JP6390812B2 - Circuit switching device and switch drive circuit - Google Patents
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Description
本発明は、回路間を電気的に接続し、又は遮断する回路切替装置及びスイッチ駆動回路に関する。 The present invention relates to a circuit switching device and a switch drive circuit for electrically connecting or disconnecting circuits.
従来のアンテナ装置として特許文献1に記載の非接触伝送デバイスがある。この非接触伝送デバイスでは、第1の巻線部の一端が共通端子、他端が非接触通信用端子に接続されている。また、第2の巻線部の一端が非接触通信用端子、他端が非接触給電用端子に接続されている。第1の巻線部は非接触通信用コイルとして使用される。第1の巻線部及び第2の巻線部は非接触給電用コイルとして使用される。
As a conventional antenna device, there is a non-contact transmission device described in
特許文献1の非接触伝送デバイスでは、第1の巻線部が非接触通信及び非接触給電に共用される。この場合、非接触通信用の通信回路が非接触給電用の受電回路から影響を受けることで、非接触通信の反応が遅くなるおそれがある。このため、第1の巻線部が、受電回路又は通信回路の一方に接続されるように、スイッチを設けて切り替える必要がある。このような場合、スイッチを切り替えるためのマイコン等が必要となり、コストを抑えることが難しくなるおそれがある。また、マイコンを設ける場合、マイコン用の電力源(補助電源)を備える必要がある。このため、装置の小型化が阻害される。
In the non-contact transmission device of
そこで、本発明の目的は、補助電源を用いずに回路を切り替えることができる回路切替装置及びスイッチ駆動回路を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a circuit switching device and a switch drive circuit that can switch circuits without using an auxiliary power source.
本発明に係る回路切替装置は、第1のコイルアンテナと、前記第1のコイルアンテナに接続される非接触電力供給システム用受電回路と、前記第1のコイルアンテナに接続される近距離無線通信システム用通信回路と、第1の制御端子を有し、前記第1のコイルアンテナから前記受電回路への電力供給を遮断する第1のスイッチ素子と、前記第1のコイルアンテナが受信する信号のうち、特定周波数の信号を検波して、前記第1の制御端子へ制御電圧を出力して前記第1のスイッチ素子を直接駆動する検波回路と、を備えることを特徴とする。 A circuit switching device according to the present invention includes a first coil antenna, a power receiving circuit for a non-contact power supply system connected to the first coil antenna, and short-range wireless communication connected to the first coil antenna. A communication circuit for a system; a first switch element having a first control terminal; and cutting off power supply from the first coil antenna to the power receiving circuit; and a signal received by the first coil antenna A detection circuit that detects a signal of a specific frequency, outputs a control voltage to the first control terminal, and directly drives the first switch element.
この構成では、第1のコイルアンテナが受信する信号が特定周波数である場合、その信号を検波して、第1のスイッチ素子の第1の制御端子へ制御電圧を出力する。そして、通常は第1のコイルアンテナから受電回路への電力供給を遮断する第1のスイッチ素子がオンされ、受電回路(負荷回路)への電力供給が可能となる。すなわち、マイコン等の信号処理回路を用いずに、第1のスイッチ素子をオンできる。したがって、前記構成の回路切替装置は、第1のスイッチ素子を切り替えるための信号処理回路(マイコンなど)、その信号処理回路用の電源(定電圧回路)を必要としない。これにより、補助電源を用いずに回路を切り替えることができる回路切替装置を実現できる。 In this configuration, when the signal received by the first coil antenna has a specific frequency, the signal is detected and a control voltage is output to the first control terminal of the first switch element. Then, normally, the first switch element that cuts off the power supply from the first coil antenna to the power reception circuit is turned on, and the power supply to the power reception circuit (load circuit) becomes possible. That is, the first switch element can be turned on without using a signal processing circuit such as a microcomputer. Therefore, the circuit switching device having the above configuration does not require a signal processing circuit (such as a microcomputer) for switching the first switch element and a power source (constant voltage circuit) for the signal processing circuit. Thereby, a circuit switching device capable of switching circuits without using an auxiliary power source can be realized.
本発明に係る回路切替装置は、第1のコイルアンテナと、前記第1のコイルアンテナに接続される非接触電力供給システム用受電回路と、前記第1のコイルアンテナと磁界結合する第2のコイルアンテナと、前記第2のコイルアンテナに接続される近距離無線通信システム用通信回路と、第1の制御端子を有し、前記第1のコイルアンテナから前記受電回路への電力供給を遮断する第1のスイッチ素子と、前記第1のコイルアンテナが受信する信号のうち、特定周波数の信号を検波して、前記第1の制御端子へ制御電圧を出力して前記第1のスイッチ素子を直接駆動する検波回路と、を備えていてもよい。 The circuit switching device according to the present invention includes a first coil antenna, a power receiving circuit for a non-contact power supply system connected to the first coil antenna, and a second coil magnetically coupled to the first coil antenna. An antenna, a communication circuit for a short-range wireless communication system connected to the second coil antenna, and a first control terminal, wherein a power supply from the first coil antenna to the power receiving circuit is cut off. Among the signals received by the first switch element and the first coil antenna, a signal having a specific frequency is detected, and a control voltage is output to the first control terminal to directly drive the first switch element. And a detection circuit.
この構成では、回路切替装置を収める筐体のスペースなどの制約により、両方のコイルアンテナを近接して配置せざるを得ない場合にも、補助電源を用いずに回路を切り替えることができ、受電回路が通信回路へ与える影響を抑えることができる。 In this configuration, even if both coil antennas must be placed close to each other due to restrictions such as the space of the housing that houses the circuit switching device, the circuit can be switched without using an auxiliary power source. The influence of the circuit on the communication circuit can be suppressed.
前記検波回路は複共振回路を有してもよい。 The detection circuit may include a double resonance circuit.
