كيفية تصميم حل للشحن اللاسلكي للأجهزة القابلة للارتداء

“تظهر الأجهزة القابلة للارتداء بسرعة باعتبارها قطاعًا مهمًا في السوق للمكونات الإلكترونية. من المتطلبات الرئيسية لهذه الأجهزة الراحة ، ليس فقط من حيث القدرة على الوصول إلى البيانات الموجودة على الأجسام المتحركة ، ولكن أيضًا ضمان أن البطارية لها عمر كافٍ لتستمر ليوم كامل كل يوم.

“

تظهر الأجهزة القابلة للارتداء بسرعة باعتبارها قطاعًا مهمًا في السوق للمكونات الإلكترونية. من المتطلبات الرئيسية لهذه الأجهزة الراحة ، ليس فقط من حيث القدرة على الوصول إلى البيانات الموجودة على الأجسام المتحركة ، ولكن أيضًا ضمان أن البطارية لها عمر كافٍ لتستمر ليوم كامل كل يوم.

إذا اضطر المستخدم إلى توصيل الجهاز والسماح له بالشحن طوال الليل ، فهناك احتمال أن ينسى أحيانًا شحنه ، فقط للاستيقاظ ليجد أن الجهاز لن يكون متاحًا لبقية اليوم. توفر وظيفة الشحن اللاسلكي طريقة أكثر ملاءمة لشحن الأجهزة الإلكترونية. يضع الشحن اللاسلكي الأجهزة الإلكترونية ببساطة على لوحة الشحن ، وليست هناك حاجة لإدخال كابل micro-USB أو كابل مشابه في الجهاز المراد شحنه ، ويمكن للمستخدم إبقاء لوحة الشحن في متناول اليد. إذا تم تصميم نظام الشحن اللاسلكي بشكل صحيح ، يمكن أن تقوم لوحة شحن واحدة بشحن أجهزة متعددة في نفس الوقت ، مما يلغي الحاجة إلى الشحن واحدًا تلو الآخر ويسهل على المستخدمين حمل لوحة الشحن والجهاز أثناء التنقل.

الآن ، ليست الأجهزة القابلة للارتداء فقط هي التي تتمتع براحة الشحن اللاسلكي. لطالما استخدمت هذه التقنية في فرش الأسنان الإلكترونية ، بل إنها قيد التطوير لشحن بطاريات السيارات الكهربائية.

مبدأ العمل الأساسي للشحن الاستقرائي هو نفس مبدأ محول الطاقة. تولد ملفات الحث في لوحة الشحن مجالًا كهرومغناطيسيًا متناوبًا ، يتم التقاطه بعد ذلك بواسطة ملفات الجهاز ليتم شحنه وتحويله إلى تيار كهربائي مفيد مرة أخرى. على غرار المحولات التقليدية ، يتطلب الشحن الاستقرائي الأساسي أيضًا أن يكون الملفان على مقربة لتحقيق كفاءة عالية. خلاف ذلك ، فإن المقاومة في الملف الأساسي ستخلق خسائر تراكمية كبيرة.

يؤدي استخدام ملفين لإنشاء اقتران حثي رنيني إلى تحسين كفاءة نقل الطاقة لمسافات طويلة من خلال الجمع بين الأحمال الاستقرائية والسعة لضبط الملفين للتردد في نفس التردد. في ظل ظروف الرنين هذه ، يمكن نقل كمية كبيرة من الطاقة الكهربائية من ملف إلى ملف آخر يقع عدة أضعاف قطره.

الشكل 1: يستخدم تعديل الحمل لتشفير البيانات أثناء اقتران المحولات.

يمكن ضبط قيمة Q لدائرة الملف بدرجة عالية بحيث يتم إنشاء مجال مغناطيسي قوي نسبيًا عبر عدد من الدورات. الطاقة الكهربائية المنقولة في هذه الإشارة المتذبذبة أعلى من الطاقة الكهربائية التي يتم تغذيتها في الملف في أي وقت. نظرًا لأن الملف الثانوي قادر على التقاط جزء من هذا المجال المغناطيسي المتذبذب وتحويله ، فإن طاقة الخرج أعلى من تلك الموجودة في المحولات التقليدية. يمكن أن يؤدي استخدام المكثفات المضبوطة للرنين إلى التخلص من الحث الشارد والمغناطيسي في جهاز الإرسال ، وبالتالي تقليل خسائر المقاومة في ملفات الملف ، والتي تكون عادةً 10 إلى 100 ضعف الخسائر الحثية.

من أجل الحصول على Q أعلى من المحولات التقليدية ، تكون الملفات عادةً ذات تصميم لولبي ، مما يساعد أيضًا في تقليل تأثير الجلد. بشكل نموذجي ، يمكن تقليل خسائر العزل الكهربائي باستخدام محاثات منخفضة k أو الاعتماد فقط على الهواء.

