TWI626809B - 無線送電裝置及其控制方法 - Google Patents

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Masatoshi Watanabe
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Abstract

本發明之發送天線201包含發送線圈202，且發送電力信號S2。驅動器204係對發送天線201施加驅動信號S1。第1溫度感測器242測定發送線圈202之溫度T1，並產生第1溫度信號S11。第2溫度感測器244測定載置搭載無線受電裝置之電子機器320之介面平台240之溫度T2，並產生第2溫度信號S12。控制電路220係根據第1溫度信號S11與第2溫度信號S12之差分而控制電力信號S2。

Description

無線送電裝置及其控制方法
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，無接點電力傳輸(亦稱為非接觸供電、無線供電)開始普及。為促進不同製造商之產品間之互相利用，組織有WPC(Wireless Power Consortium：無線電力協會)，並藉由WPC制定國際標準規格即Qi(chi)規格。
圖1係表示基於Qi規格之無線供電系統100之構成之圖。供電系統100具備送電裝置200(TX)、及受電裝置300(RX)。受電裝置300搭載於行動電話終端、智慧型電話、聲頻播放器、遊戲機器、平板終端等電子機器。
送電裝置200具備發送線圈202(1次線圈)、驅動器204、控制器206、及解調器208。驅動器204包含H橋式電路(全橋式電路)、或半橋式電路，對發送線圈202施加驅動信號S1，例如驅動電流或驅動電壓，而使發送線圈202產生電磁界之電力信號S2。控制器206係總括性地控制送電裝置200整體。具體而言，藉由控制驅動器204之切換頻率，或切換之占空比而使發送電力變化。
於Qi規格中，於送電裝置200與受電裝置300之間規定通信協定，能自受電裝置300對送電裝置200傳遞控制信號S3之資訊。該控制信號S3係利用背向散射調變(Backscatter modulation)，以AM(Amplitude Modulation：振幅調變)調變之形式自接收線圈302(2次 線5)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)、及表示受電裝置300之固有資訊之資料等。解調器208對發送線圈202之電流或電壓中所包含之控制信號S3進行解調。控制器206基於已解調之控制信號S3中所包含之電力控制資料而控制驅動器204。
受電裝置300具備接收線圈302、整流電路304、電容器306、解調器308、負載電路310、控制器312、及電源電路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係將根據電力信號S2而於接收線圈302感應之電流S4整流、平滑化而轉換為直流電壓。
電源電路314利用自送電裝置200供給之電力對未圖示之2次電池充電，或將直流電壓Vdc升壓或降壓並供給至控制器312或其他負載電路310。
控制器312監視受電裝置300接收之電力供給量，並對應於此而產生指示電力供給量之電力控制資料。調變器308調變包含電力控制資料之控制信號S3，藉由調變接收線圈302之線圈電流而調變發送線圈202之線圈電流及線圈電壓。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利2013-38854號公報
可能發生於發送線圈202與接收線圈302之間、或其附近配置金屬片等導電性異物之狀況。若於此狀態下進行無線供電，則電流流至異物而發生電力損耗。又，存在異物發熱之問題。鑒於此狀況，於WPC1.1(System Description Wireless Power Transfer Volume I：Low Power Part 1：Interface Definition Version 1.1：系統描述無線電力傳輸量I：低電力部1：介面定義版本1.1)規格中，制定異物檢測(FOD：Foreign Object Detection)。
