TWI629845B - 無線受電裝置、其控制電路及控制方法 - Google Patents

無線受電裝置、其控制電路及控制方法 Download PDF

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岩崎龍也
Tatsuya Iwasaki
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日商羅姆股份有限公司
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Abstract

整流電路304連接於接收線圈302並產生整流電壓Vrect。充電電路314接收整流電壓Vrect並對二次電池310進行充電。調變器308連接於接收線圈302，基於控制值S5而調變接收線圈302之電壓或電流，且將包含控制值S5之控制封包S3發送至無線送電裝置。充電控制部322控制自充電電路314供給至二次電池310之充電電流Ibat。電力控制部324基於當前之整流電壓Vrect與其目標值Vref之誤差dV而產生指示來自無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值CE，並將其作為控制值S5輸出至調變器308。充電控制部322於誤差dV之絕對值小於特定之閾值時使充電電流Ibat變化。

Description

無線受電裝置、其控制電路及控制方法
本發明係關於一種無線供電技術。
近年來，為將電力供給至電子機器，開始普及無接點電力傳輸(亦稱為非接觸供電、無線供電)。為促進不同製造商之製品間之相互利用，組織有WPC(Wireless Power Consortium，無線充電聯盟)，並由WPC制定有作為國際規範標準之Qi(氣)標準。
圖1係表示依據Qi標準之無線供電系統100之構成之圖。供電系統100包括送電裝置200(TX、Power Transmitter)與受電裝置300(RX、Power Receiver)。受電裝置300搭載於行動電話終端、智慧型手機、影音播放器、遊戲機、平板終端等電子機器。
送電裝置200包括發送線圈(一次線圈)202、驅動器204、控制器206、解調器208。驅動器204包含H橋電路(全橋電路)或者半橋電路，對發送線圈202施加驅動信號S1、具體而言為脈衝信號，藉由流經發送線圈202之驅動電流而於發送線圈202產生電磁場之電力信號S2。控制器206總括地控制送電裝置200整體，具體而言，藉由控制驅動器204之開關頻率、或者開關之工作週期比而使發送電力變化。
Qi標準係於送電裝置200與受電裝置300之間規定有通信協定，從而可自受電裝置300對送電裝置200利用控制信號S3傳遞資訊。該控制信號S3係以利用背向散射調變(Backscatter modulation)進行AM(Amplitude Modulation，調幅)調變而成之形式自接收線圈302(二 次線圈)被發送至發送線圈202。於該控制信號S3中包含例如指示對受電裝置300之電力供給量之電力控制資料(亦稱為封包)、表示受電裝置300之固有資訊之資料等。解調器208將發送線圈202之電流或者電壓中所包含之控制信號S3解調。控制器206基於經解調之控制信號S3中所包含之電力控制資料而控制驅動器204。
受電裝置300包括接收線圈302、整流電路304、電容器306、調變器308、二次電池310、控制器312、及充電電路314。接收線圈302接收來自發送線圈202之電力信號S2，並且對發送線圈202發送控制信號S3。整流電路304及電容器306將根據電力信號S2而由接收線圈302感應之電流S4整流、平滑化，並轉換為直流電壓。
充電電路314利用自送電裝置200供給之電力對二次電池310進行充電。
控制器312監控受電裝置300所接收之電力供給量，並根據其而產生指示電力供給量之電力控制資料(控制誤差值)。調變器308藉由調變包含電力控制資料之控制信號S3並調變接收線圈302之線圈電流，而調變發送線圈202之線圈電流及線圈電壓。
