KR20140130170A

KR20140130170A - 무선 급전 장치

Info

Publication number: KR20140130170A
Application number: KR20147025687A
Authority: KR
Inventors: 히로키 이시쿠로; 타다히로 쿠로다; 마사오 타구치
Original assignee: 각고호우징 게이오기주크
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-11-07
Also published as: US20150054349A1; WO2013121904A1; JP2013172490A; JP5997456B2; TWI553988B; TW201351836A

Abstract

무선 급전을 위한 자계 결합의 L1, C1 공진 회로의 공진 주파수 및 그 1/3 분주 주파수에 의해 스위칭 회로(11)가 선택적으로 공진 회로를 여기함으로써 무선 급전하는 전력을 고속으로 변경한다. 공진 주파수에서 여기하는 경우는 큰 전력을 급전하고, 1/3 분주 주파수에서 여기하는 경우는 작은 전력을 급전한다. 이것에 의해, 전력 변환 효율이 높고, 불필요 복사가 적고, 급전하는 전력을 고속으로 변경할 수 있는 무선 급전 장치를 제공할 수 있다.

Description

무선 급전 장치{WIRELESS POWER SUPPLY DEVICE}

본 발명은, 예를 들면, 메모리카드와 같이 전원을 구비하지 않은 정보 처리·축적 장치에 대하여, 무선으로 전력을 전송하는 무선 급전 장치에 관한 것으로, 특히, 부하 변동에 대한 응답속도를 높이고, 전력 변환 효율을 높여, 불필요 복사를 저감할 수 있는 무선 급전 장치에 관한 것이다.

무선 급전은 금속 접점이나 커넥터 등을 통하지 않고 전력을 전송하므로, 방수성이 요구되는 용도나 단자의 노출이 바람직하지 않은 응용, 예를 들면, 비접촉형 IC 카드나 무선 전화 등에 채용되고 있다. 2개의 인접하는 코일의 한 쪽에 전류를 흘리면 자속이 발생하고, 그 자속이 다른 한 쪽의 코일을 관통하여 기전력을 발생하는 전자 유도를 사용한 방식이 일반적이다.

종래의 무선 급전에서는 송신 전력을 미세하게 조정할 필요는 없었다. 비접촉형 IC 카드의 경우에는, 소비전력이 극소(수십 밀리와트 정도)이므로, 송신측이 일정한 전력을 송신하고, 수신측에서 불필요한 전력을 버려도, 전력의 낭비는 작으므로 문제가 되지 않았다. 또는, 무선 전화의 경우에는 수신측에 내장된 2차 전지를 충전하고 있으므로, 충전에 요하는 전력은 천천히밖에 변화되지 않는다. 최근, 예를 들면, 전기 자동차를 달리면서 충전할 수 있도록, 기기를 사용하면서 무선 급전할 수 있는 기술의 제안이 되어 있지만, 2차 전지 또는 캐패시터가 있으면, 급격한 소비전력의 변화가 있어도 2차 전지로부터 필요한 전력을 순간적으로 공급할 수 있다. 따라서 비접촉 충전을 할 수 있으면 충분하여, 고속 부하 변동에 대응할 수 있는 무선 급전의 요구는 없었다.

그런데, 대용량 메모리 카드와 같이, 소형으로 1W 이상의 전력이 필요한 정보 기기에 급전하는 경우에는, 급격한 소비전력의 변화에 따라 송신 전력을 조정하는 것이 바람직하다. 수신측에서 여분의 전력을 버리면 전력의 낭비가 지나치게 큰 것과, 2차 전지 혹은 충분히 큰 캐패시터를 탑재할 수 없기 때문이다. 메모리카드의 경우에는, 데이터의 읽기/쓰기 동작에 따라, 소비전력이 0.1밀리 초 이내에 1자리수 변화하는 경우도 있다. 전력의 낭비 없이 또한 수전측의 전원전압을 일정하게 유지하기 위해서는, 기기의 동작 상태에 추종하여 송신 전력을 고속으로 제어할 필요가 있다.

