E5061Bネットワーク・アナライザ ネットワーク・アナライザ 及びADSを を用いたワイヤレス給電測定 いたワイヤレス給電測定/解析 給電測定 解析 『*本測定方式は、数100kHzオーダの磁界共鳴方式の ワイヤレス給 電用アンテナを主な測定ターゲットとしています。 異なる周波数帯や異なる給電方式のアンテナを測定する場合や、 冶具やケーブル等測定環境の影響が大きい場合は、誤差が増加す る事があります。』 アジェンダ ・ワイヤレス給電の原理とAC電力伝送解析手法 ・実測事例 ・ADSを組み合わせた解析 2 1 ワイヤレス給電 ワイヤレス給電の 給電の主な方式 磁界共鳴方式 電磁誘導方式 周波数 主に数100kHz 周波数 ～数100kHz 周波数 ～数MHz 距離 距離 ～10cm程度 距離 ～数m 負荷 電界結合方式 ～数cm 負荷 負荷 ・従来の方式 ・コイルで磁界結合 ・近距離伝送 ・新方式：急増中 ・LCで共振させる ・長距離伝送 ・電極を対抗させて伝送 ・近距離伝送 アジレントの測定ソリューションの メインターゲット 3 磁界共鳴方式の 磁界共鳴方式の動作原理 LC共振により強力な磁界を発生させるのがポイント LC共振回路 給電回路 V 受電回路 （AC部分：アンテナ） V V t t V V t t C t C DC 電源 ダイオード検波 L L 負荷 4 2 磁界共鳴方式の 磁界共鳴方式の動作原理 LC共振回路 給電回路 受電回路 （AC部分：アンテナ） V V V t t V V t t C t C DC 電源 ダイオード検波 L L 負荷 I I I t I t t t 5 一般的には・・・ 一般的には・・・ 受電回路 給電回路 V t V t C C ダイオード検波 DC 電源 L L 負荷 I I t Pin=V x I Pout=V x I t DC給電部分～DC受電部分の伝送効率を 電力計等を用いて測定している アンテナ部分は意外と評価されていない・・・。 6 3 磁界共鳴方式のアンテナの 磁界共鳴方式のアンテナのRF的 のアンテナの 的な評価 LC共振回路 給電回路 受電回路 （AC部分：アンテナ） C DC 電源 C ダイオード検波 L L 負荷 LC共振回路 （AC部分：アンテナ） V V t AC電圧源 Z≠50Ω L I t C C L 任意の インピーダンス (Z=R+jX)の負荷 I t t Pout=V x I Pin=V x I 電圧、電流、電力 全てで評価したい。 7 磁界共鳴方式のアンテナの 磁界共鳴方式のアンテナのRF的 のアンテナの 的な評価 C 50Ω C L L 50Ω S21測定は 50Ω系～50Ω系に 伝わる電圧比 でしかない・・・。 S21 8 4 50Ωの信号源と、 AC電圧源は何がちがうの？ 9 ネットワーク・アナライザの50Ω信号源 信号源とは・・・ ネットワーク・アナライザの 信号源とは・・・ 出力電圧を1Vと設定すると・・・ 50Ω 2V 2x(1/2) =1V 50Ω 2x(1/2) =1V 50Ω 50Ω系 50Ω 2V 2x(1/3)V =0.666V 100Ω 2x(2/3)V =1.333V 25Ω 2x(1/3)V =0.666V 50Ω 測定物のインピーダンスにより かかる電圧が異なる。 2V 2x(2/3)V =1.333V 10 5 AC電圧源 電圧源とは・・・ 電圧源とは・・・ 50Ω 測定物のインピーダンスが 何Ωであっても 同じ電圧がかかる 出力電圧を1Vと設定すると・・・ 1V 50Ω 1V 1V 100Ω 1V 1V 25Ω 1V 11 ワイヤレス給電用 ワイヤレス給電用アンテナ 給電用アンテナ解析 アンテナ解析ソフトウェア 解析ソフトウェア E5061Bネットワーク・アナライザ (オプション:3L5)+別売ソフトウェア NEW C L C 【ワイヤレス給電用解析ソフトウェア】 理想的なAC電圧源～任意のインピーダンス負荷までの、 AC電圧、電流、電力、電力効率を、 E5061Bネットワーク・アナライザ(オプション:3L5)の 画面にリアルタイムに表示します。 