Soluzioni avanzate per la carica wireless

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L’approccio integrato, gli standard di settore e le topologie di riferimento

Cristina Paveri

La forte tendenza alla mobilità richiede dispositivi interamente wireless: la tecnologia wireless – diventata sinonimo di trasferimento (streaming) di dati, video e audio – offre anche la possibilità di caricare le batterie dei dispositivi mobili utilizzando campi elettromagnetici per trasferire l’energia da un trasmettitore a un ricevitore. Sono numerosi i dispositivi in cui la carica wireless risulta vantaggiosa: smartphone, dispositivi indossabili, laptop, tablet, utensili, robot collaborativi, droni e dispositivi medicali.
Inoltre, a conferma di questa tendenza, il mercato dei trasmettitori wireless è destinato a triplicare nei prossimi quattro anni secondo una stima della società di ricerca IHS.

 

Cosa significa in termini progettuali passare da una soluzione di carica tradizionale alla tecnologia wireless?
I tradizionali caricatori sono alimentatori switching SMPS in cui un raddrizzatore converte la tensione di rete alternata in tensione continua, successivamente convertita in un segnale CA ad alta frequenza (chopping), preregolata (trasformatore) e riconvertita per l’alimentazione CC al carico. Concettualmente la carica wireless funziona in modo analogo, ma il trasformatore è ripartito tra il caricatore e il dispositivo da caricare. L’avvolgimento primario fa parte del caricatore, mentre il secondario si trova nel dispositivo da caricare e quindi il primario diventa il trasmettitore e il secondario il ricevitore. Poiché gli avvolgimenti sono separati, l’accoppiamento è più debole rispetto al tradizionale SMPS. Tuttavia, rispettando alcuni criteri di base, quali allineamento tra caricatore e dispositivo, dimensione delle bobine e distanza tra le bobine, è possibile ottenere un buon fattore di accoppiamento e quindi trasferire l’energia ad alta efficienza. I punti critici da considerare per la progettazione sono quindi fattore di accoppiamento, efficienza, packaging meccanico, interferenza elettromagnetica EMI, gestione termica e fattore di forma.

Standardizzazione

La tabella seguente confronta le caratteristiche dei tre standard di riferimento per la carica wireless promossi dal consorzio WPC (Wireless Power Consortium) e dalla AirFuel Alliance.

La tabella seguente confronta le caratteristiche dei tre standard di riferimento per la carica wireless promossi dal consorzio WPC

Topologie chiave

I tre elementi chiave di una soluzione di carica wireless sono adattatore/caricatore, trasmettitore e ricevitore come mostrato in figura.

Tipico sistema di carica wireless induttiva

L’adattatore è collegato all’alimentazione e alimenta il trasmettitore, tipicamente con una tensione CC regolata nell’intervallo 5-20 V. Il trasmettitore include un inverter basato su Mosfet per convertire l’alimentazione CC in una forma d’onda CA e generare un campo magnetico alternato con una topologia a mezzo ponte o a ponte intero.

Per la risonanza Classe D ed E (AirFuel) si utilizzano principalmente due topologie.

Topologia classe D

In figura la soluzione di carica wireless in Classe D (a ponte intero come mostrato o a mezzo ponte) che offre un’efficienza praticamente costante per un’ampia gamma di carico ed è quindi ideale per le stazioni di carica wireless universali, ad esempio nei locali pubblici.

Topologia classe E

In figura la topologia Classe E (in configurazione single-ended come mostrato o differenziale) ottimizzata per applicazioni specifiche.

Riferimenti

Wireless charging: advanced technology delivers consumer convenience
Wireless charging for consumer – solutions offerings

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