송신 전력은 송신측의 코일을 흐르는 전류를 바꾸는 스위칭 주파수를 변조하거나(FM 변조)(예를 들면, 비특허문헌 1 참조.), 펄스폭을 변조(PW 변조)(예를 들면, 비특허문헌 2 참조.)함으로써 제어할 수 있다.

스위칭 마다 전력을 전송하므로, 스위칭 주파수를 높게 할수록 송신 전력을 고속으로 제어할 수 있다. 지금까지는 수100kHz가 자주 사용되어 왔지만, 예를 들면, 수MHz∼10수MHz를 사용하여 스위칭 제어를 하고 싶다.

그러나, 사용 가능한 주파수는 규제로 제한되어 있다. 특히 1MHz 이상의 높은 주파수대에서는 규제가 엄격하다. 예를 들면, 국제 전기통신 연합(ITU: International Telecommunication Union)은 오로지 무선통신 이외의 산업·과학·의료에 고주파 에너지원으로서 이용하기 위한 주파수대를 ISM 밴드로 칭하고 규제하고 있다. 예를 들면, ISM 밴드의 하나인 13.553∼13.567MHz의 범위에서는 10m 떨어진 지점에서 40dBuA/m의 자계 강도의 전자파가 방사되어도 상관없지만, ISM 밴드 이외에서는 자계 강도는 -8dBuA/m 이하가 아니면 안된다. 이 경우, ISM 밴드로서 허용되는 주파수의 범위는 중심 주파수(13.56MHz)의 불과 0.05%(±7kHz)이므로, 그 좁은 주파수 범위 중에서는 FM 변조나 PW 변조를 사용하여 송신 전력을 조정할 수 있는 범위가 좁다고 하는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명자들은 송신측 코일을 2개 겹쳐서 구비하여, 양쪽 코일이 생성하는 자속을 더해 합하여 수신 코일에 통과시키는 구성으로 하고, 각각의 송신 코일에 흘리는 송신 전류의 위상을 변하게 함으로써 수신측에 전송되는 전력을 조정하는 방식을 제안했다(비특허문헌 3 참조.). 즉, 2개의 송신 코일이 송출하는 자속이 동일 위상에서 중첩했을 때는 최대의 전송 전력이 되고, 양쪽 자속이 반대의 위상에서 중첩했을 때는 최소의 전송 전력이 되어, 스위칭 주파수를 바꾸지 않고 위상 조정으로 송신 전력을 조정할 수 있다.

Ping Si 등, "A Frequency Control Method for Regulating Wireless Power to Implantable Devices," Trans. Biomedical Circuits and Systems, vol.2, pp.22-29, March 2008. Wenzhen Fu 등, "Study on Frequency-tracking Wireless Power Transfer System by Resonant Coupling," IPEMC, pp.2658-2663, May 2009. K. Tomita, R. Shinoda, T. Kuroda, and H. Ishikuro,"1W 3.3V-to-16.3V Boosting Wireless Power Transfer Circuits with Vector Summing Power Controller," IEEE Asian solid state circuit conference (A-SSCC'11), Dig. Tech. Papers, pp.177-180, Nov. 2011.

(발명의 개요)

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나, 이 방식에서는, 전송하는 전력을 작게 하는 경우에는, 일방의 송신 코일로부터 타방의 송신 코일로 전력이 흘러 그 일부가 손실되기 때문에, 전력효율을 높게 할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여, 전력 변환 효율이 높고, 불필요 복사가 적고, 급전하는 전력을 고속으로 바꿀 수 있는 무선 급전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