複共振させた場合、2つの共振点が存在する。この2つの共振点の間の周波数帯域では感度は略一定である。このため、この周波数帯域を利用して、第1のコイルアンテナが受信する信号の周波数が変動する場合であっても、特定周波数近傍の周波数特性を平坦化できる。これにより、安定して信号を検出して、第1のスイッチ素子をオンできる。 In the case of double resonance, there are two resonance points. Sensitivity is substantially constant in the frequency band between the two resonance points. For this reason, even if the frequency of the signal received by the first coil antenna fluctuates using this frequency band, the frequency characteristics near the specific frequency can be flattened. Thereby, a signal can be detected stably and the first switch element can be turned on.
前記複共振回路は絶縁トランスを有してもよい。 The multi-resonant circuit may include an insulating transformer.
この構成では、コモンモード信号(ノイズ)の影響を受けずに特定周波数の信号を検出できる。そして、第1のスイッチ素子をフローティング状態で制御できる(基準電位に直接接続することなくオン、オフできる)。 In this configuration, a signal having a specific frequency can be detected without being affected by the common mode signal (noise). The first switch element can be controlled in a floating state (can be turned on and off without being directly connected to the reference potential).
前記通信回路は、第2の制御端子を有し、前記第1または第2のコイルアンテナから前記通信回路への電力供給を遮断または接続する第2のスイッチ素子を備えてもよい。 The communication circuit may include a second switch element that has a second control terminal and cuts off or connects power supply from the first or second coil antenna to the communication circuit.
この構成では、回路切替装置が非接触電力供給システムの動作周波数を受電した場合に、通信回路への電力供給を遮断できる。これにより、通信回路の通信用ICを非接触電力供給に起因する過電圧から保護することができる。 In this configuration, when the circuit switching device receives the operating frequency of the non-contact power supply system, the power supply to the communication circuit can be cut off. As a result, the communication IC of the communication circuit can be protected from overvoltage caused by non-contact power supply.
前記第2のスイッチ素子は、前記第2の制御端子が前記検波回路の出力側に接続されてもよい。 The second switch element may have the second control terminal connected to the output side of the detection circuit.
この構成では、第1、第2のスイッチ素子を1つの検波回路で制御可能であり、各々に信号処理回路を設けるより、小型な回路切替装置を実現できる。 In this configuration, the first and second switch elements can be controlled by a single detection circuit, and a smaller circuit switching device can be realized by providing each with a signal processing circuit.
本発明に係るスイッチ駆動回路は、電力供給ラインから交流電圧を入力する入力部と、前記入力部から入力される電圧のうち、特定周波数の電圧を通過させるフィルタ回路と、前記フィルタ回路を通過する電圧を整流し、電力供給ラインを電気的に遮断又は接続するスイッチ素子の制御端子へ出力する整流回路と、を備えることを特徴とする。 The switch drive circuit according to the present invention includes an input unit that inputs an AC voltage from a power supply line, a filter circuit that passes a voltage of a specific frequency among the voltages input from the input unit, and the filter circuit. And a rectifier circuit that rectifies the voltage and outputs the rectified voltage to a control terminal of a switch element that electrically cuts off or connects the power supply line.
この構成では、入力される交流電圧が特定周波数である場合、その電圧はフィルタ回路を通過し、整流回路で整流されてスイッチ素子の制御端子へ出力される。そして、通常は電力供給ラインを遮断するスイッチ素子がオンされる。すなわち、別途、信号処理回路(マイコン等)を用いずに、スイッチ素子をオンできる。そして、電力供給ラインの電圧を利用するため、補助電源を用いずにスイッチ素子を切り替えることができるスイッチ駆動回路を実現できる。 In this configuration, when the input AC voltage has a specific frequency, the voltage passes through the filter circuit, is rectified by the rectifier circuit, and is output to the control terminal of the switch element. Normally, the switch element that cuts off the power supply line is turned on. That is, the switch element can be turned on without using a separate signal processing circuit (such as a microcomputer). And since the voltage of an electric power supply line is utilized, the switch drive circuit which can switch a switch element without using an auxiliary power supply is realizable.
