Analog Devices DC3080A-KIT per sperimentare velocemente con la ricarica wireless – Parte 2

La ricarica wireless rappresenta un passo significativo nell'evoluzione della tecnologia dei dispositivi elettronici personali, offrendo una soluzione comoda e senza cavi per mantenere alimentati gli smartphone ed i dispositivi indossabili. I produttori di componentistica offrono sempre più spesso soluzioni ad hoc per supportare i progettisti elettronici nella realizzazione di sistemi di ricarica wireless, riducendo il time-to-market con soluzioni standardizzate e già focalizzate su specifiche applicazioni. In questo articolo, entreremo nel dettaglio della realizzazione del trasmettitore utilizzato nel kit DC3080A-KIT di Analog Devices, osservando il principio di funzionamento, le principali caratteristiche e gli aspetti per supportare i progettisti elettronici nella realizzazione dei propri sistemi di ricarica wireless.

Nel precedente articolo abbiamo affrontato il tema della ricarica wireless, evidenziando i suoi vantaggi, come la comodità e l'assenza di cavi, ormai sempre più diffusi tra dispositivi elettronici personali. Abbiamo ripercorso la storia di questa tecnologia, partendo dalle prime sperimentazioni di Nikola Tesla fino ai progressi moderni, con particolare attenzione agli sviluppi degli ultimi decenni. Abbiamo esaminato anche gli standard di ricarica wireless, tra cui Qi, PMA ed AirFuel, sottolineando la loro compatibilità e diffusione a livello globale. Le innovazioni recenti, come la ricarica a lungo raggio e l'integrazione con l'Internet of Things (IoT), stanno trasformando ulteriormente questa tecnologia. In questo contesto, abbiamo introdotto il kit DC3080A-KIT di Analog Devices (vedi Figura 1), una soluzione avanzata per la ricarica wireless, descrivendo le sue caratteristiche principali e la sua struttura, composta da un trasmettitore (DC3080A) ed un ricevitore (DC3078A), entrambi progettati per ottimizzare l'efficienza energetica e la sicurezza. Inoltre, abbiamo spiegato il principio di funzionamento basato sull'induzione magnetica e le sue varianti più complesse, come la risonanza magnetica, che consente una maggiore distanza tra trasmettitore e ricevitore. In questo secondo articolo, entreremo più nel dettaglio delle caratteristiche dei componenti che sono stati utilizzati per il trasmettitore DC3081A che compone il kit DC3080A-KIT prodotto dalla Analog Devices.

Figura 1: Kit di sviluppo DC3080A-KIT prodotto dalla Analog Devices

La scheda di trasmissione DC3081A

Come già detto, il kit è stato sviluppato per valutare le performance e le funzionalità del dispositivo LTC4126-ADJ prodotto dalla stessa Analog Devices e montato a bordo dei ricevitori. Questo chip è concepito per la ricarica wireless di batterie a ioni di litio attraverso un DC/DC converter in modalità step down ed in un airgap della ricarica wireless compreso tra 4 e 8 millimetri. Ma, per ottenere la corretta funzionalità è fondamentale affrontare anche gli aspetti progettuali del trasmettitore, ossia del chip LTC6990 installato a bordo della scheda di trasmissione DC3081A (vedi Figura 2). Accedendo alla pagina web ufficiale del prodotto DC3080A-KIT dell’Analog Devices è possibile accedere ad una serie di documenti utili ai progettisti per il design, tra cui sicuramente gli schematici in pdf delle schede che compongono il kit. Analizzando il documento relativo al trasmettitore vediamo come questo risulta essere molto semplice e funzionale, progettato intorno al chip LTC6990 già menzionato in precedenza.