L 電力効率(%)=(出力有効電力/入力有効電力)x100 出力電力 (W) 入力電力(W) 入力電流(Apeak) AC電圧源 入力電圧 (Vpeak) *ユーザが指定 被測定物 出力電流(Apeak) 負荷 Z=R+jX 出力電圧 (Vpeak) 12 6 ワイヤレス給電用 ワイヤレス給電用アンテナ 給電用アンテナ解析 アンテナ解析ソフトウェア 解析ソフトウェア (型番 型番:PS-X10-100) 型番 入力電流 出力電流 出力電圧 電力効率 E5061Bネットワーク・アナライザ (オプション:3L5にインストール可能) ＊本ソフトウェアを使用するためにはFull2Port校正を実施するための、校正キットが必要です 13 ワイヤレス給電測定 ワイヤレス給電測定に 給電測定に最適な 最適な E5061B(オプション オプション:3L5+005)ネットワーク・アナライザ ネットワーク・アナライザ オプション ネットワーク・アナライザ(NA)モード インピーダンス・アナライザ(ZA)モード |Z| S21 S11 Zθ S22 Ls Cs 被測定物 S12 測定可能周波数 5Hz～3GHz 入力電流 出力電流 出力電圧 電力効率 ワイヤレス給電用アンテナ解析ソフトウェア 別売ソフトウェア 型番：PS-X10-100 14 7 アジェンダ ・ワイヤレス給電の原理とAC電力伝送解析手法 ・実測事例 ・ADSを組み合わせた解析 15 磁界共鳴方式の 磁界共鳴方式の動作原理 例えば給電側のLC共振回路に ついて考える C C L L 16 8 LC直列共振周波数 直列共振周波数における 直列共振周波数における電圧 における電圧と 電圧と電流 共振旬周波数fo=1/(2π√LC)において Z=(1/jωC)+jωL=0Ω 出力と逆相の 大きな信号 入力電圧は 小さくても。 無限大@fo 1/jωC jωL 過大な電流が 流れる 1E1 mag(V2) コイル両端の電圧 7E1 1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 freq, MHz アンテナコイルにも過大な電流が流れる。 （コイルの両端には過大な電圧発生） 大きな磁界が放射される。 理想状態では無限大。 周波数 17 LC共振周波数 共振周波数における 共振周波数における電圧 における電圧と 電圧と電流 1/jωC 制限される jωL 1E1 mag(V2) コイル両端の電圧 ESR 7E1 1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 freq, MHz 実際には、 電流はコイルのESRで制限される。 これにより電力伝送効率が落ちる。 周波数 18 9 1次側 次側のコイルのみインピーダンス モード) 次側のコイルのみインピーダンス測定 のコイルのみインピーダンス測定(ZAモード 測定 モード |Z| ZΘ 233Ω 89.4deg L 37uH 2.3Ω Ls Rs Center=1MHz 19 1次側 次側のコイルのみインピーダンス モード) 次側のコイルのみインピーダンス測定 のコイルのみインピーダンス測定(ZAモード 測定 モード |Z| ZΘ C L -4.3deg 2.43Ω 1MHzで共振するように 約680pFのコンデンサをつける。 Center=1MHz 20 10 50オーム オーム系 測定(NAモード モード) オーム系でのS21測定 での 測定 モード -1.2dB コンデンサ あり -25dB C C L コンデンサ なし L Center=1MHz 21 電力効率測定（ 電力効率測定（ワイヤレス給電解析 ワイヤレス給電解析ソフトウェア 給電解析ソフトウェア） ソフトウェア） 入力電流 出力電圧 出力電流 電力効率 電力効率(%)=(出力有効電力/入力有効電力)x100 出力電力 (W) 入力電力(W) 入力電流(Apeak) AC電圧源 入力電圧 (Vpeak) *ユーザが 指定 被測定物 出力電流(Apeak) 負荷 Z=R+jX 出力電圧 (Vpeak) AC入力電圧=1V 負荷インピーダンス=32Ω 22 11 例えばコイルの距離 えばコイルの距離を 距離を離してみる・・・ コイル間距離：近い コイル間距離：遠い 23 コイル間距離 コイル間距離の 間距離の依存性解析結果 （ワイヤレス給電解析 ワイヤレス給電解析ソフトウェア 給電解析ソフトウェア） ソフトウェア） 入力電流 出力電圧 入力電流 出力電圧 Up 出力電流 電力効率 出力電流 電力効率 Up コイル間距離：近い Up Down コイル間距離：遠い コイルを離すと、大電圧がでるが、実は電力効率は悪い。 