Bezpieczne rozwiązania bezprzewodowego zasilania

Coraz więcej urządzeń elektronicznych korzysta z zasilania bezprzewodowego, bo zapewnia ono mobilność i wygodę. Rynek produktów tego typu rośnie w szybkim tempie i prognozuje się, że do 2025 roku średnia ważona stopa wzrostu sprzedaży będzie wynosiła około 30%, przynosząc obroty 27 mld dol. w 2025 roku. Firma Infineon, we współpracy ze Spark Connected, oferuje kompletne rozwiązania układowe do systemów bezprzewodowego ładowania ze specjalizowanym kontrolerem, w tym oprogramowanie, tranzystory mocy, sterowniki, układy scalone i projekty referencyjne zoptymalizowane pod kątem wymagań typowych aplikacji.

Projektanci produktów z ładowaniem bezprzewodowym stoją przed wieloma wyzwaniami. Oprócz problemów związanych z umieszczeniem cewek sprzęgających i ich oddziaływaniem z otaczającymi sprzęt konstrukcjami, muszą zapewnić dużą sprawność transmisji energii, małe wymiary całości i to, aby system zasilania nie wywołał problemów z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Na szczęście dzięki zoptymalizowanym komponentom i nowoczesnym cewkom oraz dołożeniu starań w celu zapewnienia silnego sprzężenia i małej odległości, można osiągnąć dobry współczynnik sprzężenia, a więc dużą moc i niskie straty. Ważne jest ponadto, aby metalowe przedmioty (takie jak monety i klucze), które mogą stworzyć problem z transmisją energii podczas ładowania, były niezawodnie wykrywane za pomocą funkcji Foreign Object Detection (FOD).

Jak działa ładowanie bezprzewodowe?

Ładowanie bezprzewodowe wykorzystuje zmienne pole magnetyczne i parę sprzężonych indukcyjnie cewek do przesyłania energii między dwoma obiektami. Skuteczność transmisji energii zależy od wielu parametrów, w tym konstrukcji mechanicznej cewek, wzajemnego odstępu (a więc też montażu w obudowie) i wzajemnego położenia między sobą (wyrównania). Gdy cewki są ułożone równo centralnie jedna nad drugą i znajdują się blisko siebie, bezprzewodowa transmisja mocy jest prawie tak wydajna, jak ładowanie przewodowe.

 

Rys. 1. Aplikacje do ładowania bezprzewodowego zapewniają użytkownikom wygodę korzystania

Systemy ładowania bezprzewodowego składają się z nadajnika i odbiornika. Pierwszy zawiera falownik z tranzystorami mocy MOSFET, który generuje przebieg przemienny zasilający cewkę nadajnika i wytwarzający zmienne pole magnetyczne. Aby zapewnić wymaganą elastyczność i funkcjonalność, stopień mocy falownika jest sterowany przez specjalizowany kontroler, który w czasie rzeczywistym zmienia parametry przebiegu nadajnika. Odbiornik poza cewką zawiera prostownik dostarczający prądu stałego oraz stabilizator dostarczający napięcia o niezmiennej wartości. Większość odbiorników zawiera również kontroler, który jest odpowiedzialny za ogólne zarządzanie systemem zasilania i sygnalizację stanu do hosta.

Do bezprzewodowego przesyłania energii z użyciem zmiennego pola magnetycznego powszechnie stosuje się dwie technologie – indukcyjną i rezonansową. Za nimi kryją się dwie organizacje zajmujące się normami w tych obszarach: Wireless Power Consortium (WPC) i AirFuel Alliance, a główne różnice przedstawiono w ramce.

Konsorcjum Wireless Power Consortium (WPC) promuje wiodący na rynku standard ładowania bezprzewodowego Qi. Wykorzystuje on technologię indukcyjną, a w kolejnych wersjach będzie też zawierać certyfikowany standard uwierzytelniania odbiorników i nadajników. Do takich zadań Infineon przygotował gotowe rozwiązanie zabezpieczające OPTIGA Trust Qi.