Figura 2: Scheda di trasmissione DC3081A del kit di Analog Devices

La scheda è composta da pochi semplici elementi (vedi Figura 3 e Figura 4):

un connettore USB 2.0 con cui fornire alimentazione alla scheda
l’integrato U1, ossia il chip LTC6990CDCB
la bobina di ricarica wireless che risulta essere il modello 760308101104 della Wurth Elektronik
un dispositivo MOS per il controllo del trasferimento dell’energia
un led rosso di segnalazione
diversi componenti e condensatori per il corretto funzionamento dell’intera scheda

Figura 3. Diagramma a blocchi dello schema elettrico relativo alla scheda DC3081A

Figura 4: Foto di dettaglio della scheda DC3081A

Il dispositivo LTC6990

Entriamo dunque nel dettaglio del dispositivo LTC6990 utilizzato. L'LTC6990 è un oscillatore al silicio di precisione con una frequenza programmabile che varia da 488 Hz fino a 2 MHz. Questo dispositivo offre la possibilità di funzionare sia come oscillatore a frequenza fissa, sia come oscillatore controllato in tensione (VCO), fornendo una grande flessibilità per diverse applicazioni elettroniche. Fa parte della famiglia TimerBlox di Analog Devices, una linea di dispositivi di temporizzazione che si distingue per la versatilità e la semplicità di utilizzo. Gli oscillatori controllati in tensione (VCO) sono dispositivi elettronici fondamentali in molti ambiti tecnici che richiedono una frequenza variabile in modo dinamico, in risposta ad una tensione di controllo applicata. Essi trovano numerose applicazioni, in particolare nei campi delle comunicazioni, dell'elettronica digitale e dell'audio. Di seguito, una sintesi delle principali funzioni e applicazioni:

Sintesi di frequenza: Utilizzati nei sintetizzatori di frequenza per generare segnali di riferimento precisi, come nei trasmettitori e ricevitori radio a radiofrequenza (RF), i VCO consentono di modulare con precisione la frequenza di lavoro grazie alla variazione della tensione di controllo.
Modulazione di frequenza (FM): Nei sistemi di comunicazione, i VCO modulano la frequenza di un segnale portante in base alle informazioni del segnale trasmesso, come in un trasmettitore FM, permettendo una trasmissione efficace di dati audio o digitali.
PLL (Phase-Locked Loop): I VCO sono componenti critici nei circuiti PLL, che sincronizzano un oscillatore con una frequenza di riferimento. Questo permette di mantenere stabile la frequenza di uscita e ridurre il rumore di fase, essenziale per trasmettitori radio e telecomunicazioni.
Generazione di clock: In sistemi digitali complessi, i VCO generano segnali di clock variabili, utili per controllare la velocità di esecuzione nei microprocessori o nei circuiti integrati digitali, consentendo regolazioni dinamiche in base alle esigenze operative del sistema.
Strumenti musicali elettronici: Nei sintetizzatori musicali, i VCO sono utilizzati per generare toni audio variabili, con la frequenza del suono che può essere modificata tramite controlli di tensione, dando ai musicisti la possibilità di manipolare in tempo reale le frequenze sonore.

Grazie alla sua programmabilità, il dispositivo LTC6990 può essere configurato con un singolo resistore per impostare la frequenza desiderata o con due resistori per il controllo tramite tensione, offrendo una modulazione dinamica della frequenza. Questo lo rende ideale per applicazioni che richiedono precisione e affidabilità, come i sistemi di controllo, le telecomunicazioni, i sintetizzatori di frequenza e le reti di sensori. Tra le caratteristiche principali, il dispositivo LTC6990 offre un avvio rapido, un basso consumo energetico e la capacità di operare in un ampio intervallo di alimentazione (da 2,25V a 5,5V), rendendolo adatto anche per dispositivi portatili e applicazioni a batteria.

