Solución de carga inalámbrica para dispositivos portátiles

　　Los dispositivos vestidos están emergiendo rápidamente como un segmento importante del mercado para componentes electrónicos. Un requisito clave para estos dispositivos es la comodidad, no solo en la capacidad de acceder a datos de objetos en movimiento, sino también en asegurar que la batería dure un día completo cada día.

　　Si los usuarios tienen que enchufar dispositivos para cargarlos durante la noche, a veces es muy probable que se olviden de cargar y solo se despierten para descubrir que el dispositivo estará inutilizable el resto del día. La carga inalámbrica ofrece una forma más cómoda de cargar dispositivos electrónicos. Para la carga inalámbrica, simplemente coloca el dispositivo electrónico sobre la base de carga, sin insertar un micro USB ni un cable similar en el dispositivo a cargar, y los usuarios pueden colocar la alfombrilla a la mano. Si el sistema de carga inalámbrica está correctamente diseñado, una sola base puede cargar varios dispositivos simultáneamente, eliminando la necesidad de cargar cada uno individualmente y facilitando que los usuarios lleven la alfombrilla y los dispositivos al salir.

　　Ahora, la comodidad de la carga inalámbrica ya no se limita a los dispositivos portátiles. Esta tecnología se ha utilizado durante mucho tiempo en cepillos de dientes electrónicos, incluso ampliándose proporcionalmente para cargar baterías de vehículos eléctricos.

　　El principio básico de funcionamiento de la carga inductiva es el mismo que el de un transformador de potencia. La bobina de inducción en la base de carga genera un campo electromagnético alterno, que luego es recibido por la bobina del dispositivo para cargarse y convertirlo de nuevo en corriente útil. Al igual que los transformadores tradicionales, la carga inductiva básica también requiere que dos bobinas estén juntas para lograr una alta eficiencia. De lo contrario, la resistencia en la bobina primaria generará pérdidas acumuladas considerables.

　　El acoplamiento inductivo resonante generando dos bobinas puede mejorar la eficiencia de transmisión de energía a larga distancia. Específicamente, al combinar cargas de inductor y condensador, estas dos bobinas se ajustan para producir resonancia a la misma frecuencia. Bajo estas condiciones de resonancia, una gran cantidad de energía eléctrica puede transmitirse de una bobina a otra varias veces su diámetro.

　　Figura 1: La modulación de carga se utiliza para codificar datos durante el acoplamiento del transformador.

　　El valor Q del circuito de bobina puede ajustarse para crear un campo magnético relativamente fuerte tras varios ciclos. La energía transportada en esta señal de oscilación es mayor que la energía que se alimenta a la bobina en un momento dado. Como la bobina secundaria puede recibir parte de este campo magnético oscilante y convertirlo, la energía eléctrica de salida es mayor que la de los transformadores tradicionales. El uso de condensadores sintonizados para lograr resonancia puede eliminar inductancias errantes y magnetizantes en el emisor, reduciendo fundamentalmente la pérdida de resistencia del bobinado, que suele ser de 10 a 100 veces la pérdida inducida.

　　Para lograr un valor Q mayor que los transformadores tradicionales, normalmente se diseñan bobinas con solenoides, lo que también ayuda a minimizar los efectos de la piel. Normalmente, la pérdida dieléctrica puede minimizarse utilizando pequeños inductores dieléctricos constantes o confiando únicamente en el aire.

　　En la práctica, la bobina no siempre está sintonizada a una frecuencia de resonancia exacta. Mientras la bobina secundaria intercepte cierta cantidad de líneas de campo magnético, el sistema débilmente acoplado puede transmitir energía eléctrica. Lograr un acoplamiento más ajustado mediante un ajuste de bobinas más preciso puede proporcionar mayor energía eléctrica, pero para bobinas diseñadas para funcionar simultáneamente en condiciones de resonancia, mantener un acoplamiento estrecho entre ellas es imposible. Estos circuitos pueden diseñarse para funcionar solo bajo condiciones de modulador desafinado, donde las frecuencias de resonancia del receptor y del transmisor difieren ligeramente.

