Giyilebilir cihazlar için kablosuz şarj çözümü

　　Giyilebilir cihazlar, elektronik bileşenler için önemli bir pazar segmenti olarak hızla ortaya çıkıyor. Bu cihazlar için temel gereksinimlerden biri, sadece hareket eden nesnelerin verilerine erişim imkanı değil, aynı zamanda pilin her gün tam bir gün dayanmasını sağlamak için de kolaylıktır.

　　Kullanıcılar gece boyunca şarj etmek için cihazları takmak zorunda kalıyorsa, bazen şarj etmeyi unuturlar ve sadece uyandıklarında cihazın günün geri kalanında kullanılamaz hale geleceğini görürler. Kablosuz şarj işlemi, elektronik cihazları şarj etmek için daha pratik bir yol sunar. Kablosuz şarj için, elektronik cihazı şarj pedine yerleştirin; şarj edilecek cihaza mikro USB veya benzeri kablo takmadan kullanıcılar pedi kolayca ulaşabileceği bir yere yerleştirebilir. Kablosuz şarj sistemi doğru tasarlanırsa, tek bir şarj pedi birden fazla cihazı aynı anda şarj edebilir, böylece her birini ayrı ayrı şarj etme ihtiyacını ortadan kaldırır ve kullanıcıların dışarı çıkarken pad ve cihazları taşımasını kolaylaştırır.

　　Artık kablosuz şarjın kolaylığı artık sadece giyilebilir cihazlarla sınırlı değil. Bu teknoloji uzun süredir elektronik diş fırçalarında yaygın olarak kullanılmakta, hatta elektrikli araç akülerlerini şarj etmek için orantılı olarak ölçeklendirilmiştir.

　　Endüktif şarj etmenin temel çalışma prensibi, güç transformatörüyle aynıdır. Şarj yastığındaki endüksiyon bobin, alternatif bir elektromanyetik alan üretir; bu alan cihazın bobini tarafından alınarak şarj edilip tekrar faydalı akıma dönüştürülür. Geleneksel transformatörlere benzer şekilde, temel endüktif şarj için yüksek verimlilik için iki bobinin birbirine yakın olması gerekir. Aksi takdirde, birincil bobindeki direnç önemli birikimli kayıplar yaratır.

　　İki bobin üreterek rezonans endüktif bağlantı, uzun mesafe enerji iletim verimliliğini artırabilir. Özellikle, indüktör ve kapasitör yüklerinin birleştirilmesi, bu iki bobin aynı frekansta rezonans üretecek şekilde ayarlanır. Bu rezonans koşullarında, bir bobinden diğerine çapının birkaç katı olan büyük miktarda elektrik enerjisi iletilebilir.

　　Şekil 1: Yük modülasyonu, transformatör bağlanması sırasında veri kodlamak için kullanılır.

　　Bobin devresinin Q değeri, birden fazla döngüden sonra nispeten güçlü bir manyetik alan oluşturmak için ayarlanabilir. Bu salınım sinyalinde taşınan enerji, herhangi bir anda bobına beslenen enerjiden daha yüksektir. İkincil bobin bu salınımlı manyetik alanın bir kısmını alıp dönüştürebildiği için, çıkış elektrik enerjisi geleneksel transformatörlerden daha yüksektir. Rezonans sağlamak için ayarlı kondansatörlerin kullanılması, yayıcıda kaçak ve manyetize edici endüktansları ortadan kaldırabilir ve bobin sargının direnç kaybını temelde azaltır; bu da genellikle indüklenen kaybın 10 ila 100 katıdır.

　　Geleneksel transformatörlerden daha yüksek Q değeri elde etmek için bobinler genellikle solenoidlerle tasarlanır, bu da cilt etkilerini en aza indirmeye yardımcı olur. Genellikle, dielektrik kaybı küçük dielektrik sabit indüktörler kullanılarak veya yalnızca havaya güvenerek en aza indirilebilir.

　　Pratikte, bobin her zaman tam bir rezonans frekansına ayarlanmaz. İkincil bobin belirli miktarda manyetik alan hattını kestiği sürece, gevşek bağlı sistem elektrik enerjisi iletebiliyor. Daha hassas bobin uyumu ile daha sıkı bağlantı sağlanması daha yüksek elektrik enerjisi sağlayabilir, ancak rezonans koşullarında aynı anda çalışacak şekilde tasarlanmış bobinler için aralarında sıkı bağlantı sağlamak imkansızdır. Bu devreler, alıcı ve vericinin rezonans frekanslarının biraz farklı olduğu detunajlı modülatör koşullarında çalışacak şekilde tasarlanabilir.

