Стандарты беспроводной зарядки

К настоящему времени разработаны различные стандарты беспроводной зарядки (БЗ). Среди них Qi и A4WP - два ведущих стандарта, получившие наибольшее распространение.

Qi (произносится как ци, в честь термина восточной философии) – международный стандарт БЗ, разработанный Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC). Типичная схема Qi-подобной системы БЗ показана на рис. 9a. Стандартом Qi предусмотрена совместная работа по беспроводной передаче мощности и информационному взаимодействию между беспроводной зарядной станцией и заряжаемым устройством. Qi позволяет зарядному устройству (ЗУ) контролировать процедуру зарядки. Qi-совместимое ЗУ способно регулировать плотность передаваемой мощности в соответствии с запросом заряжаемого устройства.

Qi использует технику передачи энергии посредством магнитной индукции и пригоден для работы на расстоянии до 4 см. Для ЗУ стандарта Qi определены две категории, а именно:

• устройства низкой мощности, которые используются для передачи до 5 Вт при рабочей частоте от 110 до 205 кГц;
• устройства средней мощности, передающие до 120 Вт на частотах от 80 до 300 кГц.

Как правило, зарядная станция системы Qi представляет собой плоскую конструкцию. Заряжаемые мобильные устройства просто кладутся на ее поверхность. Как отмечалось ранее, качество индуктивной связи является решающим фактором эффективности индуктивной зарядки. Для обеспечения наилучших условий зарядки необходимо строгое позиционирование заряжаемого устройства относительно ЗУ. Стандартом Qi предусмотрено три разных способа такого размещения:

• направляемое (принудительное) позиционирование, схема которого показана на рис. 1а. При данном типе позиционирования возможна зарядка один к одному, т. е. ЗУ может обслуживать только одного потребителя. При этом в конструкции ЗУ предусмотрена система автоматического выравнивания для обеспечения наилучшего взаимного расположения устройств. Для этого в ЗУ системы Qi используются магниты, при помощи которых мобильное устройство направляется в фиксированное местоположение. Преимущество этого подхода – простота, однако в этом случае требуется наличие в ЗУ магнитных вставок, что вызывает потери энергии индукции (и, следовательно, рост температуры устройств).
• свободное позиционирование с перемещаемой катушкой зарядника (рис. 1б). Как правило, при таком типе выравнивания зарядка также осуществляется по схеме один к одному. Характерной особенностью устройств данного типа является способность определять местоположение заряжаемого устройства. Такой подход требует наличия в заряднике механического привода перемещения катушки зарядника для точного ее позиционирования, обеспечивающего условия наилучшего магнитного сцепления устройств. Привод может быть построен с применением индуктивных или емкостных систем. Реализация этого подхода выравнивания проста, если зарядная площадка предназначена для размещения только одного устройства. Однако подвижные механические компоненты, как правило, делают системы менее надежными. Кроме того, для зарядки нескольких устройств управление двигателем для нескольких первичных катушек может быть сложным и дорогостоящим.
• системы свободного позиционирования с массивом первичных катушек (рис. 1в) позволяют осуществлять зарядку нескольких устройств вне зависимости от их положения на заряднике. В спецификации Qi используется принцип вертикального потока, при котором рабочей является вся поверхность ЗУ для передачи мощности без каких-либо ограничений на ориентацию вторичной катушки. Например, этот подход со свободным позиционированием может применяться на основе трехслойной структуры массива катушек. По сравнению с вышеупомянутыми двумя подходами, этот метод выравнивания предлагает больше удобства для пользователя за счет более дорогостоящей и сложной катушечной структуры и электронных систем управления.

Рис. 1. Модели беспроводных зарядных систем: а) направленное позиционирование (магнитное выравнивание); б) свободное позиционирование (перемещаемая катушка); в) свободное позиционирование (массив катушек)

Qi-совместимая модель БЗ поддерживает внутриполосную связь. Протокол связи и управления Qi предусматривает регулировку выходной мощности зарядника для удовлетворения требований ЗУ и прекращение передачи мощности при завершении зарядки. Протокол работает следующим образом:

1. Старт. Зарядник определяет присутствие потенциального устройства для зарядки.
2. Пинг. Заряжаемое устройство посылает информацию о величине принимаемого сигнала; зарядник определяет, что ему послан данный информационный пакет.
3. Идентификация и конфигурация. Заряжаемое устройство передает свой идентификатор и требования по энергорежиму зарядки; зарядник конфигурирует режим передачи, который удовлетворяет данным требованиям.
4. Передача энергии. Заряжаемое устройство предает управляющие данные, на основе которых зарядник начинает процесс передачи энергии.

