JP7227813B2

JP7227813B2 - 無線通信装置

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Publication number: JP7227813B2
Application number: JP2019058190A
Authority: JP
Inventors: 裕耳野
Original assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2023-02-22
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: JP2020161935A; US20200313642A1; CN111756411A; US10992280B2; CN111756411B

Description

本発明は、非接触で通信及び受電を行う無線通信装置に関する。

１１０ｋＨｚから２０５ｋＨｚ周波数帯を用いるＱｉ規格（ＷＰＣ（Wireless Power Consortium）が策定したワイヤレス給電規格）の通信装置（非接触の送信装置及び受信装置）が知られている。また、短距離の通信用途に用いられているＮＦＣ（Near Field Communication）規格も知られている。近頃では、Ｑｉで使用する周波数帯より高い周波数（１３．５６ＭＨｚ帯）を用いるＮＦＣによりアンテナを小型化できる利点を活かして、ＮＦＣイヤフォンやＮＦＣタッチペン等のモバイル通信装置（以下、ＮＦＣ装置とも称する）が開発され、当該モバイル通信装置にてＮＦＣにより電力を送りバッテリを充電するようになっている（特許文献１）。また、従来から、インピーダンス変化に対して周波数や回路定数を変化させるアンテナ自動同調整合装置が開発されている（特許文献２）。

特表２０１７－５３８３７７号公報特開２０１１－２１７２１２号公報

モバイル通信装置の用途では、送信装置もバッテリ（二次電池）を使用しているため、通信時は送電電力を下げて送信装置のバッテリの動作時間を長くしたいという強い要求がある。一方、受信装置では受電時のバッテリの充電時間を短くするため、整合回路のインピーダンスを下げ大電流を流し、通信時はインピーダンスを上げ電流を少なくする。受電時はインピーダンスが低いため、通信時と受電時でアンテナと回路のインピーダンス整合回路を切り替えなければ不要な反射波を生じ、通信時は通信距離が低下し、受電時は給電量の低下といった問題が発生していた。

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、無線通信装置に使用される共用アンテナとこれに接続される回路との間のインピーダンス整合を適切に行える無線通信装置を提供することを目的とする。

本発明の無線通信装置は、通信及び受電を共用する共用アンテナと、前記共用アンテナに接続され第１スイッチ素子を有するインピーダンス整合回路と、前記インピーダンス整合回路に接続される通信回路と、前記第１スイッチ素子に接続される第２スイッチ素子と、通信時及び受電時に前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチのオンオフを切り替えるインピーダンス整合調整回路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、共用アンテナとこれに接続される回路との間のインピーダンス整合を適切に行える無線通信装置が実現可能となる。

ＮＦＣ装置システムのブロック図である。ＮＦＣ装置システムのブロック図である。第１の実施例である無線通信装置の概略ブロック図である。第１の実施例である無線通信装置の概略ブロック図である。

以下、図面を参照しつつ本発明による実施例について詳細に説明する。なお、実施例において、実質的に同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まずは、図１及び図２を用いてＮＦＣ装置システムについて説明する。図１はＮＦＣ装置システムの一例を示す。送信装置１は、例えば、発振器１１、送電アンプ１２、アンテナＬを含み、他には、例えば、電源回路、制御回路、通信部等を含んで構成される。だだし、電源回路、制御回路、通信部等を省略して示している。なお、通信部（図示せず）は、アンテナＬを介して無線通信（ＮＦＣ通信）を行うこともできるが、別途専用アンテナを設けてＮＦＣ通信を行う構成としてもよい。例えば、受電装置２が送信装置１の送電対象であるか否かを認証するための認証データのやり取りや、送信装置１から送電された電力を受電装置２が受信したか否かを通知する受電通知のやり取り等が、ＮＦＣ通信によって行われる。また、制御回路（図示せず）は、アンテナＬを介して受電装置２とＮＦＣ通信を行うことにより、受電装置２におけるバッテリ（図示せず）の残量の情報や非接触給電のための各種情報のやり取りを行い、送電すべき電力量を決定する。そして、当該制御回路は、前記決定した電力量に応じて送電アンプ１２の増幅率を調整する。これにより、送電すべき電力量に応じた送電電力が送信装置１から送出される。

