Демонстрационная система беспроводной передачи энергии от EPC

На портале Унитера периодически появляются новости о системах беспроводной передачи энергии от разных компаний. При этом, они зачастую строятся на базе нитрид-галлиевых транзисторов от EPC. На этот раз в статье будет рассмотрен демонстрационный набор системы беспроводной передачи энергии EPC9511 от самой EPC. EPC9511 будет интересен разработчикам по нескольким причинам. Во-первых, он представляет собой законченную платформу для беспроводной передачи энергии. Во-вторых, EPC9511 поддерживает наиболее популярные стандарты Qi/PMA и AirFuel™. В-третьих, силовой передатчик EPC9511 использует новые транзисторные сборки EPC2107.

EPC9511 – демонстрационный набор беспроводной передачи энергии от EPC

Рис. 1. EPC9511 – демонстрационный набор беспроводной передачи энергии от EPC

Существует несколько подходов к организации беспроводной передачи энергии. По этой причине сейчас на рынке присутствуют устройства, выполненные по различным стандартам. Наиболее популярными среди них являются AirFuel™ и Qi/PMA.

Стандарт AirFuel™ предполагает использование в качестве передатчиков резонансных систем с частотами 6,78 МГц. Силовые транзисторы таких преобразователей работают в режиме переключений с нулевыми токами. Это обеспечивает минимум динамических потерь. Сложность реализации резонансных систем заключается в необходимости четкого согласования параметров преобразователя и нагрузки. Ярким примером реализации резонансной технологии являются продукты компании WiTricity, много раз освещавшиеся в новостях на портале Унитера.

Еще один стандарт Qi/PMA предполагает использование передатчиков, в которых силовые ключи работают в режиме жестких переключений при ненулевых токах. Очевидно, что динамические потери в таких системах достаточно велики, по этой причине рабочая частота коммутации для них не очень высока и составляет 165 кГц. В результате пиковая передаваемая мощность оказывается ниже, чем у AirFuel, но с другой стороны схемотехническая реализация передатчика для Qi/PMA также упрощается.

Демонстрационный набор EPC9511, предлагаемый компанией EPC, поддерживает оба стандарта. При работе в режиме Qi/PMA выходной каскад автоматически переключается на рабочую частоту 165 кГц и выходной мощностью 5 Вт. При обнаружении приемника AirFuel силовой полумост переходит в резонансный режим с частотой коммутаций 6,78 МГц и выходной мощностью до 10 Вт.

Чтобы позволить разработчикам ознакомиться с работой в рамках каждого из стандартов, набор EPC9511 включает сразу четыре модуля:

  • плата универсального усилителя беспроводного передатчика энергии (рис. 2);
  • плата катушки передатчика (рис. 2);
  • плата приемника AirFuel с мощностью до 10 Вт (рис. 3);
  • плата приемника Qi/PMA с мощностью до 5 Вт (рис. 3).

Плата универсального усилителя и катушки беспроводного передатчика энергии

Рис. 2. Плата универсального усилителя и катушки беспроводного передатчика энергии

Платы приемников беспроводной энергии

Рис. 3. Платы приемников беспроводной энергии

Очевидно, что с точки зрения сложности реализации для разработчиков более интересна плата универсального усилителя EPC9511 (рис. 2). Она включает три основных блока (рис. 4):

  • Мощный усилитель класса D, построенный на базе силовых 100 В транзисторных сборок EPC2107. Управление полумостом осуществляется с помощью хорошо знакомого драйвера LM5113TM от Texas Instruments;
  • SEPIC-регулятор на базе 100 В транзисторов EPC2036 с сопротивлением открытого канала 65 мОм. Эти же транзисторы используются в цепях согласования импеданса;
  • Контроллер управления, построенный на базе 100 В транзисторов EPC2038 и управляющий режимами работы усилителя.

Блок-схема универсального усилителя из набора EPC9511

Рис. 4. Блок-схема универсального усилителя из набора EPC9511

Как видно из блок-схемы, управляющий контроллер отслеживает значения нескольких параметров системы:

  • амплитуду тока в катушке передатчика,
  • напряжение питания усилителя класса D,
  • входную мощность усилителя класса D.

С учетом этих параметров осуществляется управление работой SEPIC-регулятора, питающего усилитель, и управление цепями согласования импеданса. При этом одновременно учитывается только один из перечисленных параметров. Наибольший приоритет имеет напряжение питания усилителя, затем входная мощность усилителя, и в последнюю очередь учитывается выходной ток катушки передатчика. Для индикации используемого режима на плате усилителя расположены светодиоды. Красный светодиод информирует о работе усилителя при максимальном входном напряжении. Желтый светодиод сигнализирует о нахождении в режиме ограничения мощности. Зеленый светодиод сообщает об использовании режима ограничения тока  катушки.

Параметры питания усилителя зависят от типа приемника. Если обнаружен приемник стандарта AirFuel, то используется напряжение питания 66 В и выходной ток до 580 мА (ср.кв). При работе с приемником Qi/PMA используется напряжение питания усилителя 26 В и ток до 1500 мА (ср.кв.).

За формирование напряжения питания отвечает SEPIC-преобразователь с диапазоном входных напряжений 17…24 В. Однако он может быть отключен за счет разъединения дополнительной перемычки. При этом питание усилителя осуществляться напрямую от внешнего источника (рис. 5).

