Microchip Technology Inc.
Avtor: Vijay Bapu, višji vodja trženja izdelkov v poslovni enoti dsPIC podjetja Microchip
Kaj imajo električna kolesa in prenosni računalniki skupnega? Oboje se lahko polni brezžično.
Električna kolesa in prenosni računalniki za napajanje uporabljajo litij-ionske baterije, ki so bile izbrane zaradi svoje lahkosti, visoke energijske gostote in dolge življenjske dobe. Oba sistema je mogoče brezžično napolniti s pomočjo metode brezžičnega prenosa energije (WPT), ki z elektromagnetno indukcijo brez kablov prenaša energijo v baterijo. Za električna kolesa obstaja brezžična polnilna podlaga ali induktivna ploščica, na katero se kolo postavi za prenos energije. Pri indukcijskem polnjenju je ena tuljava vgrajena v statično podlago ali ploščico (oddajna tuljava), druga pa se nahaja na kolesu, pogosto v stojalu. To je sprejemna tuljava. Tuljava polnilne podlage, napajana z izmeničnim tokom, ustvari elektromagnetno polje, ki nato proizvaja tok v tuljavi kolesa. Ta izmenični tok se nato pretvori v enosmerni tok, ki napaja baterijo kolesa.
Enako velja za prenosne računalnike ter široko paleto širokopotrošnih in industrijskih naprav, vključno z majhnimi roboti, droni, električnim orodjem, robotskimi sesalniki, brezžičnimi usmerjevalniki in kosilnicami.
Podjetje Microchip ponuja referenčni projekt za brezžični prenos električne energije z elektromagnetno indukcijo moči 300 W (Referenčni projekt za brezžični prenos energije 300 W | Referenčni projekti | Microchip Technology) [1], ki ga je mogoče vgraditi v kateri koli tip potrošniškega ali industrijskega sistema z nizko porabo energije za brezžično polnjenje; glej blok diagram na sliki 1.
Sestavljata ga močnostni oddajnik (PTx) Microchip WP300TX01 in močnostni sprejemnik (PRx) Microchip WP300RX01. Sistem deluje z učinkovitostjo več kot 90 % pri moči 300 W in razdalji Z (razdalji med uglašenima tuljavama) 5–10 mm.
Oddajnik (slika 2) se napaja z nazivno napetostjo 24 V, sprejemnik pa izhodno napetost uravnava na nazivnih 24 V.
Delovno območje enosmerne vhodne napetosti te zasnove je 11 V–37 V, vključuje zaščito pred previsoko in prenizko vhodno napetostjo ter zaščito pred previsokim tokom in pregrevanjem prek funkcije spremljanja temperature tiskanega vezja in tuljave. Največji izhodni tok sprejemnika je 8,5 A, izhodna napetost sprejemnika pa je nastavljiva v območju od 12 V do 36 V.
Ta zasnova uporablja lastniški protokol podjetja Microchip, ki je bil razvit po več letih raziskav in razvoja ter za katerega so bili v ZDA podeljeni patenti, kar zagotavlja zanesljiv prenos energije z visokim izkoristkom. Sistem vključuje tudi funkcijo zaznavanja tujkov (angl. Foreign Object Detection FOD), varnostni ukrep, ki preprečuje nevarne situacije, če se v bližini polnilnega polja znajde kovinski predmet. Ko sistem FOD zazna kovinski predmet v bližini območja polnjenja, kjer se ustvarja magnetno polje, prekine prenos energije. Referenčni model vključuje to funkcionalnost v glavno tuljavo, ki prekine dovajanje energije iz oddajnika, dokler predmet ni odstranjen. Sistem FOD deluje tako, da prekine štiri PWM-signale za krmiljenje, pri čemer je štiri največje število, da se prepreči popolna prekinitev polnjenja. Ta referenčni model zazna tudi nekatere kartice in oznake NFC/RFID.
Oddajnik in sprejemnik
WP300TX01 je naprava s fiksno funkcijo (FFD), namenjena brezžičnemu prenosu energije, prav tako kot čip WP300RX01, ki je namenjen sprejemanju energije. Oba sta med seboj povezana in omogočata brezžični prenos energije z največjo močjo 300 W.
