TW201308818A - 無線供電裝置以及無線供電系統 - Google Patents

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    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings

Abstract

無線供電裝置4包括共振電路10以及多頻調電源20，且發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號S1。共振電路10包括串聯連接的發送線圈LTX以及共振用電容器CTX。多頻調電源20將重合著多個頻率的正弦波信號的多頻調信號S2輸出至共振電路10。

Description

無線供電裝置以及無線供電系統
本發明是有關於一種無線供電技術。
近年來，作為對行動電話終端或筆記型電腦等的電子機器、或者電動車的供電技術，而著眼於無線(非接觸)電力傳送。無線電力傳送主要分為電磁感應型、電波接收型、及電場．磁場共鳴型此3類。
電磁感應型被用於短距離(數公分(cm)以內)供電中，能夠以數百kHz以下的頻帶傳送數百瓦(W)的電力。電力的利用效率為60%~98%左右。在數公尺(m)以上的相對較長的距離中供電的情況下，利用的是電波接收型。電波接收型中，能夠以中波~微波的頻帶傳送數瓦(W)以下的電力，但電力的利用效率低。作為以相對較高的效率在數公尺(m)左右的中距離供電的方法，而著眼於電場．磁場共鳴型(參照非專利文獻1)。
[先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1]A.Karalis,J.D.Joannopoulos,M.Soljacic，「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」(有效的無線非輻射中距能量傳輸)，ANNALS of PHYSICS(物理年鑑)Vol.323,pp.34-48,2008,Jan.
圖1是表示無線供電系統的一例的圖。無線供電系統2r包括無線供電裝置4r以及無線受電裝置6r。
無線供電裝置4r包括發送線圈LTX、共振用電容器CTX以及交流電源20r。交流電源20r產生具有發送頻率f1的電子信號S2。共振用電容器CTX以及發送線圈LTX構成共振電路，且其共振頻率被調整為電子信號S2的頻率。自發送線圈LTX送出電力信號S1。無線供電系統2r中，作為電力信號S1，利用不會成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或者電磁場)。
無線受電裝置6r包括接收線圈LRX、共振用電容器CRX以及負載3。共振用電容器CRX、接收線圈LRX以及負載3構成共振電路，其共振頻率被調整為電力信號S1的頻率。
圖2是表示自圖1的供電系統的交流電源向負載的傳達特性(S21)的圖。若發送線圈LTX與接收線圈TRX的距離或朝向有了變化，則2個線圈的耦合度K就會有所變化。傳達特性S21為，若耦合度K提高則分離(split)為2個波峰，且波峰的間隔根據耦合度K而變化。
先前的供電系統2r中，藉由對共振用電容器CTX、CRX的電容值進行調節，而於獲得高傳送效率的波峰附近，調整接收側、發送側的共振電路的共振頻率。
然而，在供電裝置4r與受電裝置6r的距離，亦即耦合度K時刻變化的狀況下，難以使共振用電容器CTX、CRX的調節追隨耦合度K。
本發明鑒於上述課題而完成，其一態樣的例示性目的 之一在於提供一種即便發送線圈與接收線圈的耦合度變化，亦可進行高效的電力傳送的無線供電裝置。
本發明的一態樣是有關於一種無線供電裝置，此無線供電裝置發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號。該無線供電裝置包括：共振電路，包含串聯連接的發送線圈以及共振用電容器；以及多頻調(multitone)電源，構成為可將重合著離散的多個頻率的正弦波信號的多頻調信號向共振電路輸出。
根據該態樣，即便在根據耦合度而傳送效率高的頻帶分離的狀況下，亦無須變更供電側、受電側的共振頻率，可利用效率高的頻率進行電力傳送。
在一態樣中，多頻調電源可包括：橋式電路，與共振電路連接；電源電路，對橋式電路輸出電源電壓；數位多頻調信號生成部，生成具有重合著多個頻率的正弦波信號的波形的數位多頻調信號；位元流信號生成部，生成與數位多頻調信號相應的位元流信號；以及驅動電路，根據位元流信號來驅動橋式電路。
根據該態樣，能夠以低損耗生成多頻調信號。
在一態樣中，位元流信號生成部可包含帶通(bandpass)三角積分(delta sigma，△Σ)調變器，該帶通△Σ調變器藉由對數位多頻調信號進行△Σ調變而生成位元流信號。
藉由△Σ調變，量化雜訊在比多個頻率高的頻率區域得到雜訊整形(noise shaping)。因高頻率區域的信號藉由 共振電路而濾波，故可抑制自天線送出雜訊。
數位多頻調信號生成部可包括快速逆傅立葉轉換器，該快速逆傅立葉轉換器藉由對表示多個頻率的頻率資料進行逆傅立葉轉換而生成數位多頻調信號。
電源電路可根據數位多頻調信號來調變電源電壓。
在已固定電源電壓的情況下，因多頻調信號成為完全的矩形波，故其光譜包含多個旁帶(side band)成分。與此相對，根據多頻調信號的波形，對電源電壓進行適當調變，藉此可抑制旁帶成分，從而可進一步降低頻帶外的雜訊、或者可提高效率。
多頻調電源可以多頻調信號的波峰因素(crest factor)減小的相位，將多個頻率的正弦波重合。
