JP2018183024A - 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ - Google Patents
電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018183024A JP2018183024A JP2017091978A JP2017091978A JP2018183024A JP 2018183024 A JP2018183024 A JP 2018183024A JP 2017091978 A JP2017091978 A JP 2017091978A JP 2017091978 A JP2017091978 A JP 2017091978A JP 2018183024 A JP2018183024 A JP 2018183024A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- power supply
- parallel resonant
- filter
- supply system
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Filters And Equalizers (AREA)
Abstract
【課題】電力伝送効率が高い、並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを課題とする。【解決手段】並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を直列3素子型BPF回路の帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量を2個の結合容量の直列接続で構成し、前記2個の結合容量の入出力端に接続されない端子と接地間にインダクタまたは容量を設けた事により、小さい結合容量を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。【選択図】図1
Description
本発明は、各種の負荷に対して電力供給を行うための電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタに関するものである。
電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタは特許文献1において、結合容量及びインダクタを用いた回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
(例えば特許文献1)
(例えば特許文献1)
並列共振型電力供給システム用フィルタは、特許文献2及び非特許文献1において、その回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
(例えば特許文献2、非特許文献1参照。)
(例えば特許文献2、非特許文献1参照。)
特許文献1の第2図は、回路構成の入出力端に、二つのLC並列共振回路を設け、その並列共振回路間の結合容量により、非接触給電を行う。このフィルタは、電力供給システムにおいて、電極の配置状態の変化に伴う電力変化の少ない、安定した電力供給を行うことが可能となる電力供給システムを提供することを目的とした回路構成である。
「電界結合方式ワイヤレス給電装置の製作」、CQ出版社、グリーン・エレクトロニクスNO17、(2014−12)(pp50−pp59)
「電子工学データブック」、川上正光監訳、近代科学社、1963年6月、(pp158)
「比誘電率」、https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%AF%94%E8%AA%98%E9%9B%BB%E7%8E%87、2017年1月、
しかしながら、特許文献1は、電力を非接触で伝送するために必要な結合電極回路を構成するLC素子値の決定手法、その回路実装構造に関するものある。安定した電力供給を行うことを目的とした回路実装構造に関するもので、並列共振型電力供給用フィルタとして、製品規格からそのフィルタに要求されるフィルタ特性、そのフィルタ特性からそのフィルタを構成する、LCの素子値に関する課題がある。また、回路構成は、並列共振型電力供給用フィルタの基本回路構成に、入出力端にトランスを介したインピーダンス調整用並列共振回路が設けられている。図1に示される結合電極だけでは、並列共振型電力供給用フィルタに要求される特性を満足するフィルタを得るのが本発明の課題である。
また、特許文献1の並列共振型電力供給用フィルタは、非特許文献2にも示されているC結合帯域通過型フィルタ(BPF)である。この型BPFの回路構成は、まず結合容量を想定して、他の構成素子値を決め、充電器特性を測定し、その測定から、構成LCを変化させ、充電器特性を満足するフィルタを得ている事が現状である。本発明の他の課題は、充電器として要求される電力伝送効率が高く、結合容量を小さくした、調整用意な並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項1に記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、前記入力並列共振器と出力並列共振器間に、直列3素子型BPF回路のインダクタと結合容量とインダクタを設け、この二つの直列共振回路によりなる並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記結合容量はπ型容量回路から構成され、結合容量を小さくした事を特徴とする。
また、請求項2に記載の並列共振型電力供給用システムは、外部回路との整合を良くするため入出力の並列共振器にインピーダンスレベル調整用端子を設定した事を特徴とする。
また、請求項3に記載の並列共振型電力供給用システムは、入出力の並列共振器の並列器共振インピーダンスのゼロ値が伝送周波数の2倍以上に設定した事を特徴とする。
請求項1から請求項5の並列共振型電力システムにおいて、結合容量を含む構成する帯域通過フィルタの容量の一部又は全ての容量をガラス基板の高誘電率材質で形成した容量を用いた事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
