Analog Devices DC3080A-KIT per sperimentare velocemente con la ricarica wireless – Parte 3

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.

La progettazione di dispositivi ricaricabili tramite tecnologia wireless rappresenta un'importante innovazione nel settore dell'elettronica, offrendo soluzioni senza cavi che migliorano la praticità e l'efficienza dei dispositivi portatili. Questa tecnologia è particolarmente rilevante per una vasta gamma di applicazioni, dai dispositivi indossabili e medici agli accessori smart e ai sensori IoT. La ricarica wireless elimina la necessità di connettori fisici, riducendo l'usura e aumentando l'affidabilità dei dispositivi. Tuttavia, la progettazione di tali sistemi richiede una combinazione di componenti avanzati, come bobine di trasmissione e ricezione ottimizzate, regolatori di potenza integrati e circuiti di controllo per garantire un'efficienza energetica elevata ed un trasferimento di potenza stabile. L'utilizzo di standard come Qi e componenti specifici permette di realizzare soluzioni compatibili e sicure, facilitando l'adozione della ricarica wireless in una vasta gamma di applicazioni. Nel precedente articolo abbiamo osservato nel dettaglio le caratteristiche e il principio di funzionamento della scheda trasmettitore DC3081A che compone il kit DC3080A-KIT prodotto dalla Analog Devices (vedi Figura 1). In maniera analoga, in questo articolo andremo ad osservare nel dettaglio le caratteristiche dei componenti che sono stati utilizzati per il ricevitore DC3078A che compone il kit basato sul dispositivo LTC4126-ADJ.

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

La scheda di ricezione DC3078A

Il kit DC3080A-KIT prodotto dalla Analog Devices è stato sviluppato per valutare le performance e le funzionalità del dispositivo LTC4126-ADJ che troviamo 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 e in un airgap della ricarica wireless compreso tra 4 e 8 millimetri. Come per il trasmettitore, anche in questo caso abbiamo la possibilità di scaricare dalla pagina web ufficiale lo schematico della scheda ricevitore DC3078A. Da una veloce analisi notiamo come, anche in questo caso, lo schema è molto semplice. L'architettura di massima della scheda di ricezione include la seguente componentistica (vedi Figura 2):

l’integrato U1, ossia il chip LTC4126EV-ADJ
la bobina di ricarica wireless che risulta essere il modello 760308101208 della Wurth Elektronik
un led rosso di segnalazione della carica
diversi componenti e condensatori per il corretto funzionamento dell’intera scheda
un dispositivo ADM8642 che si comporta da rilevatore di tensione a bassissima potenza

Figura 2

Il dispositivo LTC4126EV-ADJ

Il dispositivo LTC4126-ADJ è un oggetto concepito per realizzare un caricatore wireless a bassa potenza per batterie Li-Ion a singola cella, dotato di un regolatore DC/DC step-down integrato. Progettato per applicazioni portatili a bassa potenza come apparecchi acustici e dispositivi indossabili, il dispositivo offre funzionalità avanzate per garantire la ricarica efficiente e sicura di batterie ricaricabili. Le principali caratteristiche di questo dispositivo sono le seguenti:

Caricatore wireless per batterie Li-Ion: Supporta la ricarica a corrente costante ed a tensione costante (CC/CV) con corrente programmabile da 1 mA a 50 mA tramite un resistore esterno.
Regolatore DC/DC: Un convertitore a carica pompa multimodale a bassa rumorosità fornisce una tensione regolata di 1,2V per alimentare dispositivi elettronici. La frequenza di commutazione è impostata a 50 kHz o 75 kHz per evitare rumori udibili.
Protezione e monitoraggio della temperatura: Include un pin NTC per monitorare la temperatura della batteria e sospendere la ricarica se viene rilevata una condizione di temperatura fuori dai limiti di sicurezza.
Sicurezza: Il dispositivo dispone di protezione contro il sovraccarico e la disconnessione della batteria in caso di tensione inferiore a 3V, oltre ad una funzione di ricarica automatica per mantenere la batteria sempre carica.
Indicazioni di stato: Include pin di stato digitali per segnalare il progresso della ricarica e possibili errori, come una batteria difettosa o problemi di sotto-tensione.

Il dispositivo può essere utilizzato in innumerevoli contesti tra cui sicuramente gli apparecchi acustici ed i dispositivi indossabili. Infatti, grazie al basso consumo e alle dimensioni compatte, il chip LTC4126-ADJ dalle dimensioni ridottissime (vedi Figura 3) è ideale per fornire una soluzione di alimentazione affidabile per la ricarica senza fili di dispositivi medici indossabili come gli apparecchi acustici, auricolari wireless, dispositivi indossabili come smartwatch, fitness tracker o anche sensori IoT.

