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JP6410641B2 - ワイヤレス送電装置、異物検出方法、充電器 - Google Patents

ワイヤレス送電装置、異物検出方法、充電器 Download PDF

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JP6410641B2
JP6410641B2 JP2015042687A JP2015042687A JP6410641B2 JP 6410641 B2 JP6410641 B2 JP 6410641B2 JP 2015042687 A JP2015042687 A JP 2015042687A JP 2015042687 A JP2015042687 A JP 2015042687A JP 6410641 B2 JP6410641 B2 JP 6410641B2
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Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関し、特に異物検出に関する。
近年、電子機器に電力を供給するために、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と、受信コイルを有する受電端末で構成される。
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、ドライバ24、コントローラ26、復調器28を備える。ドライバ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ものであり、具体的には、ドライバ24のスイッチング周波数、あるいはスイッチングのデューティ比を制御することにより、送信電力を変化させる。
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)、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含まれる制御信号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、ドライバ24を制御する。
受電装置30は、受信コイル32、整流回路34、平滑コンデンサ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および平滑コンデンサ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VRECT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、負荷40に供給される電力をモニタし、それに応じて、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。
この給電システム10では、送電装置20と受電端末(電子機器)は、比較的自由な空間に配置されるため、送信コイル22と受信コイル32の間、あるいはその近傍に、金属片などの導電性の異物(Foreign Object)が置かれる状況が生じうる。この状態でワイヤレス給電が行われると、異物に電流が流れ、電力損失が発生してしまう。また異物が発熱するという問題がある。かかる状況に鑑みて、WPC1.1(System Description Wireless Power Transfer Volume I: Low Power Part 1: Interface Definition Version 1.1)仕様において、異物検出(FOD:Foreign Object Detection)が策定された。
このFODでは、送電装置200が送出した電力と、受電装置300が受信した電力と、が比較され、それらの間に許容値を超える不一致が発生した場合に、異物が存在するものと判定される。
現在、中電力向けQi規格(Volume II Middle Power)の策定が進められており、別方式のFOD方式が模索されている。その中のひとつとして、送信コイル(アンテナ)のQ値を利用したものが挙げられる。具体的には、送信コイルに異物が近接すると、送信アンテナのQ値が変化することを利用して、異物の有無を判定しようとするものである。
特開2013−38854号公報 特許第5071574号公報
本発明は係る課題に鑑み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、異物検出可能な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関する。ワイヤレス送電装置は、直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路を含むドライバと、ブリッジ回路に流れる電流を検出する電流センサと、ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながらブリッジ回路に流れる電流を検出し、その結果にもとづいて異物の有無を判定する異物検出器と、を備える。
ブリッジ回路に流れる電流の周波数特性、たとえばピークを与えるセンター周波数や、バンド幅は、送信アンテナ201の周囲の状況に応じて変化するため、ブリッジ回路に流れる電流の周波数特性を検出することで、異物を検出できる。この態様によると、異物検出器の回路構成を従来よりも著しく簡略化し、コストを下げることができる。
異物検出器は、電流がピークとなる周波数fと、電流がピークから所定比率、低下したときの周波数fと、にもとづいて、異物の有無を判定してもよい。
異物検出器は、(i)送信アンテナの共振周波数より低い周波数をスタートとして、ブリッジ回路のスイッチング周波数fSWをスイープアップしながら、周波数fおよびそのときの電流値IMAXを取得し、(iii)電流値IMAXに所定比率を乗じた電流ILOWを算出し、(iii)さらにスイッチング周波数fSWをスイープアップしながら、検出電流が電流ILOWとなったときの周波数fを取得してもよい。
