Технический отчёт о разработке системы бесконтактной зарядки мобильных девайсов «Powell»

В связи с многочисленными запросами относительно технических подробностей разработки системы бесконтактной зарядки мобильных девайсов, получившей название «Powell», мы решили сделать несколько более подробный отчёт о ходе самой разработки. Напоминаем, что основной целью проекта ставилась разработка резонансной системы бесконтактного питания, которая могла бы быть использована для питания любых электронных устройств: мобильных телефонов, MP3-плееров, цифровых камер, GPS-навигаторов, пультов Д/У, автомобильных аксессуаров, медицинского оборудования и т.д.

Введение
Использование систем бесконтактного питания позволит сделать потребительскую электронику более надежной и удобной в использовании [1-2]. Дополнительная возможность передачи информации в системах бесконтактного питания может обеспечить обнаружение и идентификацию устройств, а также позволяет определять взаиморасположение устройств во время работы. При отсутствии приемных устройств в радиусе действия передатчика нет необходимости в излучении передатчиком сигнала МГц диапазона (большой мощности, до 10 Вт), что позволит экономить электроэнергию, потребляемую устройством. Также желательно передавать информацию об уровне принимаемого МГц сигнала (расстоянии между приемником и передатчиком) и количестве приемных устройств, чтобы устанавливать необходимую мощность излучения МГц сигнала. Идентификация же устройств необходима во многих областях, где важны такие аспекты, как безопасность и конфиденциальность.

Беспроводная передача данных совместно с беспроводной передачей энергии
Для передачи информации по каналу связи цифровое сообщение, представляющее собой последовательность символов, необходимо преобразовать в аналоговый сигнал — изменяющийся во времени уровень напряжения. Указанное преобразование осуществляется путем модуляции. Обратный процесс носит название демодуляции.
На сегодняшний день известны системы совместной беспроводной передачи энергии и информации, использующие резонатор, настроенный на одну рабочую частоту [4, 5].В работе [4] показана возможность реализации приемника информации и энергии с использованием амплитудно-модулированного сигнала с помощью одной антенны. Система совместной беспроводной передачи энергии и информации, описанная в [5], работает на частоте 13.56 МГц и позволяет одновременно передавать энергию с эффективностью 50% и данные со скоростью до 1 Мбит/с. В основе принципа работы лежит модуляция несущей частоты информационным сигналом.
Однако при использовании данного способа совместной беспроводной передачи данных и энергии эффективность передачи энергии уменьшается, так как средняя мощность амплитудно-модулированного сигнала меньше немодулированного. Ещё один недостаток данного способа заключается в нереализуемости одновременной передачи информации от приемника к передатчику при приеме энергии на приемном резонаторе, с использованием одного резонатора, работающего только на одной частоте.
В работах [6-8] рассмотрены системы бесконтактной передачи энергии и данных, в которых передача осуществляется с помощью двух пар резонаторов посредством их взаимодействия в ближнем электромагнитном поле.
Основными элементами данной системы являются приемный и передающий резонаторы, которые представляют собой многовитковые катушки в виде колец (рисунок 1). Передача энергии осуществляется на частоте порядка 150 кГц, то есть взаимосвязь между резонаторами обеспечивается посредством магнитного поля. Было предложено решение, основанное на использовании нескольких рамок, отличающихся по форме. В этом случае взаимная связь между резонаторами, использующимися для передачи энергии и информации, минимизирована.

Рисунок 1 — Фотография приемного и передающего резонаторов

В рассмотренных выше системах передача энергии и информации осуществлялась посредством взаимодействия в ближнем электромагнитном поле. Однако, как было установлено, подобные системы обладают рядом недостатков. Скорость обмена данными и эффективность передачи энергии ограничены, кроме того, проектирование резонаторов усложняется тем, что их конструкции должны обеспечивать достаточную развязку между системами передачи энергии и информации.
Подобных трудностей можно избежать, если осуществлять передачу информации на значительно более высоких частотах (например, в стандартных диапазонах RFID или Wi-Fi около 900 МГц и 2,4 ГГц). Использование более высоких частот позволит значительно повысить скорость передачи данных, а также снизить уровень шумов, вносимых системой передачи энергии.
Подобные решения хорошо известны и применяются в мобильных телефонах. Беспроводная подзарядка [9] или же передача данных [10] осуществляются с помощью отдельного резонатора, работающего в мегагерцовом диапазоне. И в то же время с помощью отдельных антенн (GSM, Wi-Fi и т.д.) осуществляется обмен данными.
Однако использование раздельных антенн для передачи данных и энергии требует дополнительного места, которое весьма ограничено в современных портативных устройствах. Эта проблема может быть решена путем использования всего лишь одного резонатора, который работает в двух частотных диапазонах — мегагерцовом и гигагерцовом. Частотное разделение каналов передачи энергии и информации осуществляется с помощью диплексера.