送信装置１はコイルのアンテナＬを介して高周波信号を受信装置２の通信及び受電で共用するコイルの共用アンテナＬ１に伝える。ＮＦＣのアンテナの多くはコイルを用いた磁界結合により高周波信号を送信装置１から受信装置２に伝える。送信装置１から発信される高周波信号の強度は、通信時に小さく給電時に大きい。受信後の受信装置２は共用アンテナＬ１からインピーダンス整合回路を介した高周波信号を整流回路２２によって直流に変え、装置自体が動作するための電力を生成する。受信装置２が動作するための信号強度は、通信時に通信回路（図示せず）が動作できるだけの例えば１ｍＷ程度の小さな信号強度でよいが、受電時には数１００ｍＷから数ワットの電力が必要となる。低消費電力の通信と、高消費電力の受電動作では、整流回路や通信回路のインピーダンスが変化するためアンテナとこれら回路間のインピーダンス整合回路を調整しないとインピーダンスの不整合を生ずる。

そこで、インピーダンス整合回路のインピーダンスを変えるための回路が設けられている。ここで、当該回路を動作させる電力が必要であるが、無線通信・給電では、動作開始時においては、受電側には内部回路を動作させることが可能となる電源に十分な電力が残されていない場合が多く起動できない（以下、単に「電源がない」と称する）。したがって、インピーダンス整合回路のインピーダンスを変えるための回路を動作させることができない。動作開始時のアンテナのインピーダンスに合わせたインピーダンス整合回路にすればよいかと思われるが、無線通信・給電の手順から動作開始時のインピーダンスに合わせることはできない。

例えば、無線通信・給電の手順を説明すると、まず、送信装置１は動作開始時に受信装置２が周囲に存在するか確認する。すなわち、受信側ではＮＦＣ装置ではない装置が存在する可能性がある。最初に大きな電力を送信すると受信側のＮＦＣ装置ではない装置を破壊する可能性があるため、送信装置１は小さな信号でＮＦＣ装置の受信装置２の存在を確認する。

従って、後述の実施例１における受信装置２は小さな信号を受信するため、インピーダンス整合回路のインピーダンスが高い状態を初期値とする。

図２は、ＮＦＣ装置システムの一例であって、インピーダンス整合回路のインピーダンスを変えるための回路を図１の構成に追加した構成を示す。当該回路ではインピーダンスを高くするために、コイルの共用アンテナＬ１に並列に共振用キャパシタＣ０を配置し、並列共振により高いインピーダンスを実現する。インピーダンスを低くするときには、並列のキャパシタＣ０をスイッチ素子ＳＷ１により動作させて実現する。動作速度の向上及び回路面積の削減のため、スイッチ素子ＳＷ１は機械式のリレースイッチではなく、半導体スイッチを用いる。ＮＦＣ装置の場合にはコイルの共用アンテナＬ１のピーク電圧が高いので、スイッチ素子ＳＷ１にＰＭＯＳトランジスタを使用すると、ＰＭＯＳトランジスタをオフできる程、ＰＭＯＳトランジスタのゲート電圧を高くすることが難しいため、ドレイン及びソースの端子が共振回路５に接続されるＮＭＯＳトランジスタを用いる。

一方、通信動作の開始時にインピーダンスを高くするためには、スイッチ素子ＳＷ１のＮＭＯＳトランジスタをオン状態にしてコイルとの並列共振状態を実現する。しかし、通信動作の開始時には受信装置２には電源がないためスイッチ素子ＳＷ１をオンにすることができず、通信時の小さな信号を受信することができない。また、通信用と受電用の各々に対して、理想的なインピーダンス整合条件を満足できず、通信用と受電用の中間のインピーダンス整合条件を選ばざるを得なかったため、通信距離が短くなったり、給電量が少なくなる虞がある。

次に、本実施例の無線通信装置について説明する。

図３は、本実施例の無線通信装置であって、回路図を概略的に示している。受電装置２は、ＮＦＣ通信によるデータの送受信と、非接触給電によるバッテリ（図示せず）の充電等が可能な装置である。受電装置２は、ＮＦＣ通信に用いるアンテナと電磁共鳴方式のワイヤレス給電に用いる共用アンテナＬ１を有し、共用アンテナＬ１をＮＦＣ通信と電力の受電を切り替えて使用する装置である。

受電装置２は、順に接続された、共用アンテナＬ１、インピーダンス整合回路２１、整流回路２２、スイッチ回路ＳＷ３及び充電回路２３を含んで構成される。また、受電装置２は通信回路２４を含んで構成されており、通信回路２４はインピーダンス整合回路２１に接続されている。受電装置２は、内部回路（図示せず）を含んで構成される。なお、充電回路２３には充電するためのバッテリ（図示せず）が含まれる。内部回路は、受電装置２が例えばスマートフォンであれば、スマートフォンの機能を実現するための電子回路である。インピーダンス整合回路２１は、キャパシタＣ０と、スイッチ素子ＳＷ１と、キャパシタＣ１とを含んで構成される。共用アンテナＬ１及びキャパシタＣ０によって共振回路５が構成される。

