reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© rob bouwman dreamstime.com Technologie | 13 czerwca 2018

Jak szybko zaimplementować system ładowania zgodny ze standardem Qi (Część 1)

Ładowanie bezprzewodowe uwalnia urządzenia mobilne od kabli. Sprawia, że napełnienie ich akumulatorów energią jest prostsze i wygodniejsze. Jak to jednak działa? Z czym się wiąże?
Urządzenia mobilne, pomimo swojej nazwy nadal do końca nie pozostają w pełni mobilnymi. To co je więzi to proces ładowania, który najczęściej odbywa się z wykorzystaniem kabla. Z pomocą przychodzą jednak stacje i systemy ładowania bezprzewodowego. Aby ujednolicić te technologie, konsorcjum Wireless Power Consortium stworzyło standard Qi, który opisuje specyfikację funkcji ładowania bezprzewodowego, by była jak najwydajniejsza i mogła obsługiwać stosunkowo dużą moc.

Jednakże często projektanci i tak stają przed wieloma wyzwaniami związanymi z zaprojektowaniem elementów, wchodzących w skład takiego systemu ładowania: od projektu PCB, poprzez firmware, na samej optymalizacji całości kończąc. Wymaga to często niemałej pracy nad projektem, co wiąże się także z kosztami.

Z pomocą przychodzą rozwiązania zaprezentowane między innymi przez STMicroelectronics. Dzięki tym komponentom, (a także kitom i innym pomocom), projektanci mogą zaimplementować taką funkcjonalność - w pełni zgodną ze standardem Qi - znacznie szybciej, niż normalnie, zaspokajając tym samym rosnące zapotrzebowanie na tego typu sposób ładowania urządzeń.

W tej serii artykułów przybliżymy państwu te rozwiązania, jak również opowiemy o samym ładowaniu bezprzewodowym, rolach standardu i o wyzwaniach z jakimi borykają się projektanci. Przedstawimy państwu także wybrane rozwiązania, podpowiadając jak mogą one pomóc w projektowaniu aplikacji ładowania bezprzewodowego.

Jak działa ładowanie bezprzewodowe?

W klasycznych aplikacjach, zasada działania systemu ładowania bezprzewodowego opiera się na przekazaniu energii do specjalnej cewki. Prąd zmienny indukuje powstawanie pola elektromagnetycznego w tej cewce. Gdy blisko niej umieścić cewkę odbiorczą, która będzie rezonować z nadawczą, w cewce odbiorczej powstanie odpowiedni prąd zmienny, zgodnie z prawem Faraday’a o indukcji.


© STMicroelectronics


Sam przesył energii to jednak nie wszystko. Umiejętne modulowanie prądem w cewce nadawczej oraz obciążeniem w odbiorczej umożliwia przesyłanie krótkich, zakodowanych danych, umożliwiających wymianę informacji pomiędzy urządzeniem nadawczym, a odbiorczym, w celu optymalizacji pracy systemu i osiągnięciu jak najwyższej efektywności pracy.

Ogólna idea działania jest więc stosunkowo prosta, natomiast implementacja nie jest taka łatwa. Wymagana jest tu bowiem bardzo duża precyzja w doborze parametrów po obu stronach, zwłaszcza w kwestii cewek. Nawet niewielkie odstępstwa mogą sprawić, że efektywność procesu transferu energii mocno spadnie.

Standardy

Aby ta efektywność była zapewniona, powstały standardy opracowane np. przez wspomniane WPC czy też AirFuel Alliance. Zapewniają one dokładną specyfikację, opisując poszczególne, istotne elementy systemu, dając projektantom konkretne wytyczne, by ich rozwiązania były w pełni kompatybilne z innymi i by mogły pracować efektywnie. Standardy te więc stanowią swego rodzaju frameworki dla projektantów.

Kolejne wersje standardów, jak np. WPC Qi 1.2, podnoszą wymagania aplikacjom, rozszerzając jednocześnie ich funkcjonalność. Przykładem może być zwiększenie maksymalnej wartości mocy przesyłanej w ten sposób do 15 W. Dodano także opis komunikacji dwukierunkowej, o której wspomnieliśmy wyżej, by ta efektywność była zapewniana niezależnie od zmieniających się warunków pracy nadajnika, jak i odbiornika.


© WPC


Implementacja systemu ładowania bezprzewodowego w pełni zgodnego z takimi standardami, może stanowić nie małe wyzwanie, nawet dla bardziej doświadczonych projektantów. Nawet najmniejszy błąd, czy choćby przestrzelenie wartości dobranych komponentów, może rzutować na wydajność procesu transferu energii, osiągając sprawność poniżej jakiegokolwiek poziomu użyteczności.