於此FOD中，對送電裝置200送出之電力、與受電裝置300接收之電力進行比較，於該等之間產生超過容許值之不一致之情形時，判定為存在異物。
然而，本發明者們討論之後得知，藉由FOD功能，即便於不存在異物之狀況下，亦有可能誤判定為存在異物。此係由如下原因引起，即發送電力使用實測值，另一方面，接收電力係將線圈間之耦合係數假定為某典型值之狀況下之推測值，(i)實際上耦合係數有偏差；(ii)於送電裝置200及受電裝置300中測定之電力有誤差。
自所述情況而言，若單獨採用FOD功能，則無法區別線圈之位置偏移與異物檢測，因線圈之略微之位置偏移而導致誤判定為不存在之異物。
本發明係鑒於以上問題而完成者，其一形態之例示性之目的之一係提供可檢測線圈之位置偏移之送電裝置。
本發明之一形態係關於無線送電裝置。無線送電裝置具備：發送天線，其包含發送線圈，且發送電力信號；驅動器，其對發送天線施加驅動信號；第1溫度感測器，其測定發送線圈之溫度，並產生第1溫度信號；第2溫度感測器，其測定載置有搭載無線受電裝置之電子機器之介面平台之溫度，並產生第2溫度信號；及控制電路，其係控制驅動器者，且根據第1溫度信號與第2溫度信號之差分而控制電力信號。
當於介面平台上存在金屬片等異物時，藉由異物發熱而引起介面平台之溫度上升。另一方面，於不存在異物而產生位置偏移之情形 時，介面平台之溫度不怎麼上升。根據此形態，藉由檢測介面平台與發送線圈之溫度差而可檢測位置偏移。
控制電路亦可於差分大於第1閾值時限制送電。
所謂「限制送電」包含使發送電力為零、或使發送電力減少等情況。
亦可為控制電路係可檢測異物地構成，當判定出有異物、且差分大於第2閾值時限制送電，而於差分小於第2閾值時實質上繼續送電。
即，即便於藉由FOD功能判定出異物之情形時，於發送線圈與介面平台之溫度差較小之情形時，因位置偏移所致之誤判定之可能性較高。因此，藉由比較溫度差與第2閾值，可區別位置偏移與異物檢測。
第1閾值與第2閾值可為相同值，亦可為不同值。
控制電路進一步亦可於第1溫度信號及第2溫度信號之至少一者大於熱關斷用之閾值時限制送電。
藉此，不論其原因，於送電裝置200成為過熱狀態之情形時，可保護送電裝置200及受電裝置300。
再者，以上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、系統等之間互相置換而得者作為本發明之形態而亦有效。
根據本發明之一形態，可檢測線圈之位置偏移。
100‧‧‧供電裝置
200‧‧‧送電裝置
201‧‧‧發送天線
202‧‧‧發送線圈
203‧‧‧共振電容器
204‧‧‧驅動器
206‧‧‧控制器
208‧‧‧解調器
220‧‧‧控制電路
222‧‧‧脈衝信號產生部
224‧‧‧預驅動器
226‧‧‧解調器
228‧‧‧發送電力測定部
230‧‧‧異物檢測部
232‧‧‧A/D轉換器
234‧‧‧A/D轉換器
236‧‧‧減法器
238‧‧‧判定部
240‧‧‧介面平台
242‧‧‧第1溫度感測器
244‧‧‧第2溫度感測器
300‧‧‧受電裝置
302‧‧‧接收線圈
304‧‧‧整流電路
306‧‧‧電容器
308‧‧‧調變器
310‧‧‧負載電路
312‧‧‧控制器
314‧‧‧電源電路
320‧‧‧電子機器
ICOIL‧‧‧線圈電流
M1‧‧‧電晶體
M2‧‧‧電晶體
M3‧‧‧電晶體
M4‧‧‧電晶體
RX‧‧‧受電裝置
S1‧‧‧驅動信號
S2‧‧‧電力信號
S3‧‧‧控制信號
S5‧‧‧電力控制資料
S6‧‧‧脈衝信號
S7‧‧‧受電量資料
S8‧‧‧送電量資料
S9‧‧‧異物檢測信號
S11‧‧‧第1溫度信號
S12‧‧‧第2溫度信號
TX‧‧‧送電裝置
T1‧‧‧發送線圈溫度
T2‧‧‧介面平台溫度
VCOIL‧‧‧線圈電壓
圖1係表示基於Qi規格之無線供電系統之構成之圖。
圖2係表示實施形態之無線送電裝置之構成之電路圖。