本発明によれば、結合容量の小さい値に設定された並列共振型電力供給用システム用フィルタにより、広帯域効率特性を有するフィルタが得られ、並列共振型電力供給用システム用フィルタはこの容量値を変化させても入出力並列共振器の共振周波数の変動が少なく、安定な効率特性で、容量調整を容易にした事を可能とする。
並列共振型電力供給用フィルタは、非特許文献2に示されているごとく、直列3素子型BPF回路構成を基本として、この回路は、その設計段階において、構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、充電器用フィルタが試作されると想定されるが、非特許文献1等から想定すると、試作においては、最初結合容量設定製作し、データを取得し、そのデータを基にして、入出力の並列共振器を設計試作する方法で、製作したフィルタを用いた電力供給システムに提供されているのが現状である。そこで、本発明の並列共振型電力供給用フィルタは、前記非特許文献2に示されている如く、入出力端に並列共振回路、及びその入出力並列共振器間に結合容量を介して接続されている直列3素子型BPF構成を基本として、その結合容量を小さい値に設定できる事を特徴とする。
(1)本発明のシミュレーション
まず、本発明の回路構成(1)となるシミュレーションは、図1の回路構成(1)のF行列から、回路の周波数特性を示す(5)のS、効率特性を示す(7)のη21を用いて、電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成(1)の特性を評価する。
まず、本発明の回路構成(1)となるシミュレーションは、図1の回路構成(1)のF行列から、回路の周波数特性を示す(5)のS、効率特性を示す(7)のη21を用いて、電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成(1)の特性を評価する。
通常電力供給システム用フィルタは、非特許文献2に示されている如く、(1)フィルタ条件、(2)力率条件、(3)整合条件の検討が必要である。ここでは、このフィルタ条件及び力率条件について評価検討した。評価の基準はF行列を用いた。このF行列は数(1)で与えられ、そのA・B・C・Dの四端子定数は下記数(2)に示される。
また、図1の回路構成(1)のF行列の各要素を数(3)で与えられる。
ここで、Y=Y1=Y2=LC並列共振回路のアドミタンス、Zは結合容量のインピーダンス、nは理想変成器の変成比である。
具体的、図1の回路構成の数(4)の各要素を計算すると数(4)で与えられる。
具体的、図1の回路構成の数(4)の各要素を計算すると数(4)で与えられる。
(2)試作実施例及びそのQ値のシミュレーション結果
本シミュレーションは2.0MHz帯の並列共振型電力伝送システム用フィルタについておこなった。2.0MHzについては、通過帯域を±0.1MHz、±0.2MHzとして構成素子値を求めた。構成素子値は全て、同じ無負荷Qを持つとしておこなった。また、この無負荷QはQ=50として、基準特性として、このQ値を変動させて、2.0MHzの損失値変動データも取得した。
本シミュレーションは2.0MHz帯の並列共振型電力伝送システム用フィルタについておこなった。2.0MHzについては、通過帯域を±0.1MHz、±0.2MHzとして構成素子値を求めた。構成素子値は全て、同じ無負荷Qを持つとしておこなった。また、この無負荷QはQ=50として、基準特性として、このQ値を変動させて、2.0MHzの損失値変動データも取得した。
請求項1,請求項2及び請求項3の場合について、伝送周波数2.0MHzにおいて、通過帯域を、±0.2MHzとして、算出した素子値を表1に示す。
この場合、結合容量はC3で、39pFである。ここで、この直列3素子型BPFの結合容量と出力端並列共振器間に理想変成器を設けたのが、図1の本発明の回路構成1である。理想変成器の変成比n及び入力出力端並列共振器のLCをパラメータとして、結合容量C3の最適化を図った結果を表1に示す。表1の並列共振器のLC素子値は、C1=C2=1500pFとして、セラミックコンデンサを、インダクタは、形状T−37のトロイダルコアに、銅メツキ軟銅線0.3mmを40T巻いて、L1、L2とした。結合容量C31は、表2においては、39pFとして、またn=1の理想変成器を設けて測定した結果を、表2に示す。表2の試作データにおいて、F0は中心周波数、−3は通過帯域の低域における3dB降下周波数、3は通過帯域の高域側における3dB降下周波数、帯域幅は前記3dB周波数の差である。
表2から、2.0MHzにおける損失が1.2dBで効率は80%以上である。また請求項3を満足すれば表2の値が得られる事を確認している。
図1の回路構成はトロイダルコア6個を用いているので、図3に示す図1の分割回路のコイル損失によるフィルタの損失値を検討した。表1の実施例1の構成素子値を用いて、2.0MHzのおける構成素子値のQと損失値の関係を調査した。その結果、Qと2.0MHzの損失値には次の関係がある事が判明した。
この損失値は効率特性になるので、このQ値が100で、損失が0.6dBである。この損失は0.4dBで効率90%になるので、形状T−37のトロイダルコアを用いると、図1の回路構成の場合、効率は88%になる事である。
電界結合型フィルタにおいては結合容量を小さい値に設定する事が望まれる。しかし、最近非特許文献1においての結合容量は80pFで用いられている。本願においては39pFの結合容量で必要な特性が得られる。本願図1の回路構成はこの結合容量値は更なる小さい値でも特性が得られる事が可能である事を表4で示している。表4の場合結合容量を16pFとした場合の特性が得られ、3dB幅も0.33MHz得られている。この場合、結合容量は通常の基板で製作すれば、2.5cm角、厚さ1.6mmで実現可能である。この事は電界結合を用いる事により、現在電磁結合を用いているワイヤレス給電機器の小型化は可能である事を示している。この事は非特許文献1の結合容量と前記本願の結合容量を比較すれば小型化の可能性が判る。最近、スマートホンのケース裏面等に強化ガラスを用いられている場合が多い。
