№8 / 2018 / статья 4

Заряжайте ваши гаджеты без проводов

Джим Харрисон (MAXIM Integrated)

Беспроводная зарядка – весьма удобная потребительская функция для персональных гаджетов с током заряда 0,2…3 А, а в случае некоторых типов портативных медицинских приборов этот способ зарядки является единственно возможным. Универсальная микросхема для беспроводной передачи энергии MAX77950 производства Maxim Integrated работает в обоих существующих стандартах беспроводной зарядки – WPC Qi и PMA.

Беспроводная зарядка имеет очевидные преимущества как в удобстве, что особенно актуально для устройств малого размера, так и в безопасности. А для некоторых имплантируемых медицинских приборов беспроводная зарядка – вообще насущная необходимость. Сейчас, когда iPhone и другие современные смартфоны уже в течение нескольких лет используют эту опцию, функция беспроводного заряда уже в скором времени может стать нормой.

Самые современные мобильные телефоны, включая IPhone 8 и X, Google Nexus, Samsung Galaxy и Nokia Lumia, имеют функцию беспроводного заряда. Умные часы и медицинские приборы априори должны иметь возможность заряжаться без проводов по той простой причине, что у них нет свободного места под разъем. А камеры и гарнитуры становится намного проще использовать благодаря этой функции.

К тому же, беспроводная передача энергии – это весьма практично. Сама по себе очень привлекательна идея положить свой мобильный телефон, часы, камеру или слуховой аппарат на специальную подставку на тумбочке перед кроватью и с утра использовать полностью заряженное электронное устройство. Это также удобно для многих промышленных приборов. Если вы разрабатываете какие-либо портативные устройства, то вам в любом случае стоит присмотреться к зарядке беспроводным способом.

Беспроводная зарядка может стать реальным подспорьем по сравнению с первичными (не заряжаемыми) элементами. Вместо того чтобы предусматривать свободное место под массивную батарейку, которую необходимо регулярно менять, можно применить литиевый аккумулятор меньших габаритов и заряжать его без проводов. Реализация этой функции проста и надежна. А специальные зарядные станции в скором времени будут доступны в ресторанах, кафе и аэропортах.

Стандарты беспроводной передачи энергии

Существуют два основных протокола беспроводной передачи энергии – это WPC (Wireless Power Consortium) Qi для малой мощности (v.1.2) и PMA SR1 v2.0 WP, называемый AirFuel. Стандарт WPC Qi, иногда именуемый «Chee», используется компанией Apple.

Устройства с логотипом Qi на корпусе должны гарантированно работать с сертифицированными передатчиками, расположенными в зарядных станциях, в автомобилях и со встроенными в офисные столы. Крайне важно для потребительской электроники, чтобы она была совместима и соответствовала единому стандарту для работы с зарядными станциями в различных местах – дома, в автомобилях, офисах, кафе и ресторанах, отелях и аэропортах. Такой подход является идеальным для различного рода бытовой электронной техники, однако для промышленных и медицинских приборов это может быть отнюдь не преимуществом и даже нести в себе угрозу безопасности.

Частоты, используемые для стандарта Qi, лежат в диапазоне 110…205 кГц для зарядников малой мощности (до 5 Вт) и в диапазоне 80…300 кГц для зарядников средней мощности (до 15 Вт). Спецификация стандарта Qi охватывает как зарядные базовые станции, так и устройства-приемники энергии. Базовые станции обычно имеют ровную поверхность, на которой можно расположить одно или несколько портативных устройств. Для того чтобы добиться максимального коэффициента связи между приемником и передатчиком, на станции обычно наносится специальная маркировка. Принимающее энергию устройство необходимо разместить на плоской поверхности базовой станции таким образом, чтобы катушки, встроенные в передающую и принимающую части, расположились параллельно друг другу с воздушным зазором менее 10 мм. Схема беспроводной передачи энергии представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема беспроводной передачи энергии

Рис. 1. Схема беспроводной передачи энергии

Базовая станция не активируется, пока на нее не будет помещено принимающее устройство. Зарядная станция самостоятельно определяет наличие приемника путем отправки тестового сигнала для проверки присутствия устройства, совместимого по стандарту Qi. Приемник в ответ отправляет информацию о силе полученного сигнала.

Приемное устройство посылает передатчику сигнал ошибки, который представляет собой значение, равное разнице между требуемым и актуальным уровнем энергии. Передатчик подстраивает свою выходную мощность таким образом, чтобы достичь нулевого отклонения уровня передаваемой энергии от уровня запрашиваемой. Все это происходит на скорости не более 2 кбит/с. Когда процесс заряда завершен — приемник сообщает передатчику об этом, и передатчик переходит в режим активного ожидания.

Стандарт PMA (Power Matters Alliance) SR1 (v.2.0), известный также как AirFuel, использует для работы другой диапазон частот, нежели стандарт Qi, а также работает с другим протоколом связи, хотя принцип работы приблизительно тот же. Сеть кофеен Starbucks использует PMA в своих зарядных станциях Powermat, хотя с недавних пор они обновили системы, включив в нее также и стандарт WPC Qi (после того, как компания Apple выбрала этот стандарт).

Проприетарный тип беспроводной зарядки NFMC (Near-Field Magnetic Coupling) имеет удивительные уровни внедрения, и в определенных применениях, например, в имплантируемых нейростимуляторах, этот способ зарядки применяется около 20 лет. С течением времени технология улучшалась. Миллионы единиц произведенной продукции используют данный способ зарядки.

