TWI707518B - 供電系統 - Google Patents

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TWI707518B
TWI707518B TW105115492A TW105115492A TWI707518B TW I707518 B TWI707518 B TW I707518B TW 105115492 A TW105115492 A TW 105115492A TW 105115492 A TW105115492 A TW 105115492A TW I707518 B TWI707518 B TW I707518B
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岡崎則啓
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日商艾普凌科有限公司
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Abstract

本發明防止在供電系統的受電電路中對負載施加過電壓。包含供電裝置及受電裝置，供電裝置包含供電線圈，受電裝置包含受電線圈，於共振電路為共振狀態時，產生於受電線圈的電壓的波峰電壓值設定為高於規定電壓值，於共振電路為非共振狀態時，產生於受電線圈的電壓的波峰電壓值設定為低於規定電壓值。

Description

供電系統
本發明是有關於一種供電系統(system)。
近年來，已知有藉由供電線圈(coil)與受電線圈的電磁感應或電磁耦合而以無線(wireless)方式供給電力的供電系統(例如參照專利文獻1)。此種供電系統例如用於對行動電話或個人數位助理(Personal Digital Assistant，PDA)等電子機器所包含的電池進行充電。
於供電系統中，藉由將供電裝置所包含的供電線圈與受電裝置所包含的受電線圈對向地配置，並在供電線圈中流通電流，而於受電線圈產生感應電流，藉此對受電裝置供給電力。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2014-131440號公報
然而，於利用如專利文獻1所揭示的藉由電磁感應自供電線圈對受電線圈供給電力的供電系統，例如對充電電池進行充電的情形時，存在產生如下問題的情形：於充電完成時、即負載變輕的狀態 下，會對充電電池施加過電壓。
為了解決所述課題，本發明的供電系統包含供電裝置及受電裝置，且自所述供電裝置對所述受電裝置供給電力，且其特徵在於：所述供電裝置包含供電線圈，所述受電裝置包含：受電線圈，自所述供電線圈被進行供電；共振電容器(condenser)，與所述受電線圈共振；共振電路，包含變更所述共振電容器的電性連接狀態而控制共振狀態的開關(switching)元件；整流電路，對產生於所述共振電路的交流輸出電壓進行整流、平流，而獲得直流電力；及負載，被供給藉由所述整流電路而獲得的直流電力，於所述共振電路為共振狀態時，產生於所述受電線圈的電壓的波峰(peak)電壓值設定為高於規定電壓值，且於所述共振電路為非共振狀態時，產生於所述受電線圈的電壓的波峰電壓值設定為低於所述規定電壓值。
根據本發明，由於當非共振狀態時，產生於受電線圈的電壓的峰值設定為低於規定電壓值，因此可防止對負載施加過電壓。
1:供電裝置
2:受電裝置
3:直流電源
4:開關
5、26:負載
10、20:共振電路
11:供電線圈
12、22:共振電容器
13:驅動電晶體
14:振盪電路
21:受電線圈
23:共振控制電晶體
24:整流二極體
25:平流電容器
27、28:電阻
60:共振控制部
64:比較器
65:基準電源
81a、82a、91a、92a:小振幅
83a、84a、93a、94a:大振幅
100、200:供電系統
A、B、C、D、E:部分
N1、N2、N5、N6、N7、N8:節點
GND、GND1、VCC:電源
a1、a2、b1、b2:端子
i1、i2:方向
圖1是對將電壓施加於供電線圈時產生於受電線圈的電壓的極性 進行說明的圖。
圖2是表示參考例的供電系統的方塊圖(block diagram)。
圖3是對第1實施方式中的供電裝置的供電線圈中所產生的電壓波形進行說明的圖。