以上為供電系統100之構成。圖2係表示供電系統100之動作順序之流程圖。送電裝置200之狀態大體上分為選擇相位(Selection Phase)1、送電(Power Transfer)相位2及認證、設定相位(Identification&Configuration Phase)3。
首先，對送電相位2進行說明。送電裝置200(TX)開始向受電裝置300(RX)送電(S100)。對送電裝置TX，反饋來自受電裝置RX之表示當前之送電狀態之控制信號S3(S102)。送電裝置TX基於控制信號S3而調節送電量(S104)。
送電裝置TX若自受電裝置RX發送表示充電結束之控制信號S3(S106)，或者基於通信之逾時錯誤而偵測到受電裝置RX已自送電 裝置TX之供電範圍卸除(S108)，則送電裝置TX停止送電並變為選擇相位1。
繼而，對選擇相位1進行說明。送電裝置TX每隔特定之時間間隔(Object detection interval(對象檢測間隔)，例如500msec)發送電力信號S2，確認受電裝置RX之有無(S200)。將其稱為類比發信相位(Analog Ping Phase)。
若檢測出受電裝置RX(S202)，則轉為認證、設定相位3，執行數位發信相位(Digital Ping Phase)(S204)。於後續之認證、設定相位(Identification&Configuration Phase)，送電裝置TX接收受電裝置RX之個體資訊(S206)。繼而，與送電條件相關之資訊自受電裝置RX被發送至送電裝置TX(S208)，送電裝置TX轉為送電相位2。以上為送電裝置200之動作順序。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-38854號公報
本發明者等人對此種供電系統100進行研究，結果認識到以下之問題。
充電電路314可根據二次電池310之狀態而在恆定電流(CC：Constant Current)充電與恆定電壓(CV：Constant Voltage)充電之間進行切換，又，於CC充電時，根據電池剩餘量而使供給至二次電池310之充電電流之量變化。
圖3係圖1之受電裝置300之動作波形圖。於穩定狀態下，自整流電路304供給至電容器306之電流與自電容器306供給至充電電路314之電流即充電電流Ibat保持平衡，於電容器306產生之整流電壓Vrect穩 定在目標位準。
此處，自整流電路304供給至電容器306之電流對應於自送電裝置200供給至受電裝置300之電力，即，基於控制信號S3而被控制。若充電電路314使充電電流Ibat增大，則大電流自電容器306被引出。藉此，整流電壓Vrect降低，若如此則控制信號S3中所包含之控制誤差值增大，而反饋使自送電裝置200向受電裝置300之供給電力增大。由於該反饋之速度受到控制信號S3之通信速度或直至送電裝置200穩定在新的動作點為止之時間之制約，故而若充電電流Ibat急遽變動，則有反饋無法追隨，整流電壓Vrect明顯偏離其目標值之虞。若整流電壓Vrect之變動量較大或者變動波形陡峭，則對利用背向散射調變之控制信號S3之AM調變產生阻礙，送電裝置200變得無法準確地接收控制誤差值。即，充電電流Ibat之急遽變化有引起反饋迴路之阻斷之虞。若送電裝置200與受電裝置300之通信阻斷持續特定之逾時時間，則送電裝置TX停止送電並恢復為選擇相位1。
再者，不可將該問題理解為業者之共通之技術認識。
本發明係鑒於該問題而完成者，其一態樣之例示性目的之一在於提供一種可使與送電裝置之通信穩定化之受電裝置。
本發明之一態樣係關於一種使用於無線受電裝置之控制電路。無線受電裝置包括：接收線圈；整流電路，其連接於接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收整流電壓並對電池進行充電；及調變器，其連接於接收線圈，基於控制值而調變接收線圈之電壓或電流，且將包含控制值之控制封包發送至無線送電裝置。控制電路包括：充電控制部，其控制自充電電路供給至電池之充電電流；及電力控制部，其基於當前之整流電壓與其目標值之誤差而產生指示來自無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值，並將其作為控制值輸出至調變 器。充電控制部係於誤差之絕對值小於特定之閾值時使充電電流變化。
