회로(81)는 중앙 처리 장치(CPU)에 의해 형성되고, NFC 제어를 위한 소정의 프로그램을 실행한다. 메모리 회로(83)는, 예를 들어 ROM이나 RAM을 포함한다. 상기 ROM에는 상기 중앙 처리 장치로 실행되는 프로그램이 저장된다. 상기 RAM은 상기 중앙 처리 장치로 행해지는 연산 처리의 작업 영역 등에 이용된다.
여기서, 송전측 장치(101)에 의한 와이어리스 급전에 대하여 설명한다.
송전측 장치(101)는, 예를 들어 전력의 송전과 NFC 통신을 교대로 전환하면서 통신을 행함으로써 와이어리스 급전을 실현한다. 구체적으로는, 전력의 송전을 행할 경우, NFC 제어부(1)에 있어서의 제어 회로(11)는 제1 목표 전압을 지시하는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)를 전원 회로(2)에 부여함과 동시에, 드라이브 회로(3)에 대하여 전력의 송전에 따른 구동 신호의 생성을 지시한다. 한편, NFC 통신에 의해 데이터를 송신할 경우에는, 제어 회로(11)는 제2 목표 전압을 지시하는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)를 전원 회로(2)에 부여하는 동시에, 드라이브 회로(3)에 송신해야 할 데이터에 따른 구동 신호의 생성을 지시한다. 여기서, 제1 목표 전압은, 예를 들어 3.5V 내지 18V의 범위 내의 전압이며, 제2 목표 전압은, 예를 들어 0.5V 내지 3.0V의 범위 내의 전압이다. 상술한 바와 같이, 드라이브 회로(3)의 구동 신호의 진폭은 출력 전압(VOUT)의 크기에 따라서 결정되므로, NFC 통신 시에는 비교적 작은 전력의 송신 신호가 수전측 장치(102)에 송신되고, 전력의 송전 시에는 비교적 큰 전력의 송신 신호가 수전측 장치(102)에 송신된다.
NFC 제어부(1)는 수전측 장치(102)의 배터리(94)의 잔량에 관한 정보(이하, 배터리 잔량 정보라고도 칭함) 등을 NFC 통신에 의해 취득한다. 그리고, NFC 제어부(1)는 취득한 배터리 잔량 정보에 기초하여 송신해야 할 전력의 크기를 조정한다. 예를 들어, 수전측 장치(102)의 배터리(94)의 잔량이 적은 경우에는 보다 큰 전력을 송신하도록 전원 장치(2)를 제어하고, 배터리(94)의 잔량이 많은 경우에는 보다 작은 전력을 송신하도록 전원 장치(2)를 제어한다. 예를 들어, NFC 제어부(1)는 NFC 통신에 의해 취득한 배터리 잔량 정보에 의해 배터리(94)의 잔량이 적다고 판단하면, 예를 들어 목표 전압으로서 18V를 지시하는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)를 전원 장치(2)에 부여한다. 전원 장치(2)는 18V의 출력 전압(VOUT)을 생성하고, 드라이브 회로(3)는 18V에 따른 구동 신호를 생성한다. 이에 의해, 전력량이 큰 송신 신호가 안테나(5)로부터 송신된다. 그 후, NFC 통신에 의한 배터리 잔량 정보의 취득과 전력의 송전이 반복하여 행해진다. 그리고, NFC 제어부(1)는, 배터리(94)가 만충전에 가까워졌다고 판단하면, 예를 들어 목표 전압으로서 3.5V를 지시하는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)를 전원 장치(2)에 부여한다. 이에 의해, 전원 장치(2)에 의해 3.5V의 출력 전압(VOUT)이 생성되고, 전력량이 작은 송신 신호가 안테나(5)로부터 송신된다. 이와 같이, 배터리 잔량에 따라서 송신하는 전력량을 조정함으로써 배터리(94)의 충전 제어를 효율적으로 행할 수 있다.
이어서, 송전측 장치(101)에 있어서의 전원 회로(2)에 대하여 설명한다.
상술한 바와 같이, 전원 장치(2)는 송전측 장치(101) 내의 각 기능부에 공급하는 복수의 전원 전압을 생성하지만, 여기에서는 전압(VOUT)의 생성에 관한 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
전원 장치(2)는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)에 의해 지시된 크기의 전압을 생성하고, 출력 전압(VOUT)으로서 출력한다. 특별히 제한되지는 않지만, 설정 전압 정보(TGT_VOUT)에 의해 지시되는 목표 전압은, 예를 들어 0.5V 내지 18V의 범위의 전압이다. 따라서, 전원 장치(2)는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)에 따라서 0.5V 내지 18V의 범위에서 출력 전압(VOUT)을 가변하여 출력한다.
상술한 바와 같이, 스위칭 레귤레이터에 의해 고정의 입력 전압(예를 들어, 20V)부터 0.5V 내지 18V의 넓은 범위의 출력 전압을 생성할 경우, 입출력 전위차의 변동 폭이 커지므로(예를 들어, 상기의 경우, 변동 폭은 2V 내지 19.5V가 됨), 모든 입출력 조건으로 스위칭 레귤레이터를 안정적으로 제어하는 것이 곤란해진다. 따라서, 본 전원 장치(2)는 출력해야 할 전압(목표 전압)이 비교적 큰 경우(예를 들어, 3.5V 이상)에는 스위칭 레귤레이터에 의해 출력 전압(VOUT)을 생성하고, 목표 전압이 비교적 작은 경우(예를 들어, 3.5V 미만)에는 직렬 레귤레이터에 의해 전압을 생성한다. 이하, 전원 장치(2)의 내부 구성에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 전원 회로(2)의 상세한 구성을 예시하는 블록도이다.