根據該態樣，可增大各頻率成分的振幅，從而可增大可送電的電力。
本發明的另一態樣是有關於一種無線供電系統。無線供電系統包括：發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號的上述任一態樣的無線供電裝置，以及接收電力信號的無線受電裝置。
另外，將以上的構成要素的任意組合或本發明的構成要素或表達在方法、裝置等之間相互置換後，作為本發明的態樣亦有效。
根據本發明的一態樣，即便發送線圈與接收線圈的耦合度變化，亦可進行高效的電力傳送。
以下，一邊根據較佳的實施形態並參照圖式一邊對本發明進行說明。在各圖式所示的相同或同等的構成要素、構件、處理中附上相同的符號，並適當省略重複的說明。而且，實施形態為例示而並非限定發明，實施形態所記述的所有特徵或其組合並非必須限於發明的本質。
本說明書中，「構件A與構件B連接的狀態」除了指構件A與構件B物理性地直接連接的情況之外，還包括如下情況：只要不會對構件A與構件B的電性連接狀態造成實質性影響或者不破壞藉由他們的耦合而實現的功能或效果，則構件A與構件B可經由其他的構件間接地連接。
同樣地，「構件C設置在構件A與構件B之間的狀態」除了指構件A與構件C或者構件B與構件C直接連接的情況之外，還包括如下情況：只要不會對他們的電性連接狀態造成實質性影響或者不破壞藉由他們的耦合而實現的功能或效果，則可經由其他的構件而間接地連接。
圖3是表示實施形態的無線供電裝置4的構成的方塊圖。供電裝置4包括共振電路10以及多頻調(multitone)電源20，且對未圖示的無線受電裝置送出電力信號S1。電力信號S1為不成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或者電磁場)。
共振電路10包括串聯連接的發送線圈LTX以及共振用電容器CTX。電阻RTX表示共振電路的電阻成分。
多頻調電源20構成為可將多頻調信號S2向共振電路 10輸出，其中上述多頻調信號S2重合著離散的多個頻率f1~頻率fN的正弦波信號。N為2以上的整數。較理想的是多個頻率f1~頻率fN以共振電路10的共振頻率fR為中心而分布。
多頻調電源20較理想的是以多頻調信號S2的波峰因素減小的相位，將多個頻率f1~頻率fN的正弦波重合。
圖4是表示無線供電裝置4的具體構成的電路圖。
多頻調電源20包括橋式電路22、驅動電路24、電源26、格式部27、數位多頻調信號生成部28、及位元流信號生成部30。
橋式電路22的輸出端子P1、輸出端子P2與共振電路10連接。圖4中橋式電路22為H橋式電路，且包含4個開關SW1~開關SW4。
電源26對橋式電路22輸出電源電壓VDD。
格式部27生成頻率資料S5，該頻率資料S5指示應由多頻調電源20生成的多頻調信號S2中所應包含的多個頻率f1~頻率fN。頻率資料S5亦可為包含各頻率f1~頻率fN的振幅資料以及相位資料的複數資料(complex data)。該情況下，相位資料以多頻調信號S2的波峰因素減小的方式生成。
數位多頻調信號生成部28生成數位多頻調信號S3，該數位多頻調信號S3具有重合著頻率資料S5指示的多個頻率f1~頻率fN的正弦波信號的波形。數位多頻調信號生成部28包含快速逆傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)器，該快速逆傅立葉轉換器藉由對頻率資料S5進行逆傅立葉轉換(Inverse Fourier Transform)而生成數位多頻調信號S3。
位元流信號生成部30生成與數位多頻調信號S3相應的位元流信號S4。例如，位元流信號生成部30包含帶通三角積分(delta sigma，△Σ)調變器，該帶通△Σ調變器藉由對數位多頻調信號S3進行△Σ調變而生成位元流信號S4。
帶通△Σ調變器可使用公知的技術。帶通△Σ調變器的內部的帶通濾波器(Bandpass Filter，BPF)的中心通過頻率fc設計成與共振電路10的共振頻率fR相等。帶通△Σ調變器藉由過取樣(over sampling)而生成中心通過頻率fc的4倍比率的位元流信號S4。
輸入至位元流信號生成部30的數位多頻調信號S3具有在全頻帶均一分布的量化雜訊。藉由帶通△Σ調變器，量化雜訊以於頻率fc附近為最小且隨著離開該頻率fc附近而增大的方式被整形(雜訊整形)。
驅動電路24根據位元流信號S4對橋式電路的開關SW1~開關SW4進行驅動。
具體來說，驅動電路24在位元流信號S4為第1位準(例如高位準)時將一對(pair)開關SW1、開關SW4導通，在位元流信號S4為第2位準(例如低位準)時將一對開關SW2、開關SW3導通。
在由橋式電路22構成多頻調電源20的情況下，多頻 調信號S2的振幅被限制在電源26生成的電源電壓VDD。藉由以波峰因素減小的方式將各頻率的相位最佳化，而可增大各頻率成分的振幅，且可增大可送電的電力。在由類比放大器構成多頻調電源20的情況下亦同樣。
以上為無線供電裝置4的構成。
繼而對其動作進行說明。圖5(a)~圖5(c)是表示實施形態的無線供電裝置4的動作的圖。發送線圈LTX與接收線圈LRX的耦合度K根據無線供電裝置4與無線受電裝置6的距離或朝向而變化。而且，自多頻調電源20相對於無線受電裝置6的負載的S參數(傳達特性)S21根據耦合度K而變化。
圖5(a)、圖5(b)分別表示某耦合度K時的S參數S21(傳達特性)以及S11(反射特性)。多頻調(multitone)電源20生成包含多個頻率f1~頻率f13的多頻調信號S2。
