ТЕХНОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ, часть 2

ВВЕДЕНИЕ

Современное портативное электронное устройство, в описании характеристик которого нет таких прилагательных как мобильное и беспроводное, едва ли заинтересует потребителя. Новомодный гаджет уже невозможно представить без набора беспроводных интерфейсов. Благодаря им осуществляется подсоединение к каналам широкополосной связи (GSM/GPRS-сетям, домашним и/или офисным локальным сетям типа Wi-Fi и т.п.), а также периферийным устройствам (bluetooth-гарнитурам, акустическим системам, внешним накопителям и т.п.) или другим мобильным гаджетам и компьютерам. И только наличие кабеля для зарядки аккумулятора пока еще не позволяет называть ультрасовременные смартфоны, планшетные компьютеры и мобильные телефоны полностью беспроводными (рис. 1).

Рис. 1. Традиционные проводные зарядные устройства

Один из способов решения проблемы – это внедрение технологии беспроводной передачи электроэнергии для зарядки аккумуляторов. Гиганты мировой электронной индустрии прилагают немало усилий для разработки такой технологии и внедрения на рынок коммерчески привлекательных беспроводных зарядных устройств. Вместе с тем, остается риторический вопрос, можно ли считать мобильное устройство в полной мере беспроводным, если для его подзарядки необходимо все же подключать кабель, и хотя не к суперсовременному гаджету, а к устройству зарядки, учитывая, что расстояние между ними не более 10…40 мм. Кроме того, при подключении к традиционной проводной зарядке мобильного телефона все же остается возможность его использования, по крайней мере, на расстоянии, ограниченном длиной кабеля. В случае применения беспроводной зарядки мобильный телефон пока еще размещается непосредственно на поверхности передатчика зарядного устройства.
Однако сфера применения беспроводных устройств не ограничивается только зарядкой аккумуляторов мобильных телефонов. Кроме того, технологию беспроводной передачи энергии можно использовать в медицине, для зарядки аккумуляторов автотранспортных средств или в качестве источника электроэнергии для светодиодных светильников, а также в других приложениях .
В последние годы ряд ведущих компаний (Qualcomm Incorporated, Intel, Integrated Device Technology, Linear Technology Corporation, NXP, Powercast Corporation, PowerbyProxy, Samsung, Texas Instruments, WiTricity и др.), а также международные отраслевые консорциумы Wireless Power Consortium (WPC), Power Matters Alliance (PMA) и Alliance for Wireless Power (A4WP) активно занимаются разработкой спецификаций и изготовлением ИМС и оборудования для беспроводных зарядных устройств.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Существует несколько известных из курса физики беспроводных способов передачи энергии. Однако наибольшее распространение в электротехнике получили решения с использованием беспроводной передачи электроэнергии на основе явления электромагнитной индукции.
Как известно, область распространения электромагнитного поля разделяется на две основные зоны в зависимости от расстояния от источника излучения. Ближняя зона (зона индукции или реактивная) ограничивается расстоянием равным λ/2π,
где λ– длина волны (рис. 2). Зона индукции постепенно переходит в зону излучения (волновую), и ярко выраженной границы между ними не существует. На границах ближней и дальней зоны различают переходную промежуточную зону. При частоте 10, 1 и 0.1 МГц протяженность ближней зоны составляет примерно 4.7, 47 и 477 м .

Рис. 2. Ближняя и дальняя зоны

В системах беспроводной зарядки для передачи энергии от источника (передатчика) к приемнику используется явление электромагнитной индукции, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. На web-сайтах консорциумов WPC, PMA и A4WP можно найти информацию о принципе действия систем передачи энергии без проводов. Система состоит из первичной катушки L1 (источника) и вторичной катушки L2 (приемника). Катушки образуют систему с индуктивной связью (рис. 3).

Рис. 3. Иллюстрация принципа действия беспроводных зарядных устройств

Переменный ток, протекая в обмотке первичной катушки, создает магнитное поле, индуцирующее напряжение в приемной катушке, которое может быть использовано как для зарядки аккумулятора, так и питания устройства. По мере удаления вторичной катушки от первичной, все большая часть магнитного поля рассеивается и не достигает вторичной катушки. Даже при относительно малых расстояниях индуктивная связь становится неэффективной.
Упрощенная эквивалентная схема магнитно-связанных катушек приведена на рис. 4 .

