Le batterie forniscono potenza a molteplici applicazioni in diversi settori industriali, ma in molte di queste applicazioni è difficile o addirittura impossibile usare un connettore di carica. Ad esempio, alcuni prodotti che operano in ambienti difficili hanno bisogno di un involucro sigillato per proteggere le parti elettroniche sensibili e facilitare la pulizia e la sterilizzazione. In altri casi i prodotti sono semplicemente troppo piccoli oppure è impossibile utilizzare cavi per la ricarica se l'applicazione alimentata a batteria prevede parti rotanti o mobili. La ricarica wireless aggiunge valore a queste e ad altre applicazioni e le rende più affidabili e robuste.
Panoramica dei sistemi di potenza wireless
Un sistema di potenza wireless è costituito da due parti separate da un air gap: circuiti di trasmissione, tra cui una bobina di trasmissione, e circuiti di ricezione, tra cui una bobina di ricezione. I circuiti di trasmissione generano un campo magnetico alternato ad alta frequenza intorno alla bobina di trasmissione. Tale campo viene accoppiato alla bobina di ricezione e convertito in energia elettrica che si può utilizzare per caricare una batteria o alimentare altri circuiti. Uno dei parametri fondamentali di cui tenere conto quando si progetta un sistema di ricarica wireless è la quantità di corrente di carica che fornisce effettivamente energia alla batteria. La potenza ricevuta dipende da molti fattori, tra cui la quantità di potenza da trasmettere, la distanza e l'allineamento tra le bobine di trasmissione e di ricezione (cioè l'accoppiamento tra le bobine) e, infine, la tolleranza dei componenti di trasmissione e ricezione. L'obiettivo principale di tutti i progetti di potenza wireless è garantire la fornitura della potenza necessaria nelle condizioni di trasferimento più sfavorevoli. Altrettanto importante è evitare lo stress elettrico e termico nel ricevitore nelle condizioni migliori. Ciò è particolarmente importante quando le esigenze in termini di potenza di uscita sono limitate, ad esempio quando la batteria è completamente carica o quasi carica. In uno scenario di questo tipo la potenza disponibile del sistema wireless è elevata, ma la domanda è bassa. Questo eccesso di potenza comporta tensioni raddrizzate elevate o la necessità di dissipare la potenza in eccesso sotto forma di calore. Esistono diversi modi per gestire la potenza in eccesso quando il ricevitore ne richiede poca. La tensione raddrizzata può essere bloccata con un diodo Zener o un transorb, ma normalmente questa soluzione è di grandi dimensioni e genera un notevole calore. In assenza di feedback dal ricevitore, è possibile ridurre la potenza massima del trasmettitore; questa soluzione, tuttavia, comporta una limitazione della potenza ricevuta disponibile o una riduzione della distanza di trasmissione. Oppure si può ritrasmettere la potenza al trasmettitore e regolare di conseguenza la potenza di trasmissione in tempo reale; questa tecnica viene utilizzata dagli standard di alimentazione wireless come il Qi del Wireless Power Consortium. Un altro modo per risolvere questo problema consiste nell'adottare una soluzione compatta ed efficiente, senza ricorrere a complicate tecniche di comunicazione digitale. Per gestire in modo efficiente il trasferimento di potenza dal trasmettitore al ricevitore con qualsiasi condizione, il ricevitore di potenza wireless LTC4120 è dotato di una tecnologia brevettata di PowerbyProxi, partner di Linear Technology, denominata Dynamic Harmonization Control che consente la carica contactless, evitando problemi termici e stress elettrici nel ricevitore. Grazie a questa tecnologia è possibile trasmettere fino a 2 W a una distanza massima di 1,2 cm. Modulando la frequenza di risonanza del ricevitore da “regolata” a “non regolata”, la tecnologia Dhc garantisce l'erogazione di potenza in presenza delle condizioni peggiori, senza doversi preoccupare delle condizioni migliori senza carico. Questo consente al sistema di carica wireless basato sull'LTC4120 di operare su una distanza di trasmissione lunga, grazie alle bobine con accoppiamento allentato. Inoltre, controllando il trasferimento di potenza solo sul lato del ricevitore, il sistema basato sull'LTC4120 risolve eventuali problemi di interferenza nelle comunicazioni che potrebbero comportare una perdita di potenza.
