© Pixabay
Technologie |
Konstrukcja ekosystemu ładowania bezprzewodowego AirFuel - Cz. 2
W tej części artykułu przedstawiamy m.in.: konstrukcję nadajnika i odbiornika indukcyjnego, a także zastosowanie technologii rezonansowej w systemie AirFuel.
Nadajnik indukcyjny
Sercem konstrukcji nadajnika indukcyjnego jest centralny kontroler, który zarządza układami FET, regulując napięcie, częstotliwość oraz ilość cykli potrzebnych do utrzymania mocy wyjściowej. Kluczowe sygnały do regulacji mocą nadajnika uwzględniają zmiany napięcia zasilania oraz sygnały uzyskane z odbiornika poprzez mechanizm rozproszenia wstecznego (schemat poniżej).
Kontroler i sterownik FET wraz z odpowiednimi filtrami i układami dopasowującymi stanowią krytyczne elementy do zapewnienia niezawodnego działania przesyłu energii. Kontroler Semtech TS80000 i sterownik FET Semtech TS61001 zawierają pełny zestaw funkcji, które dają możliwość sterowania przy minimalnym nakładzie pracy projektowej.
TS80000 został zaprojektowany specjalnie dla aplikacji wykorzystujących bezprzewodowe ładowanie. Układ oparto o architekturę RISC i wyposażono w flash, SRAM, przetwornik A/C, trzy 16-bitowe timery, GPIO i szeregowy interfejs. Układ zawiera wbudowane oprogramowanie, który pozwala na dopasowanie produktu do wymagań i uproszczenie zarządzania całym procesem transmisji energii, bez konieczności stosowania zewnętrznych mikrokontorlerów. Dostęp do firmware-u, opcji konfiguracyjnych realizowany jest za pomocą funkcji API i interfejsu I2C lub UART. Zawarte funkcje wykorzystują GPIO i przetworniki A/C w celu pozyskania informacji o napięciu, prądzie i dekodowanych sygnałach z odbiornika, pochodzących z mechanizmu rozproszenia wstecznego. Do sterowania układami FET w celu dostosowania mocy wyjściowej oprogramowanie wykorzystuje regulator PID.
TS80000 w połączeniu z układem TS61001 znaczenie upraszczają projektowanie wymagając jedynie kilku połączeń dla sygnałów wejściowych i wyjściowych w standardowym systemie (schemat poniżej).
Odbiornik indukcyjny
Kolejną parą podzespołów, tym razem tworzących system odbiornika jest układ Semtech TS51111 i Semtech TS81000. Rolą TS51111 jest zamiana sygnału wejściowego (AC) z anteny odbiornika na sygnał wyjściowy DC w celu ładowania urządzenia, natomiast układ TS81000 monitoruje zasilanie i generuje dane zwrotne. Kontroler odbiornika TS81000, podobnie jak kontroler nadajnika TS80000, jest zaawansowanym układem z procesorem RISC wyposażonym w wewnętrze oprogramowanie do kontroli po stronie odbiornika procesu ładowania bezprzewodowego.
Przetwornik TS51111 łączy w sobie przetwarzanie synchroniczne z wieloma funkcjami detekcji analogowej w celu optymalizacji konwersji mocy z cewki odbiornika. Obie te rzeczy doskonale wspomagają proces ładowania baterii. Dodatkowo układ posiada regulator o bardzo niskim Dropout Voltage (LDO) zaprojektowany do zasilania układu TS81000 lub innych zewnętrznych urządzeń.
Dzięki kontrolerowi TS81000 i przetwornikowi TS51111, które zawierają szynę I2C do przesyłu danych dwoma liniami sygnałowymi oraz analogowy multiplekser (AMUX), projektanci otrzymali możliwość łatwego i szybkiego sposobu na zaprojektowanie urządzenia o niewielkich wymiarach. W celu ładowania zgodnie ze standardem AirFuel oprogramowanie wewnętrzne układu TS81000 wykorzystuje do kontroli funkcje sterowania w TS51111. W rezultacie zasilany jest tylko układ TS51111 i niewielka ilość dodatkowych elementów (schemat poniżej).
Opracowane elementy przez Samtech-a znacząco wpływają na uproszczenie etapów w projektowaniu sterowania i zasilania dla nowych rozwiązań bezprzewodowych ładowarek. Koncepcja minimalizacji użytych elementów rozwiązuje jedynie cześć problemów, z którymi projektant musi się zmierzyć. Pozostają jeszcze kwestie związane z projektem, wykonaniem i dopasowaniem anten oraz pozostałych elementów w urządzeniu. Z pomocą przychodzą płytki ewaluacyjne TSDMTX-5V2-EVM (nadajnik) i TSDMRX-5W-EVM (odbiornik) przygotowane przez firmę Samtech.