Dochodzą do tego wymagania stawiane przez standardy związane z odpowiednim przygotowaniem procesu. Wspomniany Qi przed zainicjowaniem właściwego transferu energii wymaga wykonania kilku kroków, sprawdzając poprawność systemu i kompatybilność urządzeń, dostosowując też parametry transferowe.

W przypadku tego standardu, urządzeniem inicjującym jest odbiornik, który pinguje do nadajnika, przesyłając jednocześnie swoje dane identyfikacje wraz ze swoją konfiguracją. Po zaakceptowaniu następuje krótki etap wymiany danych, w celu określenia poziomu energii, odpowiedniego i efektywnego dla obu stron. Może też zostać wykonana kalibracja na tym etapie. Proces wymiany informacji następuje też już w trakcie przesyłania informacji, by móc na bieżąco dostosowywać poziomy przesyłanej energii, w celu poprawienia efektywności i zachowaniu bezpieczeństwa (np. by uchronić urządzenia przed przegrzaniem).

Oczywiście praktyczna implementacja tego standardu, a także tego dość wymagającego protokołu, nastręcza pewnych trudności. Może też przyczynić się do wzrostu złożoności aplikacji. Jednakże na rynku dostępne są rozwiązania, które pomagają projektantom w implementowaniu systemu ładowania, zgodnego z tym, jak również innymi standardami. Najczęściej idą one w parze, jak wspomniane rozwiązania od STMicroelectronics: odbiornik STWLC33 oraz kontroler nadajnika STWBC-EP.

Odbiornik

Pierwszy ze wspomnianych wyżej elementów opiszemy jeszcze w tej części artykułu. Chodzi rzecz jasna o odbiornik STWLC33 od STMicroelectronics. Jest to niewielki komponent oferowany w obudowie o wymiarach około 4 na 2.7 mm.


© STMicroelectronics


Mały gabaryt nie powinien Was jednak mylić, znajdziemy tu bowiem naprawdę sporo fajnej funkcjonalności. Układ ten integruje w sobie bowiem kompletny, bezprzewodowy front-end RF w formie gotowego podsystemu, regulator LDO, a także 32-bitowy MCU oparty na rdzeniach ARM Cortex. Całość została tak dobrana, by móc możliwie najefektywniej współpracować i zużywać minimalne ilości energii, wliczając w to bardzo niewielki spadek napięcia na regulatorze LDO.

Odbiornik ten wspiera nie tylko protokół Qi w wersji 1.2, ale również wspomniany AirFuel. Zapewni więc kompleksowe wsparcie dla wielu różnych urządzeń ładowanych bezprzewodowo i zgodnych z w/w protokołami i standardami. Układ sam jest w stanie rozpoznać, z jakiego protokołu będzie korzystać.

W przypadku pracy w zgodzie ze standardem Qi, układ sam zatroszczy się o odpowiednią obsługę protokołu, o którym wspomnieliśmy wyżej. Po nawiązaniu komunikacji i przejściu przez etapy przygotowawcze, rozpoczynana jest transmisja, a także optymalizowanie transferu energii, w celu osiągnięcia najwyższej efektywności, przy zachowaniu bezpieczeństwa.

Układ komunikować się może za pomocą interfejsu I2C z procesorem nadrzędnym. Można w ten sposób układ wyłączyć, jak również odczytywać informacje o błędach i problemach, np. zbyt o wysokiej temperaturze lub napięciu.

Co ciekawe, układ ten może także przekształcić nasz telefon w małą podręczną ładowarkę dla jeszcze innych, mniejszych urządzeń, jak np. smartwatch. Nie wymaga to przy tym dodatkowej konfiguracji. W tym trybie wykorzystuje się tą samą cewkę, zarówno w przypadku pracy w trybie odbiornika, jak i nadajnika. Nie stoi jednak nic na przeszkodzie by podłączyć dodatkową cewkę nadawczą. Wtedy jednak konieczne będzie dodanie odpowiedniego zewnętrznego przełącznika.


© STMicroelectronics


W kolejnej części omówimy dedykowany kontroler dla transmitera, który umożliwi sprawne zbudowanie nadajnika energii przesyłanej bezprzewodowo, operując na mocach sięgających 15 W.

Artykul opublikowano dzięki uprzejmości firmy © DigiKey

Druga część artykułu w najbliższych dniach

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
Załaduj więcej newsów
October 15 2018 23:56 V11.6.0-2