Uporabnik lahko nastavi spodnjo in zgornjo mejo napetosti na vhodu ter tudi mejne vrednosti za prenapetost in preobremenitev. Na voljo so trije izhodi za splošne LED diode in več OLED zaslonov ter pet vhodov za stikala. Zasnova omogoča, da se na straneh OLED zaslona prikazujejo in spremljajo trenutni sistemski parametri, pri čemer lahko uporabnik nastavitve OLED zaslona prilagodi tako kot tudi vhodne parametre.
Microchip WP300RX01 deluje pri napetosti od 4,8 V do 5,2 V in pri temperaturi okolja med -40 °C in +85 °C. Tako kot krmilnik oddajnika tudi ta čip zagotavlja zaščito pred prenapetostjo, podnapetostjo, previsokim tokom, preveliko močjo in previsoko temperaturo, z dodatno certifikacijo AEC-Q100 REVG Grade 3 (od -40 °C do +85 °C), ki se nanaša na zmožnost čipa, da zanesljivo deluje v območju temperatur okolja od -40 °C do +85 °C.
Referenčni model poenostavlja in pospešuje razvoj sistemov za brezžični prenos energije, saj omogoča takojšnjo certifikacijo, saj je že pridobil CE certifikat, kar pomeni, da izdelek izpolnjuje vse potrebne zahteve veljavnih direktiv in EU predpisov.
Vrste brezžičnega polnjenja
Obstajajo različne vrste brezžičnega polnjenja, med drugim resonančno, induktivno, polnjenje s sklopitvijo električnega polja in RF. Induktivno polnjenje pametnih telefonov in drugih elektronskih naprav z manjšo porabo energije temelji na odprtem standardu Qi, ki ga je leta 2010 uvedlo združenje Wireless Power Consortium (WPC) z namenom ustvariti univerzalni in medsebojno združljiv koncept polnjenja elektronskih naprav.
Odprti standard spodbuja medsebojno združljivost, s čimer se izogne uporabi več različnih polnilnikov in kablov ter razdrobljenosti trga na različne lastniške rešitve. Ta standard so v svoje izdelke vključili številni proizvajalci, med njimi tudi tehnološki velikani, kot sta Apple in Samsung.
Od leta 2023 omogoča standard Qi 2.0 hitrejše polnjenje mobilnih naprav z močjo 15 W, pri čemer je certificiran za medsebojno združljivost in varnost. Naprave, ki podpirajo standard Qi 2.0, so opremljene s tehnologijo magnetnega pritrjevanja, ki naprave in polnilnike popolnoma poravna, kar zagotavlja večjo energetsko učinkovitost, hitrejše in varnejše polnjenje ter enostavno uporabo. Qi 2.X vključuje tehnologijo Magnetic Power Profile (MPP) z dodatno delovno frekvenco 360 kHz. Pri tehnologiji MPP magnetni obroč zagotavlja, da se tuljava sprejemnika popolnoma poravna s tuljavo polnilnika, s čimer se izboljša prenos energije in zmanjša segrevanje.
Junija 2025 je bila izdana različica Qi 2.2, ki omogoča 25-vatno polnjenje. Ta različica nadgrajuje udobje in energetsko učinkovitost standarda Qi ter hkrati skrajša čas brezžičnega polnjenja.
Referenčni model za hkratno polnjenje dveh 15-vatnih Qi sprejemnikov
Poleg referenčnega modela za brezžični prenos električne energije z elektromagnetno indukcijo moči 300 W, ki smo ga obravnavali že prej v tem članku, Microchip ponuja tudi referenčni model brezžičnega oddajnika energije Qi2 Dual-Pad (microchip.com/en-us/tools-resources/reference-designs/qi-2-0-dual-pad-wireless-power-transmitter-reference-design) [2]. Ta referenčni model brezžičnega napajalnika z več tuljavami in dvema polnilnima ploščama omogoča hkratno polnjenje dveh 15-vatnih Qi sprejemnikov, glej sliko 3.
