Alimentation sans fil pour améliorer l'utilisation pratique des dispositifs corporels

Les dispositifs sans fil s'imposent comme un secteur de marché important pour l'électronique. L'une des exigences clés pour ces dispositifs est la facilité d'utilisation, non seulement pour leur capacité à accéder à des données mais également à garantir que les batteries auront une autonomie suffisante pour 24 heures, et ce chaque jour.

Si un utilisateur doit brancher un dispositif pour le recharger pendant la nuit, il existe de fortes chances qu'il oublie parfois et découvre à son réveil que son produit n'a pas assez d'autonomie pour tenir le reste de la journée. La charge sans fil offre un moyen plus pratique de charger les dispositifs électroniques. Au lieu d'avoir à brancher un câble mini-USB ou similaire au dispositif, celui-ci peut être placé sur un tapis de charge que l'utilisateur peut facilement garder à portée de main. Si le système de charge sans fil est conçu de manière appropriée, il est possible de charger plusieurs dispositifs sur le même tapis, ce qui réduit la duplication et permet à l'utilisateur de facilement emporter le dispositif et le chargeur lors de déplacements.

Les dispositifs corporels ne sont pas les seuls types d'appareils électroniques pouvant bénéficier de la charge sans fil. Cette technologie est déjà largement utilisée pour les brosses à dents électriques, et elle est même développée pour recharger les batteries des véhicules électriques.

La charge inductive fonctionne sur la même base qu'un transformateur de puissance. Une bobine d'induction dans le tapis crée un champ électromagnétique alternatif qui est capté par une bobine secondaire dans le dispositif à charger, où il est reconverti en courant électrique utilisable. Comme dans un transformateur traditionnel, la charge inductive de base requiert une proximité étroite entre les bobines pour fournir un rendement optimal. Sinon, des pertes substantielles peuvent se produire par résistance dans la bobine primaire.

L'efficacité d'un transfert d'énergie sur de longues distances peut être améliorée grâce au couplage inductif résonnant en utilisant deux bobines, réglées par la combinaison de charge de capacité et d'inductance pour résonner à la même fréquence. Cette résonance permet une transmission de puissance significative d'une bobine à une autre sur des distances de plusieurs fois le diamètre de la bobine.


Le facteur Q du circuit de bobine peut être réglé à un niveau élevé de manière à ce qu'un champ relativement intense soit développé sur plusieurs cycles. La puissance dans ce signal oscillant est plus élevée que celle alimentée simultanément dans la bobine. Comme la bobine secondaire peut recevoir une fraction de ce champ oscillant et la convertir, la quantité de puissance délivrée est plus élevée qu'avec un transformateur conventionnel. L'utilisation de la capacité pour résonance annule l'inductance parasite et l'inductance magnétisante dans l'émetteur, réduisant les pertes principalement pour les résistances d'enroulement des bobines, qui sont généralement entre 10 et 100 fois inférieures aux pertes liées à l'inductance.

Pour fournir un facteur Q plus élevé qu'avec un transformateur conventionnel, les bobines utilisent fréquemment une conception à solénoïde, qui contribue à réduire l'effet pelliculaire. Les pertes diélectriques sont typiquement réduites grâce à l'utilisation d'isolateurs à faible permittivité, ou juste d'air.

En pratique, les bobines ne sont pas toujours réglées pour une fréquence de résonance précise. Les systèmes à couplage lâche peuvent transférer de la puissance tant que le secondaire croise un nombre raisonnable de lignes de champ. Un couplage plus serré en adaptant les bobines de manière plus précise peut fournir une puissance supérieure, mais il n'est pas possible de garder des bobines étroitement couplées qui sont conçues pour fonctionner ensemble simultanément en résonance. Ces circuits peuvent être conçus pour fonctionner juste hors résonance, lorsque la fréquence de résonance du récepteur est légèrement différente de celle de l'émetteur.

Malheureusement, les bobines étroitement couplées sont également sensibles au mésalignement, ce qui constitue un problème dans les applications grand public dans lesquelles l'utilisateur veut simplement placer le dispositif sur un tapis sans avoir à vérifier l'orientation et la position optimales pour une charge réussie. L'émetteur utilisé pour la charge peut donc utiliser plusieurs bobines. Cela augmente la complexité de la conception mais offre une liberté de positionnement plus étendue. Les bobines n'ont pas besoin d'être superposées, ce qui simplifie l'assemblage lors de la production, même si la superposition de bobines offre une meilleure densité et par conséquent une plus grande liberté de placement du récepteur.

Pour répondre au problème de laisser un seul émetteur charger différents dispositifs, des normes sont requises. Deux normes principales sont actuellement utilisées. Le système Powermat soutenu par l'alliance A4WP est conçu autour d'un système à couplage lâche basé sur une seule bobine d'émetteur. Le système Qi du consortium WPC (Wireless Power Consortium) permet plusieurs configurations différentes, y compris le fonctionnement à couplage lâche et à couplage serré. La plupart des émetteurs existants utilisent une configuration à couplage serré à plusieurs bobines.

Les normes gèrent également la gestion de l'énergie, pour garantir que le tapis de charge n'est pas activé si cela n'est pas nécessaire. Par exemple, le système Qi utilise un protocole de communications pour relayer les signaux dans les bobines, pour vérifier la présence d'un dispositif et la compatibilité à Qi. La norme permet à l'émetteur de changer la fréquence de commutation sur la bobine entre 110 kHz et 205 kHz comme mécanisme primaire pour le contrôle de la puissance délivrée.