また、受電装置２は、補助受電アンテナＬ１ａと、補助受電アンテナＬ１ａに接続される補助インピーダンス整合回路２１ａと、補助インピーダンス整合回路２１ａに接続される補助整流回路２２ａと、補助整流回路２２ａによって電力をスイッチ素子ＳＷ１に供給させるオンオフ制御を行う補助スイッチ素子ＳＷ２と、補助スイッチ素子ＳＷ２を制御するインピーダンス整合調整回路２５とを含んで構成される。補助インピーダンス整合回路２１ａは、補助キャパシタＣ０ａと、キャパシタＣ１とを含んで構成される。

スイッチ素子ＳＷ１は、ドレイン及びソースの端子が共振回路５のキャパシタＣ０に直列接続されるＮＭＯＳトランジスタである。補助スイッチ素子ＳＷ２は、ドレイン及びソースの端子がスイッチ素子ＳＷ１のゲートと補助整流回路２２ａの出力との接続点に直列接続されかつゲートがインピーダンス整合調整回路２５に接続されるＮＭＯＳトランジスタである。

補助受電アンテナＬ１ａ、補助インピーダンス整合回路２１ａ、補助スイッチ素子ＳＷ２及びインピーダンス整合調整回路２５は、インピーダンス整合回路２１のスイッチ素子ＳＷ１をオンオフ制御にするために設けられている。インピーダンス整合調整回路２５は、補助スイッチ素子ＳＷ２によってスイッチ素子ＳＷ１を制御することにより、補助受電アンテナＬ１ａと補助キャパシタＣ０ａを並列共振させることでインピーダンスを大きくして消費電流を下げて無駄な電力損失の発生を抑制する。

このように、共用アンテナＬ１とインピーダンス整合回路２１のキャパシタＣ０とは、二次側の共振回路を構成し、送信装置１（図２を参照）によって発生された磁界結合作用によって、起電力（交流信号）を生成する。

インピーダンス整合回路２１は、スイッチ素子ＳＷ１のオンオフが調整されることにより、インピーダンスが調整される。インピーダンス整合回路２１のインピーダンスが調整されることにより、送信装置１（図２を参照）からの磁界を効率よく受信できる。なお、インピーダンス整合回路２１のキャパシタＣ１は、インピーダンス整合回路２１から整流回路２２側を見たインピーダンスを整合するためのものある。

整流回路２２は、インピーダンス整合回路２１を介して受電した電力に応じた交流電圧（交流信号）を整流して直流の出力電圧を得る。整流回路２２は、例えば全波整流回路である。特に制限されないが、整流回路２２は、ショットキーダイオードＤ１～Ｄ４から成るダイオードブリッジ回路と、平滑化用のキャパシタＣ２とを含んで構成される。ダイオードブリッジ回路では、ダイオードＤ１とダイオードＤ２の接続点に相当する一方の入力端子がインピーダンス整合回路２１のキャパシタＣ１に接続されている。

ダイオードブリッジ回路では、ダイオードＤ３とダイオードＤ２の接続点に相当する出力端子に平滑化キャパシタＣ２の一端が接続されている。平滑化キャパシタＣ２は、ダイオードブリッジ回路によって整流された電圧を平滑化する。平滑化キャパシタＣ２の一端における整流電圧に基づいて、受電装置２内の各機能部の動作が可能にされる。平滑化キャパシタＣ２の他端は接地されている。

通信回路２４は、共用アンテナＬ１を通信用アンテナとして用いることにより、送信装置１（図２を参照）との間でＮＦＣ通信を行う。通信回路２４は、スイッチ回路ＳＷ３をオンオフ制御する。スイッチ回路ＳＷ３は、通信回路２４のＮＦＣ通信の期間以外の期間にてオン状態として、充電回路２３に電力を供給する。

（装置の動作）
送信装置１（図２を参照）から送られた信号は共用アンテナＬ１と補助受電アンテナＬ１ａに入力される。補助受電アンテナＬ１ａから入力された信号は補助整流回路２２ａにより直流電圧に変換され、インピーダンス整合回路２１の切り替え用スイッチ素子ＳＷ１のゲートに入力され、スイッチ素子ＳＷ１をオン状態にする。