Figura 3: Foto di dettaglio della scheda DC3078A

Diagramma a blocchi e configurazioni di funzionamento

L'LTC4126-ADJ consente un'efficiente ricarica wireless e fornisce una fonte di alimentazione regolata per dispositivi a basso consumo. Attraverso il controllo dinamico della ricarica e la protezione della batteria, il dispositivo assicura un funzionamento sicuro e prolungato delle batterie Li-Ion in applicazioni critiche come i dispositivi medici e indossabili. Il diagramma a blocchi del dispositivo rappresenta il flusso operativo attraverso i suoi componenti principali, consentendo una gestione efficiente della ricarica e dell'alimentazione. I principali elementi sono:

Ricezione della potenza wireless e controllo AC: Il processo inizia con la ricezione di energia tramite la bobina del ricevitore, collegata al pin ACIN. Un circuito risonante LC esterno collega la bobina al pin per catturare l'energia trasferita tramite un campo magnetico alternato. L'energia viene quindi rettificata internamente per fornire una tensione continua regolata sul pin VCC, con un limite massimo tipico di 5,5V.
Rettifica e controllo di potenza: Il dispositivo dispone di un circuito di rettificazione e controllo dell'ingresso che regola la tensione ricevuta, assicurando che la tensione al pin VCC non superi la soglia di sicurezza. Questo stadio garantisce che l'energia in ingresso sia adatta per alimentare il caricatore e altri circuiti interni.
Caricatore della batteria: Il caricatore utilizza un sistema di controllo CC/CV (corrente costante/voltaggio costante) per gestire la ricarica della batteria collegata al pin BAT. La corrente di carica è programmabile tramite un resistore collegato al pin PROG. Il caricatore monitora la tensione della batteria per regolare la corrente di carica, passando alla modalità di tensione costante quando la batteria si avvicina al livello massimo di 4,2V.
Regolatore DC/DC step-down: Il regolatore step-down fornisce una tensione di uscita fissa di 1,2V attraverso il pin OUT, alimentando dispositivi a basso consumo. Il regolatore funziona in diverse modalità di commutazione in base al livello della batteria, alternando tra una modalità 3:1 e 2:1 per massimizzare l'efficienza energetica. La frequenza di commutazione è impostata a 50kHz o 75kHz per evitare interferenze udibili.
Monitoraggio della temperatura e protezione: Il pin NTC consente il monitoraggio della temperatura della batteria tramite un termistore esterno. Se la temperatura della batteria supera o scende al di fuori dell'intervallo sicuro, il caricatore sospende automaticamente il processo di ricarica per evitare danni alla batteria. Il timer di ricarica di sicurezza si blocca fino a quando la temperatura non rientra nell'intervallo consentito.
Indicatori di stato e gestione della potenza: I pin STAT1 e STAT2, insieme al pin CHRG, forniscono informazioni sullo stato di carica, segnalando condizioni come la ricarica completata, guasti o batteria difettosa. Il pin ACPR fornisce un'indicazione della disponibilità di potenza sufficiente per la ricarica.

Nella seguente tabella si riporta l'elenco e la descrizione dei pin del chip LTC4126-ADJ.

Nome	PIN	Descrizione
NTC	1	Pin di ingresso del termistore NTC per monitorare la temperatura della batteria. Se la temperatura è fuori dal range sicuro, la ricarica viene sospesa. Collegare un termistore tra NTC e GND per abilitare questa funzione.
EN	2	Pin di abilitazione digitale per il regolatore DC/DC. Tensioni superiori a 1.1V abilitano il regolatore, mentre valori sotto 0.4V lo disabilitano.
PBEN	3	Pin di ingresso per il pulsante di controllo del convertitore DC/DC. Permette di accendere o spegnere il convertitore tramite un pulsante esterno.
PROG	4	Pin di programmazione della corrente di carica. Un resistore esterno collegato tra PROG e GND imposta la corrente di carica.
ACPR	5	Uscita digitale CMOS che indica la presenza di potenza sufficiente per la ricarica. Va alto quando la differenza tra VCC e BAT supera 80mV.
CHRG	6	Pin open-drain di stato della ricarica. Può essere collegato a un LED per indicare la fase di ricarica, eventuali errori o il completamento della ricarica.
ACIN	7	Pin di ingresso AC. Collegato al serbatoio risonante LC esterno per ricevere energia wireless. Connettere a GND se non utilizzato.
BAT	8	Pin di collegamento della batteria Li-Ion. Utilizzato per la ricarica della batteria e come fonte di energia per il regolatore DC/DC.
STAT2	9	Pin di uscita digitale CMOS per indicazioni di stato. Funziona insieme a STAT1 per mostrare lo stato della ricarica e della batteria.
STAT1	10	Pin di uscita digitale CMOS per indicazioni di stato. Funziona insieme a STAT2 per indicare lo stato della carica o della batteria.
VCC	11	Pin di ingresso della tensione DC. Quando è presente una tensione AC su ACIN, VCC fornisce la tensione rettificata. Può essere collegato a una fonte DC per alimentare il caricatore.
OUT	12	Pin di uscita del regolatore DC/DC. Fornisce una tensione regolata di 1.2V per alimentare il dispositivo caricato. Richiede un condensatore a bassa ESR da 2.2 µF.
GND	13 (Pad esposto)	Pin di terra e pad esposto. Deve essere saldato al PCB per assicurare un buon collegamento elettrico e una dissipazione termica ottimale.

