Компоненти за безжично зареждане и захранване

Стефан Куцаров

Преносът чрез електромагнитни вълни на необходимата за работата на различни устройства електрическа енергия (Wireless Power Transfer, Wireless Power) WPT е бързо развиваща се през последното десетилетие технология.

Поради масовото разпространение на преносимите устройства с акумулатори тяхното безжично зареждане (Wireless Charging) е логичната първа стъпка в развитието на отрасъла. За неговата динамика е достатъчно да се отбележи, че докато през 2013 г. световното производство е било в обем 200 млн. USD, то през 2016 г. се очаква да е за 4,5 млрд. и да достигне около 10 млрд. през 2018 г. и 15 млрд. през 2020 г.

По-ограничен засега е мащабът на безжичните захранвания (Wireless Power Supply), независимо от което те също имат своето място. В настоящата статия са разгледани специфични за реализацията на WPT технологията електронни компоненти с пазарно представяне след 2013 г.

Необходимост от WPT
Независимо от непрекъснатото усъвършенстване на кабелите и конекторите, техните принципни недостатъци остават. Възможна е появата на лош електрически контакт поради замърсяване, окисляване и износване на контактните пластини на конекторите, както и нарушаване на връзката при механични въздействия и вибрации. Огъването, опънът и усукването на кабелите могат да доведат до повреда на изолацията им и прекъсване на проводници.

Наличието на конектори затруднява и оскъпява реализирането на влаго- и прахоустойчиви устройства. В индустрията е добре позната сериозността на проблема с осигуряване на захранването на движещи се по време на експлоатацията устройства или техни блокове, но той съществува и в добиващата популярност носима (wearable) електроника.

Кабелите по принцип затрудняват преместването, почистването и ремонта на апаратурите. От друга страна, свалянето на акумулаторите за зареждане усложнява конструкцията на устройствата и експлоатацията им. Освен избягването на тези недостатъци чрез WPT тя позволява захранването на различни прибори без да е необходима еднаквост на куплунгите за връзка. Също така, поставените на труднодостъпни за обслужване места галванични батерии могат да бъдат заменени с безжично зареждан акумулатор.

Положителните страни на WPT са съпроводени и с недостатъци - по-сложно и с по-висока цена захранвано устройство, по-голяма (засега) разсейвана под формата на топлина мощност. Въпросът за възможните смущения от ползваните електромагнитни вълни е разгледан по-нататък.

Същност на WPT
Съществуват две основни технологии за безжично предаване на малки разстояния (Near Field Region) на необходимата за захранване електрическа енергия, като не трябва да се забравя, че Near Field означава разстояние z на предаване не по-голямо от около l/6, където l е дължината на ползваната електромагнитна вълна.

Последната се създава от бобината на предавателя (Transmitter Coil) и достига до тази на приемника (Receiver Coil). Индуктивната технология (Inductive Power Transfer, Tightly Coupled Near Field WPT, Non-Resonant Operation) се прилага при z между двете бобини много по-малко от техния диаметър D при типични стойности на z до десетина mm.

Реално това се осигурява чрез поставяне на захранвания прибор с вграден приемник върху захранващото устройство, съдържащо предавателя, типичен пример за което е зареждането на смартфони и таблети.

Предимствата на тази технология са прехвърлянето в приемника на значителна част от енергията на предавателя (определя се от параметъра ефективност), реалната липса на влияние на околни електромагнитни полета и сравнително ниската цена. Практически е задължително бобините да са успоредни и центровете им да съвпадат, като в някои модели последното се осигурява чрез поставени в тях магнитчета.

Същността на индуктивната технология е изяснена чрез фиг. 1, където Tx и Rx са съответно предавателят и приемникът, а ползваните честоти обикновено са между 100 и 400 kHz. Изходното стъпало TxPS на Тх и неговият ключ TxSW осигуряват модулиран ток (обикновено с широчинноимпулсна модулация PWM) през бобината на Тх и излъчване на енергия (стрелката Power).

