اتصال کوتاه

.

.

نوآوری‌ها در فن‌آوری شارژ بی‌سیم (انرژی بی‌سیم) این پرسش را به وجود می‌آورد که کدام فن‌آوری راه‌حل بهینه است؟ تجربه ثابت کرده که هم القای مغناطیسی ^[1](MI) و هم تشدید مغناطیسی ^[2](MR) برای بازار مصرف مناسب هستند

صرف‌نظر از این که بازار مصرف به چه جهتی متمایل باشد، مشخص است که تقاضا برای «شارژ بی‌سیم» در حال افزایش است. در چند سال آینده ، یک «بوم‌سازگان» یا به فرنگی «اکوسیستم» در اطراف بازار تلفن و تجهیزات همراه ایجاد می‌شود که عمدتاً توسط تولید‌کنندگان هدایت خواهد شد. بخش رایانه، با بوم‌سازگان گسترده خود، مرحله بعدی رشد را آغاز می‌کند. از آن به بعد، شارژ بی سیم به زیرساخت‌هایی راه می‌یابد که راه‌حل‌های مرتبط با تلفن همراه و رایانه را با هم پوشش می‌دهد. این تنها آغاز چگونگی استفاده از فناوری‌های شارژ بی‌سیم در پیکربندی‌ها و راه‌حل‌های آینده خواهد بود.

در حال حاضر مطالعات زیادی در مورد میزان پذیرش و پتانسیل «بازار واقعاً موجود در کلیت آن»^[3] (TAM) در خصوص فن‌آوری‌های شارژ بی‌سیم در دسترس است. ارایه اطلاعات دقیق از بازار در این‌جا یک چالش است، زیرا پذیرش و انتخاب فن‌آوری از پارامترهای مهم در این پیش‌بینی‌ها است. در فن‌آوری «القای مغناطیسی» دو استاندارد غالب وجود دارد: «کنسرسیوم برق بی‌سیم»^[4] (WPC) و «اتحادیه مسایل نیرو»^[5]  (PMA). هر دو آن‌ها استانداردهای کاملاً رشدیافته‌ای هستند و بسیاری از محصولات در بازار مصرف با این استاندارها وجود دارند. «اتحاد برای نیروی بی‌سیم»^[6] (A4WP)، نام اولین استاندارد مبتنی بر MR است. لازم به ذکر است که فن‌آوری شارژ بی‌سیم اینتل، که مبتنی بر تشدید مغناطیسی است، برای پوشش‌دادن به بازار «اولترابوک»^[7] طراحی شده و دارای بوم‌سازگان ویژه‌ی خود است. فن‌آوری‌های دیگری مانند Power by Proxy  و WiTricity که قبلاً در کاربردهای صنعتی و نظامی مورد استفاده قرار می‌گرفتند نیز راهی بازار مصرف می‌شوند. استانداردها و راه‌حل‌های مختلف این پرسش را به وجود می‌آورند که شارژ بی‌سیم به کدام سمت سو خواهد گرفت و کدام راه‌حل‌ها برای آن مناسب هستند. برای این منظور، در زیر تفاوت بین فن‌آوری MI و MR با جزییات بیش‌تری توضیح داده شده است. بر اساس نیازهای کاربردی/سیستمی، می‌توان راه‌حل مناسب برای هر کاربرد معیّن را به صورت یک مدار مجتمع، آی.سی.، انتخاب کرد.

این، ابتدا دستگاه‌های تلفن همراه بودند که فن‌آوری شارژ بی‌سیم را در بازار مصرف رایج کردند. با LTE ، رسیدن به سرعت ارتباط بالا و پهنای باند وسیع، طی چند سال آینده هیچ محدودیتی نخواهد داشت. راحتی کاربرد، یکی از مهم‌ترین دلایلی است که باعث می‌شود تجهیزات مخابراتی همراه و دیگر دستگاه‌های قابل‌حمل از اولین زمینه‌های استفاده از فن‌آوری شارژ بی‌سیم (برق بی‌سیم) باشند. دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، دستگاه‌های پخش چند-رسانه‌ای و تلویزیون‌های قابل‌حمل... همه و همه به آداپتورهای شارژر مختلف با پروتکل‌های ارتباطی متفاوت نیاز دارند. بنابراین، برای تحقق هدف مشترک، یعنی شارژکردن، به تعداد زیادی واسط آداپتور مختلف نیاز خواهد بود. یک آداپتور یونیورسال بی‌سیم با زیرساخت و بوم‌سازگان قدرت‌مند می‌تواند این مشکل را برطرف کند. اگر چنین راه‌حلی در اتومبیل‌ها، کافه‌ها، رستوران‌ها، قطارها، هواپیماها، دفاتر و ... موجود باشد، راحتی کاربر را افزایش می دهد.

