Vékony, lapos felépítésük következtében a vezeték nélküli töltők beépíthetők mindennapi tárgyainkba, amit a különféle iparcikkek gyártói ki is használnak. Például: új autók, de még bútorok is tartalmazhatnak rejtett töltőket, és számos okostelefon is fel van már készítve erre a technikára. A felhasználók éle-tét mindez megkönnyíti, megszabadulhatnak a kábelek okozta kellemetlenségektől. A szolgáltatók számára haszonnal jár mindez, a feltöltött telefonok ugyanis potenciálisan magasabb bevételt eredményeznek, ami arra ösztönzi őket, hogy – például – gyors-éttermekben töltőket helyezzenek el.
A Power Matters Alliance és a Rezence-normát kidolgozó Alliance for Wireless Power szervezet közelmúltbeli összeolvadását követően jelenleg két meghatározó szabvány uralja a piacot: a Qi és a Rezence. Mindkettő esetében hasonló nehézségekkel kell megküzdeniük a tervezőknek. Az alábbiakban a Qi példáján keresztül mutatjuk ezt be és hogy hogyan oldhatók meg optimálisan.
A Qi és kihívásai
A Qi szabványú energiaátviteli rendszerek 110 kHz és 205 kHz közötti frekvenciákon üzemelnek és legfeljebb 5 W teljesítmény továbbítására képesek, blokkvázlatuk az 1. ábrán látható.
Működésük négy fázisra bontható: kiválasztás, megszólítás, azonosítás/ konfigurálás és energiatovábbítás. A fejlesztés során két jelenségre kell különösen összpontosítani. Az egyik a rendszer viselkedése abban a pillanatban, amikor egy eszköz a töltőállomás közelébe kerül, ami a kiválasztási és energiaátviteli fázis közötti átmenetet jelenti. A másik az elektromágneses zavarok elemzése, mert a vezérlésre használt, viszonylag gyenge jelek az 5 W-os teljesítményt továbbító, erős elektromágneses térrel egyidejűleg vannak jelen. Mindkét fejlesztési szakaszban a vezérlőfokozatok digitális kommunikációját az adó- és vevőtekercsek jeleivel együtt, időben korreláltan kell vizsgálni. Mindehhez egy oszcilloszkóp és egy alapszintű spektrumanalizátor szükséges. Ezen a ponton használhatják ki a fejlesztők, hogy egyre több funkciót építenek be a műszergyártók az oszcilloszkópokba, melyek képességei igény szerint bővíthetők. Például: az R&S®RTM2000 típusú, többtartományú oszcilloszkóp spektrumanalízist és spektrogramos megjelenítést nyújtó kiegészítéssel is rendelkezik (R&S®RTM-K18 jelű opció). A céláramkörökkel megvalósított digitális lekeverő (DDC) fokozata segítségével, amely a feldolgozandó jeltartományt az elemzendő összetevők sávjára szűkíti le, az analóg bemeneti jelek spektruma gyorsan elemezhető, egyenfeszültségtől a műszer sávszélességéig terjedően. A mérési paraméterek az időtartományban (vizsgálati idő és felbontás), illetve a frekvenciatartományban (középponti frekvencia, frekvenciaátfogás és felbontási sávszélesség) egymástól függetlenül optimalizálhatók.
Az alábbiakban szemléltetjük, hogy e nehézségek milyen módon küzdhetők le gyorsan és elegánsan az R&S®RTM2000 típusú oszcilloszkóppal.
A teljesítményátviteli mechanizmus vizsgálata
Az alapvetően energiatakarékos, készenléti állapotnak megfelelő kiválasztási szakaszban a töltőállomás adója analóg érzékelőjeleket bocsát ki, ily módon figyelve a környezetét (2. ábra).
Ha például az adó az induktív mezőjének megváltozása révén közeli tárgyat érzékel, a rendszer a megszólítási fázisra kapcsol, melyben az adó digitális lekérdezőjeleket sugároz ki. Erre már választ vár, így el tudja dönteni, hogy a közeli objektum egy okostelefon vagy más (fém) tárgy-e. Amennyiben az okostelefon választ küld a megszólításra, a rendszer átlép az azonosítási és konfigurálási fázisba, egyébként pedig a készenléti állapotba tér vissza. Az azonosítási és konfigurálási üzemmódban a töltőállomás és az okostelefon a konfigurálási adatok (például igényelt teljesítmény) alapján először „egyezteti” a teljesítményátviteli „feltételeket”, majd ezt követi egy időkorrelált energiaátvitel.
A szükséges teljesítményszint beállításának módszerére a szabvány, nem tartalmaz megkötéseket de jellemzően háromféle eljárás terjedt el.
- Frekvenciaszabályzás: a rezonanciafrekvencia hangolásával szabályozzák a töltőtekercsben felhalmozott energiát, ezen keresztül pedig az átvitt teljesítményt.
- Kitöltési tényező szabályzása: az inverteren a kitöltési tényezőt a szükséges teljesítményszintnek megfelelően állítják be.
- Feszültségszabályzás: a töltőtekercsre jutó feszültséget szabályozzák.
A szabvány megengedi többféle elv együttes alkalmazását is.
A frekvenciavezérelt eszközök esetében két fő szempontot mindenképpen szem előtt kell tartani. Egyrészt: a teljesítményátviteli „feltételek egyeztetése” során tartani kell a különféle időzítéseket, például a minimális várakozási időt két kommunikációs ciklus közötti, vagy hibás átvitel esetén az energiatovábbítás megfelelően gyors leállítását. Noha ezek az időtartamok viszonylag hosszúak – milliszekundumok nagyságrendjébe esnek –, ha nem tartjuk be őket, az gyakran hibás működést eredményez. Másrészt: a kommunikációra használt, kisebb jelszintű amplitúdóbillentyűzött (ASK) jelek méréséhez széles dinamikatartomány szükséges. Ha egyszer felépült a kapcsolta, a feszültségszintek ingadozásai gyakran összeférhetőségi problémákhoz vezetnek. A hatásfok szempontjából is célszerű betartani az előírt jelszinteket, emellett számos energiahatékonyságra vonatkozó szabvány (például ENERGY STAR) is megköveteli ezt.