Излъчването започва едва след като Тх разпознае и идентифицира наличието на Rx чрез получаване на сигнал по канала Comm, обикновено с модулация ASK и скорост няколко kbps. Чрез този канал, сензора за ток CS и контролера TxContr се регулира големината на излъчваната енергия. Блокът RxContr освен че изпълнява функции на контролер, служи и като токоизправител, след който изходното стъпало RxPS осигурява необходимото напрежение VOUT на захранвания обект.

Приближаването на метални предмети до бобината на Rx може да попречи на действието и да предизвика повреда, което се избягва чрез блок в RxContr за откриването им (Foreign Object Detection) FOD. Възможно е избягване на точното разположение на бобините на Тх и Rx чрез ползване в Тх на няколко бобини, което съответно осигурява по-голяма гъвкавост на връзката.

За прехвърляне на енергия на разстояния до около 50 mm (z е от порядъка на D) се ползва технологията с магнитен резонанс (Resonant Power Transfer, Magnetic Resonance Technology, Resonant WPT, Loosely Coupled Near Field WPT), при която към бобините са прибавени кондензатори за реализация на трептящи кръгове (наричат се и резонатори) с еднаква резонансна честота.

В зависимост от ползвания стандарт за WPT тя е както при предната технология (например 130 kHz може да се реализира с 5 mH и 0,3 mF) или 6,78 MHz (най-нискочестотният ISM обхват), а каналът Comm в последния случай е 2,4 GHz Smart Bluetooth и регулирането на прехвърляната мощност е същото. Освен увеличеното разстояние предимства са, че не е необходимо точно поставяне на бобините една до друга и възможността с едно устройство да се захранват повече от един прибора без да трябва да им се доставя еднаква мощност.

Основните приложения на последното са зареждането с едно устройство на акумулаторите на няколко прибора (Multi-Coil Wireless Charger), което се изяснява чрез фиг. 2а – вляво е разположението на бобините и създаденото от тази на Тх поле при индуктивната технология, а вдясно са полето и бобините при резонансната технология. Недостатък на последната е, че по-малка част от енергията на Тх (само 20% в някои случаи) може да се прехвърли на Rx.

Типична структура за реализация на технологията е дадена на фиг. 2б, като TxRes и RxRes са трептящите кръгове на Тх и Rx, с РА е означен усилвател на мощност, Rec е токоизправител и DC/DC е преобразувател на постоянно в постоянно напрежение. Съществена особеност е двупосочната Comm.

В зависимост от изходната мощност PТ на Тx безжичните системи за зареждане биват маломощни с PТ до 5 W, средномощни до 15 W и мощни с непрекъснато увеличаваща се горна граница на PТ вече надхвърляща 1 kW.

Логичният стремеж за повишаване на ефикасността на прехвърлянето на енергия е намерил израз в патентования метод за динамично управление (Dynamic Harmonisation Control), чрез който в зависимост от промените в товара (напр. зарядния ток на акумулатор) и в околната среда непрекъснато се изменя резонансната честота.

Допълнителни предимства са запазването на максимално прехвърляне на енергия при неточност на взаимното разположение на бобините на Rx и Тх и намаляването на смущенията, създавани от електромагнитното поле на WPT. Методът се използва в приемника от ред 2 на табл. 3 за прехвърляне на мощност до 2 W на разстояние 1,2 cm при средно 4 W от Rx.

Стандарти
Съществуват три стандарта за WPT, като поради преимущественото им приложение за зареждане се наричат Standards for Wireless Charging Technology. Предлаганите на пазара прибори са в съответствие с един от тях, с два (обикновено означавани с Dual-mode или Multi-mode) или и с трите (Tri-mode).

В табл. 1 са дадени основните данни за тях, като най-масовият Qi (произнася се Chee) е известен и като WPC Standard с 3 разновидности. Първата е WPC Version 1.0 и осигурява РТ=5 W, а Rx може да е за една бобина (Single Coil Transmitter), за няколко бобини (Coil Array Transmitter) или с подвижна бобина (Moving Coil Transmitter).

