ТЕХНОЛОГИЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ, часть 3

ВВЕДЕНИЕ

Сфера применения беспроводных зарядных устройств не ограничивается только зарядкой аккумуляторов высокотехнологичных гаджетов. Область их применения значительно шире (см. рис. 1). Кроме потребительского рынка электроники беспроводные зарядные устройства могут успешно применяться в разных отраслях промышленности. Это медицинские приборы, сети беспроводных датчиков, автотранспортные средства, светодиодное светотехническое оборудование и многое др.

Рис. 1. Сферы применения беспроводных зарядных устройств

В статье рассматриваются интегральные микросхемы ведущих производителей, ориентированные на использование в маломощных беспроводных зарядных устройствах, предназначенных, главным образом, для потребительской электроники. Многие из нас давно являются обладателями смартфонов, планшетных компьютеров, цифровых фото- и видеокамер, мобильных телефонов и прочих интеллектуальных гаджетов. Благодаря применению беспроводных зарядных устройств процесс зарядки осуществляется «на расстоянии», т.е. без использования проводов.
Рассматриваемые микросхемы, выпускаемые ведущими производителями (Freescale, Integrated Device Technology, Texas Instruments и др.) соответствуют спецификациям, предложенным международным отраслевым консорциумом Wireless Power Consortium (WPC) .

СТАНДАРТЫ

В настоящее время большинство беспроводных зарядных устройств выпускается в соответствии с WPC-спецификациями, в основу которых положена технология MI (Magnetic Induction – магнитной индукции). Далее рассматриваются некоторые рекомендации спецификаций WPC v. 1.1.2 (июнь 2013 г.), ориентированных на создание маломощных (до 5 Вт) беспроводных зарядных устройств. В этих спецификациях рекомендуется использование сильно-связанных катушек (tightly-coupled) с коэффициентом связи k = 0.1-1.0. В WPC-спецификациях приведены требования к мощности передатчика, кроме того, определены значения индуктивности катушек, диаметр и марка провода обмотки, габаритные размеры катушек, а также даны рекомендации по выбору материала магнитных экранов и их расположению. Также оговаривается и диапазон частот (100…205 кГц) тока возбуждения катушки передатчика.

Рис. 2. Геометрические размеры и взаимное расположение катушек

Поскольку почти все рассматриваемые микросхемы передатчиков предназначены для использования с первичными (передающими) катушками типоразмера A1, A5, A6, A10 и A11, их основные параметры приведены на рис. 2 и в табл. 1. Как видно из данных, привемоткой первичной катушки включается датчик тока, который используется для измерения тока, протекающего через эту катушку, причем измерение тока должно выполняться с разрешающей способностью не хуже 7 мА. Регулирование уровня мощности осуществляется за счет изменения частоты и/или скважности импульсов тока в первичной катушке (рекомендованное значение коэффициента заполнения – 50%). В передатчике типа А2 производится измерение напряжения на резонансном контуре, а изменение уровня мощности осуществляется за счет изменения как частоты импульсов тока, так и напряжения питания DC/AC-преобразователя в диапазоне 3…12 В (рекомендованное напряжение питания при первоначальном включении – 8 В). Чтобы обеспечить регулировку мощности с заданной точностью, необходимо контролировать напряжение питания с разрешающей способностью не менее 50 мВ. В соответствии с рекомендациями спецификаций в приемнике также необходимо производить измерение напряжения на выходе выпрямителя и иметь возможность отключения нагрузки. Структурная схема приемника приведена на рис. 4 . На первый взгляд все достаточно просто.
Передача энергии осуществляется с использованием двух катушек с индуктивной связью. В спецификациях определены габаритные размеры катушек, а также расстояние между ними. Однако на практике возникает ряд проблем.

