Qi – Uno standard per il trasferimento di potenza wireless

Il concetto di wireless si è diffuso prepotentemente nelle nostre abitudini già da molti anni in relazione al trasferimento di informazione: non ci occorre più un cavo per guadagnare la connessione ad un punto d’accesso ad internet col nostro PC e abbiamo più di una scelta quando vogliamo trasmettere un contenuto dal nostro cellulare a quello del nostro amico. Prima o poi dovremo tuttavia collegare il nostro dispositivo mobile ad una presa di corrente per ricaricarne la batteria. O meglio, era così fino a ieri: la tecnologia Qi, che sfrutta l'induzione magnetica per realizzare il trasferimento di potenza wireless, è già disponibile sugli scaffali dei negozi di elettronica, integrata nei dispositivi mobili di più recente concezione. Analizziamo quindi i dettagli più tecnici di questa tecnologia e diamo uno sguardo ad una scheda di sviluppo già disponibile commercialmente e pronta all'integrazione nei nostri progetti embedded.

INTRODUZIONE

Molti dispositivi tecnologici a batteria di ultima generazione prevedono la possibilità di ricaricarsi senza la connessione fisica ad un alimentatore, ma per semplice appoggio ad una apposita stazione base, che peraltro non deve necessariamente essere fornita dallo stesso produttore del dispositivo. Se apparecchi di produttori diversi sono in grado di inter-operare tra loro, lo si deve all’esistenza di standard aperti, molto spesso messi a punto da un consorzio dei vari marchi interessati allo sviluppo di quella data tecnologia. Anche nel caso del Wireless Power Transfer è stato quindi pubblicato nel 2009 e rifinito negli anni successivi un apposito standard, il Qi (dal cinese “aria” o “flusso di energia spirituale”), che definisce appunto i requisiti minimi a cui gli apparecchi Qi-compliant devono sottostare affinché sia garantita la loro inter-operabilità. Il documento di specifica dello standard Qi è liberamente scaricabile (previa registrazione) a questo link.
Lo standard Qi è diviso in volumi, ciascuno destinato ad uno specifico range di potenze: il volume 1, discusso nel presente articolo, riguarda le prime applicazioni di questa tecnologia, che si sono rivolte al mondo low-power (entro i 5 W). La versione di riferimento è la 1.1.2 del giugno 2013.

DESCRIZIONE DEL SISTEMA

Il sistema Qi per il trasferimento di potenza wireless è costituito da due moduli fondamentali, ovvero la stazione base e il dispositivo mobile. La sua architettura di altissimo livello è rappresentata in Figura 1.

Schema a blocchi di principio di un sistema Qi, costituito da due elementi principali: una stazione base e uno o più dispositivi mobili ad essa associati.

Figura 1: Schema a blocchi di principio di un sistema Qi.

La stazione base include uno o più trasmettitori di potenza: ciascuno di essi può fornire la funzionalità di trasferimento wireless di potenza a un singolo dispositivo mobile alla volta ed è costituito in linea di principio da una unità di conversione di potenza e da una unità di controllo e comunicazione. Di questi sotto-moduli, il primo è di natura analogica ed è responsabile del pilotaggio di una bobina detta primaria; il secondo è di natura digitale ed è responsabile del controllo del processo di trasferimento di potenza e della comunicazione con altre parti del sistema. La stazione base include anche una generica “System Unit” che dovrà fornire l’alimentazione necessaria al trasmettitore, nonché un’eventuale interfaccia di gestione del sistema.
Il dispositivo mobile include un singolo ricevitore di potenza, costituito a sua volta da una unità di prelievo di potenza e da una unità di controllo e comunicazione. Di questi sotto-moduli, il primo è di natura analogica ed è responsabile dell’alimentazione del dispositivo mobile nel suo complesso a partire dalla potenza sviluppata da una bobina, detta secondaria; il secondo è di natura digitale e, come per il trasmettitore, è responsabile del controllo del processo di trasferimento di potenza e della comunicazione con altre parti del sistema. Il dispositivo mobile include naturalmente anche un generico “Load”, che assorbe e utilizza la potenza resa disponibile dal ricevitore (per esempio, per la carica di una batteria). Il trasferimento di potenza vero e proprio dalla stazione base al dispositivo mobile è ottenuto evidentemente tramite accoppiamento induttivo tra le due bobine primarie e secondarie: una volta poste in prossimità, tali bobine realizzano un trasformatore risonante in aria (con frequenze di risonanza nell’ordine dei 100 kHz), in grado di trasferire potenza elettrica con un’efficienza che, in buone condizioni di allineamento e vicinanza, risulta paragonabile a quella di un conduttore metallico. Tale trasferimento di potenza è inoltre costantemente monitorato e controllato dalla logica del sistema: ciò è reso necessario dalla possibilità che le condizioni in cui il sistema si trova ad operare cambino dinamicamente durante il trasferimento, per esempio per effetto dell’allontanamento del dispositivo mobile, oppure per le variabili esigenze di potenza imposte dal dispositivo stesso a seconda del suo stato corrente (per esempio, il completamento del processo di ricarica di una batteria). Non solo: prima ancora di iniziare il trasferimento di potenza, la stazione base Qi deve essere anche in grado di riconoscere un dispositivo Qi compatibile, in modo da evitare di alimentare la bobina primaria in maniera non soltanto inutile, ma eventualmente dannosa a seconda di quali oggetti siano posti nelle sue vicinanze. Tutte queste esigenze hanno condotto il WPC (Wireless Power Consortium) a definire un protocollo di comunicazione unidirezionale dal dispositivo mobile alla stazione base, assai interessante perché, come si vedrà, basato sulla modulazione backscatter. Nei paragrafi che seguono, verranno innanzitutto presentati i requisiti fondamentali del trasmettitore e del ricevitore di [...]

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3 Commenti

  1. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 17 agosto 2016
  2. Lorenzo Columbo 17 agosto 2016
  3. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 17 agosto 2016

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