История продолжающегося проекта «Бесконтактная зарядка мобильных девайсов»
Всякое начало трудно
Начинался наш проект достаточно обыденно и привычно для ландшафта новых разработок. Всё пошло с того, что закончилась одна непростая тематика с СВЧ-приборами, которая развивалась около трёх лет. После этого высвободились специалисты и силы. Мы начали смотреть по сторонам, к чему можно ещё приложить наши головы и руки, чтобы получить в разумное время за умеренные средства хороший продукт в области электроники, востребованный на массовом рынке. Опирались как на анализ развития крупных корпораций (Samsung, Nokia, LG и др., некоторые из которых обращались к нам сами), так и на общее понимание перспектив развития пользовательской мобильной электроники, и, в конце концов, выбрали.
Сейчас растёт интерес к бесконтактной передаче энергии в малом мощностном диапазоне для применения к телефонам, смартфонам, ноутбукам, ридерам, клавиатурам, мышкам, музыкальным плеерам, GPS/ГЛОНАСС навигаторам и трекерам, беспроводным гарнитурам, пультам дистанционного управления и другим мобильным устройствам. В мире на тот момент никакого оформившегося лидера по данным устройствам не было (как нет и сейчас). Более того, идёт борьба за установление стандартов на частоты, мощности и другие параметры, которые важны для бесконтактных зарядок. Т.е. налицо было самое начало развития этого сегмента рынка, а его размеры поистине впечатляют – это миллиарды и десятки миллиардов устройств, которые могут быть оснащены такими устройствами. На часть этого рынка мы и решили предъявить свою претензию.
Самое главное – выбрать правильный путь
Приступили к работе с анализа принципов разных типов бесконтактных зарядок. А их имеется в соответствии с физическими принципами четыре и каждая обладает определёнными преимуществами и ограничениями:
а) СВЧ излучение;
б) Лазерное излучение;
в) Электростатическая индукция;
г) Электромагнитная индукция (ЭМИ).
СВЧ излучение
При осуществлении бесконтактного питания с помощью СВЧ-излучения в качестве передающего и приемного резонаторов выступают направленные антенны, настроенные на одну частоту. Передающая антенна формирует направленный пучок СВЧ-излучения, который затем преобразуется в электрический ток с помощью приемной антенны, расположенной на питаемом объекте. Данный способ позволяет передавать достаточно большую мощность на значительные расстояния. Например, еще в 1976 году была осуществлена передача 30 кВт мощности на расстояние в 1 милю с КПД = 84%.
СВЧ излучение даже не очень большой мощности негативно сказывается на здоровье живых организмов, находящихся в пространстве между приемной и передающей антеннами. Это обстоятельство во многом ограничивает возможности практического применения подобных систем беспроводной передачи энергии.
Лазерное излучение
Принцип работы систем бесконтактного питания, основанных на лазерном излучении, основан на том, что передатчик осуществляет преобразование электрической энергии от первичного устройства (сети, батареи, генератора) в монохроматический пучок света. На приёмной стороне осуществляется обратное преобразование пучка в электрический ток, который протекает через нагрузку.
Подобные системы позволяют передавать энергию на большие расстояния благодаря малому углу расходимости луча когерентного лазерного излучения и поэтому могут применяться для питания беспилотных летательных аппаратов и даже космических аппаратов.
Для питания или подзарядки телефона или ноутбука мощности такой системы недостаточно, а лазерное излучение большой мощности опасно для человека. Другим недостатком таких устройств является обязательное нахождение передатчика и приемника в прямой видимости, наличие посторонних непрозрачных объектов между ними недопустимо. Это требование значительно сужает область их использования и делает малопригодными для питания и зарядки электроники в бытовых условиях.
Электростатическая индукция
В системах бесконтактного питания на основе электростатической индукции (ёмкостной связи), передача электрической энергии осуществляется за счет индуцированного электрического поля между двумя несимметричными резонаторами, которые состоят из активного и пассивного электродов. Электрическое поле создается за счет заряда электродов переменным током высокой частоты и высокого потенциала.
Данный принцип позволяет эффективно осуществлять передачу энергии, в том числе при большом смещении приёмного и передающего активных электродов относительно друг друга. Компания Murata разработала систему беспроводного питания на основе электростатической индукции, позволяющую передавать энергию мощностью до 12 Вт с КПД до 80 %.
Недостатком таких систем бесконтактного питания является малая дальность действия и слабая устойчивость к появлению посторонних предметов между приёмником и передатчиком.
Электромагнитная индукция
ЭМИ использует магнитостатическое взаимодействие между катушками индуктивности, установленными в передающем и приёмном устройствах. Электромагнитное поле, создаваемое катушкой передающего устройства, возбуждает катушку в приемном устройстве, которая, в свою очередь, генерирует электрический ток, протекающий через нагрузку. Для повышения эффективности подобных систем приёмная и передающая катушки делаются многовитковыми и резонансными, т.е. приемник и передатчик настраиваются на одну частоту.