동일 도면에 도시되어 있는 전원 회로(2)는, 전압을 생성하는 복수의 레귤레이터와, 그 밖의 주변 회로로 구성된다. 동일 도면에는 드라이브 회로(3)의 동작 전원 전압이 되는 전압(VOUT)을 생성하기 위한 레귤레이터와, 그것에 관련된 주변 회로만이 도시되어 있다. 구체적으로는 스위칭 레귤레이터(20), 직렬 레귤레이터(25), 역류 방지 회로(26) 및 출력 전압 제어부(22)가 도시되어 있다.
동일 도면이 도시되어 있는 전원 회로(2)에 있어서의 주요 부분은 특별히 제한되지는 않지만, 공지된 반도체 집적 회로 제조 기술(예를 들어, CMOS 프로세스의 제조 기술)에 의해 실리콘 기판 등의 하나의 반도체 기판에 형성된 반도체 장치로서 구성된다. 이하, 해당 부분을 「전원 제어IC」라고 칭한다. 전원 제어IC(21)는, 예를 들어 직렬 레귤레이터(25), 스위칭 레귤레이터 제어부(23) 및 출력 전압 제어부(22)를 포함한다. 또한, 전원 제어IC(21)에는 외부 단자로서 단자DIN, 단자VLDO, 단자IN2, 단자COMP, 단자FB, 단자GD 및 그 밖에 도시되지 않은 복수의 단자(예를 들어, 전원 단자나 그라운드 단자 등)가 설치되어 있다.
스위칭 레귤레이터(20)는, 예를 들어 강압형의 스위칭 레귤레이터이다. 특별히 제한되지는 않지만, 도 3에서는 비절연형의 강압 스위칭 레귤레이터(강압 초퍼형의 스위칭 레귤레이터)가 예시되어 있다. 스위칭 레귤레이터(20)는, 예를 들어 전원 어댑터나 유니버설 시리얼 버스(USB) 등으로부터 입력된 전압(VIN1)(예를 들어, 20V)부터 3.5V 내지 18V의 범위의 전압을 생성한다.
스위칭 레귤레이터(20)는, 예를 들어 스위칭 레귤레이터 제어부(23)와, 전압 컨버터 회로(24)를 포함하여 구성된다. 전압 컨버터 회로(24)는 직류의 입력 전압(VIN1)을 원하는 크기의 직류 전압으로 변환하여 노드(OUT)에 출력한다. 전압 컨버터 회로(24)는, 예를 들어 입력 용량(CIN), 스위칭 소자(PW_PMOS), 다이오드(D1), 코일(L), 출력 용량(COUT), 저항(R1, R2) 및 용량(C2)으로 구성된다. 입력 용량(CIN)은 스위칭 레귤레이터(20)의 입력측의 안정화 용량이다. 출력 용량(COUT)은 스위칭 레귤레이터(20)의 출력측의 안정화 용량이다. 스위칭 소자(PW_PMOS)는 입력 전압(VIN)이 공급되는 노드와 코일(L)의 사이에 접속된다. 스위칭 소자(PW_PMOS)는, 예를 들어 P 채널형의 파워 MOS 트랜지스터이다. 스위칭 소자(PW_PMOS)는 후술하는 스위칭 레귤레이터 제어부(23)로부터 출력되는 PWM 신호(VGD)에 의해 온·오프가 제어된다. 이에 의해, 코일(L)에 흐르는 전류가 제어되고, 노드(OUT)에 입력 전압(VIN)보다도 낮은 전압이 발생한다. 저항(R1, R2)은 출력 전압(VOUT)에 따른 피드백 전압(VFB)을 생성하기 위한 분압 저항이며, 노드(OUT)와 그라운드 노드의 사이에 직렬로 접속된다. 저항(R1)과 저항(R2)의 접속 노드는 전원 제어IC의 단자(FB)에 접속된다. 스위칭 레귤레이터 제어부(23) 및 직렬 레귤레이터(25)는 출력 전압(VOUT)을 분압한 피드백 전압(VFB)을 입력함으로써 노드(OUT)의 전압을 모니터한다.
