Giải pháp sạc không dây cho thiết bị đeo

　　Các thiết bị đeo được đang nhanh chóng nổi lên như một phân khúc thị trường quan trọng cho các linh kiện điện tử. Một yêu cầu quan trọng đối với các thiết bị này là sự tiện lợi, không chỉ ở khả năng truy cập dữ liệu về các vật thể chuyển động mà còn trong việc đảm bảo pin kéo dài cả ngày mỗi ngày.

　　Nếu người dùng phải cắm thiết bị để sạc qua đêm, đôi khi rất có thể họ quên sạc và chỉ thức dậy mới thấy thiết bị sẽ không sử dụng được trong suốt thời gian còn lại trong ngày. Sạc không dây cung cấp một cách thuận tiện hơn để sạc các thiết bị điện tử. Để sạc không dây, chỉ cần đặt thiết bị điện tử lên đế sạc mà không cần cắm micro USB hoặc cáp tương tự vào thiết bị cần sạc và người dùng có thể đặt miếng đệm trong tầm với dễ dàng. Nếu hệ thống sạc không dây được thiết kế phù hợp, một đế sạc duy nhất có thể sạc nhiều thiết bị cùng một lúc, loại bỏ nhu cầu sạc riêng lẻ và giúp người dùng mang theo miếng đệm và thiết bị khi ra ngoài dễ dàng hơn.

　　Giờ đây, sự tiện lợi của sạc không dây không còn giới hạn ở các thiết bị đeo. Công nghệ này từ lâu đã được sử dụng rộng rãi trong bàn chải đánh răng điện tử, thậm chí mở rộng tỷ lệ để sạc pin xe điện.

　　Nguyên lý hoạt động cơ bản của sạc cảm ứng cũng giống như nguyên lý hoạt động của máy biến áp. Cuộn dây cảm ứng trong đế sạc tạo ra một trường điện từ xoay chiều, sau đó được cuộn dây của thiết bị nhận và chuyển đổi trở lại thành dòng điện hữu ích. Tương tự như máy biến áp truyền thống, sạc cảm ứng cơ bản cũng yêu cầu hai cuộn dây gần nhau để đạt hiệu quả cao. Nếu không, điện trở trong cuộn sơ cấp sẽ tạo ra tổn thất tích lũy đáng kể.

　　Khớp nối cảm ứng cộng hưởng bằng cách tạo ra hai cuộn dây có thể cải thiện hiệu quả truyền năng lượng đường dài. Cụ thể, bằng cách kết hợp tải cuộn cảm và tụ điện, hai cuộn dây này được điều chỉnh để tạo ra cộng hưởng ở cùng một tần số. Trong những điều kiện cộng hưởng này, một lượng lớn năng lượng điện có thể được truyền từ cuộn dây này sang cuộn dây khác nhiều lần đường kính của nó.

　　Hình 1: Điều chế tải được sử dụng để mã hóa dữ liệu trong quá trình ghép nối máy biến áp.

　　Giá trị Q của mạch cuộn dây có thể được điều chỉnh để tạo ra từ trường tương đối mạnh sau nhiều chu kỳ. Năng lượng mang trong tín hiệu dao động này cao hơn năng lượng được đưa vào cuộn dây tại bất kỳ thời điểm nào. Bởi vì cuộn dây thứ cấp có thể nhận một phần của từ trường dao động này và chuyển đổi nó, năng lượng điện đầu ra cao hơn so với máy biến áp truyền thống. Sử dụng tụ điện được điều chỉnh để đạt được cộng hưởng có thể loại bỏ điện cảm đi lạc và từ hóa trong bộ phát, về cơ bản làm giảm tổn thất điện trở của cuộn dây, thường gấp 10 đến 100 lần tổn thất cảm ứng.

　　Để đạt được giá trị Q cao hơn so với máy biến áp truyền thống, cuộn dây thường được thiết kế với điện từ, điều này cũng giúp giảm thiểu tác động đến da. Thông thường, tổn thất điện môi có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng cuộn cảm hằng số điện môi nhỏ hoặc chỉ dựa vào không khí.

　　Trong thực tế, cuộn dây không phải lúc nào cũng được điều chỉnh đến tần số cộng hưởng chính xác. Miễn là cuộn dây thứ cấp chặn một lượng đường từ trường nhất định, hệ thống ghép nối lỏng lẻo có thể truyền năng lượng điện. Đạt được khớp nối chặt chẽ hơn thông qua khớp cuộn dây chính xác hơn có thể cung cấp năng lượng điện cao hơn, nhưng đối với các cuộn dây được thiết kế để hoạt động đồng thời trong điều kiện cộng hưởng, việc duy trì khớp nối chặt chẽ giữa chúng là không thể. Các mạch này có thể được thiết kế để chỉ hoạt động trong điều kiện bộ điều chế được điều chỉnh, trong đó tần số cộng hưởng của bộ thu và bộ phát khác nhau một chút.