圖4是對將圖2中的供電裝置的供電線圈與整流二極體(diode)除去時受電線圈中所產生的電壓波形進行說明的圖。
圖5是對圖2中的供電裝置的受電線圈中所產生的電壓波形進行說明的圖。
圖6是表示本發明的實施方式的供電系統的一例的方塊圖。
圖7是對將圖6中的供電裝置的供電線圈與整流二極體除去時受電線圈中所產生的電壓波形進行說明的圖。
圖8是對圖6中的供電裝置的受電線圈中所產生的電壓波形進行說明的圖。
於對本發明的實施方式進行說明前，首先對本發明者想到本發明的經過進行說明。
圖1表示將朝相同方向捲繞的供電線圈11與受電線圈21的中心軸重合，對供電線圈11施加直流時出現於受電線圈21的感應電流的朝向。
對供電線圈11串聯連接有直流電源3及開關(switch)4。對受電線圈21連接有負載5。
當連接開關4時，對供電線圈11的端子a1、端子b1施加直流，電 流自供電線圈11的端子a1流向端子b1，即沿i1的方向流動。此時，受電線圈21受到所產生的磁場，而於受電線圈21中，電流沿i2的方向流動。於端子a2、端子b2連接有負載電阻，但於該情形時，於端子a2產生正極電壓，於端子b2產生負極電壓。
圖2是表示參考例的供電系統200的方塊圖，表示本發明者所創作的供電系統200的電路構成。
供電系統200包含供電裝置1、及受電裝置2。
供電系統200是自供電裝置1對受電裝置2以無線(非接觸)方式供給電力的系統，將自供電裝置1供給至受電裝置2的電力供給至受電裝置2所包含的負載26。受電裝置2例如為行動電話終端或PDA等電子機器，供電裝置1例如為與受電裝置2對應的充電器。
供電裝置1包含供電線圈11、共振電容器12、驅動電晶體(transistor)13、及振盪電路14。
供電線圈11中，端子a1連接於電源VCC，端子b1連接於節點(node)N1。供電線圈11例如是藉由電磁感應或電磁耦合而對受電裝置所包含的受電線圈21供給電力的線圈。
共振電容器12是與供電線圈11並聯連接，且與供電線圈11共振的電容器。此處，供電線圈11與共振電容器12構成共振電路10。共振電路10以規定的共振頻率(例如100kHz)共振，該規定共振頻率是由供電線圈11的電感(inductance)值與共振電容器12的電容值而決定。
驅動電晶體13串聯連接於共振電路10。於本實施方式中， 作為一例，對驅動電晶體13為N型金氧半導體(N-channel Metal Oxide Semiconductor，NMOS)電晶體的情形進行說明。
驅動電晶體13中，源極(source)端子接地於電源GND，閘極(gate)端子連接於振盪電路14的輸出信號線(節點N2)，汲極(drain)端子連接於節點N1。振盪電路14按照規定週期而輸出使H狀態與L狀態反覆的控制信號。驅動電晶體13根據振盪電路14的輸出而週期性地反覆成為接通(on)狀態(導通狀態)與斷開(off)狀態(非導通狀態)。藉此，於供電線圈11產生週期性的信號，並藉由電磁感應而自供電線圈11對受電線圈21供電。
受電裝置2包含受電線圈21、共振電容器22、共振控制電晶體23、整流二極體(整流電路)24、平流電容器25、負載26、及共振控制部60。
受電線圈21中，端子a2連接於節點N5，端子b2連接於電源GND1。受電線圈21例如是藉由電磁感應或電磁耦合而自供電裝置1所包含的供電線圈11被供給電力的線圈。受電線圈21於對受電裝置的負載26供給電力時，與圖1所示的供電線圈11及受電線圈21同樣地，以捲繞方向與供電線圈11相同的方式對向地配置。
共振電容器22是與受電線圈21並聯連接而與受電線圈21共振的電容器。共振電容器22連接於節點N5與節點N6之間。此處，受電線圈21與共振電容器22構成共振電路20。共振電路20以規定的共振頻率(例如100kHz)共振，該規定的共振頻率是由受電線圈21的電感值與共振電容器22的電容值而決定。再者，於本實施方式中， 受電裝置2的共振頻率與供電裝置1的共振頻率相等，例如為100kHz。