Le système Qi utilise la modulation de charge simple de la tension de bobine pour envoyer des données vers l'unité de l'autre côté de l'entrefer. La communication depuis la bobine secondaire utilise un schéma d'encodage binaire bi-phase différentiel à partir d'une fréquence fixe de 2 kHz, avec un bit de départ ajouté avant chaque transmission 8 bits. La transmission est suivie par les bits de parité et d'arrêt.


Plusieurs paquets de contrôle peuvent être envoyés. Les types de paquets les plus fréquemment utilisés sont les suivants : force du signal, erreur de contrôle, requête de fin d'alimentation et niveau de puissance redressée. La force du signal est utilisée pour aligner le dispositif sur le tapis de charge. Lorsqu'elle est utilisée avec un signal audible ou visuel, elle fournit un repère à l'utilisateur qui déplace l'unité sur le tapis jusqu'à ce que le signal soit suffisamment fort pour indiquer un transfert de puissance correct.

Le paquet d'erreur de contrôle indique le degré d'erreur entre la tension d'entrée vue par la bobine de réception et ce qui est requis. L'émetteur utilise typiquement une boucle de contrôle pour ajuster la tension fournie à sa bobine. Si l'erreur est grande, la fréquence des paquets d'erreur est définie sur une quantité supérieure. Un paquet sera envoyé toutes les 32 ms jusqu'à ce que l'erreur soit réduite au sein d'un seuil. À ce point, les paquets seront envoyés toutes les 250 ms. Le paquet de contrôle d'erreur est utilisé pour régler la puissance délivrée. À faibles charges, le récepteur peut exiger une tension plus élevée pour pouvoir supporter un transitoire de courant si le dispositif corporel sort de veille, par exemple. À courants de charge plus élevés, le dispositif portable peut requérir une tension plus basse pour éviter les pertes de puissance dans un régulateur LDO.

Lorsque le dispositif est complètement chargé ou détecte une défaillance interne pouvant endommager la batterie, il envoie une requête de fin d'alimentation. La puissance délivrée est également contrôlée par le message de puissance redressée. Cela permet de relayer la quantité de puissance que le dispositif corporel reçoit à la sortie de son circuit redresseur. L'émetteur utilise cette information pour déterminer le rendement du couplage et définir si le récepteur atteint sa limite de puissance maximale. Avec des envois toutes les 350 ms à 1800 ms, l'émetteur utilise l'absence de paquet pour déterminer si le dispositif a été retiré du tapis. Le message de puissance redressée contribue également à la détection d'objets étrangers.

Des jeux de puces pour prendre en charge le protocole Qi et contrôler la puissance délivrée font leur apparition. Prenons l'exemple du TB6865AFG de Toshiba pour les émetteurs. Ce composant haute intégration inclut un processeur ARM Cortex-M3 pour exécuter du code personnalisé, et un contrôleur PWM pour prendre en charge un circuit à pont en H pour la distribution de puissance. Le contrôleur peut contrôler la puissance de jusqu'à deux dispositifs, et il prend en charge la détection d'objets étrangers selon les spécifications de la norme Qi.

Le bq51013 de Texas Instruments est conçu pour le côté secondaire, fournissant la régulation et la conversion de puissance CA/CC en conjonction avec le contrôle numérique requis pour envoyer des commandes à l'émetteur. Les membres de la gamme bq5101x utilisent un redresseur synchrone à faible résistance, un régulateur LDO et des contrôleurs de boucles de courant et de tension.

En plus des contrôleurs, les fabricants offrent des bobines prêtes à l'emploi qui prennent en charge le protocole Qi, pour fonctionner comme un émetteur, un récepteur ou les deux. Par exemple, la série AWCCA-50N50 d'Abracon prend à la fois en charge les applications d'émetteur et de récepteur. La bobine affiche un diamètre juste en dessous de 50 mm avec un blindage haute perméabilité pour protéger l'électronique dans le dispositif. Les conceptions offrent un choix de facteurs Q : de l'ordre de 70 ou 160, offrant une résistance ohmique d'environ 20 mΩ ou 70 mΩ, respectivement.

Pour les dispositifs corporels plus petits, TDK propose la bobine WR303050, réduisant la taille du boîtier de bobine à 30 mm x 30 mm avec une épaisseur de seulement 1 mm. La résistance ohmique est de 0,41 Ω à température ambiante.

Le dispositif IWAS-3827 de Vishay Dale fournit des récepteurs avec l'option d'une empreinte rectangulaire plutôt que carrée pour plus de flexibilité de conception, mesurant 38 mm sur son côté long et 27 mm sur le côté court. L'épaisseur est de 1 mm et la bobine offre une résistance ohmique de 0,18 Ω avec un facteur Q typique de 30.


Pour offrir une solution plus intégrée, les dispositifs TMx-66-2M7 et TMx-58-2M7 de TDK peuvent être conditionnés avec une puce de récepteur de TI, pour une longueur totale de 66 mm et une épaisseur de seulement 1 mm.

Des options de charge sans fil supplémentaires sont disponibles chez Würth Electronics qui offre une variété de bobines de charge sans fil séries WPCC et WE-WPCC. Ces bobines sont disponibles en configurations d'émetteur et de récepteur, avec des courants nominaux de 0,8 A à 13 A, et différents formats pour répondre aux besoins des applications. Les concepts et les bénéfices de la charge sans fil peuvent être démontrés en utilisant le kit de démo de puissance sans fil (760308) de Würth/TI doté de bobines d'émetteur et de récepteur de Würth.

Avec l'extension de l'écosystème autour de protocoles tels que Qi, nous pouvons nous attendre à voir apparaître des solutions plus intégrées, pour faciliter la conception de méthode de charge améliorée dans les dispositifs corporels.