Рис. 4. Упрощенная эквивалентная схема магнитно-связанных катушек

Взаимная индуктивность М определяется из известного соотношения:

M=k√L₁L₂,

где, k – коэффициент связи между катушками, зависящий от многих факторов, в том числе, от расстояния между катушками (z), соотношения диаметров катушек, смещения между их центрами, от формы катушек и многого др. На рис. 5 приведены значения коэффициента связи (k) при расстоянии между катушками 0.2, 2.5, 5, 7.5 и 10 мм, а также графики зависимости коэффициента связи от величины смещения (для катушек диаметром 30 мм).

Рис. 5. Графики зависимости коэффициента связи от смещения катушек

Резонансные контуры с индуктивной связью, применяемые в системах беспроводной зарядки, уже на протяжении многих десятков лет успешно используются в разнообразных радиотехнических устройствах, а их теория давно и хорошо известна.

Из анализа эквивалентной схемы на частоте резонанса эффективность системы (η), определяемая как  η = P_L/P₁ (где, P_L – мощность на нагрузке R_L, P₁ – на резисторе потерь R1), будет наибольшей при оптимальном значении сопротивления нагрузки, которое равно

где, ω₀ – резонансная частота, М – взаимная индуктивность, R₁ и R₂ – омическое сопротивление потерь катушек индуктивности.

Соответственно при оптимальном значении сопротивления нагрузки оптимальная эффективность системы на частоте резонанса равна

где, Q_M – коэффициент качества или иными словами эффективная добротность системы, определяемая из выражения

Q_M=k√Q₁Q₂,

где Q₁ и Q₂ – добротность резонансных контуров источника и приемника.

График зависимости эффективности системы (π) от коэффициента качества (QM) приведен на рис. 6.

Рис. 6. График зависимости эффективности системы от коэффициента качества

Как следует из приведенного графика эффективность системы на частоте резонанса представляет собой монотонно возрастающую функцию, асимптотически приближающуюся к единице. Эффективность передачи энергии зависит от коэффициента связи между катушками и их добротности, а для увеличения эффективности беспроводных систем зарядки следует использовать явление резонанса, что позволяет увеличить КПД и дальность передачи энергии. Повысить эффективность индуктивно связанных систем можно за счет увеличения добротности катушек и/или коэффициента связи.

График зависимости эффективности системы (π) от коэффициента качества (QM) приведен на рис. 6.

Согласно классификации ассоциации потребителей электроники CEA (Consumer Electronics Association) технологию беспроводной зарядки предлагается различать в зависимости от величины коэффициента связи. Если значение k близко к единице – это так называемая сильносвязанная система (tightly-coupled), если k <0.1 – слабосвязанная (looselycoupled).

В настоящее время разработаны две техно логии беспроводной зарядки, использующие явление электромагнитной индукции. Одна из них, в которой используются сильносвязанные катушки, получила название MI (Magnetic Induction – магнитной индукции), другая со слабосвязанными – MR (Magnetic Resonant – магнитно-резонансная). WPC- и PMA-спецификации базируются на использовании технологии MI, в спецификациях альянса A4WP рекомендуется использование – MR. Эти две технологии имеют много общего, однако, вместе с тем, присутствуют и кардинальные отличия.

В каждой из них для беспроводной передачи энергии используется магнитное поле и применяются резонансные контуры (рис. 7).

Рис. 7. Структура беспроводных устройств зарядки

Магнитный поток, создаваемый источником и пронизывающий вторичную катушку, зависит от конфигурации магнитного поля, которую можно трансформировать как благодаря изменению геометрических размеров катушек и их взаимному расположению, так и за счет применения соответствующего магнитного экранирования. Плотность потока зависит от магнитной проницаемости экранов. Стоимость и толщина экранов являются ключевыми факторами при их выборе. От взаимной ориентации передающей и принимающей катушек, а также от расстояния между ними зависит эффективность системы передачи энергии. Чем больше расстояние между катушками, тем менее эффективна система. Кроме того, эффективность зависит от резонансной частоты, относительных размеров передающей и принимающей катушек, коэффициента связи, сопротивления обмоток, наличия скинэффекта, паразитных связей и ряда других факторов. Смещение по координатам X,Y, Z, а также наличие угла наклона между катушками приводит к существенному росту потерь и соответственно к снижению эффективности передачи энергии.
В WPC-спецификациях приведены определенные требования к позиционированию приемной катушки относительно передающей. Однако, чтобы получить максимальный коэффициент связи между двумя катушками в реальной системе может потребоваться дополнительная регулировка их взаимного расположения.