Nadajnik z jedną cewką jest najbardziej rozpowszechnionym rozwiązaniem indukcyjnego zasilania bezprzewodowego na rynku. Działa on w zakresie częstotliwości 80–205 kHz, wymaga zapewnienia dobrego wyśrodkowania (centralnego ułożenia) ładowanego urządzenia w stosunku do cewki nadajnika i jest w stanie ładować tylko jedno urządzenie na raz. Zaletą jest tutaj duża sprawność, która dla tego typu ładowania może się równać z tym osiąganym w ładowaniu przewodowym. Rozszerzenie nadajnika o kolejne cewki pozwala zapewnić to, aby pozycjonowanie odbiornika było znacznie mniej precyzyjne bez spadku wydajności poprzez wykrywanie, która cewka znajduje się najbliżej odbiorczej i odpowiednio skierować moc.

Stowarzyszenie AirFuel rozwija głównie technologie rezonansowe. Ładowarki tego typu pracują na dużej częstotliwości 6,78 MHz, dzięki czemu można osiągnąć znacznie większy dystans między cewkami wynoszący około 50 mm. W tym rozwiązaniu za pomocą jednej większej cewki nadajnika można ładować nawet kilka urządzeń, a dla pojedynczego odbiornika duża cewka zapewnia również większy aktywny obszar ładowania lub większą swobodę pozycjonowania w porównaniu z rozwiązaniami indukcyjnymi. To rozwiązanie nadaje się też do urządzeń, które zawierają liczbę metalowych detali, złożone kształty (w przeciwieństwie do smartfonów).

Niemniej ładowanie rezonansowe nie jest pozbawione wad. Duża częstotliwość pracy wymusza użycie zaawansowanych tranzystorów mocy o małych pojemnościach bramki, tak aby możliwe było zapewnienie czasu przełączania rzędu 150 ns. W układzie ładowarki koniecznie jest zapewnienie minimalnych pojemności pasożytniczych i szerokiego zakresu regulacji napięcia wyjściowego w wyjściowym stabilizatorze.

Dzięki współpracy z firmą Spark, Infineon jest jedyną firmą, która oferuje zarówno technologie indukcyjne, jak i rezonansowe, umożliwiając konstruktorom tworzenie niestandardowych rozwiązań, które są w stanie spełnić wszystkie wymagania aplikacji (rys. 2). Obie technologie mogą być wykorzystywane w wersji obsługującej standard branżowy lub tworzyć rozwiązanie własnościowe, w zależności od potrzeb rynku

 

Rys. 2. Produkty firm Infineon/Spark Connected z projektami referencyjnymi obejmującymi rozwiązania do ładowania bezprzewodowego zarówno konsumenckie oraz przemysłowe (a), jak i samochodowe (b)

Niezawodny FOD

Tradycyjne metody wykrywania ciał obcych w polu ładowarki bezprzewodowej (FOD) bazują na wykrywaniu zakłóceń pola magnetycznego wokół cewki nadajnika. Wykorzystują one duże uzwojenie cewki nadajnika, co zmniejsza czułość i stosunek sygnału do szumu. Duża cewka sprawia też, że mniejsze obiekty są trudne do wykrycia ze względu na ich niewielki wpływ na rozkład pola magnetycznego znacznie od nich większej cewki. Istniejące rozwiązania przetworników mierzą też parametry potrzebne do obliczenia strat mocy (i wykrycie obiektu) na wejściu zasilania DC falownika. Zniekształca to wartość w porównaniu z rzeczywistymi wartościami napięć i prądów płynących przez cewkę, powodując niedokładne obliczenia strat przetwornika i niepewność detekcji.