Рис. 3. Рекомендованная структура DC/AC-преобразователя передатчика типа А5
и рабочий диапазон частот передатчика

Это необходимость оптимального взаимного позиционирования передатчика и приемника, обнаружения посторонних предметов в пространстве вокруг передатчика, контроля уровня полезной мощности. Кроме того, имеются и другие факторы, влияющие на эффективность передачи энергии. Чтобы решить эти проблемы, необходим канал связи между приемником и передатчиком. Естественно, чтобы канал связи не усложнял систему беспроводной зарядки, он должен содержать общие элементы с каналом передачи энергии, т.е. первичную и вторичную катушки. Простейший способ реализации однонаправленного канала связи – состоит в использовании модуляции тока, протекающего через первичную катушку, что относительно просто достигается за счет изменения внесенного импеданса, т.е. в цепи нагрузки вторичной катушки следует обеспечить возможность ее изменения. Такой механизм называется модуляция нагрузки. Аналогичный метод применяется в системах ближней связи типа NFC (Near Field Communication), в которых максимальная скорость передачи данных достигает 424 Кбит/с на расстоянии до 10 см. В технологии беспроводной зарядки, базирующейся на WPC-спецификациях, передача данных происходит на фиксированной частоте, а скорость передачи составляет всего 2 Кбит/с. Для передачи данных используется денных в таблице, катушки типоразмера А1 и А5 отличаются от А10, А11 только наличием постоянного магнита. Катушки А6 могут располагаться в ряд, что позволяет формировать линейный массив катушек. Рекомендуемое взаимное расположение передающей и принимающей катушек типоразмера А1 показано на рис. 2 .

Рис. 4. Структурная схема приемника

Рекомендованная структурная схема DC/AC-преобразователя передатчика типа А5 приведена на рис. 3. Как следует из схемы, при номинальном значении емкости конденсатора (0.4 мкФ) и индуктивности катушки (6.3 мкГн) частота резонанса составляет 100 кГц. Передача энергии в соответствии с WPC-спецификациями осуществляется в диапазоне частот 110…205 кГц. При снижении частоты тока возбуждения первичной катушки напряжение на резонансном контуре увеличивается и наоборот при увеличении частоты – снижается (рис. 3). Для контроля и регулирования уровня мощности в передатчике в WPC-спецификациях предусмотрено использование PID-регулятора. Его основные параметры и структура регламентируются спецификациями. Для измерения уровня генерируемой мощности и контроля режима работы передатчика в зависимости от его типа осуществляется мониторинг тока, протекающего через первичную катушку, либо напряжения на резонансном контуре первичной катушки.

Таблица 1. Основные параметры катушек разного типоразмера

Например, в передатчиках типа A1, A5 последовательно с об следующий способ В результате изменения нагрузки в цепи вторичной катушки происходит изменение внесенного импеданса, что вызывает соответствующее изменение тока в первичной катушке и напряжения на резонансном контуре (рис. 5).

Рис. 5. Изменение напряжения на контуре при модуляции нагрузки

Таким образом, в результате модуляции нагрузки, ток в первичной катушке (или напряжение на контуре) может принимать два значения, которые согласно WPC-спецификациям обозначаются как HI и LO. Разница тока (ΔI) или напряжения (ΔV) между этими значениями должна быть не менее 15 мА или 200 мВ, соответственно. По сути, для передачи данных используется классическая амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying – ASK). Метод кодирования и структура передаваемых от приемника к передатчику пакетов данных приведены на рис. 6. Преамбула содержит минимум 11 и максимум 25 бит, заголовок – 1 байт, сообщение – от 1 до 27 байт, контрольная сумма – 1 байт.

Рис. 6. Метод кодирования и структура передаваемых пакетов данных

Модуляция нагрузки может быть достаточно просто реализована с использованием как дополнительного коммутируемого резистора, так и коммутируемых конденсаторов, подключаемых определенным образом к резонансному контуру приемного устройства. В WPC-спецификациях предлагается использовать два типа приемников, для которых рекомендованы параметры и размеры катушек, а также варианты возможной реализации модуляции нагрузки. Структуры передатчика и приемника, обеспечивающего модуляцию тока в первичной катушке, приведены на рис. 7.