　　Desafortunadamente, las bobinas acopladas fuertemente también se ven fácilmente afectadas por la alineación, y para aplicaciones de consumo donde los usuarios simplemente quieren colocar el dispositivo sobre una base de carga para cargarlo correctamente sin considerar la mejor colocación o ubicación, esto supone un problema. Por lo tanto, el transmisor utilizado para cargar puede utilizar múltiples bobinas. Esto aumenta la complejidad del diseño pero ofrece más libertad en la selección de ubicaciones. No se requiere solapamiento de bobinas, lo que simplifica el ensamblaje durante la producción, aunque el solapamiento aumenta la densidad y permite mayor libertad en la colocación del receptor.

　　Para cargar con éxito diferentes dispositivos con un solo transmisor, deben adoptarse ciertos estándares. Actualmente, existen dos estándares principales en uso. El sistema Powermat es un estándar defendido por la Alliance for Wireless Power, diseñado en torno a sistemas débilmente acoplados basados en una única bobina transmisora. El sistema Qi del Wireless Power Consortium permite una variedad de configuraciones, incluyendo operaciones simultáneas de forma suelta y fuertemente acopladas. La mayoría de los transmisores actuales utilizan configuraciones de acoplamiento fuerte de múltiples bobinas.

　　Estos dos estándares también consideran la gestión energética para asegurar que la plataforma de carga solo funcione cuando el dispositivo está cargando. Por ejemplo, el sistema Qi utiliza un protocolo de comunicación para retransmitir señales en la bobina y comprobar la presencia de un dispositivo y si soporta el sistema Qi. Según este estándar, el transmisor puede cambiar la frecuencia de conmutación de la bobina dentro del rango de 110 kHz a 205 kHz, sirviendo como principal mecanismo de control para la entrega de potencia.

　　Bajo el estándar Qi, la modulación simple de la carga se realiza usando voltaje de bobina para enviar datos a dispositivos al otro lado del espacio de aire. La comunicación desde la bobina secundaria utiliza diferentes esquemas de codificación de bits de doble fase, con una frecuencia de funcionamiento constante de 2 kHz y un bit de arranque adicional antes de cada transmisión de datos de 8 bits. Tras transmitir los datos, se utilizan comprobaciones de paridad y bits de parada.

　　Figura 2: La codificación en doble fase permite la capacidad de transmisión de datos binarios.

　　Se puede transmitir una gran cantidad de datos de control. Los tipos de paquetes de datos de control más utilizados incluyen: intensidad de señal, error de control, requisitos de potencia terminal y niveles de potencia del rectificador. La intensidad de la señal ayuda a ajustar la posición del dispositivo en la base de carga y, cuando se usa con señales visibles o audibles, guía a los usuarios para moverse a lo largo de la base hasta que la intensidad de la señal sea lo suficientemente alta como para indicar una buena entrega de corriente.

　　El paquete de datos de error de control puede indicar el grado de error entre la tensión de entrada observada desde la bobina receptora y la tensión de entrada requerida. Los transmisores suelen usar circuitos de control para ajustar el voltaje aplicado a sus bobinas. Si hay un error grande, la frecuencia de estos paquetes de error se establece a un valor mayor. Cada 32 ms, se envía un paquete hasta que el error baja del umbral. Desde esta perspectiva, estos paquetes se envían cada 250 ms. Los paquetes de datos de error de control son muy útiles para ajustar la entrega de potencia. En condiciones de carga ligera, los receptores pueden requerir un voltaje más alto para superar los transitorios de corriente —por ejemplo, despertar dispositivos portátiles de estados de suspensión. Cuando la corriente de carga es alta, los dispositivos portátiles pueden requerir un voltaje más bajo para evitar la pérdida de potencia en el regulador LDO.

