モバイル機器向けのパウエル非接触充電システムの開発に関する技術報告

「Powell」と呼ばれるモバイルデバイス用の非接触充電システムの開発に関する技術的な詳細の多くの要求に関連して、開発自体の進捗状況についてもう少し詳細なレポートを作成することにしました。 このプロジェクトの主な目標は、携帯電話、MP3プレーヤー、デジタルカメラ、GPSナビゲーター、D / Uリモコン、カーアクセサリー、医療機器など、あらゆる電子デバイスに電力を供給するために使用できる共振非接触電力システムを開発することでした。 .d。


はじめに
非接触電力システムを使用すると、家電の信頼性が高まり、使いやすくなります[1-2]。 非接触電力システムで情報を送信する追加機能により、デバイスの検出と識別が可能になり、動作中のデバイスの相対位置を決定することもできます。 送信機の範囲内に受信デバイスが存在しない場合、送信機がMHz帯域信号（高電力、最大10 W）を発する必要はありません。これにより、デバイスで消費されるエネルギーが節約されます。 また、MHz信号の必要な放射電力を設定するために、受信したMHz信号のレベル（受信機と送信機の間の距離）および受信機の数に関する情報を送信することが望ましい。 デバイスの識別は、セキュリティやプライバシーなどの側面が重要な多くの分野で必要です。

ワイヤレス電力伝送によるワイヤレスデータ転送
通信チャネルを介して情報を送信するには、文字のシーケンスであるデジタルメッセージをアナログ信号（時間とともに変化する電圧レベル）に変換する必要があります。 指定された変換は、変調によって実行されます。 逆のプロセスは復調と呼ばれます。
これまで、単一の動作周波数に調整された共振器を使用したエネルギーと情報の共同無線伝送システムが知られています[4、5]。[4]では、単一のアンテナを使用して振幅変調信号を使用する情報およびエネルギー受信機を実現できる可能性が示されています。 [5]で説明されている無線エネルギーと情報の共同伝送システムは、13.56 MHzの周波数で動作し、50％の効率のエネルギーと最大1 Mbpsの速度でのデータの同時伝送を可能にします。 動作原理は、情報信号による搬送周波数の変調に基づいています。
ただし、データとエネルギーをワイヤレスで結合するこの方法を使用すると、振幅変調信号の平均電力が無変調信号よりも小さくなるため、エネルギー転送効率が低下します。 この方法のもう1つの欠点は、1つの周波数のみで動作する1つの共振器を使用して、受信共振器でエネルギーを受信するときに、受信機から送信機に同時に情報を送信できないことです。
[6-8]では、非接触エネルギーおよびデータ伝送システムが検討されました。このシステムでは、2組の共振器を使用して、近くの電磁場での相互作用により伝送が行われます。
このシステムの主な要素は、リング型のマルチターンコイルである受信および送信共振器です（図1）。 エネルギーは約150 kHzの周波数で送信されます。つまり、共振器間の関係は磁場によって保証されます。 形状が異なる複数のフレームの使用に基づいて解決策が提案されました。 この場合、エネルギーと情報の転送に使用される共振器間の相互接続は最小限に抑えられます。

図1-受信および送信共振器の写真

上記のシステムでは、エネルギーと情報の伝達は、近くの電磁場での相互作用によって行われました。 しかし、そのようなシステムにはいくつかの欠点があることがわかりました。 データ交換の速度とエネルギー転送の効率は制限され、さらに、共振器の設計は、エネルギーと情報伝送システム間の十分な分離を提供する必要があるという事実によって複雑になります。
このような困難は、はるかに高い周波数で情報を送信することで回避できます（たとえば、約900 MHzおよび2.4 GHzの標準RFIDまたはWi-Fi範囲）。 より高い周波数を使用すると、データ転送速度が大幅に向上し、エネルギー転送システムによって導入されるノイズレベルが低下します。
このようなソリューションはよく知られており、携帯電話で使用されています。 ワイヤレス充電[9]またはデータ転送[10]は、メガヘルツ範囲で動作する別の共振器を使用して実行されます。 同時に、個別のアンテナ（GSM、Wi-Fiなど）を使用して、データが交換されます。
ただし、データ送信とエネルギー送信に別々のアンテナを使用するには追加のスペースが必要であり、これは現代の携帯機器では非常に限られています。 この問題は、メガヘルツとギガヘルツの2つの周波数範囲で動作する1つの共振器のみを使用することで解決できます。 エネルギーと情報伝送チャネルの周波数分離は、ダイプレクサーを使用して実行されます。