청구항 1 기재의 본 발명의 무선 급전 장치는 소정의 공진 주파수에서 공진하고 수전측 공진 회로와 유도결합하여 무선 급전하는 송전측 공진 회로와, 상기 송전측 공진 회로를 소정의 주파수에서 여기하는 스위칭 회로와, 상기 공진 주파수 및 이 공진 주파수를 홀수로 분주(分周)한 분수 조파 주파수 중의 복수의 주파수에서 선택적으로 상기 스위칭 회로의 여기를 제어함으로써 급전하는 전력을 제어하는 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 2 기재의 본 발명의 무선 급전 장치는 소정의 공진 주파수에서 공진하고 수전측 공진 회로와 유도결합하여 무선 급전하는 송전측 공진 회로와, 상기 송전측 공진 회로를 소정의 주파수에서 여기하는 스위칭 회로와, 상기 공진 주파수 및 이 공진 주파수를 홀수로 분주한 분수 조파 주파수 중의 복수의 주파수에서 선택적으로 상기 스위칭 회로의 여기를 제어함으로써 급전하는 전력을 제어하는 제어 회로와, 상기 공진 주파수에서 공진하고 상기 송전측 공진 회로와 유도결합하여 무선 급전을 받는 수전측 공진 회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.

청구항 3 기재의 본 발명의 무선 급전 장치는 상기 제어 회로는 상기 복수의 주파수를 의사 랜덤으로 선택하는 것을 특징으로 한다.

청구항 4 기재의 본 발명의 무선 급전 장치는 상기 제어 회로는 상기 복수의 주파수를 ΔΣ 변조에 의해 의사 랜덤으로 선택하는 것을 특징으로 한다.

청구항 5 기재의 본 발명의 무선 급전 장치는 상기 제어 회로는 수전측 회로로부터 필요한 급전 전력에 관한 정보를 수신하고, 이 필요한 급전 전력에 따라 상기 복수의 주파수를 선택하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 무선 급전 장치 의하면, 전력 변환 효율이 높고, 불필요 복사가 적어, 급전하는 전력을 고속으로 바꿀 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 무선 급전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 여기 주파수와 여기 전압의 관계를 도시하는 도면이다.
도 3은 공진 주파수에서 여기하는 경우에 공진 회로에 인가되는 전압파형과 공진 회로에 흐르는 전류파형을 도시하는 도면이다.
도 4는 공진 주파수의 1/3의 주파수에서 스위칭 한 경우의 전압·전류파형을 도시하는 도면(그 1)이다.
도 5는 공진 주파수의 1/3의 주파수에서 스위칭 한 경우의 전압·전류파형을 도시하는 도면(그 2)이다.
도 6은 실시예 1에서의 전송 전력의 제어의 원리를 나타내는 도면이다.
도 7은 50% 이외의 듀티비를 갖는 분수 조파의 만드는 방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 공진 주파수와 그 1/3 분수 조파를 PWM 변조에 의해 전환한 경우의 전류 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2에 의한 의사 랜덤 PWM 변조를 사용한 경우의 전류 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 의한 ΔΣ 변조를 사용한 경우의 전류주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예 4에 의한 대역 통과형 ΔΣ 변조를 사용한 경우의 전류주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 5에 의한 무선 급전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예 5에 의한 구성에서 실측한 동작 파형을 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예 6에 의한 무선 급전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 15는 공진 주파수와 1/3 분수 조파의 비율을 변경한 경우의 전송 전력과 효율을 나타내는 그래프이다.
도 16은 전송 전력을 변경한 경우의 불필요 복사 성분의 변화를 ΔΣ 변조의 유무로 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 공진 회로의 구성의 변화예를 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 공진 회로의 구성의 다른 변화예를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 구성의 또 다른의 변화예를 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세하게 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 무선 급전 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시예 1의 무선 급전 장치는, 송전측에서 제어 회로(10), 스위칭 회로(11) 및 인덕터(L1)와 컨덴서(C1)로 이루어지는 공진 회로를 구비하고, 수전(受電)측에서 인덕터(L2)와 컨덴서(C2)로 이루어지는 공진 회로, 정류기(12), 컨덴서(C3) 및 출력 부하(Z)를 구비한다. 스위칭 회로(11)는 스위치(SW1) 및 스위치(SW2)의 직렬 회로로 이루어지고, 반갈아 온, 오프 함으로써, 소정의 주파수에서 L1, C1 공진 회로를 여기한다.