所定比率は、1/√2であってもよい。
異物検出器は、Q=f/(2×|f−f|)にしたがいQ値を算出し、算出したQ値と所定のしきい値の比較結果にもとづいて、異物の有無を判定してもよい。
異物検出器は、ワイヤレス受電装置からしきい値を受信してもよい。
電流センサは、DC電源からブリッジ回路の上側電源端子に流入する電流を検出してもよい。
この場合、電流を直流に近い信号として測定できるため、精度を高めることができる。特にブリッジ回路の上側電源端子に平滑キャパシタが接続される場合、この効果は顕著である。
電流センサは、ブリッジ回路の下側電源端子から接地に流出する電流を検出してもよい。
この場合、電流を直流に近い信号として測定できるため、精度を高めることができる。
電流センサは、検出対象の電流の経路上に設けられた検出抵抗と、検出抵抗の電圧降下を増幅するセンスアンプと、センスアンプの出力を受けるローパスフィルタと、ローパスフィルタの出力をデジタル値に変換するA/Dコンバータと、を含んでもよい。
電流センサは、送信電力を算出するために必要な電流を検出する電流検出回路と共用されてもよい。
この場合、追加のハードウェアをさらに削減できる。
ワイヤレス送電装置は、Qi規格に準拠してもよい。
本発明の別の態様は、充電器に関する。充電器は、上述のいずれかのワイヤレス送電装置を備える。
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、異物を検出できる。
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。 実施の形態に係るワイヤレス送電装置を備える給電システムのブロック図である。 ブリッジ回路のスイッチング周波数fSWと電流Iの関係を示す図である。 異物検出シーケンスの一例を示すフローチャートである。 送電装置の構成例を示す回路図である。 図5の送電装置の動作波形図である。 送電装置を備える充電器の回路図である。
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。
図2は、実施の形態に係るワイヤレス送電装置を備える給電システム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300(RX、Power Receiver)と、を備える。受電装置300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、送信コイル(1次コイル)202、ドライバ204、コントローラ206、復調器208、DC電源210、電流センサ220を備える。
ドライバ204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202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。本実施の形態では、ハーフブリッジ回路205が使用される。ハーフブリッジ回路205の上側電源端子P1には、DC電源210からの電源電圧VDDが供給され、下側電源端子P2は接地される。上側電源端子P1には平滑キャパシタCが接続される。
コントローラ206は、送電装置200全体を統括的に制御するものであり、具体的には、ドライバ204のスイッチング周波数fSW、あるいはスイッチングのデューティ比を制御することにより、送信電力を変化させる。コントローラ206の機能、構成については、後述する異物検出器230に関するものを除いて、公知技術を用いればよいため、説明を省略する。
Qi規格では、送電装置200と受電装置300の間で通信プロトコルが定められており、受電装置300から送電装置200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302(2次コイル)から送信コイル202に送信される。この制御信号S3には、たとえば、受電装置300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)、受電装置300の固有の情報を示すデータなどが含まれる。また制御信号S3には、送信アンテナ201のQ値の適正範囲を規定するしきい値が含まれてもよい。
復調器208は、送信コイル202の電流あるいは電圧に含まれる制御信号S3を復調する。コントローラ206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、ドライバ204を制御する。
続いて、送電装置200における異物検出(FOD)について説明する。
FODに関して、送電装置200は、電流センサ220およびコントローラ206の異物検出器(Foreign Object Detector)230を備える。
電流センサ220は、ブリッジ回路205に流れる電流Iを検出し、検出した電流量を示す電流検出値S4を生成する。電流検出値S4は、コントローラ206の異物検出器230に入力される。「ブリッジ回路に流れる電流」とは、ブリッジ回路の入力電流もしくは、いずれかのアームに流れる電流を含み、出力電流、すなわちアンテナに流れるコイル電流は含まない。またブリッジ回路の入力電流は、ブリッジ回路205の上側電源端子に流入する電流、下側電源端子から流出する電流を含む。
受電装置300への送電開始前に、以下の異物検出処理を実行する。
具体的には異物検出器230は、ブリッジ回路205のスイッチング周波数fSWを変化させながらブリッジ回路205に流れる電流Iを検出し、その結果にもとづいて異物の有無を判定する。
以上が送電装置200の基本構成である。続いて異物検出器230の原理、動作を説明する。
