ワイヤレス給電チャージャー設計のためのコンポーネント

投稿日 2020/10/9 金曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

お客様に別のコードを追加してほしくないですか？デザインにワイヤレス電力伝送を追加しましょう。

先日、古い大学からワイヤレス充電パッドが郵送されてきました。なぜこれを送ったのかは分かりませんが、仕事中にポッドキャストを聞きながら携帯電話を充電するのにとても便利です。オーディオを再生している間やたまにFacebookをチェックしている間も、携帯電話の充電を一定に保つのにちょうど良い電力を出力します。これらのシステムを支配する物理学は理解しやすく、市場に出回っているコンポーネントの数も多いため、構築も簡単です。

ワイヤレス電力伝送は、仕事中に携帯電話を充電するための便利さ以上のものです。ワイヤレスIoT製品でいっぱいの環境では、手動でバッテリーを交換することなく、できるだけ長く寿命を延ばす方法が必要になります。ワイヤレス電力伝送は、技術者がバッテリーを交換するために周囲を移動することなく、この目標を達成する方法の一つです。ワイヤレス電力伝送に興味がある場合、知っておくべきことと市場で見つかるコンポーネントのオプションについてここにあります。

ワイヤレス電力伝送のタイプ

ワイヤレス電力伝送は、誘導結合と共振誘導充電の2つの可能なモードで発生します。両方の方法は近距離方法であり、充電されるデバイスは充電器にかなり近くに配置する必要があります。ほとんどのワイヤレス充電システムは50mm未満の範囲を指定しており、受信デバイスを充電器に近づけると充電が速くなります。

2つの主な違いはチューニングの面にあります。誘導結合充電器の場合、送信および受信デバイスは、μH範囲のインダクタンスを持つ大きなコイルを使用します。送信および受信コイルは通常、受信デバイスがバッテリーの適切な充電範囲内で電圧/電流をステップアップまたはダウンするように配置されます。設計の目標は、充電時間を最小限に抑えながら過充電を防ぎ、バッテリー寿命を減少させることなく、受信した電圧/電流を設定することです。

共振誘導充電器では、コイルと一緒にキャパシタを使用して直列LC共振器を作成します。LC回路の共振周波数は、受信信号の周波数に合わせて調整でき、これにより受信機の電流が最大化されます。これは、バラクタダイオード、小型マイクロコントローラー、およびフィードバックループを備えた小型電流センスアンプを使用して行うことができます。これは、バラクタのキャパシタンスを特定の範囲内に調整するために使用されます。

ワイヤレス電力伝送製品には、ワイヤレスパワーコンソーシアム（「Qi」標準）とパワーマターアライアンスによって指定された2つの標準セットがあります。Qi標準は、通常Type-Cケーブルで充電されるデバイスに対してUSB-PDと互換性を持たせることができます。以下の表は、両組織によって指定されたデバイス標準を要約したものです。

充電を伴わないワイヤレス電力伝送においても、同じ概念が適用されます：電力は誘導的に受け取られ、充電せずにデバイスを動力供給するために下流に送られます。単にバッテリー管理機能のない標準的なレギュレータを使用すれば、遠隔地からデバイスを動力供給できます。

ワイヤレス電力伝送のためのコンポーネント

以下に示されたコンポーネントは、誘導結合または磁気共鳴誘導ワイヤレス電力伝送モードのいずれかに使用できます。必要なコンポーネントは3つの領域に分かれます：

電力調整とバッテリー管理：これには、Tx端でのオン/オフ切り替え用のFET、Rx端での標準電力レギュレータ、またはRx端でのバッテリー管理付きレギュレータが含まれます。
送信と受信：高インダクタンスコイルを用いて効率よく電力を送受信する必要があります。その後、共振周波数をTx周波数に合わせるために、キャパシタまたはバラクタダイオードを追加する必要があります。
整流：バッテリーを充電するためにはDC電力が必要なので、受信信号をDCに変換するために小型の整流器と電力キャパシタが必要になります。
制御とチューニング：ユニットのオン/オフ切り替えや、標準インターフェースを介してのICの制御を行いたいかもしれません。

Würth Elektronik, 760308103204

Würth Elektronikの760308103204 Rx充電コイルは、大型デバイスでの一連のアプリケーションに対応するように設計されています。このコイルは、以下のグラフに示されているように、高電流（10 A）および高スイッチング周波数（〜2 MHz）まで平坦なインダクタンスを提供します。Würth Elektronikは、ワイヤレス電力伝送システムのRxおよびTx側の両方に対応するワイヤレスアレイ内で同様のコンポーネントを提供しています。さらに、Würth Elektronikは、ワイヤレス電力伝送とNFC受信を1つのパッケージに組み合わせたコイルも提供しています。

Würth Elektronikの760308103204におけるインダクタンス対周波数および電流。 760308103204データシートより。

Analog Devices, LTC4124

小型ウェアラブルやその他の低電力デバイスで低容量バッテリーを充電するためのコンパクトなソリューションを探している場合、Analog DevicesのLTC4124が良い選択です。この小型SMDコンポーネントは、ピン選択可能な電圧および電流出力（最大100 mAおよび4.35 V、それぞれ）を提供します。温度認定充電のため、このコンポーネントにはNTC抵抗器入力が含まれており、MCUを用いた制御機能の実装が不要になります。

LTC4124ワイヤレス電力伝送コントローラを使用したワイヤレス充電アプリケーション回路。LTC4124データシートより。

Infineon, BSC065N06LS5ATMA1

InfineonのBSC065N06LS5ATMA1 NチャネルMOSFETは、OptiMOS MOSFETラインの一部です。このコンポーネントは、60Vの出力、低オン状態抵抗（6.5 mOhm）、および64Aのドレイン電流に対応しています。ロジックレベルドライブは、このMOSFETが低ゲート閾値電圧を持つことを意味し、マイクロコントローラからの5V出力で駆動できるようにします。これにより、このコンポーネントは誘導結合または共振誘導型ワイヤレス電力伝送回路の中心部分となります。8ピンSMDパッケージも、このコンポーネントを小型のPCBに簡単に組み込むことを可能にします。

BSC065N06LS5ATMA1 MOSFETのパッケージとピン図。 BSC065N06LS5ATMA1データシートより。

ワイヤレス電力伝送に必要なその他のコンポーネント

ワイヤレス電力伝送システムには、コイル間の電力伝送を最大化し、DC出力を調整し、共振電力伝送回路のチューニングを提供するために、TxおよびRx端に他のコンポーネントが必要です。

新しいモバイルデバイスにワイヤレス電力伝送機能を追加したい場合でも、電力送信機を設計している場合でも、Octopartの高度な検索およびフィルタリング機能で必要なコンポーネントを見つけることができます。Octopartは、ほぼすべての新しい電子システムの調達およびサプライチェーン管理に完全なソリューションを提供します。統合回路ページをご覧になって、必要なコンポーネントを検索し始めてください。

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