饋電系統的製作方法
2023-05-30 13:12:51
本發明涉及饋電系統。
背景技術：
近年來，已知有一種饋電系統，其利用饋電線圈與受電線圈之間的電磁感應或電磁耦合，以無線方式供給電力(例如，參照專利文獻1)。例如，為了對行動電話或PDA(Personal Digital Assistant：個人數字助手)等電子設備所具備的電池進行充電，使用這樣的饋電系統。
在饋電系統中，將饋電裝置所具備的饋電線圈與受電裝置所具備的受電線圈相對地配置，並使電流流過饋電線圈，從而使受電線圈產生感應電流，由此能夠向受電裝置供給電力。
專利文獻1：日本特開2014－131440號公報
技術實現要素：
然而，通過在專利文獻1中所示那樣的利用電磁感應從饋電線圈向受電線圈饋送電力的饋電系統，例如對充電電池充電的情況下，當完成充電的時候、即在負載變輕的狀態下，有時產生對充電電池施加過電壓的問題。
為了解決上述課題，本發明的饋電系統具備饋電裝置和受電裝置，從所述饋電裝置向所述受電裝置饋送電力，所述饋電系統的特徵在於，所述饋電裝置具備饋電線圈，所述受電裝置具備：諧振電路，該諧振電路具有受電線圈、諧振電容器和開關元件，其中，所述受電線圈被從所述饋電線圈饋電，所述諧振電容器與所述受電線圈發生諧振，所述開關元件對所述諧振電容器的電連接狀態進行變更，來控制諧振狀態；整流電路，其對所述諧振電路所產生的交流輸出電壓進行整流和平滑，得到直流電；以及負載，其被供給由所述整流電路得到的直流電，在所述諧振電路處於諧振狀態時，所述受電線圈所產生的電壓的峰的電壓值被設定為比規定的電壓值高，在所述諧振電路處於非諧振狀態時，所述受電線圈所產生的電壓的峰的電壓值被設定為比所述規定的電壓值低。
根據本發明，在非諧振狀態時，受電線圈所產生的電壓的峰值被設定為比規定的電壓值低，因此，能夠防止向負載施加過電壓。
附圖說明
圖1是用於說明在向饋電線圈施加了電壓時受電線圈所產生的電壓的極性的圖。
圖2是示出參考例的饋電系統的框圖。
圖3是用於說明第1實施方式中的饋電裝置的饋電線圈所產生的電壓波形的圖。
圖4是用於說明移除了圖2中的饋電裝置的饋電線圈和整流二極體時的受電線圈所產生的電壓波形的圖。
圖5是用於說明圖2中的饋電裝置的受電線圈所產生的電壓波形的圖。
圖6是示出本發明實施方式的饋電系統的一例的框圖。
圖7是用於說明移除了圖6中的饋電裝置的饋電線圈和整流二極體時的受電線圈所產生的電壓波形的圖。
圖8是用於說明圖6中的饋電裝置的受電線圈所產生的電壓波形的圖。
標號說明
1：饋電裝置；2：受電裝置；3：直流電源；4：開關；5、26：負載；10、20：諧振電路；11：饋電線圈；12、22：諧振電容器；13：驅動電晶體；14：振蕩電路；21：受電線圈；23：諧振控制電晶體；24：整流二極體；25：平滑電容器；27、28：電阻；60：諧振控制部；64：比較器；65：基準電源；100、200：饋電系統。
具體實施方式
在對本發明的實施方式進行說明之前，首先對本發明人想到本發明的原委進行說明。
圖1示出了在使卷繞成相同方向的饋電線圈11與受電線圈21的中心軸重合而向饋電線圈11施加直流的情況下的受電線圈21處出現的感應電流的方向。
對饋電線圈11串聯地連接有直流電源3和開關4。對受電線圈21連接有負載5。
在連接了開關4時，向饋電線圈11的端子a1、b1施加直流，而電流從饋電線圈11的端子a1向端子b1、即沿著i1的方向流過。此時，受電線圈21受到所產生的磁場而在受電線圈21中電流沿著i2的方向流過。對a2、b2連接有負載電阻，但在該情況下，在a2產生正極的電壓，在b2產生負極的電壓。