Le sue principali caratteristiche includono:

frequenza programmabile con un singolo resistore RSET, che determina la frequenza dell'oscillatore principale;
funzionamento come VCO: un secondo resistore opzionale permette il controllo della frequenza tramite tensione, consentendo la modulazione della frequenza;
frequenza di uscita regolabile tra 488 Hz e 2 MHz, con la possibilità di suddividere la frequenza in otto impostazioni da 1 a 128;
alimentazione singola da 2.25V a 5.5V con una corrente di alimentazione di soli 72µA a 100 kHz;
start-up rapido: tempo di avvio di 500 µs;
uscita logica CMOS con capacità di sorgere o affondare 20mA

Il dispositivo LTC6990 trova ampie applicazioni in diversi settori grazie alla sua versatilità ed alla precisione del suo funzionamento. Uno degli utilizzi principali è come oscillatore programmabile a basso costo, ideale per applicazioni che richiedono una temporizzazione precisa. Grazie alla sua semplicità di configurazione tramite un singolo resistore, può essere impiegato per sostituire oscillatori al quarzo o ceramici, particolarmente in ambienti caratterizzati da alte vibrazioni o accelerazioni, dove le soluzioni tradizionali potrebbero non essere adeguatamente affidabili.

Nelle applicazioni che richiedono la modulazione di frequenza, il dispositivo LTC6990 può essere configurato come un oscillatore controllato in tensione (VCO), permettendo una modulazione lineare della frequenza con due resistori. Questa flessibilità rende il dispositivo perfetto per circuiti di controllo e sistemi che necessitano di una regolazione dinamica della frequenza di funzionamento. Essendo qualificato per l'uso in ambienti automotive, con la certificazione AEC-Q100, il dispositivo può essere integrato in veicoli per funzioni critiche, come i sistemi di controllo elettronico, che richiedono una temporizzazione accurata e robusta in condizioni operative difficili. Inoltre, grazie al suo basso consumo energetico ed al funzionamento con una singola alimentazione da 2,25V a 5,5V, risulta particolarmente adatto per attrezzature portatili ed a batteria, come sensori IoT o dispositivi indossabili, dove l'efficienza energetica è cruciale. Il dispositivo, inoltre, è utile in applicazioni industriali, dove la necessità di temporizzazioni precise e affidabili, in combinazione con un'alta resistenza a condizioni ambientali avverse, lo rende ideale per sensori e attuatori in ambienti critici. La sua capacità di operare a basse correnti e la possibilità di configurare l'uscita come CMOS ad alta potenza lo rendono un componente estremamente versatile per un'ampia gamma di progetti tecnologici.

Diagramma a blocchi e configurazioni di funzionamento

Il dispositivo LTC6990 è un oscillatore al silicio progettato per offrire una frequenza programmabile in un'ampia gamma, da 488 Hz a 2 MHz. Il suo funzionamento si basa su un diagramma a blocchi (vedi Figura 5) che integra diversi componenti chiave, ognuno con una funzionalità specifica per garantire precisione e versatilità. Di seguito, viene riportata una breve descrizione dei pin e della loro funzionalità:

V+: alimentazione (2.25V a 5.5V). Deve essere bypassata a terra con un condensatore da 0,1 µF.
DIV: impostazione del divisore programmabile. La tensione su questo pin determina il fattore di divisione tramite un divisore di tensione esterno.
SET: impostazione della frequenza. Un resistore tra SET e GND regola la corrente e quindi la frequenza dell'oscillatore principale.
OE: abilitazione/disabilitazione dell'uscita. Quando alto, abilita l'uscita. Quando basso, l'uscita può essere forzata a bassa impedenza o in uno stato di alta impedenza (Hi-Z).
GND: collegamento a terra. Deve essere collegato ad un piano di massa a bassa induttanza.
OUT: uscita dell'oscillatore, compatibile con logica CMOS, con una capacità di pilotare fino a 20 mA.