Следващата WPC Version 1.1 има 12 вида предаватели, които могат да работят с USB зарядни устройства и са с повишена чувствителност към FOD. Последната е WPC Version 1.2 с най-нов вариант 1.2.2 и осигурява РТ=15W с подвариант за мощност на товара PL=15W, по-стабилна работа на Тх при промяна на температурата и идентификация на Rx.

През 2015 г. са продадени над 50 млн. зарядни устройства, ползващи този стандарт. Води се изследователска работа за увеличаване на осигуряваната PТ до 120 W, например за захранване на ръчни бормашини. Примери за видовете предаватели са Type A6 със замасен единия извод на бобината и осигуряване на нейния ток от полумостова схема, докато в Type A11 тя е свързана в диагонал на мост. Последният и полумостът се реализират с мощни MOS транзистори.

Действието на стандарта РМА е много подобно на Qi с основна разлика възможността за по-действен контрол и регулиране на доставяната енергия. За стандарта A4WP се търсят възможности за увеличаване на PТ до 50 W. Трябва да се има предвид, че някои от производителите, използващи тези стандарти (например Intel), са разработили собствени протоколи за работа на устройствата.

Освен тези стандарти през м. септември 2014 г. бе публикуван Radio Standards Specification RSS-216. От своя страна консорциумът AirFuel Alliance е разработил индуктивна технология с ефективност над 80%, за разстояния между няколко сантиметра и няколко метра, работеща в честотен обхват 5,75-5,85 GHz.

Бобини
Естеството на WPT определя наличието на бобини за Тх (Transmission Coil, Primary Coil, Charging Coil) и за Rx (Receiver Coil, Secondary Coil). Голямото разнообразие на устройствата, в които се вгражда Rx, определя и множеството конструкции на бобини за тях.

Те могат да са кръгли, квадратни и правоъгълни, а в стандарта Qi са определени конструкциите и някои електрически параметри на бобините за Тх с означение Ах, където „х” е една или две цифри, например А5 и А12. Там се дават и подробности за ползваните материали за изработката им, заедно с изискванията към кондензатора в резонансната технология.

Показаната на фиг. 3 бобина осигурява на приемника максимална мощност 2 W и е с размери 30x10x0.48 mm. Често в документацията дадено означение се отнася за серия бобини, всяка от които със собствен каталожен номер.

Например WE-WPCC на производителя Wuеrth Elektronik е за осем бобини на предаватели и пет на приемници за стандарта Qi и на три бобини на приемници за Qi и РМА. Бобините за приемници са от вида А1, А5, А10, А11, А13 и А29, при работа със стандарта Qi осигуряват излъчване на мощност до 20 W и до 200 W извън него.

Основен специфичен параметър на бобините за Тх е максималната мощност на захранваното устройство, индуктивността им е между няколко mH и няколко десетки mH, омичното съпротивление е около 0.1 W и максималният постоянен ток е обикновено 5-15 А при типичен диаметър между 15 и 50 mm и дебелина 2-4 mm.

Бобините за Rx са с индуктивност в същите граници и омично съпротивление между няколко десети от ома и няколко ома. За подобряване на ефективността към двата вида бобини се прибавят екрани (shielding), практически задължителни в Тх и поставяни по избор в Rx.

Те позволяват максимална част от полето на антената на Тх да достигне до тази на Rx, като в стандарта Qi са дадени подробности и за тях. За намаляване на изискванията от прецизно разположение на Rx спрямо Тх в последния може да се ползват набори от бобини (Multi-Coil, Coil Array), разширяващи полето на излъчване. Значително улеснение при избора на бобина са предлаганите от някои производители Application Notes, например SLYT479 на Texas Instruments.

Характерни активни прибори
Освен класическите активни прибори в WPT се ползват и такива с допълнителни специфични изисквания към параметрите, малки размери (особено важно е да са тънки) и минимална разсейвана мощност.