共振電路20還包含共振控制電晶體23(開關元件)，該共振控制電晶體23與共振電容器22串聯連接，並且與共振電容器22一併和受電線圈21並聯連接。共振控制電晶體23例如為NMOS電晶體，源極端子連接於電源GND1，汲極端子連接於節點N6。又，共振控制電晶體23的閘極端子連接於來自下述共振控制部60的輸出信號線。藉由共振控制部60將共振控制電晶體23設為接通狀態，藉此，共振電容器22發揮功能，共振電路20產生共振。又，藉由共振控制部60將共振控制電晶體23設為斷開狀態，藉此共振電容器22被電性分離，共振電路20的共振停止。
整流二極體24(整流電路)中，陽極(anode)端子連接於作為受電線圈21的一端的節點N5，陰極(cathode)端子連接於作為平流電容器25的一端的節點N7。整流二極體24對受電線圈21所接收到的電力進行整流，轉換為直流電力。即，整流二極體24將受電線圈21中所產生的交流電力(交流電壓)轉換為直流電力(直流電壓)。
平流電容器25將由整流二極體24轉換後的直流電力平流化。
又，平流電容器25與負載26並聯連接。
共振控制部60是藉由控制共振控制電晶體23而控制共振電路20的共振狀態，根據對受電線圈21所接收到的電力進行整流後的直流電壓，而控制共振控制電晶體23。共振控制部60包含電阻27、電阻28、比較器(comparator)64及基準電源65。比較器64中，正 輸入端子連接於基準電源65，負輸入端子連接於節點N8。
電阻27的一端連接於節點N7，比較器64將藉由電阻27及電阻28而將節點N7的電壓分壓至節點N8的電壓、與基準電源65的輸出電壓進行比較，於轉換後的電壓為基準電源65的輸出電壓以上的情形時，使共振控制電晶體23為斷開狀態。
具體而言，於藉由電阻27及電阻28而分壓後的節點N8的電壓低於規定閾值電壓的情形時，比較器64將H狀態輸出至輸出端子。又，於藉由電阻27及電阻28而分壓後的節點N8的電壓為規定閾值電壓以上的情形時，比較器64將L狀態輸出至輸出端子。
如此，共振控制部60根據節點N7的整流後的電壓而控制共振控制電晶體23，使共振電路20的共振狀態變化。
以此方式構成於節點N7可獲得經定電壓化的輸出的受電裝置。
基準電源65是輸出與規定閾值電壓對應的規定閾值電壓的定電壓電源，藉由基準電源65及電阻27、電阻28的構成而決定節點N7的定電壓值。
圖3表示圖2的供電裝置1中的供電線圈11的端子b1的電壓的行為。
如上所說明般，振盪電路14按照規定週期輸出使驅動電晶體13為接通狀態(導通狀態)與斷開狀態(非導通狀態)的控制信號，因此於包含供電線圈11及共振電容器12的共振電路10中，當驅動電晶體13為接通狀態時，於供電線圈11中流通電源電流，對共振電容器12施加電源電壓。此時，供電線圈11的端子b1大致成為GND電位。
於驅動電晶體13為斷開狀態時，包含供電線圈11及共振電容器12的共振電路10成為振盪狀態，於供電線圈11的端子b1，以畫弧的方式於正極產生電壓。
由於振盪電路14按照規定週期反覆進行輸出，因此包含供電線圈11及共振電容器12的共振電路10反覆自電源供給電力及反覆成為振盪狀態，故而於供電線圈11的端子b1觀測到如圖3所示的反覆波形。
振盪電路14的接通與斷開的週期可取決於預先設定的時間，亦可取決於定時(timer)動作或0V開關等，所述定時動作是例如供電線圈11的端子b1的電壓在正極畫弧並再次恢復為0V的時刻(timing)成為接通的動作。
圖4表示於圖2的供電系統200中出現於供電線圈11及受電線圈21的電壓。但，為了方便說明，圖4表示除去圖2的受電裝置2的整流二極體24，觀測受電線圈21的端子a2的電壓(節點N5的電壓)作為受電線圈21的電壓所得的結果。
於供電線圈11產生與圖3相同的週期波形。此時，於受電線圈21出現正負電壓。
於圖2的受電裝置2的共振電路20中，於共振控制電晶體23成為斷開而共振電容器22與受電線圈分離的「非共振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為具有與供電線圈11的電壓波形相似形狀的正負波峰電壓為81a-82a的小振幅。於正側出現如畫弧般的波形，於負側出現於波峰部分具有平坦部分的波形。
於受電裝置2的共振電路20中，於共振控制電晶體23成為接通而共振電容器22連接於受電線圈21的「共振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為受電線圈的端子a2的正負波峰電壓為83a-84a的大振幅。於共振狀態下，受電線圈21的電壓波形成為向正負畫弧般。
