Решение для беспроводной зарядки носимых устройств

　　Носимые устройства быстро становятся важным сегментом рынка электронных компонентов. Ключевым требованием для этих устройств является удобство не только в плане доступа к данным о движущихся объектах, но и в обеспечении работы батареи на целый день в день.

　　Если пользователям приходится подключать устройства для зарядки ночью, иногда очень вероятно, что они забудут зарядиться и просыпаются, чтобы обнаружить, что устройство будет непригодно работать до конца дня. Беспроводная зарядка предлагает более удобный способ зарядки электронных устройств. Для беспроводной зарядки просто поместите электронное устройство на зарядную площадку, не вставляя микро-USB или аналогичный кабель в устройство, которое нужно заряжать, и пользователи смогут разместить планшет в удобной доступности. Если система беспроводной зарядки правильно спроектирована, одна зарядная площадка может одновременно заряжать несколько устройств, что устраняет необходимость заряжать каждое отдельно и облегчает пользователям возможность носить планшет и устройства при выходе.

　　Теперь удобство беспроводной зарядки больше не ограничивается носимыми устройствами. Эта технология давно широко используется в электронных зубных щётках, даже увеличивая масштаб пропорционально для зарядки аккумуляторов электромобилей.

　　Основной принцип индуктивной зарядки совпадает с принципом работы силового трансформатора. Индукционная катушка в зарядной площадке генерирует переменное электромагнитное поле, которое затем принимается катушкой устройства для зарядки и преобразования обратно в полезный ток. Подобно традиционным трансформаторам, базовая индуктивная зарядка также требует, чтобы две катушки были расположены близко друг к другу для высокой эффективности. В противном случае сопротивление в первичной катушке приведёт к значительной накопленной потере.

　　Резонансное индуктивное соединение с помощью двух катушек может повысить эффективность передачи энергии на большие расстояния. В частности, комбинируя нагрузки на индуктивность и конденсатор, эти две катушки настраиваются на резонанс на одной и той же частоте. В таких резонансных условиях большое количество электрической энергии может передаваться от одной катушки к другой, в несколько раз превышающей её диаметр.

　　Рисунок 1: Модуляция нагрузки используется для кодирования данных во время соединения трансформатора.

　　Значение Q в контуре катушки можно скорректировать для создания относительно сильного магнитного поля после нескольких циклов. Энергия, передаваемая в этом сигнале колебаний, превышает энергию, поступающую в катушку в любой момент времени. Поскольку вторичная катушка может принимать часть этого колебательного магнитного поля и преобразовывать его, выходная электрическая энергия выше, чем у традиционных трансформаторов. Использование настроенных конденсаторов для достижения резонанса позволяет устранить блуждающие и намагничивающие индуктивности в излучателе, что существенно снижает потери сопротивления обмотки катушки, которые обычно превышают от 10 до 100 раз больше индуцированных потерь.

　　Чтобы достичь значения Q, выше традиционных трансформаторов, катушки обычно проектируются с соленоидами, что также помогает минимизировать кожные эффекты. Обычно потери диэлектрика можно минимизировать с помощью небольших индуктивностей диэлектрической постоянной или полагаясь исключительно на воздух.

　　На практике катушка не всегда настроена на точную резонансную частоту. Пока вторичная катушка перехватывает определённое количество магнитных линий, слабо связанная система может передавать электрическую энергию. Более плотное соединение с помощью более точного сопоставления катушек может обеспечить более высокую электрическую энергию, но для катушек, рассчитанных на одновременную работу в резонансных условиях, поддерживать плотное соединение между ними невозможно. Эти схемы могут быть спроектированы только при детонированных модуляторных условиях, где резонансные частоты приёмника и передатчика немного различаются.

　　К сожалению, плотно связанные катушки также легко подвергаются развалуванию, и для потребительских приложений, где пользователи просто хотят поставить устройство на зарядную площадку для успешной зарядки, не учитывая оптимальное расположение или расположение, это проблема. Таким образом, передатчик, используемый для зарядки, может использовать несколько катушек. Это увеличивает сложность проектирования, но даёт больше свободы выбора локации. Перекрытие катушек не требуется, что упрощает сборку при производстве, хотя перекрытие катушек увеличивает плотность и даёт больше свободы расположения приёмника.

　　Для успешной зарядки разных устройств одним передатчиком необходимо принять определённые стандарты. В настоящее время используются два основных стандарта. Система Powermat — это стандарт, поддерживаемый Альянсом беспроводной энергии, разработанный вокруг слабо связанных систем на основе одной передатчиковой катушки. Система Qi Wireless Power Consortium позволяет выполнять различные конфигурации, включая одновременные и тесно связанные операции. Большинство современных передатчиков используют многокатушковые плотно связанные конфигурации.

　　Эти два стандарта также учитывают управление энергопотреблением, чтобы зарядная площадка работала только во время зарядки устройства. Например, система Qi использует протокол связи для передачи сигналов на катушку, чтобы проверить наличие устройства и поддержку системы Qi. Согласно этому стандарту, передатчик может изменять частоту переключения на катушке в диапазоне от 110 кГц до 205 кГц, выступая в качестве основного механизма управления подачей мощности.