송신측의 인덕터(L1)와 수신측의 인덕터(L2)가 유도결합(상호 인덕턴스(M))함으로써 무선 급전할 수 있다.

공진 주파수(fo)는, 예를 들면, IMS 밴드로부터 선택한다. 공진 주파수(fo)는

fo=1/2π√{(L-M)C} (1)

로 정해진다.

L=L1=L2=300nH

M=150nH

C=C1=C2=1.0nF

로 선택하면, 공진 주파수(fo)는 약 13MHz가 된다. 이에 대하여 13.56MHz에서 스위칭 회로를 제어하면, 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다. 또한 노이즈의 발생을 억제할 수 있다.

도 2는 여기 주파수와 여기 전압과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 2(a), (b)는 공진 주파수(fo)의 전압(VDD)의 직사각형파로 공진 회로를 여기하는 경우를 나타낸다. 이 경우, 구형파의 푸리에 전개로부터, 이 구형파의 기본파인 fo의 성분의 전압 진폭은 2VDD/π, n차 고조파 성분의 전압 진폭은 2VDD/nπ로 표시된다(n은 홀수). 도 2(c), (d)는 공진 주파수(fo)를 홀수로 분주한 분수 조파(fo/n; 여기에서는 n=3)를 사용하여 공진 회로를 여기하는 경우를 나타낸다. 이 경우, 공진 주파수(fo)를 사용한 경우에 비해 작은 전력을 급전할 수 있다. 즉, 이 직사각형파의 기본파인 fo/n의 성분의 전압 진폭은 2VDD/π, 공진 주파수(fo)에 대응하는 n차 고조파 성분의 전압 진폭은 2VDD/nπ로 표시된다. 공진 주파수(fo)에 상당하는 성분만이 유효하게 공진 회로를 통하여 수전측에 공급되고, 그 이외의 성분은 임피던스 부정합에 의해 전원측에 회수된다. 따라서, n차 분수 조파를 사용함으로써 공진 주파수 성분의 전압을 1/n로 줄일 수 있다. 부하 임피던스가 일정한 경우에는, 송신 전력은 전압의 2승에 비례하기 때문에 1/n²로 억제하는 것이 가능하게 된다. 송신 전력의 조정을 위해 주파수를 고정으로 하고 전원 전압(VDD)을 DC-DC 컨버터 등으로 제어하는 방법도 가능하지만, 부품수의 증가로 이어져, 실장 면적, 비용의 증대 및 효율의 열화를 초래한다. 본 실시예 1에서는, 부품수를 극단적으로 늘리지 않고 전력 제어가 가능하다(주파수 변환 기능 등은 집적화 가능함).

도 3은 공진 주파수에서 여기하는 경우에 공진 회로에 인가되는 전압파형과 공진 회로에 흐르는 전류파형을 도시하는 도면이다. 우선, 스위치(SW2)가 오프 되고 스위치(SW1)가 온 되면(φ1), 공진 회로에 전류(I1)가 흐르기 시작한다. 스위칭 주기의 1/4의 시점에서 전류(I1)는 최대가 되고, 공진 작용에 의해, 그 후 전류는 감소하기 시작하고 스위칭 주기의 1/2의 시점에서 전류가 0이 된다. 다음에, 스위치(SW1)가 오프 되고 스위치(SW2)가 온 되면(φ2), 전류가 역류를 시작하여 인덕터(L1)→컨덴서(C1)→스위치(SW2)의 경로로 흐른다. 이와 같이 공진 주파수에서 스위칭을 행하면 스위치에 전압이 걸리는 타이밍에 전류를 0으로 할 수 있어, 손실을 억제할 수 있다(제로 전류 스위칭). 또한, 인덕터(L1)를 흐르는 전류가 불연속점이 없는 정현파 형상으로 되어 불필요한 복사 성분을 억제할 수 있다.

