Wireless charging

Wireless charging

Introdução

 

A crescente presença de dispositivos móveis e a demanda de dispositvos interligados à Internet impulsionam a tecnologia de wireless charging ou carga de bateria sem fios. Atualmente, os produtos que possuem wireless charging são em sua grande maioria celulares. Mas, existem aplicações diferentes na área de IoT como uma bola de basquete com sensoriamento, mouse sem fio, dispositivos médicos, e caixas acústicas sem fio. As aplicações para esta tecnologia são grandes e crescem a cada dia com a disponibilidade de componentes e kits para desenvolvimento desta tecnologia. Neste artigo, se busca introduzir o wireless charging desmistificando-o. Por fim, são apresentados os padrões concorrentes no mercado e o kit de desenvolvimento da IDT, como uma ótima ferramenta para começar o desenvolvimento no campo de wireless charging.

 

 

Funcionamento

 

Uma maneira de ver o wireless charging é através de uma analogia com fontes chaveadas do tipo flyback. O termo flyback vem do circuito de alta tensão que alimenta as antigas TVs de tubo. Nestes circuitos a alta tensão era produzida através da retirada repentina da fonte aplicada num indutor, o que gerava um pico de tensão ou flyback.  A figura 1 ilustra um circuito típico de uma fonte de conversão de corrente contínua (CC) com topologia flyback.

 

Wireless charging: fonte cc
Figura 1 – Fonte de conversão de corrente contínua

 

Em geral, o elemento indutivo é um indutor acoplado, ou um transformador flyback (T1). Não é correto identificá-lo como um transformador comum já que a corrente não flui simultaneamente nas duas espiras. A sua função é de armazenar e transferir a energia que é proveniente da CC pulsada pelo MOSFET. Para que a tensão na saída mantenha um nível constante mesmo com variações de carga, é importante haver um controle de malha. A saída da fonte é realimentada ao controle de pulsos do MOSFET.

 

Ao separar as espiras dentro do transformador flyback, elimina-se o núcleo de ferrite e com ele também a eficiência da transferência energética. Nas aplicações de carregamento sem fio esta deficiência na transferência é compensada pelo numero de voltas das espiras no primário e secundário e também um aumento na frequência de chaveamento. Isto permite construção de espiras de dimensões razoáveis na prática para aplicações moveis. A espira primária é localizada numa base ligada a uma fonte de energia (tomada AC, baterias, etc.) enquanto a secundária é colocada no dispositivo móvel. Ao aproximar as espiras ocorre o acoplamento magnético pelo ar e consequentemente a transferência de energia.

 

Para que haja um bom acoplamento magnético temos que ter o fluxo magnético da espira do primário passando em sua maior parte pela espira do secundário. Isto ocorre quando as duas espiras tem alinhamento de seus eixos de simetria. É comum encontrar no mercado espiras tanto do primário quanto do secundário com um imã no centro para poder garantir o alinhamento. Em outras situações são montadas 3 ou mais espiras primárias, pulsadas em sequência para poder ter uma área maior para a espira do secundário se acoplar. A figura 2 mostra uma espira simples da TDK com espessura reduzida para ser utilizada para aplicações móveis onde há restrições de espaço.

 

Wireless-charging-espira
Figura 2 - Espira simples da TDK

 

Esta conversão de energia sem fio funciona muito bem até que se percebe um problema. Qualquer objeto metálico pode se acoplar ao campo gerado pela espira do primário. Considere uma moeda colocada sob a espira de uma base. Pela lei de indução de Faraday, a corrente induzida na moeda pode ser suficiente para esquentá-la. Esta situação é pouco eficiente sem se dizer perigosa. A solução é colocar junto com os pulsos de chaveamento, um sinal de comunicação entre o lado primário e o lado secundário em outra frequência. Nesta situação, a base se comunica com o dispositivo móvel, e se este não responder, o chaveamento da espira primária é interrompida. A comunicação vai além e permite classificar o dispositivo móvel e determinar qual a potência que ele requer. Os padrões descritos abaixo tem protocolos e meios diferentes de efetuar esta comunicação, mas o objetivo é sempre o mesmo.

 

 

Padrões

 

Existem hoje 2 padrões para carga sem fio, o Qi e o Rezence (A4WP). Os padrões foram criados para que os fabricantes da base de carga e os fabricantes dos dispositivos possam criar seus produtos sem se preocupar com a outra parte, garantindo o funcionamento para a totalidade dos produtos feitos para um mesmo padrão.

 

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Figura 3 - Logo dos Padrões

 

O Qi é um padrão baseado na indução magnética com uma frequência de chaveamento do indutor de 110KHz até 205KHz. Os transmissores são classificados por A1-18 e B1-5 cada um com uma tensão de operação especifica e controle da transmissão de potência por frequência, duty cycle, tensão, ou fase. As constantes do algoritmo PID para controle da transferência de potência são especificados para cada tipo de transmissor e seu respectivo modo de controle. A malha de controle é fechada com o dispositivo enviando e recebendo comandos do transmissor através de uma modulação digital bi-fase de 2kbps sobre o chaveamento da bobina. O alcance desta tecnologia é de 5mm com níveis de potência de 5W, 120W ou até mesmo em alguns casos 1KW.