Принцип работы основан на том, что два резонансных элемента (акустических, электрических или же электромагнитных) могут формировать высокоэффективную систему передачи, основанную на взаимной связи. В то же время, взаимодействие с другими нерезонансными объектами практически отсутствует. Передача энергии, осуществляемая таким образом, может быть всенаправленной и, в то же время, высокоэффективной, с малыми потерями в нерезонансных окружающих объектах.
Принцип работы системы бесконтактного питания на основе электромагнитной индукции
Поскольку биологические ткани, как и большинство окружающих нас объектов, слабо взаимодействуют с магнитным полем, то подобные системы являются абсолютно безопасными. Мощности, которая может быть передана данным способом, вполне достаточно, чтобы зажечь лампу накаливания или обеспечивать бесперебойным питанием телевизор. КПД системы составляет примерно 70% при расстоянии между резонаторами около 1 метра.
а)
б)
Системы бесконтактного питания, использующие принцип электромагнитной индукции: (а) – разработка фирмы Intel, (б) разработка фирмы Sony
С учетом требований, предъявляемых к системам бесконтактного питания, и присущих им особенностей, в качестве основных критериев для сравнительной оценки выделили следующие:
а) рабочая частота (чем ниже рабочая частота, тем менее вредоносное воздействие оказывается на биологические ткани, и тем большая мощность может быть излучена передающим устройством системы без ущерба для живых организмов);
б) дальность действия системы;
в) КПД;
г) работоспособность системы при нахождении посторонних объектов между приемным и передающим резонаторами.
Сравнительные характеристики систем бесконтактного питания, использующих различные физические принципы, представлены в таблице. Для КПД приведены максимально-достигнутые значения по данным литературных источников.
Для выбранной нами передаваемой мощности 10 Вт использование систем бесконтактного питания на основе СВЧ или лазерного излучения является потенциально опасным для человека. Системы бесконтактного питания, использующие электромагнитную или электростатическую индукцию позволяют удовлетворить требованиям по электромагнитной безопасности, т.к. работают на более низких частотах.
Принцип работы Раб. диапазон Дальность действия Работосп-ть системы Макс. достигнутый
частот при посторонних объектах КПД
СВЧ излучение ГГц Км ограниченная 84 %
Лазерное излучение ТГц Км отсутствует 30 %
Электростатическая
индукция кГц — МГц См ограниченная 80 %
Электромагнитная
индукция МГц М полная 70 %
Разрабатываемая нами система бесконтактного питания ориентирована на применение в потребительской электронике, что подразумевает использование в жилых помещениях, офисах, торговых центрах и т. п. В связи с этим одним из главных требований, которые должны учитываться в конструкции подобных систем, является их безопасность для человека и окружающей среды.
Другим важным требованием, предъявляемым к системам бесконтактного питания, является сохранение ими работоспособности при появлении различных объектов в пространстве между передающим и приёмным устройствами. В качестве таких объектов могут выступать: тело человека или других живых организмов, например, домашних животных; металлические предметы: ключи, монеты, предметы домашнего обихода и др.
Основным параметром эффективности системы бесконтактного питания является коэффициент полезного действия (КПД) системы – отношение мощности, переданной в нагрузку, к мощности, поданной на передающее устройство. Поскольку КПД системы зависит от расстояния между приёмным и передающим устройствами, при сравнении эффективности различных систем наряду с КПД необходимо оценивать и дальность действия.
По совокупности критериев наиболее перспективными для энергообеспечения устройств потребительской электроники мы выбрали системы бесконтактного питания на основе электромагнитной индукции, поскольку они имеют большую дальность действия, сохраняют полную работоспособность при нахождении посторонних объектов между приемником и передатчиком и обладают достаточно высоким КПД.
Должна быть ещё и изюминка
Конструкции резонаторов различаются в зависимости от физического принципа, лежащего в основе функционирования той или иной системы бесконтактного питания. С точки зрения потребительских свойств наиболее общее требование, предъявляемое к резонаторам, состоит в том, что резонаторы должны иметь возможно меньшие габариты для облегчения их встраивания в устройства потребительской электроники.
В качестве цели мы определили разработку резонансной системы бесконтактного питания, которая может быть использована для энергообеспечения любых электронных устройств: мобильные телефоны, MP3-плееры, цифровые камеры, GPS-навигаторы, пульты Д/У, автомобильные аксессуары, медицинское оборудование и т.д. Использование таких систем бесконтактного питания позволит сделать потребительскую электронику более надежной и удобной в использовании.