圖2是示出參考例的饋電系統200的框圖，示出了本發明人設計的饋電系統200的電路結構。
饋電系統200具備饋電裝置1和受電裝置2。
饋電系統200是從饋電裝置1向受電裝置2以無線(非接觸)的方式供給電力的系統，向受電裝置2所具備的負載26供給從饋電裝置1向受電裝置2供給的電力。受電裝置2例如為行動電話終端或PDA等電子設備，饋電裝置1例如為與受電裝置2對應的充電器。
饋電裝置1具備饋電線圈11、諧振電容器12、驅動電晶體13和振蕩電路14。
關於饋電線圈11，端子a1與電源VCC連接，端子b1與節點N1連接。饋電線圈11例如為利用電磁感應或電磁耦合向受電裝置所具備的受電線圈21供給電力的線圈。
諧振電容器12是與饋電線圈11並聯地連接且與饋電線圈11發生諧振的電容器。這裡，饋電線圈11和諧振電容器12構成諧振電路10。諧振電路10以通過饋電線圈11的電感值和諧振電容器12的電容值確定的規定的諧振頻率(例如，100kHz)發生諧振。
驅動電晶體13與諧振電路10串聯地連接。在本實施方式中，作為一例，對驅動電晶體13為NMOS電晶體的情況進行說明。
關於驅動電晶體13，源極端子被接地至電源GND，柵極端子與振蕩電路14的輸出信號線(節點N2)連接，漏極端子與節點N1連接。振蕩電路14輸出以規定的周期重複H狀態和L狀態的控制信號。驅動電晶體13根據振蕩電路14的輸出，周期性地重複ON狀態(導通狀態)和OFF狀態(非導通狀態)。由此，饋電線圈11產生周期性的信號，從饋電線圈11利用電磁感應向受電線圈21饋電。
受電裝置2具備受電線圈21、諧振電容器22、諧振控制電晶體23、整流二極體(整流電路)24、平滑電容器25、負載26和諧振控制部60。
關於受電線圈21，端子a2與節點N5連接，端子b2與電源GND1連接。受電線圈21例如為利用電磁感應或電磁耦合從饋電裝置1所具備的饋電線圈11被供給電力的線圈。與圖1所示的饋電線圈11及受電線圈21同樣，受電線圈21在向受電裝置的負載26供給電力時，以卷繞方向與饋電線圈11相同的方式相對地配置。
諧振電容器22是與受電線圈21並聯地連接且與受電線圈21發生諧振的電容器。諧振電容器22連接於節點N5與節點N6之間。這裡，受電線圈21和諧振電容器22構成諧振電路20。諧振電路20以通過受電線圈21的電感值和諧振電容器22的電容值確定的規定的諧振頻率(例如，100kHz)發生諧振。此外，在本實施方式中，受電裝置2的諧振頻率與饋電裝置1的諧振頻率相等，例如為100kHz。
諧振電路20還具備與諧振電容器22串聯地連接的諧振控制電晶體23(開關元件)，諧振控制電晶體23和諧振電容器22一起與受電線圈21並聯地連接。諧振控制電晶體23例如為NMOS電晶體，源極端子與電源GND1連接，漏極端子與節點N6連接。另外，諧振控制電晶體23的柵極端子與來自後述的諧振控制部60的輸出信號線連接。諧振控制電晶體23通過諧振控制部60而成為ON狀態，由此諧振電容器22發揮功能，使諧振電路20發生諧振。另外，諧振控制電晶體23通過諧振控制部60而成為OFF狀態，由此諧振電容器22被電切斷，停止諧振電路20的諧振。
關於整流二極體24(整流電路)，陽極端子與作為受電線圈21的一端的節點N5連接，陰極端子與作為平滑電容器25的一端的節點N7連接。整流二極體24對受電線圈21接收的電力進行整流而轉換成直流電。即，整流二極體24將受電線圈21所產生的交流電(交流電壓)轉換成直流電(直流電壓)。