Токоизправители. Ползват се в Rx, поради което практически винаги те са нисковолтови (максимално променливо напрежение около 30 V) и с максимален ток в права посока IFmax няколко А, а в документацията им е отбелязано, че сред приложенията им влиза WPT.

Мостовият токоизправител NMLU1210 на ON Semiconductor е реализиран с два MOS транзистора и два диода на Шотки, като е за напрежения до 20 V и ток IFmax=3,2 A. За улеснение на приложенията в WPT и намаляване на размерите на устройствата често токоизправителите съдържат и допълнителни елементи. Пример е синхронният TS51111 на Semtech за същите напрежения и мощност в товара до 20 W.

Полеви транзистори. За осигуряването на достатъчна изходна мощност на Tx в обхвата 6.78 MHz (типично между 10 и 50 W) особено подходящи са галиево-нитридните полеви транзистори (eGaN FET), тъй като работят с достатъчно високи напрежения (типично между 60 и 200 V) и имат големи токове (до няколко десетки А).

Основните усилвателни схеми са клас Е и клас D с превключване в нулата (Zero Voltage Switching) ZVS Class D. Вече съществуват лабораторни разработки на усилватели с тези транзистори за работа в два или три обхвата – например с последователно свързани една бобина за AirFuel и втора за Qi и PMA.

По принцип при избора на подходящ транзистор трябва да се внимава, тъй като има много модели за преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение и за усилватели за звуковъзпроизвеждане. Широк набор предлага производителят Efficient Power Conversion, например ЕРС2038 (100V/0.5А) и ЕРС2022 (100V/90А).

Интегрални схеми
Те са основният тип компоненти, ползвани в WPT, включват блоковете на фиг.1 и фиг. 2б често с някои техни допълнителни външни елементи. Тъй като поради своята същност прехвърлянето на енергия се осъществява чрез еднопосочна връзка, двата типа ИС са за Tх и за Rх.

Предаватели. Тяхната обобщена и опростена структура e на фиг.4, като честотата на излъчваното електромагнитно поле fSW е в съответствие с ползвания от Тх стандарт и се задава от генератор на импулси, представляващ част от управляващия блок Contr или самостоятелен възел.

Микроконтролерът uC е за управление на работата, но се използва само в част от Тх. При наличие на uC в Тх с вградена в него памет (обикновено Flash, но има Тх с ROM и RAM) могат да се осъществяват и други управления, въвеждането на които зависи от производителя. Също за управление и контрол е входът Interface за някой от масовите интерфейси.

Някои контролери, освен Interface или вместо него, имат GPIO изводи. Блокът за фазова донастройка на честотата PLL осигурява достатъчно малка стъпка на изменение на fSW, но има Тх с фиксирана fSW без него. Аналогово-цифровият преобразувател ADC подава на Contr данни за температурата на самата ИС чрез вграден сензор или за околната обикновено с помощта на термистор.

При надхвърлянето й Тх се изключва и автоматично започва да работи при достатъчното й намаляване. Другите осигурявани от ADC данни са за напрежението UL и тока IL на бобината, и след елиминиране на надхвърлените им допустими стойности (вкл. поради късо съединение на бобината) действието на Тх се възстановява само чрез отстраняване на Rx.

Функцията FOD (не е задължителна) се осъществява чрез подходящо свързване на извод FOD към uC или Contr, чрез което се осигурява изключване на Тх при опит той да осигури мощност над определена стойност. Блокът Ping (означава се и като Charge Sense и Charge Detection) е за регистриране на наличието на Rx. За индикация на функционирането на Тх и за неговия режим на работа се ползват външни светодиоди, управлявани от Contr през драйвера LEDDr.

В табл. 2 са дадени основни параметри на Тх, като споменатата ефективност е означена с РЕ и е дадена нейната максимална стойност, получавана при определен изходен ток Iout. Част от производителите дават в документацията си полезната графика PE(Iout) – на фиг. 5 е тази на Тх от ред 2. С VDD е означено захранващото напрежение, а консумираният от него ток има различни стойности според работния режим.

