La tecnologia di carica wireless – Intervista a Tony Armstrong Direttore Marketing, Power Products @ Analog Devices Inc.

L'IoT e l'IIoT nascondono molte tecnologie, oltre ai sensori e microcontrollori, le tecniche di power management offrono diverse soluzioni per implementare una corretta gestione energetica. La ricarica wireless offre un modo veloce per i dispositivi portatili alimentati a batteria al fine di essere ricaricati in poco tempo.

Analog Devices offre un ampio portafoglio di soluzioni IC power management per varie applicazioni nel campo IoT e IIoT. In questa intervista con Tony Armstrong Direttore Marketing, Power Products Analog Devices Inc., vogliamo analizzare in dettaglio alcuni aspetti tecnici riguardanti le possibili implementazioni per la gestione energetica, soffermandoci in particolare sulla ricarica wireless.

1. In quali linee di prodotto vengono suddivisi gli IC di power management della sua azienda e quali sono le caratteristiche e l’uso di ciascuno di essi? Può descriverci le caratteristiche e i vantaggi dei prodotti ADI?

ADI offre un ampio portafoglio di IC di power conversion e management, virtualmente utilizzabili in qualsiasi segmento di mercato. Per un elenco dettagliato di tipi e applicazioni, si può fare riferimento al nostro sito Web. Potete visitarlo per una completa panoramica su quanto mettiamo a disposizione della nostra clientela.

2. Nella seconda metà del 2017, il lancio del nuovo iPhone che supporta la tecnologia di carica wireless ha guidato lo sviluppo dell’intera catena produttiva della tecnologia di ricarica senza fili. In che modo la vostra azienda vede lo sviluppo di queste tecnologie e quali sono i relativi piani strategici aziendali per i prossimi anni? Ci saranno lanci di IC di power management di rilievo per il mercato degli integrati con carica wireless?

Un prodotto introdotto recentemente per espandere la nostra offerta nel campo della ricarica wireless delle batterie è l’LTC4123. Questo integrato combina un ricevitore wireless da 30mW con un charger lineare a corrente costante/tensione costante per batterie NiMH, come la serie power one ACCU plus di Varta. Un risonatore LC esterno collegato all’LTC4123 permette all’IC di ricevere alimentazione in modalità wireless da un campo magnetico alternato generato da una bobina trasmittente. Il circuito interno che gestisce l’alimentazione converte la corrente AC ricevuta nella DC necessaria alla carica della batteria.

Il processo di carica wireless mediante l’LTC4123 permette la completa sigillatura del prodotto, eliminando la necessità della sostituzione sistematica delle batterie primarie. La funzione di rilevamento degli elementi Zn-Air (Zinco-Aria) permette alle applicazioni di lavorare indifferentemente sulle batterie ricaricabili NiMH o sulle batterie primarie Zn-Air, utilizzando lo stesso circuito. Entrambe possono alimentare direttamente l’ASIC di un apparecchio acustico, senza la necessità di convertire ulteriormente la tensione. Diversamente, per alimentare l’ASIC utilizzando una batteria Li-Ion da 3,7V, oltre alle funzionalità dell’LTC4123 si deve prevedere l’uso di un regolatore step-down. L’LTC4123 raddrizza l’alimentazione AC dalla bobina ricevente, e può accettare ingressi da 2,2V a 5V per alimentare un carica batteria con controllo a corrente-costante/tensione-costante.

Le caratteristiche del circuito comprendono corrente di carica programmabile fino a 25mA, tensione di carica batteria su cella singola da 1,5V con accuratezza di ±0,5%, indicazione dello stato di carica e timer su scheda per l’interruzione di sicurezza del processo di carica. Il controllo della tensione durante la carica compensato in temperatura protegge le batterie NiMH e previene l’overcharging. L’LTC4123 impedisce la carica in caso di inserimento delle batterie a polarità invertita ed entra in pausa nei casi in cui la temperatura diventa troppo elevata o troppo bassa. L’LTC4123 è realizzato in package ultra-compatto DFN a 6-pin, a basso profilo (0,75mm) di 2 mm x 2 mm con pad metallico per eccellenti prestazioni di dissipazione termica.