Technologia rezonansowa w AirFuel
Rozwiązania oparte o zjawisko rezonansu magnetycznego stawiają łatwość użytkowania ponad sprawność ładowania. Kiedy systemy indukcyjne wymagają starannego ustawienia cewki nadajnika względem cewki odbiornika oraz niedużej przerwy pomiędzy nimi, to układy rezonansowe są w stanie wybaczyć więcej. Systemy rezonansowe opracowane dla standardu AirFuel pozwalają na dużą większą swobodę w pozycjonowaniu jednostki transmitującej energię (PTU – Power Transmiting Unit) do wielu odbiorników (PRUs – Power Receiving Units).
W porównaniu do układów indukcyjnych, technologia rezonansowa wymaga znacznie wyższych częstotliwości sprzęgających, a także osobnej dwukierunkowej komunikacji za pomocą technologii Bluetooth Low Energy (BLE) (rysunek poniżej).
Przy projektowaniu tych obwodów, inżynierowie mogą skorzystać z szerokiej gamy urządzeń zasilających i przetwarzających. Wyzwanie stanowią dodatkowe wymagania dotyczącymi kontroli transmisji poza pasmowej (out-of-band) i komunikacji.
Dzięki wbudowanemu modułowi NRF52832 firmy Nordic Semiconductor do bezprzewodowej transmisji danych, zmniejszono ilość potrzebnych urządzeń przy minimalnym wpływie na wielkość projektu. Projektanci chcąc wdrożyć nowy projekt zgodny ze standardem AirFuel muszą uwzględniać złożoność projektu i całkiem spore koszty z tym związane. W celu minimalizacji tych kosztów firma Nordic Semiconductor stworzyła dla programistów zestaw narzędzi nRF5 (Software Development Kit) niezbędny w tworzeniu rozwiązań dla bezprzewodowego ładowania. Znalazły się tam kompatybilne z AirFuel biblioteki dla jednostek PTU i PRU. Dzięki SDK projektanci mogą ograniczyć kod do niewielkiej liczby procedur wyższego szczebla. W ten sposób możliwe jest łatwe tworzenie aplikacji spełniających specyficzne wymagania bezprzewodowego ładowania.
Obecnie ładowanie bezprzewodowe zmaga się jeszcze z wieloma problemami nad którymi należy ciągle pracować. AirFuel Alliance oferuje podejście oparte na standardach, które daje możliwość skorzystania z różnych technologii, w tym indukcyjnych i rezonansowych. Wykorzystując dostępność prezentowanych układów oraz zaawansowane oprogramowanie, projektanci mają możliwość szybkiego wdrożenia standardu systemu ładowania bezprzewodowego AirFuel, przy minimalnym wpływie na czas realizacji projektu, wielkość urządzenia czy ilość użytych elementów.
Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.
Kontroler i sterownik FET wraz z odpowiednimi filtrami i układami dopasowującymi stanowią krytyczne elementy do zapewnienia niezawodnego działania przesyłu energii. Kontroler Semtech TS80000 i sterownik FET Semtech TS61001 zawierają pełny zestaw funkcji, które dają możliwość sterowania przy minimalnym nakładzie pracy projektowej.
TS80000 został zaprojektowany specjalnie dla aplikacji wykorzystujących bezprzewodowe ładowanie. Układ oparto o architekturę RISC i wyposażono w flash, SRAM, przetwornik A/C, trzy 16-bitowe timery, GPIO i szeregowy interfejs. Układ zawiera wbudowane oprogramowanie, który pozwala na dopasowanie produktu do wymagań i uproszczenie zarządzania całym procesem transmisji energii, bez konieczności stosowania zewnętrznych mikrokontorlerów. Dostęp do firmware-u, opcji konfiguracyjnych realizowany jest za pomocą funkcji API i interfejsu I2C lub UART. Zawarte funkcje wykorzystują GPIO i przetworniki A/C w celu pozyskania informacji o napięciu, prądzie i dekodowanych sygnałach z odbiornika, pochodzących z mechanizmu rozproszenia wstecznego. Do sterowania układami FET w celu dostosowania mocy wyjściowej oprogramowanie wykorzystuje regulator PID.
TS80000 w połączeniu z układem TS61001 znaczenie upraszczają projektowanie wymagając jedynie kilku połączeń dla sygnałów wejściowych i wyjściowych w standardowym systemie (schemat poniżej).
Odbiornik indukcyjny
Kolejną parą podzespołów, tym razem tworzących system odbiornika jest układ Semtech TS51111 i Semtech TS81000. Rolą TS51111 jest zamiana sygnału wejściowego (AC) z anteny odbiornika na sygnał wyjściowy DC w celu ładowania urządzenia, natomiast układ TS81000 monitoruje zasilanie i generuje dane zwrotne. Kontroler odbiornika TS81000, podobnie jak kontroler nadajnika TS80000, jest zaawansowanym układem z procesorem RISC wyposażonym w wewnętrze oprogramowanie do kontroli po stronie odbiornika procesu ładowania bezprzewodowego.
