Componentes para o Design de Carregador por Transferência de Energia Sem Fio

Não quer que seus clientes adicionem mais um cabo à coleção deles? Adicione transferência de energia sem fio ao seu projeto.

Outro dia, recebi um carregador sem fio pelo correio da minha antiga universidade. Não tenho certeza do motivo pelo qual decidiram enviar isso, mas é bastante conveniente para manter meu telefone carregado enquanto ouço podcasts durante o trabalho. Ele fornece energia suficiente para manter a carga do meu telefone constante enquanto escuto áudio e enquanto verifico o Facebook ocasionalmente. A física que rege esses sistemas é fácil de entender, e com o número de componentes disponíveis no mercado, eles também são fáceis de construir.

A transferência de energia sem fio vai além da simples conveniência de manter seu telefone carregado durante o trabalho. Ambientes repletos de produtos IoT sem fio precisarão de alguma forma de prolongar a vida útil o máximo possível sem trocar as baterias manualmente. A transferência de energia sem fio é uma maneira de alcançar esse objetivo sem enviar um técnico para trocar as baterias. Se você está interessado em transferência de energia sem fio, aqui está o que você precisa saber e algumas opções de componentes que você encontrará no mercado.

Tipos de Transferência de Energia Sem Fio

A transferência de energia sem fio ocorre em dois modos possíveis: acoplamento indutivo e carregamento indutivo ressonante. Ambos os métodos são métodos de campo próximo, ou seja, o dispositivo que está sendo carregado precisa estar bastante próximo ao carregador. A maioria dos sistemas de carregamento sem fio especifica um alcance de menos de 50 mm, e colocar o dispositivo receptor mais próximo ao carregador proporciona um carregamento mais rápido.

A principal diferença entre os dois está nos termos de ajuste. Para um carregador de acoplamento indutivo, os dispositivos transmissor e receptor usam uma grande bobina com indutância na faixa de μH. As bobinas transmissora e receptora são tipicamente organizadas de modo que o dispositivo receptor aumente ou diminua a tensão/corrente para estar na faixa de carregamento apropriada para a bateria. O objetivo do projeto é definir a tensão/corrente recebida de forma que o tempo de carregamento seja minimizado enquanto se evita a sobrecarga, o que diminui a vida útil da bateria.

Em um carregador indutivo ressonante, um capacitor é usado com a bobina para criar um ressonador LC em série. A frequência ressonante do circuito LC pode ser ajustada para corresponder à frequência do sinal recebido, o que maximiza a corrente no receptor. Isso pode ser feito com um diodo varactor, um pequeno microcontrolador e um pequeno amplificador de detecção de corrente com um loop de feedback. Isso é então usado para ajustar a capacitância do varactor para ficar dentro de uma certa faixa.

Existem dois conjuntos de padrões sobre produtos de transferência de energia sem fio conforme especificado pelo Wireless Power Consortium (o padrão “Qi”) e pela Power Matter Alliance. O padrão Qi pode ser compatibilizado com USB-PD para dispositivos que normalmente seriam carregados por um cabo Tipo-C. A tabela abaixo resume os padrões de dispositivos especificados por ambas as organizações.

Para a transferência de energia sem fio sem carregamento, os mesmos conceitos se aplicam: a energia é recebida indutivamente e é enviada a jusante para alimentar o dispositivo sem carregamento. Basta usar um regulador padrão sem recursos de gerenciamento de bateria e você estará alimentando um dispositivo à distância.

Componentes para Transferência de Energia Sem Fio

Os componentes mostrados abaixo podem ser usados tanto para modos de transferência de energia sem fio por acoplamento indutivo quanto por ressonância magnética indutiva. Os componentes de que você precisa se dividem em 3 áreas:

• Regulação de energia e gerenciamento de bateria: Isso inclui FETs para comutação ligado/desligado na extremidade Tx, um regulador de energia padrão na extremidade Rx ou um regulador com gerenciamento de bateria na extremidade Rx.

• Transmissão e recepção: A energia precisa ser transmitida e recebida de forma eficiente com bobinas de alta indutância; você então precisará adicionar um capacitor ou diodo varactor para sintonizar a frequência ressonante à frequência Tx.

• Retificação: Energia DC é necessária para carregar baterias, então um pequeno retificador e capacitor de energia serão necessários para converter o sinal recebido em DC.

• Controle e sintonia: Você pode querer ligar ou desligar a unidade, bem como controlar quaisquer ICs por interfaces padrão.

Würth Elektronik, 760308103204

A bobina de carregamento Rx 760308103204 da Würth Elektronik é projetada para uma gama de aplicações em dispositivos maiores. Esta bobina fornece indutância plana até correntes altas (10 A) e alta frequência de comutação (~2 MHz), conforme mostrado nos gráficos abaixo. A Würth Elektronik oferece componentes similares em arranjos sem fio tanto para os lados Rx quanto Tx de um sistema de transferência de energia sem fio. Além disso, a Würth Elektronik oferece bobinas que combinam transferência de energia sem fio e recepção NFC em um único pacote.

Indutância vs. frequência e corrente na 760308103204 da Würth Elektronik. Do datasheet 760308103204.

Analog Devices, LTC4124

Se você está procurando uma solução compacta para carregar baterias de baixa capacidade em wearables pequenos ou outros dispositivos de baixa potência, o LTC4124 da Analog Devices é uma boa escolha. Este pequeno componente SMD fornece tensão e corrente de saída selecionáveis por pinos (até 100 mA e 4,35 V máximo, respectivamente). Para carregamento qualificado por temperatura, este componente inclui uma entrada de resistor NTC, o que elimina a necessidade de implementar um recurso de controle com um MCU.

Circuito de aplicação de carregamento sem fio com o controlador de transferência de energia sem fio LTC4124. do datasheet do LTC4124.

Infineon, BSC065N06LS5ATMA1

O MOSFET N-channel BSC065N06LS5ATMA1 da Infineon faz parte da linha OptiMOS de MOSFETs. Este componente é classificado para saída de 60 V, baixa resistência em estado ligado (6,5 mOhm) e corrente de dreno de 64 A. A lógica de nível de acionamento significa que este MOSFET tem baixa tensão de limiar de porta, permitindo que este componente seja acionado com uma saída de 5 V de um microcontrolador. Isso torna o componente uma parte central de um circuito de transferência de energia sem fio por acoplamento indutivo ou ressonante. O pacote SMD de 8 pinos também permite que este componente se encaixe facilmente em uma PCB pequena.

Diagrama de pacote e pinos para o MOSFET BSC065N06LS5ATMA1. Do datasheet do BSC065N06LS5ATMA1.

Outros Componentes para Transferência de Energia Sem Fio

Um sistema de transferência de energia sem fio precisará de outros componentes nas extremidades Tx e Rx para ajudar a maximizar a transferência de energia para/de bobinas, condicionar a saída DC e fornecer ajuste para circuitos de transferência de energia ressonante.

• MCU para ajuste de circuitos de transferência de energia sem fio ressonante

• Componentes reguladores de potência

• Diodos varactor para ajuste de circuitos

Se você deseja adicionar capacidades de transferência de energia sem fio a um novo dispositivo móvel ou está projetando um transmissor de energia, você pode encontrar os componentes de que precisa com as funcionalidades avançadas de busca e filtragem no Octopart. O Octopart oferece uma solução completa para sourcing e gestão da cadeia de suprimentos para quase qualquer novo sistema eletrônico. Confira nossa página de circuitos integrados para começar a buscar pelos componentes de que você precisa.

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