24 12 ADS(advanced design system)2011を を 使用すれば 使用すれば、 すれば、より詳細 より詳細な 詳細な解析が 解析が可能です 可能です。 です。 25 一般的には・・・ 一般的には・・・ 受電回路 給電回路 V t V t C C ダイオード検波 DC 電源 L L 負荷 I I t Pin=V x I Pout=V x I t DC給電部分～DC受電部分の伝送効率を 電力計等を用いて測定している 26 13 DCから からDCまでの から までのシミュレーション までのシミュレーション ネットワークアナ・ライザモードで アンテナを実測した Sパラメータを読み込み 複雑な周波数特性でも忠実に再現できる HA RMONIC BA LA NCE Vdcs V_DC SRC5 Vdc= 5 V Harmoni cBal ance HB1 Freq[1]=RFfreq Order[1]=19 I_Prob e Idcs SwitchV SWIT CHV1 V Diod e DIODE4 M odel=D1 Diode I_Probe DIODE5 Iouts Mo del=D1 Diod e DIODE6 M odel=D1 Diode DIODE7 Mo del=D1 Vins SwitchV SWIT CHV2 V Vf_Square SRC4 Freq= RFfreq Meas Eqn Vdc V_DC SRC6 Vdc= 5 V I_Prob e Idc C C7 C=10 p F 2 Re f C C1 C=Cs C C2 C=Cs S2P SNP1 Fi le=" Coil s_27_turns.s2p" M easEqn Wirele ssPowerSparam Pouts=Vouts[0]*Iou ts.i [0] Vouts=Voutsp-Voutsn Pdcs=Vdcs[0]*Idcs.i[0] effi cs= Po uts/Pdcs Prfi ns=(rea l(Vins[1])*real (Iin s.i[1])+im ag(Vins[1])*im ag(Ii ns.i[1]))/2 Var Eqn VAR VAR4 Cs=69 5 pF Rl= 75 Ohm Var Eqn VAR VAR2 RFfreq=1 M Hz SwitchV SWIT CHV4 V SwitchV SWIT CHV3 V Vf_Square SRC7 Freq= RFfreq Meas Eqn C C8 C=10 p F C C9 C=Cs C C11 C=Cs R R1 R=Rl 0.8 Voutsn Diod e DIODE11 M odel=D1 Diode I_Probe DIODE9 Iout Mo del=D1 Diod e DIODE8 M odel=D1 Diode DIODE10 Mo del=D1 Voutp C C10 C=1 uF 0.5 0.4 m1 RFfreq=1.000E6 mag(effics)=0.726 0.3 0.2 R R2 R=Rl 0.1 Voutn 0.0 m2 RFfreq=1.000E6 mag(effic)=0.707 8.00E5 XFERP XFer3 Lp=Ls*Kc K=Kc R1=Rs Ohm R2=Rs Ohm C1=0 pF C2=0 pF C=7 pF Var Eqn M easEqn Wirele ssPowerSparam1 Pout=Vout[0]*Iout.i[0] Vout=Voutp-Voutn Pdc=Vdc[0]*Idc.i[0] effi c=Pout/Pdc Prfi n=(real (Vi n[1])*rea l(Ii n.i [1 ])+im ag(Vi n[1])*i mag (Iin.i[1]))/2 m1 m2 効率 0.7 0.6 Vin I_Pro be Iin Voutsp C C3 C=1 uF mag(effic) mag(effics) 1 I_Pro be Iin s VAR VAR3 Kc=0 .14 Rs=2.5 Ohm Ls=36.5 uH 8.50E5 9.00E5 9.50E5 1.00E6 1.05E6 1.10E6 1.15E6 