스위칭 레귤레이터 제어부(23)는 피드백 전압(VFB)에 기초하여 전압 컨버터 회로(24)에 있어서의 스위칭 소자(PW_PMOS)를 제어하기 위한 PWM 신호(VGD)를 생성한다. 구체적으로는, 스위칭 레귤레이터 제어부(23)는, 예를 들어 PWM(pulse width modulation) 신호 생성부(230)와 에러 증폭기(234)로 구성된다. 에러 증폭기(234)는 후술하는 출력 전압 제어부(22)로부터 공급되는 출력해야 할 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF1)과 피드백 전압(VFB)을 입력하고, 2개의 입력 전압의 오차가 작아지도록 제어 신호(VCOMP)를 생성하여 출력한다. 에러 증폭기(234)의 출력 노드에는 단자(COMP)를 개재하여 위상 보상을 위한 외장형 용량(C1)이 접속된다. PWM 신호 생성부(230)는 에러 증폭기(234)로부터 출력된 제어 신호(VCOMP)에 기초하여 PWM 신호를 생성한다. PWM 신호 생성부(230)는, 예를 들어 램프 신호 발생 회로(231)와 비교기 회로(232)와 SR 래치 회로(233)를 포함하여 구성된다. 램프 신호 발생 회로(231)는 소정의 주파수의 램프 신호(거파 신호)(RMP_OUT)를 생성함과 함께, 램프 신호의 정점의 타이밍에서 원샷 신호(SET)를 생성하여 출력한다. 비교기 회로(232)는 램프 신호(RMP_OUT)와 제어 신호(VCOMP)를 비교하고, 비교 결과에 따른 신호를 출력한다. SR 래치 회로(233)는 원샷 신호(SET)를 세트 단자(S)에 입력하고, 비교기 회로(232)의 출력 신호를 리셋 단자(R)에 입력한다. SR 래치 회로(233)의 반전 출력 단자(QB)로부터 출력되는 신호가 PWM 신호(VGD)가 된다.
도 4는 PWM 신호 생성부(230)에 있어서의 각 전압의 타이밍을 예시하는 설명도이다. 동일 도면에 도시된 바와 같이, 램프 신호(RMP_OUT)가 제어 신호(VCOMP)보다도 커지면, PWM 신호(VGD)가 하이 레벨이 된다. 그 후, 램프 신호(RMP_OUT)가 정점에 달하면 원샷 신호(SET)가 출력됨과 함께, 램프 신호(RMP_OUT)보다도 제어 신호(VCOMP)가 커지면, PWM 신호가 로우 레벨이 된다. 이와 같이 각 신호가 생성됨으로써, 에러 증폭기(234)의 출력 신호인 제어 신호(VCOMP)의 크기에 따라서 펄스폭이 변화하는 PWM 신호(VGD)가 생성된다. PWM 신호(VGD)는, 예를 들어 단자(GD)의 전단 또는 후단에 설치된 도시되지 않은 드라이브 회로 등을 거쳐서 스위치 소자(PW_PMOS)의 게이트 단자에 공급된다. 이에 의해, 노드(OUT)의 전압이 목표 전압이 되도록 제어된다.
직렬 레귤레이터(25)는 단자(IN2)에 공급된 전압(VIN2)을 전압 강하에 의해 강압하고, 노드(OUT)에 출력한다. 전압(VIN2)은 스위칭 레귤레이터(20)의 입력 전압(VIN1)보다도 낮은 전압이며, 예를 들어 5.0V이다. 직렬 레귤레이터(25)는, 예를 들어 LDO(Low Drop Out)이며, 예를 들어 5.0V의 입력 전압(VIN2)으로부터 0.5V 내지 3.0V의 전압을 생성한다. 이에 의해, 직렬 레귤레이터(25)에 있어서의 전력 손실을 억제할 수 있다.
직렬 레귤레이터(25)는, 예를 들어 에러 증폭기(251)와 출력 트랜지스터(MP1)를 포함하여 구성된다. 출력 트랜지스터(MP1)는, 예를 들어 P 채널형의 MOS 트랜지스터이며, 소스가 단자(IN2)에 접속되고, 드레인이 단자(VLDO)에 접속된다. 단자(IN2)에는 전압(VIN2)이 공급된다. 단자(VLDO)는 역류 방지 회로(26)를 거쳐서 노드(OUT)에 접속된다. 역류 방지 회로(26)는 출력 전압(VOUT)이 전압(VIN2)보다도 높은 경우에 노드(OUT)로부터 출력 트랜지스터(MP1)를 거쳐서 전압(VIN2)이 공급되는 노드에 전류가 역류하는 것을 방지한다. 역류 방지 회로(26)는, 예를 들어 애노드가 단자(VLDO)에 접속되고, 캐소드가 노드(OUT)에 접속되는 다이오드(D2)로 구성된다. 다이오드(D2)는 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어 숏키 배리어 다이오드이다. 이에 의하면, 역류 방지 회로(26)로서 트랜지스터 등의 스위치 소자를 사용하는 경우에 비해 해당 스위치 소자를 제어하기 위한 제어 신호 등이 불필요해지므로, 간소화한 회로 구성으로 역류 방지를 실현할 수 있다.
에러 증폭기(251)는 후술하는 출력 전압 제어부(22)로부터 공급되는 출력해야 할 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF2)과 피드백 전압(VFB)을 입력하고, 2개의 입력 전압의 오차가 작아지도록 출력 트랜지스터(MP1)의 게이트 전압을 제어한다. 이에 의해, 출력 전압(VOUT)이 목표 전압이 되도록 출력 트랜지스터(MP1)로부터 노드(OUT)에 공급되는 전류량이 조정된다.
출력 전압 제어부(22)는 단자(DIN)를 개재하여 입력한 설정 전압 정보(TGT_VOUT)에 기초하여 스위칭 레귤레이터 제어부(23) 및 직렬 레귤레이터(25)를 제어한다. 구체적으로는, 출력 전압 제어부(22)는 설정 전압 정보(TGT_VOUT)에 의해 지시된 전압의 크기에 따라서 스위칭 레귤레이터 제어부(23)에 공급하는 기준 전압(VREF1)과, 직렬 레귤레이터(25)에 공급하는 기준 전압(VREF2)을 생성한다.
