Los CI de carga inalámbrica ofrecen soluciones basadas en estándares para artículos de uso personal

La tecnología inalámbrica puede proporcionar un método conveniente para cargar las baterías en los artículos de uso personal que carecen de puertos de carga por motivos estéticos o de diseño. En el pasado, utilizar los métodos de carga inalámbrica requería conocimientos expertos en el diseño de RF personalizado y en la teoría de inducción electromagnética. Hoy, sin embargo, los diseñadores pueden aplicar carga inductiva inalámbrica en un diseño portátil de bajo consumo de energía utilizando piezas estándar disponibles de fabricantes incluyendo Freescale Semiconductors, TDK, Texas Instruments, y Toshiba, entre otros.

La alimentación inalámbrica tiene sus orígenes a principios del siglo XIX, cuando Michael Faraday describió cómo un campo magnético puede inducir una fuerza electromagnética en un conductor. A finales de ese mismo siglo, Nikola Tesla había llevado a la práctica la teoría de inducción de Faraday, demostrando el uso del acoplamiento inductivo resonante en lámparas eléctricas de forma inalámbrica en su laboratorio en la ciudad de Nueva York. Hoy, mediante los principios de inducción electromagnética ya se alimentan productos tan diversos como etiquetas RFID, tarjetas inteligentes sin contacto, y una variedad de cocinas, además sirven como base para los cargadores inalámbricos para cepillos de dientes, teléfonos inteligentes, y una nueva clase de artículos de uso personal incluyendo el reloj de Apple.

De hecho, la carga inalámbrica ofrece una solución atractiva para artículos de uso personal donde un puerto de carga resulta incómodo, demasiado voluminoso, o simplemente muy poco atractivo. Más aún, al eliminar un puerto de carga con cable, los diseñadores de productos de uso personal pueden mejorar la fiabilidad general del producto eliminando esa fuente tan común de contaminación y daños al agua potable. En lugar de un puerto de carga, estos dispositivos pueden utilizar una bobina receptora de energía segura ubicada justo debajo de la superficie del producto portátil.

En la inducción electrodinámica, la aplicación de una corriente eléctrica a una bobina crea un campo magnético que induce corriente en una segunda bobina ubicada estratégicamente próxima a la misma. De hecho, la alineación y la distancia entre las dos bobinas resultan críticas para lograr una alta eficiencia. En las aplicaciones de consumo, las aplicaciones con carga inalámbrica que requieren posicionamiento exacto suelen proporcionar guías para ayudar al usuario a alinear correctamente la unidad móvil a la posición requerida sobre la unidad base. En contraste, los así llamados cargadores inalámbricos con libertad de posicionamiento suelen utilizar varias bobinas integradas en la estación base y responder a la información de la unidad remota para activar las correspondientes bobinas.

Canal de comunicaciones

La comunicación desempeña un papel clave tanto en los sistemas de carga inalámbrica guiados como en los de libre posicionamiento. Durante el funcionamiento del transmisor, el receptor transmite paquetes de datos de regreso al transmisor a través de la modulación de la carga en la antena del receptor. A su vez, el transmisor demodula la carga reflejada para reconstituir los paquetes de datos (Figura 1).


Figura 1: Un sistema de carga inalámbrica típico consta de una estación de base de transmisión de potencia y un receptor encargado de captar la potencia, que utiliza principios de acoplamiento electromagnético para la transferencia de energía y de comunicaciones. (Cortesía de Freescale Semiconductor)

Ambos tipos de sistemas de carga inalámbrica utilizan datos del receptor para administrar la potencia del transmisor. Durante el funcionamiento, la unidad del transmisor responde a los datos de error del receptor para aumentar o disminuir la potencia necesaria a la bobina transmisora. Los sistemas de libre posicionamiento utilizan este mismo enfoque general para seleccionar la mejor posición de la bobina en relación con la posición remota.

Los diseñadores pueden utilizar esta vía de comunicación, no sólo para las señales de control, sino también para enviar datos de aplicaciones de regreso al transmisor. Aunque el ancho de banda de información es limitado, puede ser suficiente para propósitos tales como la autenticación del dispositivo, el estado del dispositivo, y la comunicación de los datos del sensor recogidos por el dispositivo remoto.

La combinación de características que incluyen la regulación de potencia, control, y comunicaciones se traduce en diseños de circuito con complejos requisitos de lógica de control y potencia (Figura 2). Sin embargo, en el caso de los diseñadores, los fabricantes de semiconductores ofrecen una serie de soluciones que satisfacen estos requisitos y más.


Figura 2: Los sistemas de carga inalámbrica puede crecer rápidamente en complejidad para satisfacer diversos requisitos para la optimización de la transferencia de energía y de comunicaciones. (Cortesía de Texas Instruments)

Soluciones estándar

El advenimiento de soluciones de carga inalámbrica estándar listas para usar se basa en la creciente aceptación de los estándares de la industria que especifican requisitos básicos para protocolos de carga inalámbrica. Diseñadas para facilitar la interoperabilidad entre los dispositivos móviles de los usuarios y las diferentes estaciones base de los proveedores, las interfaces estándar, sin embargo, se construyen sobre una de las dos tecnologías de carga inalámbrica: la carga inductiva y la carga de resonancia.

La carga inductiva requiere una estrecha alineación entre el transmisor y el receptor, pero normalmente ofrece mayor eficiencia que la carga resonante. Por otro lado, la carga de resonancia permite una mayor libertad en la alineación y la distancia entre el transmisor y el receptor mientras que ofrece la posibilidad de cargar varios dispositivos simultáneamente. Los grupos de estándares de la industria como el Wireless Power Consortium (WPC), Power Matters Alliance (PMA), y Alliance for Wireless Power (A4WP) están en las primeras etapas de la colaboración en la creación de capacidades mutuamente interoperables.