本発明によれば、スイッチ素子を切り替えるためのマイコン等の信号処理回路、及び信号処理回路用の補助電源を用いずに回路を切り替えることができる。 According to the present invention, a circuit can be switched without using a signal processing circuit such as a microcomputer for switching the switching element and an auxiliary power source for the signal processing circuit.
図1は、実施形態1に係る電力供給システム100のブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a
電力供給システム100は、受電装置10と、給電装置20又は通信装置とを備えている。電力供給システム100は、非接触電力供給システム又は近距離無線通信システムとして動作する。非接触電力供給システムとして動作する場合、受電装置10は給電装置20から電力が給電される。近距離無線通信システムとして動作する場合、受電装置10は、通信装置30との間で通信を行う。
The
非接触電力供給システムは、例えば、近傍界において磁界結合を利用した非接触電力供給システムであり、電磁誘導型電力供給システム、磁界共鳴型電力供給システムを含む。非接触電力供給システムでは、例えば、HF(High Frequency)帯、特に6.78MHz付近の周波数の電力が、給電装置20から受電装置10へ伝送される。
The contactless power supply system is, for example, a contactless power supply system that uses magnetic field coupling in the near field, and includes an electromagnetic induction power supply system and a magnetic resonance power supply system. In the non-contact power supply system, for example, HF (High Frequency) band, in particular, power having a frequency in the vicinity of 6.78 MHz is transmitted from the
近距離無線通信システムは、例えば、NFC(Near FieldCommunication)を用いたシステムである。NFCは、近傍界において磁界結合を利用した近距離無線通信であり、Bluetooth(登録商標)等の電磁波を利用した近距離無線通信を含まない。近距離無線通信システムでは、例えば、HF帯、特に13.56MHz付近の周波数の信号が、通信装置30から受電装置10へ(又はその逆へ)送信される。
The short-range wireless communication system is a system using NFC (Near Field Communication), for example. NFC is short-range wireless communication using magnetic field coupling in the near field, and does not include short-range wireless communication using electromagnetic waves such as Bluetooth (registered trademark). In the short-range wireless communication system, for example, a signal having a frequency in the HF band, particularly around 13.56 MHz is transmitted from the
給電装置20は、コイルアンテナ21及び給電回路22を有している。コイルアンテナ21は、給電回路22により交流電圧が印加される。コイルアンテナ21は、不図示のキャパシタと共振回路を構成し、受電装置10が有する後述のコイルアンテナ(第1のコイルアンテナ)11と磁界結合する。コイルアンテナ11,21が磁界結合することで、給電装置20から受電装置10へ非接触電力供給が行われる。
The
給電回路22はDC−ACインバータを含む。DC−ACインバータは高周波の交流電圧、又は交流電流を発生させる。そして、給電回路22は、コイルアンテナ21へ6.78MHzの交流電圧を印加する。
The
通信装置30は、コイルアンテナ31及び通信回路32を有している。そして、給電装置20と同様に、コイルアンテナ31,11が磁界結合することで、受電装置10の通信回路17と通信装置30とが無線通信する。通信回路32は送受信回路を含む。そして、通信回路32は、13.56MHzで動作する。
The
受電装置10は、コイルアンテナ11、整合回路12、整流回路13、スイッチ回路14、負荷回路15、スイッチ駆動回路16、及び通信回路17を備えている。受電装置10は、本発明に係る「回路切替装置」の一例である。スイッチ駆動回路16は、本発明に係る「検波回路」の一例である。
The
負荷回路15は、例えば充電回路及び二次電池を含む。負荷回路15は、非接触電力供給システムの動作時に、給電装置20から供給される電力を二次電池に充電する。負荷回路15は、本発明に係る「非接触電力供給システム用受電回路」の一例である。通信回路17は、近距離無線通信システムに使用される。通信回路17は、本発明に係る「近距離無線通信システム用通信回路」の一例である。
The
受電回路の整合回路12はコイルアンテナ11に接続される。整合回路12は、コイルアンテナ11と共振回路を構成する共振キャパシタ(不図示)を含む。給電装置20、及び通信装置30側では、コイルアンテナ21,31を含む共振回路が構成されている。整合回路12において、コイルアンテナ11及び通信回路17を含む共振回路の共振周波数は、非接触電力供給システムの周波数付近に設定されている。
The matching
整流回路13は、交流信号が流れる2本の電力供給ライン101A,102Aにより、整合回路12に接続されている。整流回路13は、給電装置20のコイルアンテナ21と磁界結合するコイルアンテナ11に誘起される電圧を整流する。
The
スイッチ回路14は整流回路13に接続されている。スイッチ回路14には平滑キャパシタCo及び負荷回路15が接続されている。スイッチ回路14がオンのとき、整流回路13と負荷回路15及び平滑キャパシタCoとを電気的に接続し、オフのとき、整流回路13と負荷回路15及び平滑キャパシタCoとを電気的に切断する。つまり、スイッチ回路14は、負荷回路15への電力供給と、その電力供給の遮断とを切り替える。なお、制御電圧を印加していないとき、スイッチ回路14は、オフであり、後述のスイッチ駆動回路16によりオンされる。
The
スイッチ駆動回路16は、電力供給ライン101A,102Aに接続される。電力供給ライン101A,102A間の電圧が特定周波数である場合、スイッチ駆動回路16は、制御電圧をスイッチ回路14へ出力し、スイッチ回路14をオンする。スイッチ駆動回路16は、スイッチ回路14を直接駆動する。本実施形態では、特定周波数は6.78MHzである。すなわち、スイッチ駆動回路16は、非接触電力供給システムの動作時に、スイッチ回路14をオンする。整合回路12からの出力電圧が特定周波数でない場合、スイッチ駆動回路16はスイッチ回路14をオンせずにオフ状態を維持する。出力電圧が特定周波数でない場合とは、例えば、周波数が13.56MHzである場合である。つまり、近距離無線通信システムの動作時、スイッチ駆動回路16はスイッチ回路14をオンしない。
The
通信回路17は、電力供給ライン101A,102Aに接続される。通信回路17は、通信装置30のコイルアンテナ31と磁界結合するコイルアンテナ11に誘起される信号電圧が入力される。この場合、通信回路17は受信回路になる。前記のように、近距離無線通信システムの動作時には、スイッチ回路14はオフであり、受信した13.56MHzの信号(搬送波+変調成分)は、スイッチ回路14で遮断される。つまり、近距離無線通信システムの動作時には、通信用信号電圧による負荷回路15及び平滑キャパシタCoへの不要な給電が抑制され、通信回路17に効率よく信号伝送される。したがって、通信回路17は、負荷回路15及び平滑キャパシタCoへの不要な電力供給による影響を受けることなく動作する。
The
