Uniwersalny kontroler ładowarki bezprzewodowej

Rys. 1. Schemat działania bezprzewodowego systemu ładowania

Zasadę działania systemu zasilania bezprzewodowego pokazano na rysunku 1. Składa się on z dwóch części. Pierwszą stanowi stacjonarny nadajnik podłączony do sieci elektrycznej lub innego źródła energii (np. portu USB) mający cewkę zasilaną prądem przemiennym, pod wpływem którego powstaje zmienne pole magnetyczne przesyłane do odbiornika. W cewce odbiornika dochodzi do indukcji napięcia, które jest wykorzystane do zasilenia urządzenia mobilnego bądź naładowania akumulatora.

Kluczową sprawą jest kontrola tego procesu. Nietrudno zauważyć, że każde urządzenia wymaga innej mocy. Zapotrzebowanie to jest inne dla ładowarki akumulatorów w telefonie, a inne dla zasilacza od laptopa. Najprostsze rozwiązanie polegające na przesyłaniu dużych ilości energii tak, aby zaspokoić potrzeby każdego dołączanego urządzenia, nie jest optymalne.

Powstaje wtedy problem z nadmiarem mocy w mniej energochłonnym sprzęcie, co prowadzi do jej rozpraszania. Znajduje to przełożenie w dużych stratach i nagrzewaniu się elementów wchodzących w skład urządzenia. Problem jest mniej odczuwalny, gdy zasilacz bądź ładowarka jest dostosowana do konkretnego odbiornika.

Mimo to konieczne jest uwzględnienie zmiennych warunków otoczenia, w jakich system zasilający ma pracować. Pod uwagę należy wziąć rozmiar cewek, pojemności, częstotliwość, odległości między nadajnikiem i odbiornikiem. Wpływ na sprawność ma również rozrzut tych parametrów i zmiana ich właściwości w czasie eksploatacji.

Dzięki postępowi techniki, możliwe stało się zbudowanie kontrolerów takich systemów wyposażonych w mechanizmy adaptacyjne. Parametry takie jak częstotliwość rezonansowa czy moc nadajnika są na bieżąco korygowane, aby zapewnić maksymalną sprawność. Pozwala to dostosować transmisję energii do potrzeb odbiornika.

System jest w efekcie bardziej elastyczny i nie musi mieć wydajności odpowiadającej zapotrzebowaniu urządzenia o największej mocy. Tym samym możliwe staje się zasilanie z jednego nadajnika urządzeń różnego typu: laptopów, telefonów komórkowych, telewizorów, zestawów słuchawkowych, odtwarzaczy MP3, zabawek.

Nowy kontroler dwustandardowy

Rys. 2. Schemat blokowy kontrolera STWBC

Nowy sterownik STWBC firmy ST Microelectronics przeznaczony jest do budowy systemów bezprzewodowego ładowania akumulatorów (WBC - wireless battery charger) dla szeroko rozumianych urządzeń przenośnych. Układ zapewnia wyjątkowo dużą elastyczność aplikacyjną oraz wysoką sprawność i jest w pełni zgodny z dwoma najpopularniejszymi na rynku standardami Qi Wireless Power Consortium oraz PMA (Power Matters Alliance).

Co więcej, STWBC jest jednym z pierwszych układów tego typu na rynku, które otrzymały certyfikat Qi 1.1.2 A11. STWBC realizuje wszystkie kluczowe funkcje związane z nadajnikiem, precyzyjnie regulując parametry nadawanego sygnału bezprzewodowego po to, aby osiągnąć największą sprawność i ograniczyć wzrost temperatury elementów podczas ładowania (rys. 2).

Cyfrowe łącze komunikacyjne pomiędzy odbiornikiem a nadajnikiem pozwala na wykrywanie metalowych obiektów w pobliżu odbiornika (FOD - foreign object detection), które mogłyby zakłócić transmisję i w takim przypadku automatycznie wyłącza nadajnik.

STWBC jest zasilany napięciem 5 V i może dostarczyć do 5 W mocy do odbiornika, przy czym stopień mocy może pracować zarówno w topologii półmostkowej jak i pełnomostkowej, co pozwala na obsługę aplikacji o mniejszej lub większej mocy z podobną sprawnością.

Jako nieliczne na rynku rozwiązanie, układ zawiera oprogramowanie firmware pozwalające na personalizację produktu bez konieczności wykorzystania zewnętrznego mikrokontrolera, co ogranicza znacznie koszt realizacji. Producent dostarcza oprogramowanie w postaci pliku binarnego, który zapisuje się w wewnętrznej pamięci sterownika o pojemności 32 KB.