Рис. 7. Структуры передатчика и приемника системы беспроводной зарядки

В магнитно-резонансной технологии (MagneticResonant – MR), продвигаемой альянсом
Alliance for Wireless Power (A4WP), используются слабосвязанные катушки и более добротные резонансные контуры. Частота тока возбуждения первичной катушки составляет 6.78 МГц. Вследствие ряда причин метод передачи данных, основанный на модуляции нагрузки, неприемлем. В A4WP-спецификациях рекомендуется использование двунаправленного канала связи на частоте 2.4 МГц в соответствие со стандартной технологией Bluetooth Low Energy (BLE).
Передача данных от приемника к передатчику осуществляется не только в процессе регулирования уровня мощности, генерируемой первичной катушкой. При первоначальном подключении приемника и инициализации передатчика, данные, получаемые от приемника, имеют первостепенное значение. Процесс подключения проходит в четыре фазы и включает: выбор передатчика, проверку доступности передатчика, идентификацию приемного устройства и конфигурирование режима работы, собственно передачу энергии. В первой фазе при выборе передатчика приемное устройство передает запрос. Далее осуществляется проверка доступности передатчика. Если передатчик «свободен», осуществляется переход к идентификации устройства и конфигурированию режима работы передатчика.
В этом режиме приемник передает информацию о напряжении питания и токе потребления, чтобы сконфигурировать передатчик. На четвертом этапе осуществляется передача энергии от выбранного передатчика к приемному устройству.
Для обнаружения объектов на поверхности передатчика в процессе первоначального подключения можно использовать различные методы, не требующие «пробуждения» приемника. Некоторые из них описаны в спецификациях WPC. Например, предлагаемый для применения в передатчиках типа А1 метод обнаружения заключается в том, что наличие «магнитно-активного объекта» вблизи поверхности передатчика приводит к изменению резонансной частоты первичного контура, что вызывает соответствующее уменьшение тока в первичной катушке. Если ток уменьшается ниже заданного порога, принимается решение о наличие объекта.

В WPC-спецификациях даны рекомендованные параметры генерируемых передатчиком радиоимпульсов, используемых в процессе работы алгоритмов обнаружения объектов.
Одна из проблем практического использования беспроводных зарядных устройств – это возможное наличие посторонних объектов на поверхности или в непосредственной близости к передатчику (рис. 8).

Рис. 8. Влияние постороннего предмета
на магнитное поле передатчика

Наличие посторонних предметов снижает эффективность системы зарядки, поскольку увеличиваются потери мощности. Кроме того, за счет вихревых токов может происходить нагрев этих предметов и соответственно устройства зарядки. Согласно рекомендациям в передатчике необходимо контролировать потери мощности, а также должна быть предусмотрена возможность его отключения, чтобы ограничить увеличение температуры, связанное с нагреванием постороннего предмета.
Принцип работы системы обнаружения посторонних предметов (Foreign Object Detection – FOD) заключается в сравнении генерируемой и полезной мощности. По каналу связи информация об уровне полезной мощности на выходе выпрямителя передается в передатчик. Суммарные потери мощности включают потери вовторичной катушке и конденсаторе, потери, вызванные наличием магнитного экрана, потери в выпрямителе, потери на вихревые токи в металлических предметах, окружающих приемник, а также другие виды потерь. Чтобы получить реальные значения потерь мощности в системе, необходимо выполнить соответствующую калибровку. В спецификациях WPC (Volume I: Low Power, Part 1: Interface Definition Version 1.1.2) не регламентируется какой-либо конкретный метод обнаружения посторонних предметов. Производители микросхем, как правило, применяют свои собственные запатентованные методы и многоуровневые алгоритмы обнаружения. Зачастую возможность обнаружения посторонних предметов является дополнительной функцией, которая не включается в стандартные прошивки .

ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Для производства 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. В их числе Freescale, Integrated Device Technology IDT), Linear Technology Corporation, NXP Semiconductor, Texas Instruments (TI), Toshiba. Поскольку все рассматриваемые микросхемы соответствуют спецификациям WPC, их характеристики во многом идентичны. Кроме ИМС ряд компаний выпускает также широкую номенклатуру плоских катушек, ориентированных на использование в портативных беспроводных зарядных устройствах.

FREESCALE

Компания Freescale в 2014 г. приступила к выпуску передатчиков MWCT1000 и MWCT1101, которые можно использовать совместно со стандартными приемниками других производителей, например, bq51013B (TI). Многофункциональный передатчик MWCT1101 содержит мощное 32-разрядное процессорное ядро 56800EX с максимальной тактовой частотой до 100 МГц, флэш-память объемом 64 Кбайт, SRAM-память – 8 Кбайт, 12-разрядные АЦП и ЦАП. Кроме того, предусмотрены четыре таймера, 12 ШИМ-каналов, аналоговый компаратор, а также контроллеры коммуникационных интерфейсов (CAN, I2C, SCI, SPI) и 54 порта ввода/вывода общего назначения (GPIO). Для определения местоположения, например, мобильного телефона на поверхности зарядного устройства, совместно с передатчиками MWCT1000/1101 может использоваться емкостный датчик касания типа MPR121 (Freescale). Однако его применение соответственно требует размещения дополнительного электрода на поверхности беспроводного зарядного устройства. Реализованный в передатчиках цифровой демодулятор позволяет использовать их с приемниками, поддерживающими разные способы модуляции тока в первичной катушке. Напряжение питания передатчиков 5, 12 или 19 В. Передатчик на базе ИМС MWCT1101 с использованием нескольких катушек показан на рис. 9.

