Solution de recharge sans fil pour appareils portables

　　Les dispositifs portables émergent rapidement comme un segment de marché important pour les composants électroniques. Une exigence clé pour ces appareils est la commodité, non seulement pour accéder aux données sur des objets en mouvement, mais aussi pour garantir que la batterie dure une journée complète chaque jour.

　　Si les utilisateurs doivent brancher des appareils pour les charger toute la nuit, il est très probable qu’ils oublient de charger et ne se réveillent que pour découvrir que l’appareil sera inutilisable pour le reste de la journée. La recharge sans fil offre un moyen plus pratique de recharger des appareils électroniques. Pour la recharge sans fil, il suffit de placer l’appareil électronique sur le pad de charge, sans insérer de micro USB ou de câble similaire dans l’appareil à charger, et les utilisateurs peuvent placer le pad à portée de main. Si le système de recharge sans fil est correctement conçu, un seul plateau de recharge peut charger plusieurs appareils simultanément, éliminant ainsi le besoin de charger chacun individuellement et facilitant ainsi le transport du tapis et des appareils lors de la sortie.

　　Désormais, la commodité de la recharge sans fil ne se limite plus aux appareils portables. Cette technologie est depuis longtemps largement utilisée dans les brosses à dents électroniques, allant même jusqu’à être proportionnellement utilisée pour charger les batteries des véhicules électriques.

　　Le principe de fonctionnement de base de la charge inductive est le même que celui d’un transformateur de puissance. La bobine d’induction dans la plateforme de charge génère un champ électromagnétique alternatif, qui est ensuite reçu par la bobine de l’appareil à charger et reconverti en courant utile. Comme pour les transformateurs traditionnels, la charge inductive de base nécessite également que deux bobines soient proches pour une grande efficacité. Sinon, la résistance dans la bobine primaire générera des pertes cumulatives considérables.

　　Le couplage inductif résonant en générant deux bobines peut améliorer l’efficacité de la transmission d’énergie sur de longues distances. Plus précisément, en combinant les charges d’inductance et de condensateur, ces deux bobines sont accordées pour produire une résonance à la même fréquence. Dans ces conditions de résonance, une grande quantité d’énergie électrique peut être transmise d’une bobine à une autre bobine plusieurs fois supérieure à son diamètre.

　　Figure 1 : La modulation de charge est utilisée pour encoder les données lors du couplage du transformateur.

　　La valeur Q du circuit à bobine peut être ajustée pour créer un champ magnétique relativement fort après plusieurs cycles. L’énergie transportée dans ce signal d’oscillation est supérieure à celle fournie à la bobine à un moment donné. Parce que la bobine secondaire peut recevoir une partie de ce champ magnétique oscillant et la convertir, l’énergie électrique de sortie est supérieure à celle des transformateurs traditionnels. L’utilisation de condensateurs accordés pour obtenir la résonance peut éliminer les inductances errantes et magnétisantes dans l’émetteur, réduisant fondamentalement la perte de résistance de l’enroulement de la bobine, qui est généralement de 10 à 100 fois la perte induite.

　　Pour obtenir une valeur Q supérieure à celle des transformateurs traditionnels, les bobines sont généralement conçues avec des solénoïdes, ce qui aide également à minimiser les effets cutanés. En général, la perte diélectrique peut être minimisée en utilisant de petits inductances diélectriques constantes ou en comptant uniquement sur l’air.

　　En pratique, la bobine n’est pas toujours accordée à une fréquence de résonance exacte. Tant que la bobine secondaire intercepte un certain nombre de lignes de champ magnétique, le système faiblement couplé peut transmettre de l’énergie électrique. Obtenir un couplage plus serré grâce à un accord de bobine plus précis peut fournir une énergie électrique plus élevée, mais pour les bobines conçues pour fonctionner simultanément dans des conditions de résonance, il est impossible de maintenir un accouplement serré entre elles. Ces circuits ne peuvent être conçus pour fonctionner que dans des conditions de modulateur désaccordé, où les fréquences de résonance du récepteur et de l’émetteur diffèrent légèrement.