平滑電容器25對由整流二極體24轉換後的直流電進行平滑化。
另外，平滑電容器25與負載26並聯地連接。
諧振控制部60通過控制諧振控制電晶體23來控制諧振電路20的諧振狀態，諧振控制部60根據對受電線圈21接收的電力進行整流後的直流電壓，控制諧振控制電晶體23。諧振控制部60具備電阻27、28、比較器64和基準電源65。關於比較器64，+輸入端子與基準電源65連接，－輸入端子與節點N8連接。
電阻27的一端與節點N7連接，比較器64對由電阻27及電阻28將節點N7的電壓分壓到節點N8的電壓與基準電源65的輸出電壓進行比較，在轉換後的電壓在基準電源65的輸出電壓以上的情況下，使諧振控制電晶體23成為OFF狀態。
具體而言，在由電阻27及電阻28分壓後的節點N8的電壓比規定的閾值電壓低的情況下，比較器64向輸出端子輸出H狀態。另外，在由電阻27及電阻28分壓後的節點N8的電壓在規定的閾值電壓以上的情況下，比較器64向輸出端子輸出L狀態。
這樣，諧振控制部60根據節點N7的整流後的電壓，控制諧振控制電晶體23，改變諧振電路20的諧振狀態。
通過這樣的方式，構成在節點N7處可得到恆壓化後的輸出的受電電路。
基準電源65是輸出與規定的閾值電壓對應的規定的閾值電壓的恆壓源，通過基準電源65及電阻27、28的結構，決定節點N7的恆壓值。
圖3示出了圖2的饋電裝置1中的饋電線圈11的端子b1的電壓的特性。
如之前說明那樣，振蕩電路14輸出以規定的周期使驅動電晶體13處於ON狀態(導通狀態)和OFF狀態(非導通狀態)的控制信號，因此，在由饋電線圈11和諧振電容器12構成的諧振電路10中，在驅動電晶體13處於ON狀態時，電源電流流過饋電線圈11，而向諧振電容器12施加電源電壓。此時，饋電線圈11的端子b1成為大致GND電位。
在驅動電晶體13處於OFF狀態時，由饋電線圈11和諧振電容器12構成的諧振電路10成為振蕩狀態，在饋電線圈11的端子b1中，如描繪弧形那樣在正極產生電壓。
振蕩電路14以規定的周期重複輸出，因此，由饋電線圈11和諧振電容器12構成的諧振電路10進行來自電源的電力的供給和振蕩狀態的重複，因此在饋電線圈11的端子b1處可觀測如圖3所示的重複波形。
振蕩電路14的ON和OFF的周期可以是基於預先設定的時間的周期，也可以是基於在饋電線圈11的端子b1的電壓在正極描繪弧形且再次回到0V的定時成為ON那樣的計時器動作或0V開關等的周期。
圖4示出了在圖2的饋電系統200中在饋電線圈11和受電線圈21處出現的電壓。不過，為了容易理解說明，圖4示出了移除圖2的受電裝置2的整流二極體24而將受電線圈21的端子a2的電壓(節點N5的電壓)作為受電線圈21的電壓來觀測的結果。
在饋電線圈11中產生與圖3同樣的周期波形。此時，在受電線圈21處出現正負的電壓。
在圖2的受電裝置21的諧振電路20中，在諧振控制電晶體23變為OFF而從受電線圈斷開諧振電容器22的「非諧振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為具有與饋電線圈11的電壓波形相似的形狀的、正負的峰電壓為81a－82a的小振幅。在正側出現如描繪弧形的波形，在負側出現峰部分具有平坦的部分的波形。