Dostęp do wewnętrznego firmware'u układu, opcji konfiguracyjnych realizowany jest za pomocą funkcji API i interfejsu I²C lub UART. Możliwe jest także połączenie w sieć kilku układów nadajników, dzięki czemu można ładować kilka urządzeń jednocześnie. Układ pracuje w zakresie temperatur pracy od -40 do 105°C i jest dostępny w obudowie VFQFPN32, a jego cena dla 1000 sztuk została ustalona na ok. 3 dolarów.

Fot. 3. Zestaw ewaluacyjny STEVAL-ISB027V1

Aplikację sterownika STWBC ułatwiają przygotowane przez producenta zestawy ewaluacyjne takie, jak STEVAL-ISB027V1 (fot. 3) ilustrujące wykorzystanie układu do realizacji certyfikowanego z Qi 1.1.2 A11 systemu zasilania dla telefonów komórkowych zgodnych z Qi, biblioteki funkcji API oraz oprogramowanie, które pozwala monitorować przepływ energii i diagnozować problemy z poziomu komputera PC (np. obecność obiektów zakłócających).

Warto zauważyć, że wiele istniejących na rynku systemów ładowania bezprzewodowego, które najczęściej wykorzystywane są do ładowania telefonów komórkowych, boryka się z wieloma problemami. Najczęściej mają one małą moc wyjściową, co znacznie przedłuża czas ładowania w porównaniu do klasycznych ładowarek przewodowych, nierzadko łącze jest bardzo wrażliwe na wzajemne położenie anteny nadawczej i odbiorczej, zmuszając użytkownika do wielu manipulacji, co ogranicza swobodę korzystania z takiej ładowarki.

Układ STWBC wiele tych wad eliminuje, bowiem już w podstawowym rozwiązaniu aplikacyjnym ma 5 W mocy wyjściowej i sygnalizuje obecność obiektów zakłócających transfer energii, np. przypiętego do obudowy metalowego breloczka.

Aplikacja demonstracyjna

Rys. 4. Schemat stopnia mocy nadajnika

Aplikacja ładowarki składa się z kilku elementów funkcjonalnych. Główną częścią jest oczywiście sterownik odpowiedzialny za generowanie przebiegów sterujących dla stopnia mocy i demodulację informacji zwrotnej z odbiornika. Do sterownika dołączone są dwie diody LED sygnalizujące proces ładowania i ew. błędy.

Oprócz kontrolera pełna aplikacja wymaga dodania stopnia mocy, a więc czterech tranzystorów tworzących układ pełnomostkowy wraz z driverami zapewniającymi poprawne sterowanie tranzystorów górnych i dolnych mostka. Do wyjścia dołączona jest płaska cewka wielozwojowa odpowiedzialna za przekazywanie energii do odbiornika. Układ pełnomostkowy zapewnia maksymalne wykorzystanie napięcia zasilającego 5 V. W przypadku, gdy wymagania co do transmitowanej mocy są mniejsze, można wykorzystać układ półmostkowy, mniej skomplikowany, ale zapewniający mniejszą moc wyjściową.

Sygnał zwrotny nadawany przez odbiornik (czyli zasilane urządzenie) dociera do kontrolera z wykorzystaniem tego samego zestawu cewek. Zaindukowane napięcie jest kondycjonowane, a następnie wzmacniane za pomocą dodatkowego wzmacniacza operacyjnego pracującego w układzie z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, co zapewnia stałą wartość bez względu na jakość komunikacji (tzn. położenie wzajemne cewek). Sygnał zwrotny jest następnie dostarczany na wejście kontrolera (rys. 4).

Na koniec warto wspomnieć o cewkach, czyli elementach bezpośrednio odpowiedzialnych za przekazywanie energii. Mają one postać płaskiej spiralnej wielozwojowej konstrukcji o średnicy około 55 mm i grubości 6 mm. Cewka w stacji bazowej nawinięta grubszym drutem po to, aby ograniczyć straty mocy związane z jej rezystancją - ma 24 µH (0,1 Ω) i pozwala na zasilanie prądem o maksymalnej wartości 6,3 A.

Cewka po stronie odbiorczej ma podobny wygląd, ale jest nawinięta cienkim drutem po to, aby nie powiększała znacząco ciężaru urządzenia. Cewki są ze sobą silnie sprzężone podobnie jak uzwojenia w transformatorze, aby ograniczyć poziom emitowanych zaburzeń EM. Kontroler stale monitoruje stopień sprzężenia cewek i dobiera moc w nadajniku, aby nie przekroczyć dopuszczalnego poziomu emisji.

Innymi słowy nie ma możliwości, aby bezprzewodowa ładowarka emitowała pole EM bez żadnych ograniczeń. Oprócz tego używa się cyfrowej pętli sterującej, reagującej na zmiany obciążenia poza układem sprzężenia transformatorowego. Dzięki takiej kombinacji dostosowawczego sprzężenia indukcyjnego z pętlą cyfrową obwód zasilania urządzenia może je podtrzymywać nawet, gdy urządzenie przesunie się o kilka centymetrów.