도 4, 도 5는 공진 주파수의 1/3의 주파수에서 스위칭 한 경우의 전압·전류파형을 도시하는 도면이다. SW2가 오프 되고 SW1이 온 되면, 상기와 동일한 공진 회로에 전류(I1)가 흐르기 시작하고, 공진 주기의 1/2 주기 동안(φ1) 전원으로부터 전류가 인덕터(L1) 방향으로 흐르고, 다음 공진 주기의 1/2 주기 동안(φ2)은 전원측으로 전류가 역류하고, 또한 다음 1/2 주기 동안(φ3)은 다시 전원으로부터 인덕터(L1) 방향으로 흐른다. 그 후, SW1이 오프 되고 SW2이 온 되면(도 5), 공진 주기의 3/2 주기 동안(φ4, φ5, φ6), 전류는 인덕터(L1), 컨덴서(C1), SW2의 루프를 주회(周回)한다 (공진 주기의 1/2 주기마다 전류의 방향이 바뀜). 공진 주파수의 1/3의 주파수에서 스위칭 한 경우에도, 스위치의 온 ·오프가 전환되는 타이밍에서는 스위치에 흐르는 전류가 0이 되어 효율이 좋고 또한 불필요 복사가 적은 스위칭이 가능하게 된다.

도 6은 실시예 1에서의 전송 전력의 제어의 원리를 나타내는 도면이다. 스위칭 주파수를 공진 주파수와 그 1/3 분수 조파로 전환함으로써 송신 전력을 조정할 수 있다. 단위시간당 공진 주파수를 사용하는 비율이 클수록 전력은 커지고, 1/3 분수 조파를 사용하는 비율이 많아질수록 전송 전력이 내려간다. 이 비율을 조정함으로써 전송 전력을 제어할 수 있다.

(듀티비를 변경함에 의한 임의의 정수 분주파를 만드는 방법)

도 7은 50% 이외의 듀티비를 갖는 분수 조파를 만드는 방법을 나타내는 도면이다. 공진 주기를 To로 하면 스위치(SW1)가 온인 시간을 To/2×p, 스위치(SW2)가 온인 시간을 To/2×q로 한다. 단, p, q는 1 이상의 홀수로 한다. 이 파형의 주기는 To×(p+q)/2가 되고, 공진 주파수를 (p+q)/2 분주한 신호가 된다(전술의 3분주의 경우는 p=q=3의 경우임). 이 신호의 기본파 성분은 fo/{(p+q)/2}의 주파수에서 진폭 2VDD/π를 갖고, 공진 주파수(fo)에서의 성분의 전압은 2VDD/{π(p+q)/2}이 된다. 예를 들면, p=1, q=3으로 하면, 공진 주파수의 1/2 분수 조파가 된다. 이러한 파형을 사용함으로써 홀수 분주파에만 한정되지 않고, 제로 전류 스위칭을 가능하게 하는 임의의 정수 분주파를 만들 수 있다. 즉, 공진 주파수와 홀수 분주파를 선택하는 듀티비를 바꿈으로써 임의의 정수 분주파를 만드는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 기본파 성분의 주파수를 정하는 자유도가 넓혀져, 사용할 수 있는 주파수대가 한정되어 있는 경우에도 본 발명을 이용할 수 있는 용도가 넓어진다.

(공진 주파수 및 2개 이상의 분수 조파를 사용하는 전력 제어)

또한, 공진 주파수와 그 분수 조파를 2개 이상 사용하여 전력 제어를 행할 수도 있다. 사용하는 분수 조파를 늘림으로써 전력 제어의 조정폭을 확대할 수 있고, 또한 특정 주파수에 불필요 복사 성분이 발생하지 않도록 하는 것이 용이하게 된다.