圖3係基於圖2之送電裝置之異物.位置偏移檢測之電力控制之 流程圖。
圖4(a)~(c)係表示介面平台與電子機器之位置關係之圖。
以下，基於較佳之實施形態並參照圖式對本發明進行說明。對各圖式中所示之相同或同等之構成要素、構件、處理，標註相同之符號，並適當省略重複說明。又，實施形態係例示而並非限定發明者，於實施形態中記述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，亦包含構件A與構件B不實質上影響到該等之電性連接狀態、或不損壞藉由該等之結合所發揮之功能或效果之經由其他構件而間接連接之情形。
同樣的，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、或構件B與構件C直接連接之情形以外，亦包含不實質上影響到該等之電性連接狀態、或不損壞藉由該等之結合所發揮之功能或效果之、經由其他構件而間接連接之情形。
圖2係表示實施形態之無線送電裝置(以下，簡稱為送電裝置)200之構成之電路圖。送電裝置200係使用於圖1之供電系統100，將電力信號S2供給至內置於電子機器320之受電裝置300。
送電裝置200具備發送天線201、驅動器204、控制電路220、介面平台240、第1溫度感測器242、第2溫度感測器244。
發送天線201具有串聯連接之發送線圈(1次線圈)202及共振電容器203，且具有特定之共振頻率fr。
驅動器204係包含電晶體M1~M4之H橋式電路，對發送天線201之兩端之間施加具有共振頻率fr附近之頻率之脈衝狀之驅動信號S1。驅動器204亦可為半橋式電路。
於介面平台240上，載置有搭載無線受電裝置300之電子機器 320。
第1溫度感測器242測定發送線圈202之溫度T1，並產生第1溫度信號S11。第2溫度感測器244測定介面平台240之溫度T2，並產生第2溫度信號S12。溫度感測器之種類無特別限定，可利用熱電偶元件或熱敏電阻等。
控制電路220係一體地積體化於一個半導體基板上之功能IC(Integrated Circuit：積體電路)，控制驅動器204。
控制電路220具備脈衝信號產生部222、預驅動器224、解調器226、發送電力測定部228、異物檢測部230、A/D(Analog-Digital，類比數位)轉換器232、A/D轉換器234、減法器236、判定部238。
解調器226對流過發送線圈202之線圈電流ICOIL或其兩端之間之線圈電壓VCOIL中所包含之控制信號S3進行解調。於控制信號S3中，包含指示發送電力之電力控制資料S5、表示受電裝置300當前接收之電力量之受電量資料S7、表示受電裝置300之固有資訊之資料等。受電量資料S7被輸入至異物檢測部230。
脈衝信號產生部222係基於電力控制資料S5，而產生指示電晶體M1~M4之接通、斷開之脈衝信號S6。預驅動器224係基於脈衝信號S6而切換驅動器204之電晶體M1~M4。
發送電力係基於驅動器204對發送線圈202施加之驅動信號S1之頻率，即基於脈衝信號S6之頻率而被調節。具體而言，若使脈衝信號S6之頻率接近於包含發送線圈202之天線之共振頻率，則發送電力增加，隨著脈衝信號S6之頻率遠離包含發送線圈202之天線之共振頻率，發送電力降低。即脈衝信號產生部222係基於電力控制資料S5調節脈衝信號S6之頻率。
發送電力測定部228係計算自發送天線201發送至受電裝置300之發送電力量，並產生送電量資料S8。例如發送電力測定部228基於線 圈電流ICOIL與線圈電壓VCOIL之積而產生送電量資料S8。異物檢測部230基於受電量資料S7與送電量資料S8之關係而判定異物之有無，當檢測出異物時斷定異物檢測信號S9(例如高位準)。將此稱為FOD功能。
A/D轉換器232、A/D轉換器234係分別將第1溫度信號S11、第2溫度信號S12轉換為數位值。判定部238係基於第1溫度信號S11表示之第1溫度T1、第2溫度信號S12表示之第2溫度T2及異物檢測信號S9而檢測異物之有無、及電子機器320之位置偏移。