　　По стандарту Qi простая модуляция нагрузки выполняется с помощью напряжения катушки для передачи данных устройствам по другую сторону воздушного зазора. Связь со вторичной катушки использует различные двухфазные битовые схемы кодирования, с постоянной рабочей частотой 2 кГц и дополнительным стартовым битом перед каждой 8-битной передачей данных. После передачи данных используются проверки чётности и стоп-биты.

　　Рисунок 2: Двухфазное кодирование обеспечивает возможность бинарной передачи данных.

　　Может передаваться большое количество управляющих данных. Наиболее часто используемые типы пакетов управляющих данных включают: силу сигнала, ошибку управления, требования к питанию клеммы и уровни мощности выпрямителей. Сила сигнала помогает регулировать положение устройства на зарядной площадке, а при использовании с видимыми или звуковыми сигналами она направляет пользователей двигаться по зарядной площадке, пока сигнал не станет достаточно сильным, чтобы показать хорошую подачу тока.

　　Пакет данных об ошибке управления может указывать степень ошибки между входным напряжением, наблюдаемым от принимающей катушки, и требуемым входным напряжением. Передатчики обычно используют управляющие схемы для регулировки напряжения, подаваемого на их катушки. Если ошибка велика, частота этих пакетов ошибок устанавливается на большее значение. Каждые 32 мс отправляется пакет, пока ошибка не опускается ниже порога. С этой точки зрения эти пакеты отправляются каждые 250 мс. Пакеты данных об ошибках управления очень полезны для регулировки подачи питания. При условиях небольшой нагрузки приёмникам может потребоваться более высокое напряжение для преодоления преходных токов — например, при пробуждении носимых устройств из состояния сна. При большом токе нагрузки портативные устройства могут требовать более низкого напряжения, чтобы избежать потери питания на LDO-регуляторе.

　　Когда устройство полностью заряжено или обнаружена внутренняя неисправность, способная повредить аккумулятор, оно отправляет запрос на прекращение передачи электроэнергии. Подача питания также регулируется с помощью ректифицированной информации о источнике питания. Это ретранслирует и перенаправляет ту часть энергии, которую носимое устройство получает на выходе от выпрямительной цепи. Передатчик использует эту информацию для определения частоты сцепления, а также для определения, достиг ли приёмник максимального предела мощности. Каждые 350–1800 мс передатчик использует промежутки без пакетов данных, чтобы определить, было ли устройство с зарядной площадки удалено. Информация о питании выпрямителя также помогает обнаруживать посторонние объекты.

　　Чипсеты, поддерживающие протокол Qi и управляющие подачей питания, уже были запущены. Например, Toshiba выпустила TB6865AFG устройства для передатчиков. Этот высокоинтегрированный компонент включает процессор ARM Cortex-M3 с клиентским кодом и PWM-контроллер с поддержкой внешних H-мостовых схем (для подачи питания). Согласно стандарту Qi, контроллер может управлять питанием до двух устройств и поддерживает обнаружение посторонних объектов.

　　Устройство bq51013 — это продукт Texas Instruments, разработанный для вторичной части, способный выполнять преобразование питания в переменный ток/постоянный ток, корректификация и цифровое управление, необходимые для передачи команд передатчикам. Все устройства серии bq5101x используют низкосопротивляющий синхронный выпрямитель, LDO, а также контроллеры контуров напряжения и тока.

　　Помимо контроллеров, производители также предлагают готовые катушки, поддерживающие стандарт протокола Qi, предназначенные для использования в роли передатчиков, приёмников или обоих функций. Например, серия AWCCA-50N50 от Abracon поддерживает как передатчики, так и приёмники. Диаметр катушки чуть меньше 50 мм и обладает сильным антимагнитным сопротивлением, защищая электронные компоненты внутри устройства. Эти конструкции предлагают выбор коэффициента Q в диапазоне 70 или 160, при сопротивлении постоянного тока около 20 мОм или 70 мОм в этих двух случаях.

　　Для небольших носимых устройств TDK выпустила WR303050 катушки и уменьшила их размер корпуса до 30 x 30 мм с толщиной всего 1 мм. При комнатной температуре сопротивление постоянного тока составляет 0,41 Ω.

　　Для повышения гибкости IWAS-3827 от Vishay Dale предлагает вариант с прямоугольными, а не квадратными подложками, длиной 38 мм и шириной 27 мм. Толщина этой катушки составляет 1 мм, сопротивление постоянного тока — 0,18 Ω, а типичное значение Q — 30.

　　Рисунок 3: Катушка AVishay Dale для беспроводного блока питания.

　　Для обеспечения более интегрированного решения TDK TMx-66-2M7 и TMx-58-2M7 могут быть упакованы вместе с приёмным чипом TI, что позволяет получить корпусное устройство общей длиной 66 мм и толщиной всего 1 мм.

　　Другие опциональные устройства для беспроводной зарядки включают различные беспроводные зарядные катушки серии WPCC и WE-WPCC, предоставляемые Würth Electronics. Эти катушки бывают как передатчика, так и приёмника, с номинальным током от 0,8 до 13 А и различными размерами для удовлетворения различных требований применения. Мы можем использовать Würth/TI Wireless Power Demo Kit (760308), чтобы продемонстрировать концепцию и преимущества беспроводной зарядки, которая использует передатчики и приёмные катушки Würth.

　　По мере расширения экосистем, связанных с такими протоколами, как Qi, можно ожидать более интегрированных решений для упрощения проектирования и создания более простых способов зарядки для носимых устройств.