출력 전압 제어부(22)는, 예를 들어 디지털·아날로그 변환 회로(DAC)(220)와 제1 제어부(EN_CNT)(221)와 제2 제어부(REF_CNT)(222)를 포함하여 구성된다.
디지털·아날로그 변환 회로(DAC)(220)는 단자(DIN)를 개재하여 입력된 설정 전압 정보(TGT_VOUT)를 아날로그 신호로 변환한다. 설정 전압 정보(TGT_VOUT)는, 예를 들어 출력 전압(VOUT)의 목표 전압에 대응하는 기준 전압을 나타내는 정보를 포함하고, 해당 정보는 예를 들어 5비트의 디지털값이다. 디지털·아날로그 변환 회로(220)에 의해 변환된 아날로그 신호는, 기준 전압(VREF1)으로서 제1 제어부(221) 및 제2 제어부(222)에 부여되는 동시에, 스위칭 레귤레이터 제어부(23)의에러 증폭기(234)에 부여된다.
제1 제어부(221)는 기준 전압(VREF1)의 크기에 기초하여 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 전압의 생성과 그 정지를 제어한다. 제1 제어부(221)는, 예를 들어 비교기 회로로 구성된다. 제1 제어부(221)는, 예를 들어 기준 전압(VREF1)이 소정의 임계값 전압(VTH)보다도 큰 경우에는 스위칭 레귤레이터(20)를 인에이블 상태로 하고, 기준 전압(VREF1)이 소정의 임계값 전압(VTH)보다도 작은 경우에는 스위칭 레귤레이터(20)를 디스에이블 상태로 한다.
소정의 임계값 전압(VTH)은 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 출력 전압(VOUT)의 생성과 직렬 레귤레이터(25)에 의한 출력 전압(VOUT)의 생성을 전환하기 위한 기준이 되는 전압이다. 특별히 제한되지는 않지만, 본 실시 형태에서는 소정의 임계값 전압(VTH)은 목표 전압이 3.0V일 때의 기준 전압(VREF1)과 동등한 전압으로 설정되어 있는 것으로 한다. 예를 들어, 3.5V 내지 18V의 범위의 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF1)이 입력된 경우, 입력된 기준 전압(VREF1)은 임계값 전압(VTH)보다도 커지므로, 제1 제어부(221)는 스위칭 레귤레이터(20)를 인에이블 상태로 한다. 한편, 0.5V 내지 3V의 범위의 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF1)이 입력된 경우, 입력된 기준 전압(VREF1)은 임계값 전압(VTH)보다도 작아지므로, 제1 제어부(221)는 스위칭 레귤레이터(20)를 디스에이블 상태로 한다.
스위칭 레귤레이터(20)의 인에이블 상태와 디스에이블 상태를 전환하기 위한 제어 방법은 특별히 제한되지는 않지만, 도 3에는 스위칭 레귤레이터 제어부(23)에 있어서의 에러 증폭기(234)의 출력 노드와 그라운드 노드의 사이에 설치된 N 채널형의 MOS 트랜지스터(MN1)의 온·오프를 제1 제어부(221)에 의해 제어하는 방법이 나타나 있다. 또한, 스위칭 레귤레이터(20)의 디스에이블 상태란, 예를 들어 전압 컨버터 회로(24)의 스위치 소자(PW_PMOS)가 오프 상태가 되는 것이다.
제2 제어부(222)는 기준 전압(VREF1)의 크기에 기초하여 직렬 레귤레이터(25)의 에러 증폭기(251)의 기준 전압(VREF2)을 생성한다. 구체적으로는, 제2 제어부(222)는, 기준 전압(VREF1)이 상기 소정의 임계값 전압(VTH)보다도 큰 경우, 기준 전압(VREF1)보다도 낮은 기준 전압(VREF2)을 생성하여 출력하고, 기준 전압(VREF1)이 소정의 임계값(VTH)보다도 작은 경우, 기준 전압(VREF1)을 기준 전압(VREF2)으로서 그대로 출력한다. 예를 들어, 3.5V 내지 18V의 범위의 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF1)이 입력된 경우, 제2 제어부(222)는 소정의 임계값 전압(VTH)(3.0V)에 대응하는 기준 전압(VREF2)을 생성하고 출력한다. 0.5V 내지 3.0V의 범위의 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF1)이 입력된 경우, 제2 제어부(222)는 입력된 기준 전압(VREF1)을 기준 전압(VREF2)으로서 그대로 출력한다. 이와 같이 함으로써 직렬 레귤레이터(25)는 0.5V 내지 3.0V의 범위의 목표 전압이 지시된 경우에는 출력 전압(VOUT)이 해당 목표 전압이 되도록 제어되고, 3.5V 내지 18V의 범위의 목표 전압이 지시된 경우에는 출력 전압(VOUT)이 소정의 임계값 전압(VTH)에 따른 목표 전압(=3.0V)이 되도록 제어된다.
도 5는 출력 전압(VOUT)의 목표 전압에 대한 기준 전압(VREF1 및 VREF2)을 나타내는 설명도이다. 동일 도면에 있어서, 참조 부호 400은 출력 전압(VOUT)의 목표 전압을 나타내고, 참조 부호 401은 기준 전압(VREF2)에 따라서 생성되는 출력 전압의 크기를 나타내고, 참조 부호 402는 기준 전압(VREF1)에 따라서 생성되는 출력 전압(VOUT)의 크기를 나타낸다.