図3は、ブリッジ回路205のスイッチング周波数fSWと電流Iの関係を示す図である。本発明者は、ブリッジ回路205に流れる電流Iのスイッチング周波数依存性について検討したところ、たとえばピークIMAXを与えるセンター周波数f、バンド幅(周波数特性という)Δfが、送信アンテナ201の周囲の状況に応じて変化することを認識するに至った。
バンド幅Δfは、たとえば電流量IがピークIMAXから所定比率、低下したときのスイッチング周波数fSWを与える周波数fを用いて、
Δf=2×|f−f| …(1)
で定義される。所定比率は、1/√2、1/2、1/eなどを使用しうるが、電気通信の分野では1/√2を採るのが通常である。
図2の送電装置200によれば、電流センサ220により、ブリッジ回路205に流れる電流Iの周波数特性を検出し、周波数特性の変化を監視することにより、異物を検出することができる。
この方法によれば、ブリッジ回路205に流れる電流Iを測定すれば足りるため、異物検出器230の回路構成を従来よりも著しく簡略化し、コストを下げることができる。
ここで、センター周波数fの変動のみでは、異物検出の精度が低い場合もある。そこで異物検出器230は、電流IがピークIMAXとなる周波数fと、電流IMAXがピークIMAXから所定比率1/√2、低下したときの周波数fと、にもとづいて、異物の有無を判定することが望ましい。
Qi規格に準拠した送電装置200においては、送信アンテナ201のQ値にもとづいて、異物を検出してもよい。
Q=I/Δf=f/(2×|f−f|)
図4は、異物検出シーケンスの一例を示すフローチャートである。
送信アンテナ201の共振周波数fより低い所定の周波数fをスタート周波数とし、スイッチング周波数fSWをスイープアップする。
スイープアップの過程において、周波数fおよびそのときの電流値IMAXを取得する(S102)。続いて、ピーク電流値IMAXに所定比率1/√2を乗じた電流ILOWを算出する(S104)。(iii)さらにスイッチング周波数fSWをスイープアップしながら、検出電流Iが算出した電流ILOWとなったときの周波数fを取得し(S106)、Q値を算出する(S108)。
異物検出器230はこのように得られたQ値にもとづいて、異物の有無を判定する(S110)。より具体的には異物検出器230は、算出したQ値と所定のしきい値の比較結果にもとづいて、異物の有無を判定することができる。ここで異物検出器230は、所定のしきい値を、ワイヤレス受電装置から受信してもよい。以上が異物検出のフローである。
続いて送電装置200の具体的な構成例を説明する。図5は、送電装置200の構成例を示す回路図である。
電流センサ220は、DC電源210からブリッジ回路205の上側電源端子P1に流入する電流(入力電流という)Iを検出対象とする。電流センサ220は、検出対象の電流Iの経路上に設けられた検出抵抗Rと、検出抵抗Rの電圧降下Vを増幅するセンスアンプ222と、センスアンプ222の出力を受けるローパスフィルタ224と、ローパスフィルタ224の出力をデジタル値に変換するA/Dコンバータ226と、を備える。上側電源端子P1には平滑キャパシタCが接続されており、したがって電流センサ220は、平滑キャパシタCに流れ込む電流Iを測定しているものと把握することもできる。入力電流Iを検出対象とすることで、保護動作の観点からも有利である。
送電装置200には、自身の送信電力を算出する機能を具備する場合が多く、従来の送電装置も、電力算出のために電流検出のための回路を備えている。この場合、そこで電流センサ220は、電力算出のための電流検出回路と共用(流用)することができる。
図6は、図5の送電装置200の動作波形図である。図6には、送信アンテナ201に流れる電流ICOILと、ブリッジ回路205への入力電流I、ローパスフィルタ224の出力信号S5が示される。
理論的には、入力電流Iは、ブリッジ回路205のハイサイドトランジスタがオンの期間のコイル電流ICOILに相当するため、入力電流Iは半波形であるが、ブリッジ回路205の上側電源端子P1(DC電源210の出力)には、平滑用のキャパシタCが接続されるため、入力電流Iは、コイル電流ICOILの振幅に応じたDC成分と、スイッチング周波数fSWに応じた交流成分の和となる。ローパスフィルタ224によって、スイッチング周波数fSWに応じた交流成分を除去することにより、DC成分、すなわちコイル電流ICOILを検出できる。
続いて送電装置200の用途を説明する。図7は、送電装置200を備える充電器400の回路図である。充電器400は、受電装置300を備える電子機器500を充電する。充電器400は、筐体402、充電台404、回路基板406、を備える。給電対象の電子機器は、充電台404上に載置される。ドライバ204やコントローラ206その他の回路部品は、回路基板406上に実装される。送信アンテナ201は、充電台404の直下にレイアウトされる。充電器400は、AC/DCコンバータ410により直流電圧を受けてもよいし、AC/DCコンバータを内蔵してもよい。あるいは充電器400は、USB(Universal Serial Bus)などの給電線を備えるバスを介して、外部からDC電力の供給を受けてもよい。
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。
(第1の変形例)
電流センサ220が監視する電流は、ブリッジ回路の入力電流Iには限定されない。たとえばブリッジ回路205よりも接地側に検出抵抗Rを挿入してもよい。ただし、接地側で電流を測定する場合には、平滑キャパシタCによる電流の平滑化の効果が期待できなないため、追加の回路および信号処理が必要となる場合もある。ただしこの場合であっても、ブリッジ回路205の出力電流(つまりコイル電流ICOIL)を測定する場合に比べれば、回路構成および信号処理を簡略化できるというメリットは享受できる。