Неговата максимално допустима средноквадратична стойност при наличие на свързан Rx е IDDPT и тя практически е равна на тока през бобината на Тх поради много по-малкия от него захранващ ток на самата ИС. Стойността на последния при работещ Тх, но липса на Rx (Power Transfer State, no-load), е IDDPTno. С TJ е означен работният температурен обхват на подложката на ИС, който се дава сравнително рядко, а останалите температури в табл. 2 са на околния въздух.

Характерна особеност на Тх от ред 1 са предлаганите от производителя 4 платки на готови предаватели с различни захранващи напрежения (един от моделите се захранва от USB, а друг - от мрежата с напрежение до 600 V) и с една или три от бобините в табл. 2.

Предавателят на ред 2 е с вградени програмируеми защити по захранващо напрежение (Over-Voltage Protection) OVP и температура (Over-Temperature Protection) OTP, максималнотоковата защита (Over-Current Protection) OCP с фиксиран праг, както и програмирането на чувствителността на FOD.

Предназначеният за резонансна технология Тх на ред 3 автоматично уеднаквява fSW с резонансната честота на трептящия кръг, има програмируема ОСР и осигурява измерване на околната температура с външен термистор. За работата на предавателя на ред 4 е необходим външен кварцов резонатор 32768 Hz, а вграденият му блок Smart Power Limiting е за автоматично ограничаване на РТ до възможностите на устройството, осигуряващо VDD. Предлага се вариант без FOD.

Типичен представител на Тх с външни мощни MOS транзистори (някои производители ползват за тези Тх наименованието контролери) е даденият на ред 5, който има 4 изхода и чрез различни техни свързвания може да захранва до 4 бобини, например само една Type A6, само една Type A11 или три Type A6.

Обикновено производителите предлагат развойни платки за Тх, например тази за дадения на ред 6 е STEVAL-ISB027V1. Предавателят на ред 7 осигурява получаването на РТ до 4,5 W с VDD=5 V, нейната стойност нараства до 15 W при напрежение 9-15 V и се установява на 15 W при VDD=15-19 V. Той е представител на част от производителите, които дават полезни сведения за изготвяне на печатната платка на Тх.

Специфичен е подходът на компанията Semtech за реализация на блока OS от фиг.4 като съвкупност от външни MOS транзистори и самостоятелна ИС на техния драйвер. Основните резултати са РТ над 40 W и възможност за ползване на единични бобини и набори от бобини, което чувствително разширява приложенията.

Такава е съвкупността на TS80000 и TS61001 с размери съответно 6x6x0.88 mm и 4.5x4.5x0.8 mm, която работи с Qi и РМА, с различни видове бобини и захранва полумостови и мостови свързвания на MOS транзистори.

Съществуват и аналогови Тх, сред характерните новости при които е TC7718FTG на Toshiba Semiconductor. Чрез външен uC и отделни MOS транзистори той може едновременно да управлява два Rx, единият свързан по мостова, а другият по полумостова схема. Захранва се с две напрежения (4,5-25 V и 4,5-5.3 V) и е в корпус 5x5x1 mm с 36 извода.

Приемници. Принципът им е показан чрез опростената блокова схема на фиг. 6. Към входа LRx е свързана приемната бобина, чието напрежение VLX постъпва на синхронния токоизправител SR. Неговото изходно нестабилизирано VRECT може да се ползва от съответния извод на ИС.

Част от Rx са с външни диоди за реализация на SR, което е означено в колона 4 на табл.3. Напрежението на Rx се стабилизира чрез REG (линеен или ключов), който осигурява напрежението на изхода Out с две разновидности.

Първата е класическо стабилизирано напрежение (VOut в табл. 3), каквито са Rx без дадения на ред 2, с типични приложения за захранване на преносими прибори, както и за подаване на специализирани ИС за зареждане на Li акумулатори (практически винаги с една клетка).