無線供電裝置4可在多個頻率f1~頻率f13中，根據S參數S21大的頻率成分f5、頻率成分f8，以高效率對無線受電裝置6進行供電。關於其他的頻率成分f1~頻率成分f4、頻率成分f6、頻率成分f7、頻率成分f9~頻率成分f13，則應留意到反射率(S11)接近1，因共振電路10中電流未流動，而不會造成損耗。
以上為無線供電裝置4的動作。
根據實施形態的無線供電裝置4，即便在藉由耦合度K變化而S參數S21大的頻率成分發生了變化的情況下，亦可在多頻調信號S2中所包含的頻率成分中，藉由與S 參數相應的最佳頻率成分來進行高效供電。
而且，在自單一的無線供電裝置4對多個無線受電裝置6進行供電的情況下，亦可分別針對多個無線受電裝置6，而分別藉由最佳頻率成分進行供電。
而且，圖3的無線供電裝置4中，使用橋式電路22生成多頻調信號S2。因此，比起使用線性放大器的情況，能夠以高效率生成電力信號S1。
進而，在位元流信號生成部30中使用帶通型的△Σ調變器，其中心頻率fc以與共振電路10的共振頻率fR一致的方式被選擇。其結果，數位多頻調信號S3的量化雜訊於帶通濾波器的頻帶外分布，可藉由共振電路10適當地進行濾波。
以上，根據實施形態對本發明進行了說明。本領域技術人員應當明白，該實施形態為例示，他們的各構成要素或各處理製程的組合中能夠有各種變形例，而且此種變形例亦處於本發明的範圍內。以下，對此種變形例進行說明。
(變形例1)
電源26可根據數位多頻調信號S3來調變電源電壓VDD。該情況下，可將電源26以及橋式電路22視作極性(polar)調變器。
在已固定電源電壓VDD情況下，多頻調信號S2a成為完全的矩形波，因而其光譜包含較多的旁帶成分。與此相對，藉由根據多頻調信號S2的波形來適當調變電源電壓VDD，而可抑制旁帶成分，且可進而降低頻帶外的雜訊或 者可提高效率。
(變形例2)
圖6是表示第2變形例的無線供電裝置4b的一部分構成的電路圖。無線供電裝置4b中，包括作為橋式電路22b的半橋式電路。驅動電路24在位元流信號S4為第1位準(高位準)時，將開關SW5導通，在為第2位準(低位準)時將開關SW6導通。
根據該變形例，可獲得與H橋式電路同樣的效果。
(變形例3)
亦可由類比的線性放大器構成多頻調電源20。例如多頻調電源20可包含將數位多頻調信號S3轉換為類比多頻調信號的D/A轉換器、及將D/A轉換器的輸出信號輸出至共振電路10的類比放大器(緩衝器)。藉由該構成，亦可對共振電路10輸出重合著多個頻率的正弦波的多頻調信號。
(變形例4)
圖7是表示第4變形例的無線供電裝置4c的一部分構成的電路圖。驅動電路24c包含分配部60以及失效時間(Dead Time)設定部62。分配部60根據位元流信號S4，生成相對於開關SW1~開關SW4的閘極(Gate)信號G1~閘極信號G4。例如當位元流信號S4為高位準時，閘極信號G1、閘極信號G4成為指示開關SW1、開關SW4的導通的位準，當位元流信號S4為低位準時，閘極信號G2、閘極信號G3成為指示開關SW2、開關SW3的導通的位準。
失效時間設定部62針對位元流的各週期，使開關SW1~開關SW4的導通時間縮短規定的失效時間TDT，於失效時間TDT的區間使所有開關SW1~開關SW4斷開。失效時間設定部62構成為可調節失效時間TDT的長度。
該失效時間TDT除防止所謂的貫通電流之外，亦用於共振頻率的控制。失效時間設定部62以多頻調信號S2、換言之與其相應的共振電流IL與共振電路10部分共振的方式，來調節失效時間TDT的長度。
根據該變形例，藉由利用部分共振，無須變更共振電路10的發送線圈LTX、共振用電容器CTX的電路常數，可根據失效時間TDT的長度而使共振電路10的實效共振頻率變化。
(變形例5)
多頻調信號S2中亦可重疊任何資訊。資訊的重疊可藉由對重合的各頻率的正弦波實施振幅調變、相位調變等而實現。
(變形例6)
實施形態中，已對使用△Σ調變的情況進行了說明，但亦可使用以脈衝寬度調變為首的其他調變方式來驅動橋式電路22。
已根據實施形態對本發明進行了說明，認為實施形態僅僅表示本發明的原理、應用，在實施形態中，在不脫離申請專利範圍所規定的本發明的思想的範圍內，可進行多個變形例或配置的變更。
[產業上之可利用性]
本發明可用於無線供電技術中。
2r‧‧‧無線供電系統
3‧‧‧負載
4、4b、4c、4r‧‧‧無線供電裝置
6r‧‧‧無線受電裝置
10‧‧‧共振電路
20‧‧‧多頻調電源
22、22b‧‧‧橋式電路
24、24c‧‧‧驅動電路
26‧‧‧電源
27‧‧‧格式部
28‧‧‧數位多頻調信號生成部
30‧‧‧位元流信號生成部
60‧‧‧分配部
62‧‧‧失效時間設定部
CRX、CTX‧‧‧共振用電容器
f1~f13‧‧‧頻率
fR‧‧‧共振頻率
G1~G4‧‧‧閘極信號
K‧‧‧耦合度
LRX‧‧‧接收線圈
LTX‧‧‧發送線圈
P1、P2‧‧‧輸出端子
RTX‧‧‧電阻
S1‧‧‧電力信號
S2‧‧‧多頻調信號
S3‧‧‧數位多頻調信號
S4‧‧‧位元流信號
S5‧‧‧頻率資料
S11、S21‧‧‧S參數
SW1~SW6‧‧‧開關
VDD‧‧‧電源電壓
圖1是表示無線供電系統的一例的圖。
圖2是表示自圖1的供電系統的交流電源向負載的傳達特性(S21)的圖。
圖3是表示實施形態的無線供電裝置的構成的方塊圖。
圖4是表示無線供電裝置的具體構成的電路圖。
圖5(a)~圖5(c)是表示實施形態的無線供電裝置的動作的圖。
圖6是表示第2變形例的無線供電裝置的一部分構成的電路圖。
圖7是表示第4變形例的無線供電裝置的一部分構成的電路圖。