　　Ne yazık ki, sıkı bağlı bobinler hizalama tarafından kolayca etkilenir ve kullanıcılar en iyi yerleştirme veya yerleştirmeyi düşünmeden cihazı şarj etmek için şarj pedine koymak istedikleri tüketici uygulamalarında, bu bir sorundur. Bu nedenle, şarj için kullanılan verici birden fazla bobin kullanabilir. Bu, tasarım karmaşıklığını artırır ancak konum seçiminde daha fazla özgürlük sunar. Bobin örtüşmesi zorunlu değildir, bu da üretim sırasında montajı kolaylaştırır, ancak bobin örtüşmesi yoğunluğu artırır ve alıcı yerleştirmesinde daha fazla özgürlük sağlar.

　　Farklı cihazları tek bir vericiyle başarılı bir şekilde şarj etmek için belirli standartların benimsenmesi gerekir. Şu anda iki ana standart kullanılmaktadır. Powermat sistemi, Kablosuz Güç İttifakı tarafından savunulan bir standarttır ve tek bir verici bobinine dayalı gevşek bağlantılı sistemler etrafında tasarlanmıştır. Kablosuz Güç Konsorsiyumu'nun Qi sistemi, eşzamanlı gevşek ve sıkı bağlı işlemler dahil olmak üzere çeşitli konfigürasyonlara olanak tanır. Çoğu mevcut verici, çoklu bobinli sıkı bağlı konfigürasyonlar kullanır.

　　Bu iki standart ayrıca enerji yönetimini de göz önünde bulundurarak şarj pedinin yalnızca cihaz şarj olunduğunda çalışmasını sağlar. Örneğin, Qi sistemi, bir cihazın varlığını ve Qi sistemini destekleyip desteklemediğini kontrol etmek için bobin üzerindeki sinyalleri iletmek için iletişim protokolü kullanır. Bu standarda göre, verici, bobin üzerindeki anahtarlama frekansını 110 kHz ile 205 kHz arasında değiştirebilir ve güç dağıtımı için ana kontrol mekanizması olarak hizmet eder.

　　Qi standardı altında, ağırlığın basit modülasyonu bobin voltajı kullanılarak hava boşluğunun diğer tarafındaki cihazlara veri gönderilir. İkincil bobinden iletişim, sabit 2 kHz çalışma frekansı ve her 8 bitlik veri iletiminden önce ek bir başlatma biti olan farklı çift fazlı bit kodlama şemaları kullanır. Veri iletildikten sonra parite kontrolleri ve durdurma bitleri kullanılır.

　　Şekil 2: Çift fazlı kodlama, ikili veri iletimi yeteneğini sağlar.

　　Çok büyük miktarda kontrol verisi iletilebilir. En yaygın kullanılan kontrol veri paketi türleri şunlardır: sinyal gücü, kontrol hatası, terminal güç gereksinimleri ve doğrultucu güç seviyeleri. Sinyal gücü, cihazın şarj pedindeki konumunu ayarlamaya yardımcı olur ve görünür veya duyulabilir sinyallerle birlikte kullanıldığında, kullanıcıların şarj pedinde hareket etmelerini sağlar; sinyal gücü iyi bir akım güç teslimatını gösterecek kadar yüksek olana kadar yönlendirir.

　　Kontrol hatası veri paketi, alıcı bobinden gözlemlenen giriş voltajı ile gerekli giriş voltajı arasındaki hata derecesini gösterebilir. Vericiler genellikle bobinlerine uygulanan voltajı ayarlamak için kontrol devreleri kullanır. Büyük bir hata varsa, bu hata paketlerinin sıklığı daha büyük bir değere ayarlanır. Her 32 ms'de bir paket, hata eşik değerinin altına düşene kadar gönderilir. Bu açıdan, bu paketler her 250 ms'de bir gönderilir. Kontrol hatası veri paketleri, güç dağıtımını ayarlamak için çok faydalıdır. Hafif yük koşullarında, alıcılar akım geçişlerini aşmak için daha yüksek voltaja ihtiyaç duyabilir—örneğin giyilebilir cihazları uyku durumundan uyandırmak. Yük akımı yüksek olduğunda, taşınabilir cihazlar LDO regülatöründe güç kaybını önlemek için daha düşük voltaja ihtiyaç duyabilir.