Стандарт A4WP разработан с целью снятия жестких ограничений на расстояние между зарядкой и заряжающим устройством. Он предполагает создание большого электромагнитного поля с магнитно-резонансной связью. Для достижения пространственной свободы стандарт A4WP не требует точного выравнивания и даже позволяет значительное отдаление ЗУ от заряжаемого устройства. Максимальное расстояние, на котором возможна зарядка, увеличено до нескольких метров. Кроме того, одновременно могут заряжаться несколько устройств с различной потребностью в мощности. Еще одно преимущество A4WP перед Qi заключается в том, что на рабочем ЗУ A4WP могут быть размещены посторонние предметы без какого-либо существенного неблагоприятного воздействия на процесс зарядки. Поэтому ЗУ A4WP может быть встроено в любой объект, что повышает гибкость развертывания системы БЗ.

На рис. 2б показана эталонная модель для БЗ, совместимой с A4WP. Устройство состоит из двух компонентов, а именно: блока передатчика энергии (Power Transmitter Unit, PTU) и блока приема энергии (Power Receiving Unit, PRU). Энергия передается из PTU в PRU, который контролируется протоколом управления зарядкой. Для контроля процесса зарядки используется система связи, по которой осуществляется обмен данными между PTU и PRU. Стандартом Industrial Scientific Medical (ISM) предусмотрена передача энергии на частотах диапазона 6,75 МГц. В отличие от Qi, в котором сигналы управления передаются на той же частоте, что и энергия для зарядки, для передачи сигналов управления в A4WP используется другой частотный диапазон – ISM 2,4 ГГц.

Рис. 2. Референсные модели протокола передачи беспроводной энергии ближнего радиуса действия: а) Qi-совместимая; б) A4WP-совместимая

PTU или ЗУ стандарта A4WP состоит их трех основных модулей. Это блок резонатора и согласующие системы, блок преобразования энергии и блок сигнализации и управления. PTU может находиться в одном из следующих состояний:

• конфигурация, при которой PTU выполняет самопроверку;
• режим энергосбережения, при котором PTU периодически проверяет изменения импеданса первичного резонатора;
• режим низкого энергопотребления (PTU устанавливает соединение с одним или многими PRU);
• режим передачи энергии, который предназначен для передачи в соответствии с требованиями заряжаемых устройств;
• локальное состояние сбоя, которое случается, если c PTU происходят любые локальные неисправности, например перегрев;
• режим фиксированной глобальной ошибки, который наступает, если обнаружены несовместимые объекты, или при системных ошибках или других сбоях.
• PRU или заряжаемое устройство стандарта A4WP PRU состоит из блока для приема и преобразования энергии и блока управления и связи. PRU имеет следующие функциональные состояния:
• нулевое, когда на PRU подается напряжение;
• загрузка, когда PRU устанавливает связь с PTU;
• на линии, когда связь установлена;
• обнаружена ошибка системы, когда имеется предупреждение о превышении напряжения, перегрузке по току или перегреве;
• критическая ошибка системы, при наступлении которой должно быть отключено питание.

Классы PTU и категории PRU представлены на рис. 2б (например, для передачи и приема энергии). Для зарядки устройств PRU определенного класса необходимо использовать только устройства PTU соответствующей категории.

Подобно стандарту Qi, в A4WP также используется установленный протокол связи для поддержки функций БЗ. Системы, совместимые с A4WP, используют связь по протоколу Bluetooth (Bluetooth Low Energy, BLE) для контроля уровней мощности, идентификации допустимых нагрузок и защиты от несовместимых устройств. Протокол связи A4WP состоит из трех этапов:

1. Обнаружение устройства. PRU, нуждающийся в зарядке, отправляет извещение, получив которое, PTU отвечает запросом на соединение. После получения запроса на соединение PRU прекращает отправку извещения, после чего устанавливается соединение между PTU и PRU.
2. Обмен информацией. PTU и PRU обмениваются между собой статическими и динамическими параметрами. Обмен происходит следующим образом. Сначала PTU принимает и считывает информацию о статических параметрах PRU, которые содержат его состояние. Затем PTU указывает свои возможности в статических параметрах PTU и отправляет их в PRU. PTU принимает и считывает динамические параметры PRU, которые включают в себя ток, напряжение, температуру и функциональный статус PRU. Затем PTU регистрируется блоком управления PRU как устройство зарядки.
3. Управляемая зарядка. Это состояние наступает, когда блоком управления PRU заданы установки режима зарядки, и PTU имеет достаточную мощность для удовлетворения требований PRU. Динамический параметр PRU периодически обновляется, чтобы информировать PTU об актуальном состоянии, что необходимо для согласования режимов PTU и PRU. Если обнаружена системная ошибка или устройство полностью заряжено, PRU отправляет в PTU тревожное оповещение. Передаваемый динамический параметр PRU описывает причину тревоги.

1. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. Учеб. пособие. М.: Наука, 2019.
2. Grajski K. A., Tseng R., Wheatley C. Qualcomm Incorporated. Loosely-Coupled Wireless Power Transfer: Physics, Circuits, Standards. IEEE, 2021.