Soluciones de carga de energía inalámbricas compatibles con Qi para dispositivos móviles

Ya sea que se trate de dispositivos portátiles para atención médica o smartphones y tablets para obtener información y conectividad, los consumidores están exigiendo productos que funcionen en cualquier lugar en el que se encuentren. Además de este requisito, también están buscando soluciones para cargar baterías que eliminen los cables y los conectores de sus cargadores. Para satisfacer estos prerrequisitos del mercado, la carga de energía inalámbrica ha surgido como una alternativa atractiva a los adaptadores con enchufe en los últimos años y está ganando aceptación a partir de normas recientes. Sobre la base de estas normas, los proveedores como Texas Instruments, Freescale Semiconductor e Integrated Device Technology, entre otros, han comenzado a ofrecer soluciones totales.

La recompensa por desarrollar con éxito soluciones de energía inalámbricas es considerable. De acuerdo con la firma de investigaciones y consultoría de tecnología, HS, aproximadamente 100 millones de dispositivos con energía inalámbrica podrían usarse para fines de este año. En 2012, se estimó que la cantidad de unidades de carga inalámbrica era de solo aproximadamente 5 millones. Es interesante destacar que hay tres organizaciones normalizadoras que compiten por un fragmento de este mercado emergente.¹ El Wireless Power Consortium (WPC) fue la primera norma de energía inalámbrica lanzada en 2008, y la Power Matters Alliance (PMA) la siguió en 2012 con una solución alternativa. Una tercera iniciativa, Alliance for Wireless Power (A4WP) también se presentó en 2012.²

Recientemente, A4WP y PMA celebraron un acuerdo para fusionar y crear una única entidad para abordar las necesidades de los consumidores de cargas inductivas inalámbricas. Esta alianza está dirigida a crear un ecosistema de carga inalámbrica interoperable, que es fundamental para la amplia adopción de la tecnología por parte de los consumidores. Si bien A4WP es usado por compañías como Samsung Electronics y Qualcomm, PMA está respaldado por Duracell y AT&T.

Carga inductiva

Con más de 200 miembros, el registro de WPC es, por lejos, el más alto y su Qi estándar de carga inalámbrica es el más popular, con más de 600 productos con certificación Qi y más de 50 millones de dispositivos Qi en el mercado. De acuerdo con WPC, más de 70 smartphones de fabricantes de auriculares fundamentales usan especificaciones Qi, y aproximadamente 15 modelos de automóviles en las rutas de todo el mundo ofrecen capacidad de carga Qi integrada.

El sistema Qi comprende una almohadilla de transmisión de energía y una bobina receptora compatible en un dispositivo portátil, tal como se muestra en la Figura 1.  Para transferir energía entre las dos bobinas, el sistema Qi usa acoplamiento inductivo. Como consecuencia, la corriente en la bobina primaria (transmisor) genera un campo magnético, que induce corriente en la bobina secundaria (receptor). Esta corriente recibida se usa luego para cargar una batería o energizar una carga. Comúnmente, la distancia entre las dos bobinas es de 5 mm y la energía derivada por el transmisor para el acoplamiento con el receptor es de hasta 5 W.La frecuencia de operación está en el rango de 100 a 205 kHz. Esta especificación inicial, denominada Qi v1.0, se publicó en agosto de 2009. Para ofrecer más libertad de diseño a los transmisores, se introdujo un Qi v1.1 unos pocos años más tarde. Permite distancias de acoplamiento más largas. Conforme a las especificaciones de v1.1, un cargador Qi puede ofrecer 5 W a través de una mesa de 40 mm a un receptor Qi.

Figura 1:  Un sistema típico de carga de energía usa dos inductores acoplados magnéticamente, una bobina de transmisión y una bobina receptora. Una corriente alterna en la bobina del transmisor genera un campo magnético que induce un voltaje en la bobina receptora. (Cortesía del Wireless Power Consortium)

Para aportar más flexibilidad a los cargadores Qi, WPC actualizó la norma a la versión 1.2 en el verano de 2014.  Qi v1.2 amplía la especificación actual para agregar resonante carga a la tecnología inductiva ya presente dentro de la especificación Qi. Proporciona a los fabricantes la opción de incorporar discretamente los cargadores inalámbricos en más profundidad en las estructuras, como muebles y escritorios, además de usar aplicaciones de contacto directo, de bajo costo y de superficie. También proporciona compatibilidad con los receptores v1.1.

De acuerdo con WPC, las compañías miembro han demostrado carga a una distancia de 45 mm usando el prototipo de receptores Qi v1.2. Aún más, las pruebas de interoperabilidad entre sistemas Qi v1.1 y sistemas del prototipo v1.2 han demostrado resultados positivos. Esto implica que los dispositivos móviles ya no deben estar en contacto directo con la almohadilla de carga. En consecuencia, un único transmisor Qi v1.2 puede cargar múltiples dispositivos Qi al mismo tiempo. Además, las más recientes especificaciones de Qi permiten que los transmisores proporcionen hasta 2000 W para aplicaciones de cocina.