.

آی.سی.هایی برای گوشی‌های تلفن همراه

هر چند سال یک‌بار دستگاه‌های همراه با انجام بهبود ظاهری، و همچنین با افزودن بر توانایی‌ها و عملکردشان ارتقا می‌یابند. این موارد متضمن تغییر در مصرف انرژی مورد نیاز، اتصالات و درگاه‌های ارتباطی است. به همین دلیل است که معمولاً آداپتورها و شارژرهای جدید مورد نیاز هستند و آن‌هایی که منسوخ شده‌اند به مراکز بازیافت فرستاده می‌شوند. از میان برداشته‌شدن نیاز به آداپتورها و شارژرها و اتصالات مختلف مرتبط با آن‌ها، در کنار گسترش استفاده از فن‌آوری‌های شارژ بی‌سیم می‌تواند به کاهش ضایعات الکترونیکی کمک کند و دستگاه‌های تلفن همراه را با محیط زیست سازگارتر سازد.

.

.

پیشرفت فن‌آورانه‌ی دستگاه‌های تلفن همراه همچنین شامل کاربرد نمایش‌گرهایی با وضوح 1080 پیکسل و عملکرد سه بُعدی است: این دستگاه‌ها به طور فزاینده‌ای به نمایشگرهای با وضوح بالا مجهز می‌شوند که توسط کنترل‌کننده‌های گرافیکی با کیفیت بالا و با پردازنده‌های چند‌هسته‌ای پشتیبانی می‌شوند تا عملکرد مورد نیاز را ارایه دهند. ادغام عملکردهای GPS سه‌بُعدی، فن‌آوری‌های صوتی و تصویری با تفکیک بالا (HD)، NFC، تلویزیون و بازی‌ها، نمونه‌های دیگری از چگونگی تکامل دستگاه‌های تلفن همراه است. اغلب این عملکردها انرژی بیش‌تری از باتری دستگاه طلب می‌کنند.

منبع انرژی در دستگاه‌های همراه معمولاً یک باتری لیتیوم پلیمری است که چگالی انرژی آن، در طول سال‌ها تحقیق و توسعه و تکامل، به بیشینه‌ی میزان خود رسیده است. پیشرفت‌های فنی و کاربرد فلزات مختلف در باتری‌های لیتیوم باعث افزایش ظرفیت و طول عمر آن‌ها می‌شود، اما این چگالی انرژی برای تأمین نیازهای بالای انرژی تجهیزات روزآمد کافی نیست. البته، همزمان، باتری‌ها باید کوچک باقی بمانند تا نیازهای عملیاتی دستگاه‌های قابل‌حمل را برآورده کنند. از آن‌جا که ظرفیت باتری در واحد حجم به بیشینه‌ی خود رسیده است، یا به باتری با ظرفیت شارژ بیشتر احتیاج خواهیم داشت، و یا به شارژهای مکرّر بیش‌تری نیاز خواهد بود. اما، باتری‌های بزرگ‌تر باعث افزایش اندازه و هزینه‌های کلی دستگاه‌های کوچک‌تر می‌شوند. علاوه بر این، ظرفیت‌های باتری بزرگ‌تر نیز به فرآیند شارژ سریع‌تر نیاز دارند که برای حفظ عمر مفید باتری، به ترکیبات شیمیایی جدیدی نیاز دارد. در مجموع، به نظر می‌رسد که گزینه‌ی شارژ مکرر، گزینه بهتر است.