Двухдиапазонный резонатор для осуществления передачи данных совместно с бесконтактной передачей энергии
Использование мегагерцового (МГц) диапазона для передачи энергии и гигагерцового (ГГц) диапазона для обмена данными позволяет обеспечить достаточную развязку между системами и значительно повысить скорость передачи данных.
Усложнение системы за счет передачи данных и энергии с использованием одного резонатора позволяет уменьшить ее габариты, но создает дополнительные трудности в связи с необходимостью проектировать двухмодовый резонатор с цепями согласования и диплексера для последующего разделения каналов. Так как рабочие частоты резонатора отстоят далеко друг от друга, то в качестве диплексера целесообразно использовать простейшие фильтры нижних и верхних частот.
В качестве передающего и приемного резонаторов было решено использовать конструкцию с высоким коэффициентом полезного действия по передаче энергии (КПД), которая, кроме того, может эффективно использоваться как приемно-передающая антенна в гигагерцовом диапазоне частот.
Конструкция резонатора выполнялась с помощью электродинамического моделирования.
Пример конструкции резонатора представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конструкция резонатора при N = 5, работающего в двух диапазонах.

В спирали симметрично сделаны вырезы, на концах которых выполнены контактные площадки. Между контактными площадками устанавливаются индуктивность L0 и конденсатор C0. Индуктивность на низкой частоте эквивалента короткому замыканию, а емкость – холостому ходу. На высокой же частоте индуктивность эквивалента холостому ходу, а емкость – короткому замыканию.
Как видим, в предложенной конструкции резонатора на каждой рабочей частоте оба канала не влияют друг на друга, поскольку «закорочены» на рабочей частоте другого канала. Такой подход позволяет проектировать цепи входных каналов независимо друг от друга.

Изготовление экспериментальных образцов приемного и передающего резонаторов
Затем были предложены топологии приемного и передающего резонаторов с цепями согласования (Рисунок 3) [11].
Красные линии соответствуют металлизации верхнего слоя печатной платы, зеленые линии — металлизации нижнего слоя, а голубые — границам печатных плат. Серые площадки — это контактные площадки для элементов поверхностного монтажа и разъемов, расположенные в верхнем слое.
Резонаторы расположены на диэлектрической подложке. В качестве материала подложки был выбран FR4.

Рисунок 3 — Топология передающего резонатора.

Экспериментальное тестирование системы беспроводной передачи энергии совместно с передачей информации
После установки элементов цепей согласования в каждый резонатор было выполнено экспериментальное тестирование системы беспроводной передачи энергии совместно с передачей данных. Были измерены комплексные коэффициенты отражения в каждом канале резонаторов, а также коэффициенты передачи по каждому из каналов системы с помощью векторного анализатора цепей Agilent E5071C.
Измеренные частотные зависимости коэффициентов отражения приемного резонатора в двух исследуемых диапазонах представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 — Измеренные частотные зависимости коэффициентов отражения приемного резонатора а) на частотах передачи энергии, б) на частотах передачи информации.

Также был исследован в двух частотных диапазонах передающий резонатор. Измеренные частотные зависимости коэффициентов отражения передающего резонатора представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 — Измеренные частотные зависимости коэффициентов отражения передающего резонатора а) на частотах передачи энергии, б) на частотах передачи информации.
На рабочих частотах в обоих каналах приемного и передающего резонаторов достигается необходимый уровень согласования (-10 дБ), что подтверждает правильность расчета цепей согласования (балансных трансформаторов).
Результаты измерения коэффициента передачи системы представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 — Измеренные частотные зависимости коэффициентов передачи системы из двух резонаторов, при расстоянии между резонаторами 1,5 см (показана сплошной линией), при расстоянии 1 см пунктирной.