　　Thật không may, các cuộn dây được ghép nối chặt chẽ cũng dễ bị ảnh hưởng bởi sự liên kết và đối với các ứng dụng tiêu dùng mà người dùng chỉ muốn đặt thiết bị trên đế sạc để sạc thành công mà không xem xét vị trí hoặc vị trí tốt nhất, đây là một vấn đề. Do đó, máy phát được sử dụng để sạc có thể sử dụng nhiều cuộn dây. Điều này làm tăng độ phức tạp của thiết kế nhưng mang lại nhiều tự do hơn trong việc lựa chọn vị trí. Không cần chồng chéo cuộn dây, đơn giản hóa việc lắp ráp trong quá trình sản xuất, mặc dù chồng chéo cuộn dây làm tăng mật độ và cho phép tự do hơn trong việc đặt máy thu.

　　Để sạc thành công các thiết bị khác nhau với một máy phát duy nhất, phải áp dụng một số tiêu chuẩn nhất định. Hiện nay, có hai tiêu chuẩn chính đang được sử dụng. Hệ thống Powermat là một tiêu chuẩn được ủng hộ bởi Liên minh Nguồn không dây, được thiết kế xung quanh các hệ thống được ghép nối lỏng lẻo dựa trên một cuộn dây phát duy nhất. Hệ thống Qi của Wireless Power Consortium cho phép nhiều cấu hình khác nhau, bao gồm các hoạt động lỏng lẻo và kết hợp chặt chẽ đồng thời. Hầu hết các máy phát hiện tại sử dụng cấu hình ghép nối chặt chẽ nhiều cuộn dây.

　　Hai tiêu chuẩn này cũng xem xét quản lý năng lượng để đảm bảo đế sạc chỉ hoạt động khi thiết bị đang sạc. Ví dụ, hệ thống Qi sử dụng giao thức truyền thông để chuyển tiếp tín hiệu trên cuộn dây để kiểm tra sự hiện diện của thiết bị và liệu nó có hỗ trợ hệ thống Qi hay không. Theo tiêu chuẩn này, máy phát có thể thay đổi tần số chuyển mạch trên cuộn dây trong phạm vi từ 110 kHz đến 205 kHz, đóng vai trò là cơ chế điều khiển chính để cung cấp điện.

　　Theo tiêu chuẩn Qi, điều chế tải đơn giản được thực hiện bằng cách sử dụng điện áp cuộn dây để gửi dữ liệu đến các thiết bị ở phía bên kia của khe hở không khí. Giao tiếp từ cuộn dây thứ cấp sử dụng các sơ đồ mã hóa bit pha kép khác nhau, với tần số hoạt động không đổi là 2 kHz và một bit bắt đầu bổ sung trước mỗi lần truyền dữ liệu 8 bit. Sau khi truyền dữ liệu, kiểm tra chẵn lẻ và bit dừng được sử dụng.

　　Hình 2: Mã hóa hai pha cho phép khả năng truyền dữ liệu nhị phân.

　　Một lượng lớn dữ liệu điều khiển có thể được truyền. Các loại gói dữ liệu điều khiển được sử dụng phổ biến nhất bao gồm: cường độ tín hiệu, lỗi điều khiển, yêu cầu công suất đầu cuối và mức công suất chỉnh lưu. Cường độ tín hiệu giúp điều chỉnh vị trí của thiết bị trên đế sạc và khi được sử dụng với các tín hiệu có thể nhìn thấy hoặc âm thanh, nó sẽ hướng dẫn người dùng di chuyển dọc theo đế sạc cho đến khi cường độ tín hiệu đủ cao để cho biết cung cấp điện hiện tại tốt.

　　Gói dữ liệu lỗi điều khiển có thể cho biết mức độ sai số giữa điện áp đầu vào quan sát được từ cuộn dây nhận và điện áp đầu vào cần thiết. Máy phát thường sử dụng mạch điều khiển để điều chỉnh điện áp đặt vào cuộn dây của chúng. Nếu có lỗi lớn, tần suất của các gói lỗi này được đặt thành giá trị lớn hơn. Cứ sau 32 ms, một gói được gửi cho đến khi lỗi giảm xuống dưới ngưỡng. Từ quan điểm này, các gói này được gửi sau mỗi 250 mili giây. Các gói dữ liệu lỗi kiểm soát rất hữu ích để điều chỉnh nguồn điện. Trong điều kiện tải nhẹ, máy thu có thể yêu cầu điện áp cao hơn để khắc phục quá độ dòng điện — ví dụ:ample, đánh thức các thiết bị đeo được từ trạng thái ngủ. Khi dòng tải lớn, các thiết bị di động có thể yêu cầu điện áp thấp hơn để tránh mất điện trên bộ điều chỉnh LDO.