فن‌آوری‌های MI و MR هر دو از «میدان مغناطیسی» برای انتقال انرژی استفاده می‌کنند. در هر دو فن‌آوری «جریانی» در یک «مدار تشدید» ایجاد می‌گردد که روان‌شدن آن باعث ایجاد یک «میدان مغناطیسی» برای انتقال انرژی می‌شود. مشخصات مغناطیسی تأثیر عمده‌ای در نحوه شکل‌گیری میدان الکترومغناطیسی دارد. «شارهای مغناطیسی» را می‌توان با بهره‌گیری از «سپرهای الکترومغناطیسی» (شیلدینگ) ترکیب و یا همسو کرد. طراحی هسته مغناطیسی نیز می‌تواند در نتیجه‌ی کار نقش داشته باشد. چگالی و مهار شار با افزایش «نفوذ‌پذیری» یا «پرمابیلیته»ی سپر الکترومغناطیسی بهبود می‌یابد. هزینه و ضخامت هنگام انتخاب چگونگی سیگنال مورد نظر بسیار مهم است. استقرار هم‌محور سیم‌پیچ‌های گیرنده و فرستنده در میدان مغناطیسی و فاصله بین این دو، میزان کارآمدی انتقال انرژی را تعیین می‌کنند. فاصله بیش‌تر بین سیم‌پیچ‌های فرستنده و گیرنده منجر به انتقال انرژی کمتری می‌شود. فرکانس تشدید، نسبت ابعاد سیم‌پیچ فرستنده به گیرنده، ضریب تزویج^[8]، امپدانس سیم پیچ، اثر پوستی[9]، اجزای AC و DC و تلفات پراکنده و پارازیتی سیم‌پیچ از دیگر عواملی است که تأثیر عمده‌ای در چگونگی انتقال کارآمد انرژی دارند.

.

انتقال کارآمد انرژی

اگر محورهای X ،Y و Z و زاویه نسبی بین سیم‌پیچ فرستنده و گیرنده بر هم بخورد، سبب بالارفتن تلفات و در نتیجه، تأثیر منفی بر بازده خواهد بود.

الزامات WPC نحوه قرارگیری سیم‌پیچ گیرنده بر روی سیم‌پیچ فرستنده را تعیین می‌کند تا انتقال بهینه و کارآمد انرژی انجام شود. بر این اساس، کاربر باید استقرار محل سیم‌پیچ دستگاه قابل‌حمل خود را طوری انجام دهد که «ضریب تزویج» بین دو سیم‌پیچ بیشینه شود. ظاهراً استفاده از فناوری MR ، موقعیت‌یابی آزاد و گزینه استقرار یک یا چند دستگاه در میدان مغناطیسی بسیار کاربرپسندتر هستند. با این حال، اگر فاصله‌ی بین دستگاه‌های کوپل‌شده افزایش یابد، این روی بازده انتقال انرژی تأثیر می‌گذارد. بسته به نیاز، هزینه‌ها و محدودیت اندازه و ابعاد، می‌توان با استفاده از فناوری MI و MR راه‌حلی با یک یا چند سیم‌پیچ در نظر گرفت.

.

.

در فن‌آوری‌های MI مبتنی بر WPC و PMA ، انرژی می‌تواند در طیف وسیعی از فرکانس‌ها منتقل شود. فرکانس تشدید که در آن انتقال انرژی انجام می‌شود بر اساس امپدانس بار انتخاب می‌شود. بنابراین، ضریب بهره Q در مقایسه با راه‌حل‌های MR  نسبتاً پایین است. بازده مطلوب تنها در فرکانس‌ها و امپدانس‌های بارِ منتخب حاصل می‌شود.

.

کارایی بهینه

با استفاده از فن‌آوریMR ، انرژی فقط در یک فرکانس تشدید خاص منتقل می‌شود. ضریب بهره Q بیش‌تر است و به همسان‌سازی شبکه‌ی امپدانس بسیار دقیق در گیرنده و فرستنده نیاز دارد. با استفاده از هر دو فن‌آوری MR وMI ، انحراف پارامترهای شبکه سازگاری باید دقیقاً کنترل شود، زیرا این امر تأثیر مستقیمی بر انرژی منتقل شده دارد. منطبق با WPC 1.1  می‌توان فرکانس تشدید را در بازه‌ی وسیعی از 100 تا 205 کیلوهرتز انتخاب کرد که مشابه PMA در بازه‌ی فرکانس از 277 تا 357 کیلوهرتز است. با این حال، بازه‌ی فرکانس اخیراً تغییر کرده و اکنون به ولتاژ منبع ورودی وابسته است.

.

.

ضریب‌بهره  Qی نامی برای این راه‌حل‌ها در محدوده‌ی 30 تا 50 قرار دارد. در راه‌حل‌های A4WP ، فرکانس تشدید و شبکه‌های امپدانس در گیرنده و فرستنده باید با هم تنظیم باشند، زیرا فرکانس ثابت است. در این‌جا، نسبت به راه‌حل‌های MI ، راه‌حل‌های MR به مقادیر  Qی بالاتر (50 تا 100) نیاز دارند.

.

.

