Wireless charging technology

В статье дана краткая информация о технологии беспроводной зарядки. Кро­ме того, приведены сведения о стандартах и интегральных компонентах, ориентиро­ванных на использование в беспроводных устройствах зарядки.

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.

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) [1-7].

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 сильносвязанных катушек (tightly-coupled) с коэффициентом связи k = 0.1-1.0. В WPC-спе- цификациях 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.

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.

Таблица 1. Основные параметры катушек разного типоразмера

Option	А1	A5	А10	А11
	Одиночная катушка с магнитом		Одиночная катушка без магнита
Внешний диаметр ^0), мм	43	44	43	44
Внутренний диаметр мм	20.5
Толщина мм	2.1
Число витков(п)	10	10	10	10 (5 бифилярная)
Число слоев	2	1/2	2	1/2
Структура преобразователя	полумост	bridge	полумост	bridge
Индуктивность, мкГн	24	6.3	24	6.3
Напряжение, В	19	5	19	5

Как видно из данных, приведенных 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 [3].

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 DIP-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. Например, в пере­датчиках типа А1, А5 последовательно с обмоткой 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 [3].

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. 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 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).

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 (AI) или напряжения (AV) 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.

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.

В магнитно-резонансной технологии (Mag­netic Resonant – 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). 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 во вторичной 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 [5].

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 не скольких катушек показан на рис. 9. 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.

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 зарядных 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 2. Основные параметры ИМС компании IDT

Sender
Option	IDTP9035	IDTP9035A	IDTP9036A	IDTP9038
Типоразмер катушки	A5 A11	A5 A11	A5 A11	A1 A10
Напряжение, В	12	5		19
Спецификация	WPC 1.0.1	WPC 1.1
Диапазон рабочих температур, °С	-40.85
Body type	TQFN-48
Receptacle
Option	IDTP9021	IDTP9022	IDTP9023	IDTP9025
Спецификация	WPC 1.0.1; PMA 1	WPC 1.1	WPC 1.0.1; PMA 1	WPC 1.1
Вых. мощность, Вт	7.5	5
Вых. напряжение, В	5
Вых. ток, А	1.5	1
Interface	I2C
Диапазон рабочих температур, °С	-40.85
Тип корпуса, габарит­ные размеры, мм)	WLCSP-99 (4.65×4.86)	WLCSP-79 (4.06×3.9)		WLCSP-30 (3.07×2.57)

Таблица 3. Основные параметры передатчиков компании Texas Instruments

Option	bq500412	bq500212A		bq500211A		bq500210
Типоразмер катушки	A6	A5	A11	A5	A11	A1	A10
Магнит	–	+	–	+	–	+	–
Напряжение, В	12	5				19
Спецификация	WPC 1.1					WPC 1.0.2
ШВ-порт	–	+				–
Диапазон рабочих температур, °С	-40.110
Body type	QFN-48

Таблица 3. Основные параметры приемников компании Texas Instruments

Option	bq51013B	bq51050B	bq51051B
Спецификация	WPC 1.1
Выходное напряжение, В	5	4.2	4.35
Выходной ток, А	1.5
ШВ-порт	+
Температура кристалла, °С	-40…150
Body type	DSBGA-28, VQFN-20	WCSP-28, VQFN-20

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, КПД – 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 [6-7]. 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. 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 LTspicelV. 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 обес печивают 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 [1-7].

LITERATURE

1. Charging Batteries without Wires in a Compact & Efficient Manner. – EDN Europe. January 2014 (edn-europe.com).
2. Kamil A. Grajski, Ryan Tseng and Chuck Wheatley. Qualcomm Incorporated. Loosely- Coupled Wireless Power Transfer: Physics, Cir­cuits, Standards. – IEEE, 2012.
3. System Description Wireless Power Trans­fer. Volume I: Low Power. Part 1: Interface Def­inition Version 1.2. June, 2013.
4. Magnetic Induction or Magnetic Resonance for Wireless Charging? Bodo’s Power Systems, January, 2013.
5. Development of a Foreign Object Detection and Analysis Method for Wireless Power Sys­tems. – Fulton Innovation.
6. Wireless Power Receiver and 400mA Buck Battery Charger. – Linear Technol­ogy (www.linear.com/product/LTC4120).
7. http://powerbyproxi.com.

Author: В. Охрименко