Solução de carregamento sem fio para dispositivos vestíveis

　　Dispositivos vestíveis estão rapidamente emergindo como um segmento importante de mercado para componentes eletrônicos. Um requisito fundamental para esses dispositivos é a conveniência, não apenas na capacidade de acessar dados em objetos em movimento, mas também em garantir que a bateria dure um dia inteiro todos os dias.

　　Se os usuários precisam conectar dispositivos para carregar durante a noite, às vezes é muito provável que esqueçam de carregar e só acordem para descobrir que o aparelho ficará inutilizável pelo resto do dia. O carregamento sem fio oferece uma forma mais conveniente de carregar dispositivos eletrônicos. Para carregamento sem fio, basta colocar o dispositivo eletrônico na base de carregamento, sem inserir um micro USB ou cabo similar no dispositivo a ser carregado, e os usuários podem colocar a almofada ao alcance fácil. Se o sistema de carregamento sem fio for bem projetado, uma única base de carregamento pode carregar vários dispositivos simultaneamente, eliminando a necessidade de carregar cada um individualmente e facilitando para os usuários carregarem a almofada e os dispositivos ao sair.

　　Agora, a conveniência do carregamento sem fio não se limita mais a dispositivos vestíveis. Essa tecnologia tem sido amplamente utilizada há muito tempo em escovas de dentes eletrônicas, até mesmo ampliada proporcionalmente para carregar baterias de veículos elétricos.

　　O princípio básico de funcionamento da carga indutiva é o mesmo de um transformador de potência. A bobina de indução na base de carregamento gera um campo eletromagnético alternado, que é então recebido pela bobina do dispositivo a ser carregada e convertida de volta em corrente útil. Semelhante aos transformadores tradicionais, a carga indutiva básica também exige que duas bobinas estejam próximas para alta eficiência. Caso contrário, a resistência na bobina primária gerará perdas acumuladas consideráveis.

　　O acoplamento indutivo ressonante gerando duas bobinas pode melhorar a eficiência da transmissão de energia a longa distância. Especificamente, ao combinar cargas de indutor e capacitor, essas duas bobinas são sintonizadas para produzir ressonância na mesma frequência. Nessas condições ressonantes, uma grande quantidade de energia elétrica pode ser transmitida de uma bobina para outra bobina várias vezes maior que seu diâmetro.

　　Figura 1: A modulação de carga é usada para codificar dados durante o acoplamento do transformador.

　　O valor Q do circuito de bobina pode ser ajustado para construir um campo magnético relativamente forte após múltiplos ciclos. A energia transportada nesse sinal de oscilação é maior do que a energia fornecida à bobina em qualquer momento. Como a bobina secundária pode receber parte desse campo magnético oscilante e convertê-lo, a energia elétrica de saída é maior do que a dos transformadores tradicionais. O uso de capacitores sintonizados para alcançar ressonância pode eliminar indutâncias dispersas e magnetizantes no emissor, reduzindo fundamentalmente a perda de resistência do enrolamento da bobina, que normalmente é de 10 a 100 vezes a perda induzida.

　　Para alcançar um valor Q maior que os transformadores tradicionais, as bobinas geralmente são projetadas com solenóides, o que também ajuda a minimizar os efeitos na pele. Normalmente, a perda dielétrica pode ser minimizada usando pequenos indutores dielétricos constantes ou confiando exclusivamente no ar.

　　Na prática, a bobina nem sempre é sintonizada para uma frequência ressonante exata. Desde que a bobina secundária intercepte uma certa quantidade de linhas de campo magnético, o sistema fracamente acoplado pode transmitir energia elétrica. Alcançar um acoplamento mais apertado por meio de um acoplamento de bobinas mais preciso pode fornecer maior energia elétrica, mas para bobinas projetadas para operar simultaneamente sob condições de ressonância, manter um acoplamento estreito entre elas é impossível. Esses circuitos podem ser projetados para operar apenas sob condições de modulador desafinado, onde as frequências ressonantes do receptor e do transmissor diferem levemente.

　　Infelizmente, bobinas fortemente acopladas também são facilmente afetadas pelo alinhamento, e para aplicações de consumo onde os usuários simplesmente querem colocar o dispositivo em uma base de carregamento para carregar com sucesso sem considerar a melhor posição ou posição, isso é um problema. Portanto, o transmissor usado para carregamento pode usar múltiplas bobinas. Isso aumenta a complexidade do projeto, mas oferece mais liberdade na seleção de localizações. Sobreposição de bobinas não é necessária, o que simplifica a montagem durante a produção, embora a sobreposição de bobinas aumente a densidade e permita mais liberdade na posição do receptor.

　　Para carregar com sucesso diferentes dispositivos com um único transmissor, certos padrões devem ser adotados. Atualmente, existem dois padrões principais em uso. O sistema Powermat é um padrão defendido pela Alliance for Wireless Power, projetado em torno de sistemas frouxamente acoplados baseados em uma única bobina transmissora. O sistema Qi do Wireless Power Consortium permite uma variedade de configurações, incluindo operações simultâneas frouxas e fortemente acopladas. A maioria dos transmissores atuais utiliza configurações multi-bobina fortemente acopladas.

　　Esses dois padrões também consideram o gerenciamento de energia para garantir que a base de carregamento funcione apenas quando o dispositivo está carregando. Por exemplo, o sistema Qi usa um protocolo de comunicação para retransmitir sinais na bobina para verificar a presença de um dispositivo e se ele suporta o sistema Qi. De acordo com esse padrão, o transmissor pode alterar a frequência de comutação da bobina na faixa de 110 kHz a 205 kHz, servindo como principal mecanismo de controle para a entrega de potência.