Рис. 9. Передатчик на базе ИМС MWCT1101 с использованием нескольких катушек

ИС MWCT1000/1101 изготавливаются в корпусе типа 32-LQFP и 64-LQFP, соответственно, и предназначены для работы в диапазоне температур -40…85 °С.

INTEGRATED DEVICE TECHNOLOGY

Компания IDT одна из первых приступила к выпуску интегрированных решений, ориентированных на создание беспроводных зарядных устройств в соответствии с WPC-спецификациями. Вначале были выпущены передатчик IDTP9030 и приемник IDTP9020. В последние годы в результате их модификации появились и другие микросхемы, основные параметры которых приведены в табл. 2.

Таблица 2. Основные параметры ИМС компании IDT

NXP SEMICONDUCTOR

Компания NXP Semiconductor предлагает микросхемы NXQ1TXA1 и NXQ1TXA6 соответственно для реализации передатчиков типа А1/А10 и А6 в соответствии со спецификациями WPC v. 1.1.2. Эти ИМС отличаются усовершенствованным цифровым ASK-демодулятором, а также системой FOD, что гарантирует надежную связь с приемниками разного типа и защищает устройства зарядки от возможного перегрева. Для создания на базе микросхем NXQ1TXA1/XA6 полноценного беспроводного зарядного устройства с питанием от сети 220 В компания предлагает также использовать AC/DC-преобразователь TEA1720, полумостовой драйвер NWP2081 и МОП-транзисторы
NX2020N2. ИМС NXQ1TXA1/XA6 изготавливаются в корпусе типа HVQFN33 (7×7 мм).

TEXAS INSTRUMENTS

Компания Texas Instruments производит несколько микросхем передатчиков и приемников, основные параметры которых приведены в табл. 3 и 4. ИМС предназначены для реализации малогабаритных беспроводных за рядных устройств в соответствии со спецификациями WPC. В ряде случаев подача напряжения питания для передатчика может осуществляться через USB-порт. В приемниках USB-порт используется как альтернативный источник напряжения для зарядки.
Структура передатчика типа А6, созданного на базе ИМС bq500412, и зависимость его эффективности от выходной мощности приведены на рис. 10.

Таблица 3. Основные параметры передатчиков компании Texas Instruments

Таблица 4. Основные параметры приемников компании Texas Instruments

Рис. 10. Структура передатчика типа А6, созданного на базе ИМС bq500412

TOSHIBA

Компания Toshiba выпускает передатчик TB6865AFG и несколько типов приемников (TC7761WBG, TB6860WBG, TB6862WBG), совместимых с WPC-спецификациями. Микросхема TB6865AFG предназначена для реализации передатчиков типа А11/А12/А14 и поддерживает независимую работу с двумя приемниками. В передатчике TB6865AFG используется процессорное ядро ARM Cortex-M3. ИМС TB6865AFG изготавливается в корпусе типа LQFP-100 (размерами 14×14 мм с шагом выводов 0.5 мм).
Приемник TC7761WBG соответствует спецификации WPC 1.1. Встроенные в ИМС МОП-транзисторы с N- и P-каналом позволяют реализовать в зависимости от тока нагрузки выпрямитель, работающий в одном из трех режимов: синхронного детектирования, диодного моста или классического диодного выпрямителя. Переключение между режимами происходит автоматически. Приемник содержит также встроенный стабилизатор напряжения 5 В (1 А). Обмен данными с хост-процессором осуществляется через интерфейс I2С. ИМС TC7761WBG предназначена для работы в диапазоне температур -40…85 °С и изготавливается в корпусе типа WCSP-28 (2.40×3.67 мм).
Приемник TB6860WBG поддерживает высокоэффективные алгоритмы быстрой зарядки, что позволяет использовать его со многими типами аккумуляторов. ИМС TB6860WBG содержит также стабилизатор напряжения 3.3 В (60 мА), высокочастотный (3 МГц) понижающий напряжение DC/DC-преобразователь, синхронный выпрямитель и контроллер интерфейса I2C. Микросхема TB6860WBG предназначена для работы в диапазоне температур 40…85 °С и изготавливается в корпусе типа WCSP (4.25×2.65 мм).
Параметры микросхемы TB6862WBG во многом аналогичны параметрам TB6860WBG. Максимальная выходная мощность 5 Вт, ПД – 92%. ИС TB6862WBG не содержит контроллера зарядки, однако имеет встроенный высокоэффективный высокочастотный (3 МГц) DC/DC-преобразователь с регулируемым выходным напряжением.