Rozwiązanie Infineona i Sparka spełnia warunki FOD definiowane przez standard Qi i wykorzystuje lepsze techniki pomiarowe, które poprawiają dokładność standardowego podejścia. Do obliczeń wykorzystywane jest rzeczywiste napięcie i prąd, a nie moc zasilania dla falownika. Dzięki temu można wykrywać mniejsze ciała obce. Zapobiega błędnym odczytom i niepotrzebnym stratom energii. Kontroler do podjęcia decyzji wykorzystuje algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, aby określić, czy środowisko ładowania jest bezpieczne.

Elastyczna architektura oparta na oprogramowaniu

Specyficzny dla aplikacji układ scalony kontrolera o ustalonym z góry protokole dostarczania energii jest z punktu widzenia rynkowych realiów za mało elastyczny. Stąd rozwiązanie Infineona jest inne – modułowe i bazuje na architekturze opartej na oprogramowaniu. Pozwala to na aktualizowanie funkcjonalności wraz z dojrzewaniem standardów oraz podczas wprowadzania na rynek nowych produktów. Oparcie platformy ładowania na oprogramowaniu umożliwia ponadto wykorzystanie wspólnej architektury sprzętowej w kilku projektach.

Kontroler oparty na AURIX i XMC

Na rynku są dostępne specjalne kontrolery bezprzewodowego zasilania bazujące na mikrokontrolerach z serii AURIX i XMC. Zasilacze na nich bazujące spełniają surowe wymogi bezpieNa rynku są dostępne specjalne kontrolery bezprzewodowego zasilania bazujące na mikrokontrolerach z serii AURIX i XMC. Zasilacze na nich bazujące spełniają surowe wymogi bezpieczeństwa wymagane przez motoryzację, ochrony środowiska i przepisów motoryzacyjnych, a jednocześnie zapewniają wiodącą w branży wydajność ładowania. Kontrolery te obsługują szybkie ładowanie o mocy do 15 W Qi i umożliwiają aktualizację oprogramowania w celu dostosowania do przyszłych standardów. Inne kluczowe cechy tego rozwiązania to specjalny stopień mocy o małym poziomie emitowanych zaburzeń EMI, mniejszymi o 10–15 dB w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami. Do tego dochodzi czuły detektor FOD, możliwość użycia niestandardowych cewek i wielu cewek naraz. Za pomocą jednego kontrolera można ładować 2 urządzenia.

Kontroler bezprzewodowego zasilacza XMC6521SC-Q040X i podobne układy z tej serii oparte na rdzeniu ARM Cortex-M0 to kompletne rozwiązanie do ładowania smartfonów, laptopów o mocy 45 W, dronów o mocy 80 W itp. Inne kluczowe funkcje to obsługa istniejących standardów i tryb szybkiego ładowania; ładowanie z pełną mocą dodatkowych środków zarządzania termicznego, wysoka wydajność ładowania równoważna ładowaniu przewodowemu, obsługa niestandardowych profili ładowania i standardów branżowych na tym samym sprzęcie, dokładny i czuły FOD oraz obsługa niestandardowych cewek i zasilaczy wielocewkowych.

Projekty referencyjne

Dla projektantów Infineona, razem ze Spark Connected przygotował wiele projektów referencyjnych zasilaczy bezprzewodowych, zarówno indukcyjnych, jak i rezonansowych do wielu aplikacji. Obejmują one projekt sprzętu, BOM, przykładową mozaikę PCB oraz całą dokumentację i wsparcie wymagane do zintegrowania ładowania bezprzewodowego z własnym produktem.

Przykładem może być Pegasus – indukcyjny nadajnik i odbiornik do zasilacza małej mocy do 2 W przy wymaganym zasilaniu na wejściu 5 V. Jest to propozycja do wykorzystania w produktach takich jak elektronika noszona, szczoteczki do zębów, słuchawki, aparaty słuchowe, inteligentne okulary, smartwatche, opaski fitness, inteligentna odzież, inteligentny sprzęt sportowy itp.