在受電裝置21的諧振電路20中，在諧振控制電晶體23成為ON而諧振電容器22與受電線圈21連接的「諧振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為受電線圈的端子a2的正負的峰電壓為83a－84a的大振幅。在諧振狀態下，受電線圈21的電壓波形在正負側描繪弧形。
此外，在「諧振狀態」下，饋電線圈11的電壓與受電線圈21的電壓的相位存在偏差。這是因為，由於受電線圈21與諧振電容器22連接而引起相位旋轉。
圖5示出了在將受電裝置2的整流二極體24如圖2那樣連接的狀態下使饋電系統200進行動作時、對在受電線圈21的端子a2處出現的電壓進行測量的結果，圖5捕捉了受電電路2的諧振電路20從「諧振狀態」向「非諧振狀態」轉移的情形。
圖5的A及B的部分是受電裝置2的負載26的電壓下降且諧振控制部60感測到節點N7的電壓低於+5V的情況而將諧振控制電晶體23設為ON的期間的受電線圈21的峰電壓部分，諧振電路20處於「諧振狀態」。
在處於「諧振狀態」時，應當描繪弧形的受電線圈21的峰部分倒塌的原因如下：平滑電容器25維持大致+5V的電壓，因此要超過整流二極體25的正向電壓部分的電流流入平滑電容器25，因而，受電線圈21的峰電壓被限制為輸出電壓(+5V)與整流二極體的正向電壓之和。
圖5的C、D及E的部分是受電裝置2的負載26的電壓上升且諧振控制部60感測到節點N7的電壓高於+5V的情況而將諧振控制電晶體23設為OFF的期間的受電線圈21的峰電壓部分，諧振電路20處於「非諧振狀態」。
判明了如下情況：在「非諧振狀態」下，受電線圈21的峰電壓應當如圖5的D所示那樣低於+5V，但是，卻發生如圖5的C及E所示那樣高於+5V的情況。
在這樣的情況下，產生如下問題：即使是非諧振狀態，也繼續向負載26供給電力，因此，在負載變輕的狀態下，負載的兩端電壓變得比目標值高。
此外，在「非諧振狀態」下，與「諧振狀態」同樣，受電線圈21的峰電壓也被限制為平滑電容器25與整流二極體24的電壓之和，因此，在圖5的C及圖5的E中，峰電壓部分倒塌。然而，倒塌的峰部分超過+5V，實質上成為與諧振狀態下的圖5的A及B所示的波形大致同樣的波形，導致無法進行諧振狀態與非諧振狀態的判別。
因此，在例如將充電電池用作負載26並由饋電系統對該充電電池進行充電之類的用途中，產生如下問題：在充電電池的充電結束時的負載變輕的狀態下，向充電電池施加過電壓。
另外，特別是在線圈間的距離小時、或者在受電側要獲取從大電力到小電力時負載電流變小時，容易發生這樣的狀態。
因此，本發明提供能夠解決該問題的饋電系統。
圖6是示出本發明實施方式的饋電系統的一例的框圖。
在圖6中，對於與圖2所示的參考例同樣的結構標註相同參照標號，由此省略說明。
在本實施方式的饋電系統100中，如圖6所示，將饋電線圈11的連接設為與圖2所示的饋電系統200相同，將受電裝置2的受電線圈21的極性設為與饋電系統200相反的方向。
即，將受電線圈21的端子a2與GND連接，將端子b2與節點N5連接。
饋電裝置1的動作與圖2的饋電系統200相同，饋電線圈11所產生的電壓的波形與圖3所示的波形相同，因此省略這些的說明。
圖7示出了在圖6的饋電系統100中在饋電線圈11和受電線圈21處出現的電壓。不過，為了容易理解說明，示出了移除圖6的受電裝置2的整流二極體24而將受電線圈21的端子b2的電壓、即節點N5的電壓作為受電線圈21的端子電壓來觀測的結果。
可確認受電線圈21的端子b2的電壓的正負振幅是與圖4相反的方向。