Tekercskialakítás és energiahatékonyság optimalizálása
A hatékony töltés biztosításához tisztában kell lenni az fc vivőfrekvencia rezgésszámának és amplitúdójának rendszerre gyakorolt hatásával. Az energiahatékonyságot jelentősen befolyásolják a tekercs tulajdonságai és az anyaga. A spektrumanalízissel és spektrogramos megjelenítéssel kiegészített, R&S®RTM2000 típusú oszcilloszkóp segítségével pontosan megfigyelhető az fc vivőfrekvencia minden jellemzője a „kézfogásos” protokoll során. A műszer széles dinamikatartományának köszönhetően megmérhető a csúcstól csúcsig 20 V-os vivőfrekvenciára ráülő, hozzá képest gyengébb ASK-adás, amint az a 3. ábrán látható.
Az analízishez szükséges időablak ez alapján választható ki. Maga a moduláció leginkább spektrogramon elemezhető, amelyen az amplitúdót különféle színek jelzik, a diagram pedig időben lefutva jelenik meg, így a változások (például kapcsolási műveletek) könnyen észrevehetők rajta. Az R&S®RTM2000 típusú oszcilloszkóp rövid FFT-számítási ideje következtében még a gyors frekvenciatartománybeli változások is nyomon követhetők. Ha a műszert kiegészítették az R&S®RTM-K15 jelű előzmény- és szegmentált memóriakezelő opcióval, a spektrogramra helyezett jelölő a megfelelő adatsor rögzítésének idejét is jelzi, továbbá lehetővé teszi a megfelelő idő- és frekvenciatartománybeli görbék betöltését az oszcilloszkóp mély, 460 mintát tároló memóriájából. A műszer összes elemzőeszköze segítségével feldolgozhatók a betöltött hullámformák. Például: határvonalas kiértékeléssel elegánsan kimutathatók az analóg jelekben fellépő, a hibákra utaló anomáliák.
A 4. ábrán az fc vivőfrekvencia modulációja látható egy Qi-norma szerint működő áramkör teljesítményének beállítása során.
A spektrogram felső negyede a töltőállomás 175 kHz-es készenléti frekvenciáját tartalmazza. Amint a terhelés közelít, fc először 120 kHz-re vált, majd a távolság csökkenésével 205 kHz-re emelkedik. A kék színnel ábrázolt, maximumérték-tartással felvett – azaz a sárgával kirajzolt spektrumképek csúcsértékeiből képzett burkolót ábrázoló – görbe segítségével az amplitúdóváltozások különösen egyszerűen megjeleníttethetők. A tekercs mindezek alapján megfelelően beállítható.
Elektromágneses érzékenység elemzése
Másik fontos feladat a töltőállomás elektromágneses érzékenységének jellemzése. Problémákat okozhat, hogy a nagy töltőtekercs és a hozzá kapcsolódó NYÁK-huzalozás tökéletes antennát alkot. A fejlesztés során elvégzett előzetes vizsgálatokkal kiküszöbölhetők olyan jelenségek, melyek később meglepetéshez vezethetnek az elektromágneses összeférhetőségi tesztek során.
Konkrétan a töltőállomás négy működési állapota közül kettő jelent komoly kihívást. Egyrészt egy kapcsolat felépítése közben, a periodikus megszólítások következtében hullámzás és zaj keletkezhet a NYÁK huzalozásain. Később pedig, teljesítményátvitel közben, a rendszer rezonáns, így érzékenyebb a külső elektromágneses zavarokra, mint a korábbi működési fázisaiban.
Megfelelő közeltéri mérőfejekkel – mint amilyeneket például az R&S®HZ-15 jelű készlet tartalmaz – a NYÁK vezetékezése közvetlenül megvizsgálható, így gyorsan felfedhetők a kialakítás kritikus pontjai (5. ábra).
Akárcsak egy spektrumanalizátoron, a spektrumanalízissel és spektrogramos megjelenítéssel kiegészített oszcilloszkópon is állítható mérés közben a középponti frekvencia, a frekvenciaátfogás és a felbontási sávszélesség, így közvetlenül tanulmányozható a vizsgálandó frekvenciasáv. A gyors lefolyású, szórtan fellépő zavarjelek általában spektrumanalizátorral mutathatók ki. Az R&S®RTM-K18 jelű, digitális lekeverést (DDC) tartalmazó opciónak köszönhetően azonban az R&S®RTM2000 típusú oszcilloszkóppal is felfedhetők ezek az összetevők. Mivel mindezekkel egyszerre időtartományban is figyeli a jeleket a műszer, a különféle jelenségek okai könnyebben behatárolhatók. Az itt ismertetett elemzések alapján – például megfelelő árnyékolás kialakításával – elháríthatók a hibák.
Összefoglalás
Vezeték nélküli töltőrendszerek fejlesztése során egyszerre többféle mérési funkcióra is szükség lehet, mivel ezek az összeállítások rádiófrekvenciás, digitális kommunikációs, teljesítményelektronikai és szabályzóelemeket egyaránt tartalmaznak. Egy többtartományú oszcilloszkóppal – mint amilyen az R&S®RTM2000 is – e vizsgálatok további mérőeszközök bevonása nélkül, könnyedén elvégezhetőek.