なお、受電装置10から通信装置30へ通信信号が送信される場合には、通信回路17は送信回路になり、コイルアンテナ11へ通信用信号電圧を印加する。この場合、スイッチ回路14はオフであり、負荷回路15及び平滑キャパシタCoへの電力供給は遮断される。したがって、通信回路17は、負荷回路15への電力供給の影響を受けることなく動作する。
When a communication signal is transmitted from the
図2に本実施形態におけるNFCシステムを動作させて非接触ICカードの検出距離を測定した結果を示す。ここで、通信回路17をReader/Writerモードにして、非接触ICカードをコイルアンテナ11に近づけていき、非接触ICカードを認識した距離を測定した。また、代表的なカード4種類について検出距離を確認した。カード1はTopazを、カード2はMifare ULを、カード3はOctpusを、カード4はMifare desfireをそれぞれ採用したものである。Mifareは登録商標である。図2において、本願構成は、通信装置30が非接触ICカードで実現され、近距離無線通信システムがNFCシステムで実現された受電装置10である。比較例1の構成は、本願構成から後述の周波数ディテクタ161を除いた構成である。比較例2の構成は、非接触ICカードで実現された通信装置30と通信回路17とで構成されるNFCシステムである。図2からわかるように、通信回路17に電力伝送の負荷回路15を接続することによって、検出距離は大幅に低下するが(比較例1及び比較例2の構成における結果を参照)、本実施形態を適用することで、負荷回路15と平滑キャパシタCoの影響を軽減することができ、通信距離の低下を抑制し、より確実に通信できるようになる(本願構成及び比較例1の構成における結果を参照)。
FIG. 2 shows the result of measuring the detection distance of the non-contact IC card by operating the NFC system in this embodiment. Here, the
図3は、実施形態1に係る受電装置10の回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram of the
受電回路の整合回路12はキャパシタC21,C22を有している。キャパシタC21,C22とコイルアンテナ11とは共振回路を構成している。
The power receiving
通信回路17は、キャパシタC31,C32,C33,C34,C35,C36,インダクタL31,L32及び通信用IC171から構成される。キャパシタC31〜C34は通信用IC171とコイルアンテナ11間の通信回路用整合回路を構成し、電力供給ライン101A,102Aに接続される。キャパシタC35及びインダクタL31、並びに、キャパシタC36及びインダクタL32は、ローパスフィルタを構成し、通信回路用整合回路と通信用IC171との間に設けられる。ローパスフィルタは、通信回路17が送信回路として動作する際に使用される周波数の高調波成分を除去する。なお、このローパスフィルタは、通信用IC171とコイルアンテナ11間の通信回路用整合回路の一部として利用することができる。
The
整流回路13はダイオードブリッジ回路である。
The
スイッチ回路14は、スイッチ素子(第1のスイッチ素子)Q1及びゲート抵抗R1を備える。スイッチ素子Q1はn型MOS−FETである。スイッチ素子Q1は、整流回路13と負荷回路15とを接続する電源用ライン(ホットライン)101Bに直列に接続されている。スイッチ素子Q1は、非接触電力供給システムの動作周波数の高周波電力を受電していない場合、スイッチ駆動回路16からゲート−ソース間に電圧が印加されないため、オフである。そして、整流回路13と負荷回路15、及び、平滑キャパシタCoとは電気的に遮断される。また、スイッチ駆動回路16によって、ゲート−ソース間に電圧を印加するとオンになる。そして、整流回路13と負荷回路15及び平滑キャパシタCoとは電気的に接続される。
The
なお、スイッチ回路14は、平滑キャパシタCoと負荷回路15との間に接続されていてもよく、その場合、負荷回路15への信号流入を軽減できる。また、スイッチ回路14のスイッチ素子Q1及びゲート抵抗R1は、整流回路13と負荷回路15とを接続する基準電位用ライン(コールドライン)102Bに直列に接続されてもよい。さらに、スイッチ回路14に代えて、双方向スイッチ回路で構成されるスイッチ回路14Cが、電力供給ライン101A,102Aにスイッチ駆動回路16が接続される接続部CPと整流回路13との間に直列に接続されてもよい。図4にスイッチ回路14Cを電力供給ライン101A,102Aに接続した受電装置10Cを示す。この構成において、接続部CPと整流回路13との間にEMI(ElectroMagnetic Interference)フィルタ18が接続され、接続部CPとEMIフィルタ18との間にスイッチ回路14Cが接続される。スイッチ回路14Cは、交流電流を遮断する必要があるため、上述のように双方向スイッチ回路で構成される。双方向スイッチ回路は、FETなどのスイッチ素子を2つ用いて互いに逆方向になるように配置した回路である。このとき、スイッチ回路14Cに寄生容量の小さい素子を用いることで、整流回路13の容量成分の影響を低減することができる。よって、寄生容量が通信回路17へ与える影響をさらに低減することができる。
The
図3に示すように、スイッチ駆動回路16は、入力部In1,In2と出力部Out1,Out2とを有している。入力部In1は、キャパシタC41を介して、電力供給ライン101Aに接続されている。入力部In2は、キャパシタC42を介して、電力供給ライン102Aに接続されている。キャパシタC41,C42のキャパシタンスは同じである。キャパシタC41,C42は、後述のC11とで分圧回路を構成し、電力供給ライン101A,102A間の電圧を分圧する。このため、スイッチ駆動回路16には、電力供給ライン101A,102A間の電圧がキャパシタC41,C42,C11により分圧されて入力される。出力部Out1,Out2は、スイッチ回路14のスイッチ素子Q1のゲート、ソース(制御端子、第1の制御端子)に接続される。
As shown in FIG. 3, the
スイッチ駆動回路16は、周波数ディテクタ161と、整流平滑回路162とを有している。周波数ディテクタ161は、本発明に係る「フィルタ回路」の一例である。整流平滑回路162は、本発明に係る「整流回路」の一例である。
The
整流平滑回路162は周波数ディテクタ161に接続されている。整流平滑回路162は、ダイオードD1及びキャパシタC13を有し、周波数ディテクタ161から出力される電圧を整流・平滑する。整流平滑回路162により整流平滑された電圧は、出力部Out1,Out2から出力され、スイッチ素子Q1のゲート、ソース間に印加される。なお、整流平滑回路162はキャパシタC13を有しなくてもよい。また、キャパシタC13に変えて、スイッチ素子Q1の入力容量を利用してもよい。
The rectifying /
周波数ディテクタ161は、キャパシタC11,C12と絶縁トランスTとを有する。キャパシタC11は、入力部In1,In2の間に接続される。絶縁トランスTの1次コイルL11は、キャパシタC11に並列接続される。絶縁トランスTの2次コイルL12には、キャパシタC12が並列接続される。並列接続することで、コイル両端の電圧を駆動電圧として取り出せる。そして、キャパシタC11と絶縁トランスTの1次コイルL11とは、共振回路を構成する。また、キャパシタC12と絶縁トランスTの1次コイルL11とも、共振回路を構成する。
The
なお、本実施形態において、共振回路は並列共振回路を構成しているが、直列共振回路でも良く、それらの組み合わせでも良い。また、並列共振回路と直列共振回路では、並列共振回路のほうが高い電圧を得やすいため、並列共振回路が好ましい。 In the present embodiment, the resonance circuit constitutes a parallel resonance circuit, but may be a series resonance circuit or a combination thereof. Further, in the parallel resonance circuit and the series resonance circuit, the parallel resonance circuit is preferable because the parallel resonance circuit can easily obtain a higher voltage.