スイッチ素子ＳＷ１がオン状態になることで共用アンテナＬ１とキャパシタＣ０が並列共振の条件を満たして、通信回路２４が動作を始める。通信回路２４が動作を開始し、送信装置１と受信装置２の通信が開始され、送信装置１に通信装置の存在が確認されると、送信装置１から充電用の大きな電力が送信され給電が始まる。

給電開始と同時に受信装置２の通信回路２４を監視するインピーダンス整合調整回路２５は、通信回路２４の動作に応じて、補助スイッチ素子ＳＷ２をオン状態にしてスイッチ素子ＳＷ１のゲート電位を下げてスイッチ素子ＳＷ１をオフ状態にして、共用アンテナＬ１側のインピーダンスを下げ、受電用のインピーダンス整合状態にする。給電動作が完了したとき、インピーダンス整合調整回路２５は、通信回路２４の動作に応じて、補助スイッチ素子ＳＷ２のゲートバイアスをオフにすることで、共用アンテナＬ１のインピーダンスを高くすることができ、再度通信を開始することができる。

本実施例によれば、インピーダンス整合調整回路２５が補助スイッチ素子ＳＷ２によってスイッチ素子ＳＷ１を制御することにより、インピーダンス整合回路２１の通信状態と給電状態それぞれに最適なインピーダンス整合条件とすることができ、通信可能距離の拡大と給電量の増加を実現することができる。

図４は本発明の第２の実施例の概略回路図である。本実施例の無線通信装置である受電装置２Ａは、第１の実施例の補助受電アンテナＬ１ａ、インピーダンス整合回路２１ａ及び補助整流回路２２ａを用いないで、これらに代わり整流回路２２による電力をスイッチ素子ＳＷ１のゲートに供給させる電力線ＰＬを設け、補助スイッチ素子ＳＷ２が電力線ＰＬをオンオフ制御して、インピーダンス整合調整回路２５が補助スイッチ素子ＳＷ２を制御する以外、第１の実施例と同一である。

電力線ＰＬが無ければ、動作開始時、受信装置２に電源がないためスイッチ素子ＳＷ１はオフ状態であり、共用アンテナＬ１と共振用キャパシタＣ０で並列共振状態とすることができない。そのため本実施例においては、整流回路２２の出力が受信装置２の通信回路２４を動かせるほどの電圧を得ることはできなくとも、上記電力線ＰＬを設け、スイッチ素子ＳＷ１に閾値電圧の低いＮＭＯＳトランジスタを選べば、スイッチ素子ＳＷ１をオンにすることは可能である。ＮＭＯＳのスイッチ素子ＳＷ１がオン状態になれば共用アンテナＬ１と共振用キャパシタＣ０とが並列共振状態となり、一連の回路を動作させることができるだけの電圧を発生させることができる。

第２の実施例においては、第１の実施例の効果に加えて、受信装置２のアンテナコイル及び整流回路を一つにすることができ、回路面積を削減することができる。第１の実施例にくらべて動作開始時に得られる電圧が低いので、第１の実施例に用いる回路切り替え用スイッチ素子ＳＷ２より閾値電圧が低いＮＭＯＳトランジスタをスイッチ素子ＳＷ１として選択することが好ましい。

２、２Ａ受電装置
２１インピーダンス整合回路
２１ａ補助インピーダンス整合回路
２２整流回路
２２ａ補助整流回路
２３充電回路
２４通信回路
２５インピーダンス整合調整回路
ＳＷ１スイッチ素子
ＳＷ２補助スイッチ素子
ＳＷ３スイッチ回路
Ｌ１共用アンテナ
Ｌ１ａ補助受電アンテナ
Ｃ０共振用キャパシタ
ＰＬ電力線

Claims

通信及び受電を共用する共用アンテナと、
前記共用アンテナに接続され、第１スイッチ素子を有するインピーダンス整合回路と、
前記インピーダンス整合回路に接続される通信回路と、
前記第１スイッチ素子のオンオフを切り替える第２スイッチ素子と、
通信時及び受電時に前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のオンオフを切り替えるインピーダンス整合調整回路と、
を備え、
前記インピーダンス整合調整回路が前記第２スイッチ素子のオンオフを切り替えることにより、前記第１スイッチ素子は前記第２スイッチ素子によって制御されることを特徴とする無線通信装置。
前記インピーダンス整合回路に接続される整流回路と、
補助受電アンテナと、
前記補助受電アンテナに接続される補助インピーダンス整合回路と、
前記補助インピーダンス整合回路に接続され、前記第１スイッチ素子に電力を供給する補助整流回路と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。
前記インピーダンス整合回路に接続され、前記第１スイッチ素子に電力を供給する整流回路を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の無線通信装置。