Projekte

Integrieren von Wireless Power mit den Tx / Rx-Referenzkits von IDT

New FUJIFILM X-E3 and other AWESOME things coming (Dezember 2018).

Anonim

Integrieren von Wireless Power mit den Tx / Rx-Referenzkits von IDT


Zwei Evaluation-Boards von IDT helfen Ihnen, kabellose Energie schnell und bequem in Ihre Designs zu integrieren.

Die Suche nach Kabellos geht weiter

Trotz der anhaltenden Verbreitung der drahtlosen Technologie in ihren verschiedenen Formen, müssen wir nur auf die Stromleitungen schauen, um uns daran zu erinnern, dass Metalldrähte immer noch der bevorzugte Weg sind, um elektrischen Strom von der Quelle zur Last zu übertragen. Aber auch dieses Paradigma unterliegt der Innovation, und eines der Unternehmen, die diese Innovation vorantreiben wollen, ist die Integrated Device Technology (IDT). In diesem Artikel werden wir eine Wireless-Power-Lösung untersuchen, die Evaluation-Boards für IDT's P9038-Sender-IC und P9025AC-Empfänger-IC umfasst.

Aber zuerst: Warum Wireless Power "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/IDT1_withquarter.JPG" />

Zwei ausgefeilte ICs, zahlreiche passive Komponenten, eine enorme Sendespule, eine etwas weniger gewaltige Ladespule, zwei sorgfältig gestaltete Leiterplatten. . . . Es ist nur fair, die anfängliche Annahme zu machen, dass Kabel und Steckverbinder hier bleiben werden. Aber das Problem ist nicht so einfach. Lassen Sie uns kurz einige Vorteile drahtloser Stromversorgung erläutern.

Erstens muss anerkannt werden, dass die drahtlose Übertragung von Energie die angeborene menschliche Wertschätzung für Neues und Anderes anspricht. Dies ist nicht die Art von Kosten-Nutzen-Analyse, die Sie in einem technischen Lehrbuch sehen werden, aber es ist Realität, insbesondere im Zusammenhang mit dem Markt für Unterhaltungselektronik. Es gibt jedoch Vorteile von eher "wissenschaftlicher" Natur, von denen die meisten mit dem Fehlen von Verbindern zusammenhängen. Ein batteriebetriebenes Gerät mit 500 US-Dollar ist wertlos, wenn Sie es nicht aufladen können, weil ein Stecker ausgefallen ist oder andere Kontakte korrodieren, Gehäuse verbeult werden, Stifte verbogen werden, Kontaktplatten abnutzen, Federkontakte weniger federnd werden. Steckverbinder sind auch ein Hindernis für ein wirklich wasserdichtes Produkt; Mit der drahtlosen Energieübertragung werden vollständig tauchfähige tragbare Geräte viel praktikabler. Hinzu kommt das Kompatibilitätsproblem: Weniger Anschlüsse bedeuten weniger Probleme mit der Aufrechterhaltung der mechanischen Harmonie zwischen alter und neuer Hardware oder zwischen Produkten verschiedener Hersteller.

Wir müssen auch berücksichtigen, dass das Gerät selbst nur den Empfängerabschnitt der drahtlosen Energieübertragungsschaltung benötigt. Der sperrigere (und teurere) Teil ist der Sender, aber idealerweise würde der Sender in ein standardisiertes drahtloses Lademodul integriert sein. So kann eine Person ein halbes Dutzend drahtlos betriebene Gadgets besitzen, aber nur eine Ladestation, die mit allen Gadgets kompatibel ist. Es ist wahr, dass der Empfänger - mit etwa 3 cm × 6, 5 cm - nach heutigen Maßstäben nicht gerade "kompakt" ist, aber es gibt sicherlich viele Produkte, die einen Platz für dieses Modul finden könnten, einfach weil es so dünn ist.

Das Evaluation Board Paar

Die Evaluation Boards P9038 und P9025AC bilden zusammen eine 5 Watt, Qi-konforme Wireless-Power-Lösung. Der Qi-Standard ("Chee") ist eine etablierte Richtlinie für die Entwicklung von Geräten, die induktive oder resonante Leistungsübertragung beinhalten. Die induktive Leistungsübertragung erfordert, dass der Sender und der Empfänger ziemlich genau ausgerichtet und um weniger als ungefähr 7 mm getrennt sind; Die resonante Leistungsübertragung ist flexibler in Bezug auf die Ausrichtung und den Trennungsabstand, jedoch auf Kosten einer niedrigeren Effizienz und in einigen Fällen einer höheren elektromagnetischen Interferenz (EMI). Die in diesem Artikel besprochenen Boards verwenden induktive Energieübertragung.