　　Malheureusement, les bobines fortement couplées sont également facilement affectées par l’alignement, et pour les applications grand public où les utilisateurs veulent simplement placer l’appareil sur un plateau de charge pour charger correctement sans réfléchir au meilleur emplacement ou position, cela pose problème. Ainsi, l’émetteur utilisé pour la recharge peut utiliser plusieurs bobines. Cela augmente la complexité de la conception mais offre plus de liberté dans le choix des lieux. Le chevauchement des bobines n’est pas nécessaire, ce qui simplifie l’assemblage pendant la production, bien que le chevauchement des bobines augmente la densité et permette une plus grande liberté dans le placement du boîtier.

　　Pour charger avec succès différents appareils avec un seul émetteur, certaines normes doivent être adoptées. Actuellement, deux normes principales sont en cours. Le système Powermat est une norme prônée par l’Alliance for Wireless Power, conçue autour de systèmes faiblement couplés basés sur une seule bobine émetteuse. Le système Qi du Wireless Power Consortium permet une variété de configurations, y compris des opérations simultanées lâches et fortement couplées. La plupart des émetteurs actuels utilisent des configurations multi-bobine fortement couplées.

　　Ces deux normes prennent également en compte la gestion de l’énergie afin de garantir que la plateforme de recharge ne fonctionne que lorsque l’appareil est en charge. Par exemple, le système Qi utilise un protocole de communication pour relayer les signaux sur la bobine afin de vérifier la présence d’un dispositif et s’il supporte le système Qi. Selon cette norme, l’émetteur peut modifier la fréquence de commutation de la bobine dans la plage de 110 kHz à 205 kHz, servant de principal mécanisme de contrôle pour la distribution de puissance.

　　Selon la norme Qi, une modulation simple de la charge est effectuée à l’aide de la tension de bobine pour envoyer des données aux dispositifs de l’autre côté de l’interdiction d’air. La communication depuis la bobine secondaire utilise différents schémas de codage binaire à double phase, avec une fréquence de fonctionnement constante de 2 kHz et un bit de démarrage supplémentaire avant chaque transmission de données sur 8 bits. Après transmission des données, des vérifications de parité et des bits d’arrêt sont utilisés.

　　Figure 2 : L’encodage biphasé permet la transmission de données binaires.

　　Une grande quantité de données de contrôle peut être transmise. Les types de paquets de données de contrôle les plus couramment utilisés incluent : la force du signal, l’erreur de contrôle, les besoins en puissance des bornes et les niveaux de puissance des redresseurs. La puissance du signal aide à ajuster la position de l’appareil sur le pad de charge, et lorsqu’elle est utilisée avec des signaux visibles ou audibles, elle guide les utilisateurs à se déplacer le long du pad de charge jusqu’à ce que la puissance du signal soit suffisamment élevée pour indiquer une bonne alimentation en courant.

　　Le paquet d’erreur de contrôle peut indiquer le degré d’erreur entre la tension d’entrée observée par la bobine de réception et la tension d’entrée requise. Les émetteurs utilisent généralement des circuits de contrôle pour ajuster la tension appliquée à leurs bobines. En cas d’erreur importante, la fréquence de ces paquets d’erreur est réglée à une valeur plus élevée. Tous les 32 ms, un paquet est envoyé jusqu’à ce que l’erreur descende en dessous du seuil. Dans cette optique, ces paquets sont envoyés tous les 250 ms. Les paquets de données d’erreur de contrôle sont très utiles pour ajuster la livraison de puissance. En cas de faible charge, les récepteurs peuvent nécessiter une tension plus élevée pour compenser les transitoires de courant — par exemple, pour réveiller les appareils portables depuis des états de veille. Lorsque le courant de charge est important, les appareils portables peuvent nécessiter une tension plus basse pour éviter une perte de puissance sur le régulateur LDO.