من الناحية العملية ، لا يتم ضبط الملف دائمًا على تردد طنين دقيق. يمكن للنظام غير المقارن نقل الطاقة الكهربائية طالما أن الملف الثانوي يعترض كمية معينة من خطوط المجال المغناطيسي. يوفر اقتران أكثر إحكامًا من خلال مطابقة أكثر دقة للملفات طاقة أعلى ، ولكن الحفاظ على الاقتران المحكم بين الملفات المصممة للعمل في وقت واحد عند الرنين غير ممكن. يمكن تصميم هذه الدوائر لتعمل فقط في ظروف مفككة ، حيث تكون الترددات الرنانة لجهاز الاستقبال والمرسل مختلفة قليلاً.

لسوء الحظ ، فإن الملفات المقترنة بإحكام هي أيضًا عرضة للمحاذاة ، وبالنسبة لتطبيقات المستهلك حيث يريد المستخدم فقط وضع الجهاز في أي مكان على لوحة الشحن ويمكن شحنه بنجاح ، بغض النظر عن الاتجاه والموقع الأمثل ، يعد هذا حلاً رائعًا. سؤال. لذلك ، يمكن لجهاز الإرسال المستخدم للشحن استخدام ملفات متعددة. يؤدي هذا إلى زيادة تعقيد التصميم ولكنه يحرر اختيارات الموقع. لا تحتاج الملفات إلى التداخل ، مما يبسط التجميع في الإنتاج ، على الرغم من أن تداخل الملف يزيد من الكثافة وحرية وضع المستقبِل.

هناك حاجة إلى بعض المعايير لتمكين جهاز إرسال واحد بنجاح من شحن أجهزة مختلفة. هناك نوعان من المعايير الرئيسية المستخدمة حاليا. يعد نظام Powermat معيارًا مدعومًا من قبل Alliance for Wireless Power ، وهو مصمم حول نظام غير محكم الاقتران يعتمد على ملف جهاز إرسال واحد. يسمح نظام Qi لاتحاد الطاقة اللاسلكية بالعديد من التكوينات المختلفة ، بما في ذلك التشغيل المتزامن المفكوك والمرتبط بإحكام. تستخدم معظم أجهزة الإرسال الحالية تكوينًا متقاربًا بإحكام متعدد الملفات.

يأخذ كلا المعيارين أيضًا في الاعتبار إدارة الطاقة لضمان أن لوحة الشحن تعمل فقط أثناء شحن الجهاز. على سبيل المثال ، يستخدم نظام Qi بروتوكول اتصال لترحيل الإشارات على ملف للتحقق من وجود جهاز وما إذا كان الجهاز يدعم نظام Qi. وفقًا للمعيار ، يمكن لجهاز الإرسال تغيير تردد التبديل على الملف من 110 كيلو هرتز إلى 205 كيلو هرتز كآلية تحكم أولية لتوصيل الطاقة.

وفقًا لمعيار Qi ، يتم تعديل الحمل ببساطة بجهد الملف لإرسال البيانات إلى الجهاز على الجانب الآخر من فجوة الهواء. يستخدم الاتصال من الملف الثانوي مخطط ترميز بتات ثنائي الطور مختلف ، يعمل بتردد 2 كيلو هرتز ثابت ويضيف بت بدء قبل كل بيانات إرسال 8 بت. بتات التكافؤ والتوقف تتبع نقل البيانات.

الشكل 2: يتيح الترميز ثنائي الطور إمكانات نقل البيانات الثنائية.

يمكن إرسال كمية كبيرة من بيانات التحكم. تتضمن أكثر أنواع حزم التحكم شيوعًا: قوة الإشارة ، وخطأ التحكم ، ومتطلبات طاقة الإنهاء ، ومستويات القدرة المصححة. تساعد قوة الإشارة في ضبط موضع الجهاز على لوحة الشحن ، وعند استخدامها بالاقتران مع إشارة مرئية أو مسموعة ، توجه المستخدم لتحريك الجهاز على طول لوحة الشحن حتى تكون قوة الإشارة عالية بما يكفي للإشارة إلى توصيل طاقة جيد.

قد تشير حزمة خطأ التحكم إلى درجة الخطأ بين جهد الدخل المرصود من ملف الاستقبال وفولطية الإدخال المطلوبة. يستخدم جهاز الإرسال عادةً حلقة تحكم لتنظيم الجهد المطبق على ملفه. في حالة وجود أخطاء كبيرة ، يتم تعيين تكرار حزم الأخطاء هذه على قيمة كبيرة. يتم إرسال حزمة كل 32 مللي ثانية حتى يقع الخطأ ضمن الحد الأدنى. من الآن فصاعدًا ، يتم إرسال هذه الحزم كل 250 مللي ثانية. تعد حزم أخطاء التحكم مفيدة جدًا في تنظيم توصيل الطاقة. في ظل ظروف التحميل الخفيف ، قد يحتاج جهاز الاستقبال إلى جهد أعلى للتغلب على عابرات التيار – على سبيل المثال ، لإيقاظ جهاز يمكن ارتداؤه من السكون. في التيارات ذات الحمل العالي ، قد تتطلب المعدات المحمولة جهدًا أقل لتجنب فقد الطاقة في منظم LDO.