根據該態樣，藉由於誤差之絕對值大於閾值時維持充電電流之設定值，可防止整流電壓明顯偏離目標值或整流電壓以陡峭之波形變化，藉此可使送電裝置與受電裝置之間之通信穩定化。
充電控制部亦可於使充電電流自初始值變化至最終值時，使充電電流自初始值向最終值經過設於其等間之複數個中間值而階梯狀地變化，且每次使充電電流變化1階梯量時，待機至誤差之絕對值變得小於閾值，而使充電電流變化為下一階梯之值。
充電控制部亦可使充電電流以特定之最小階梯為單位進行變化。
控制電路亦可依據Qi標準。
控制電路亦可於一半導體基板一體積體化而成。
所謂「一體積體化」，包含電路之全部構成要素形成於半導體基板上之情形、或電路之主要構成要素於半導體基板一體積體化之情形，一部分電阻或電容等亦可設置於半導體基板之外部以調節電路常數。藉由將電路積體化為1個IC(integrated circuit，積體電路)，可削減電路面積，並且可均勻地保持電路元件之特性。
本發明之另一態樣係關於一種無線受電裝置。無線受電裝置亦可包括：接收線圈；整流電路，其連接於接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收整流電壓並對電池進行充電；調變器，其連接於接收線圈，基於控制值而調變接收線圈之電壓或電流，且將包含控制值之控制封包發送至無線送電裝置；及上述任一項之控制電路。
本發明之另一態樣亦為無線受電裝置。無線裝置包括：接收線圈；整流電路，其連接於接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收整流電壓並對電池進行充電；調變器，其連接於接收線圈，基於控 制值而調變接收線圈之電壓或電流，且將包含控制值之控制封包發送至無線送電裝置；充電控制部，其控制自充電電路供給至電池之充電電流；及電力控制部，其基於當前之整流電壓與其目標值之誤差而將指示來自無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值作為控制值輸出至調變器。充電控制部係以誤差之絕對值不超過特定之容許值之方式使充電電流變化。
根據該態樣，藉由一面監控整流電壓之誤差一面使充電電流變化，可防止整流電壓明顯偏離目標值或整流電壓以陡峭之波形變化，藉此可使送電裝置與受電裝置之間之通信穩定化。
充電控制部亦可於使充電電流自初始值變化至最終值時，重複以下步驟：使充電電流變化特定量；及待機至誤差之絕對值變得小於特定之閾值。
充電控制部亦可使充電電流以特定之最小階梯為單位進行變化。
無線受電裝置亦可依據Qi標準。
再者，以上之構成要素之任意組合或將本發明之構成要素或表現於方法、裝置、系統等之間相互替換而成者亦作為本發明之態樣而有效。
根據本發明之一態樣，可使與送電裝置之通信穩定化。
100‧‧‧供電系統
200、TX‧‧‧送電裝置
202‧‧‧發送線圈
204‧‧‧驅動器
206‧‧‧控制器
208‧‧‧解調器
300、RX‧‧‧受電裝置
302‧‧‧接收線圈
304‧‧‧整流電路
306‧‧‧電容器
308‧‧‧調變器
310‧‧‧二次電池
312‧‧‧控制器
314‧‧‧充電電路
320‧‧‧控制電路
322‧‧‧充電控制部
324‧‧‧電力控制部
CE‧‧‧控制誤差值
Ibat‧‧‧充電電流
Iend‧‧‧最終值
Im1‧‧‧中間值
Im2‧‧‧中間值
Im3‧‧‧中間值
Im4‧‧‧中間值
Im5‧‧‧中間值
Istart‧‧‧初始值
S1‧‧‧驅動信號
S2‧‧‧電力信號
S3‧‧‧控制信號
S4‧‧‧電流
S5‧‧‧控制值
S6‧‧‧電流控制資料
t0‧‧‧時刻
t1‧‧‧時刻
TH‧‧‧閾值
-TH‧‧‧閾值
Vbat‧‧‧電池電壓
Vrect‧‧‧整流電壓
Vref‧‧‧目標值
1‧‧‧選擇相位
2‧‧‧送電相位
3‧‧‧認證、設定相位
圖1係表示依據Qi標準之無線供電系統之構成之圖。
圖2係表示圖1之供電系統之動作順序之流程圖。
圖3係圖1之受電裝置之動作波形圖。
圖4係表示實施形態之無線受電裝置之構成之電路圖。
圖5係表示圖4之受電裝置之動作之波形圖。
以下，一面參照圖式一面基於較佳之實施形態對本發明進行說明。對各圖式所示之相同或同等之構成要素、構件、處理標註相同符號，並適當省略重複之說明。又，實施形態並不限定發明而為例示，且實施形態所記載之所有特徵或其組合未必為發明之本質性者。