(PWM 변조로 전력 제어)

도 8은 공진 주파수와 그 1/3 분수 조파를 PWM 변조에 의해 변경한 경우의 전류 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다. PWM 변조기의 입력은 급전하려고 하는 전력에 상당하고, 그것에 따라, 공진 주파수(fo)를 사용하는 시간과 1/3 분수 조파를 사용하는 시간의 비율을 변경한다. PWM의 주기를 TPWM으로 하면, 인덕터(L1)를 흐르는 전류는 공진 주파수를 중심으로 하여 주파수 간격이 1/T PWM으로 변조가 걸린 것으로 된다.

(실시예 2)

(의사 랜덤 PWM 변환으로 스퓨리어스 성분의 억제)

도 9는 본 발명의 실시예 2에 의한 의사 랜덤 PWM 변조를 사용한 경우의 전류주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 본 실시예 2의 무선 급전 장치는 공진 주파수와 그 1/3 분수 조파의 비율을 급전하는 전력에 따른 소정값으로 하면서, 전환에 의사 랜덤 PWM 변조를 사용한다. 실시예 1에서는, 인덕터(L1)를 흐르는 전류는 공진 주파수(fo)를 중심으로 하여 주파수 간격이 1/T PWM으로 변조가 걸린 스펙트럼이 되고, 특히 공진 주파수(fo)의 이웃의 변조 성분의 파워가 커진다. 이에 반해 의사 랜덤 PWM을 사용하면 스펙트럼을 확산할 수 있어, 공진 주파수 근방의 변조 성분을 억제할 수 있다.

(실시예 3)

(ΔΣ 변환으로 스퓨리어스 성분의 억제)

도 10은 본 발명의 실시예 3에 의한 ΔΣ 변조를 사용한 경우의 전류 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 본 실시예 3의 무선 급전 장치는 공진 주파수와 그 1/3 분수 조파의 비율을 급전하는 전력에 따른 소정값으로 하면서, 변환을 의사 랜덤으로 하여 ΔΣ 변조를 사용한다. ΔΣ 변조를 사용함으로써 제어 신호의 주기성을 더 제거하는 것이 가능하게 되어, 개개의 스퓨리어스 성분의 강도를 억제하는 것이 가능하게 된다.

(실시예 4)

(대역 통과형 ΔΣ 변환으로 스퓨리어스 성분의 억제)

도 11은 본 발명의 실시예 4에 의한 대역 통과형 ΔΣ 변조를 사용한 경우의 전류 주파수 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 본 실시예 4의 무선 급전 장치는 공진 주파수와 그 1/3 분수 조파의 비율을 급전하는 전력에 따른 소정값으로 하면서, 전환을 의사 랜덤하게 하여 대역 통과형의 ΔΣ 변조를 사용한다. 대역 통과형 ΔΣ 변조의 0점의 위치를 조정함으로써, 특정 주파수 대역의 스퓨리어스를 선택적으로 억제하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 전력 전송과 데이터 전송을 상이한 주파수대에서 동시에 행하는 경우에, 데이터 전송에 사용하는 주파수대의 스퓨리어스를 선택적으로 억제하는 것과 같은 용도에 사용할 수 있다.

(실시예 5)

(수전측에서 송전측으로 송전량을 지정하는 신호를 송신함)