Originalmente diseñados con un enfoque en las aplicaciones de consumo más grandes, estos enfoques estándar pueden servir, sin embargo, como la base para las soluciones de carga inalámbrica para artículos de uso personal. Por ejemplo, aunque los estándares, como el Qi de WPC, normalmente utilizan grandes bobinas transmisoras de A11 y 50 mm, los diseñadores pueden obtener buenos resultados con bobinas más pequeñas que ofrecen baja resistencia para evitar grandes pérdidas de potencia. Por ejemplo, con su diámetro de 30 mm, el WR303050 de TDK ofrece resistencia CC de 0,41 Ω, proporcionando factor de forma y nivel de transferencia de energía más en línea con muchos artículos de uso personal.

Para el control de alimentación de carga inalámbrica, los dispositivos tales como TB6865FG y TB6860GBM de Toshiba ofrecen una gama completa de capacidades basadas en estándares de piezas ya disponibles. Como otros de esta clase, los CI de Toshiba integran el amplio conjunto de capacidades necesarias para simplificar el diseño, requiriendo sólo unos pocos componentes externos para apoyar un sistema de carga WPC inalámbrico compatible con Qi (Figura 3).


Figura 3: Los dispositivos como el transmisor TB6865FG y el receptor TB6860WBG de Toshiba integran el conjunto completo de las características necesarias para simplificar la implementación de sistemas de carga inalámbricos basados en estándares. (Cortesía de Toshiba)

El receptor TB6860WBG combina modulación y circuitos de control con un recolector de energía rectificador, un convertidor CC/CC integrado de alto rendimiento, un circuito configurable cargador de batería de iones de litio y funciones de protección. Su transmisor de energía TB6865FG integra un MCU y extensa funcionalidad analógica, incluyendo circuitos PWM, control de conmutación, filtro en placa, y un circuito preimpulsor. El TB6865FG puede controlar dos conjuntos de bobinas de forma independiente, lo que permite a los usuarios cargar dos dispositivos móviles simultáneamente.

Freescale Semiconductor construye sus transmisores basados en Qi MWCT1000 y MWCT1101 alrededor de un núcleo 56800EX de 32 bits.. Diseñado para ofrecer funcionalidad MCU y potencia de procesamiento DSP, el núcleo del procesador permite un amplio conjunto de capacidades a la vez que consume menos de 30 mA en modo activo. El dispositivo requiere sólo 30 mW de potencia en espera a la vez que retiene la capacidad de detectar la colocación próxima de un receptor. Durante la transferencia de potencia, los dispositivos de Freescale pueden superar el 75 por ciento de eficiencia. Junto con los dispositivos MWCT1000 y MWCT1101, Freescale ofrece su MWCT1001A y MWCT1003A específicamente para aplicaciones automotrices.

Texas Instruments ofrece una gran cantidad de dispositivos por medio de sus transmisores serie BQ50xxx y receptores serie BQ51xxx. Aunque la serie BQ51221 admite ambos estándares WPC y PMA, la mayoría de los dispositivos de la serie de receptores de TI están diseñados para admitir diseños WPC capaces de cumplir con Qi. Entre estos dispositivos para Qi, las series de TI incluyen receptores de 5 W con niveles de salida regulada a 5 V (BQ51013A y BQ51013B), 7 V (BQ51010B), y 8 V (BQ51020 y BQ51021). Otros miembros de la serie, incluidos el BQ51050B (salida de 4.2 V) y el BQ51051B (salida de 4.35 V) integran un cargador de iones de litio, ofreciendo un enfoque integral para la administración de energía en artículos de uso personal.

Diseñado para aplicaciones de baja potencia, el BQ51003 de TI es un receptor de 2.5 W ideal para diseños de artículos de uso personal. Al combinar el BQ51003 con un cargador lineal de baja potencia como es el BQ25100 de TI, los diseñadores pueden implementar un subsistema de recepción de carga inalámbrica completa con funciones integradas de gestión de carga de iones de litio. Para la carga de pilas de iones de litio, el BQ25100 permite un control preciso de corrientes de carga rápida tan bajas como 10 mA o tan altas como 250 mA junto con una precisa terminación de carga de hasta 1 mA para apoyar las pequeñas baterías de iones de litio de tipo moneda.

En el lado del transmisor, los dispositivos BQ500211A y BQ500212A de Texas Instruments ofrecen un conjunto completo de características compatibles con Qi, incluyendo la capacidad para controlar de forma continua la eficacia de una transferencia de energía continua a fin de proporcionar detección de objetos extraños (FOD) y detección de objetos metálicos parasitarios (PMOD). Además de ofrecer FOD y PMOD, el BQ500410 admite diseños de posicionamiento libre construidos con una matriz de transmisor de tres bobinas. Para los diseños de transmisores de baja potencia, el BQ500210 funciona con un suministro de corriente tan baja como 8 mA.

Conclusión

Para los artículos de uso personal, la tecnología de carga inalámbrica aborda la necesidad de una solución compacta que elimina las preocupaciones relacionadas al tamaño y la fiabilidad de un puerto de alimentación con cable. En el pasado, los métodos de alimentación inalámbrica requerían de conocimiento experto de la teoría electromagnética y de técnicas de diseño de RF. Con los CI listos para usar, los diseñadores de hoy pueden añadir fácilmente capacidad de carga inalámbrica, incluso en el artículo de uso personal más pequeño.

Para obtener más información sobre las piezas descritas en este artículo, utilice los enlaces que se proporcionan para acceder a las páginas de información del producto en el sitio web de DigiKey.