　　Cihaz tam şarj olduğunda veya bataryaya zarar verebilecek bir iç arıza tespit edildiğinde, güç iletimini durdurma talebi gönderilir. Güç dağıtımı da düzeltilmiş güç kaynağı bilgisiyle kontrol edilir. Bu, giyilebilir cihazın doğrultucu devre çıkışında aldığı güç kısmını iletip iletir. Verici, bu bilgiyi kullanarak bağlantı frekansını belirler ve alıcının maksimum güç sınırına ulaşıp ulaşmadığını da belirler. Her 350 ms ile 1800 ms arasında bir verici, şarj panelindeki cihazın çıkarılıp çıkarılmadığını belirlemek için veri paketi olmayan boşlukları kullanır. Doğrultucu güç kaynağı bilgisi ayrıca yabancı cisimleri tespit etmeye yardımcı olur.

　　Qi protokolünü destekleyen ve güç dağıtımını kontrol eden çipsetler zaten piyasaya sürülmüştür. Örneğin, Toshiba vericiler için TB6865AFG cihaz piyasaya sürdü. Bu son derece entegre bileşen, müşteri kodunu çalıştıran bir ARM Cortex-M3 işlemcisi ve harici H-köprü devrelerini destekleyen bir PWM kontrolcüsü (güç dağıtımı için) içerir. Qi standardına göre, kontrolcü iki cihaza kadar güç kontrol edebilir ve yabancı cisim algılamasını destekler.

　　bq51013 cihazı, ikincil taraf için tasarlanmış bir Texas Instruments ürünüdür ve vericilere komut göndermek için AC/DC güç dönüşümü, düzeltme ve dijital kontrol işlevlerini taşıyabilir. bq5101x serisindeki tüm cihazlar, düşük dirençli senkron doğrultucu, LDO ve voltaj ile akım döngü kontrolörleri kullanır.

　　Kontrolörlerin yanı sıra, üreticiler Qi protokol standartını destekleyen ve verici, alıcı veya her ikisi olarak hizmet vermek üzere tasarlanmış hazır bobinler de sunmaktadır. Örneğin, Abracon'un AWCCA-50N50 serisi hem verici hem de alıcı uygulamalarını destekler. Bobin çapı 50 mm'den biraz küçüktür ve cihazın içindeki elektronik bileşenleri koruyan güçlü anti-manyetik direnç gösterir. Bu tasarımlar, 70 veya 160 aralığında seçilebilen bir Q faktörü sunar ve bu iki durumda DC direnci yaklaşık 20 mΩ veya 70 mΩ civarındadır.

　　Daha küçük giyilebilir cihazlar için TDK, WR303050 bobin başlattı ve paket boyutlarını sadece 1 mm kalınlıkla 30 x 30 mm'ye düşürdü. Oda sıcaklığında DC direnci 0.41 Ω'tir.

　　Esnekliği artırmak için Vishay Dale'in IWAS-3827, kare yerine dikdörtgen alt tabanlar seçeneği sunar; uzunluğu 38 mm, genişliği ise 27 mm'dir. Bu bobin 1 mm kalınlığında, DC direnci 0.18 Ω ve tipik Q değeri 30'dur.

　　Şekil 3: Kablosuz güç kaynağı için AVishay Dale bobini.

　　Daha entegre bir çözüm sağlamak için, TDK'nın TMx-66-2M7 ve TMx-58-2M7 modelleri, bir TI alıcı çipiyle birlikte paketlenebilir ve böylece toplam uzunluğu 66 mm, kalınlığı ise sadece 1 mm olan bir paket cihazı elde edilir.

　　Diğer isteğe bağlı kablosuz şarj cihazları arasında Würth Electronics tarafından sağlanan çeşitli WPCC ve WE-WPCC serisi kablosuz şarj bobinleri bulunur. Bu bobinler, hem verici hem de alıcı konfigürasyonlarında gelir; nominal akımları 0.8 ila 13 A arasında değişir ve çeşitli uygulama gereksinimlerini karşılamak için çeşitli boyutlara sahiptir. Würth/TI Kablosuz Güç Demo Kit'i (760308) kullanarak kablosuz şarjın konseptini ve faydalarını gösterebiliriz; bu cihaz Würth verici ve alıcı bobinlerini kullanır.

　　Qi gibi protokollerin etrafındaki ekosistemler genişledikçe, tasarım işlerini basitleştirecek ve giyilebilir cihazlar için daha basit şarj yöntemleri yaratacak daha entegre çözümler bekleyebiliriz.