Srce tega modela predstavlja digitalni krmilnik signalov (DSC) Microchip dsPIC33, ki hkrati krmili obe polnilni plošči. Model z dvema polnilnima ploščama je združljiv s Qi 1.3 in Qi 2.x standardi ter s profiloma MPP in EPP (Extended Power Profile).
Strojna oprema je prilagodljiva in podpira večino topologij oddajnikov. Poleg MPP podpira tudi profil osnovne moči (BPP) za sprejemnike do 5 W.
Polnilna plošča MPP začne polnjenje s frekvenco preklapljanja inverterja 128 kHz, vendar se ta spremeni na 360 kHz, ko je povezana z MPP PRx. Digitalni krmilnik signalov dsPIC33CK izvaja dve različici polnilnika. Da bi omogočili podporo različnim protokolom, so potrebne odločitve v realnem času, ki temeljijo na tipu polnilne plošče in sprejemnika.
Programsko zasnovana rešitev zagotavlja visoko stopnjo prilagodljivosti za optimizacijo ključnih lastnosti sistema brezžičnega napajanja, kot so učinkovitost, območje polnjenja, razdalja v osi Z in FOD. Za podporo aplikacijam s širokim razponom vhodne napetosti vsak PTx vključuje vhodni pretvornik buck-boost s štirimi stikali (4SWBB) za regulacijo napetosti. 4SWBB se priključi na polni mostični inverter za pogon resonančnega vezja. Pri polnilniku MPP dodatno omrežje stikal za resonančne kondenzatorje omogoča višjo resonančno frekvenco. Polnilnik MP-A13 uporablja podobno vezje za izbiro tuljave, ki omogoča napajanje tuljave z najmočnejšim možnim signalom, kar omogoča širše območje namestitve.
Ta referenčni model je namenjen avtomobilski industriji in vključuje CryptoAuthentication™, strojno (vgrajene v čip) varno shranjevanje kriptografskih ključev, ki zagotavlja zaščito komunikacije in obdelave podatkov. Poleg tega model vključuje podsistem za varno shranjevanje Trust Anchor TA100/TA010. Arhitektura čipa dsPIC33CK omogoča tudi vključitev dodatnih programskih sklopov, kot so avtomobilski CAN-sklop ali NFC-sklopi za zaznavanje NFC značk.
Treba je omeniti, da je topologija za krmiljenje moči s spremenljivo vhodno napetostjo in fiksno frekvenco, vgrajena v oddajnik, idealna za sisteme, ki morajo izpolnjevati stroge zahteve glede elektromagnetnih motenj (EMI) in elektromagnetne združljivosti (EMC).
Poleg vseh teh funkcij, vključno z zaznavanjem tujkov (FOD) prek kalibrirane izgube moči, referenčni model z dvojnim polnjenjem omogoča tudi merjenje faktorja kvalitete, resonančne frekvence in zaznavanje predmetov na prostem s tehnologijo »ping«, več različic hitrega polnjenja, med drugim za naprave Apple in Samsung, ter več vrst modulacije sprejemnika, kot sta kapacitivna AC in uporovna AC/DC.
Za večjo varnost je v zasnovo vključena zaščita pred pregrevanjem in samodejno izklopom ter zaščita pred preobremenitvijo.
Komunikacijski vmesnik UART-USB omogoča poročanje in odpravljanje napak v podatkovnih paketih, LED-ice pa prikazujejo stanje sistema in izbiro tuljave. Za dodatne funkcionalnosti sta na voljo stikalo za ponastavitev in vhodi za temperaturne senzorje.
Glede na nenehno razvijajoče se standarde za Qi in edinstvene nove aplikacije, ki zahtevajo brezžično polnjenje z večjo močjo, obstaja na področju brezžičnega polnjenja veliko priložnosti za inovacije in rast. Strokovnjaki iz podjetja Microchip vam lahko ponudijo ustrezno svetovanje, da boste svojo rešitev za brezžično polnjenje nemoteno uvedli na trg.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