在圖6的受電裝置2的諧振控制電晶體23變為OFF而從受電線圈21斷開諧振電容器22的「非諧振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為受電線圈21的正負的峰電壓為91a－92a的小振幅。在圖7中，與圖4的不同點在於，在正側出現峰部分具有平坦的部分的波形，在負側出現如描繪弧形的波形。
即，在正側出現峰值變得平坦的振幅波形，在負側出現如描繪弧形的振幅波形。
在諧振控制電晶體23變為ON而受電線圈21與諧振電容器22連接的「諧振狀態」下，受電線圈21的電壓波形成為受電線圈21的正負的峰電壓為93a－94a的大振幅。在「諧振狀態」下，受電線圈21在正負側描繪弧形。
圖8示出了在將受電裝置2的整流二極體24如圖6那樣連接的狀態下使饋電系統100進行動作時、對在受電線圈21的端子b2處出現的電壓進行測量的結果，圖8捕捉了受電電路2的諧振電路20從「諧振狀態」向「非諧振狀態」轉移的情形。
圖8的A及B的部分是受電裝置2的負載26的電壓下降且諧振控制部60感測到節點N7的電壓低於+5V的情況而將諧振控制電晶體23設為ON的期間的受電線圈21的峰電壓部分。這些峰電壓超過+5V(規定的電壓值)，諧振電路20處於「諧振狀態」。
在處於「諧振狀態」時，應當描繪弧形的受電線圈21的電壓波形的峰部分倒塌而具有平坦部的原因如下：與圖2所示的饋電系統同樣，受電線圈21的峰電壓的上限值被限制為輸出電壓(+5V)與整流二極體24的正向電壓之和。
圖8的C、D及E的部分是受電裝置2的負載26的電壓上升且諧振控制部60感測到節點N7的電壓高於+5V的情況而將諧振控制電晶體23設為OFF的期間的受電線圈21的峰電壓部分，諧振電路20處於「非諧振狀態」。
如圖8的C、D及E所示，「非諧振狀態」的受電線圈21的峰電壓低於+5V。這是因為：將受電線圈21的方向設為與圖2相反的方向，由此，受電線圈21所產生的電壓波形的峰值具有平坦部，能夠使該峰的電壓值可靠地低於+5V(規定的電壓值)。
在圖5的狀態下，在「非諧振狀態」下也繼續向負載26供給電力，但是，在圖8的狀態下受電線圈21的峰電壓低於+5V，因此向負載26供給的電力變為零，從而能夠防止向負載26施加過電壓。
因此，在負載26輕的狀態到重的狀態的寬範圍內，能夠準確地控制向負載26施加的電壓。
如以上說明那樣，根據本實施方式的饋電系統，在如電池的充電那樣的需求寬範圍的負載電流時，能夠實現充電電流達到0為止的控制，因此，從需要很多充電電流的充電開始時、到充電電流變得非常少的即將完成充電時，能夠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，但本發明不限定於上述實施方式，能夠在不脫離本發明的主旨的範圍內進行各種變更是理所當然的。
例如，在上述實施方式中，通過將饋電線圈11與受電線圈21的方向設為反方向的方法來在非諧振時使受電線圈21的峰電壓不超過規定電位，但不限於此，也可以採用限定線圈間的距離、或使負載電流受到限制等方法。
另外，上述實施方式中的負載26可以是電阻負載也可以是具有阻抗變動的負載。另外，負載26可以是使用了微型計算機的系統的電源或聲頻放大器、無線電路、傳感器電路、照明驅動電路、顯示電路等，或者也可以是對電池進行充電的電路。
此外，在上述實施方式中，作為整流電路使用了二極體，但也可以使用採用了FET的同步整流電路。在使用了同步整流電路時，能夠構成熱損耗少的受電電路。