非接触エネルギー転送と組み合わせてデータを送信するためのデュアルバンド共振器
エネルギー転送にメガヘルツ（MHz）帯域を使用し、データ交換にギガヘルツ（GHz）帯域を使用すると、システム間の十分な分離を確保し、データ転送速度を大幅に向上させることができます。
単一の共振器を使用したデータとエネルギーの転送によるシステムの複雑さは、そのサイズを縮小できますが、その後のチャネルの分離のためにマッチング回路とダイプレクサーを備えた2モード共振器を設計する必要があるため、追加の困難が生じます 共振器の動作周波数は互いに離れているため、ダイプレクサとして単純なローパスおよびハイパスフィルタを使用することをお勧めします。
送受信共振器として、高いエネルギー伝達効率（効率）を備えた設計を使用することが決定されました。さらに、ギガヘルツ周波数範囲で送受信アンテナとして効果的に使用できます。
共振器の設計は、電気力学的モデリングを使用して実行されました。
共振器の設計例を図2に示します。

図2-2つの範囲で動作するN = 5での共振器の設計。

切り欠きはらせん状に対称的に作られ、その端に接触パッドが作られます。 パッド間には、インダクタンスL0とコンデンサC0が設定されます。 低周波数でのインダクタンスは短絡に相当し、静電容量はアイドルに相当します。 高周波では、インダクタンスはアイドルに相当し、キャパシタンスは短絡に相当します。
ご覧のとおり、各動作周波数での共振器の提案された設計では、両方のチャネルは他のチャネルの動作周波数で「短絡」しているため、互いに影響しません。 このアプローチにより、回路入力チャンネルを互いに独立して設計できます。

受信および送信共振器の実験サンプルの作成
次に、マッチング回路を備えた受信および送信共振器のトポロジーが提案されました（図3）[11]。
赤い線はプリント回路基板の上層のメタライゼーションに対応し、緑の線は下層のメタライゼーションに対応し、青い線はプリント回路基板の境界に対応します。 灰色のパッドは、表面実装要素と最上層にあるコネクタ用のパッドです。
共振器は誘電体基板上にあります。 基板材料として、FR4が選択されました。

図3-送信共振器のトポロジー。

情報転送に関連した無線電力伝送システムの実験的試験
各共振器に整合回路の要素を取り付けた後、データ伝送とともにワイヤレスエネルギー伝送システムの実験的テストを実施しました。 Agilent E5071Cベクトルネットワークアナライザーを使用して、各共振器チャネルの複素反射係数、およびシステム内の各チャネルの透過係数を測定しました。
2つの調査された範囲での受信共振器の反射係数の測定された周波数依存性を図4に示します。

図4-受信共振器の反射係数の測定された周波数依存性a）エネルギー伝達の周波数で、b）情報伝達の周波数で。

送信共振器も2つの周波数範囲で調査されました。 送信共振器の反射係数の測定された周波数依存性を図5に示します。

図5-送信共振器の反射係数の測定周波数依存性a）エネルギー伝達の周波数で、b）情報伝達の周波数で。
受信共振器と送信共振器の両方のチャネルの動作周波数で、必要な整合レベル（-10 dB）が達成され、整合回路（平衡変圧器）の計算の正確さが確認されます。
システムの透過係数を測定した結果を図6に示します。