　　Khi thiết bị được sạc đầy hoặc phát hiện lỗi bên trong có thể làm hỏng pin, thiết bị sẽ gửi yêu cầu dừng truyền điện. Việc cung cấp điện cũng được kiểm soát thông qua thông tin nguồn điện được chỉnh lưu. Điều này chuyển tiếp và chuyển tiếp phần năng lượng mà thiết bị đeo nhận được ở đầu ra mạch chỉnh lưu của nó. Máy phát sử dụng thông tin này để xác định tần số ghép nối và cũng xác định xem máy thu đã đạt đến giới hạn công suất tối đa hay chưa. Cứ sau 350 ms đến 1800 ms, máy phát sử dụng các khoảng trống không có gói dữ liệu để xác định xem thiết bị trên đế sạc đã được tháo ra hay chưa. Thông tin cung cấp điện chỉnh lưu cũng giúp phát hiện các vật thể lạ.

　　Các chipset hỗ trợ giao thức Qi và kiểm soát việc cung cấp năng lượng đã được ra mắt. Ví dụ, Toshiba đã tung ra các thiết bị TB6865AFG cho máy phát. Thành phần tích hợp cao này bao gồm bộ xử lý ARM Cortex-M3 chạy mã khách hàng và bộ điều khiển PWM hỗ trợ mạch cầu H bên ngoài (để cung cấp điện). Theo tiêu chuẩn Qi, bộ điều khiển có thể điều khiển nguồn điện cho tối đa hai thiết bị và hỗ trợ phát hiện vật thể lạ.

　　Thiết bị bq51013 là sản phẩm của Texas Instruments được thiết kế cho phía thứ cấp, có khả năng chuyển đổi nguồn AC / DC các chức năng chỉnh lưu, chỉnh lưu và điều khiển kỹ thuật số cần thiết để gửi lệnh đến máy phát. Tất cả các thiết bị trong sê-ri bq5101x đều sử dụng bộ chỉnh lưu đồng bộ điện trở thấp, LDO và bộ điều khiển vòng lặp điện áp và dòng điện.

　　Ngoài bộ điều khiển, các nhà sản xuất cũng cung cấp các cuộn dây có sẵn hỗ trợ tiêu chuẩn giao thức Qi, được thiết kế để đóng vai trò là máy phát, máy thu hoặc cả hai. Ví dụ, dòng AWCCA-50N50 của Abracon hỗ trợ cả ứng dụng máy phát và máy thu. Đường kính cuộn dây nhỏ hơn 50 mm một chút và có khả năng chống từ tính mạnh, bảo vệ các linh kiện điện tử bên trong thiết bị. Các thiết kế này cung cấp hệ số Q có thể lựa chọn trong phạm vi 70 hoặc 160, với điện trở DC khoảng 20 mΩ hoặc 70 mΩ trong hai trường hợp này.

　　Đối với các thiết bị đeo nhỏ hơn, TDK đã tung ra các cuộn dây WR303050 và giảm kích thước gói xuống còn 30 x 30 mm với độ dày chỉ 1 mm. Ở nhiệt độ phòng, điện trở DC là 0,41 Ω.

　　Để tăng cường tính linh hoạt, IWAS-3827 của Vishay Dale cung cấp sự lựa chọn với chất nền hình chữ nhật thay vì hình vuông, có chiều dài 38 mm và chiều rộng 27 mm. Cuộn dây này dày 1 mm, điện trở DC là 0,18 Ω và giá trị Q điển hình là 30.

　　Hình 3: Cuộn dây AVishay Dale để cung cấp điện không dây.

　　Để cung cấp một giải pháp tích hợp hơn, TMx-66-2M7 và TMx-58-2M7 của TDK có thể được đóng gói cùng với chip thu TI, đạt được một thiết bị trọn gói có tổng chiều dài 66 mm và độ dày chỉ 1 mm.

　　Các thiết bị sạc không dây tùy chọn khác bao gồm các cuộn dây sạc không dây dòng WPCC và WE-WPCC khác nhau do Würth Electronics cung cấp. Các cuộn dây này có cả cấu hình máy phát và máy thu, với dòng điện định mức từ 0,8 đến 13 A và nhiều kích thước khác nhau để đáp ứng các yêu cầu ứng dụng khác nhau. Chúng ta có thể sử dụng Bộ trình diễn nguồn không dây Würth / TI (760308) để chứng minh khái niệm và lợi ích của sạc không dây, sử dụng cuộn dây phát và thu Würth.

　　Khi hệ sinh thái xung quanh các giao thức như Qi mở rộng, chúng ta có thể mong đợi nhiều giải pháp tích hợp hơn để đơn giản hóa công việc thiết kế và tạo ra các phương pháp sạc đơn giản hơn cho các thiết bị đeo.