具體而言，判定部238基於自第1溫度信號S11與第2溫度信號S12獲取之溫度差ΔT=T1-T2，而控制電力信號S2。判定部238係將溫度差ΔT與第1閾值TTH1進行比較，並於溫度差ΔT較大時，以使電力信號S2停止或減少之方式指示脈衝信號產生部222(及/或預驅動器224)而限制送電。
又，判定部238斷定異物檢測信號S9，於差分ΔT大於第2閾值TTH2時，以使電力信號S2停止或減少之方式指示脈衝信號產生部222(及/或預驅動器224)而限制送電。反之，即便於斷定異物檢測信號S9之情形時，當差分ΔT小於第2閾值時，於保持原來之電力、或使電力略微降低之狀態下仍實質上繼續送電。
又，判定部238具備熱關斷功能。異物檢測部230係於溫度T1大於第3閾值TSD1，或溫度T2大於第4閾值TSD2時，不論異物之有無、位置偏移之有無，均以使電力信號S2停止或減少之方式指示脈衝信號產生部222(及/或預驅動器224)而限制送電。
以上係送電裝置200之構成，繼而對其動作進行說明。
圖3係基於圖2之送電裝置200之異物‧位置偏移檢測之電力控制之流程圖。
判定部238係以特定之取樣週期獲取發送線圈202及介面平台240 各者之溫度T1、T2，並計算溫度差ΔT=T1-T2(S100)。
然後，判定部238於T1>TSD1或T2>TSD2成立時(S102之Y)，將送電裝置200熱關斷而停止送電(S104)。
於溫度T1、T2均未達到熱關斷之閾值TSD1、TSD2之情形時(S102之N)，將溫度差ΔT與閾值TTH1進行比較。其結果，於ΔT>TTH1成立時(S106之Y)，由於介面平台240上存在異物之可能性較高，故而限制送電(S110)。
於ΔT<TTH1成立時(S106之N)，執行基於FOD功能之異物檢測(S108)。具體而言，若未斷定異物檢測信號S9(S108之N)，則返回至步驟S100。
於斷定異物檢測信號S9之情形時(S108之Y)，將溫度差ΔT與閾值TTH2進行比較(S112)。然後，於ΔT>TTH2時(S112之Y)，由於介面平台240上存在異物之可能性較高，故限制送電(S110)。即便於已斷定異物檢測信號S9之情形時，於ΔT<TTH2成立之情形時(S112之N)，由於不存在異物，線圈之位置偏移之可能性較高，故亦返回至步驟S100而繼續監視。
圖4(a)~(c)表示介面平台240與電子機器320之位置關係之圖。於圖4(a)中，表示電子機器320正確地設置於介面平台240上之情況。於此情形，發送線圈202之溫度T1與介面平台240之溫度T2之差ΔT較小，又，未斷定異物檢測信號S9。因此藉由正常之反饋控制而對電子機器320充電。
於圖4(b)中，介面平台240上除電子機器320以外，還載置有導電性異物400。異物400與發送線圈202耦合，藉由電磁感應而於異物400流過電流，故異物400發熱。於此狀態下，於異物400消耗之電力與電子機器320接收到之電力之和為送電裝置200之發送電力。因此，於送電裝置200中獲取之受電量資料S7與送電量資料S8之誤差變大，從而 斷定異物檢測信號S9。又，異物400之發熱傳導至介面平台240，介面平台240之溫度T2上升，最終溫度差ΔT超過閾值TTH2而限制送電。
於圖4(c)中，於介面平台240上雖不存在異物400，但電子機器320相對於發送線圈202之位置偏移。於此情形時，由於發送線圈202與接收線圈302之耦合係數小於圖4(a)之狀態下所期待之值，故於送電裝置200中獲取之受電量資料S7、與電子機器320實際上接收之電力量之誤差變大。藉此，藉由判定部238而斷定異物檢測信號S9。然而於此狀態下，由於溫度差ΔT小於第2閾值TTH2，故不限制送電而繼續送電。
返回至圖4(a)。若搭載於受電裝置300之電路零件之差異較大，則受電量資料S7或送電量資料S8各者之誤差變大。藉此，於圖4(a)之狀態下，亦有藉由FOD功能誤檢測出異物，而斷定異物檢測信號S9之可能性。然而，由於此時溫度差ΔT小於第2閾值TTH2，故可繼續正常之送電。
以上係送電裝置200之動作。
根據實施形態之送電裝置200，藉由檢測介面平台240與線圈202之溫度差ΔT，而可檢測位置偏移。