図4の従来技術は移動端末機のケースにワイヤレス給電機能を搭載した充電装置は存在しているが、磁気コイルを用いた電磁誘導型のワイヤレス給電装置が主流であり、電力伝送効率を上げるために、損失の少ない大きなコイルが必要となり、又ケースに内蔵を容易にするためには薄型化が必要となり、損失の少ないコイルを開発するのが難しかった。
図5の本発明の電界結合並列共振型電力供給システム用フィルターを使用することにより、前述のように結合容量の低容量化がはかられ、その結合容量を形成する結合電極の小型化が可能となり、さらに結合電極の薄型化は容易に形成できて、水平方向の中心軸のずれも結合容量の変動の許容範囲内ならば電力伝送効率の劣化には影響しないため、使い勝手が良くなる。ワイヤレス電力供給装置として、スマートホン等の移動端末機のケースに小型で安価で使い勝手の良い装置として搭載が可能となる。強化ガラスの誘電率は7.5近傍で、またガラス類の誘電率が添付非特許文献3「物理定数表」に示されている如く、誘電率は「5.0〜10.0」の間にあるので、容量による電力伝送は十分可能である。本実施例を比較すると、図4が現在実用化されているスマートホンのパッケージで、図5は本実施例を用いた場合で電界結合方式により、小型化、高性能化が可能である事を示している。
図4の従来技術は移動端末機のケースにワイヤレス給電機能を搭載した充電装置は存在しているが、磁気コイルを用いた電磁誘導型のワイヤレス給電装置が主流であり、電力伝送効率を上げるために、損失の少ない大きなコイルが必要となり、又ケースに内蔵を容易にするためには薄型化が必要となり、損失の少ないコイルを開発するのが難しかった。
図5の本発明の電界結合並列共振型電力供給システム用フィルターを使用することにより、前述のように結合容量の低容量化がはかられ、その結合容量を形成する結合電極の小型化が可能となり、さらに結合電極の薄型化は容易に形成できて、水平方向の中心軸のずれも結合容量の変動の許容範囲内ならば電力伝送効率の劣化には影響しないため、使い勝手が良くなる。ワイヤレス電力供給装置として、スマートホン等の移動端末機のケースに小型で安価で使い勝手の良い装置として搭載が可能となる。強化ガラスの誘電率は7.5近傍で、またガラス類の誘電率が添付非特許文献3「物理定数表」に示されている如く、誘電率は「5.0〜10.0」の間にあるので、容量による電力伝送は十分可能である。本実施例を比較すると、図4が現在実用化されているスマートホンのパッケージで、図5は本実施例を用いた場合で電界結合方式により、小型化、高性能化が可能である事を示している。
従来、並列共振型電力供給用フィルタの構成素子値の事前決定は不可能とされていた。本発明示すように直列3素子型BPFを用いた構成を基本として、その設計段階において、その構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、結合容量がより小さい値を持つ、充電器として要求されるフィルタ特性が得られ、電力伝送効率が高く、小型化された、並列共振型電力供給システム用フィルタで、更に発生する雑音の少ない電力供給システムを提供することができる。
また、複数の並列共振型電力供給用フィルタを用いて電力供給システムを用いる必要性がある場合、図2の回路構成に示す構成にすると次の近似式が成立するようなシステムは可能である。
1/Cm1=1/C11+1/Cm11 (8)
即ち、図1の電力伝送システムと図2の電力伝送システム電力伝送量を近似的に等しくすることは可能である。したがって、送信回路及び受信回路を必要とするシステムにおいては、全体のシステムの分解においては、式(8)は有用な関係である。
また、複数の並列共振型電力供給用フィルタを用いて電力供給システムを用いる必要性がある場合、図2の回路構成に示す構成にすると次の近似式が成立するようなシステムは可能である。
1/Cm1=1/C11+1/Cm11 (8)
即ち、図1の電力伝送システムと図2の電力伝送システム電力伝送量を近似的に等しくすることは可能である。したがって、送信回路及び受信回路を必要とするシステムにおいては、全体のシステムの分解においては、式(8)は有用な関係である。
以上要するに、本発明によれば、並列共振型電力供給システムの事前検討時において、フィルタの回路構成、その素子値及び効率特性が杷握可能で、減衰帯域において、高減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰となり、高効率特性の並列共振型電力供給システム用フィルタを提供できる。
L1・・・入力側並列インダクタ
C1・・・入力側並列キャパシタ
L2・・・出力側並列インダクタ
C2・・・出力側並列キャパシタ
C11・・・結合回路用キャパシタ
C22・・・結合回路用キャパシタ
Cm11・・・結合回路用キャパシタ
Cm22・・・結合回路用キャパシタ
Cm1・・・合成結合回路用キャパシタ
Cm2・・・合成結合回路用キャパシタ
C31 ・・・結合容量間キャパシタ
C32 ・・・結合容量間キャパシタ
C4 ・・・結合容量間キャパシタ
L11 ・・・入力側直列インダクタ
L12 ・・・出力側直列インダクタ
L21 ・・・入力側直列インダクタ
L22 ・・・出力側直列インダクタ
C1・・・入力側並列キャパシタ
L2・・・出力側並列インダクタ
C2・・・出力側並列キャパシタ
C11・・・結合回路用キャパシタ
C22・・・結合回路用キャパシタ
Cm11・・・結合回路用キャパシタ
Cm22・・・結合回路用キャパシタ
Cm1・・・合成結合回路用キャパシタ
Cm2・・・合成結合回路用キャパシタ
C31 ・・・結合容量間キャパシタ
C32 ・・・結合容量間キャパシタ
C4 ・・・結合容量間キャパシタ
L11 ・・・入力側直列インダクタ
L12 ・・・出力側直列インダクタ
L21 ・・・入力側直列インダクタ
L22 ・・・出力側直列インダクタ
Claims (6)
- 並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を直列3素子型BPF回路の帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量と前記結合容量両端と接地間に容量を設けたπ型回路で、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