پیکربندی مدیریت نیرو^[10]

توسعه‌ی پیکربندی‌های مدیریت نیرو با کارایی بالا تأثیر عمده‌ای در اجرای راه‌حل‌های موفق MI و MR دارد. برای ایجاد جریان القایی در مدار تشدید در سمت فرستنده، باید تبدیل DC به AC انجام شود. با استفاده از فناوری MI ، از «وارونگر پل نیم‌موج»^[11] یا پل تمام‌موج استفاده می‌شود. در فن‌آوری MR ، جریان از طریق تقویت‌کننده‌ی نیرو القا می‌شود. نوع و طبقه‌بندی این تقویت‌کننده‌ی نیرو بسته به عواملی چون: فرکانس، جریان بیکاری، بازده، اندازه‌ی فیزیکی، هزینه‌ی تمام‌شده و میزان یکپارچه‌سازیِ مورد نیاز می‌تواند متفاوت باشد. در طول روند تبدیل، باید به این موارد توجه شود: تلفات در «مدارهای فرمان گیت‌ها»^[12] در هنگام کلیدگری و در زمان اشباع و هدایت، به کیفیت بایاس، به عملکرد دیودها و بالاخره به تلفات پارازیتی و پراکنده‌ای مانند «مقاومت سری معادل» (ESR) و جزء «خودالقایی سری معادل» (ESL) همه‌ی افزاره‌ها در جهت کاهش دادن‌شان. این‌ها چالش‌های اصلی در زمینه‌ی طراحی و ایجاد راه‌حل‌های یکپارچه با کارایی بالا هستند.

بسته به ولتاژ ورودی و نوع طراحی، انتخاب فرآیند تأثیر عمده‌ای در بهینه‌سازی راه‌حل‌های یکپارچه دارد. چندین حلقه‌ی کنترل در سامانه وجود دارد که در آن‌ها پایداری کلِ مجموعه‌ی حلقه‌های کنترل تأثیر عمده‌ای بر عملکرد کلیِ راه‌حل منتخب دارد. عملکرد و کارایی مشابهی چه با فناوری MI و چه با MR از طریق «مدیریت توان موثر» قابل دستیابی است.

برای اینکه انتقال انرژی با موفقیت انجام شود، فرستنده باید بتواند یک گیرنده را که به درستی با آن اتصال برقرار کرده را شناسایی کند و تشخیص دهد. در راه حل های WPC و PMA ، فرستنده به طور منظم برای جستجوی گیرنده «پینگ^[13]»هایی صادر می‌کند. اگر این علایم تشخیص داده شوند، انتقال انرژی آغاز می‌شود. این راه‌حل‌ها از «مدولاسیون فرکانس ثابت^[14]» برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند. روش‌های دیگر دامنه، قدرت، جریان و مدولاسیون پهنای پالس (PWM)  است. اگر شبکه تطبیق بین فرستنده و گیرنده تحمل تغییر فرکانس بزرگ‌تری را داشته باشد، می‌توان از همه‌ی این گزینه‌ها استفاده کرد.

از آنجا که شبکه‌های همسان‌سازی در راه‌حل‌های مبتنی بر A4WP-MR تطابق خیلی نزدیکی با یکدیگر دارند، در این‌جا نمی‌توان از مدولاسیون فرکانس استفاده کرد. اما، اگر بار ثابت باشد، می‌توان از مدولاسیون دامنه بهره برد. در صورتی که عملکرد گیرنده تحت تأثیر قرار نگیرد، از مدولاسیون جریان و مدولاسیون توان استفاده می‌شود. از آن‌جا که میزان بارگذاری در کاربردهای قابل‌حمل و همراه، بسته به عملکردهای مورد استفاده متفاوت است، تدارک راه‌حلی با روش‌های مدولاسیون فوق‌الذکر دشوار خواهد بود و همچنین از نظر هزینه-فایده و اندازه و ابعاد رضایت‌بخش نیست. A4WP  از بلوتوث یا ZigBee  به عنوان یک استاندارد ارتباطی استفاده می‌کند. این نوع تماس رادیویی از قبل در تلفن همراه وجود دارد. از همین فن‌آوری‌ها برای شناخت گیرنده‌های مختلف، به منظور انتقال انرژی به چندین دستگاه استفاده می‌شود. سایر روش‌های مشابه نیز موجود است.