В случае применения MR-технологии нет необходимости в строгом позиционировании катушек, а также имеется возможность использовать один источник для одновременной зарядки нескольких устройств, что, несомненно, более привлекательней для пользователей. Однако, в этом случае также следует учитывать влияние расстояния между “связанными устройствами” на эффективность системы.
В зависимости от требований, и не в последнюю очередь это стоимость и размер катушек, в системах, созданных на базе этих технологий, могут применяться одна или несколько катушек. В рекомендациях WPC- и PMA-спецификаций, основанных на технологии MI, резонансная частота выбирается с учетом сопротивления нагрузки и может изменяться в достаточно широком диапазоне. В связи с этим, эффективная добротность системы относительно низкая по сравнению с решениями на базе технологии МR. Оптимальная эффективность системы может быть достигнута только на определенной резонансной частоте и при оптимальном сопротивлении нагрузки. В случае использования МR-технологии, т.к. энергия передается на строго определенной резонансной частоте, добротность системы выше, однако требуется очень точное согласование резонансных частот. При использовании обеих технологий изменение параметров в процессе работы должно строго контролироваться, т.к. они оказывают непосредственное влияние на эффективность передачи энергии.
В спецификациях WPC 1.1 оговаривается, что резонансная частота может быть выбрана в диапазоне 100…205 кГц, в спецификациях PMA – 277…357 кГц. При этом в существующих системах беспроводной зарядки типичное значение добротности составляет 30…50 . В решениях, реализованных в соответствие со спецификациями A4WP, т.к. частота строго фиксирована, значение резонансной частоты и импеданса между приемником и передатчиком должны быть строго согласованы. Обычно в MR-системах требуется обеспечить более высокие значения добротности (50…100 и более), в сравнении с MI-системами (рис. 8) .

Рис. 8. Зависимости диапазонов изменения нормированной резонансной частоты
для систем с разной добротностью

КПД системы является важнейшим фактором для устройств беспроводной передачи энергии. Независимо от значения КПД почти всегда можно обеспечить передачу заданного уровня мощности. Однако вопрос в том, какой ценой, и какими средствами. Чем больше КПД, тем меньше размеры и стоимость беспроводного зарядного устройства при той же передаваемой мощности. При зарядке смартфона от проводного адаптера (5 В) можно достичь КПД около 97%. В случае беспроводной зарядки такие показатели пока еще недостижимы, а то насколько они ниже зависит от многих факторов, в том числе и от расстояния. Увеличение расстояния между первичной и вторичной катушками вызывает снижение КПД любой системы. Однако в системах со слабосвязанными настроенными в резонанс катушками уменьшение КПД происходит намного медленнее в сравнении с системами с сильносвязанными катушками, что проявляется даже при применении катушек одинакового размера . Это отчетливо видно из результатов измерений, приведенных на рис. 9. В процессе испытаний использовались две пары катушек размерами 35×35 и 35×35 мм (соотношение площадей катушек 1:1) и – 171×130 и 55×36 мм (12:1). Еще большее преимущество в эффективности магнитно-резонансных систем достигается, когда первичная и вторичная катушка имеют разные размеры (12:1). В этом случае одну первичную катушку можно использовать для зарядки нескольких устройств и одновременно заряжать, например, три мобильных телефона. Системы с сильносвязанными катушками вообще не работают при соотношении 12:1.

Рис. 9. Эффективность систем, использующих разные технологии

Еще одно отличие технологий заключается в следующем. При использовании метода MI для формирования переменного тока в резонансном контуре первичной катушки применяется полумостовой или мостовой преобразователь, тогда как в методе MR – усилитель мощности. Архитектура усилителя мощности может модифицироваться в зависимости от частоты, КПД, тока потребления в режиме ожидания, размеров, стоимости и назначения устройства. Вместе с тем, при использовании этих методов следует уделять серьезное внимание снижению потерь на переключение, а также уменьшению паразитных потерь во внешних компонентах.

В зависимости от требований к входному напряжению и архитектуре системы, выбор технологии играет определяющую роль для оптимизации интегрированных решений. Как правило, в системе управления имеется несколько контуров регулирования, при этом стабильность общего контура управления определяет высокую производительность системы. При использовании MI- и MR-технологии хорошие показатели производительности могут быть достигнуты также за счет эффективного управления напряжением питания.

СТАНДАРТЫ

В настоящее время беспроводные зарядные устройства выпускаются в соответствии со спецификациями, предложенными альянсами WPC и PMA, в основу которых положена технология MI. Это спецификации Qi 1.0/Qi 1.1 (WPC) и PMA 1.0. В табл. 1 приведены некоторые рекомендации спецификаций WPC v. 1.1.2 (июнь 2013 г.), ориентированные на создание маломощных беспроводных зарядных устройств.