Варианты реализации схемы

Несколько производителей выпускают специализированные микросхемы для реализации беспроводной передачи энергии. Компания Maxim Integrated предлагает микросхему MAX77950 – WPC/PMA-приемник энергии, работающий в двойном режиме. Данная микросхема отвечает требованиям как стандарта WPC Qi для малой мощности (v1.2), так и стандарта PMA SR1 v2.0 WP. На рисунке 2 представлена функциональная диаграмма микросхемы MAX77950. Работая с любым приемником WPC- или PMA-типа, данный чип обеспечивает выходную мощность до 12 Вт.

Рис. 2. Функциональная диаграмма микросхемы MAX77950

Рис. 2. Функциональная диаграмма микросхемы MAX77950

Приемная катушка соединяется внутри MAX77950 с синхронным выпрямителем, то есть таким образом выход соединяется с прецизионным LDO-регулятором. Цифровое управление и коммуникация для обоих стандартов реализуется через те же самые катушки индуктивности, через которые происходит и передача энергии. Прецизионная установка выходного тока и схема измерения напряжения микросхемы MAX77950 обеспечивает точную обратную связь для передающего устройства. У микросхемы есть также сигнал Power Good, который программируется для высокого и малого напряжений.

Рис. 3. Миниатюрный корпус микросхемы MAX77950

Рис. 3. Миниатюрный корпус микросхемы MAX77950

MAX77950 снабжена последовательным I²C-интерфейсом, который используется для коммуникации между микросхемой и центральным процессором. Микросхема также имеет функцию обнаружения посторонних объектов (Foreign Object Detection, FOD), таким образом, устройства, которые не поддерживают стандарт WPC/PMA, или другие посторонние объекты будут игнорироваться. Если устройство-приемник перемещается над поверхностью передатчика или чрезмерно быстро прикладывается к этой поверхности, может произойти перенапряжение. Для предотвращения таких случаев микросхема имеет функцию защелки для ограничения напряжения на выходе выпрямителя.

Специальной функцией является работа микросхемы-приемника MAX77950 в качестве передатчика, что позволяет запитывать другое устройство с использованием внутриполосной коммуникации методом амплитудной манипуляции (Amplitude Shift Keyed signal, ASK). Этот режим называется PeerPower™.

Микросхема выпускается в миниатюрном корпусе WLP размером 6х9 мм (рисунок 3) и имеет диапазон рабочих температур окружающей среды -40…85°C. Доступна также оценочная плата MAX77950EVKIT, представленная на рисунке 4.

Рис. 4. Оценочная плата MAX77950EVKIT

Рис. 4. Оценочная плата MAX77950EVKIT

Другой достойный внимания способ передачи энергии

Резонансный способ беспроводного заряда потенциально предлагает заряд на больших расстояниях и большей мощности – до 5…10 кВт, что может использоваться для заряда аккумуляторов электромобилей. Данная техника передачи энергии является весьма многообещающей, и обе организации по стандартизации уже добавили резонансную технологию в свои спецификации, в частности, в версию 1.2 стандарта Qi. Из отчетов о данном методе выяснилось, что на расстояниях 8…12 дюймов КПД передачи составляет 75%. Наиболее известные компании, работающие в этой области – WiTricity и Qualcomm.

Выбор типа аккумулятора

В качестве элементов питания, в зависимости от типа электронного устройства, можно рассмотреть либо никель-металлгидридные (NiMH), либо литий-ионные (Li-Ion), либо даже серебряно-цинковые (Ag-Zn) аккумуляторы. Серебряно-цинковые аккумуляторы по преимуществу используются в слуховых аппаратах. Они имеют малую емкость и привлекательную цену. Однако у них большая плотность энергии, чем у других типов аккумуляторов, и их емкость ограничена 200 мА·ч. Поскольку имеются различные виды серебряно-цинковых аккумуляторов, точные параметры конкретного изделия лучше проверить по документации.

Никель-металлгидридные аккумуляторы стоят немногим меньше, чем литиевые, но при этом имеют меньшую плотность энергии и, к тому же, обеспечивают всего 1,2 В на ячейку. Аккумуляторы NiMH, как правило, выпускаются в стандартных корпусах типа A, AA, AAA и 2/3AA.

Литий-ионные аккумуляторы выпускаются в любых типоразмерах. Например, аккумулятор компании Panasonic ML-1220 цилиндрического типа имеет размер 12,5х2,0 мм, емкость 17,7 мА·ч и вес 0,11 г. Этот 3-вольтовый литий-марганцевый аккумулятор имеет ток утечки всего 30 мкА. Существует несколько типов литиевых аккумуляторов с номинальным напряжением 3,0…3,7 В.

Беспроводная зарядка – отличная опция

Дополнительная функция беспроводного заряда – отличная опция для любого маломощного портативного устройства. Производители микросхем и сообщества беспроводной передачи энергии основательно доработали это техническое решение. Общая стоимость компонентов вполне доступна, а сами компоненты легко найти на рынке. Однако для устройств более высокой мощности беспроводная зарядка может быть непрактичной. Если разрабатываемое устройство имеет диапазон мощности заряда в пределах 1…15 Вт, то вам непременно стоит присмотреться к беспроводному способу заряда.

Оригинал статьи

 

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее