راه حل شارژ بی سیم برای دستگاه های پوشیدنی

　　دستگاه های پوشیدنی به سرعت به عنوان یک بخش مهم بازار برای قطعات الکترونیکی در حال ظهور هستند. یکی از نیازهای کلیدی این دستگاه ها راحتی است، نه تنها در دسترسی به داده های اشیاء متحرک، بلکه در اطمینان از اینکه باتری هر روز یک روز کامل دوام می آورد.

　　اگر کاربران مجبور باشند دستگاه ها را برای شارژ شبانه به برق وصل کنند، گاهی بسیار محتمل است که فراموش کنند شارژ کنند و فقط وقتی بیدار می شوند متوجه می شوند که دستگاه برای بقیه روز غیرقابل استفاده خواهد بود. شارژ بی سیم راه راحت تری برای شارژ دستگاه های الکترونیکی ارائه می دهد. برای شارژ بی سیم، کافی است دستگاه الکترونیکی را روی پد شارژ قرار دهید، بدون اینکه کابل میکرو USB یا کابل مشابه را داخل دستگاه قرار دهید، و کاربران می توانند پد را در دسترس قرار دهند. اگر سیستم شارژ بی سیم به درستی طراحی شده باشد، یک پد شارژ می تواند چندین دستگاه را به طور همزمان شارژ کند و نیاز به شارژ جداگانه هر کدام را حذف کرده و حمل پد و دستگاه ها را برای کاربران آسان تر می کند.

　　اکنون راحتی شارژ بی سیم دیگر محدود به دستگاه های پوشیدنی نیست. این فناوری مدت هاست که در مسواک های الکترونیکی به طور گسترده استفاده می شود و حتی به طور متناسب برای شارژ باتری های خودروهای برقی مقیاس پذیر می شود.

　　اصل پایه ای شارژ القایی همان اصل کاری ترانسفورماتور قدرت است. سیم پیچ القایی در پد شارژ یک میدان الکترومغناطیسی متناوب تولید می کند که سپس توسط سیم پیچ دستگاه دریافت می شود تا شارژ شده و دوباره به جریان مفید تبدیل شود. مشابه ترانسفورماتورهای سنتی، شارژ القایی پایه نیز نیازمند نزدیک بودن دو سیم پیچ به هم برای بازدهی بالا است. در غیر این صورت، مقاومت در سیم پیچ اولیه تلفات تجمعی قابل توجهی ایجاد خواهد کرد.

　　کوپلینگ القایی رزونانس با تولید دو سیم پیچ می تواند کارایی انتقال انرژی در مسافت های طولانی را بهبود بخشد. به طور خاص، با ترکیب بارهای سلف و خازن، این دو سیم پیچ طوری تنظیم می شوند که رزونانس را در یک فرکانس تولید کنند. در این شرایط تشدیدی، مقدار زیادی انرژی الکتریکی می تواند از یک سیم پیچ به سیم پیچ دیگر چندین برابر قطر آن منتقل شود.

　　شکل ۱: مدولاسیون بار برای رمزگذاری داده ها در طول کوپلینگ ترانسفورماتور استفاده می شود.

　　مقدار Q مدار سیم پیچ را می توان تنظیم کرد تا پس از چندین چرخه میدان مغناطیسی نسبتا قوی ایجاد شود. انرژی منتقل شده در این سیگنال نوسان بیشتر از انرژی ای است که در هر لحظه به سیم پیچ داده می شود. از آنجا که سیم پیچ ثانویه می تواند بخشی از این میدان مغناطیسی نوسانی را دریافت کرده و تبدیل کند، انرژی الکتریکی خروجی بالاتر از ترانسفورماتورهای سنتی است. استفاده از خازن های تنظیم شده برای دستیابی به رزونانس می تواند القای سرگردان و مغناطیسی در امیتر را حذف کند و به طور بنیادی افت مقاومت سیم پیچ را که معمولا ۱۰ تا ۱۰۰ برابر تلفات القایی است، کاهش دهد.

　　برای دستیابی به مقدار Q بالاتر از ترانسفورماتورهای سنتی، کویل ها معمولا با سلونوئید طراحی می شوند که این امر به کاهش اثرات پوستی نیز کمک می کند. معمولا تلفات دی الکتریک را می توان با استفاده از سلف های ثابت دی الکتریک کوچک یا تکیه صرف بر هوا به حداقل رساند.

　　در عمل، سیم پیچ همیشه روی فرکانس رزونانس دقیق تنظیم نمی شود. تا زمانی که سیم پیچ ثانویه مقدار مشخصی از خطوط میدان مغناطیسی را قطع کند، سیستم با اتصال ضعیف می تواند انرژی الکتریکی را منتقل کند. دستیابی به کوپلینگ محکم تر از طریق تطبیق دقیق تر سیم پیچ می تواند انرژی الکتریکی بالاتری فراهم کند، اما برای سیم پیچ هایی که برای عملکرد همزمان تحت شرایط رزونانس طراحی شده اند، حفظ کوپلینگ محکم بین آن ها غیرممکن است. این مدارها را می توان طوری طراحی کرد که فقط در شرایط مدولاتور تنظیم نشده کار کنند، جایی که فرکانس های رزونانس گیرنده و فرستنده کمی متفاوت است.