例如，即便於藉由FOD功能誤判定為異物之情形時，亦有因位置偏移而導致誤判定之可能性。根據實施形態之送電裝置200，藉由比較溫度差ΔT與第2閾值TTH2，可區別位置偏移與異物檢測。
又，藉由將T1、T2與熱關斷用之閾值TSD1、TSD2比較，不論其原因為何，於送電裝置200為過熱狀態之情形時，均可保護送電裝置200及受電裝置300。
又，閾值TTH1、TTH2、TSD1、TSD2可獨立設定，故可適當判別各狀態。
以上，基於實施形態而對本發明進行說明。本領域之技術人員應理解此等實施形態係例示，於該等各構成要素或各處理過程之組合 中可有各種變化例，又，如此之變化例亦包含於本發明之範圍。以下，對此種變化例進行說明。
於實施形態中，說明藉由A/D轉換器232、A/D轉換器234而將類比之溫度信號轉換為數位值之情形，本發明並非限定於此。判定部238亦可由類比電路、更具體而言由類比減法器及電壓比較器之組合構成。
於實施形態中，雖說明依據Qi規格之無線送電裝置，但本發明並非限定於此，亦可適用於與Qi規格類似之系統所使用之無線送電裝置，或依據將來要制定之規格之送電裝置200。
雖基於實施形態並使用具體之用語對本發明進行說明，但實施形態只不過係表示本發明之原理、應用，認為於實施形態中，於不脫離申請專利範圍中規定之本發明之思想範圍內可有多個變化例或配置之變更。
[產業上之可利用性]
本發明係可利用於無線送電。

Claims (4)

  1. 一種無線送電裝置，其特徵在於包含：發送天線，其包含發送線圈，且發送電力信號；驅動器，其對上述發送天線施加驅動信號；第1溫度感測器，其測定上述發送線圈之溫度，並產生第1溫度信號；第2溫度感測器，其測定載置電子機器之介面平台之溫度，並產生第2溫度信號，該電子機器搭載無線受電裝置；及控制電路，其控制上述驅動器；且上述控制電路包含異物判定部，該異物判定部基於發送電力與接收電力而判定異物之有無；上述控制電路係：(i)於上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分大於第1閾值時，限制送電；(ii)於上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分大於被規定為低於上述第1閾值之第2閾值且藉由上述異物判定部檢測出異物時，限制送電；(iii)於上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分小於上述第2閾值之情形時，即便藉由上述異物判定部檢測到異物，實質上繼續送電。
  2. 如請求項1之無線送電裝置，其中上述控制電路進而於上述第1溫度信號及上述第2溫度信號之至少一者大於熱關斷用之閾值時限制送電。
  3. 一種方法，其特徵在於，其係無線送電裝置之控制方法，且包含：驅動器基於脈衝信號而對包含發送線圈之發送天線施加驅動信號之步驟；上述發送天線根據上述脈衝信號而發送電力信號之步驟；測定上述發送線圈之溫度，並產生第1溫度信號之步驟；測定載置搭載無線受電裝置之電子機器之介面平台之溫度，並產生第2溫度信號之步驟；檢測上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分之步驟；於上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分大於第1閾值時限制送電之步驟；於上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分大於被規定為低於上述第1閾值之第2閾值且藉由異物判定部檢測出異物時，限制送電之步驟；及於上述第1溫度信號與上述第2溫度信號之差分小於上述第2閾值之情形時，即便藉由上述異物判定部檢測到異物，實質上繼續送電之步驟。
  4. 如請求項3之方法，其進而包含：將上述第1溫度信號及上述第2溫度信號之至少一者與熱關斷用之第3閾值進行比較之步驟；及於上述第1溫度信號及上述第2溫度信號之至少一者大於上述第3閾值時限制送電之步驟。
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