Figura 5: Diagramma a blocchi del dispositivo LTC6990

Il principio di funzionamento di questo dispositivo è centrato sul master oscillator, il quale genera il segnale di base alla frequenza massima di 1 MHz. Questo oscillatore è controllato dalla corrente che fluisce attraverso il pin SET, e la frequenza di oscillazione può essere regolata facilmente variando la resistenza collegata a questo pin. Infatti, un resistore opportunamente scelto consente di impostare la corrente, stabilendo così la frequenza di funzionamento desiderata. Collegato al master oscillator troviamo un programmable divider (divisore programmabile) che permette di suddividere ulteriormente il segnale di oscillazione. La tensione applicata al pin DIV determina il fattore di divisione, che può variare da 1 a 128, grazie ad un convertitore A/D a 4 bit. Questo componente elabora la tensione sul pin DIV per calcolare il DIVCODE, che controlla sia la divisione della frequenza sia lo stato di alta impedenza dell'uscita quando il dispositivo è disabilitato. Il digital filter integrato nel sistema ha la funzione di stabilizzare il segnale in uscita, riducendo eventuali fluttuazioni indesiderate. Questo è particolarmente utile in applicazioni che richiedono un segnale di uscita pulito e stabile. Il pin OE (Output Enable) gestisce l'abilitazione dell'uscita. Quando questo pin è impostato su un livello alto, il segnale di uscita è attivo e può pilotare carichi esterni; al contrario, quando il pin è basso, l'uscita può essere portata ad uno stato di alta impedenza o forzata ad uno stato basso, a seconda della configurazione scelta. Infine, il pin GND è fondamentale per garantire un buon riferimento di massa, essenziale per la stabilità del circuito. Combinando questi elementi, il dispositivo LTC6990 offre un'oscillazione precisa e programmabile, rendendolo adatto per una varietà di applicazioni nei settori delle telecomunicazioni, della sintesi audio e dell'elettronica di controllo.

La bobina di ricarica wireless

La bobina di ricarica wireless 760308101104, prodotta da Würth Elektronik, è un componente essenziale progettato per facilitare il trasferimento di energia in applicazioni di ricarica senza fili. Questa bobina è tipicamente utilizzata in dispositivi compatibili con gli standard di ricarica wireless, come la tecnologia Qi, che consente la ricarica di smartphone, dispositivi indossabili e altri gadget elettronici. Grazie al suo design compatto, la bobina si integra facilmente all'interno di vari dispositivi, rendendola particolarmente adatta per spazi ristretti senza compromettere le prestazioni. La progettazione ingegneristica della bobina 760308101104 assicura un elevato tasso di efficienza nel trasferimento di potenza, riducendo al minimo le perdite energetiche e massimizzando la velocità di ricarica. Realizzata con materiali di alta qualità, questa bobina è costruita per garantire una lunga durata e resistenza agli stress operativi, assicurando un funzionamento affidabile anche in condizioni ambientali sfavorevoli. Inoltre, la bobina è compatibile con vari standard di ricarica wireless, facilitando il suo utilizzo in una vasta gamma di applicazioni e dispositivi.

Conclusioni

Il dispositivo LTC6990 rappresenta una soluzione innovativa e versatile nelle applicazioni di ricarica wireless, grazie alla sua capacità di generare frequenze programmabili e di operare come oscillatore controllato in tensione (VCO). Le sue caratteristiche, come il basso consumo energetico, la rapidità di avvio e la precisione nella temporizzazione, lo rendono particolarmente adatto per sistemi di ricarica che richiedono frequenze variabili per ottimizzare l'efficienza energetica e minimizzare le perdite. Integrando il chip LTC6990 in circuiti di ricarica wireless, è possibile migliorare la gestione della potenza, garantendo una comunicazione fluida tra trasmettitore e ricevitore. Inoltre, la sua compatibilità con un ampio range di tensione ed il supporto per frequenze modulabili permettono di adattarlo facilmente a diverse esigenze applicative, dal ricaricamento di dispositivi portatili e indossabili fino a soluzioni industriali. Con il crescente interesse per la ricarica wireless, l'adozione del chip LTC6990 offre la possibilità di sviluppare sistemi più sofisticati e performanti, contribuendo all'evoluzione della tecnologia di alimentazione senza fili.