동일 도면에 도시된 바와 같이, 목표 전압이 0.5V 내지 3.0V의 범위(403)에서는 출력 전압(VOUT)이 0.5V 내지 3.0V가 되는 기준 전압(VREF1) 및 기준 전압(VREF2)이 생성된다. 범위(403)에서는, 상술한 바와 같이, 기준 전압(VREF1)이 소정의 임계값 전압(VTH)보다도 낮으므로, 스위칭 레귤레이터(20)는 디스에이블 상태가 되고, 직렬 레귤레이터(25)에 의해 출력 전압(VOUT)이 생성된다. 목표 전압이3.5V 이상의 범위에서는 참조 부호(402)에 나타난 바와 같이, 목표 전압에 대응하여 출력 전압(VOUT)이 3.5V 이상이 되는 기준 전압(VREF1)이 생성된다. 한편, 참조 부호(401)에 나타난 바와 같이, 기준 전압(VREF2)은 소정의 임계값 전압(VTH)(3.0V)에 대응하는 고정 전압이 된다.
이상과 같은 출력 전압 제어부(22)의 제어에 의해 스위칭 레귤레이터(20) 및 직렬 레귤레이터(25)는 이하와 같이 동작한다.
예를 들어, 0.5V 내지 3.0V의 범위의 목표 전압이 지시된 경우, 제1 제어부(221)에 의해 에러 증폭기(234)의 출력 전압(VCOMP)이 0V로 고정되고, 전압 컨버터 회로(24)의 스위칭 소자(PW_PMOS)의 스위칭이 정지(오프 상태)가 된다. 이에 의해, 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 출력 전압(VOUT)의 생성이 정지된다. 이 때, 직렬 레귤레이터(25)에는 목표 전압에 대응하는 기준 전압(VREF2)이 공급되므로, 직렬 레귤레이터(25)에 의해 0.5V 내지 3.0V의 범위의 출력 전압(VOUT)이 생성된다. 한편, 목표 전압이 3.5V 이상인 경우, 제1 제어부(221)에 의해 에러 증폭기(234)의 동작 제한이 해제되고, 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 출력 전압(VOUT)의 생성이 가능해진다. 이 때, 직렬 레귤레이터(25)에 입력되는 기준 전압(VREF2)은 지시된 목표 전압에 의하지 않고 소정의 임계값 전압(VTH)(3.0V)에 대응하는 전압으로 고정되므로, 에러 증폭기(251)는 피드백 전압(VFB)과 기준 전압(VREF2)의 오차가 0이 되도록 출력 트랜지스터(MP1)를 제어한다. 예를 들어, 목표 전압으로서 8.0V가 지시된 경우, 스위칭 레귤레이터(20)에 의해 8.0V의 출력 전압(VOUT)이 생성된다. 그 출력 전압(VOUT)(8.0V)에 대응하는 피드백 전압(VFB)은 단자(FB)를 개재하여 직렬 레귤레이터(25)의 에러 증폭기(251)에 입력된다. 이 때, 에러 증폭기(251)는 3.0V를 지시하는 기준 전압(VREF2)이 입력되어 있으므로, 출력 전압(VOUT)이 8.0V에서 3.0V가 되도록 출력 트랜지스터(MP1)의 게이트 전압을 제어한다. 구체적으로는, 출력 트랜지스터(MP1)로부터의 노드(OUT)에의 전류 공급을 억제하도록 트랜지스터(MP1)의 게이트 전압을 상승시킨다. 예를 들어, 트랜지스터(MP1)의 게이트·소스간 전압이 0V가 되도록 게이트 전압을 상승시킨다. 이에 의해, 트랜지스터(MP1)로부터의 전류 공급이 정지되므로, 실질적으로 직렬 레귤레이터(25)로부터 노드(OUT)에의 전압 공급이 정지되고, 스위칭 레귤레이터(20)에 의해 출력 전압(VOUT)이 유지된다. 이 때, 직렬 레귤레이터(25)의 전원 전압(VIN2)(5.0V)보다도 출력 전압(VOUT)(8.0V)쪽이 크지만, 단자(VLDO)와 노드(OUT)의 사이에 역류 방지 회로(26)가 존재하므로, 출력 트랜지스터(MP1)를 개재한 전원 전압(VIN2)에의 전류의 역류는 방지된다.
도 6은 와이어리스 급전 시스템(100)에 있어서의 와이어리스 급전 시의 통신 타이밍을 예시하는 설명도이다.