1.20E6 RFfreq インピーダンス・アナライザモードで アンテナを実測した インピーダンスパラメータを入力 値を任意にモディファイして色々試せる Page 27 アンテナのSパラ アンテナの パラ実測 パラ実測データを 実測データを用 データを用いて ADS上 上でシミュレーション m1 indep(m1)=100.000 plot_vs(real(Vouts[::,0]), Rl)=4.996 RFfreq=1000000.000000 10 HA RMONIC BA LA NCE Vdcs VAR VAR2 RFfreq=1 M Hz VAR VAR4 Cs=682 pF Rl=100 Ohm Di ode DIODE4 M odel=D1 Diode I_Probe DIODE5 Iouts M odel=D1 Vins 1 SwitchV SWIT CHV2 Vf_Square SRC4 Freq=RFfreq I_Probe C Iins C7 C=10 pF Meas Eqn C C1 C=Cs 2 Re f C C2 S2P C=Cs SNP1 Fi le="Coil s_27_turns.s2p" Di ode DIODE6 M odel=D1 Diode DIODE7 M odel=D1 Voutsp C C3 C=1 uF R R1 R=Rl 0.70 6 0.65 m1 4 Voutsn 0.60 m2 indep(m2)=100.000 plot_vs(mag(effics), Rl)=0.711 RFfreq=1000000.000000 2 M easEqn WirelessPowerSparam Pouts=Vouts[0]*Iouts.i [0] Vouts=Voutsp-Voutsn Pdcs=Vdcs[0]*Idcs.i[0] effics=Pouts/Pdcs Prfins=(real(Vins[1])*real(Iins.i [1])+im ag(Vins[1])*im ag(Ii ns.i[1]))/2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 mag(effics) Var Eqn V V 効率 m2 8 Var Eqn SwitchV SWIT CHV1 0.75 出力電圧 Harm onicBalance HB1 Freq[1]=RFfreq Order[1]=19 I_Probe Idcs real(Vouts[::,0]) V_DC SRC5 Vdc=5 V 0.55 0.50 200 Rl 0.8 0.7 m1 効率 負荷抵抗掃引 定格と にした 定格と計算しやすさを 計算しやすさを考 しやすさを考え負荷を 負荷を100Ωにした 出力電圧は が期待される 出力電圧は5Vが 期待される 周波数掃引 １ＭＨｚで とした ＭＨｚで効率最大になるよう 効率最大になるようCs=682pFとした になるよう 効率は が期待される 効率は71.1%が 期待される mag(effics) 0.6 0.5 0.4 0.3 m1 RFfreq=1.000E6 mag(effics)=0.711 0.2 0.1 0.0 8.00E5 8.50E5 9.00E5 9.50E5 1.00E6 1.05E6 1.10E6 1.15E6 1.20E6 RFfreq Page 28 14 実際の 実際の回路で 回路で測定 SIMでは5.00V 給電側 = 5.0V x 73mA = 365mW 受電側 = 5.06V^2 / 100Ω = 256mW 効率 = 256 / 365 = 70.1% SIMでは では71.1% では 概ね良好な 良好な相関が 相関が取れている。 れている。 Page 29 ワイヤレス給電測定 ワイヤレス給電測定に 給電測定に最適な 最適な E5061B(オプション オプション:3L5+005)ネットワーク・アナライザ ネットワーク・アナライザ オプション ネットワーク・アナライザ(NA)モード S11 インピーダンス・アナライザ(ZA)モード |Z| S21 Zθ S22 Ls Cs 被測定物 S12 入力電流 出力電流 出力電圧 電力効率 ワイヤレス給電用アンテナ解析ソフトウェア ADSと組み合わせれば より詳細な解析が可能 * 別売ソフトウェア 30 15