於本說明書中，所謂「構件A與構件B連接之狀態」，除構件A與構件B物理性地直接連接之情形以外，亦包含如下情形：構件A與構件B隔著不會對其等之電性連接狀態產生實質性影響或者不會有損藉由其等之結合所發揮之功能或效果的其他構件而間接地連接。
同樣地，所謂「構件C設置於構件A與構件B之間之狀態」，除構件A與構件C或者構件B與構件C直接連接之情形以外，亦包含如下情形：構件A與構件C或者構件B與構件C隔著不會對其等之電性連接狀態產生實質性影響或者不會有損藉由其等之結合所發揮之功能或效果的其他構件而間接地連接。
圖4係表示實施形態之無線受電裝置(以下簡稱為受電裝置)300之構成之電路圖。受電裝置300係使用於圖1之依據Qi標準之供電系統100。
受電裝置300包括接收線圈302、整流電路304、電容器306、調變器308、充電電路314、二次電池310、及控制電路320。
接收線圈302係為了接收自送電裝置200發送之電力信號S2並發送控制信號(控制封包)S3而設置。整流電路304連接於接收線圈302並產生整流電壓Vrect。於整流電路304之輸出連接有平滑用之電容器306。
充電電路314接收整流電壓Vrect並對二次電池310進行充電。充電電路314可以由下述控制電路320指示之模式進行動作，又，充電電流Ibat亦可基於來自控制電路320之指令值進行調節。
調變器308連接於接收線圈302，基於控制值S5而調變接收線圈302之電壓或電流，且將包含控制值S5之控制信號S3發送至無線送電裝置(未圖示)。
控制電路320包括充電控制部322及電力控制部324，且係於一半導體基板一體積體化而成。充電電路314控制充電電路314，調節供給至二次電池310之充電電流Ibat。具體而言，基於二次電池310之狀態、例如電池電壓Vbat、二次電池310之剩餘量等而決定最佳之充電電流Ibat，並將指示充電電流Ibat之電流控制資料S6輸出至充電電路314。
電力控制部324基於當前之整流電壓Vrect與其目標值Vref之誤差dV=Vref-Vrect而產生指示來自無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值CE，並將其作為控制值S5輸出至調變器308。控制誤差值CE例如為以-128~+128之256灰階(8位元)將誤差dV量化所得之值。
充電控制部322於誤差dV之絕對值|dV|小於特定之閾值Vth時，使充電電流Ibat變化。於誤差dV之絕對值|dV|大於閾值Vth時，維持充電電流Ibat。
更佳為充電控制部322於使充電電流Ibat自初始值(當前值)Istart變化至最終值Iend時，於初始值Istart至最終值Iend之間設定複數個即n個中間值Im1、Im2、...Imn。而且，充電控制部322使充電電流Ibat自初始值Istart向最終值Iend經過設於其等間之複數個中間值Im1、Im2、...、Imn而階梯狀地變化。充電控制部322每次使充電電流Ibat變化1階梯量時，待機至誤差dV之絕對值|dV|變得小於閾值Vth後，使充電電流Ibat變化為下一階梯之值。
複數個中間值Im1~Imn之間隔亦可與能夠設定於充電電路314之充電電流Ibat之最小階梯(解析度)相等。例如，於充電電流Ibat可於最小值0A與最大值2A之間每隔dI=100mA進行選擇之情形時，中間值 Im之間隔成為100mA。
就其他觀點而言，充電控制部322係利用以誤差dV之絕對值|dV|不超過特定之容許值之方式決定的型式使充電電流Ibat變化。
以上為受電裝置300之構成。繼而，對其動作進行說明。圖5係表示圖4之受電裝置300之動作之波形圖(實線)。於圖5中以一點鏈線表示與圖3對應之波形。
為明確實施形態之受電裝置300之效果，參照一點鏈線對先前之受電裝置300之動作再次進行說明。於時刻t0，充電電流Ibat之目標值自當前之值(初始值)Istart變化為下一目標值(最終值)Iend。先前，如一點鏈線所示，於時刻t0，充電電流Ibat自初始值Istart被切換為最終值Iend，因此整流電壓Vrect自其目標值Vref急遽且大幅地降低，產生送電裝置200與受電裝置300之間之通信被阻斷等問題。