Втората е в Rx за непосредствено зареждане като REG съдържа необходимия блок CC/CV (постоянен ток/постоянно напрежение), вместо Out този извод често се означава с BAT и вместо VOut е токът на зареждане IOut. Такъв е Rx от ред 2, а този от ред 4 осигурява работа и на двете разновидности.

Функциите на блока Contr са многобройни и някои от тях може да са специфични за даден производител. На фиг. 6 са показани само „класическите” – интерфейс за управление на Rx и връзката Comm с Тх, дадени с прекъсната линия, тъй като не са задължителни. Също с прекъсната линия са входовете Prog за задаване чрез външни резистори на някои от параметрите на Rx.

Почти винаги има и изводи за индикаторни LED. Останалите функции се споменават по-нататък в кратките сведения за всеки от Rx в табл.3. В нея IIN е консумираният от Rx ток в нормален работен режим.

Специфична особеност в ползването на Rx е възможността за попадане върху бобината им на силно електромагнитно поле, което да индуцира между изводи LRx напрежение над максимално допустимото VLХ. То би трябвало да изключи Тх чрез канала Comm, но докато това стане (понякога са необходими няколко секунди) е възможно да се получи повреда. За избягването й обикновено в Rx има защита (OVP), която се задейства от VCLAMP.

Приемникът от ред 1 може да задава VOut чрез външен резистор, има два извода за контрол на околна температури чрез термистори (програмируеми чрез резистори стойности) и установявана чрез резистор ОСР.

Даденият на ред 2 е от предназначените за непосредствено зареждане на акумулатори, но съществува и негова разновидност LTC4120 с програмируемо VOut между 3,5 и 11 V. И двете са със споменатото динамично управление. Стойността на IOut се задава чрез външен резистор и е наличен вход за термистор.

Приемникът на ред 3 има ОVР и ОСР, изводи за термистор и FOD и блок за промяна на VRECT в зависимост от стойността на изходния ток. Основното предназначение на Rx на ред 4 е за вградена в облеклото (wearable) електроника, което обяснява малката PL и възможността Out да осигурява VOut и непосредствено да зарежда акумулатор, като има вграден 32-битов микроконтролер и памет.

Даденият на ред 5 е с автоматично разпознаване на стандарта, по който е пристигащият сигнал, и типична скорост на обмен на данни по Comm от 2 kbps. Сравнително рядко даваната като параметър на Rx ефикасност (аналогична на РЕ в Тх) е с максимална стойност 79% при максималния IOut от 1А, а прагът на задействане на ОСР се задава чрез външни резистори.

В каталога на Rx има полезни сведения за оформяне на печатната платка. С практически същите параметри е bq51021, но е само за WPC v1.1. С цел намаляване на разсейваната върху Rx мощност в този на ред 6 обхватът на VRECT е разделен на 4 части, като в зависимост от IOut се избира работа в една от тях.

Специфично е решението на Semtech от две ИС за реализация на Rx, което при захранване на товари с VOut е позволило да се получава PL над 20 W и същевременно да могат да се зареждат Li акумулатори. Блоковете SR и REG са реализирани чрез TS51111, а Contr – с TS81000. Резултатът е работа със стандартите WPC и РМА, интерфейсите I2C и UART и максимално VLX от 7 V.

Предлагат се и класически ИС за зареждане на акумулатори със специален вход за свързване на безжично зарядно устройство. Характерен пример е МАХ77818 на Maxim Integrated с вход WCIN, която при ползването му осигурява максимални напрежение и ток на зареждане съответно 5,9 V и 1,2 А.

Модули
Точното им наименование е безжични захранващи модули (Wireless Power Module), обикновено се предлагат по двойки предавател-приемник, а типичен пример са Ag301-Ag311 на Silvertel, предназначени за стандарта Qi.

Свързването им е аналогично на показаното на фиг. 1, като предавателят Ag311 работи с бобини А1 и А10, а изходното напрежение на приемника е 5V±5% при максимален ток 1А. Прехвърлянето на енергия започва при разстояние между бобините на Тх и Rx не повече от 7 mm, но продължава при увеличаването му до 12 mm.