再者，於「共振狀態」下，供電線圈11的電壓與受電線圈21的電壓的相位偏移。其原因在於，因於受電線圈21連接有共振電容器22而產生了相位旋轉。
圖5表示於將受電裝置2的整流二極體24如圖2般連接的狀態下使供電系統200進行動作時，測定出現於受電線圈21的端子a2的電壓所得的結果，且是捕捉受電裝置2的共振電路20自「共振狀態」轉為「非共振狀態」的情況的圖。
圖5的A及B的部分是如下期間的受電線圈21的波峰電壓部分，該期間中受電裝置2的負載26的電壓下降，共振控制部60感知節點N7的電壓低於+5V而使共振控制電晶體23接通，共振電路20處於「共振狀態」。
於「共振狀態」下，原本應畫弧的受電線圈21的波峰部分崩塌的原因在於：由於平流電容器25電壓維持於大致+5V，因此欲超過整流二極體25的順向電壓的電流流入平流電容器25，故而受電線圈21的波峰電壓被限制為輸出電壓(+5V)與整流二極體的順向電壓的和。
圖5的C、D及E的部分是如下期間的受電線圈21的波峰 電壓部分：該期間中受電裝置2的負載26的電壓上升，共振控制部60感知節點N7的電壓高於+5V而使共振控制電晶體23斷開，共振電路20處於「非共振狀態」。
可判明的是，於「非共振狀態」下，受電線圈21的波峰電壓原本應如圖5的D所示般低於+5V，但如圖5的C及E所示，產生了高於+5V的情形。
若如此，則即便於非共振狀態下，亦會對負載26繼續供給電力，因此會產生於負載變輕的狀態下，負載的兩端電壓變得高於目標值的問題。
再者，於「非共振狀態」下，受電線圈21的波峰電壓亦與「共振狀態」同樣地被限制為平流電容器25與整流二極體24的電壓的和，因此圖5的C及圖5的E的波峰電壓部分崩塌。然而，崩塌的波峰部分超過+5V，實質上成為與共振狀態下的圖5的A及B所示的波形大致相同的波形，而導致無法辨別共振狀態與非共振狀態。
因此，例如於將充電電池用作負載26而藉由供電系統對其進行充電的用途中，會產生於充電電池的充電結束時負載變輕的狀態下，對充電電池施加過電壓的問題。
又，此種狀態尤其容易於線圈間的距離小時、或使欲於受電側獲得的電力由大至小時負載電流變少時產生。
因此，本發明提供能夠解決該問題的供電系統。
圖6是表示本發明的實施方式的供電系統的一例的方塊圖。
於圖6中，藉由對與圖2所示的參考例相同的構成標註相同的參照 符號而省略說明。
於本實施方式的供電系統100中，如圖6所示，供電線圈11的連接與圖2所示的供電系統200相同，使受電裝置2的受電線圈21的極性與供電系統200為反向。
即，將受電線圈21的端子a2連接於GND，將端子b2連接於節點N5。
供電裝置1的動作與圖2的供電系統200相同，供電線圈11中所產生的電壓的波形與圖3所示的波形相同，因此省略該等的說明。
圖7表示於圖6的供電系統100中出現於供電線圈11與受電線圈21的電壓。但，為了方便說明，圖7表示除去圖6的受電裝置2的整流二極體24，觀測受電線圈21的端子b2的電壓、即節點N5的電壓作為受電線圈21的端子電壓所得的結果。
可確認到受電線圈21的端子b2的電壓的正負振幅與圖4為反向。
於圖6的受電裝置2的共振控制電晶體23斷開而共振電容器22與受電線圈21分離的「非共振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為受電線圈21的正負波峰電壓為91a-92a的小振幅。於圖7中，與圖4的不同之處在於：於正側出現波峰部分具有平坦部分的波形，於負側出現如畫弧般的波形。
即，出現於正側峰值平坦、於負側畫弧般的振幅波形。
於共振控制電晶體23接通而於受電線圈21連接有共振電容器22的「共振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為受電線圈21的正負波峰電壓為93a-94a的大振幅。於「共振狀態」下，受電線圈21 成為向正負畫弧般。
圖8表示於將受電裝置2的整流二極體24如圖6般連接的狀態下，使供電系統100進行動作時，測定出現於受電線圈21的端子b2的電壓所得的結果，且是捕捉受電裝置2的共振電路20自「共振狀態」轉為「非共振狀態」的情況的圖。