La bobina di ricarica wireless

Un altro elemento fondamentale della scheda ricevitore del kit è la bobina 760308101208, prodotta da Würth Elektronik. Questo componente appartiene alla serie WE-WPCC (Wireless Power Charging Coil), una famiglia di bobine progettate specificamente per applicazioni di ricarica wireless. La bobina, con una induttanza di 13 µH, è ottimizzata per l'uso in sistemi di trasferimento di energia senza fili e risponde efficacemente alle esigenze di dispositivi elettronici portatili come smartwatch, dispositivi medici e accessori wireless. Un aspetto distintivo della serie WE-WPCC è l'uso di materiali ad alte prestazioni che garantiscono un fattore di qualità (Q) elevato. Un valore di Q elevato è essenziale per massimizzare l'efficienza del trasferimento di energia, minimizzando le perdite durante la conversione da energia elettromagnetica a energia elettrica. Questo consente una ricarica più rapida e con minore dissipazione di calore, migliorando la performance globale del sistema.

La bobina 760308101208, con un diametro di 10 mm, è estremamente compatta ed è ideale per applicazioni dove lo spazio è un fattore critico, come nei dispositivi indossabili o nei gadget IoT. Nonostante le sue dimensioni ridotte, questa bobina è in grado di gestire correnti nominali sufficienti a garantire un'efficace ricarica wireless per dispositivi a basso consumo. È progettata per funzionare in una gamma di frequenze standard di ricarica wireless, assicurando una compatibilità universale con i sistemi di trasmissione di potenza conformi agli standard, come Qi. Inoltre, le bobine della serie WE-WPCC sono costruite con tecnologie avanzate che assicurano un'elevata stabilità meccanica e termica, garantendo affidabilità anche in condizioni operative difficili, come temperature elevate o ambienti con vibrazioni. La robustezza, unita alla loro capacità di mantenere elevate prestazioni in diverse condizioni operative, le rende ideali per l'uso in dispositivi medici o sensori IoT, dove la ricarica senza fili sta diventando uno standard di fatto.

Conclusioni

Siamo giunti al termine di questo articolo in cui abbiamo osservato l'architettura di massima del ricevitore DC3078A che compone il kit di valutazione della ricarica wireless. Possiamo sicuramente dire che il dispositivo LTC4126-ADJ utilizzato sul ricevitore rappresenta una soluzione tecnologicamente avanzata per la ricarica wireless di dispositivi a bassa potenza come apparecchi acustici, dispositivi indossabili e sensori IoT. Grazie alla sua capacità di gestire la ricarica di batterie Li-Ion attraverso un sistema CC/CV e un regolatore DC/DC integrato, il dispositivo garantisce efficienza energetica e sicurezza durante il processo di ricarica. La sua architettura, supportata da un monitoraggio continuo della temperatura e protezioni integrate, lo rende affidabile e versatile in applicazioni critiche dove lo spazio e il consumo energetico sono limitati. Tuttavia, per l'ottima riuscita del progetto è necessario individuare anche gli oggetti periferici all'integrato. Sicuramente, la scelta della bobina di ricarica wireless 760308101208 di Würth Elektronik, caratterizzata da una progettazione compatta e ad alte prestazioni, contribuisce a migliorare le prestazioni e l'efficienza complessiva del sistema di trasmissione wireless dell'energia. Infatti, la serie WE-WPCC di cui fa parte questa bobina, con un elevato fattore di qualità (Q), consente un trasferimento di energia ottimale e una ricarica più rapida e sicura, assicurando prestazioni elevate anche in ambienti operativi difficili. In sintesi, il dispositivo LTC4126-ADJ e i componenti associati, come la bobina di ricarica, offrono una soluzione completa e altamente efficace per la realizzazione di sistemi di ricarica wireless moderni e performanti.