La charge sans fil

Comment la technologie de charge sans fil évolue-t-elle ?

L’objectif principal de toute conception d’alimentation sans fil est de garantir la fourniture de la puissance désirée dans les pires conditions de transfert. Cependant, il est également important d’éviter des tensions et des températures excessives dans le récepteur, celui-ci fonctionnant dans les meilleures conditions d’utilisation. Ceci est important spécialement lorsque les demandes en puissance de sortie sont basses. Par exemple, quand la batterie est complètement chargée ou près de la pleine charge et que les bobines sont proches les unes des autres. Dans de tels scénarios, la puissance disponible provenant du système sans fil est élevée, mais la puissance requise est faible. Ce surcroît de puissance conduit généralement à des tensions redressées élevées ou à la nécessité de dissiper cet excès de puissance en chaleur.

Il existe plusieurs façons de gérer la capacité de puissance en excès lorsque la puissance requise par le récepteur est basse. La tension redressée peut être fixée par une diode Zener ou un dispositif suppresseur de signaux transitoires. Toutefois, cette solution est généralement volumineuse et génère une chaleur importante. La puissance de l’émetteur-récepteur peut être réduite, mais cela limite soit la puissance disponible reçue soit la distance de transmission. Il est également possible de communiquer cette puissance reçue à l’émetteur et d’ajuster la puissance transmise en conséquence. C’est la technique employée par les standards de transmission de puissance sans fil comme le standard Qi de Wireless Power Consortium. Cependant, il est également possible de résoudre ce problème d’une manière compacte et performante sans recourir à des techniques de communications numériques compliquées. Les techniques de communications qui communiquent à travers de petites variations du niveau de puissance transmise requièrent une puissance de transmission minimale et pourraient ne pas fonctionner dans les systèmes à distances de transmission variables.

Quelles sont les applications principales qui utilisent la technologie de charge sans fil ?

Beaucoup d’équipements utilisent une batterie en tant que source d’alimentation principale. Cependant, de nombreux produits moins prestigieux servent tout autant aux applications qui utilisent aussi des batteries. Les exemples courants comprennent les équipements médicaux portatifs, les capteurs industriels et même les équipements tournants et mobiles. Toutefois, a contrario des applications devant travailler en environnement favorable, ces applications ont des demandes encore plus rigoureuses, comme la nécessité d’une stérilisation et même de considérer un environnement potentiellement explosif comme ceux que l’on rencontre généralement dans les raffineries de pétrole et les usines de traitement de produits chimiques.

Dans beaucoup de ces applications, il est difficile ou impossible d’utiliser un connecteur à des fins de charge. Par exemple, certains équipements requièrent des boîtiers scellés afin de protéger l’électronique des environnements sévères. D’autres équipements peuvent tout simplement être trop petits pour posséder un connecteur, et dans les équipements où l’application alimentée sur batterie comprend des déplacements ou des rotations, il est alors pratiquement impossible de réaliser une charge par câbles.

Résultat, la charge sans fil est adoptée comme autre méthode de charge de batteries puisque ce type de solution apporte valeur ajoutée, fiabilité et robustesse à ces applications où les connecteurs ne le peuvent pas.

Bien sûr, la charge sans fil est utilisée couramment, depuis des années, dans de nombreux équipements portatifs. Ceux-ci incluent les téléphones cellulaires, les systèmes GPS portables et même les aides auditives. À plus grande échelle, la charge sans fil est adoptée par l’industrie automobile pour la charge de packs de batteries volumineux généralement employés dans les véhicules électriques et/ou hybrides. Un bon exemple en est le système de charge sans fil inductif de BWM pour sa voiture BMWi8.

Pouvez-vous préciser le rôle que la technologie des semi-conducteurs exerce dans les mises en œuvre de charge sans fil ?

Dans un circuit à courant alternatif, il existe un champ magnétique qui varie dans le temps dans le voisinage du fil, et si un conducteur est placé dans ce champ variable il se produit un courant induit.

Un phénomène fréquent dans les systèmes électriques consiste en des signaux électriques transitoires, comme des éclairs provenant d’une source externe ou d’une décharge de condensateur, qui pourraient être une perturbation interne récurrente, comme dans la décharge d’un condensateur dans un système d’allumage.

L’intensité du champ magnétique est proportionnelle à l’amplitude du courant passant dans le conducteur. L’énergie est transférée du conducteur qui produit les champs (le primaire) à tout conducteur à proximité des champs (le secondaire) via le couplage magnétique défini précédemment. Dans un système à couplage lâche, où le coefficient de couplage est bas, un courant haute fréquence ne passe pas le long d’un conducteur sur de grandes distances, mais la perte d’énergie est rapide en raison de la désadaptation d’impédance du câble, ce qui produit une énergie réfléchie vers la source ou rayonnée dans l’air. Voir l’illustration de la figure 1 pour une représentation graphique de bobines à couplage lâche reliées par un champ magnétique.

Lors de la conception d’un système de charge sans fil, un des paramètres principaux est la valeur de la puissance de charge qui effectivement accroît l’énergie de la batterie. Cette puissance reçue dépend de nombreux facteurs dont la valeur de la puissance transmise, la distance et l’alignement entre la bobine émettrice et la bobine réceptrice, aussi dénommé couplage entre bobines, et finalement la tolérance des composants d’émission et de réception.

Quelle évolution suit la technologie et quelles solutions proposez-vous ?

Une récente introduction de produits pour étendre notre offre de chargeurs de batteries sans fil est le LTC4123. Le LTC4123 combine un récepteur sans fil 30mW avec un chargeur linéaire courant continu/tension continue pour les batteries NiMH, comme la gamme PowerOne ACCU Plus de VARTA. Un circuit résonnant LC externe, connecté à un LTC4123, permet au circuit intégré de recevoir sans fil la puissance provenant d’un champ magnétique alternatif généré par une bobine émettrice. Les circuits intégrés de gestion d’alimentation assurent la conversion du courant alternatif en un courant continu requis pour la charge de la batterie.

La charge sans fil avec le LTC4123 permet la réalisation d’un produit complètement scellé et d’éliminer la nécessité de remplacer constamment les piles. La détection Zn-Air (Zinc-Air) permet aux applications de travailler de manière interchangeable avec à la fois les accumulateurs rechargeables NiMH et les piles Zn-Air, avec le même circuit d’application. Les deux types de batteries peuvent alimenter directement un ASIC d’aide auditive, sans une conversion de tension supplémentaire. Par contre, une batterie Li-ion, 3,7 V, nécessite un régulateur abaisseur en plus des fonctionnalités du LTC4123 pour alimenter l’ASIC. Le LTC4123 redresse la puissance alternative provenant de la bobine réceptrice, et peut aussi accepter une tension d’entrée de 2,2 V à 5 V, pour alimenter un chargeur de batterie courant continu/tension continue.

Les caractéristiques du chargeur incluent un courant de charge programmable jusqu’à 25 mA, une tension de charge d’un élément de batterie de 1,5 V avec une précision de 0,5%, un indicateur d’état de charge et une minuterie de fin de charge de sécurité embarquée. Une tension de charge compensée en température protège la batterie NiMH et empêche les surcharges. Le LTC4123 empêche la charge quand les batteries sont insérées à l’envers et interrompt la charge si la température devient trop élevée ou trop basse. Le LTC4123 est encapsulé dans un boîtier très compact, DFN de 6 broches, 2 mm x 2 mm, de faible hauteur (0.75 mm), avec semelle métallique pour d’excellentes performances thermiques.

Tony Armstrong directeur marketing, produits de puissance, Analog Devices