Bezprzewodowe ładowanie - standardy i ich implementacje

Jeżeli zatem przyjmiemy, że liczba modeli smarftonów z daną funkcjonalnością jest miarą sukcesu danej technologii, to w przypadku techniki ładowania bezprzewodowego jak na razie o powodzeniu nie ma w ogóle mowy. Od 2014 roku bowiem, kiedy to w sprzedaży pojawiło się sporo smartfonów, które można było naładować w taki sposób, z roku na rok liczba takich modeli wciąż maleje.

Dwie organizacje, trzy standardy

Co do przyczyn takiego stanu rzeczy analitycy są w większości zgodni. Najważniejszymi powodami są: brak jednolitego standardu oraz brak kompatybilności pomiędzy różnymi istniejącymi standardami. Obecnie bowiem na świecie istnieją dwie największe organizacje standaryzujące technologie ładowania bezprzewodowego, natomiast obowiązujące w tym zakresie normy, które cieszą się największą popularnością, są aż trzy. W dalszej części artykułu przedstawiamy wybrane aspekty techniczne w tym obszarze.

Pierwszą organizacją jest Wireless Power Consortium (WPC). Stowarzyszenie to działalność rozpoczęło w 2008 roku. Opracowało ono wtedy standard Qi, w którym do transmisji energii elektrycznej na odległość wykorzystywane jest zjawisko indukcji magnetycznej. Chociaż koncepcja bezprzewodowej transmisji mocy powstała już ponad sto lat temu, opracowanie Qi było pierwszym znaczącym krokiem w kierunku jej komercjalizacji na potrzeby elektroniki użytkowej.

Cztery lata później do życia została powołana organizacja Power Matter Aliance (PMA). Z kolei to stowarzyszenie opracowało standard PMA, który też bazował na zjawisku indukcji magnetycznej. Pod względem technicznym rozwiązania Qi oraz PMA były bardzo do siebie podobne.

Również w 2012 roku działalność rozpoczęła trzecia organizacja - All For Wireless Power (A4WP). A4WP opracowała standard Rezence. W przeciwieństwie do Qi oraz PMA, w jego przypadku do transmisji energii elektrycznej na odległość wykorzystywane było zjawisko rezonansu magnetycznego.

Nowy-stary porządek

Od 2012 roku na świecie istniały zatem te trzy największe organizacje. W 2014 roku dwie z nich, PMA oraz A4WP, rozpoczęły negocjacje w sprawie połączenia, do którego ostatecznie doszło w czerwcu 2015 roku. W listopadzie 2015 roku oficjalnie ogłoszono powstanie nowej organizacji, AirFuel Alliance, która była wynikiem tej fuzji. Dzięki tej decyzji mogło się początkowo wydawać, że do ujednolicenia standardów w dziedzinie bezprzewodowego ładowania urządzeń elektronicznych jest już bliżej niż dalej. Niestety, okazało się, że było to mylne wrażenie.

Obecnie bowiem brak jest kompatybilności już nie tylko pomiędzy standardem sygnowanym przez WPC a standardami AirFuel Alliance, ale także między dwoma rozwiązaniami, które są równolegle rozwijane przez tę drugą organizację. Te ostatnie to AirFuel Inductive, bazujący tak jak standard PMA na zjawisku indukcji magnetycznej oraz AifFuel Resonant, wykorzystujący zjawisko rezonansu magnetycznego, podobnie jak Rezence organizacji A4WP.

Różnice i podobieństwa

Oba standardy, Qi i AirFuel Inductive, których podstawą jest zjawisko indukcji magnetycznej, są bardzo podobne, a zasadnicza różnica między nimi dotyczy częstotliwości pracy oraz protokołów komunikacyjnych. Częstotliwość pracy pierwszego z nich mieści się w przedziale 110-205 kHz, natomiast w przypadku drugiego w zakresie 235-275 kHz. Jeżeli chodzi o AifFuel Resonant, bazujący na rezonansie magnetycznym, to jego częstotliwość pracy wynosi 6,78 MHz.

Mimo różnic dzielących wymienione rozwiązania w zakresie zjawiska fizycznego wykorzystywanego do transmisji energii elektrycznej na odległość, pod wieloma względami są one do siebie podobne. Każdy z nich wymaga użycia cewki nadawczej (Tx) oraz cewki odbiorczej (Rx). W pierwszej wytwarzane jest zmienne pole magnetyczne, przez które sprzęga się ona z drugą cewką, co umożliwia przesył energii elektrycznej na niewielką odległość, która je dzieli. Obie technologie zaliczane są do grupy technik wykorzystujących sprzężenie magnetyczne (indukcyjne) i transmisję energii w polu bliskim.

Jak to działa?