Le prestazioni del sistema
La quantità di potenza di carica della batteria proveniente da un ricevitore di potenza wireless LTC4120 può variare con la separazione dell'allineamento da centro a centro tra la bobina di trasmissione e quella di ricezione. Con una divisione di 10 mm, sono disponibili 2 W di potenza di carica e le bobine possono essere disallineate senza che questo comporti una riduzione eccessiva della potenza disponibile. Sebbene esistano molti tipi di trasmettitori di potenza wireless, generalmente viene usato un trasmettitore Dc-Ac base. Il trasmettitore base è un design di riferimento 'open-source'. La scelta del trasmettitore comporta l'analisi di diversi fattori: la potenza in stand-by (quando il ricevitore non è presente) del trasmettitore è importante? Il trasmettitore deve distinguere tra un ricevitore valido e oggetti metallici estranei? Quanto sono sensibili i circuiti circostanti alle interferenze elettromagnetiche? Il trasmettitore base è una soluzione molto semplice e poco costosa. Grazie al filtro di risonanza passivo, lo spettro delle interferenze elettromagnetiche è ben controllato alla frequenza del trasmettitore fondamentale (circa 130kHz). Ma siccome trasmette a piena potenza, a prescindere dalla presenza o meno di un ricevitore basato sull'LTC4120, la sua potenza in standby è relativamente alta. Esso inoltre non distingue tra un LTC4120 e oggetti metallici estranei che possono riscaldarsi a seguito di correnti di Focault indotte. PowerbyProxi offre due trasmettitori di tipo standard: Proxi-Point e Proxi-2D. I dati relativi alla distanza di trasmissione e alla tolleranza di allineamento sono praticamente identici a quelli di un trasmettitore base, però questi dispositivi più avanzati sono in grado di rilevare la presenza di un ricevitore valido basato sull'LTC4120. Questa caratteristica consente loro di ridurre la potenza in standby, in caso di assenza del ricevitore, e di interrompere il trasferimento di potenza in caso di vicinanza di oggetti metallici estranei.
Grazie alla topologia di commutazione buck ad alta efficienza del caricatore LTC4120 e alla tecnologia Dhc, l'efficienza complessiva del sistema è del 50-55% circa. Per calcolare questo valore basta dividere la potenza di carica della batteria per la potenza di ingresso Dc del trasmettitore. L'efficienza complessiva dipende dall'accoppiamento e dal carico. Durante la carica di una batteria agli ioni di litio a cella singola a 400 mA, i componenti della scheda del ricevitore basato sull'LTC4120 si trovano a una temperatura non superiore a 10°C rispetto alla temperatura ambiente.
Altre considerazioni sul sistema
Il sistema di carica wireless basato sull'LTC4120 può ricaricare una batteria a 400 mA all'interno di un gap notevole. La batterie ricaricabili al litio alimentano molte applicazioni portatili; sia i pacchi 1S (nominale 3,7 V), sia i pacchi 2S (nominale 7,4 V) sono molto diffusi. Un ciclo di vita più lungo e caratteristiche di sicurezza migliori hanno contribuito a creare uno spazio notevole nel mercato anche per la batterie LiFePO4. Inoltre esiste un'ampia varietà di tensioni di carica target in questi pacchi di batterie perché i clienti mettono a punto nel tempo i trade-off tra capacità della batteria iniziale, ciclo di vita e capacità trattenuta. L'LTC4120 non ha bisogno di altri circuiti per caricare le batterie agli ioni di litio a 1 e 2 celle o le batterie LiFePO4 a 1, 2 o 3 celle. È possibile programmare la corrente di carica da 50mA a 400mA e la tensione di carica da 3,5 V a 11 V. Oltre a un algoritmo di carica integrato a corrente/tensione costante, l'LTC4120 offre diverse funzioni di sicurezza per la batteria. Un timer di terminazione conclude in sicurezza il ciclo di carica, mentre un ingresso NTC garantisce il monitoraggio della temperatura della batteria e interrompe automaticamente la carica in caso di anomalie nella temperatura; infine due pin forniscono informazioni sul ciclo di carica e su eventuali guasti.
Compattezza ed efficienza
La carica wireless può aggiungere valore a molti tipi di applicazioni e renderle più affidabili e robuste. È importante conoscere la quantità di potenza richiesta dall'applicazione, oltre che la distanza di trasmissione della potenza e il tipo di tolleranza dell'allineamento. Spesso la parte meno complicata è stabilire come affrontare le condizioni peggiori della potenza di carico massima, con un accoppiamento minimo tra il trasmettitore e il ricevitore. La parte difficile è gestire la potenza in eccesso disponibile quando il carico è basso o inesistente, con un accoppiamento massimo. Per risolvere questi problemi, Linear Technology ha creato l'LTC4120, un nuovo circuito integrato che offre tutto ciò che serve per realizzare un caricabatteria wireless compatto e molto efficiente. La tecnologia DHC di cui è dotato offre una distanza di trasmissione molto lunga e insensibilità all'allineamento tra bobina di trasmissione e ricezione. L'LTC4120 è una parte fondamentale del sistema di carica contactless.