この2つの並列共振回路は、電力供給ライン101A,102Aを流れる信号の特定周波数と一致するように定数設定されていて、相互結合した複共振回路を構成する。図5に本実施形態におけるスイッチ駆動回路16の出力電圧周波数特性を示す。本実施形態では、特定周波数は6.78MHzである。スイッチ駆動回路16の出力電圧周波数特性は、特定周波数である6.78MHzにピークを有する。
These two parallel resonance circuits are set to have a constant value so as to coincide with a specific frequency of signals flowing through the
電力供給ライン101A,102A間の電圧が6.78MHzである場合、スイッチ駆動回路16への入力電圧は周波数ディテクタ161を通過し、整流平滑回路162により整流平滑される。そして、スイッチ素子Q1のゲート、ソース間に印加され、スイッチ素子Q1はオンする。つまり、駆動周波数が6.78MHzである非接触電力供給システムで動作するときには、スイッチ駆動回路16はスイッチ素子Q1をオンして、負荷回路15へ電力を供給する。
When the voltage between the
一方、電力供給ライン101A,102A間の電圧が6.78MHzと異なる場合、例えば、13.56MHzである場合、スイッチ駆動回路16への入力電圧は周波数ディテクタ161で遮断される。このため、周波数ディテクタ161からは電圧が出力されず、スイッチ素子Q1はオンしない。つまり、駆動周波数が13.56MHzである近距離無線通信システムで動作するときには、スイッチ駆動回路16はスイッチ素子Q1をオンさせず、通信用信号電圧による負荷回路15への不要な電力供給は遮断される。
On the other hand, when the voltage between the
このように、受電装置10は、通信装置30と磁界結合するときは、通信用信号電圧による負荷回路15への不要な電力供給を遮断し、給電装置20と磁界結合するときにのみ、負荷回路15への電力供給を行うことができる。これにより、受電装置10は、共通のコイルアンテナ11を用いて、非接触電力供給、又は、近距離無線通信を行える。また、共通アンテナを利用できるので、受電デバイスへのアンテナの配置自由度を高められるとともに、アンテナと回路との接続部の数を少なくすることができる。
As described above, when the
なお、受電装置10と給電装置20とが磁界結合する場合、通信回路17にも電力が供給される。しかしながら、非接触電力供給システムで動作する場合には、通信回路17のインピーダンスは受電回路のインピーダンスに対して高いため、通信回路17に流入する電流は小さく、通信回路17での電力損失は少ない。つまり、通信回路17への電力供給が、負荷回路15への電力供給に与える影響は小さい。
Note that when the
スイッチ駆動回路16は、整流平滑した電力供給ライン101A,102A間の電圧を、スイッチ素子Q1のゲート、ソース間に印加して、スイッチ素子Q1をオンする。このため、スイッチ駆動回路16は、複雑な信号処理回路(複雑な処理を行うマイコン等)を必要とせず、簡単な回路構成で実現できる。また、スイッチ駆動回路16用の電力源も必要としないため、受電装置10の小型化は阻害されない。さらに、受電装置10の二次電池が放電してしまい、電子機器等に受電装置10とともに実装される信号処理回路が起動しない状態であっても6.78MHzの高周波電力を受電するとスイッチ駆動回路16が動作して給電・充電できる。
The
さらに、スイッチ駆動回路16は、電力供給ライン101A,102Aに対し並列に接続されている。このため、スイッチ駆動回路16を電力供給ライン101A,102Aの途中に設ける場合と比べて、損失を低減できる。
Further, the
また、スイッチ駆動回路16の周波数ディテクタ161は、特定周波数の交流電圧を検波する(通過させる)ために複共振を利用している。複共振させた場合、2つの共振点が存在する。この2つの共振点の間の周波数帯域では周波数ディテクタ161の感度は略一定にできる。このため、この周波数帯域を利用すれば、検出する交流電圧の周波数が変動する場合であっても、安定して交流電圧を検波して、スイッチ回路14をオンできる。
Further, the
さらに、周波数ディテクタ161は絶縁トランスTで構成しているため、コモンモード信号(ノイズ)の影響を軽減できる。さらに、スイッチ素子Q1をフローティング状態で制御できる。つまり、スイッチ素子Q1をグランド電位に直接接続することなく制御できる。なお、周波数ディテクタ161は、特定周波数の交流電圧が通過するよう定数設定したLCフィルタであってもよい。あるいは、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、帯域阻止フィルタでもよい。
Furthermore, since the
スイッチ駆動回路16は、回路基板に、各素子を実装して構成してもよいし、1チップ化してもよい。
The
図6は、1チップ化したスイッチ駆動回路16を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing the
スイッチ駆動回路16は、複数のフェライト等の絶縁体層が積層され、焼結された積層体160を備える。積層体160内には、絶縁体層に印刷された導体パターンによりコイル160A,160Bが形成されている。コイル160A,160Bは、例えば巻回軸を同じにして、磁界結合するよう形成されている。コイル160Aは、図3に示す、絶縁トランスTの1次コイルL11に相当し、コイル160Bは、絶縁トランスTの2次コイルL12に相当する。積層体160の一方主面には、キャパシタC11,C12、ダイオードD1等、スイッチ駆動回路16を構成する各素子が実装されている。そして、各素子は、図示しないビア導体、導体パターンにより、配線されている。
The
このように、スイッチ駆動回路16を1チップ化することで、スイッチ駆動回路16を実装する基板上の占有面積を削減できる。このため、設計時のレイアウトの自由度が向上する。また、磁性体の非線形性を利用して、出力電圧に非線形性を与えることができる。
Thus, by making the
つまり、入力レベルが低い場合には、入出力電圧の比率は線形に応答し、入力レベルが高い場合には、入出力電圧の比率が低下するように設定する。これにより、出力電圧の過電圧を防止でき、入力電圧の範囲を拡大することができる。 That is, when the input level is low, the input / output voltage ratio responds linearly, and when the input level is high, the input / output voltage ratio is set to decrease. Thereby, overvoltage of the output voltage can be prevented, and the range of the input voltage can be expanded.
