Componentes para el diseño de cargadores por transferencia de energía inalámbrica

Creado: Octobre 9, 2020
Actualizado: Julio 1, 2024

¿No quieres que tus clientes añadan otro cable a su colección? Añade la transferencia de energía inalámbrica a tu diseño.

El otro día, recibí una almohadilla de carga inalámbrica por correo de mi antigua universidad. No estoy seguro de por qué decidieron enviar esto, pero es bastante conveniente para mantener mi teléfono cargado mientras escucho podcasts durante el trabajo. Proporciona justo la suficiente energía para mantener la carga de mi teléfono constante mientras tengo audio reproduciéndose y mientras ocasionalmente reviso Facebook. La física que gobierna estos sistemas es fácil de entender, y con la cantidad de componentes disponibles en el mercado, también son fáciles de construir.

La transferencia de energía inalámbrica va más allá de la simple conveniencia de mantener tu teléfono cargado durante el trabajo. Los entornos llenos de productos IoT inalámbricos necesitarán alguna manera de extender la vida útil tanto como sea posible sin cambiar manualmente las baterías. La transferencia de energía inalámbrica es una forma de lograr este objetivo sin necesidad de enviar a un técnico a cambiar las baterías. Si estás interesado en la transferencia de energía inalámbrica, aquí tienes lo que necesitas saber y algunas opciones de componentes que encontrarás en el mercado.

Tipos de Transferencia de Energía Inalámbrica

La transferencia de energía inalámbrica ocurre en dos modos posibles: acoplamiento inductivo y carga inductiva resonante. Ambos métodos son métodos de campo cercano, es decir, el dispositivo que se carga necesita estar bastante cerca del cargador. La mayoría de los sistemas de carga inalámbrica especifican un alcance de menos de 50 mm, y colocar el dispositivo receptor más cerca del cargador proporciona una carga más rápida.

La principal diferencia entre los dos está en términos de sintonización. Para un cargador de acoplamiento inductivo, los dispositivos transmisor y receptor utilizan una gran bobina con inductancia en el rango de μH. Las bobinas transmisora y receptora están típicamente dispuestas de tal manera que el dispositivo receptor aumenta o disminuye el voltaje/corriente para estar en el rango de carga apropiado para la batería. El objetivo de diseño es establecer el voltaje/corriente recibido de tal manera que el tiempo de carga se minimice mientras se previene la sobrecarga, lo que disminuye la vida útil de la batería.

En un cargador inductivo resonante, se utiliza un capacitor con la bobina para crear un resonador LC en serie. La frecuencia resonante del circuito LC puede ser sintonizada para coincidir con la frecuencia de la señal recibida, lo que maximiza la corriente en el receptor. Esto se puede hacer con un diodo varactor, un pequeño microcontrolador y un pequeño amplificador de detección de corriente con un bucle de retroalimentación. Esto se utiliza entonces para ajustar la capacitancia del varactor para situarse dentro de un cierto rango.

Hay dos conjuntos de estándares sobre productos de transferencia de energía inalámbrica según lo especificado por el Wireless Power Consortium (el estándar “Qi”) y la Power Matter Alliance. El estándar Qi puede ser compatible con USB-PD para dispositivos que normalmente se cargarían a través de un cable Tipo-C. La tabla a continuación resume los estándares de dispositivos especificados por ambas organizaciones.

Para la transferencia de energía inalámbrica sin carga, se aplican los mismos conceptos: la energía se recibe de forma inductiva y se envía aguas abajo para alimentar el dispositivo sin cargarlo. Simplemente use un regulador estándar sin características de gestión de batería y estará alimentando un dispositivo a distancia.

Componentes para la Transferencia de Energía Inalámbrica

Los componentes mostrados a continuación pueden usarse para modos de transferencia de energía inalámbrica por acoplamiento inductivo o resonancia magnética inductiva. Los componentes que necesita se dividen en 3 áreas:

Regulación de energía y gestión de batería: Esto incluye FETs para el conmutado de encendido/apagado en el extremo Tx, un regulador de energía estándar en el extremo Rx, o un regulador con gestión de batería en el extremo Rx.
Transmisión y recepción: La energía necesita ser transmitida y recibida eficientemente con bobinas de alta inductancia; luego necesitará agregar un capacitor o diodo varactor para sintonizar la frecuencia resonante a la frecuencia Tx.
Rectificación: Se necesita energía de CC para cargar baterías, por lo que se necesitará un pequeño rectificador y un capacitor de energía para convertir la señal recibida en CC.
Control y sintonización: Quizás quiera encender o apagar la unidad, así como controlar cualquier CI a través de interfaces estándar.

Würth Elektronik, 760308103204

La bobina de carga Rx 760308103204 de Würth Elektronik está diseñada para una gama de aplicaciones en dispositivos más grandes. Esta bobina proporciona una inductancia plana hasta corrientes altas (10 A) y alta frecuencia de conmutación (~2 MHz), como se muestra en los gráficos a continuación. Würth Elektronik ofrece componentes similares en arreglos inalámbricos tanto para los lados Rx como Tx de un sistema de transferencia de energía inalámbrica. Además, Würth Elektronik ofrece bobinas que combinan la transferencia de energía inalámbrica y la recepción NFC en un solo paquete.

Inductancia vs. frecuencia y corriente en el 760308103204 de Würth Elektronik. Del datasheet 760308103204.

Analog Devices, LTC4124

Si busca una solución compacta para cargar baterías de baja capacidad en wearables pequeños u otros dispositivos de baja potencia, el LTC4124 de Analog Devices es una buena elección. Este pequeño componente SMD proporciona salida de voltaje y corriente seleccionable por pines (hasta 100 mA y 4.35 V máximo, respectivamente). Para la carga calificada por temperatura, este componente incluye una entrada de resistencia NTC, lo que elimina la necesidad de implementar una característica de control con un MCU.

Circuito de aplicación de carga inalámbrica con el controlador de transferencia de energía inalámbrica LTC4124. Del datasheet del LTC4124.

Infineon, BSC065N06LS5ATMA1

El MOSFET N-channel BSC065N06LS5ATMA1 de Infineon es parte de la línea OptiMOS de MOSFETs. Este componente está calificado para 60 V de salida, baja resistencia en estado activo (6.5 mOhm), y 64 A de corriente de drenaje. La lógica de nivel de conducción significa que este MOSFET tiene un bajo voltaje de umbral de puerta, permitiendo que este componente sea controlado con una salida de 5 V de un microcontrolador. Esto hace que el componente sea una parte central de un circuito de transferencia de energía inalámbrica por acoplamiento inductivo o resonante. El paquete SMD de 8 pines también permite que este componente se ajuste fácilmente en un PCB pequeño.

Diagrama del paquete y de los pines para el MOSFET BSC065N06LS5ATMA1. Del datasheet de BSC065N06LS5ATMA1.

Otros Componentes para la Transferencia de Energía Inalámbrica

Un sistema de transferencia de energía inalámbrica necesitará otros componentes en los extremos Tx y Rx para ayudar a maximizar la transferencia de energía hacia/desde las bobinas, acondicionar la salida de CC, y proporcionar sintonización para los circuitos de transferencia de energía resonante.

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