　　متأسفانه، کویل های محکم نیز به راحتی تحت تأثیر تراز قرار می گیرند و برای کاربردهای مصرفی که کاربران فقط می خواهند دستگاه را روی پد شارژ قرار دهند بدون اینکه بهترین محل را در نظر بگیرند، این مشکل ساز است. بنابراین، فرستنده مورد استفاده برای شارژ می تواند از چندین سیم پیچ استفاده کند. این کار پیچیدگی طراحی را افزایش می دهد اما آزادی بیشتری در انتخاب مکان فراهم می کند. همپوشانی سیم پیچ لازم نیست و مونتاژ در طول تولید ساده تر می شود، اگرچه همپوشانی سیم پیچ چگالی را افزایش داده و آزادی بیشتری در جای گذاری گیرنده فراهم می کند.

　　برای شارژ موفقیت آمیز دستگاه های مختلف با یک فرستنده، باید استانداردهای خاصی اتخاذ شود. در حال حاضر، دو استاندارد اصلی در حال استفاده است. سیستم پاورمت استانداردی است که توسط اتحاد قدرت بی سیم توصیه شده و بر اساس سیستم هایی با اتصال سست مبتنی بر یک سیم پیچ فرستنده طراحی شده است. سیستم Qi کنسرسیوم قدرت بی سیم امکان پیکربندی های متنوعی را فراهم می کند، از جمله عملیات همزمان شل و به هم پیوسته. اکثر فرستنده های فعلی از پیکربندی های چندسیم پیچ و به هم متصل استفاده می کنند.

　　این دو استاندارد همچنین مدیریت انرژی را در نظر می گیرند تا اطمینان حاصل شود که پد شارژ فقط زمانی کار می کند که دستگاه در حال شارژ است. برای مثال، سیستم Qi از یک پروتکل ارتباطی برای انتقال سیگنال ها روی سیم پیچ استفاده می کند تا حضور دستگاه و پشتیبانی آن از سیستم Qi را بررسی کند. طبق این استاندارد، فرستنده می تواند فرکانس سوئیچینگ سیم پیچ را در بازه ۱۱۰ کیلوهرتز تا ۲۰۵ کیلوهرتز تغییر دهد و به عنوان مکانیزم اصلی کنترل برای انتقال توان عمل کند.

　　طبق استاندارد چی، مدولاسیون ساده بار با استفاده از ولتاژ سیم پیچ انجام می شود تا داده ها به دستگاه های طرف دیگر شکاف هوا ارسال شود. ارتباط از سیم پیچ ثانویه از طرح های مختلف کدگذاری بیت دو فاز استفاده می کند، با فرکانس عملیاتی ثابت ۲ کیلوهرتز و یک بیت شروع اضافی قبل از هر انتقال داده ۸ بیتی. پس از ارسال داده ها، از بررسی توازن و بیت های توقف استفاده می شود.

　　شکل ۲: رمزگذاری دو فاز امکان انتقال داده های دودویی را فراهم می کند.

　　مقدار زیادی داده کنترلی می تواند ارسال شود. رایج ترین انواع بسته های داده کنترلی شامل: قدرت سیگنال، خطای کنترل، نیازهای توان ترمینال و سطوح توان یکسوکننده است. قدرت سیگنال به تنظیم موقعیت دستگاه روی پد شارژ کمک می کند و وقتی با سیگنال های قابل مشاهده یا شنیداری استفاده می شود، کاربران را راهنمایی می کند تا روی پد شارژ حرکت کنند تا قدرت سیگنال به اندازه کافی بالا برود که نشان دهنده تغذیه جریان خوب باشد.

　　بسته داده خطای کنترل می تواند درجه خطای بین ولتاژ ورودی مشاهده شده از سیم پیچ گیرنده و ولتاژ ورودی مورد نیاز را نشان دهد. فرستنده ها معمولا از مدارهای کنترلی برای تنظیم ولتاژ اعمال شده به سیم پیچ های خود استفاده می کنند. اگر خطای بزرگی وجود داشته باشد، فرکانس این بسته های خطا به مقدار بزرگ تری تنظیم می شود. هر ۳۲ میلی ثانیه، یک بسته ارسال می شود تا خطا به زیر آستانه برسد. از این منظر، این بسته ها هر ۲۵۰ میلی ثانیه ارسال می شوند. بسته های داده خطای کنترل برای تنظیم انتقال برق بسیار مفید هستند. در شرایط بار سبک، گیرنده ها ممکن است برای غلبه بر گذراهای جریان به ولتاژ بالاتری نیاز داشته باشند—برای مثال، دستگاه های پوشیدنی بیدار شده از حالت خواب. وقتی جریان بار زیاد باشد، دستگاه های قابل حمل ممکن است برای جلوگیری از اتلاف برق در تنظیم کننده LDO به ولتاژ پایین تری نیاز داشته باشند.