도 12는 본 발명의 실시예 5에 의한 무선 급전 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시예 5의 무선 급전 장치는 수전측의 수전 상황을 송전측에 피드백 하여 전력 제어를 행한다. 수전측에서, 정류기(12)에 의해 정류된 전압을 직렬 저항(R1, R2)에 의해 분압하여 모니터링 하고, 비교기(13)에 의해 기준전압(Vref)과 비교하여, 결과를 송전측에 데이터 채널을 사용하여 전송한다. 송전측에서는 피드백 된 신호를 바탕으로, 루프 필터(14), ΔΣ 변조기(15) 및 제어 회로(10)에 의해, 공진 주파수(fo) 및 그 분수 조파로 전환함으로써 송신 전력을 조정한다. 이차전지나 대용량의 캐패시터를 수전측에 실장할 수 없는 용도에서는, 수전측의 부하(소비전력)보다도 큰 전력을 송전하면 수전측에 높은 전압이 발생하여, 소자 신뢰성을 손상시킨다. 또한 수전측의 부하보다도 전송 전력이 작으면, 수전측의 전압이 저하하여 회로가 오동작한다. 수전측에 레귤레이터를 넣어도 전력을 조제할 수는 있지만, 그 경우에는 전력손실을 따라 효율이 저하되어 버린다. 이에 반해 본 발명에 의하면, 항상 필요 또한 최소한의 전력이 실질적으로 손실 없이 공급되기 때문에, 소자 신뢰성의 문제나 오동작을 고효율로 막을 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예 5에 의한 구성에서 실측한 동작 파형을 도시하는 도면이다. 도면은 출력 전압(Vout)=15V에서 부하 저항(Z)을 714Ω(315mW)로부터 4.5kΩ(50mW)으로 급격하게 변화시켰을 때의 출력 전압 응답을 나타낸다. 1자리 정도의 부하 변동시에도, 수전측의 전압 변화는 3%(=0.45V) 이내로 억제되고, 또한 30usec 정도에서 부하 변화 전의 전압으로 회복하고 있다.

(실시예 6)

(송전측에서 명령에 기초하여 송전량을 지정함)

도 14는 본 발명의 실시예 6에 의한 무선 급전 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 본 실시예 6의 무선 급전 장치는 명령에 기초하여 송전량을 지정하는 예를 무선 SD 카드에 급전하는 경우에 대하여 나타내는 것이다. 송전측인 SD 카드 소켓(20)은 SD 커맨드 디코더(21), 통신 제어 회로(22), 송수신기(23), 접속 검출용 타이머(24), 커맨드 vs 전력 룩업 테이블(25), 전력 구동 회로(26), 자계결합기(41) 및 방향성 결합기(42)를 구비하고, 수전측인 SD 카드(30)는 자계결합기(41), 방향성 결합기(42), 송수신기(31), 통신 제어 회로(32), 정류·전압 안정화 회로(33) 및 NAND flash 메모리(34)를 구비한다. SD 커맨드 디코더(21)는 SD 인터페이스를 통하여 수신하는 명령을 인식하고, 통신 제어 회로(22), 송수신기(23), 방향성 결합기(42)를 통하여 SD 카드(30)에 송신한다. 동시에, 커맨드 vs 전력 룩업 테이블(25)은 명령에 따른 전력을 전력 구동 회로(26)에 대하여 지정한다. 일반적으로 메모리의 쓰기와 읽기에서는 필요한 전력이 상이하다. 전력 구동 회로(26)는 접속 검출용 타이머(24)에 의해 SD 카드(30)의 접속이 검출되어 있는 상태에서, 지정된 전력을 자계결합기(41)를 통하여 SD 카드(30)에 송신한다. SD 카드(30)에서는, 자계결합기(41)를 통하여 전력을 수신하고, 정류·전압 안정화 회로(33)에 의해 필요한 전원 전압을 얻는다. 또한 방향성 결합기(42), 송수신기(31), 통신 제어 회로(32)를 통하여 명령을 수신하여 NAND flash 메모리(34)를 제어한다.

도 15는 공진 주파수와 1/3 분수 조파의 비율을 변경한 경우의 전송 전력과 효율을 나타내는 그래프이다. 횡축은 「0」을 1/3 분수 조파만, 「1」을 공진 주파수만으로 한, 공진 주파수와 1/3 분수 조파의 비율을 나타내고, 좌선축은 효율(%)을 나타내고, 우선축은 전송 전력(w)을 나타낸다. 비율을 변경함으로써 전송 전력을 1자리 정도 제어할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 그 때의 효율의 변동은 10% 남짓으로 억제되어 있다.