Soluciones compatibles con Qi

Un miembro fundador WPC, TI ha desarrollado IC para el transmisor y para la sección receptora del sistema. La compañía continúa ampliando su cartera de carga de energía inalámbrica con nuevos miembros. El año pasado, la compañía introdujo dos receptores monolíticos compatibles con Qi: bq51020 y bq51021. Los receptores de 5 W de un solo chip proporcionan rectificación, regulación y control digital y comunicaciones para admitir las especificaciones Qi v1.1 (Figura 2). TI indicó que estos IC receptores están diseñados para cargar teléfonos móviles compatibles con Qi, tablets y otros dispositivos electrónicos de manera más rápida y eficiente, en comparación con otras soluciones de energía inalámbrica disponibles. Los receptores cuentan con un voltaje de salida programable de hasta 8 V y MOSFET de baja resistencia para reducir la pérdida de energía en hasta un 50 %. Además, bq51021 cuenta con una interfaz I²C, que permite que los diseñadores de sistema implementen la detección de objetos extraños (FOD) y una función de "detección de almohadilla" única, que facilita el alineamiento del receptor con el cargador para una mejor experiencia del usuario.

Figura 2:  El receptor de un solo chip de TI bq5102x proporciona rectificación, regulación y control digital y comunicaciones para admitir las especificaciones Qi v1.1.

En el transmisor, la compañía agregó un chip de nueva generación, el bq500212A, que requiere menos componentes para completar la solución y puede funcionar desde un puerto USB o desde un adaptador de energía de 5 V. Cumple con las especificaciones de bobinas de transmisor v1.1 tipo A5 o A11 de WPC (Figura 3). Fundamentalmente, el controlador integra todas las funciones requeridas para controlar la entrega de energía inalámbrica a un chip receptor compatible con Qi v1.1. Otras funciones clave incluyen la limitación de energía dinámica, FOD y una mejor detección de objetos metálicos parasíticos (PMOD). Según el proveedor, el estado integral del chip y las funciones de monitoreo de fallas permiten alcanzar un diseño de sistema de energía inalámbrico robusto, de bajo costo y compatible con Qi.

Figura 3: Un circuito de transmisor típico que usa el IC de controlador de energía inalámbrica de TI bq500212A.

El año pasado, TI también introdujo un receptor de 5 W de modo dual:bq51221, que es compatible con los protocolos Qi v1.1 y PMA de WPC para comunicación y control. Este solo chip de receptor de energía inalámbrica proporciona conversión de energía (rectificación y regulación), además de control digital y comunicación para ambas normas. No se requiere desarrollo de software adicional. Además, incorpora control de rectificador dinámico para proporcionar alta eficiencia y mantener un tamaño pequeño de la solución.

Para ofrecer más energía a los cargadores inalámbricos, TI reveló recientemente la primera solución de carga inalámbrica de 10 W completamente integrada compatible con la norma Qi además de compatible con versiones anteriores de receptores Qi de 5 W. Incluye el chip receptor de energía inalámbrica bq51025 y el correspondiente transmisor de energía inalámbrica bq500215. Al emparejarse, el receptor admite voltaje de salida programable de 4.5 V a 10 V, y alcanza hasta el 84 % de eficiencia de carga a 10 W, de acuerdo a TI. La solución del receptor de energía inalámbrica completamente contenida mide solo 3.60 mm por 2.89 mm y puede diseñarse en muchos diseños industriales portátiles, que varía de escáneres del punto de venta (POS) a equipos de diagnóstico médico portátiles, además de dispositivos electrónicos personales, tales como tablets y ultrabooks. Un circuito receptor compatible con Qi v1.1 común basado en el chip receptor de energía inalámbrica bq51025 se encuentra ilustrado en la Figura. 4.

Figura 4: Un circuito receptor compatible con Qi v1.1 basado en el chip receptor de energía inalámbrica bq51025. La salida es 7 V, con una corriente de salida máxima de 1.4 A.

De igual forma, el transmisor digital inalámbrico de frecuencia fija exclusivo bq500215 cumple con Qi v1.1 para la entrega de energía de hasta 5 W y usa un protocolo de comunicación bidireccional exclusivo para permitir la carga de hasta 10 W con receptor inalámbrico bq51025. Cuenta con un método FOD para detectar objetos antes de la transferencia de energía y corta activamente la energía cuando se detecta una pérdida excesiva.  

En pocas palabras, la carga inductiva crece y los proveedores como TI han dispuesto soluciones de sistemas totales, que cumplen con normas emergentes. De esta forma, han simplificado el trabajo de los fabricantes que intentan ingresar en este floreciente mercado mientras la ventana de la oportunidad está completamente abierta.

Para obtener más información sobre las piezas mencionadas en este artículo, visite los enlaces proporcionados para acceder a las páginas de información sobre productos en el sitio web de DigiKey.

Referencia

1. Informe técnico: “An introduction to the Wireless Power Consortium standard and TI’s compliant solutions” por Bill Johns, ingeniero de aplicaciones sénior, Texas Instruments Inc.
2. Informe técnico: “A global wireless power standard will open the market, encourage consumers to live without power cords” por Niranjan Pathare, gerente de marketing de productos para bqTESLA Wireless Power, Texas Instruments