Беспроводная зарядка, часто называемая как беспроводная передача мощности (wireless power transfer WPT), широко используется в портативных и носимых бытовых устройствах, таких как смартфоны, приборы фитнесс-групп, электробритвы, электрические зубные щетки и другие. Тем не менее, беспроводная зарядка имеет отличный потенциал и для применения в промышленности. Промышленное применение включает в себя электрические транспортные средства, беспилотные летательные аппараты, автоматизация производства, портативные терминалы и так далее.
Почему именно беспроводная? Да потому, что промышленное оборудование очень часто работает в суровых условиях, где подвергаются воздействиям пыли, грязи, масла и прочих веществ. При отсутствии разъемов питания, в случае использования беспроводной зарядки, можно не беспокоиться о защищенности разъемов питания от жидкостей, газов, пыли.
Одно из важнейших преимуществ – применение во взрывоопасных средах, так как из-за отсутствия разъемов питания исключается возможность взрыва от искры, которая может возникнуть при подключении или отключении зарядного устройства.
Стандарты мощных беспроводных сетей
Наиболее популярной беспроводной технологией является технология ближнего поля (near-field charging NFC), при использовании которой катушка-передатчик создает магнитное поле, которое передает индуктивную энергию катушке-приемнику. Часть магнитного потока генерируемого катушкой-передатчиком проникает в катушку-приемник, генерируя таким образом передачу энергии. Условно такую работу можно сравнить с работой трансформатора.
Эффективность передачи зависит от потокосцепления ψ и добротности Q. Тесно связанная система обеспечивают максимальную эффективность передачи энергии, но очень чувствительна к рассогласованию катушек и расстоянию между ними.
Существует два конкурирующих стандарта NFC — Wireless Power Consortium (WPC), управляемый Qi (“Chee”), стандарт, имеющий рабочую частоту от 100 до 200 кГц и AirFuel Alliance, ранее известный как Power Matters Alliance (PMA), поддерживающий AirFuel Inductive и работающий на частотах от 100 до 350 кГц. Обе системы имеют КПД свыше 70%.
Многие производители поддерживают оба стандарта. Например, Samsung поддерживает как Qi, так и AirFuel зарядку в своих смартфонах Galaxy S6 и S7.
Беспроводная зарядка быстро развивается и изменяется. Например, Qi прошел несколько существенных изменений, как показано в таблице ниже:
WPC издал несколько итераций своего популярного стандарта Qi, увеличивая выходную мощность и добавив двунаправленные связи (обнаружения посторонних предметов FOD = foreign object detection).
Главным недостатком беспроводной зарядки является слишком долгое время заряда, по сравнению с проводной. Для решения этой проблемы производители стараются увеличивать мощности. WPC v1.2, представленный в 2015 году, может обеспечить выходную мощность в 15 Вт. Это классифицируется как «средняя мощность», по сравнению с предыдущими версиями «малой мощности» по 5 Вт.
Почему выбирают устройства строго по стандартам? Потому, что выбор по стандарту гарантирует, что источник и приемник электрической энергии будут иметь одинаковую мощность и частоту передачи и легко смогут работать вместе, даже если у каждого из них будет разный производитель.
Некоторые производители могут выбрать для собственных конструкций свои, специфические требования. Но запатентованные разработки имеют не только большую гибкость в работе, но и большие риски, так как OEM несет ответственность за все аспекты конструкции передатчик-приемник, включая сертификацию безопасности.
Архитектура беспроводной зарядки
Независимо от выбранного стандарта индуктивная беспроводная система состоит из двух частей – зарядной станции или подушечки, содержащей схемы станции и первичную катушку, и устройства зарядки, которое содержит вторичную катушку и связанные с ней схемы.
Во время работы передатчик находится в режиме низкого энергопотребления (режим «сна») большую часть времени и периодически «просыпается» для проверки наличия приемника. Если вторичная катушка обнаружена, передатчик запрашивает авторизацию от приемника. После успешной авторизации начинается процесс зарядки. Если вторичная катушка не была обнаружена, передатчик снова переходит в режим «сна». Вторичная сторона сохраняет полный контроль над процессом передачи энергии используя пакеты связи.
Конструкция катушки
Стандарт WPC требует проектировщика для выбора передающей катушки, которая должна отвечать точной спецификации для требуемого входного напряжения – 5 В, 12 В или 19 В. Катушки А5, например, представляют собой 5 В; 6,3 мкГн катушку с 10 витками провода, круглым поперечным сечением и магнитом внутри (рисунок ниже):
Новые конструкции стремятся к катушкам А11, с очень похожей конструкцией, но без магнита внутри. Решения с несколькими катушками, такими как А6, увеличивает доступную область зарядки, но при этом растет количество расходуемых материалов и стоимость устройства, так как каждой катушке необходим отдельный драйвер.
Катушки передатчиков и приемников, как правило, изготавливают из литцендрата, состоящего из множества изолированных проводов намотанных по определенной схеме, для минимизации скин-эффекта и эффекта близости. Для более мощных устройств катушку устанавливают на листе феррита. Производители передатчиков и приемников часто предоставляют списки рекомендуемых катушек для использования с их продукцией.
Для достижения максимального потокосцепления катушки приемника и передатчика должны иметь одинаковые размеры. Катушка приемника, как правило, гораздо более сложная. Она должна быть очень тонкая и при этом выдерживать вибрации, удары и прочие физические воздействия на устройство. Например, Würth Electronik состоит из пяти слоев:
- Провод литцендрата;
- Клейкая лента;
- Слой PET (polyethylene terephalate) пластика для повышения ударостойкости;
- Ферритовый лист;
- Клеящийся слой для крепления к устройству;
WPT соединение
Приемник (вторичная сторона) контролирует количество мощности, передаваемое передатчиком (первичная сторона). Вторичная сторона обменивается данными с первичной путем изменения нагрузки.