スイッチ駆動回路16の接続点は、整合回路12と整流回路13の間に設けなくとも良い。図7に整合回路12Dを容量分圧するように、接続点を設定した受電装置10Dを示す。整合回路12DはキャパシタC21〜C24を含む。スイッチ駆動回路16の接続点は、キャパシタC21とキャパシタC23との間、及び、キャパシタC22とキャパシタC24との間に設けられる。この構成では、キャパシタC41,C42の容量を大きくすることなく、スイッチ駆動回路16へ入力される電圧を高くすることができる。
The connection point of the
また、スイッチ駆動回路の回路構成はシングルエンド構成であっても良い。図8にシングルエンド構成のスイッチ駆動回路16Eを備える受電装置10Eを示す。スイッチ駆動回路16Eは、1次コイルL11と2次コイルL12とが接続されたトランスTEを含む周波数ディテクタ161Eを有する。シングルエンド構成では、絶縁トランスを用いる必要がなく、回路の小型化、簡略化することができる。
Further, the circuit configuration of the switch drive circuit may be a single end configuration. FIG. 8 shows a
非接触電力供給システムと近距離無線通信システムは共通のコイルアンテナを用いているが、個別のコイルアンテナを備えていてもよい。図9に個別のコイルアンテナ11,11Fを備えた受電装置10Fを示す。通信回路17の通信回路用整合回路172にはコイルアンテナ(第2のコイルアンテナ)11Fが接続される。なお、通信回路用整合回路172はキャパシタC31〜C34(図3参照)で構成されている。ローパスフィルタ173はキャパシタC35,36及びインダクタL31,L32(図3参照)で構成されている。
The non-contact power supply system and the short-range wireless communication system use a common coil antenna, but may include individual coil antennas. FIG. 9 shows a
受電装置10Fを収める筐体のスペースなどの制約により、両方のコイルアンテナ11,11Fを近接して配置せざるを得ない場合、コイルアンテナ11,11F間に磁界結合が生じる。両方のコイルアンテナ11,11Fが相互結合することにより、共通のコイルアンテナを備えていた場合と同様に電力伝送用の回路(負荷回路15、平滑キャパシタCo)が通信回路17の通信特性に影響を与える場合がある。そのため、電力伝送用の回路にスイッチ駆動回路16とスイッチ回路14を追加することで、負荷回路15及び平滑キャパシタCoへの不要な電力供給を遮断し、給電装置20(図1参照)と磁界結合するときにのみ、負荷回路15への電力供給を行い、負荷回路15と平滑キャパシタCoの影響を抑えることができる。
When both
(実施形態2)
実施形態2に係る受電装置は、負荷回路への電力供給と、その遮断とを切り替えるスイッチ回路の構成が、実施形態1と相違している。(Embodiment 2)
The power receiving device according to the second embodiment is different from the first embodiment in the configuration of a switch circuit that switches between supplying power to the load circuit and shutting off the power.
図10は、実施形態2に係る受電装置10Aの回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram of the
整合回路12と整流回路13との間には、EMIフィルタ18が設けられている。
An
スイッチ回路14Aは、スイッチ素子Q2,Q3を有している。スイッチ素子Q2はp型MOS−FETである。スイッチ素子Q2は、電源用ライン101B上に設けられている。スイッチ素子Q3はn型MOS−FETである。スイッチ素子Q3のドレインはスイッチ素子Q2のゲートに接続されている。スイッチ素子Q3のソースは基準電位に接続されている。スイッチ素子Q3のゲートは、スイッチ駆動回路16の出力部Out1に接続されている。
The
スイッチ駆動回路16の入力部In1,In2は、コイルアンテナ11と整合回路12との間に接続されている。すなわち、スイッチ駆動回路16には、整合回路12を介すことなく、コイルアンテナ11に誘起される電圧が入力される。これにより、スイッチ駆動回路16にはより高い電圧が入力される。スイッチ駆動回路16の出力部Out1はスイッチ素子Q3のゲートに接続されている。出力部Out2は基準電位に接続されている。
Input portions In 1 and In 2 of the
スイッチ駆動回路16は、実施形態1と同様に、電力供給ライン101A,102A間の電圧が6.78MHzである場合、その電圧を整流平滑する。そして、スイッチ駆動回路16は、整流平滑した電圧をスイッチ素子Q3のゲート−ソース間に印加する。スイッチ素子Q3はオンし、スイッチ素子Q2のゲートは基準電位に接続され、スイッチ素子Q2がオンする。これにより、整流回路13と負荷回路15とが電気的に接続され、負荷回路15への電力供給が行われる。
As in the first embodiment, when the voltage between the
この構成では、周波数ディテクタ161の出力端(出力部Out2側)が基準電位に接続されているので、信号処理回路の基準電位を共用することができる。周波数ディテクタ161の出力端(出力部Out1側)を信号処理回路と接続すれば(適宜、分圧回路などを挿入)、特定周波数の電力の到来状況をモニタすることができる。
In this configuration, since the output terminal (output unit Out2 side) of the
また、この構成であっても、受電装置10Aは、近距離無線通信システムで動作するときは、通信用信号電圧による負荷回路15への不要な電力供給を遮断し、非接触電力供給システムで動作するときにのみ、負荷回路15への電力供給を行うことができる。そして、スイッチ駆動回路16は、電源供給が必要で複雑な処理を行う信号処理回路(マイコンなど)を必要とせず、簡単な回路構成で実現できる。また、スイッチ駆動回路16用の電力源も必要としないため、受電装置10Aの小型化は阻害されない。また、受電装置10Aの二次電池が放電してしまい、信号処理回路が起動しない状態であっても6.78MHzの高周波電力を受電するとスイッチ駆動回路が動作して給電・充電できる。
Even in this configuration, when the
(実施形態3)
実施形態3に係る受電装置は、負荷回路への電力供給と、その遮断とを切り替えるスイッチ回路の構成が、実施形態1と相違している。(Embodiment 3)
The power receiving device according to the third embodiment is different from the first embodiment in the configuration of a switch circuit that switches between power supply to the load circuit and interruption thereof.