 

O Rezence é baseado em ressonância magnética com uma frequência de chaveamento do indutor de 6.78MHz. Com esta frequência é possível atingir alcances maiores de até 5cm. Para realizar o controle da transferência de potência neste padrão é utilizado um link bluetooth para fechar a malha de controle entre o dispositivo e a base. Estão especificados nesta interface o suporte de transferência de potência de até 50W e até 8 dispositivos podem ser carregados simultaneamente.

 

Para maiores informações, seguem abaixo os links dos sítios destes padrões e um resumo comparativo:

 

Tabela 1 - Comparativo entre os padrões.

Wireless charging-tabela

 

 

Disponibilidade

 

A IDT acaba de lançar seu kit Wireless Charging para o padrão Qi. O kit vem em 2 partes a base e o dispositivo a ser carregado. O kit é bem simples e basta retirá-los da embalagem e ligar a base a uma porta USB. Ao aproximar e alinhar as espiras da placa dispositivo é possível verificar através de LEDs a transferência de energia. Se tiver disponível um celular com recurso de wireless charging via Qi, é possível também carregá-lo através da base.

 

A figura 4 ilustra as partes da placa de avaliação do IDT P9038. O P9038 é o transmissor utilizado no wireless charging. O circuito é extremamente simples e requer poucos componentes. Os itens principais além da espira e do próprio P9038 são a interface USB e indicadores LED.

 

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Figura 4 - Kit Wireless Charging para o padrão Qi

 

A figura 5 mostra bem a simplicidade do circuito do transmissor utilizando o IDT P9038. Há a possibilidade de utilizar o LDO interno de 5V para alimentar EEPROM ou outros periféricos até 10mA.

 

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Figura 5 - Circuito P9038

 

A figura 6 traz a imagem ilustrativa da placa do receptor utilizando o IDT P9025AC. Essencialmente a placa é composta da espira receptora, do P9025AC e de um indicador LED. Há ainda a possibilidade de soldar pinos para extrair a porta de potência.

 

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Figura 6 - Kit Wireless Charging P9025AC

 

A figura 7 entra no detalhe do receptor. Temos acesso aos registradores do P9025AC através da interface I2C. Uma interrupção e portas de estado (Enable, Charge Complete) que permitem a ligação a um microcontrolador. Importante ressaltar os resistores para detecção de corpo estranho e a entrada para o sensor de temperatura.

 

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Figura 7 - Circuito P9025AC

 

A grande integração permite obter soluções compactas, sem necessidade de muito espaço na placa. Para o desenvolvimento, a IDT fornece todos os arquivos de layout para poder desenvolver com risco reduzido. Todo o suporte é orientado para que o tempo de desenvolvimento seja o mais curto possível. Os kits fornecidos pela IDT podem ser copiados para conseguir embarcar a solução.

 

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Figura 8 - Reference Board

 

Os vídeos no site da IDT dão uma boa ideia destes interessantes kits:

 

Para maiores informações sobre os produtos vejam os links abaixo:

 

Para se ter uma ideia de valores os kits são vendidos por:

  • P9038-R-EVK - $40 (FOB) – Aproximadamente R$390 (Local – já com IPI, sem frete e dependendo do valor do USD no dia)
  • P9025AC-R-EVK - $30 (FOB) – Aproximadamente R$300(Local – já com IPI, sem frete e dependendo do valor do USD no dia)

 

A Avnet distribui estes kits e também os componentes que são utilizados. Entre em contato com [email protected] para maiores informações.

 

 

Conclusões

 

A tecnologia de wireless charging está madura para ser implementada facilmente através de kits e componentes disponíveis hoje. A internet das coisas ou IoT está prevendo cada vez mais dispositivos conectados a rede, muitos deles utilizando baterias recarregáveis. Para estes, o wireless charging é a alternativa para que haja produtos mais compactos, a prova d’água, etc. os quais não podem ter conectores.

 

 

Sobre a Avnet do Brasil

 

Avnet do Brasil é uma empresa global, com mais de 70 anos. Somos um dos maiores distribuidores de produtos Eletrônicos, em nível mundial. Distribuímos os mais renomados fabricantes de Componentes Passivos, Eletro-Mecânicos, Conectores e Semi-Condutores. Informações completas sobre nossa corporação poderão ser obtidas em nosso site e especificamente sobre produtos eletrônicos em www.em.avnet.com. Temos mais de 150 fornecedores, dispomos de estoque nos Estados Unidos e Brasil, todas nossas cotações são elaboradas mediante a informação do PN dos produtos.

 

(*) esse post foi patrocinado pela Avnet do Brasil.

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Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

Flavio Caduda
Formado em engenharia elétrica com ênfase em telecomunicações em 2003, e Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica em 2011 ambos pela Escola Politécnica da USP. Desde 2003 trabalhando em projetos de dispositivos embarcados e pesquisas de ponta, desenvolvendo tanto hardware e firmware.Trabalha na Avnet do Brasil como engenheiro de aplicações desde 2012.

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Fábio Eugênio Almeida de Andrade Recent comment authors
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Fábio Andrade

Artigo muito bom, parabéns. Sou acadêmico em Eng. Elétrica e fico feliz com a newsletter de vocês sempre que vejo no email haha