همچنین از ارتباط بین گیرنده و فرستنده برای اطلاع از وضعیت انتقال انرژی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، این که آیا هیچ «اشیا خارجی در میدان شارژ» (تشخیص اشیا خارجی FOD)^[15] وجود دارند، و وضعیت اتصال و هم‌محور بودن آنتن‌ها نسبت به هم  (اطلاعات راهنمای هماهنگی AGI)^[16] چیست. وجود اجسام غریبه مانند اشیای فلزی، بسته به میزان رسانایی، در یک میدان الکترومغناطیسی می‌تواند منجر به افزایش دما شود. این مشکل در هر دو روش MI و MR وجود دارد.

برای به حداکثر رساندن کارایی فن‌آوری‌های القای مغناطیسی، نظارت دقیق بر ولتاژ و جریان در دو طرف فرستنده و گیرنده ضروری است. عملکردهای دیگر مانند اثرات ناشی از عدم‌انطباق امپدانسی و رفلکس یا بازگشت نیرو از بار، القای جریان و زمان‌سنجی میان مدولاسیون و دمدولاسیون و همچنین تأثیر آنها بر رگولاسیون برای حفظ ثبات سیستم و اطمینان از برقراری ارتباط موفق بسیار مهم است. الزامات اضافی شامل انطباق با الزامات قانونی زیست‌محیطی، و انتشار اختلالی امواج و مقررات رادیویی می‌تواند بر نوع طراحی و در نتیجه، بر کارایی کلی سامانه تأثیر بگذارد. بهترین راه حل برای یک کاربرد معیّن، همیشه بر اساس وظایف مورد نظر و عملکردِ مطلوب است. اگر برای استقرار دستگاه شارژشونده «هر موقعیت دلخواه» مورد نظر باشد و یا بارگیری همزمان چندین دستگاه در جهت‌های X ، Y  و Z مورد نظر باشد، فن‌آوری تشدید مغناطیسی ایده‌آل است. در صورت نیاز به سطح بالایی از کارایی و انطباق با استانداردها، راه‌حل‌های سازگار با WPC گزینه ایده‌آل است. با این وجود تردیدی وجود ندارد که یک راهکار چندحالته که به طور خودکار «کوپلاژ القاییِ مغناطیسی» یا «انتقال انرژی مبتنی بر تشدید» را تشخیص دهد، راه‌حل ایده آل را به دست می‌دهد.

.

مدارهای مجتمع

شرکت IDT مدارهای مجتمعی، هم برای فن‌آوری‌های القای مغناطیسی و هم برای تشدید مغناطیسی، ارایه کرده است. مدارهای مجتمع القای مغناطیسی این شرکت نه تنها به الزامات WPC-(Q1) پاسخ می‌دهد، بلکه حتی فراتر از آن‌ها قرار دارد. این راهکارها برای هر دو روش انتقال نیرو بر فن‌آوری ریزپردازنده‌های پیشرفته استوار هستند و الکترونیک قدرت و هوشمندی را یک‌جا در خود دارند، تا تعامل میان فرستنده و گیرنده را به شکل موثر تنظیم کنند. آی.سی.های IDTP9020، IDTP9030، IDTP9035 و IDTP9036 الزامات WPC را پوشش می‌دهند. این آی.سی.ها تنها به تعداد اندکی افزاره‌های بیرونی نیاز دارند، امری که فهرست قطعات و ابعاد فیبر مدار چاپی را کوچک می‌کند.

.

.

راهکارهای IDT برای فن‌آوری تشدید مغناطیسی در آینده به آی.سی.های گیرنده و فرستنده بر اساس فن‌آوری «اینتل» برای «اولترابوک-اِکوسیستم» توسعه داده خواهند شد. اینتل و IDT در همکاری با یکدیگر در صدد هستند آی.سی.هایی برای شارژ بی‌سیم طراحی کنند. اینتل شرکت مذکور را انتخاب کرده تا یک «چیپ‌ست» فرستنده/گیرنده برای فن‌آوری شارژ خود بر اساس فن‌آوری تشدید مغناطیسی تدارک ببیند. اینتل و IDT مصمم به ارایه‌ی طراحی‌های شاخصی هستند که اولترابوک‌ها، رایانه‌های شخصی All-in-One (AiO)، گوشی‌های هوشمند و همچنین تجهیزات شارژ مستقل و منفرد را پوشش دهد.

.

.

مطالب مرتبط:

منبع تغذیه‌ای با کوپلاژ القایی

ساخت یک نوسانگر پرقدرت فرکانس بالا با مدار پوش-پول

.

.

.

پانویس‌ها:

.