Uso dell'alimentazione wireless per migliorare la praticità dei dispositivi indossabili

Quello dei dispositivi indossabili sta rapidamente emergendo come un importante settore commerciale dell'elettronica. Un requisito essenziale di questi dispositivi è la praticità, non soltanto in termini di accesso ai dati in mobilità, ma anche di possibilità di disporre di una batteria che duri l'intera giornata, ogni giorno.

Se l'utente deve mettere in carica il dispositivo ogni notte, è altamente probabile che se ne dimentichi di tanto in tanto, per scoprire al risveglio che il prodotto non ha la carica sufficiente per rimanere attivo per il resto della giornata. La carica wireless offre un modo più pratico per caricare i dispositivi elettronici. Invece di doverlo collegare con un cavo mini USB o simile, il dispositivo può essere collocato su un tappetino di carica che può essere posizionato laddove più comodamente accessibile. Se il sistema di carica wireless è opportunamente progettato, è possibile caricare più dispositivi sullo stesso tappetino, riducendo la duplicazione e rendendo più semplice per l'utente prendere dispositivo e caricatore prima di mettersi in viaggio.

I dispositivi indossabili non sono l'unico tipo di dispositivo elettronico che può trarre vantaggio dalla carica wireless. La tecnologia è già ampiamente utilizzata per gli spazzolini da denti elettrici e persino (su scala più ampia) per ricaricare le batterie dei veicoli elettrici.

La carica induttiva funziona sullo stesso principio di un trasformatore di potenza. Una bobina di induzione nel tappetino crea un campo elettromagnetico alternato che viene raccolto da una bobina secondaria nel dispositivo da caricare, dove viene riconvertita in corrente elettrica utilizzabile. Come un trasformatore di tipo convenzionale, la carica a induzione di base richiede la stretta prossimità tra le bobine per garantire alta efficienza. In caso contrario, si possono accumulare perdite sostanziali attraverso la resistenza nella bobina primaria.

L'efficienza di trasferimento dell'energia su distanze maggiori può essere migliorata attraverso l'uso dell'accoppiamento induttivo risonante utilizzando due bobine che vengono sintonizzate tramite la combinazione di induttanza e caricamento capacitivo per risuonare alla stessa frequenza. La risonanza permette la trasmissione di considerevoli quantità di energia da una bobina all'altra su distanze pari ad alcune volte il diametro della bobina.


Il Q del circuito delle bobine può essere sintonizzato su un valore alto, permettendo così l'accumulo di un campo relativamente intenso su più cicli. L'energia in questo segnale oscillante è superiore rispetto a quella fornita alla bobina in qualsiasi dato momento. Poiché la bobina secondaria può ricevere una frazione di questo campo oscillante e convertirlo, la quantità di energia erogata è superiore rispetto ad un trasformatore convenzionale. L'uso della capacitanza per la risonanza annulla l'induttanza di dispersione e l'induttanza di magnetizzazione nel trasmettitore, riducendo le perdite principalmente alle resistenze di avvolgimento delle bobine, in genere da 10 a 100 volte inferiori rispetto alle perdite correlate all'induttanza.

Per fornire un Q superiore rispetto ad un trasformatore convenzionale, spesso le bobine utilizzano un progetto a solenoide, che aiuta a ridurre l'effetto pellicolare. Le perdite del dielettrico vengono generalmente ridotte mediante l'uso di isolatori a bassa permettività, o semplicemente aria.

In pratica, le bobine non vengono sempre sintonizzate su una precisa frequenza di risonanza. I sistemi con accoppiamento debole possono trasferire energia fintantoché quello secondario interseca un numero ragionevole di linee di campo. Un accoppiamento più stretto ottenuto con un abbinamento più preciso delle bobine può erogare maggiore energia, ma non è possibile tenere strettamente accoppiate delle bobine progettate per funzionare insieme in risonanza allo stesso tempo. Questi circuiti possono essere progettati per funzionare appena fuori risonanza, dove la frequenza di risonanza del ricevitore è leggermente differente da quella del trasmettitore.