図11は、実施形態3に係る受電装置10Bの回路図である。
FIG. 11 is a circuit diagram of the
受電装置10Bが備えるスイッチ回路14Bは、スイッチ素子Q4を有する。スイッチ素子Q4はn型MOS−FETである。スイッチ素子Q4のドレインは、キャパシタC5を介して電源用ライン101Bに接続されている。スイッチ素子Q4のソースは基準電位用ライン102Bに接続されている。スイッチ素子Q4のゲートは、スイッチ駆動回路16の出力部Out1に接続されている。
The
スイッチ駆動回路16は、実施形態1と同様に、電力供給ライン101A,102A間の交流電圧が6.78MHzである場合、その電圧を整流平滑する。そして、スイッチ駆動回路16は、整流平滑した電圧をスイッチ素子Q4のゲートへ印加する。スイッチ素子Q4がオンすることで、キャパシタC5が電力供給ライン101A,102A間に接続される構成となる。これにより、負荷回路15へ供給される電圧がキャパシタC5を充電し平滑化されるため、負荷回路15に安定した電力供給ができる。また、逆に交流電圧が6.78MHz以外の周波数である場合、スイッチ素子Q4が導通しないため、整流回路13からキャパシタC5が切り離される。この結果、近距離無線通信システムで動作するときは、通信回路17は、キャパシタC5への不要な電力供給の影響が低減されて動作する。よって、通信距離の低下を抑制することができ、より確実に通信できるようになる。
Similarly to the first embodiment, when the AC voltage between the
また、スイッチ駆動回路16は、電力供給ライン101A,102A間の交流電圧を整流平滑して、スイッチ素子Q4のゲートに印加して、スイッチ素子Q4をオンする。このため、スイッチ駆動回路16は、複雑な処理を行う信号処理回路(マイコンなど)を必要とせず、簡単な回路構成で実現できる。また、スイッチ駆動回路16用の電力源も必要としないため、受電装置10Bの小型化は阻害されない。また、受電装置10Bの二次電池が放電してしまい、信号処理回路が起動しない状態であっても6.78MHzの高周波電力を受電するとスイッチ駆動回路16が動作して給電・充電できる。
Further, the
(実施形態4)
実施形態4に係る受電装置は、通信回路の構成、及び、スイッチ駆動回路と通信回路との接続が実施形態1と相違している。(Embodiment 4)
The power receiving device according to the fourth embodiment is different from the first embodiment in the configuration of the communication circuit and the connection between the switch drive circuit and the communication circuit.
図12は、実施形態4に係る受電装置10Gの回路図である。
FIG. 12 is a circuit diagram of a
受電装置10Gが備える通信回路17Gはスイッチ回路14Gを有する。スイッチ回路14Gは、通信回路用整合回路172とローパスフィルタ173の間に配置され、通信用IC171を保護するために通信回路用整合回路172とローパスフィルタ173及び通信用IC171とを電気的に切断する。スイッチ回路14Gは、スイッチ駆動回路16から出力される電圧によって動作する。スイッチ回路14Gは、制御端子を有するスイッチ素子を含み、例えば双方向スイッチ回路で構成される。当該スイッチ素子は本発明に係る「第2のスイッチ素子」の一例であり、当該制御端子は本発明に係る「第2の制御端子」の一例である。
The
例えば、受電装置10Gが非接触電力供給システムの動作周波数の高周波電力を受電していない場合、スイッチ回路14Gはオフであり、非接触電力供給システムの動作周波数の高周波電力を受電した場合に、スイッチ回路14Gはオンになり、ローパスフィルタ173手前のライン間を短絡するよう構成する。この構成では、通信用IC171を非接触電力供給に起因する過電圧から保護することができる。
For example, when the
なお、スイッチ回路14Gはローパスフィルタ173と通信用IC171の間に配置されてもよく、通信用IC171に内蔵してもよい。
The
また、実施形態4に係る受電装置は、非接触電力供給システムと近距離無線通信システムで共通のコイルアンテナを用いなくともよく、個別のコイルアンテナを備えていてもよい。図13に個別のコイルアンテナ11,11Fを備えた受信装置10Hを示す。通信回路用整合回路172にはコイルアンテナ11Fが接続される。この回路構成であっても、スイッチ駆動回路16とスイッチ回路14により、負荷回路15及び平滑キャパシタCoへの不要な電力供給を遮断することができる。これにより、給電装置20(図1参照)と磁界結合するときにのみ、負荷回路15への電力供給を行い、負荷回路15と平滑キャパシタCoが通信回路17Gに与える影響を抑えることができる。また、スイッチ駆動回路16とスイッチ回路14Gにより、通信用IC171を非接触電力供給に起因する過電圧から保護することができる。
In addition, the power receiving device according to the fourth embodiment may not include a common coil antenna in the contactless power supply system and the short-range wireless communication system, and may include individual coil antennas. FIG. 13 shows a receiving
以上説明した、実施形態1〜4では、受電装置は、非接触電力供給システムと、近距離無線通信システムとで動作する装置として説明したが、異なる周波数帯域を用いた近距離無線通信システムが動作する装置であってもよい。この場合、受電装置は、第1の周波数を用いて通信を行う通信回路と、第2の周波数を用いて通信を行う通信回路とを備える。そして、上述したスイッチ駆動回路により、受電装置が受信する信号の周波数に応じて、スイッチ回路を切り替える。同様に、受電装置は、異なる周波数帯域を用いた非接触電力供給システムが動作する装置であってもよい。
In
なお、非接触電力供給システムとして6.78MHzの例を示したが低周波10kHz〜500kHzの電磁誘導を利用した非接触給電システムに対しても適用可能である。 In addition, although the example of 6.78 MHz was shown as a non-contact electric power supply system, it is applicable also to the non-contact electric power feeding system using the electromagnetic induction of low frequency 10kHz-500kHz.
また、以上説明した、実施形態1〜4では、近距離無線通信システムの動作時に、整流回路と負荷回路及び平滑キャパシタとを切り離すことを説明したが、この限りではない。少なくともコイルアンテナと、負荷回路及び平滑キャパシタとが電気的に切り離されればよく、スイッチ回路はコイルアンテナと整流回路との間に設けられていてもよい。 Moreover, although Embodiment 1-4 demonstrated above demonstrated separating the rectifier circuit, a load circuit, and a smoothing capacitor at the time of operation | movement of a short-distance radio | wireless communications system, it is not this limitation. It is sufficient that at least the coil antenna, the load circuit and the smoothing capacitor are electrically disconnected, and the switch circuit may be provided between the coil antenna and the rectifier circuit.