Важнейшим отличием от разрабатываемых в настоящее время альтернативных беспроводных зарядных систем мы поставили дополнительную возможность передачи информации. В системах бесконтактного питания она может обеспечить обнаружение и идентификацию устройств, синхронизацию, идентификацию, а также позволяет определять взаиморасположение устройств во время работы. Идентификация устройств необходима во многих областях применения, где важны такие аспекты, как безопасность и конфиденциальность. И это решение должно быть оригинальным и оптимальным для всей конструкции. Практически все разработчики близких технологий не имеют таковой дополнительной возможности (например, Texas Instruments, Murata и др.).
Для решения поставленной задачи в ходе реализации проекта нами были также предложены следующие инновационные решения:
1. Использование новых усовершенствованных резонаторов для максимально эффективной передачи энергии;
2. Применение новых технических решений по экранировке/концентрации магнитного поля для увеличения эффективности передачи энергии и уменьшения воздействия на человека;
3. Возможность передачи данных между зарядной станцией и устройствами потребления наряду с осуществлением бесконтактного питания с целью значительного расширения их функциональных возможностей;
4. Возможность идентификации мобильных устройств;
5. Возможность встраивания в существующую электронику и мобильную технику.
6. Возможность использования системы для питания/зарядки любых электронных устройств, поддерживающих стандарт «Qi»;
7. Возможность использования в качестве первичных источников электроэнергии не только сети 220 В, но и альтернативных источники энергии.
Суровые будни разработки
Исследование существующих конструкций резонаторов систем бесконтактного питания, использующих принцип электромагнитной индукции, позволило нам выявить наличие нескольких основных разновидностей конструкций многовитковых катушек индуктивности.
С учетом наших целей на разрабатываемую систему в качестве критериев для сравнительной оценки различных конструкций резонаторов были выбраны:
а) рабочая частота;
б) габаритные размеры;
в) добротность.
Значение добротности определяется только конструкцией резонатора и, в отличие от КПД системы, не зависит от расстояния между приёмным и передающим резонаторами. КПД прямо пропорционален добротности резонаторов.
Параметры существующих конструкций резонаторов систем бесконтактного питания на основе электромагнитной индукции анализировались и сравнивались по выбранным критериям.
Конструкция системы, состоящей из рамок и высокодобротных многовитковых спиральных катушек.
Сравнительные характеристики рассмотренных конструкций резонаторов приведены в таблице.
Конструкция Рабочая частота, МГц Диаметр, см Добротность
Многовитковая спиральная 7,65 59 300
Лепестковая 64 10 1200
Многослойная на основе
разомкнутых кольцевых
резонаторов 13,56 1 100
Многослойная конструкция на основе разомкнутых кольцевых резонаторов является наиболее малогабаритной, и при этом характеризуется добротностью того же порядка, что и многовитковая спиральная конструкция.
Далее мы провели исследование характеристик приёмного и передающего резонаторов с помощью электродинамического моделирования (зависимости добротности и распределения магнитного поля выбранных конструкций резонаторов) на рабочей частоте системы f0 = 13.56 МГц. На основе полученных данных провели оптимизацию конструкции. В качестве материала подложки резонатора был выбран диэлектрик FR4 как наиболее доступный и недорогой.
Система бесконтактного питания выбранной нами конструкции имеет более высокий КПД по сравнению с системой, в которой используются конструкции резонаторов большинства ведущихся сейчас зарубежных разработок.
Также мы исследовали возможности беспроводной передачи данных совместно с беспроводной передачей энергии. Для систем передачи данных основным требованием, предъявляемым к резонаторам, является необходимая ширина полосы пропускания для обеспечения заданной скорости передачи. Большая полоса пропускания резонатора позволяет достичь большей скорости передачи данных. Ширина полосы пропускания определяется нагруженной добротностью резонаторов. Наш выбор был сделан в пользу системы совместной беспроводной передачи энергии и информации с передачей последней на частоте 13.56 МГц, что позволяет достичь скорости до 1 Мбит/с. В основе принципа работы лежит модуляция несущей частоты информационным сигналом.
Информационный двоичный сигнал преобразуется по уровням «модулятором» и управляет напряжением питания выходного усилителя.
Впоследствии для снижения ограничений скорости обмена данными и эффективности передачи энергии нами было решено осуществлять передачу информации на значительно более высоких частотах (например, в стандартных диапазонах RFID или Wi-Fi около 900 МГц и 2,4 ГГц). Использование более высоких частот позволит значительно повысить скорость передачи данных, а также снизить уровень шумов, вносимых системой передачи энергии.