Purtroppo le bobine strettamente accoppiate sono anche sensibili al disallineamento, che rappresenta un problema per le applicazioni consumer in cui l'utente vuole semplicemente collocare il dispositivo su un tappetino senza dover controllare la posizione e l'orientamento migliore per ottenere la ricarica. Per questo, il trasmettitore utilizzato per la carica potrebbe impiegare più bobine. Ciò aumenta la complessità del progetto, ma fornisce una maggiore libertà di posizionamento. Non è necessario che le bobine si sovrappongano, cosa che semplifica l'assemblaggio in fase di produzione, anche se la sovrapposizione delle bobine permette una maggiore densità e quindi una maggiore libertà di posizionamento del ricevitore.

Per risolvere il problema del caricamento di più dispositivi con un singolo trasmettitore, è necessario ricorrere a degli standard. Oggi sono in uso due standard principali. Il sistema Powermat promosso da Alliance for Wireless Power è progettato intorno ad un sistema con accoppiamento debole basato su una singola bobina del trasmettitore. Il sistema Qi di Wireless Power Consortium permette varie configurazioni differenti, compreso il funzionamento con accoppiamento debole e stretto. La maggior parte dei trasmettitori esistenti utilizza una configurazione multibobina ad accoppiamento stretto.

Gli standard si occupano anche della gestione dell'energia, per garantire che il tappetino di carica non sia attivato in assenza di dispositivi da caricare. Ad esempio, il sistema Qi utilizzava un protocollo di comunicazione per ritrasmettere i segnali attraverso le bobine per controllare la presenza di un dispositivo e la sua compatibilità con il Qi. Lo standard permette al trasmettitore di variare la frequenza di commutazione attraverso la bobina tra i 110 e i 205 kHz come meccanismo primario per il controllo dell'erogazione di energia.

Il Qi utilizza la semplice modulazione del carico della tensione delle bobine per inviare dati all'apparecchio dall'altra parte del traferro. La comunicazione dalla bobina secondaria utilizza uno schema di codifica bit bifase differenziale che opera ad una frequenza fissa di 2 kHz, con un bit iniziale aggiunto prima di ciascuna trasmissione a 8 bit. La trasmissione è seguita da bit di stop e di parità.


È possibile inviare alcuni pacchetti di controllo. I tipi di pacchetto più comunemente utilizzati sono: intensità del segnale, errore di controllo, richiesta di interruzione alimentazione e livello di energia rettificata. L'intensità del segnale viene utilizzata per consentire l'allineamento del dispositivo sul tappetino di carica che, quando utilizzato con un segnale visibile o udibile, guida l'utente a spostare l'apparecchio fino a quando il segnale non è sufficiente per un trasferimento di energia efficiente.

Il pacchetto errore di controllo indica il grado di errore tra la tensione di ingresso vista dalla bobina del ricevitore e quella richiesta. Il trasmettitore in genere utilizza un anello di controllo per regolare la tensione fornita alla propria bobina. Se l'errore è grande, la frequenza dei pacchetti di errore viene impostata su un valore superiore. Viene inviato un pacchetto ogni 32 ms fino a quando l'errore non scende al di sotto di una soglia. Da quel punto in poi, i pacchetti vengono inviati ogni 250 ms. Il pacchetto errore di controllo è utile per la regolazione dell'erogazione di energia. A carichi leggeri, è possibile che il ricevitore richieda una tensione superiore per essere in grado di gestire un transitorio di corrente, ad esempio se il dispositivo indossabile si riattiva dalla sospensione. A correnti di carico superiori, è possibile che il dispositivo portatile richieda una tensione inferiore per evitare le perdite attraverso un regolatore LDO.