另一方面，參照實線對實施形態之受電裝置300之動作進行說明。於使充電電流Ibat自初始值Istart變化為最終值Iend時，決定複數個中間值Im1、Im2、Im3...。例如於Istart=500mA、Iend=1100mA時，充電電流Ibat每隔100mA以6個階梯呈階段性地被切換。
首先，充電電流Ibat被設定為第1中間值Im1(=600mA)。藉此，整流電壓Vrect稍微降低。因整流電壓Vrect之降低而誤差dV增大時，則控制誤差值CE增大。藉此，送電裝置200增大發送電力。若重複該動作，則整流電壓Vrect上升而接近目標值Vref，作為其等之誤差dV之控制誤差值CE變小。
繼而，若於時刻t1，控制誤差值CE變小至對應於閾值電壓Vth之閾值TH，即，誤差dV之絕對值|dV|變得小於閾值電壓Vth，則充電電流Ibat被切換為下一中間值Im2(=700mA)。控制電路320重複該動作而使充電電流Ibat變化至最終值Iend。
根據該受電裝置300，藉由於誤差dV之絕對值|dV|大於閾值Vth時 維持充電電流Ibat之設定值，並待機至誤差dV之絕對值|dV|變得小於閾值Vth，可防止整流電壓Vrect明顯偏離目標值Vref、或整流電壓Vrect以陡峭之波形變化，藉此可使送電裝置200與受電裝置300之間之通信穩定化。
於時刻t3以後，表示使充電電流Ibat減小時之動作。例如Istart=1100mA、Iend=700mA，充電電流Ibat每隔100mA以4個階梯呈階段性地被切換。
首先，充電電流Ibat被設定為第1中間值Im1(=1000mA)。藉此，整流電壓Vrect稍微上升。因整流電壓Vrect之上升而控制誤差值CE變小(其絕對值增大)。藉此，送電裝置200減少發送電力。若重複該動作，則整流電壓Vrect降低而接近目標值Vref，作為其等之誤差dV之控制誤差值CE之絕對值變小。
繼而，若於時刻t4，控制誤差值CE上升至閾值-TH，即，誤差dV之絕對值|dV|變得小於閾值電壓Vth，則充電電流Ibat被切換為下一中間值Im2(=900mA)。控制電路320重複該動作而使充電電流Ibat變化至最終值Iend。
藉此，於減小充電電流Ibat時亦可使送電裝置200與受電裝置300之間之通信穩定化。
以上，基於實施形態對本發明進行了說明。該等實施形態為例示，業者應理解其等之各構成要素或各處理程序之組合可實現各種變化例，又，此種變化例亦處於本發明之範圍。以下，對此種變化例進行說明。
(第1變化例)
於實施形態中，於增大充電電流Ibat與減小充電電流Ibat之兩情形時均使充電電流Ibat緩慢地變化，但本發明並不限定於此。例如，亦可僅於增大充電電流Ibat時使其緩慢地變化，而於減小充電電流 Ibat時使其急遽地變化。
(第2變化例)
於實施形態中，對依據Qi標準之無線送電裝置進行了說明，但本發明並不限定於此，亦可應用於與Qi標準類似之系統所使用之無線送電裝置或依據將來可能制定之標準之送電裝置200。
基於實施形態並使用具體用語對本發明進行了說明，但實施形態僅表示本發明之原理、應用，於不脫離申請專利範圍所規定之本發明之思想之範圍內，允許實施形態有多種變化例或配置之變更。
[產業上之可利用性]
本發明可利用於無線供電技術。

Claims (14)

  1. 一種控制電路，其特徵在於：其係使用於無線受電裝置者，該無線受電裝置包括：接收線圈；整流電路，其連接於上述接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收上述整流電壓並對電池進行充電；及調變器，其連接於上述接收線圈，基於控制值而調變上述接收線圈之電壓或電流，且將包含上述控制值之控制封包發送至無線送電裝置；上述控制電路包括：充電控制部，其控制自上述充電電路供給至上述電池之充電電流；及電力控制部，其基於當前之上述整流電壓與其目標值之誤差而產生指示來自上述無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值，並將其作為上述控制值輸出至上述調變器；且上述充電控制部於上述誤差之絕對值小於特定之閾值時使上述充電電流變化。