Przetwornik TS51111 łączy w sobie przetwarzanie synchroniczne z wieloma funkcjami detekcji analogowej w celu optymalizacji konwersji mocy z cewki odbiornika. Obie te rzeczy doskonale wspomagają proces ładowania baterii. Dodatkowo układ posiada regulator o bardzo niskim Dropout Voltage (LDO) zaprojektowany do zasilania układu TS81000 lub innych zewnętrznych urządzeń.
Dzięki kontrolerowi TS81000 i przetwornikowi TS51111, które zawierają szynę I2C do przesyłu danych dwoma liniami sygnałowymi oraz analogowy multiplekser (AMUX), projektanci otrzymali możliwość łatwego i szybkiego sposobu na zaprojektowanie urządzenia o niewielkich wymiarach. W celu ładowania zgodnie ze standardem AirFuel oprogramowanie wewnętrzne układu TS81000 wykorzystuje do kontroli funkcje sterowania w TS51111. W rezultacie zasilany jest tylko układ TS51111 i niewielka ilość dodatkowych elementów (schemat poniżej).
Opracowane elementy przez Samtech-a znacząco wpływają na uproszczenie etapów w projektowaniu sterowania i zasilania dla nowych rozwiązań bezprzewodowych ładowarek. Koncepcja minimalizacji użytych elementów rozwiązuje jedynie cześć problemów, z którymi projektant musi się zmierzyć. Pozostają jeszcze kwestie związane z projektem, wykonaniem i dopasowaniem anten oraz pozostałych elementów w urządzeniu. Z pomocą przychodzą płytki ewaluacyjne TSDMTX-5V2-EVM (nadajnik) i TSDMRX-5W-EVM (odbiornik) przygotowane przez firmę Samtech.
Technologia rezonansowa w AirFuel
Rozwiązania oparte o zjawisko rezonansu magnetycznego stawiają łatwość użytkowania ponad sprawność ładowania. Kiedy systemy indukcyjne wymagają starannego ustawienia cewki nadajnika względem cewki odbiornika oraz niedużej przerwy pomiędzy nimi, to układy rezonansowe są w stanie wybaczyć więcej. Systemy rezonansowe opracowane dla standardu AirFuel pozwalają na dużą większą swobodę w pozycjonowaniu jednostki transmitującej energię (PTU – Power Transmiting Unit) do wielu odbiorników (PRUs – Power Receiving Units).
W porównaniu do układów indukcyjnych, technologia rezonansowa wymaga znacznie wyższych częstotliwości sprzęgających, a także osobnej dwukierunkowej komunikacji za pomocą technologii Bluetooth Low Energy (BLE) (rysunek poniżej).
Przy projektowaniu tych obwodów, inżynierowie mogą skorzystać z szerokiej gamy urządzeń zasilających i przetwarzających. Wyzwanie stanowią dodatkowe wymagania dotyczącymi kontroli transmisji poza pasmowej (out-of-band) i komunikacji.
Dzięki wbudowanemu modułowi NRF52832 firmy Nordic Semiconductor do bezprzewodowej transmisji danych, zmniejszono ilość potrzebnych urządzeń przy minimalnym wpływie na wielkość projektu. Projektanci chcąc wdrożyć nowy projekt zgodny ze standardem AirFuel muszą uwzględniać złożoność projektu i całkiem spore koszty z tym związane. W celu minimalizacji tych kosztów firma Nordic Semiconductor stworzyła dla programistów zestaw narzędzi nRF5 (Software Development Kit) niezbędny w tworzeniu rozwiązań dla bezprzewodowego ładowania. Znalazły się tam kompatybilne z AirFuel biblioteki dla jednostek PTU i PRU. Dzięki SDK projektanci mogą ograniczyć kod do niewielkiej liczby procedur wyższego szczebla. W ten sposób możliwe jest łatwe tworzenie aplikacji spełniających specyficzne wymagania bezprzewodowego ładowania.
Obecnie ładowanie bezprzewodowe zmaga się jeszcze z wieloma problemami nad którymi należy ciągle pracować. AirFuel Alliance oferuje podejście oparte na standardach, które daje możliwość skorzystania z różnych technologii, w tym indukcyjnych i rezonansowych. Wykorzystując dostępność prezentowanych układów oraz zaawansowane oprogramowanie, projektanci mają możliwość szybkiego wdrożenia standardu systemu ładowania bezprzewodowego AirFuel, przy minimalnym wpływie na czas realizacji projektu, wielkość urządzenia czy ilość użytych elementów.
Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.