3. Una delle sfide attuali nelle tecnologie di carica wireless è l’insufficiente potenza di carica. Quali sono i fattori che condizionano l’efficienza della carica e quali sono le soluzioni? La sua azienda dispone di tecnologie e prodotti adatti a migliorare la potenza di carica di un sistema wireless?

In un circuito percorso da corrente alternata, in prossimità del filo esiste un campo magnetico variabile in funzione del tempo; se si colloca un altro conduttore in questo campo viene indotta corrente.

L’intensità del campo magnetico è proporzionale a quella della corrente che scorre nel conduttore. L’energia viene trasferita dal conduttore (primario) che produce il campo a qualsiasi altro conduttore (secondario) che venga influenzato attraverso l’accoppiamento magnetico definito in precedenza. In un sistema ”loosely coupled”, con un basso coefficiente di accoppiamento, una corrente ad alta frequenza non percorre lunghe distanze sul conduttore ma, a causa del disadattamento d’impedenza del cavo, perde rapidamente energia, che viene riflessa all’origine o irradiata. Per una rappresentazione grafica di due avvolgimenti accoppiati senza vincoli mediante un campo magnetico, fate riferimento alla Figura 1.

Figura 1: Trasferimento di potenza wireless da un avvolgimento primario di trasmissione t (Tx)

Nella progettazione di un sistema di carica wireless, un parametro fondamentale è rappresentato dall’entità della potenza di carica che, di fatto, apporta energia alla batteria. La potenza ricevuta dipende da innumerevoli fattori, tra cui il livello della potenza trasmessa, la distanza e l’allineamento tra l’avvolgimento trasmittente e il ricevente, altrimenti definito come “accoppiamento” e, per finire, la tolleranza dei componenti del trasmettitore e del ricevitore.

4. Al di là del mercato della telefonia mobile, fino a che punto, su quali prodotti e applicazioni si possono applicare le tecnologie di carica wireless?

Lo scopo primario di qualsiasi progetto di alimentazione wireless è quello di garantire il trasporto della potenza richiesta anche nelle peggiori condizioni di trasferimento. Tuttavia, quando invece si verificano condizioni ottimali, è altrettanto importante evitare l’eccessivo stress termico ed elettrico nel ricevitore. Questo risulta particolarmente importante quando la potenza richiesta in uscita è bassa. Per esempio, quando la batteria è carica o quasi completamente carica e le bobine si trovano l’una in prossimità dell’altra. In simili scenari, la potenza disponibile del sistema wireless è elevata, mentre quella richiesta è bassa. L’eccesso di potenza porta all’innalzamento delle tensioni raddrizzate o all’esigenza di dissiparla sotto forma di calore.

Quando il livello di potenza richiesto dal ricevitore è basso, ci sono molti modi per gestire l’esubero. La tensione raddrizzata può essere limitata mediante un diodo zener di potenza o un soppressore di transienti. Tuttavia, questa soluzione risulta particolarmente ingombrante e genera una considerevole quantità di calore. La potenza del trasmettitore si può ridurre, ma questo ridurrà a sua volta il livello disponibile in ricezione o la distanza di trasmissione. È anche possibile comunicare al trasmettitore, a ritroso, il livello della potenza ricevuta, per far sì che quella trasmessa venga regolata di conseguenza. Questa è la tecnica utilizzata dalle normative di alimentazione wireless come lo standard Qi del Wireless Power Consortium. È altrettanto possibile, però, arrivare a risolvere questo problema in forma compatta ed efficiente senza far ricorso a complicate tecniche di comunicazione digitale. Le tecniche che comunicano tramite piccole variazioni nel livello della potenza trasferita richiedono che venga superato un valore minimo trasmesso e potrebbero non funzionare per sistemi con distanze di trasmissione variabili.