Подключение и отключение SEPIC-регулятора на плате усилителя из набора EPC9511

Рис. 5. Подключение и отключение SEPIC-регулятора на плате усилителя из набора EPC9511

На плате усилителя передатчика дополнительно расположены генераторы (6.78 МГц ± 678 Гц и 165 кГц), драйверы, светодиоды индикации, система обнаружения просадки входного напряжения.

Стоит отметить, что инженеры компании EPC максимально используют преимущества транзисторной сборки EPC2107 (рис. 6). Структура EPC2107 включает сразу три транзистора: Q1 и Q2 объединены в полумост, а Q3 является независимым. Полумост из Q1 и Q2 является основным элементом усилителя класса D. Для управления этими транзисторами используется драйвер LM5113TM от Texas Instruments. При этом для создания синхронной бутстрепной схемы применяется транзистор Q3 той же сборки EPC2107.

 Использование транзисторной сборки EPC2107 от EPC

Рис. 6. Использование транзисторной сборки EPC2107 от EPC

Транзисторы в сборке EPC2107 имеют одинаковый рейтинг напряжения 100 В, но различную нагрузочную способность. Максимальный постоянный ток для Q1 и Q2 составляет 1,7 А, а импульсный достигает 3,8 А. В то время как для Q3 постоянный и импульсный ток составляет 0.5 А, чего вполне достаточно для описанного выше приложения.

В конце статьи хотелось бы еще раз отметить, что производители систем беспроводной передачи энергии достаточно часто используют продукты компании EPC (рис. 7). Кроме автомобильных решений компания Witricity выпускает зарядные устройства для смартфонов и даже ноутбуков. За последнее время компании GiII и Solace Power предложили сразу несколько концептов систем зарядки портативных устройств. Очевидны перспективы использования нитрид-галлиевых ключей EPC в игрушках, например, квадрокоптерах.

Тем не менее, автору данной статьи кажется, что технологии беспроводной передачи энергии еще не дошли до по-настоящему важных приложений. Существует огромное количество устройств, у которых есть проблемы с нарушением герметизации при смене элементов питания. Процесс герметизации всегда достаточно сложен, и повторять его каждый раз при замене батареек весьма проблематично. Это касается, например, автономных промышленных датчиков и датчиков для нефтегазовой отрасли. Если же речь идет о перезаряде сразу множества сенсоров, то беспроводные системы могут значительно упростить данный процесс, так как на одном зарядном столе можно располагать сразу несколько датчиков.

Примеры использования транзисторов от EPC в системах беспроводной передачи энергии

Рис. 7. Примеры использования транзисторов от EPC в системах беспроводной передачи энергии

Характеристики демонстрационного набора  EPC9121 Rev. 1.0:

  • Стандарты беспроводной передачи мощности: Qi/PMA, AirFuel™;
  • Состав набора: плата усилителя, плата катушки, приемный модуль Qi/PMA, приемный модуль Category3 AirFuel™;
  • Выходная мощность: 10 Вт (AirFuel), 5 Вт (Qi/PMA).

Характеристики транзисторной сборки EPC2107:

  • Конфигурация: полумост (Q1 и Q2) и дополнительный N-MOSFETQ3;
  • Рейтинг напряжения: 100 В (для всех транзисторов);
  • Постоянный ток: 1,7 А (Q1 и Q2), 0,5 А (Q3);
  • Импульсный ток: 3,8 А (Q1 и Q2), 0,5 А (Q3);
  • Пороговое напряжение: 1,4 В (типовое);
  • Максимальное сопротивление открытого канала: 320 мОм (Q1 и Q2), 2,8 Ом (Q3);
  • Диапазон рабочих температур: −40…150°C;
  • Корпусное исполнение: 1,35 x1,35 x0,815 мм.
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LM5113TMX/NOPB
LM5113TMX/NOPB
Texas Instruments
Арт.: 1086164 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 1141 шт.
Выбрать
условия
поставки
3 100 V 1.2-A / 5-A, Half-Bridge Gate Driver for Enhancement Mode GaN FETs
LM5113TMX/NOPB от 229,11
1141 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
EPC2107ENGRT
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 1938352 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Транзисторная сборка состоит из трех транзисторов: Q1 и Q2 объединены в полумост, а Q3 является независимым. Полумост из Q1 и Q2 - основной элемент усилителя класса D. Для управления этими транзисторами используется драйвер LM5113TM от Texas Instruments. При этом для создания синхронной бутстрепной схемы применяется транзистор Q3 той же сборки EPC2107.
EPC2107ENGRT
-
Поиск
предложений
EPC9121
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2177658 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Мультипротокольный оценочный набор EPC9121.В состав набора EPC9121 входит передатчик EPC9511, который отличается от остальных передатчиков возможностью работы в двух режимах: AirFuel и Qi/PMA.
EPC9121
-
Поиск
предложений
EPC9511
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2177663 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Демонстрационный набор системы беспроводной передачи энергии. Поддерживает наиболее популярные стандарты Qi/PMA и AirFuel™. Силовой передатчик EPC9511 использует новые транзисторные сборки EPC2107.
EPC9511
-
Поиск
предложений
EPC2036
EPC2036
Efficient Power Conversion (EPC) Corporation
Арт.: 2200747 ИНФО PDF RD
Поиск
предложений
100 В транзистор EPC2036 с сопротивлением открытого канала 65 мОм. 
EPC2036 от 132,28
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()