동일 도면에 도시된 바와 같이, 우선, 타이밍 t0에서 NFC 제어부(1)는 NFC 통신을 개시하므로, 전원 장치(2)에 대하여 0.5V 내지 3.0V의 범위 중 어느 하나의 출력 전압(VOUT)의 생성을 지시한다. 0.5V 내지 3.0V의 범위 중 어느 하나의 전압을 지시할지는, 예를 들어 수전측 장치(102)의 안테나(6)나 그 밖의 주변 회로의 구성 등에 의해 미리 결정된다. 이 때, 스위칭 레귤레이터(20)는 디스에이블 상태가 되고, 직렬 레귤레이터(25)에 의해 출력 전압(VOUT)이 생성된다. 출력 전압(VOUT)이 지시된 목표 전압에 도달한 후, 예를 들어 타이밍 t1에서 NFC 통신이 개시된다. 이에 의하면, NFC 통신 중에는 직렬 레귤레이터(25)에 의해 출력 전압(VOUT)이 생성되므로, 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 스위칭 노이즈가 송수신 신호에 전파하여 통신이 중단되거나 할 우려가 없어 NFC 통신의 안정성을 높일 수 있다. 이 NFC 통신에 의해, 수전측 장치(102)와 송전측 장치(101) 사이에서, 예를 들어 상기 배터리 잔량 정보나 다른 정보의 송수신이 행해진다. 그 후, 타이밍 t2에서 NFC 통신이 정지되고, 전력의 송전에 관한 통신으로 이행한다. NFC 제어부(1)는 상기 배터리 잔량 정보에 기초하여 수전측 장치(102)의 배터리(94)의 잔량을 파악하고, 그 잔량에 따라서 송전하는 전력량을 결정한다. 그리고, NFC 제어부(11)는 3.5V 내지 18V의 범위의 전압 중 상기 결정한 전력량에 따른 출력 전압(VOUT)의 생성을 전원 장치(2)에 지시한다. 이에 의해, 상술한 바와 같이, 직렬 레귤레이터(25)로부터의 전압 출력이 정지되고, 스위칭 레귤레이터(20)에 의해 출력 전압(VOUT)이 생성된다. 출력 전압(VOUT)이 지시된 목표 전압에 도달한 후, 예를 들어 타이밍 t3에서 전력의 송전이 개시되고, 수전측 장치(102)의 배터리(94)의 충전이 행해진다. 그 후, 타이밍 t4에서 송전이 일시 중단되고, NFC 통신으로 이행한다. 구체적으로는, NFC 제어부(1)가 전원 장치(2)에 대하여 0.5V 내지 3.0V의 범위 중 어느 하나의 출력 전압(VOUT)의 생성을 지시한다. 출력 전압(VOUT)이 목표 전압에 도달하면, 예를 들어 타이밍 t5에서 NFC 통신이 개시된다. 이 때, 전력의 송전이 정지되고 나서 NFC 통신이 개시될 때까지의 기간(500)의 길이는, 주로, 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 전압 생성부터 직렬 레귤레이터(25)에 의한 전압 생성으로 전환되고 나서 출력 전압(VOUT)이 안정될 때까지의 시간에 의해 결정된다. 상술한 바와 같이, 송전측 장치(101)의 전원 장치(2)는 전력의 송전을 행하고 있을 때 직렬 레귤레이터(25)의 동작을 정지시키지 않고(예를 들어, 에러 증폭기(251)의 동작을 정지시키지 않음), 지시된 목표 전압보다도 낮은 기준 전압(VREF2)을 에러 증폭기(251)에 부여함으로써 실질적으로 직렬 레귤레이터(25)가 출력 전압(VOUT)에 영향을 주지 않는 상태로 유지하고 있다. 이에 의해, 직렬 레귤레이터(25)의 동작을 정지시키는 경우에 비하여, 직렬 레귤레이터(25)에 의한 전압 생성으로 전환되고 나서 출력 전압(VOUT)이 안정될 때까지의 시간을 단축할 수 있다. 이에 의해, 전력의 송전이 정지되고 나서 NFC 통신이 개시될 때까지의 기간(500)을 짧게 할 수 있어 와이어리스 급전에 필요로 하는 전체적인 시간의 단축에 도움이 된다.
이상, 실시 형태 1에 관한 전원 장치(2)에 의하면, 스위칭 레귤레이터의 입출력 전위차가 작아지는 범위에서는 스위칭 레귤레이터에 의해 전압을 생성하고, 스위칭 레귤레이터의 입출력 전위차가 커지는 범위에서는 직렬 레귤레이터에 의해 전압을 생성한다. 이에 의해, 스위칭 레귤레이터에 의해 모든 입출력 조건에 있어서 전압을 생성하는 경우에 비하여, 보다 안정된 출력 전압(VOUT)의 가변 제어가 가능해진다. 또한, NFC 통신 시에 직렬 레귤레이터(25)에 의해 출력 전압(VOUT)을 생성하므로, 송수신 신호가 스위칭 노이즈의 영향을 받을 우려가 없어 안정된 데이터 통신이 가능해진다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시 형태에 기초하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 그것에 한정되지는 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변경 가능한 것은 말할 필요도 없다.
예를 들어, 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 전압 생성과 직렬 레귤레이터에 의한 전압 생성을 전환하기 위한 임계값 전압(VTH)을, 목표 전압을 3.0V로 했을 때의 기준 전압(VREF1)과 동등한 전압으로 설정하는 경우를 예시했지만, 이것에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 스위칭 레귤레이터(20)의 안정 동작이 가능한 입출력 전압차에 따라서 임계값 전압(VTH)의 크기를 변경해도 된다. 예를 들어, 상기 실시 형태의 예보다도 스위칭 레귤레이터(20)의 안정 동작이 가능한 입출력 전압차의 범위가 좁은 경우에는, 임계값 전압(VTH)을 보다 높은 전압(예를 들어, 목표 전압을 4.5V로 했을 때의 기준 전압(VREF1)과 동등한 전압)으로 설정하면 된다.