  2. 如請求項1之控制電路，其中上述充電控制部於使上述充電電流自初始值變化至最終值時，使上述充電電流自上述初始值向上述最終值經過設於其等間之複數個中間值而階梯狀地變化，且每次使上述充電電流變化1階梯量時，待機至上述誤差之絕對值變得小於上述閾值，而使上述充電電流變化為下一階梯之值。
  3. 如請求項2之控制電路，其中上述複數個中間值之間隔與可設定於上述充電電路之充電電流之最小階梯相等。
  4. 如請求項1至3中任一項之控制電路，其係依據Qi(氣)標準。
  5. 如請求項1至3中任一項之控制電路，其係於一半導體基板一體積體化而成。
  6. 一種無線受電裝置，其特徵在於包括：接收線圈；整流電路，其連接於上述接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收上述整流電壓並對電池進行充電；調變器，其連接於上述接收線圈，基於控制值而調變上述接收線圈之電壓或電流，且將包含上述控制值之控制封包發送至無線送電裝置；及如請求項1至3中任一項之控制電路。
  7. 一種無線受電裝置，其特徵在於包括：接收線圈；整流電路，其連接於上述接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收上述整流電壓並對電池進行充電；調變器，其連接於上述接收線圈，基於控制值而調變上述接收線圈之電壓或電流，且將包含上述控制值之控制封包發送至無線送電裝置；充電控制部，其控制自上述充電電路供給至上述電池之充電電流；及電力控制部，其基於當前之上述整流電壓與其目標值之誤差而產生指示來自上述無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值，並將其作為上述控制值輸出至上述調變器；且上述充電控制部構成為以上述誤差之絕對值不超過特定之容許值之方式使上述充電電流變化。
  8. 如請求項7之無線受電裝置，其中上述充電控制部於使上述充電電流自初始值變化至最終值時，重複以下步驟：使上述充電電流變化特定量；及待機至上述誤差之絕對值變得小於特定之閾值。
  9. 如請求項8之無線受電裝置，其中上述特定量與可設定於上述充電電路之上述充電電流之最小階梯相等。
  10. 如請求項7至9中任一項之無線受電裝置，其係依據Qi標準。
  11. 一種控制方法，其特徵在於：其係無線受電裝置之控制方法，上述無線受電裝置包括：接收線圈；整流電路，其連接於上述接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收上述整流電壓並對電池進行充電；及調變器，其連接於上述接收線圈，調變上述接收線圈之電壓或電流，且將封包發送至無線送電裝置；上述控制方法包括以下步驟：控制自上述充電電路供給至上述電池之充電電流；基於當前之上述整流電壓與其目標值之誤差，而產生指示來自上述無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值；及基於上述控制誤差值而控制上述調變器，並將包含上述控制誤差值之控制封包自上述接收線圈發送至上述無線送電裝置；且上述充電電流於上述誤差之絕對值小於特定之閾值時變化。
  12. 如請求項11之控制方法，其中控制上述充電電流之步驟係於使上述充電電流自初始值變化至最終值時，重複以下步驟：使上述充電電流變化特定量；及待機至上述誤差之絕對值變得小於上述閾值。
  13. 如請求項12之控制方法，其中上述特定量與可設定於上述充電電路之上述充電電流之最小階梯相等。
  14. 一種控制方法，其特徵在於：其係無線受電裝置之控制方法，上述無線受電裝置包括：接收線圈；整流電路，其連接於上述接收線圈並產生整流電壓；充電電路，其接收上述整流電壓並對電池進行充電；及調變器，其連接於上述接收線圈，調變上述接收線圈之電壓或電流，且將封包發送至無線送電裝置；上述控制方法包括以下步驟：基於當前之上述整流電壓與其目標值之誤差，而產生指示來自上述無線送電裝置之發送電力量之控制誤差值；基於上述控制誤差值而控制上述調變器，並將包含上述控制誤差值之控制封包自上述接收線圈發送至上述無線送電裝置；及以上述誤差不超過特定之容許值之方式控制自上述充電電路供給至上述電池之充電電流。
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