また、検出抵抗Rを挿入する代わりに、ブリッジ回路205のスイッチングトランジスタ(ハイサイドトランジスタまたはローサイドトランジスタ)のオン抵抗を利用してもよい。ただし、スイッチングトランジスタのオン抵抗を利用する場合、ブリッジ回路の内部電流を測定することになるため、平滑キャパシタCによる電流の平滑化の効果が期待できず、追加の回路および信号処理が必要となる場合もある。ただしこの場合であっても、ブリッジ回路205の出力電流(つまりコイル電流ICOIL)を測定する場合に比べれば、回路構成および信号処理を簡略化できるというメリットは享受できる。
(第2の変形例)
実施の形態では、ハーフブリッジ回路のドライバ204について説明したが、Hブリッジ回路にも適用可能である。
(第3の変形例)
実施の形態では、Q値にもとづいて異物検出する場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。Qi規格以外の、将来策定されるであろう規格においては、Q値によらずに、センター周波数fや、バンド幅Δfの変化にもとづいて、異物を検出しうる。
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、200,TX…送電装置、201…送信アンテナ、202…送信コイル、204…ドライバ、205…ブリッジ回路、206…コントローラ、208…復調器、210…DC電源、220…電流センサ、222…センスアンプ、224…ローパスフィルタ、226…A/Dコンバータ、230…異物検出器、300,RX…受電装置、302…受信コイル、S1…駆動信号、S2…電力信号、S3…制御信号、S4…電流検出値、400…充電器、402…筐体、404…充電台、406…回路基板、500…電子機器。

Claims (13)

  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であって、
    直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、
    前記送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路を含むドライバと、
    前記ブリッジ回路に流れる電流を検出する電流センサと、
    前記ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながら前記ブリッジ回路に流れる前記電流を検出し、その結果にもとづいて異物の有無を判定する異物検出器と、
    を備え、
    前記異物検出器は、前記電流がピークとなる周波数fと、前記電流がピークから所定比率、低下したときの周波数fと、にもとづいて、異物の有無を判定することを特徴とするワイヤレス送電装置。
  2. 前記異物検出器は、
    (i)前記送信アンテナの共振周波数より低い周波数をスタートとして、前記ブリッジ回路のスイッチング周波数をスイープアップしながら、前記周波数fおよびそのときの電流値IMAXを取得し、
    (ii)電流値IMAXに前記所定比率を乗じた電流ILOWを算出し、
    (iii)さらに前記スイッチング周波数をスイープアップしながら、検出電流が前記電流ILOWとなったときの周波数fを取得することを特徴とする請求項に記載のワイヤレス送電装置。
  3. 前記所定比率は、1/√2であることを特徴とする請求項1または2に記載のワイヤレス送電装置。
  4. 前記異物検出器は、Q=f/(2×|f−f|)にしたがいQ値を算出し、算出したQ値にもとづいて異物の有無を判定することを特徴とする請求項に記載のワイヤレス送電装置。
  5. 前記異物検出器は、算出したQ値と所定のしきい値の比較結果にもとづいて、異物の有無を判定することを特徴とする請求項に記載のワイヤレス送電装置。
  6. 前記異物検出器は、前記ワイヤレス受電装置から前記しきい値を受信することを特徴とする請求項に記載のワイヤレス送電装置。
  7. 前記電流センサは、DC電源から前記ブリッジ回路の上側電源端子に流入する電流を検出することを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
  8. 前記ブリッジ回路の上側電源端子に接続された平滑キャパシタをさらに備えることを特徴とする請求項に記載のワイヤレス送電装置。
  9. 前記電流センサは、
    検出対象の電流の経路上に設けられた検出抵抗と、
    前記検出抵抗の電圧降下を増幅するセンスアンプと、
    前記センスアンプの出力を受けるローパスフィルタと、
    前記ローパスフィルタの出力をデジタル値に変換するA/Dコンバータと、
    を含むことを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
  10. 前記電流センサは、送信電力を算出するために必要な電流を検出する電流検出回路と共用されることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
  11. Qi規格に準拠したことを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載のワイヤレス送電装置。
  12. 請求項1から11のいずれかに記載のワイヤレス送電装置を備えることを特徴とする充電器。
  13. ワイヤレス受電装置における異物検出方法であって、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    直列に接続された共振キャパシタおよび送信コイルを含む送信アンテナと、
    前記送信アンテナに駆動電圧を印加するブリッジ回路と、
    を含み、
    前記異物検出方法は、
    前記ブリッジ回路のスイッチング周波数を変化させながら前記ブリッジ回路に流れる電流を検出するステップと、
    前記電流がピークとなる周波数fと、前記電流がピークから所定比率低下したときの周波数fと、にもとづいて、異物の有無を判定するステップと、
    を備えることを特徴とする異物検出方法。
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