　　Lorsque l’appareil est complètement chargé ou qu’une panne interne pouvant endommager la batterie est détectée, il envoie une demande pour arrêter la transmission d’alimentation. La livraison d’énergie est également contrôlée par des informations d’alimentation rectificées. Cela relais et transmet la portion d’énergie reçue par l’appareil portable à la sortie du circuit redresseur. L’émetteur utilise ces informations pour déterminer la fréquence de couplage et détermine également si le récepteur a atteint sa limite de puissance maximale. Tous les 350 ms à 1800 ms, l’émetteur utilise des espaces sans paquets de données pour déterminer si l’appareil sur la plateforme de charge a été retiré. Les informations sur l’alimentation du redresseur aident également à détecter les objets étrangers.

　　Des chipsets prenant en charge le protocole Qi et contrôlant la livraison de puissance ont déjà été lancés. Par exemple, Toshiba a lancé TB6865AFG dispositifs pour émetteurs. Ce composant hautement intégré comprend un processeur ARM Cortex-M3 exécutant le code client et un contrôleur PWM prenant en charge des circuits H-bridge externes (pour la fourniture d’énergie). Selon la norme Qi, le contrôleur peut contrôler l’alimentation de jusqu’à deux appareils et prend en charge la détection d’objets étrangers.

　　Le dispositif bq51013 est un produit Texas Instruments conçu pour le côté secondaire, capable de conversion d’alimentation AC/DC, de rectification et de fonctions de contrôle numérique nécessaires pour envoyer des commandes aux émetteurs. Tous les appareils de la série BQ5101X utilisent un redresseur synchrone à faible résistance, un LDO, ainsi que des contrôleurs de boucle de tension et de courant.

　　En plus des contrôleurs, les fabricants proposent également des bobines prêtes à l’emploi qui prennent en charge la norme du protocole Qi, conçues pour servir d’émetteurs, de récepteurs ou des deux. Par exemple, la série AWCCA-50N50 d’Abracon prend en charge à la fois les applications d’émetteur et de récepteur. Le diamètre de la bobine est légèrement inférieur à 50 mm et présente une forte résistance antimagnétique, protégeant les composants électroniques à l’intérieur de l’appareil. Ces conceptions offrent un facteur Q sélectionnable dans la plage de 70 ou 160, avec une résistance DC d’environ 20 mΩ ou 70 mΩ dans ces deux cas.

　　Pour les appareils portables plus petits, TDK a lancé WR303050 bobines et réduit la taille de leur boîtier à 30 x 30 mm avec une épaisseur de seulement 1 mm. À température ambiante, la résistance DC est de 0,41 Ω.

　　Pour renforcer la flexibilité, l’IWAS-3827 de Vishay Dale propose un choix avec des substrats rectangulaires plutôt que carrés, mesurant 38 mm de long et 27 mm de largeur. Cette bobine a une épaisseur de 1 mm, une résistance DC de 0,18 Ω, et la valeur Q typique est de 30.

　　Figure 3 : Bobine AVishay Dale pour alimentation sans fil.

　　Pour offrir une solution plus intégrée, les TMx-66-2M7 et TMx-58-2M7 de TDK peuvent être emballés avec une puce réceptrice TI, aboutissant à un dispositif d’ensemble d’une longueur totale de 66 mm et d’une épaisseur de seulement 1 mm.

　　D’autres dispositifs de recharge sans fil en option incluent diverses bobines de recharge sans fil des séries WPCC et WE-WPCC fournies par Würth Electronics. Ces bobines existent en configurations émetteur et récepteur, avec des courants nominals allant de 0,8 à 13 A et une variété de tailles pour répondre à diverses exigences d’application. Nous pouvons utiliser le kit de démonstration sans fil Würth/TI (760308) pour démontrer le concept et les avantages de la recharge sans fil, qui utilise les bobines de l’émetteur et du récepteur Würth.

　　À mesure que les écosystèmes autour de protocoles comme Qi s’étendent, on peut s’attendre à des solutions plus intégrées pour simplifier la conception et créer des méthodes de charge plus simples pour les appareils portables.