Коэффициент передачи в канале передачи данных на частоте 2.4 ГГц лежит выше уровня -25 дБ, что более чем достаточно для уверенного приема современных цифровых систем передачи данных, так как при передаче данных излучается намного меньшая мощность сигнала около 0 дБм (1 мВт) по сравнению с мощностью при передачи энергии (до 10 Вт) и цифровые приемники имеют высокую чувствительность до 80 дБм.
Измеренное значение коэффициента передачи энергии системы составило -3 дБ. Стоит заметить, что уровень согласования на частоте, например, 13.56 МГц равен около -10 дБ, что соответствует требованиям. Если добиться лучшего согласования, позволяющего практически исключить потери на отражение, то КПД будет не менее 70 % при расстоянии между резонаторами не более 1.5 см.
Демонстрация работы системы беспроводной зарядки показана на рисунке 7. Гармонический сигнал с генератора 1 поступает на передающий модуль 2. В принимающем модуле 3 наводится переменная ЭДС, которая выпрямляется диодами шотки и питает светодиод.

Рисунок 7 Фотография демонстрации работы системы беспроводной зарядки использующие разработанные резонаторы.

Также была проведена демонстрация работы разработанной системы беспроводной зарядки для применения к коммерческим смартфонам. На рисунке 8 показан процесс зарядки смартфона Samsung Galaxy.

Рисунок 8 Фотография зарядки смартфона Samsung разработанным прототипом бесконтактной системы зарядки.

Заключение
На описанном в статье этапе разработки была исследована возможность реализации передачи данных совместно с бесконтактной передачей энергии. По результатам исследования для дальнейшей разработки технического решения была выбрана система, использующая один резонатор для передачи энергии и обмена информацией на двух некратных рабочих частотах, поскольку подобный тип системы обладает наименьшими габаритами и обеспечивает высокую скорость передачи данных.
Для осуществления передачи данных одновременно с бесконтактной передачей энергии была разработана двух диапазонная конструкция приемного и передающего резонаторов. Были разработаны электрические цепи, осуществляющие согласование входного импеданса резонаторов в рабочих диапазонах с волновым сопротивлением подводящих линий. Предложенная конструкция резонаторов позволяет исключить влияние друг на друга каналов передачи энергии и информации.
Были изготовлены экспериментальные образцы резонаторов. В результате измерений были измерены уровни согласования резонаторов, а также КПД системы в двух рабочих диапазонах.
В настоящее время продолжается разработка системы передачи энергии совместно с передачей информации. Также для реализации проекта проводится сбор средств на краудфандинговом портале Boomstarter.
Авторы отчёта: коллектив разработчиков.

Список литературы
[1] Imagine a future in which wireless electricity makes everyday products more convenient, reliable, and environmentally friendly, witricity.com.
[2] Диденко А.Н. «СВЧ-энергетика: Теория и практика», М.: Наука, 2003 — 446с.
[3] Скляр Б. «Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение», Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 — 1098 c.
[4] Wu C-T. M. A simple self-powered AM-demodulator for Wireless/Data Transmission / C-T. M. Wu, J. S. Sun, and T. Itoh // Proc. of 42th European Microwave Conference — 2012 — P. 133-137.
[5] Hmida G. B. Design of a Wireless power and Data Transmission Circuits for Implantable Biomicrosystem / G. B. Hmida H. Ghairani and M. Samet // Biotechnology — 2007. — V.6 — P.153-164.
[6] Bieler T. Contactless Power and Information Transmission / T. Bieler, M. Perrottet, V. Nguyen, and Y. Perriard // IEEE Transactions on Industry Applications — 2002 — V.38 — N.5 — P.1266 — 1272.
[7] Rathge C. High efficient inductive energy and data transmission system with special coil geometry / C. Rathge, D. Kuschner, // Proc. of 13-th European Conference — Power Electronics and Applications — 2012 — P.1 — 8.
[8] Dionigi M. Multi band resonators for wireless power transfer and near field magnetic communications / M. Dionigi, M. Mongiardo // Proc. of Microwave Workshop Series on Innovative Wireless Power Transmission: Technologies, Systems, and Applications (IMWS) — 2012 — P.61-64.
[9] Беспроводная зарядка, www.nokia.com/ru-ru/products/wireless-charging/
[10] Tsushima T. Near field communication antenna and mobile device // European Patent Application — 2008 — EP1976055.
[11] AVR2004: LC-Balun for AT86RF230. Atmel Application Note. July 2004.