 

Rys. 3. Kompaktowa konstrukcja referencyjna nadajnika Qi 15 W (Walkiria) z małą liczbą komponentów w oparciu o mikrokontroler XMC

Z kolei oparta na mikrokontrolerze XMC 2,5-watowa, energooszczędna ładowarka o nazwie Hydra jest najtańszą w branży bezprzewodową ładowarką rezonansową. Dzięki częstotliwości 6,78 MHz, można zastosować w jej układzie bardzo małe cewki bez dużego dystansu do metalowych przedmiotów. Dzięki temu nadaje się do elektroniki noszonej, słuchawek, inteligentnej odzieży i aplikacji IoT. Ładowarka na wejściu wymaga napięcia 5–19 V.

Jeszcze inny produkt – Walkiria to certyfikowany nadajnik Qi, który obsługuje najnowszą specyfikację i transfer mocy 15 W dla wszystkich smartfonów z funkcją szybkiego ładowania. Rozwiązanie to ma dużą sprawność (>80%) i znakomity detektor FOD. Niewielka liczba wymaganych komponentów zapewnia małe koszty implementacji (rys. 3). Osiąga prędkości ładowania prawie równe ładowaniu przewodowemu i obsługuje niestandardowe profile ładowania i standardy branżowe na tym samym sprzęcie.

 

Rys. 4. Schemat blokowy samochodowego rozwiązania do ładowania bezprzewodowego opartego na wydajnym mikrokontrolerze AURIX

Infineon dostarcza również 3-cewkowy projekt referencyjny o mocy 15 W do bezprzewodowego ładowania urządzeń w samochodzie (rys. 4), zwany Bestią. Ma on zarówno certyfikat Qi, jak i dopuszczenia przemysłu motoryzacyjnego. Jest to ponadto pierwsza w branży konstrukcja z certyfikatem CISPR-25 klasy 4 w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Ta konstrukcja oparta na mikrokontrolerze AURIX obsługuje ładowanie bezprzewodowe, szynę CAN i ma interfejs NFC. Ładowarka może również obsługiwać dwa urządzenia za pomocą jednego kontrolera, zmniejszając w ten sposób koszt i rozmiar systemu.

Z kolei projekt Gorgon kierowany jest do zastosowań w 5G i telekomunikacji przewodowej, systemach monitoringu i ochrony mienia oraz automatyce przemysłowej. Dostarcza 30 W i jest w stanie nieprzerwanie zasilać urządzenie przez 30 mm taflę szkła (w tym szkła powlekanego niskoemisyjnie) lub przez inny niemetalowy materiały budowlany.

Minotaur to jedyny kompletny bezprzewodowy projekt systemu ładowania bezprzewodowego o mocy 45 W do tabletów i laptopów. Rozwiązanie zapewnia ładowanie z dużą sprawnością (95%), które dzięki małym stratom cieplnym jest łatwe do zintegrowania (rys. 5). Rozwiązanie to rozszerza istniejące portfolio ładowarek do smartfonów o produkt dużej mocy.

 

Rys. 5. Wysoka sprawność szczytowa (testowana 95%) nadajnika i odbiornika laptopa 45 W

Ostatnie rozwiązanie indukcyjne Ogr charakteryzuje się mocą aż 80 W. Zapewnia wysoką wydajność ładowania z użyciem kompaktowych cewek, bez konieczności specjalnego zarządzania termicznego. Typowe zastosowania to elektronarzędzia, roboty, małe urządzenia, drony, terminale ręczne, instrumenty medyczne i automatyka przemysłowa.

W przyszłości należy spodziewać się pojawienia aplikacji zasilania bezprzerwowego o dużej mocy wyjściowej wykonanych z użyciem półprzewodników z azotku galu, które dzięki dużej sprawności pozwolą utrzymać ciepło w ryzach przy dużej częstotliwości pracy.

Dalsze projekty referencyjne zasilaczy bezprzewodowych będą dostępne na żądanie. Więcej informacji o rozwiązaniach ładowania bezprzewodowego Infineona można znaleźć na stronie www.infineon.com/wirelesscharging.

Ralf Ködel, Infineon Technologies Ken Moore, Spark Connected

Infineon

www.infineon.pl