عندما يكون الجهاز مشحونًا بالكامل أو يكتشف عيبًا داخليًا قد يؤدي إلى تلف البطارية ، يصدر الجهاز طلبًا لإيقاف نقل الطاقة. يتم التحكم أيضًا في توصيل الطاقة عبر معلومات الطاقة المصححة. يقوم هذا بترحيل جزء الطاقة الذي يستقبله الجهاز القابل للارتداء عند خرج دائرة المعدل الخاص به. يستخدم المرسل هذه المعلومات لتحديد تردد الاقتران ولتحديد ما إذا كان المستقبل قد وصل إلى الحد الأقصى لقدرته. يرسل جهاز الإرسال كل 350 مللي ثانية إلى 1800 مللي ثانية ، ويستخدم فجوات بدون حزم لتحديد ما إذا كان الجهاز الموجود على لوحة الشحن قد تمت إزالته. معلومات الطاقة المصححة مفيدة أيضًا في اكتشاف الأجسام الغريبة.

تتوفر مجموعات الشرائح التي تدعم بروتوكول Qi والتحكم في توصيل الطاقة بالفعل. على سبيل المثال ، قدمت Toshiba جهاز TB6865AFG لأجهزة الإرسال. يشتمل هذا الجزء المتكامل للغاية على معالج ARM Cortex-M3 الذي يعمل بكود العميل ، ووحدة تحكم PWM (لتوصيل الطاقة) التي تدعم دائرة جسر H خارجية. وفقًا لمعيار Qi ، يمكن لوحدة التحكم التحكم في الطاقة ودعم اكتشاف الأجسام الغريبة لما يصل إلى جهازين.

جهاز bq51013 هو أحد منتجات Texas Instruments المصمم للجانب الثانوي لأداء تحويل طاقة التيار المتردد / التيار المستمر ، والتصحيح ، ووظائف التحكم الرقمية المطلوبة لإرسال الأوامر إلى جهاز الإرسال. تستخدم جميع الأجهزة في عائلة bq5101x مقومًا متزامنًا منخفض المقاومة ، و LDO ، ووحدات تحكم في الجهد والحلقة الحالية.

بالإضافة إلى وحدات التحكم ، تقدم الشركات المصنعة ملفات جاهزة تدعم معيار بروتوكول Qi وهي مصممة لتعمل كجهاز إرسال أو استقبال أو كليهما. على سبيل المثال ، تدعم سلسلة AWCCA-50N50 من Abracon كلاً من تطبيقات المرسل والمستقبل. قطر الملف أقل بقليل من 50 مم والنفاذية المغناطيسية قوية ، مما يحمي الإلكترونيات الموجودة داخل الجهاز. تقدم هذه التصميمات عوامل Q قابلة للتحديد في نطاق 70 أو 160 ، وفي هذه الحالة تكون مقاومة التيار المستمر حوالي 20 متر مكعب أو 70 متر مكعب ، على التوالي.

بالنسبة للأجهزة الصغيرة القابلة للارتداء ، قدمت TDK ملف WR303050 وخفضت حجم عبوته إلى 30 × 30 مم وسمك 1 مم فقط. مقاومة التيار المستمر هي 0.41 Ω في درجة حرارة الغرفة.

لمزيد من المرونة ، يوفر IWAS-3827 من Vishay Dale خيار قاعدة مستطيلة بدلاً من قاعدة مربعة ، بطول وعرض 38 مم و 27 مم ، على التوالي. يبلغ سمك الملف 1 مم ، ومقاومة التيار المستمر تبلغ 0.18 Ω ، وقيمة Q النموذجية تبلغ 30.

كيفية تصميم حل للشحن اللاسلكي للأجهزة القابلة للارتداء

الشكل 3: ملف AVishay Dale للطاقة اللاسلكية.

لتوفير حل أكثر تكاملاً ، يمكن تعبئة TMx-66-2M7 و TMx-58-2M7 من TDK بشريحة مستقبل TI ، مما ينتج عنه جهاز معبأ بطول إجمالي يبلغ 66 مم وسمك 1 مم فقط.

تشمل أجهزة الشحن اللاسلكي الاختيارية الأخرى ملفات الشحن اللاسلكي من سلسلة WPCC و WE-WPCC من Würth Electronics. تتوفر هذه الملفات في كل من تكوينات جهاز الإرسال والاستقبال ، ويتم تصنيفها من 0.8 إلى 13 A وهي متوفرة في مجموعة متنوعة من الأحجام لتلبية مجموعة متنوعة من متطلبات التطبيق. يمكننا توضيح مفاهيم وفوائد الشحن اللاسلكي باستخدام مجموعة Würth / TI Wireless Power Demonstration Kit (760308) ، التي تستخدم ملف Würth للإرسال والاستقبال.
مع توسع النظام البيئي حول البروتوكولات مثل Qi ، يمكننا توقع حلول أكثر تكاملاً لتبسيط جهود التصميم وابتكار طرق شحن أبسط للأجهزة القابلة للارتداء.