　　Segundo o padrão Qi, a modulação simples da carga é realizada usando a tensão da bobina para enviar dados para dispositivos do outro lado do espaço de ar. A comunicação pela bobina secundária utiliza diferentes esquemas de codificação de bits em fase dupla, com frequência de operação constante de 2 kHz e um bit de partida adicional antes de cada transmissão de dados de 8 bits. Após a transmissão dos dados, são usados testes de paridade e bits de parada.

　　Figura 2: A codificação em fase dupla permite a capacidade de transmissão binária de dados.

　　Uma grande quantidade de dados de controle pode ser transmitida. Os tipos mais comumente usados de pacotes de dados de controle incluem: intensidade do sinal, erro de controle, requisitos de energia do terminal e níveis de potência do retificador. A intensidade do sinal ajuda a ajustar a posição do dispositivo na base de carregamento e, quando usada com sinais visíveis ou audíveis, ela orienta os usuários a se moverem ao longo da base até que a intensidade do sinal seja alta o suficiente para indicar boa entrega de corrente de energia.

　　O pacote de dados de erro de controle pode indicar o grau de erro entre a tensão de entrada observada pela bobina receptora e a tensão de entrada necessária. Transmissores normalmente usam circuitos de controle para ajustar a voltagem aplicada às suas bobinas. Se houver um erro grande, a frequência desses pacotes de erro é definida para um valor maior. A cada 32 ms, um pacote é enviado até que o erro desça abaixo do limite. Sob essa perspectiva, esses pacotes são enviados a cada 250 ms. Pacotes de dados de erro de controle são muito úteis para ajustar a entrega de energia. Sob condições de carga leve, receptores podem exigir uma voltagem maior para superar transitórios de corrente — por exemplo, despertar dispositivos vestíveis a partir de estados de suspensão. Quando a corrente de carga é grande, dispositivos portáteis podem exigir uma tensão menor para evitar perda de energia no regulador LDO.

　　Quando o dispositivo está totalmente carregado ou uma falha interna que pode danificar a bateria é detectada, ele enviará um pedido para interromper a transmissão de energia. A entrega de energia também é controlada por meio de informações retificadas da fonte de energia. Isso retransmite e encaminha a porção de energia recebida pelo dispositivo vestível na saída do circuito retificador. O transmissor usa essas informações para determinar a frequência de acoplamento e também para determinar se o receptor atingiu seu limite máximo de potência. A cada 350 ms a 1800 ms, o transmissor utiliza intervalos sem pacotes de dados para determinar se o dispositivo na base de carregamento foi removido. As informações da fonte de alimentação do retificador também ajudam a detectar objetos estranhos.

　　Chipsets que suportam o protocolo Qi e controlam a entrega de energia já foram lançados. Por exemplo, a Toshiba lançou TB6865AFG dispositivos para transmissores. Esse componente altamente integrado inclui um processador ARM Cortex-M3 rodando código do cliente e um controlador PWM que suporta circuitos externos de ponte H (para entrega de energia). De acordo com o padrão Qi, o controlador pode controlar energia para até dois dispositivos e suporta a detecção de objetos estranhos.

　　O dispositivo bq51013 é um produto da Texas Instruments projetado para o lado secundário, capaz de conversão de energia AC/DC, retificação e funções de controle digital necessárias para enviar comandos aos transmissores. Todos os dispositivos da série bq5101x utilizam um retificador síncrono de baixa resistência, LDO e controladores de loop de tensão e corrente.

　　Além dos controladores, os fabricantes também oferecem bobinas prontas para uso que suportam o padrão do protocolo Qi, projetadas para servir como transmissores, receptores ou ambos. Por exemplo, a série AWCCA-50N50 da Abracon suporta tanto aplicações de transmissor quanto de receptor. O diâmetro da bobina é ligeiramente inferior a 50 mm e possui forte resistência antimagnética, protegendo os componentes eletrônicos dentro do dispositivo. Esses projetos oferecem um fator Q selecionável na faixa de 70 ou 160, com resistência DC em torno de 20 mΩ ou 70 mΩ nesses dois casos.

　　Para dispositivos vestíveis menores, a TDK lançou WR303050 bobinas e reduziu o tamanho do pacote para 30 x 30 mm, com espessura de apenas 1 mm. Em temperatura ambiente, a resistência DC é de 0,41 Ω.

　　Para aumentar a flexibilidade, o IWAS-3827 da Vishay Dale oferece uma escolha com substratos retangulares em vez de quadrados, medindo 38 mm de comprimento e 27 mm de largura. Essa bobina tem 1 mm de espessura, resistência DC é 0,18 Ω e o valor típico de Q é 30.

　　Figura 3: Bobina AVishay Dale para fonte de alimentação sem fio.

　　Para fornecer uma solução mais integrada, os TMx-66-2M7 e TMx-58-2M7 do TDK podem ser empacotados junto com um chip receptor TI, alcançando um dispositivo de pacote com comprimento total de 66 mm e espessura de apenas 1 mm.

　　Outros dispositivos opcionais de carregamento sem fio incluem várias bobinas de carregamento sem fio das séries WPCC e WE-WPCC fornecidas pela Würth Electronics. Essas bobinas vêm em configurações de transmissor e receptor, com correntes nominales variando de 0,8 a 13 A e uma variedade de tamanhos para atender a diferentes requisitos de aplicação. Podemos usar o Würth/TI Wireless Power Demo Kit (760308) para demonstrar o conceito e os benefícios do carregamento sem fio, que utiliza bobinas do transmissor e receptor Würth.

　　À medida que ecossistemas em torno de protocolos como Qi se expandem, podemos esperar soluções mais integradas para simplificar o trabalho de design e criar métodos de carregamento mais simples para dispositivos vestíveis.