圖8的A及B的部分是如下期間的受電線圈21的波峰電壓部分：該期間中受電裝置2的負載26的電壓下降，共振控制部60感知節點N7的電壓低於+5V而使共振控制電晶體23接通。該等波峰電壓超過+5V(規定電壓值)，共振電路20處於「共振狀態」。
於「共振狀態」下，原本應畫弧的受電線圈21的電壓波形的波峰部分崩塌而具有平坦部的原因在於：與圖2所示的供電系統同樣地，受電線圈21的波峰電壓的上限值被限制為輸出電壓(+5V)與整流二極體24的順向電壓的和。
圖8的C、D及E的部分是如下期間的受電線圈21的波峰電壓部分：該期間中受電裝置2的負載26的電壓上升，共振控制部60感知節點N7的電壓高於+5V而使共振控制電晶體23斷開，共振電路20處於「非共振狀態」。
如圖8的C、D及E所示，「非共振狀態」的受電線圈21的波峰電壓小於+5V。其原因在於：藉由將受電線圈21的方向設為與圖2相反，而產生於受電線圈21的電壓波形於峰值具有平坦部，從而可使其波峰電壓值確實地低於+5V(規定電壓值)。
於圖5的狀態下，於「非共振狀態」下亦繼續對負載26供 給電力，但由於在圖8的狀態下受電線圈21的波峰電壓變得小於+5V，因此對負載26供給的電力變為零，從而能夠防止對負載26施加過電壓。
因此，可於負載26輕的狀態至負載26重的狀態的廣範圍內，準確地控制施加於負載26的電壓。
如以上說明，根據本實施方式的供電系統，即便於如電池充電般要求負載電流的範圍大時，亦能夠進行充電電流成為0之前的控制，因此能夠自需要大量充電電流的充電開始時至充電電流變得非常少的接近充電結束時進行正常的充電動作。
以上，對本發明的實施方式進行了說明，但當然本發明並不限定於所述實施方式，可於不脫離本發明的主旨的範圍內進行各種變更。
例如，於所述實施方式中，藉由使供電線圈11與受電線圈21的朝向為相反方向的方法而使受電線圈21的波峰電壓於非共振時不超過規定電位，但並不限定於此，亦可使用限定線圈間的距離、或對負載電流加以限制等方法。
又，所述實施方式中的負載26亦可為電阻負載或具有阻抗(impedance)變動的負載。又，負載26可為使用微計算器(microcomputer)的系統的電源或音頻放大器(audio amplifier)、無線電路、感測器(sensor)電路、照明驅動電路、顯示電路等、或亦可為對電池進行充電的電路。
進而，於所述實施方式中，使用二極體作為整流電路，但 亦可利用使用有場效電晶體(Field Effect Transistor，FET)的同步整流電路。若使用同步整流電路，則可構成熱損耗少的受電裝置。
1‧‧‧供電裝置
2‧‧‧受電裝置
10、20‧‧‧共振電路
11‧‧‧供電線圈
12、22‧‧‧共振電容器
13‧‧‧驅動電晶體
14‧‧‧振盪電路
21‧‧‧受電線圈
23‧‧‧共振控制電晶體
24‧‧‧整流二極體
25‧‧‧平流電容器
26‧‧‧負載
27、28‧‧‧電阻
60‧‧‧共振控制部
64‧‧‧比較器
65‧‧‧基準電源
200‧‧‧供電系統
N1、N2、N5、N6、N7、N8‧‧‧節點
GND、GND1、VCC‧‧‧電源
a1、a2、b1、b2‧‧‧端子

Claims (2)

  1. 一種供電系統，包含供電裝置及受電裝置，自所述供電裝置對所述受電裝置供給電力，且其特徵在於：所述供電裝置包含供電線圈，所述受電裝置包含：受電線圈，自所述供電線圈被進行供電；共振電容器，與所述受電線圈共振；共振電路，包含變更所述共振電容器的電性連接狀態而控制共振狀態的共振控制電晶體、以及控制所述共振控制電晶體的閘極的比較器與電阻；整流電路，對產生於所述共振電路的交流輸出電壓進行整流、平流，而獲得直流電力；以及負載，被供給藉由所述整流電路而獲得的所述直流電力，於所述共振電路為共振狀態時，產生於所述受電線圈的電壓的波峰電壓值設定為高於規定電壓值，且於所述共振電路為非共振狀態時，產生於所述受電線圈的電壓的所述波峰電壓值設定為低於所述規定電壓值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的供電系統，其被電壓波形驅動，所述電壓波形為於所述共振電路為所述非共振狀態時產生於所述受電線圈的所述電壓的波峰部分具有平坦部，且將所述供電線圈與所述受電線圈的捲繞方向設置為相同方向。
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