도 16은 전송 전력을 변경한 경우의 불필요 복사 성분의 변화를 ΔΣ 변조의 유무로 비교한 결과를 나타내는 그래프이다. 횡축은 전송 전력(w)을 나타내고, 종축은 불필요 복사(dBuA/m@10m), 즉 10m 떨어진 지점에서의 자계 강도의 데시벨 표기를 나타낸다. ΔΣ 변조를 이용하지 않아도, 불필요 복사는 규제값(ITU 규제값: ISM 밴드 이외에서의 자계 강도가 -8dBuA/m 이하)을 밑돌고 있는데, ΔΣ 변조를 이용하여, 제어 신호를 랜덤하게 함으로써 불필요 복사를 8dB 정도 억제할 수 있었다.

도 17은 본 발명의 공진 회로의 구성의 변화예를 나타내는 도면이다. 지금까지는, 공진 회로로서 도 17(a)에 도시하는 직렬 공진 회로의 예를 제시해 왔지만, 수전측은 도 17(b)에 도시하는 병렬 공진 회로이어도 된다.

도 18은 본 발명의 공진 회로의 구성의 다른 변화예를 도시하는 도면이다. 도 18(b), 도 18(c)에 도시하는 바와 같이, 송전측도 병렬 공진 회로를 사용할 수 있다. 이 경우에는 도 18(a)에 도시하는 바와 같이, 스위칭 회로를, 예를 들면, 인덕터(L3)와 스위치(SW1)의 직렬 회로와, 인덕터(L4)와 스위치(SW2)의 직렬 회로와의 병렬 회로로 한다.

도 19는 본 발명의 구성의 또 다른 변화예를 도시하는 도면이다. 본 예는 스위치(SW1)를 1개로 하는 것이며, 또한 인덕터(Lc, Ls), 컨덴서(C1p)를 구비한다. 본 예는 소위 E급 동작하는 회로이다.

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

요컨대, 자계 결합의 공진 회로를 공진 주파수 및 그 홀수 분주 조파 주파수 중의 복수의 주파수에 의해 선택적으로 여기하는 것이면 된다.

또한 그 복수의 주파수의 비율을 소정값으로 하여, 랜덤하게 전환함으로써 스퓨리어스의 발생을 막을 수 있다.

명세서, 특허청구범위 및 도면을 포함하는 2012년 2월 17일에 출원한 일본 특허출원 2012-033264의 개시는 그대로 참고로서 여기에 받아 들이는 것으로 한다.

본 명세서에서 인용한 모든 간행물, 특허 및 특허출원은 그대로 참고로서 여기에 받아 들이는 것으로 한다.

41… 자계 결합기
42… 방향성 결합기

Claims

소정의 공진 주파수에서 공진하고 수전(受電)측 공진 회로와 유도 결합하여 무선 급전하는 송전측 공진 회로,
상기 송전측 공진 회로를 소정의 주파수에서 여기하는 스위칭 회로, 및
상기 공진 주파수 및 이 공진 주파수를 홀수로 분주(分周)한 분수 조파 주파수 중의 복수의 주파수에서 선택적으로 상기 스위칭 회로의 여기를 제어함으로써 급전하는 전력을 제어하는 제어 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
소정의 공진 주파수에서 공진하고 수전측 공진 회로와 유도 결합하여 무선 급전하는 송전측 공진 회로,
상기 송전측 공진 회로를 소정의 주파수에서 여기하는 스위칭 회로,
상기 공진 주파수 및 이 공진 주파수를 홀수로 분주한 분수 조파 주파수 중의 복수의 주파수에서 선택적으로 상기 스위칭 회로의 여기를 제어함으로써 급전하는 전력을 제어하는 제어 회로, 및
상기 공진 주파수에서 공진하고 상기 송전측 공진 회로와 유도 결합하여 무선 급전을 받는 수전측 공진 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 복수의 주파수를 의사 랜덤으로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제어 회로는 상기 복수의 주파수를 ΔΣ 변조에 의해 의사 랜덤으로 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로는 수전측 회로로부터 필요한 급전 전력에 관한 정보를 수신하고, 이 필요한 급전 전력에 따라 상기 복수의 주파수를 선택하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.