Soluzioni di ricarica wireless a norma Qi per dispositivi mobili

Che si tratti di dispositivi indossabili per l'assistenza sanitaria o di smartphone e tablet per la connettività, i consumatori esigono prodotti che funzionino ovunque essi siano. Nell'ottica di tale requisito, sono anche alla ricerca di soluzioni di ricarica delle batterie che consentano di eliminare cavi e connettori. Per soddisfare questi requisiti del mercato, negli ultimi anni la ricarica wireless è emersa come alternativa attraente agli adattatori plug-in e sta riscuotendo sempre maggiori consensi grazie alla comparsa di standard. Sulla base di questi standard, fornitori come Texas Instruments, Freescale Semiconductor e Integrated Device Technology, fra gli altri, hanno iniziato a offrire delle soluzioni totali.

La ricompensa per uno sviluppo riuscito di soluzioni di alimentazione wireless è sostanziosa. Secondo la società di consulenza in ricerca e tecnologia IHS, entro la fine di quest'anno potrebbero essere in uso circa 100 milioni di dispositivi di alimentazione wireless. Nel 2012, il numero di unità di ricarica wireless era stimato attorno a soli 5 milioni. È interessante vedere che tre sono le organizzazioni di standard che si contendono una fetta di questo mercato emergente.¹ Il Wireless Power Consortium (WPC) è stato il primo standard di alimentazione wireless lanciato nel 2008, seguito nel 2012 da Power Matters Alliance (PMA) con una soluzione alternativa. Sempre nel 2012 è stata introdotta una terza iniziativa, la Alliance for Wireless Power (A4WP).²

Di recente, A4WP e PMA hanno siglato un accordo per fondersi e creare una sola entità per soddisfare le esigenze dei consumatori in materia di ricarica induttiva wireless. Questa alleanza punta a creare un ecosistema interoperativo di ricarica wireless, cruciale per l'adozione su larga scala della tecnologia da parte dei consumatori. Mentre A4WP è sostenuto da società come Samsung Electronics e Qualcomm, PMA può contare sull'appoggio di Duracell e AT&T.

Ricarica induttiva

Con oltre 200 membri, l'elenco di WPC è di gran lunga il più folto e il suo standard Qi di ricarica wireless è anche il più diffuso, con oltre 600 prodotti certificati Qi e più di 50 milioni di dispositivi Qi sul mercato. Secondo WPC, oltre 70 smartphone dei principali produttori usano le specifiche Qi e circa 15 modelli di auto sulle strade di tutto il mondo offrono capacità di ricarica Qi integrate.

Il sistema Qi comprende una base di trasmissione dell'alimentazione e una bobina ricevente compatibile in un dispositivo portatile, come illustrato nella Figura 1. Per trasferire l'alimentazione tra le due bobine, il sistema Qi usa l'accoppiamento induttivo. Di conseguenza, la corrente nella bobina primaria (trasmettitore) genera un campo magnetico, che induce corrente nella bobina secondaria (ricevitore). La corrente ricevuta viene quindi utilizzata per caricare una batteria o per alimentare un carico. In genere, la distanza tra le due bobine è di 5 mm e la potenza assorbita dal trasmettitore per l'accoppiamento al ricevitore arriva fino a 5 W. La frequenza di funzionamento è fra 100 e 205 kHz. Questa specifica iniziale, chiamata Qi v1.0, è stata pubblicata nell'agosto 2009. Per lasciare maggiore libertà di progettazione dei trasmettitori, alcuni anni dopo è stata introdotta la Qi v1.1, che consente distanze di accoppiamento maggiori. Secondo le specifiche v1.1, un caricatore Qi può erogare 5 W attraverso il piano di un tavolo di 40 mm in un ricevitore Qi.

Figura 1: Un tipico sistema di ricarica wireless usa due induttori ad accoppiamento magnetico, una bobina di trasmissione e una bobina ricevente. Una corrente alternata nella bobina trasmittente genera un campo magnetico che induce una tensione nella bobina ricevente. (Per gentile concessione di Wireless Power Consortium)

Per dare maggiore flessibilità ai caricatore Qi, WPC ha aggiornato lo standard alla versione 1.2 nell'estate 2014. Qi v1.2 espande la specifica della corrente per aggiungere una ricarica risonante alla tecnologia induttiva già presente nella specifica Qi. Questo dà ai produttori l'opzione di incorporare in modo discreto i caricatore wireless più all'interno di strutture come mobili e desktop, nonché quella di utilizzare applicazioni con superfici a contatto diretto e a basso costo. Fornisce inoltre la compatibilità con i ricevitori v1.1.

Secondo WPC, le società socie hanno dimostrato la possibilità di ricarica a una distanza di 45 mm utilizzando ricevitori prototipo Qi v1.2. Inoltre, i test di interoperabilità tra i sistemi Qi v1.1 esistenti e i sistemi prototipo v1.2 hanno avuto successo. Questo significa che i dispositivi mobili non devono più essere a contatto diretto con la base di ricarica. Di conseguenza, un singolo trasmettitore Qi v1.2 può ricaricare più dispositivi Qi contemporaneamente. Inoltre, l'ultima specifica Qi permette ai trasmettitori di alimentare fino a 2000 W per applicazioni idonee agli ambienti di cucina.