Quando il dispositivo è completamente carico oppure rileva un guasto interno che potrebbe danneggiare la batteria, invia un segnale di richiesta di interruzione alimentazione. L'erogazione dell'energia è controllata anche dal messaggio di energia rettificata. Questo ritrasmette la quantità di energia che il dispositivo indossabile riceve all'uscita del suo circuito raddrizzatore. Il trasmettitore utilizza queste informazioni per determinare l'efficienza di accoppiamento e stabilire se il ricevitore stia raggiungendo il limite massimo di energia. Il trasmettitore utilizza l'assenza del pacchetto (che viene inviato a intervalli compresi tra 350 e 1800 ms) per stabilire se il dispositivo sia stato rimosso dal tappetino. Il messaggio di energia rettificata permette inoltre il rilevamento di oggetti estranei.

Sono stati inoltre introdotti chipset per supportare il protocollo Qi e l'erogazione dell'energia di controllo. Un esempio è TB6865AFG di Toshiba per i trasmettitori. Questo componente ad alta integrazione comprende un processore ARM Cortex-M3 per l'esecuzione del codice personalizzato e un controller PWM per il supporto di un circuito a ponte H esterno per l'erogazione di energia. Il controller può controllare l'alimentazione di un massimo di due dispositivi e supporta il rilevamento di oggetti estranei in base alle specifiche dello standard Qi.

bq51013 di Texas Instruments è progettato per il lato secondario, fornendo la conversione di potenza c.a./c.c. e la regolazione, oltre al controllo digitale necessario per inviare i comandi al trasmettitore. I componenti dell'intera famiglia bq5101x utilizzano un raddrizzatore sincrono a bassa resistenza, un LDO e controller ad anello di corrente.

Oltre ai controller, i produttori offrono bobine pronte che supportano il protocollo Qi, progettate per funzionare come trasmettitore, ricevitore o entrambi. Ad esempio, la serie AWCCA-50N50 di Abracon supporta entrambe le applicazioni trasmettitore e ricevitore. La bobina ha un diametro appena inferiore a 50 mm con uno schermo ad alta permeabilità per proteggere i componenti elettronici all'interno del dispositivo. I progetti offrono una scelta di fattori Q: negli intervalli di 70 o 160, con resistenza c.c. di circa 20 m o 70 m, rispettivamente.

Per i dispositivi indossabili più piccoli, TDK offre la bobina WR303050, che riduce le dimensioni del contenitore della bobina a 30 x 30 mm con uno spessore di appena 1 mm. La resistenza c.c. è di appena 0,41  a temperatura ambiente.

IWAS-3827 di Vishay Dale offre ai ricevitori l'opzione di un ingombro rettangolare (38 x 27 mm) piuttosto che quadrato, per una maggiore flessibilità. Lo spessore è di 1 mm e la bobina offre una resistenza c.c. di 0,18  con un Q tipico di 30.


Per fornire una soluzione più integrata, TMX-66-2M7 e TMx-58-2M7 di TDK possono essere inseriti in un contenitore con un chip ricevitore di TI, per una lunghezza totale di 66 mm e uno spessore di appena 1 mm.

Sono disponibili altre opzioni di carica wireless da fornitori come Würth Electronics, che offre diverse serie di bobine di ricarica wireless con le serie WPCC e WE-WPCC. Queste bobine sono disponibili in configurazioni trasmittente e ricevente, con portate di corrente da 0,8 a 13 A e in varie dimensioni per soddisfare le esigenze di qualsiasi applicazione. I concetti e i benefici della ricarica wireless possono essere dimostrati utilizzando il kit demo di alimentazione wireless di Würth/TI (760308), che tratta le bobine trasmittenti e riceventi di Würth.

Man mano che l'ecosistema intorno a protocolli come Qi si espande, possiamo aspettarci la comparsa di soluzioni più integrate in grado di agevolare la progettazione di un metodo più semplice per la carica nei dispositivi indossabili.