Подобные решения хорошо известны и применяются в мобильных телефонах. Там беспроводная подзарядка или же передача данных осуществляются с помощью отдельного резонатора, работающего в мегагерцовом диапазоне. И в то же время с помощью отдельных антенн (GSM, Wi-Fi и т.д.) осуществляется обмен данными. Однако в сравнении с решениями, применяемыми в телефонах, наше позволяет существенно уменьшить габариты резонаторов.
Изготовление и тестирование экспериментальных образцов
В ходе теоретических расчетов и моделирования нами была продемонстрирована конструкция приёмного и передающего резонаторов, входящих в состав многофункциональной системы для осуществления передачи данных одновременно с бесконтактной передачей энергии. Особенностью предложенной конструкции является возможность исключения влияния друг на друга каналов передачи энергии и информации.
На заключительном этапе НИОКР были разработаны топологии печатных плат приёмного и передающего резонаторов, соответствующие рассмотренной ранее электрической схеме, были выбраны типоразмеры навесных сосредоточенных элементов и высокочастотных разъемов, которые должны монтироваться на изготовленные печатные платы. Кроме того, был разработан сценарий экспериментального тестирования характеристик приемного и передающего резонаторов с помощью векторного анализатора цепей с учетом требований, предъявляемых к системе. Согласно разработанному сценарию было проведено исследование характеристик резонаторов по отдельности, а также в составе многофункциональной системы совместной передачи энергии и информации.
Тестирование резонаторов с учетом их использования в составе системы беспроводной передачи энергии совместно с передачей информации по независимым каналам проводилось в несколько этапов.
Вначале исследовалась только передача энергии, а затем было выполнено экспериментальное тестирование системы беспроводной передачи энергии совместно с передачей данных. Были измерены комплексные коэффициенты отражения в каждом канале резонаторов, а также коэффициенты передачи по каждому из каналов системы с помощью векторного анализатора цепей Agilent E5071C.
Фотография измерительной установки: 1 – векторный анализатор цепей, 2 – передающий резонатор в корпусе, 3 –приемный резонатор в корпусе.
Фотография демонстрации работы системы беспроводной зарядки, использующие разработанные резонаторы
По результатам проведённой разработки была подтверждена первоначальная гипотеза о том, что для решения поставленных задач наиболее подходящими являются системы бесконтактного питания на основе электромагнитной индукции, поскольку подобные системы могут эффективно работать в мегагерцовом диапазоне, безопасном для человека, они устойчивы к появлению посторонних нерезонансных объектов, а резонаторы, входящие состав системы и работающие в мегагерцовом диапазоне, могут быть компактными и достаточно высокодобротными.
В ходе выполнения НИОКР был выбран тип резонаторов, который обеспечивает наиболее эффективный режим передачи энергии, а также достаточно прост в изготовлении, обладает наименьшими габаритами и обеспечивает высокую скорость передачи данных. Предложенная конструкция резонаторов также позволяет исключить влияние друг на друга каналов передачи энергии и информации.
Перспективы проекта
На текущем этапе команда проекта занимается доработкой базовой станции для бесконтактной зарядки, а также приёмного модуля, который будет способен встраиваться в конструкции мобильных девайсов. Зарядная станция может встраиваться в любые предметы интерьера: в рабочий стол, док-станцию мобильного устройства, в стену и т.п. Системы бесконтактного питания могут устанавливаться не только дома или на работе, но и в общественных местах.
Такие зарядные станции могут быть надежно скрыты, что позволит их защитить от воздействия окружающей среды и вандализма. Помимо удобства, системы бесконтактного питания обеспечат и более высокий уровень безопасности пользователей. Благодаря отсутствию гальванической связи практически полностью исключен риск повреждения мобильного устройства.
По завершении доработки системы бесконтактной зарядки, в ходе которой также будет осуществлено дизайн-решение для модулей, будет проводиться маркетинг наиболее перспективных рынков сбыта, устанавливаться договорённости с потребителями. Производство опытной партии в количестве от 100 штук планируется осуществить в первом полугодии 2014 года, после чего по результатам первых продаж будет приниматься решение о выходе на наиболее привлекательные сегменты рынка. В настоящее время проект выставлен для «народного финансирования» на одной из российских краундфандинговых площадок Boomstarter и его можно посмотреть здесь.
Основные технически параметры разрабатываемого устройства:
• Рабочий диапазон частот: 110 — 200 кГц;
• Геометрические размеры базовой станции для зарядки одновременно нескольких устройств: 20 см — 15 см — 2 см;
• Эффективность передачи энергии: не менее 70%;
• Передаваемая мощность: до 10 Вт (в зависимости от необходимости).
Беспроводная зарядная станция будет представлять собой портативную систему питания, которая позволяет одновременно зарядить несколько мобильных девайсов, что существенно облегчит подзарядку — все они будут совместимы с таким решением.
Автор: Proton764
