Bezprzewodowe ładowanie urządzeń przenośnych i pojazdów elektrycznych

Rys. 1. Zapewnianie współosiowości cewek dzięki wykorzystaniu magnesów zgodnym z Qi

Aktualnie największy potencjał ma rozwiązanie opracowane przez Wireless Power Consortium (WPC) przy współpracy z IEEE Industry Standards and Technology Organization (IEEEISTO) o nazwie Qi, zapewniające obsługę urządzeń wymagających niewielkiej mocy do ok. 5 W. Qi stał się wiodącym standardem bezprzewodowej transmisji energii w urządzeniach przenośnych i znalazł już praktyczne zastosowanie w urządzeniach przenośnych.

System składa się z dwóch cewek sprzężonych magnetycznie: nadawczej (Tx) umieszczonej w podkładce ładującej i cewki odbiorczej (Rx) zamontowanej w urządzeniu przenośnym. Skuteczna transmisja wymaga silnego sprzężenia, czyli maksymalnie bliskiego zbliżenia do siebie cewek na odległość do 10 mm. Wymusza to dokładne pozycjonowanie cewki nadawczej i odbiorczej względem siebie. Opracowano trzy metody pozycjonowania: zapewnianie współosiowości cewek przez wykorzystanie magnesów, pozycjonowanie z wykorzystaniem ruchomej cewki i pozycjonowanie z wykorzystaniem zestawu cewek.

Najprostsza technicznie jest metoda wykorzystująca magnesy do pozycjonowania cewek. Niemniej jednak, zaprojektowanie obwodu magnetycznego w jej przypadku stanowi duże wyzwanie. Wymagane jest bowiem umiejscowienie siły magnetycznej pośrodku cewki nadawczej tak, by przyciągała ona element magnetyczny znajdujący się pośrodku cewki odbiorczej (rys. 1). Siła wytworzona przez magnes znajdujący się w środku cewki Tx przyciąga element magnetyczny umieszczony pośrodku cewki Rx i pozycjonuje obie cewki względem siebie (lewa część rysunku).

Konstrukcja jest prosta, jednak zaprojektowanie obwodu magnetycznego jest wyzwaniem. Wymaga zastosowania wysokiej jakości materiałów magnetycznych w ekranie magnetycznym do ochrony baterii przed przegrzaniem oraz zapewnienia prawidłowej pracy całego systemu (prawa część rysunku).

Dodatkowo cewki Rx nie mogą otrzymać certyfikatu Qi, jeśli nie są w stanie pracować poprawnie w każdym z trzech funkcjonujących systemów transmisji energii bezprzewodowej. Taką funkcjonalność mają cewki firmy TDK, które zostaną zaprezentowane poniżej.

Zaawansowany materiał ferrytowy

Rys. 2. Porównanie materiałów magnetycznych

Dla cewki pozycjonowanej za pomocą magnesów konieczne jest zastosowanie wysokiej klasy materiałów magnetycznych, zdolnych do pracy przy częstotliwości 100-200 kHz z małymi stratami i o wysokiej przenikalności magnetycznej. Aby ograniczyć emisję w niepożądanych kierunkach, stosuje się dodatkowo ekrany magnetyczne.

Na rysunku 2 porównane zostały właściwości ferromagnetycznych materiałów metalicznych i ferrytów. Ferro-magnetyczne materiały metaliczne charakteryzują się wysoką gęstością strumienia nasycenia magnetycznego, jednak ze względu na niską rezystywność występują w nich duże straty spowodowane występowaniem prądów wirowych w zakresie wysokich częstotliwości. Dlatego zarówno ekran, jak i rdzeń cewki wykonane zostały z niskostratnego ferrytu.

Ekrany magnetyczne w smartfonach i innych urządzeniach przenośnych powinny być jak najcieńsze. Jeśli jednak będą zbyt cienkie, materiał magnetyczny może się nasycić, co ograniczy stopień ekranowania lub nie pozwoli na transmisję mocy na wymaganym dużym poziomie. Stąd dla urządzeń przenośnych kluczowe jest, aby w układzie ładowania stosować wysokiej klasy materiały magnetyczne, o wysokiej indukcji nasycenia i jednocześnie o niskich stratach w zakresie wysokich częstotliwości, szczególnie w ekranie magnetycznym cewki odbiorczej.

Ekran magnetyczny

Tabela 1. Oferta cewek Tx produkcji TDK

Ekran magnetyczny znajdujący się przy cewce odbiorczej (Rx), stosowany w rozwiązaniach pozycjonujących cewki za pomocą magnesu, pełni dwie funkcje. Stanowi barierę dla zmiennego strumienia magnetycznego wytwarzanego przez cewkę nadawczą (z uwagi na konieczność zachowania EMC) oraz chroni urządzenie przed negatywnym wpływem stałego strumienia magnetycznego wytwarzanego przez magnes pozycjonujący.

W smartfonach cewka nadawcza jest zwykle umieszczona pomiędzy tylną pokrywą urządzenia a baterią. Niewystarczające ekranowanie magnetyczne sprawia, że szybkozmienne pole magnetyczne dociera do obudowy baterii, która zwykle wykonana jest z aluminium. Strumień magnetyczny powoduje występowanie prądów wirowych na aluminiowej powierzchni i w efekcie do nagrzewania i strat. Rozwiązania komunikacyjne bez magnesów pozwalają na zastosowanie cieńszych ekranów magnetycznych, które są wystarczające przy ekranowaniu jedynie strumienia magnetycznego wytwarzanego przez cewkę nadawczą.

Oferta cewek Tx i Rx firmy TDK

Tabela 2. Oferta cewek Rx produkcji TDK

Aby sprostać wymaganiom stawianym systemom bezprzewodowego ładowania przez producentów urządzeń i użytkowników, firma TDK opracowała szeroki wachlarz cewek do obwodów pierwotnych i wtórnych układu bezprzewodowego ładowania zgodnych ze standardem Qi opracowanym przez WPC dla niskich poziomów mocy do 5 W, patrz tabela 1.

Są to cewki z magnesem pozycjonującym (zgodne ze standardami A1 i A9) oraz bez magnesu (zgodne ze standardami A10 i A11). Dostępny jest również liniowy zestaw cewek do ładowarek pozwalających na dowolne położenie urządzenia ładowanego. Wszystkie elementy z oferty TDK wykorzystują do ekranowania folię ferrytową zgodną ze standardami WPC. Dostępne są także niezwykle cienkie, elastyczne folie do użycia we własnej aplikacji.

Szeroki wachlarz cewek odbiorczych obejmuje elementy o grubościach 0,48-1,25 mm (tabela 2). Wszystkie elementy odbiorcze mogą być wykorzystane w układach pozycjonowanych magnesem. W ofercie można znaleźć także cewki z wbudowaną anteną komunikacji bliskiego zasięgu (NFC). Im mniejsza grubość cewki, tym oczywiście łatwiej zintegrować ją wewnątrz obudowy, gdzie jak wiadomo zawsze brakuje miejsca.

Farnell element14
www.farnell.com