Возможно два варианта. Изменение резистивной нагрузки изменяет амплитуду напряжения передатчика, а емкостное изменение нагрузки приводит к смещению сигнала во времени:
Переключение в емкостной нагрузке (а), эффект смещения амплитуды относительно нулевой точки (b).
Стандарт Qi определяет скорость передачи данных в 2 кб/с с бифазным битным кодированием. Разнообразие коммуникационных пакетов определены для функций, таких как идентификация и аутентификация, обнаружение ошибок, контроль, потребление энергии, конец зарядки и эффективность.
Обнаружение посторонних предметов (FOD)
Любой металлический предмет, например ключ или монета, который находится между первичной и вторичной катушками, поглощает часть электромагнитного поля. Это снижает эффективность передачи энергии, а также предмет может нагреваться и создавать угрозу пожаробезопасности.
Индуктивная система WPC обнаруживает посторонний предмет путем сравнения отданной передатчиком мощности с принятой приемником. Если потеря мощности превышает допустимую, передатчик снижает передаваемую мощность или вовсе прекращает передачу и сообщает об ошибке в систему управления.
Так называемые «родственные металлы», такие как металлические части смартфонов, также могут поглощать энергию при передаче. Следуя из этого можно сделать вывод, что для каждого отдельного случая необходимо производить калибровку до внедрения в производство для того, чтобы определить нормальный уровень потери мощности.
FOD требует спецификацию WPC v1.1 или выше.
WPT конструкция: передатчик
На картинке ниже показана подробная блок-схема секции передатчика WPC v1.2:
Сердцем данной конструкции является bq501210 — цифровой контроллер беспроводной мощности, который может обеспечить до 15 Вт для подходящего приемника. Контроллер периодически опрашивает окружающие доступные устройства питания, выполняет FOD, контролирует весь обмен данными с приемником, и регулирует передаваемую мощность на основе полученной обратной связи. Он также управляет обработкой ошибок, связанных с передачей мощности и контролирует индикатор состояния рабочего режима.
bq501210 регулирует передаваемую мощность путем изменения VRAIL (напряжение катушки) при поддержке постоянной частоты 130 кГц. Для достижения этого bq501210 управляет bq500101 двойными NexFET силового каскада с ШИМ выходом Vrail_ШИМ. Отфильтрованный выход постоянного напряжения пропорционален частоте ШИМ и генерирует VRAIL. ШИМ_А и ШИМ_В затем реализуют схему полного моста, состоящего из двух дополнительных bq500101s. Полная конфигурация моста обеспечивает максимальную мощность, подводимую к катушке А5 для заданного напряжения питания.
Для 15 Вт передачи, входное напряжение должно быть в пределах от 15 В до 19 В, который может «выдавать» ток до 2 А. Если система поддерживает High Voltage Dedicated Charging Port (HVDCP) технологию, а входное напряжение в начале меньше 6 В, bq501210 «согласовывает» повышении входного напряжения. Если приемник поддерживает работу в режиме быстрого заряда, bq501210 может проводить согласования в системе для получения большей мощности для более быстрой зарядки.
Для реализации FOD, WPC 1.2-совместимый bq500100 измеряет ток с помощью шунта в цепи VRAIL и передает результат в bq510210. Для обеспечения питанием различных элементов схемы используют стабилизатор низкого напряжения (LDO) TLV70450 для 5 В, и понижающий преобразователь TPS54231 для 3,3 В.
WPT конструкция: приемник
Функцией приемника является получение и обработка мощности, выпрямление и регулирование напряжения, а после передача на нагрузку. Ниже показана конструкция приемника на основе bq51025, устройстве, которое обеспечивает однокристальное преобразование энергии, цифровое управление и связь, а также совместимо с WPC v1.1.
Данная разработка может передавать до 10 Вт при работе с bq501210, опираясь на контроллер первичной схемы (рассматривалось ранее). Для 10 Вт применения данная схема использует протокол компании TI для обеспечения двунаправленной связи, которая не поддерживается WPC v1.1.
bq51025 имеет регулируемое выходное напряжение от 4,5 В до 10 В, а также КПД до 84%. Интерфейс I2C позволяет легко подключать данное устройство к маломощным микроконтроллерам.
Если требуется совместимость с несколькими беспроводными стандартными, то bq51222 предлагает 5 Вт выходной мощности и поддержку протоколов соединения WPC v1.2 и AirFuel.
WPT и промышленность 4.0
Промышленные пользователи уже используют беспроводную зарядку в своих планшетах, терминалах, сканерах управления и прочих устройствах, но промышленность 4.0 представляет еще одну огромную возможность.
В высокоавтоматизированных связанных заводах будущего, автономных транспортных средствах, беспилотных летательных аппаратах постепенно заменяют человеческий труд. Это предоставляет огромнейшие перспективы для беспроводной зарядки, так как автономия включает в себя и процессы заряда батареи. Это, в свою очередь, требует наличия специальных зарядных подушек и матов, к которым транспортные средства могут подъезжать и восстанавливать заряд батареи без вмешательства человека.
Большинство промышленных систем требуют мощностей гораздо больше, чем 15 Вт. Будут ли более мощные системы поддерживать стандарт Qi или AirFuel и их комбинации покажет будущее. Подходы к проектированию беспроводной зарядки, рассмотренные в этой статье, несомненно, будут играть ключевую роль в развитии промышленных беспроводных зарядных систем.