Soluzioni a norma Qi

Membro fondatore di WPC, TI ha sviluppato CI sia per il lato trasmittente che per la sezione ricevente del sistema. La società continua ad espandere il portafoglio di soluzioni di ricarica wireless con nuovi prodotti. Lo scorso anno, ha introdotto due ricevitori monolitici a norma Qi, bq51020 e bq51021. I ricevitori a chip singolo da 5 W forniscono raddrizzamento, regolazione, controllo digitale e comunicazione per supportare le specifiche Qi v1.1 (Figura 2). TI ha dichiarato che i CI di questi ricevitori sono progettati su misura per la ricarica di cellulari, tablet e altri dispositivi elettronici a norma Qi in modo più rapido ed efficiente rispetto alle altre soluzioni wireless disponibili. I ricevitori hanno una tensione di uscita programmabile fino a 8 V e MOSFET a bassa resistenza nello stato On per ridurre le perdite di corrente anche fino al 50%. Inoltre, bq51021 vanta un'interfaccia I²C, che consente ai progettisti di sistemi di implementare il rilevamento di oggetti estranei (FOD) e un'esclusiva funzione di "rilevamento della base" che semplifica l'allineamento del ricevitore con il caricatore per migliorare l'esperienza dell'utente.

Figura 2: Il ricevitore a chip singolo bq5102x di TI offre raddrizzamento, regolazione, controllo digitale e comunicazione per supportare le specifiche Qi v1.1.

Sul lato trasmittente, l'azienda ha aggiunto un chip di nuova generazione, bq500212A, che richiede meno componenti per completare la soluzione e che è in grado di operare da una porta USB o un adattatore di alimentazione a 5 V. È conforme alle specifiche della bobina trasmittente di tipo A11 o A5 v.1.1. di WPC (Figura 3). In sostanza, il controller integra tutte le funzioni richieste per controllare l'erogazione di potenza wireless a un chip ricevitore a norma Qi v1.1. Altre funzionalità chiave includono limitazione dinamica della potenza, FOD e rilevamento migliorato di oggetti metallici parassiti (PMOD). In quanto al fornitore, funzioni esaurienti di monitoraggio dello stato e dei guasti del chip consentono di progettare un sistema di alimentazione wireless robusto e a basso costo a norma Qi.

Figura 3: Un tipico circuito trasmittente che utilizza controller in CI di alimentazione wireless bq500212A di TI.

L'anno scorso, TI ha introdotto anche un ricevitore dual-mode a 5 W bq51221 conforme a entrambi i protocolli Qi v1.1 e PMA di WPC per le comunicazioni e il controllo. Il chip singolo del ricevitore di alimentazione wireless fornisce la conversione dell'alimentazione (raddrizzamento e regolazione), nonché comunicazioni e controllo digitale per entrambi gli standard. Nessuna necessità di ulteriore sviluppo software. Inoltre, incorpora il controllo del raddrizzatore dinamico per fornire alta efficienza mantenendo la soluzione a dimensioni contenute.

Per dare più potenza ai caricatore wireless, TI di recente ha presentato la prima soluzione di ricarica wireless da 10 W pienamente integrata conforme allo standard Qi e compatibile a ritroso con i ricevitori Qi a 5 W. Include il chip del ricevitore di alimentazione wireless bq51025 e il corrispondente trasmettitore di alimentazione wireless bq500215. Quando sono abbinati, il ricevitore supporta una tensione di uscita programmabile da 4,5 V a 10 V e raggiunge fino all'84% di efficienza di ricarica a 10 W, secondo TI. La soluzione completa con ricevitore wireless misura solo 3,60 x 2,89 mm e può essere inserita in numerosi progetti industriali portatili, da scanner per punti di vendita ad apparecchiature diagnostiche medicali portatili, come anche dispositivi elettronici personali quali tablet e ultrabook. In Figura è illustrato un tipico circuito di un ricevitore a norma Qi v1.1 basato sul chip del ricevitore di alimentazione wireless bq51025. 4.

Figura 4: Circuito di un ricevitore a norma Qi v1.1 basato sul chip del ricevitore di alimentazione wireless bq51025. L'uscita è di 7 V con una corrente di uscita massima di 1,4 A.

Analogamente, il trasmettitore digitale wireless dedicato a frequenza fissa bq500215 è a norma Qi v1.1 per erogare fino a 5 W e usa un protocollo proprietario di comunicazione bidirezionale per consentire ricariche fino a 10 W con ricevitore wireless bq51025. Prevede un metodo FOD per rilevare oggetti prima di qualsiasi trasmissione di potenza e interrompe attivamente la potenza quando viene rilevata una perdita eccessiva.  

In breve, la ricarica induttiva si sta diffondendo sempre più e fornitori come TI hanno approntato soluzioni di sistema totali conformi agli standard emergenti. In questo modo hanno semplificato il lavoro dei produttori che cercano di entrare in questo mercato in rapida crescita finché vi è la possibilità di farlo.

Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine delle informazioni sui prodotti sul sito DigiKey.

Riferimento

1. White paper, "An introduction to the Wireless Power Consortium standard and TI’s compliant solutions" di Bill Johns, Senior Applications Engineer, Texas Instruments Inc.
2. White paper, "A global wireless power standard will open the market, encourage consumers to live without power cords" di Niranjan Pathare, Product Marketing Manager bqTESLA Wireless Power, Texas Instruments