IDT betont, dass diese Referenz-Kits nicht die sind, die wir normalerweise als Evaluierungsboards betrachten. Sie sind in erster Linie nicht zum Experimentieren, sondern zur schnellen Integration in bestehende oder zukünftige Designs gedacht. Die Platinenlayouts sind in Bezug auf Leistung und Größe optimiert, mit einer minimalen Bereitstellung von Testpunkten, Kopfzeilen oder anderen Komponenten, die eine umfassende Auswertung ermöglichen. Zusammen mit den Boards selbst liefert IDT Schaltpläne, Gerber-Dateien, Layout-Richtlinien und verschiedene andere digitale Ressourcen. Hier ist die ziemlich umfangreiche Liste der technischen Dokumentation für die Empfängerplatine:

Bewerten: Einstecken, Boards stapeln

Es braucht nicht viel Mühe, um 5 Watt kabellosen Strom aus diesen Boards zu bekommen. Schließen Sie die Senderplatine über den Micro-B-Stecker an ein USB-Ladegerät an, legen Sie die Empfängerplatine oben auf (wie in der folgenden Abbildung gezeigt) und warten Sie, bis die grüne LED am Empfänger anzeigt, dass an den Ausgangsklemmen 5 V anliegen .

Eine blinkende grüne LED auf der Senderplatine zeigt eine erfolgreiche Energieübertragung an, und eine durchgezogene rote LED bedeutet, dass die Energieübertragung unterbrochen wurde, vermutlich wegen zu großer Entfernung oder Fehlausrichtung zwischen Sender und Empfänger.

Lassen Sie uns einige Drähte an die GND- und OUT-Anschlüsse anlöten, damit wir uns die Stromversorgungseigenschaften des Tx / Rx-Paares genauer ansehen können. Das Empfängermodul ist im Wesentlichen ein Vollbrücken-Synchrongleichrichter, der einen Spannungsregler mit niedrigem Spannungsabfall versorgt. Die nominale Ausgangsspannung beträgt 5, 3 V, wie vom Oszilloskop bestätigt, und der Nennausgangsstrom beträgt 1 A (absolut maximal 1, 5 A).

Wir können einige Datenpunkte sammeln, um die Lastregelungsfähigkeiten der Ausgangsstufe zu bewerten. (Bei allen Messungen in diesem Abschnitt wird von einer optimalen Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger ausgegangen.) Im Leerlauf beträgt der Ausgang 5, 34 V, wie oben gezeigt. Die folgende Tabelle gibt die Ausgangsspannung bei steigendem Laststrom an.

BelastungAusgangsspannungAusgangsstrom
50 Ω5.28 V106 mA
33 Ω5.24 V159 mA
25 Ω5.22 V209 mA
13 Ω5, 20 V400 mA

Somit haben wir über diesen Bereich eines moderaten Ausgangsstroms eine Verringerung der Ausgangsspannung um 1, 5%. Dies ist etwas höher als das, was wir von einem Standard-IC mit linearem Regler erwarten würden, aber es ist sicherlich kein ernsthaftes Problem, insbesondere wenn man bedenkt, dass die meisten Anwendungen den Ausgang des P9025AC auf eine niedrigere Spannung regeln.

Messungen, die mit einem zusätzlichen Abstand von 3 mm zwischen Sender und Empfänger durchgeführt wurden, zeigen, dass die Lastregelung durch moderate Erhöhungen des Trennungsabstands nicht beeinträchtigt wird.

Sehen wir uns nun das Ausgangsrauschen an. Diese erste Oszilloskopspur ist das Ausgangsrauschen im Leerlauf.

Hier sehen wir 15 mV Spitze-zu-Spitze Ausgangswelligkeit, was recht gut ist - tatsächlich ist 15 mV Spitze zu Spitze eine respektable Rauschspezifikation für Standard-Schaltregler, die die Eingangsleistung durch eine Kupfer-PCB-Spur anstatt durch eine oszillierendes Magnetfeld. Die Frequenz des Rauschens könnte jedoch Probleme für hochempfindliche Anwendungen darstellen. Bei 120 kHz wäre diese Welligkeit schwieriger herauszufiltern als das Rauschen von Schaltreglern, von denen viele jetzt bei Frequenzen über 1 MHz arbeiten.