Rys. 1. Przepływ prądu przez cewkę nadawczą wytwarza pole magnetyczne, które indukuje prąd w cewce odbiorczej

Jak wynika z rysunku 1, na skutek przepływu prądu przez cewkę nadawczą wokół niej wytwarzane jest pole magnetyczne. W bliskiej odległości od cewki Tx znajduje się cewka Rx. W niej z kolei pod wpływem pola magnetycznego indukuje się prąd.

Strumień magnetyczny jest miarą tego, jaka część pola magnetycznego przenika przez cewki Tx i Rx. Im jest ona większa, tym efektywniejsza jest transmisja energii między cewkami. Wyzwaniem dla projektantów układów ładowania bezprzewodowego jest zatem zaprojektowanie ich w taki sposób, żeby uzyskać jak największy główny strumień magnetyczny, który przenika przez cewkę Rx, co uzyskuje się przez ograniczenie strumienia rozproszenia dookoła cewki Tx, który nie obejmuje cewki odbiorczej.

W praktyce nie jest to łatwym zadaniem. Aby osiągnąć ten cel, uwzględnić trzeba bowiem szereg czynników. Te zaś są w różnych wzajemnych relacjach, często odwrotnych i nieproporcjonalnych.

Od czego zależy sprawność transmisji energii?

Wśród zmiennych, które mają wpływ na sprawność bezprzewodowej transmisji energii elektrycznej są najważniejsze to: rozmiar cewek nadawczej i odbiorczej, ich wzajemne położenie oraz odległość między nimi, materiał, z jakiego są wykonane cewki, ich średnica, długość, liczba ich zwojów i częstotliwość rezonansowa.

Pod uwagę trzeba również wziąć wpływ: efektu naskórkowości, efektu bliskości, tłumienia pola magnetycznego przez różne materiały i temperatury. W praktyce wszystkie te zmienne znajdują odzwierciedlenie w dwóch współczynnikach, które charakteryzują układ cewek sprzężonych magnetycznie. Są to: współczynnik sprzężenia k oraz dobroć Q. Obie te wielkości są bezwymiarowe. Bezpośrednio od nich zależy bowiem sprawność η przesyłu energii w polu bliskim w układzie cewek sprzężonych indukcyjnie. Wynika to z poniższej zależności:

gdzie k to współczynnik sprzężenia pomiędzy cewkami Tx i Rx, a Q1 i Q2 to dobroć, odpowiednio, cewki nadawczej oraz cewki odbiorczej.

Kiedy k = 1?

Im większa będzie wartość wyrażenia k² ⋅ Q₁ ⋅ Q₂, tym sprawność η będzie bliższa 1. W związku z wymienionymi wcześniej czynnikami niemożliwe jest jednak uzyskanie wartości tej wielkości dokładnie równej 100%. Na przykład typowo w przypadku przesyłu energii na odległość dzięki zjawisku indukcji magnetycznej sprawność sięga najwyżej 80%.

Współczynnik sprzężenia k oraz dobroć Q układu cewek sprzężonych magnetycznie to ważne parametry zarówno w przypadku technologii ładowania bezprzewodowego bazujących na zjawisku indukcji magnetycznej, jak i w metodach wykorzystujących zjawisko rezonansu magnetycznego. W każdym z tych przypadków jednak wpływają one na sprawność przepływu energii w różnym stopniu.

Jeżeli współczynnik sprzężenia k byłby równy jedności, oznaczałoby to, że całkowity strumień magnetyczny wytworzony w cewce nadawczej byłby skojarzony z cewką odbiorczą. Byłby to przypadek idealny. W rzeczywistości, ze względu na odstęp dzielący cewki Tx i Rx oraz ich wzajemne położenie, część strumienia wytworzonego w jednej cewce nie zostanie skojarzona z drugą cewką.

Jak zwiększyć współczynnik k? Czym jest Q?

W przypadku technologii ładowania bezprzewodowego bazujących na zjawisku indukcji magnetycznej współczynnik sprzężenia jest istotniejszy niż dobroć. Generalnie ma on największą wartość wówczas, gdy cewki nadawcza i odbiorcza są do siebie dopasowane pod względem kształtu oraz rozmiaru, są względem siebie wyrównane, a odstęp, jaki je dzieli, jest krótszy niż 1 cm.

Dobroć to z kolei stosunek energii zmagazynowanej w układzie do energii traconej w ciągu jednego okresu drgań. Im większa jest wartość tego parametru, tym straty te są mniejsze.

Dobroć ma większe znaczenie w przypadku technologii ładowania na odległość metodą rezonansu magnetycznego. W tym przypadku mieści się ona typowo w przedziale od 50 do nawet 100. Dla porównania, w przypadku technologii ładowania bezprzewodowego, dzięki zjawisku indukcji magnetycznej, zakres ten wynosi 30-50.