LINEAR TECHNOLOGY

В отличие от других, рассматриваемых в статье, анонсированный в конце 2013 г. приемник LTC4120 (Linear Technology) не соответствует WPC-спецификациям. Этот приемник, созданный при участии специалистов компаний PowerbyProxi и Linear Technology, ориентирован на применение в промышленных и военных приложениях. Кроме того, он может использоваться в переносных медицинских и портативных диагностических приборах, осветительных и сигнализационных системах, а также в любых других приложениях, в которых крайне важно использование герметичных водонепроницаемых устройств во взрывозащищенном исполнении, исключающих также возможность искрообразования в процессе эксплуатации.
В приемнике LTC4120 реализована т.н. система динамического контроля согласования (Dynamic Harmonization Control – DHC), позволяющая оптимизировать передачу энергии от передатчика к приемнику, а также обеспечивающая защиту ИМС от перенапряжения на входе . Запатентованная система DHC обеспечивает ряд преимуществ в сравнении с другими системами беспроводной зарядки. При изменениях нагрузки осуществляется динамическое регулирование резонансной частоты контура приемной катушки, что позволяет достичь большей эффективности передачи энергии и, вместе с тем, уменьшить размеры приемника и снизить уровень электромагнитных помех. Таким образом, в отличие от других решений, используемых в беспроводных зарядных устройствах, система DHC позволяет реализовать управление уровнем мощности без использования специального цифрового канала связи между передатчиком и приемником и тем самым упростить построение систем беспроводной зарядки разного назначения.
Структура системы беспроводной зарядки с использованием ИМС LTC4120 приведена на рис. 11.

Рис. 11. Структура системы беспроводной зарядки на базе ИМС LTC4120

Преимущество данной системы следующее. Приемник LTC4120 не содержит встроенного контроллера и не требует программирования, что упрощает его применение. Вместе с тем наличие системы DHC обеспечивает необходимое регулирование уровня мощности при изменении параметров системы. Передатчик может быть реализован по стандартной схеме полумостового преобразователя.
Компания Linear Technology предлагает разработчикам воспользоваться оценочным модулем DC1969A, созданным на базе ИМС LTC4120. Кроме того, на web-сайте компании можно найти Spice-модель приемника LTC4120 для фирменной программы моделирования LTspiceIV. Использование программной модели позволяет в процессе моделирования выполнить проверку характеристик модели приемника в широком диапазоне изменения параметров электронных компонентов, температуры окружающей среды и т.п., что позволяет в конечном итоге ускорить разработку приемника беспроводной зарядки.
Максимальная выходная мощность 2 Вт, ток заряда аккумулятора регулируется на аппаратном уровне в диапазоне от 50 до 400 мА. Микросхема LTC4120 предназначена для работы в диапазоне температур -40…125 °С и изготавливается в корпусе типа QFN-16 (3×3 мм).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Беспроводные совместимые между собой зарядные устройства во многих случаях обеспечивают простоту и удобство их использования. Однако пока еще они не получили массового распространения на потребительском рынке электроники. Вместе с тем, согласно прогнозам авторитетного аналитического агентства IHS ожидается, что в 2023 г. суммарное количество приемников и передатчиков для беспроводной зарядки возрастет до 1.7 млрд единиц. Для сравнения в 2013 г. их количество оценивалось на уровне всего 25 млн единиц. Более полную информацию о системах беспроводной зарядки можно найти в .