또한, 스위칭 레귤레이터(20)와 직렬 레귤레이터(25)의 전환 조건과, 전력의 송전과 NFC 통신의 전환 조건을 반드시 일치시킬 필요는 없다. 예를 들어, 임계값 전압(VTH)을 4.5V로 설정한 경우, 0.5V 내지 4.5V까지는 직렬 레귤레이터(25)에 의한 출력 전압(VOUT)의 생성을 행하고, 5.0V 내지 18V까지는 스위칭 레귤레이터(20)에 의한 출력 전압(VOUT)의 생성을 행한다. 한편, 0.5V 내지 3.0V의 범위의 출력 전압(VOUT)에 의해 NFC 통신을 행하고, 3.5V 내지 18V의 범위의 출력 전압(VOUT)에 의해 전력의 송전을 행한다. 이와 같이 레귤레이터의 전환 조건과 통신의 전환 조건을 서로 다르게 했다고 하더라도, 안정된 출력 전압(VOUT)의 가변 제어가 가능해지고, 또한, NFC 통신 시에는 직렬 레귤레이터에 의해 출력 전압이 생성되므로 안정된 데이터 통신도 가능해진다.
실시 형태 1에서는 와이어리스 급전에 의해 배터리(94)를 충전하는 경우를 예시했지만, 이것에 한정되지는 않고, 송전된 전력을 다른 장치(예를 들어, 전자 회로(EC)(103) 등)의 구동에 이용해도 된다. 이 경우, 송전측 장치(101)는, 예를 들어 필요해지는 전력량을 결정하기 위한 정보를 NFC 통신에 의해 수신하고, 그 정보에 기초하여 송전해야 할 전력량에 따른 출력 전압(VOUT)을 결정할 수도 있다.
스위칭 레귤레이터(20)로서 강압 초퍼형의 스위칭 레귤레이터를 예시했지만, 이것에 한정되지는 않고, 다른 방식의 스위칭 레귤레이터이어도 된다. 예를 들어, 절연형의 스위칭 레귤레이터이어도 된다.
직렬 레귤레이터(25)의 전원 전압으로서 스위칭 레귤레이터(20)의 입력 전압(VIN1)과 상이한 전압(VIN2)을 공급하는 경우를 예시했지만, 직렬 레귤레이터(25)에 의한 전력 손실이 허용되는 것이라면 전압(VIN1)을 직렬 레귤레이터(25)의 전원 전압으로 해도 된다.
스위칭 레귤레이터(20)를 인에이블 상태로 하는 방법으로서 에러 증폭기(234)의 출력 전압을 접지 전압(0V)으로 고정하는 예를 나타냈지만, 전압 컨버터 회로(24)의 스위칭을 정지시킬 수 있으면 다른 방법이어도 된다. 예를 들어, 에러 증폭기(234)에 입력하는 기준 전압을 0V로 고정해도 된다.
역류 방지 회로(26)로서 다이오드(D2)를 포함하여 이루어지는 회로 구성을 예시했지만, 전류의 역류를 방지할 수 있으면 다른 회로 구성이어도 된다.
전원 제어IC(21)로서 하나의 반도체 기판에 형성되는 기능부의 범위는 도 3에 나타내는 범위에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 스위칭 소자(PW_PMOS)나 다이오드(D2)를 전원 제어IC(21)에 내장해도 되고, 저항(R1, R2, C2) 등을 내장해도 된다.
2 : 전원 장치
20 : 스위칭 레귤레이터
22 : 출력 전압 제어부
23 : 스위칭 레귤레이터 제어부
25 : 직렬 레귤레이터
251 : 에러 증폭기
MP1 : 출력 트랜지스터
24 : 전압 컨버터 회로
OUT : 출력 노드
VOUT : 전원 장치의 출력 전압
TGT_VOUT : 설정 전압 정보
CIN : 입력 용량
COUT : 출력 용량
PW_PMOS : 스위칭 소자
D1 : 다이오드
L : 코일
R1, R2 : 저항
C2 : 용량
100 : 와이어리스 급전 시스템
VIN1 : 입력 전압
VNFC : NFC 제어부의 전원 전압
101 : 송전측 장치
102 : 수전측 장치
1, 8 : NFC 제어부
11, 81 : 제어부
13, 83 : 메모리 회로
12, 82 : 통신 회로
3 : 드라이브 회로
4 : 정합 회로
5, 6 : 안테나
7 : 정합 회로
9 : 전원부
91 : 강압 회로
92 : 충전 제어 회로
93 : NFC 전원 회로
94 : 배터리
10 : 정류 회로
103 : 전자 회로(EC)
21 : 전원 제어IC
DIN, VLDO, IN2, COMP, FB, GD : 외부 단자
22 : 출력 전압 제어부
220 : 디지털·아날로그 변환 회로
221 : 제1 제어부
222 : 제2 제어부
VREF1, VREF2 : 기준 전압
230 : PWM 신호 생성부
231 : 램프 신호 발생 회로
232 : 비교기 회로
233 : SR 래치 회로
234 : 에러 증폭기
MN1 : MOS 트랜지스터
VGD : PWM 신호
SET : 원샷 신호
RMP_OUT : 램프 신호(거파 신호)
VCOMP : 에러 증폭기(234)의 출력 신호
CI : 외장형 용량
26 : 역류 방지 회로
D2 : 다이오드
400 : 목표 전압
401 : 기준 전압 VREF2
402 : 기준 전압 VREF1
403, 500 : 기간
t1 내지 t5 : 타이밍

Claims (12)

  1. 동적인 출력 전압의 변경이 가능한 전원 장치로서,
    상기 출력 전압을 출력하기 위한 제1 노드와,
    스위칭 방식에 의해, 입력된 전압을 강압해서 상기 제1 노드에 출력하는 제1 레귤레이터와,
    전압 강하에 의해, 입력된 전압을 강압해서 상기 제1 노드에 출력하는 제2 레귤레이터와,
    상기 출력 전압의 목표 전압을 지시하는 제1 정보에 따라서 상기 제1 레귤레이터 및 상기 제2 레귤레이터를 제어하는 출력 전압 제어부를 갖고,
    상기 출력 전압 제어부는, 상기 제1 정보에 의해 지시된 상기 목표 전압이 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 상기 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 상기 제1 레귤레이터를 제어함과 함께 상기 제2 레귤레이터로부터의 전압의 공급을 정지시키고, 상기 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 상기 제1 노드의 전압이 해당 목표 전압이 되도록 상기 제2 레귤레이터를 제어함과 함께 상기 제1 레귤레이터로부터의 전압의 공급을 정지시키는 전원 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 레귤레이터는,