Hier ist das Ausgangsrauschen mit 400 mA Laststrom:

Die Frequenz ist höher, aber der wichtige Punkt ist, dass die Amplitude ungefähr gleich ist. Dies zeigt an, dass das Ausgangsrauschen nicht signifikant mit dem Laststrom variiert, was eine gute Sache ist. Die folgende Spur ist das Rauschen mit 400 mA Laststrom und zusätzlich 3 mm Abstand zwischen Sender und Empfänger.

Basierend auf diesen Ergebnissen scheint es, dass das Ausgangsrauschen des P9025AC nicht stark von moderaten Schwankungen des Laststroms oder des Trennungsabstands beeinflusst wird.

Nähe und Ausrichtung

Die oben genannten Messungen geben Anlass zu der Annahme, dass diese IDT-Referenzkits eine stabile, geräuscharme drahtlose Stromversorgung erreichen können - wenn die Leiterplatten ordnungsgemäß ausgerichtet und durch eine angemessene Entfernung voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten, wenn Sie zuverlässige Leistung wünschen, muss Ihr Gerät mechanische Einschränkungen auferlegen, die eine akzeptable räumliche Beziehung zwischen Sender und Empfänger sicherstellen.

Zuerst betrachten wir die Betriebsgrenzen. Die Ausgangsspannung wird unter folgenden Bedingungen automatisch deaktiviert:

  • wenn der Abstand zwischen der Senderspule und der Empfängerspule ungefähr 18 mm überschreitet
  • wenn die Fehlausrichtung das übersteigt, was in den folgenden drei Bildern dargestellt ist

Die nächste Frage ist, was passiert zwischen der optimalen Trennung / Ausrichtung und den Grenzen, bei denen die Ausgabe definitiv deaktiviert wird? Die Antwort auf diese Frage wird am besten durch die folgenden Videos vermittelt.

Wie Sie sehen, ist der Übergang zwischen operativ und nicht operativ nicht besonders reibungslos. Die Ausgangsspannung nimmt allmählich ab, wenn der Trennungsabstand oder der Grad der Fehlausrichtung zunimmt, und im Falle einer Fehlausrichtung erfährt die Ausgangsspannung einige schmerzhafte Schwankungen, bevor sie schließlich zum Schweigen gebracht wird. Die in diesen Videos angezeigten Übergangsspannungen können zu einem stark unvorhersehbaren Verhalten der Schaltung führen, und daher müssen wir betonen, was am Anfang dieses Abschnitts gesagt wurde: Die drahtlose Energieübertragung, insbesondere induktive Energieübertragung, erfordert sorgfältige Beachtung der Ausrichtung und Trennung zwischen den Sendern und Empfänger.

Rekapitulieren

Die Evaluierungskits P9038 und P9025AC von IDT sind ein hervorragendes Sprungbrett in die stetig wachsende Welt der drahtlosen Stromversorgung. Sie ermöglichen Rapid-Prototyping und eine nahezu nahtlose Integration in viele Geräte, und die Fülle an technischen Informationen und Design-Support-Ressourcen sollte alle Änderungen oder Anpassungen erleichtern, die Sie vornehmen müssen. Die Qualität der Ausgangsspannung scheint mehr als ausreichend für digitale und Mixed-Signal-Anwendungen zu sein, insbesondere angesichts der Möglichkeit, eine 5.3 V-Versorgung weiter auf die niedrigeren Spannungen zu regeln, die üblicherweise von digitalen und analogen ICs benötigt werden. Der auffälligste Fehlermodus bezieht sich auf unsachgemäße Abstände und Ausrichtungen, daher müssen mechanische Einschränkungen als integraler Bestandteil des Konstruktionsaufwands berücksichtigt werden. Der nächste Artikel in dieser Serie wird den Grad analysieren, in dem EMI, das durch die Leistungsübertragungsplatine erzeugt wird, die Leistung von Mixed-Signal-Schaltungen verschlechtert.

Gib diesem Projekt einen Versuch für dich selbst! Holen Sie sich die Stückliste.