Specyfika ładowarek metodą rezonansu

Rys. 2. Ładowarki bazujące na metodzie rezonansu magnetycznego mogą jednocześnie ładować kilka odbiorników

Warto również dodać, że w ładowarkach bazujących na rezonansie magnetycznym cewki mają mniej uzwojeń, które muszą być rozmieszczone w odpowiedniej odległości od siebie. Jest to wymagane, aby można było ograniczyć efekt bliskości.

Zjawisko to polega na wzajemnym oddziaływaniu na siebie sąsiadujących przewodników, którego wynikiem jest wzrost ich rezystancji. To z kolei pogarsza sprawność transmisji energii.

Ponadto w przypadku ładowarek tego typu mała odległość pomiędzy cewką nadawczą a cewką odbiorczą nie jest priorytetem. W zamian cewka Tx ma na tyle duże rozmiary, że w zasięgu generowanego przez nią pola magnetycznego może się znaleźć nie jedna, a wiele cewek odbiorczych. Dzięki temu jedna ładowarka tego typu może równocześnie naładować wiele urządzeń. Ta ważna różnica pomiędzy ładowarkami obu rodzajów została zilustrowana na rysunku 2.

Przykład - WCT101xA

Rys. 3. Schemat funkcjonalny przykładowego układu z serii WCT101xA

Na rysunku 3 przedstawiamy schemat funkcjonalny układów z serii WCT101xA z oferty firmy NXP. Są to sterowniki nadajnika ładowarki bezprzewodowej, zgodne z WTC Qi. Monitorują one obecność odbiornika, wykrywając dotyk albo przez cykliczne sprawdzanie. Jeżeli odbiornik jest obecny, kontrolują transmisję energii, m.in. regulując napięcie zasilania, zgodnie z potrzebami sygnalizowanymi przez odbiornik.

Częścią układów z serii WCT101xA jest moduł demodulacji cyfrowej. Dzięki temu, że ten blok funkcyjny wbudowano w nadajnik, zmniejszono liczbę dodatkowych zewnętrznych elementów. Moduł demodulacji cyfrowej obsługuje dwukierunkową komunikację pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem (nadajnik-odbiornik FSK, odbiornik-nadajnik ASK). W układach WCT101xA zaimplementowano również zabezpieczenia przed przepięciami, przeciążeniami i przegrzaniem oraz algorytm FOD (Foreign Object Detection).

Gdy żaden odbiornik nie wymaga ładowania, sterowniki przechodzą w tryb stand-by, co ma na celu oszczędność energii w trakcie, kiedy ładowarka nie pracuje. Przejście w ten tryb pracy następuje w dwóch przypadkach. Pierwszy zachodzi w sytuacji, kiedy nadajnik nie wykrywa obecności odbiornika. W drugim przypadku odbiornik, po naładowaniu, wysyła wyłącznie komunikaty informujące nadajnik o zakończeniu odbioru energii (End Power Transfer Packet). W trybie stand-by nadajnik już tylko monitoruje, czy odbiornik znajduje się w zasięgu cewki nadawczej.

Współistnienie standardów w praktyce

Rys. 4. Schemat blokowy sterownika odbiornika bq51222

Z faktem, że obowiązuje kilka standardów ładowania bezprzewodowego, producenci układów elektronicznych próbują sobie radzić na różne sposoby. Przede wszystkim mają oni w swojej ofercie układy nadawcze i odbiorcze kompatybilne jednocześnie z kilkoma wersjami.

Dostępne są na przykład układy nadawcze i odbiorcze, które mogą pracować w jednym z dwóch trybów: zgodności z Qi albo PMA. Od niedawna można również kupić wersje kompatybilne z Qi oraz AirFuel Inductive.

Przykładem jest sterownik odbiornika bq51222 z oferty firmy Texas Instruments. Na rysunku 4 przedstawiono jego uproszczony schemat blokowy. Obsługuje on protokoły transmisji zgodne z WPC Qi oraz z PMA.

Innym przykładem jest z kolei układ STWLC33 firmy STMicroelectronics. Jest on kompatybilny z protokołami transmisji WPC Technika Qi i AirFuel Inductive. Może on pełnić funkcję sterownika odbiornika (do 15 W) lub nadajnika (do 5 W).

Jego wybrane cechy i komponenty to: zintegrowany prostownik synchroniczny, sprawność do 80% (5 V), 32-bitowy mikrokontroler z rdzeniem ARM Cortex 32 MHz, 32 KB pamięci FW, 8 KB RAM, 4 KB pamięć NVM do zapisu ustawień, timer PWM 32 MHz, 10-bitowy, 8-kanałowy przetwornik A/C, do 5 konfigurowalnych wejść GPIO, zintegrowany stabilizator napięcia 5 V, demodulatory FSK i ASK, interfejs I²C, ochrona przed przepięciem i przegrzaniem.

Monika Jaworowska