Таблица 1. Рекомендации спецификаций WPC v. 1.1.2

В WPC-спецификациях даны рекомендованные требования к мощности передатчика, кроме того, приведены значения индуктивности передающих катушек, диаметра и марки провода обмотки, габаритных размеров катушек, а также рекомендации по выбору материала магнитных экранов и их расположению. В некоторых случаях для более точного позиционирования катушек предусматривается наличие постоянных магнитов. Их тип, расположение и ориентация полюсов также регламентируется спецификациями. Кроме того, для каждого типа передатчика даны размеры передающих катушек и приведены рекомендации по структуре преобразователя, формирующего ток в первичной катушке. Приведены также параметры PID-регулятора и его структурная схема.
Согласно WPC-спецификациям передатчик содержит мостовой или полумостовой DC/AC-преобразователь, формирующий ток, и собственно обмотку. В WPC-спецификациях предусмотрено использование двух типов передатчиков – А (А1…А18) и В (В1…В5), каждому из которых соответствует свой типоразмер катушек.
Передатчики типа А, как правило, содержат всего одну обмотку, она же всегда используется как активная. В случае если предусмотрено несколько или реализован линейный массив обмоток (например, как в А6 с частичным перекрытием), только одна из обмоток подключается к преобразователю. Именно та из массива, которая в текущий момент обеспечивает наиболее эффективную передачу энергии приемнику. Выбор необходимой обмотки выполняется на начальном этапе обмена данными с приемником.

Такой подход позволяет в определенной степени реализовать концепцию свободного позиционирования приемника и передатчика, что дает возможность потребителям не беспокоиться о точном совмещении своего мобильного устройства с определенным участком поверхности зарядного устройства. В передатчиках типа А поддерживается работа только с одной активной обмоткой.
В передатчиках типа В, предусматривается возможность работы с несколькими обмотками из массива (т.е. допускается одновременное их подключение параллельно или последовательно), что обеспечивает возможность свободного позиционирования приемника на поверхности передатчика. Один преобразователь обслуживает только один приемник, однако не исключается возможность реализации нескольких преобразователей, при этом можно использовать незадействованные обмотки из массива.
На рис. 10 приведены структура и характеристики передатчиков типа А1 и А5.

Рис. 10. Структура передатчиков типа А1 и А5

Основные параметры катушек типоразмеров А1/А5, которые сегодня наиболее часто ис пользуются в выпускаемых устройствах беспроводной зарядки для мобильных потребительских устройств, а также катушки типоразмера В4, ориентированной на создание массива катушек, приведены на рис. 11 и в табл. 2.
Катушки типоразмера А1, А5 отличаются от А10, А11 только наличием постоянного магнита, который применяется для увеличения точности позиционирования передающей и принимающей обмоток, а также фиксации устройства на поверхности передатчика. Материал магнита – неодим, диаметр – 15.5 мм, индукция постоянного магнитного поля, создаваемого на поверхности передатчика – 100 мТл. Магнит размещается в пространстве, образованном внутренними витками обмоток, диаметр которых 20.5 мм.

Таблица 2. Основные параметры катушек типоразмеров А1 и А5

Рис. 11. Основные параметры катушек типоразмера А1 и В4

ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Для выпуска экономичных портативных беспроводных зарядных устройств необходима специализированная элементная база. В настоящее время ряд компаний-производителей выпускает ИМС для реализации технологии беспроводной зарядки в конечных изделиях (табл. 3). В их числе Freescale, Integrated Device Technology (IDT), Linear Technology Corporation (LT), Texas Instruments (TI) и др. Приведенные в табл. 3 передатчики предназначены для работы с катушками типоразмера A1, A5, A6, A10 и A11. Все ИС совместимы со спецификациями WPC 1.0/1.1. Приемник IDTP9021 (IDT) удовлетворяет рекомендациям двух спецификаций: WPC 1.0.1 и PMA Type 1. Все передатчики содержат встроенный контроллер. Микросхема LTC4120 (LT) не совместима со спецификациями WPC и создана в результате совместных усилий компаний LT и PowerbyProxi. ИМС LTC4120 не содержит встроенного контроллера, что существенно упрощает ее применение. Кроме ИМС ряд компаний выпускает также широкую номенклатуру плоских катушек, ориентированных на использование в беспроводных зарядных устройствах.