Claims (8)

  1. 一種無線供電裝置，發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號，其特徵在於包括：共振電路，包含發送線圈；以及電源，構成為可將多頻調信號向上述共振電路輸出，上述多頻調信號重合著離散的多個頻率的正弦波信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線供電裝置，其中上述電源包括：橋式電路，與上述共振電路連接；電源電路，向上述橋式電路輸出電源電壓；數位多頻調信號生成部，生成數位多頻調信號，上述數位多頻調信號具有重合著上述多個頻率的正弦波信號的波形；位元流信號生成部，生成與上述數位多頻調信號相應的位元流信號；以及驅動電路，根據上述位元流信號來驅動上述橋式電路。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之無線供電裝置，其中上述位元流信號生成部包括：帶通三角積分調變器，藉由對上述數位多頻調信號進行三角積分調變而生成上述位元流信號。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之無線供電裝置，其中上述數位多頻調信號生成部包括：快速逆傅立葉轉換器，藉由對表示上述多個頻率的頻率資料進行逆傅立葉轉換而生成上述數位多頻調信號。
  5. 如申請專利範圍第2項至第4項中任一項所述之無線供電裝置，其中上述電源電路根據上述數位多頻調信號來調變上述電源電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之無線供電裝置，其中上述電源使上述多個頻率的正弦波以上述多頻調信號的波峰因素減小的相位重合。
  7. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之無線供電裝置，其中上述共振電路更包括與上述發送線圈串聯連接的共振用電容器。
  8. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之無線供電裝置，發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號；以及無線受電裝置，接收上述電力信號。
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