　　وقتی دستگاه کاملا شارژ شده باشد یا خطای داخلی که ممکن است به باتری آسیب برساند شناسایی شود، درخواست توقف انتقال برق ارسال می کند. انتقال توان نیز از طریق اطلاعات منبع تغذیه رک شده کنترل می شود. این بخش از توان دریافتی دستگاه پوشیدنی را در خروجی مدار یکسوکننده خود رله و ارسال می کند. فرستنده از این اطلاعات برای تعیین فرکانس کوپلینگ استفاده می کند و همچنین تعیین می کند که آیا گیرنده به حداکثر توان خود رسیده است یا خیر. هر ۳۵۰ میلی ثانیه تا ۱۸۰۰ میلی ثانیه، فرستنده از شکاف هایی بدون بسته های داده استفاده می کند تا تعیین کند آیا دستگاه روی پد شارژ برداشته شده است یا خیر. اطلاعات منبع تغذیه یکسوکننده همچنین به شناسایی اجسام خارجی کمک می کند.

　　چیپ ست هایی که از پروتکل Qi پشتیبانی می کنند و کنترل انتقال قدرت را بر عهده دارند، قبلا عرضه شده اند. برای مثال، توشیبا دستگاه های TB6865AFG برای فرستنده ها عرضه کرده است. این قطعه بسیار یکپارچه شامل یک پردازنده ARM Cortex-M3 است که کد مشتری را اجرا می کند و یک کنترلر PWM که از مدارهای H-bridge خارجی (برای تأمین برق) پشتیبانی می کند. طبق استاندارد چی، کنترلر می تواند توان تا دو دستگاه را کنترل کند و از تشخیص اجسام خارجی پشتیبانی می کند.

　　دستگاه bq51013 محصولی از شرکت Texas Instruments است که برای سمت ثانویه طراحی شده و قادر به تبدیل توان AC/DC، یکسوسازی و کنترل دیجیتال است که برای ارسال دستورات به فرستنده ها لازم است. تمام دستگاه های سری bq5101x از یکسوکننده سنکرون با مقاومت پایین، LDO و کنترل کننده های حلقه ولتاژ و جریان استفاده می کنند.

　　علاوه بر کنترلرها، تولیدکنندگان کویل های آماده ای نیز ارائه می دهند که از استاندارد پروتکل Qi پشتیبانی می کنند و به عنوان فرستنده، گیرنده یا هر دو طراحی شده اند. برای مثال، سری AWCCA-50N50 شرکت Abracon از هر دو برنامه فرستنده و گیرنده پشتیبانی می کند. قطر سیم پیچ کمی کمتر از ۵۰ میلی متر است و مقاومت ضدمغناطیسی قوی دارد که از اجزای الکترونیکی داخل دستگاه محافظت می کند. این طراحی ها ضریب Q قابل انتخاب در بازه ۷۰ یا ۱۶۰ را ارائه می دهند و مقاومت DC در این دو حالت حدود ۲۰ میلی اهم یا ۷۰ میلی اهم است.

　　برای دستگاه های پوشیدنی کوچکتر، TDK کویل های WR303050 را عرضه کرده و اندازه بسته بندی آن ها را به ۳۰ در ۳۰ میلی متر با ضخامت تنها ۱ میلی متر کاهش داده است. در دمای اتاق، مقاومت DC برابر با ۰.۴۱ Ω است.

　　برای افزایش انعطاف پذیری، IWAS-3827 ویشای دیل انتخابی با زیرلایه های مستطیلی به جای مربعی ارائه می دهد که طول آن ها ۳۸ میلی متر و عرض آن ها ۲۷ میلی متر است. ضخامت این سیم پیچ ۱ میلی متر، مقاومت DC برابر با ۰.۱۸ Ω و مقدار معمولی Q برابر با ۳۰ است.

　　شکل ۳: سیم پیچ AVishay Dale برای منبع تغذیه بی سیم.

　　برای ارائه راه حلی یکپارچه تر، TMx-66-2M7 و TMx-58-2M7 TDK می توانند با یک تراشه گیرنده TI بسته بندی شوند و به دستگاهی با طول کل ۶۶ میلی متر و ضخامت فقط ۱ میلی متر دست یابند.

　　سایر دستگاه های شارژ بی سیم اختیاری شامل انواع سیم های شارژ بی سیم WPCC و سری WE-WPCC است که توسط Würth Electronics ارائه شده اند. این سیم پیچ ها در هر دو پیکربندی فرستنده و گیرنده عرضه می شوند، با جریان های اسمی بین ۰.۸ تا ۱۳ آمپر و اندازه های متنوعی برای برآورده کردن نیازهای مختلف کاربردی. ما می توانیم از کیت نمایش قدرت بی سیم Würth/TI (760308) برای نشان دادن مفهوم و مزایای شارژ بی سیم استفاده کنیم که از کویل های فرستنده و گیرنده Würth استفاده می کند.

　　با گسترش اکوسیستم های پیرامون پروتکل هایی مانند Qi، می توان انتظار داشت راه حل های یکپارچه تری برای ساده سازی طراحی و ایجاد روش های شارژ ساده تر برای دستگاه های پوشیدنی فراهم شود.