また、以上説明した、実施形態1〜4では、近距離無線通信システムの動作時に、整流回路と負荷回路及び平滑キャパシタとの間に電流が流れないように、整流回路と負荷回路及び平滑キャパシタとの間の電流経路を切り離すことを説明したが、この限りではない。近距離無線通信システムの動作時に、少なくともコイルアンテナから通信用信号電圧によって負荷回路及び平滑キャパシタに不要な電力が供給されないようにすればよく、例えば、負荷回路及び平滑キャパシタの前段、又は、整流回路の前段で、2本の電力供給ラインの間を短絡させることにより、負荷回路及び平滑キャパシタに電圧が印加されないようにすることで、負荷回路及び平滑キャパシタに電力が供給されないようにしてもよい。図14に、電源用ライン101Bと基準電位用ライン102Bとの間にスイッチ回路14Iを接続した受電装置10Iを示す。この回路構成では、スイッチ回路14Iは制御電圧を印加していないとき、オンとなるように構成されている(すなわち、整流回路13の出力を短絡している)。スイッチ回路14Iは、スイッチ駆動回路16によって、ゲート−ソース間に電圧を印加するとオフになる。スイッチ駆動回路16は、コイルアンテナ11の両端間の電圧を入力し、通信回路17は、コイルアンテナ11の両端ではなく、電力伝送系の整合回路12Dの共振キャパシタ(キャパシタC21〜C24)を分圧した点に接続する。この構成では、整流部の寄生容量の影響をなくすことができる。
In
C11,C12,C13…キャパシタ
C21,C22,C23,C24…キャパシタ
C31,C32,C33,C34,C35,C36,…キャパシタ
C41,C42…キャパシタ
C5…キャパシタ
Co…平滑キャパシタ
CP…接続部
D1…ダイオード
171…通信用IC
In1,In2…入力部
L11…1次コイル
L12…2次コイル
L31,L32…インダクタ
Out1,Out2…出力部
Q1,Q2,Q3,Q4…スイッチ素子
R1…ゲート抵抗
T,TE…トランス
10,10A,10B,10C,10D,10E,10F,10G,10H,10I…受電装置(回路切替装置)
11,11F…コイルアンテナ
12,12D…整合回路
13…整流回路
14,14A,14B,14C,14G,14I…スイッチ回路
15…負荷回路
16,16E…スイッチ駆動回路
17,17G…通信回路
18…EMIフィルタ
20…給電装置
21…コイルアンテナ
22…給電回路
30…通信装置
31…コイルアンテナ
32…通信回路
100…電力供給システム
101A,102A…電力供給ライン
102A…電力供給ライン
102B…基準電位用ライン
160…積層体
160A,160B…コイル
161,161E…周波数ディテクタ(フィルタ回路)
162…整流平滑回路(整流回路)C11, C12, C13 ... capacitors C21, C22, C23, C24 ... capacitors C31, C32, C33, C34, C35, C36, ... capacitors C41, C42 ... capacitor C5 ... capacitor Co ... smoothing capacitor CP ... connection part D1 ...
In1, In2 ... input L11 ... primary coil L12 ... secondary coils L31, L32 ... inductor Out1, Out2 ... output Q1, Q2, Q3, Q4 ... switch element R1 ... gate resistance T, TE ...
DESCRIPTION OF
162 ... Rectifier smoothing circuit (rectifier circuit)
Claims (8)
前記第1のコイルアンテナに接続される非接触電力供給システム用受電回路と、
前記第1のコイルアンテナに接続される近距離無線通信システム用通信回路と、
第1の制御端子を有し、前記第1のコイルアンテナから前記受電回路への電力供給を遮断する第1のスイッチ素子と、
前記第1のコイルアンテナが受信する信号のうち、特定周波数の信号を検波して、前記第1の制御端子へ制御電圧を出力して前記第1のスイッチ素子を直接駆動する検波回路と、
を備える回路切替装置。A first coil antenna;
A power receiving circuit for a non-contact power supply system connected to the first coil antenna;
A communication circuit for a short-range wireless communication system connected to the first coil antenna;
A first switch element having a first control terminal and blocking power supply from the first coil antenna to the power receiving circuit;
A detection circuit that detects a signal of a specific frequency among signals received by the first coil antenna, outputs a control voltage to the first control terminal, and directly drives the first switch element;
A circuit switching device comprising:
前記第1のコイルアンテナに接続される非接触電力供給システム用受電回路と、
前記第1のコイルアンテナと磁界結合する第2のコイルアンテナと、
前記第2のコイルアンテナに接続される近距離無線通信システム用通信回路と、
第1の制御端子を有し、前記第1のコイルアンテナから前記受電回路への電力供給を遮断する第1のスイッチ素子と、
前記第1のコイルアンテナが受信する信号のうち、特定周波数の信号を検波して、前記第1の制御端子へ制御電圧を出力して前記第1のスイッチ素子を直接駆動する検波回路と、
を備える回路切替装置。A first coil antenna;
A power receiving circuit for a non-contact power supply system connected to the first coil antenna;
A second coil antenna magnetically coupled to the first coil antenna;
A communication circuit for a short-range wireless communication system connected to the second coil antenna;
A first switch element having a first control terminal and blocking power supply from the first coil antenna to the power receiving circuit;
A detection circuit that detects a signal of a specific frequency among signals received by the first coil antenna, outputs a control voltage to the first control terminal, and directly drives the first switch element;
A circuit switching device comprising:
前記入力部から入力される電圧のうち、特定周波数の電圧を通過させるフィルタ回路と、
前記フィルタ回路を通過する電圧を整流し、電力供給ラインを電気的に遮断又は接続するスイッチ素子の制御端子へ出力する整流回路と、
を備えるスイッチ駆動回路。An input unit for inputting an AC voltage from the power supply line;
Among the voltages input from the input unit, a filter circuit that passes a voltage of a specific frequency;
A rectifier that rectifies the voltage passing through the filter circuit and outputs the rectified voltage to a control terminal of a switch element that electrically disconnects or connects the power supply line;
A switch driving circuit comprising:
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