- 請求項1の並列共振型電力システムにおいて、入出力端の並列共振回路において、外部接続用理想変成器を設け、前記理想変成器nの値を0.1Ωから2.0の間に設定した事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
- 請求項2の並列共振型電力システムにおいて、入出力端の並列共振回路において、外部接続用理想変成器を設け、その入出力端の並列共振回路の出力インピーダンスの零値を伝送周波数の2倍以上になる事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
- 請求項3の並列共振型電力システムにおいて、伝送周波数を2.0MHzとした場合、39pF以下の結合容量を用いた事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
- 並列共振型電力システムにおいて、入力端、及び出力端に並列共振回路を有し、入力端と出力端共振器間を複数のインダクダと容量の直列共振回路と結合容量で構成される帯域通過フィルタにおいて、前記結合容量と前記結合容量両端と接地間に容量を設けたπ型回路をn個の複数個の組の容量組からなり、前記結合容量が小さい値を有した事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
- 請求項1から請求項5の並列共振型電力システムにおいて、結合容量を含む構成する帯域通過フィルタの容量の一部又は全ての容量をガラス基板の高誘電率材質で形成した容量を用いた事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017091978A JP2018183024A (ja) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2017091978A JP2018183024A (ja) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018183024A true JP2018183024A (ja) | 2018-11-15 |
Family
ID=64277217
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017091978A Pending JP2018183024A (ja) | 2017-04-17 | 2017-04-17 | 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018183024A (ja) |
-
2017
- 2017-04-17 JP JP2017091978A patent/JP2018183024A/ja active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2453985C1 (ru) | Высокоизбирательный полосовой перестраиваемый lc-фильтр | |
US10250227B2 (en) | Frequency-variable filter | |
US7432786B2 (en) | High frequency filter | |
RU2459349C2 (ru) | Полосовой перестраиваемый lc-фильтр | |
JPWO2006080172A1 (ja) | 2ポート型非可逆回路素子及び通信装置 | |
RU2396702C1 (ru) | Полосовой lc-фильтр с регулируемой шириной полосы пропускания | |
CN108287937B (zh) | 高选择性紧凑型带通滤波器及其设计方法 | |
RU2402159C2 (ru) | Полосовой перестраиваемый самосогласующийся lc-фильтр | |
US9847567B2 (en) | Directional coupler | |
KR101295229B1 (ko) | 임피던스 가변 정합 회로 | |
JP2017204997A (ja) | 電界結合型電力供給システム用フィルタ | |
JP2018183024A (ja) | 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ | |
US9124251B2 (en) | Two stage source-follower based filter | |
JP2014155427A (ja) | 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ | |
US11088669B2 (en) | Band pass filter | |
RU2466494C1 (ru) | Узкополосный перестраиваемый lc-фильтр | |
RU156095U1 (ru) | Полосовой перестраиваемый фильтр | |
KR101977832B1 (ko) | 비대칭 구조의 집중소자 기반 방향성 결합기 | |
JP3207413U (ja) | 阻止帯域ノイズ抑制付き低域通過フィルタ | |
RU2685979C1 (ru) | Фильтр гармоник коротковолнового передатчика | |
JP5880738B2 (ja) | 2ポート型非可逆回路素子 | |
RU2560785C2 (ru) | Двухполосный пьезоэлектрический фильтр | |
CN115208441B (zh) | 天线网络及相关电子装置 | |
CN221226534U (zh) | 一种滤波器以及通信设备 | |
JP2015073255A (ja) | 電界結合並列共振型電力供給システム用フィルタ |