　　Cuando el dispositivo está completamente cargado o se detecta un fallo interno que pueda dañar la batería, se enviará una solicitud para detener la transmisión de energía. La entrega de energía también se controla mediante información rectificada de fuentes de alimentación. Esto retransmite y reenvía la porción de energía recibida por el dispositivo portátil en la salida del circuito rectificador. El transmisor utiliza esta información para determinar la frecuencia de acoplamiento y también para determinar si el receptor ha alcanzado su límite máximo de potencia. Cada 350 ms a 1800 ms, el transmisor utiliza huecos sin paquetes de datos para determinar si el dispositivo en la base de carga ha sido retirado. La información de la fuente de alimentación del rectificador también ayuda a detectar objetos extraños.

　　Ya se han lanzado chipsets que soportan el protocolo Qi y controlan la entrega de energía. Por ejemplo, Toshiba ha lanzado TB6865AFG dispositivos para transmisores. Este componente altamente integrado incluye un procesador ARM Cortex-M3 que ejecuta código cliente y un controlador PWM que soporta circuitos H-bridge externos (para suministro de energía). Según el estándar Qi, el controlador puede controlar la alimentación de hasta dos dispositivos y soporta la detección de objetos extraños.

　　El dispositivo bq51013 es un producto de Texas Instruments diseñado para el lado secundario, capaz de convertir energía AC/DC, rectificación y funciones de control digital necesarias para enviar comandos a los transmisores. Todos los dispositivos de la serie BQ5101X utilizan un rectificador síncrono de baja resistencia, LDO y controladores de bucle de voltaje y corriente.

　　Además de los controladores, los fabricantes también ofrecen bobinas comerciales que soportan el estándar del protocolo Qi, diseñadas para funcionar como transmisores, receptores o ambos. Por ejemplo, la serie AWCCA-50N50 de Abracon soporta tanto aplicaciones de transmisor como de receptor. El diámetro de la bobina es ligeramente inferior a 50 mm y presenta una fuerte resistencia antimagnética, protegiendo los componentes electrónicos dentro del dispositivo. Estos diseños ofrecen un factor Q seleccionable en el rango de 70 o 160, con una resistencia de corriente continua de alrededor de 20 mΩ o 70 mΩ en estos dos casos.

　　Para dispositivos portátiles más pequeños, TDK ha lanzado WR303050 bobinas y ha reducido el tamaño de su paquete a 30 x 30 mm con un grosor de solo 1 mm. A temperatura ambiente, la resistencia de corriente continua es de 0,41 Ω.

　　Para mejorar la flexibilidad, el IWAS-3827 de Vishay Dale ofrece una opción con sustratos rectangulares en lugar de cuadrados, midiendo 38 mm de largo y 27 mm de ancho. Esta bobina tiene un grosor de 1 mm, la resistencia DC es de 0,18 Ω y el valor típico de Q es 30.

　　Figura 3: Bobina AVishay Dale para fuente de alimentación inalámbrica.

　　Para ofrecer una solución más integrada, los TMx-66-2M7 y TMx-58-2M7 de TDK pueden empaquetarse junto con un chip receptor TI, logrando un dispositivo de paquete con una longitud total de 66 mm y un grosor de solo 1 mm.

　　Otros dispositivos opcionales de carga inalámbrica incluyen varias bobinas de carga inalámbricas de las series WPCC y WE-WPCC proporcionadas por Würth Electronics. Estas bobinas existen en configuraciones tanto de transmisor como de receptor, con corrientes nominales que van de 0,8 a 13 A y una variedad de tamaños para satisfacer distintos requisitos de aplicación. Podemos utilizar el Würth/TI Wireless Power Demo Kit (760308) para demostrar el concepto y los beneficios de la carga inalámbrica, que utiliza bobinas de transmisor y receptor Würth.

　　A medida que los ecosistemas alrededor de protocolos como Qi se expanden, podemos esperar soluciones más integradas que simplifiquen el trabajo de diseño y creen métodos de carga más sencillos para dispositivos vestibles.