    상기 제1 노드에 전류를 공급하는 출력 트랜지스터와,
    상기 제1 노드의 전압에 기초하는 피드백 전압과 기준 전압을 입력하고, 2개의 입력 전압의 오차가 작아지도록 상기 출력 트랜지스터에 의한 전류 공급을 제어하는 에러 증폭기를 갖고,
    상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 해당 목표 전압보다도 낮은 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하고, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 해당 목표 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하는 전원 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 레귤레이터는 제1 입력 전압을 강압해서 출력하고,
    상기 제2 레귤레이터는 상기 제1 입력 전압보다도 낮은 제2 입력 전압을 강압해서 출력하는 전원 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 레귤레이터는 순방향으로 바이어스된 다이오드를 개재하여 상기 제1 노드에 전압을 출력하는 전원 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 상기 소정의 임계값 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하는 전원 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 레귤레이터는,
    인덕터에 공급하는 전류를 스위칭 소자에 의해 제어함으로써, 입력된 전압보다도 낮은 전압을 생성하여 출력하는 전압 컨버터 회로와,
    상기 스위칭 소자의 온·오프를 제어하는 스위칭 제어부를 갖고,
    상기 출력 전압 제어부는 상기 스위칭 소자를 오프시키도록 상기 스위칭 제어부를 제어함으로써 상기 제1 레귤레이터로부터의 전압의 출력을 정지시키는 전원 장치.
  7. 데이터의 송수신과 전력의 송전을 전환하여 통신을 행하는 것이 가능한 와이어리스 통신 장치로서,
    안테나와,
    상기 안테나를 구동하기 위한 구동 신호를 생성하는 드라이브 회로와,
    상기 안테나와 수신 장치측의 안테나 사이의 임피던스 정합을 위한 정합 회로와,
    제1항에 기재된 전원 장치와,
    상기 통신을 제어하기 위한 데이터 처리 제어부를 갖고,
    상기 데이터 처리 제어부는, 상기 안테나를 개재하여 데이터의 송신을 행하는 경우에는, 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 목표 전압을 지시하는 상기 제1 정보를 상기 전원 장치에 부여하고, 상기 안테나를 개재하여 전력의 송전을 행하는 경우에는, 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 목표 전압을 지시하는 상기 제1 정보를 상기 전원 장치에 부여하고,
    상기 드라이브 회로는 상기 전원 장치로부터 출력된 전압에 따른 상기 구동 신호를 생성하는 와이어리스 통신 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 데이터 처리 제어부는 마이크로콘트롤러를 포함하여 구성되는 와이어리스 통신 장치.
  9. 강압형의 스위칭 레귤레이터에 있어서의 스위칭 회로의 온·오프를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하는 스위칭 제어부와,
    직렬 레귤레이터와,
    출력해야 할 목표 전압을 지시하는 제1 정보에 따라서 상기 스위칭 제어부와 상기 직렬 레귤레이터를 제어하는 출력 전압 제어부를 갖고,
    상기 출력 전압 제어부는, 상기 제1 정보에 의해 지시된 상기 목표 전압이 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 상기 스위칭 레귤레이터의 출력 전압이 해당 목표 전압이 되는 상기 제어 신호를 생성시킴과 함께 상기 직렬 레귤레이터로부터의 전압의 공급을 정지시키고, 상기 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 상기 직렬 레귤레이터의 출력 전압이 해당 목표 전압이 되도록 상기 직렬 레귤레이터를 제어함과 함께 상기 스위칭 레귤레이터에 의한 전압의 생성을 정지시키는 상기 제어 신호를 생성시키는 반도체 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 직렬 레귤레이터는,
    부하를 구동하는 출력 트랜지스터와,
    상기 출력 전압에 따른 피드백 전압과 기준 전압을 입력하고, 2개의 입력 전압의 오차가 작아지도록 상기 출력 트랜지스터를 제어하는 에러 증폭기를 갖고,
    상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는, 해당 목표 전압보다도 작은 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하고, 상기 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 작은 경우에는, 해당 목표 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하는 반도체 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 출력 전압 제어부는, 상기 지시된 목표 전압이 상기 소정의 임계값 전압보다도 큰 경우에는 상기 소정의 임계값 전압에 따른 상기 기준 전압을 생성하는 반도체 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 직렬 레귤레이터는 상기 스위칭 레귤레이터의 입력 전압보다도 낮은 전압을 강압해서 출력하는 반도체 장치.
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