図6-共振器間の距離が1.5 cm（実線で表示）、距離が1 cmの2つの共振器のシステムの伝送係数の周波数依存性の測定値。

2.4 GHzの周波数でのデータ伝送チャネルの伝送係数は-25 dBのレベルを超えています。これは、データを送信するときに約0 dBm（1 mW）のはるかに低い信号電力が放出されるため、最新のデジタルデータ伝送システムの信頼できる受信には十分すぎるレベルですエネルギー転送時の電力（最大10 W）およびデジタルレシーバーの感度は最大80 dBmです。
システムのエネルギー伝達係数の測定値は-3 dBでした。 たとえば、13.56 MHzの周波数での整合レベルは約-10 dBであり、要件を満たしていることに注意してください。 実質的に反射損失を排除するより良い一致が達成された場合、効率は共振器間の距離が1.5 cm以下で少なくとも70％になります。
ワイヤレス充電システムのデモを図7に示します。発電機1からの高調波信号は送信モジュール2に送られます。受信モジュール3では、EMF変数が誘導され、ショットキーダイオードによって整流され、LEDに電力を供給します。

図7開発した共振器を使用したワイヤレス充電システムの動作を示す写真。

また、市販のスマートフォンで使用するために開発されたワイヤレス充電システムのデモもありました。 図8は、Samsung Galaxyスマートフォンの充電プロセスを示しています。

図8開発したプロトタイプの非接触充電システムでSamsungスマートフォンを充電する写真。

おわりに
この記事で説明されている開発段階で、非接触エネルギー転送とともにデータ転送を実装する可能性が調査されました。 研究の結果に基づいて、技術的解決策のさらなる開発のために、このタイプのシステムは最小の寸法を持ち、高いデータ転送速度を提供するため、2つの非多重動作周波数でのエネルギー伝達と情報交換に1つの共振器を使用するシステムが選択されました。
非接触エネルギー伝送と同時にデータ伝送を実行するために、受信および送信共振器の2バンド設計が開発されました。 動作範囲内の共振器の入力インピーダンスを供給ラインのインピーダンスと一致させる電気回路が開発されました。 提案されている共振器の設計により、エネルギーと情報伝送のチャネルが互いに影響することがなくなります。
実験用の共振器サンプルが作成されました。 測定の結果、共振器のマッチングレベルと、2つの動作範囲でのシステムの効率が測定されました。
現在、情報の伝送と連携したエネルギー伝送システムの開発が続いています。
レポート作成者：開発チーム。

参照資料
[1]ワイヤレス電気が日常製品をより便利で信頼性が高く、環境に優しいwitricity.comにする未来を想像してください。
[2] Didenko A.N. 「マイクロ波エネルギー：理論と実践」、モスクワ：ナウカ、2003-446 p。
[3] Sklyar B.「デジタル通信。 理論的基礎と実用化」、Per。 英語から -M .:ウィリアムズ出版社、2003-1098 c。
[4]ウーCT。 M.ワイヤレス/データ伝送/ CT用のシンプルなセルフパワードAM復調器。 M.ウー、JSサン、およびT.伊藤// Proc。 第42回欧州マイクロ波会議-2012-P. 133-137。
[5]埋め込み型バイオマイクロシステム/ GB向けの無線電力およびデータ伝送回路のHmida GB設計Hmida H. GhairaniおよびM. Samet //バイオテクノロジー-2007。-V.6-P.153-164。
[6] Bieler T.非接触電力および情報伝送/ T. Bieler、M。Perrottet、V。Nguyen、およびY. Perriard //産業アプリケーションに関するIEEEトランザクション-2002-V.38-N.5-P.1266- 1272。
[7] Rathge C.特殊なコイル形状の高効率誘導エネルギーおよびデータ伝送システム/ C. Rathge、D。Kuschner、// Proc。 13回欧州会議-パワーエレクトロニクスとアプリケーション-2012-P.1-8。
[8] Dionigi M.無線電力伝送および近距離場磁気通信用のマルチバンド共振器/ M. Dionigi、M。Mongiardo // Proc。 革新的なワイヤレス電力伝送に関するマイクロ波ワークショップシリーズの概要：技術、システム、およびアプリケーション（IMWS）-2012-P.61-64。
[9]ワイヤレス充電、 www.nokia.com / en-us / products / wireless- charging
[10]対馬T.近距離無線通信アンテナおよびモバイルデバイス//欧州特許出願-2008-EP1976055。
[11] AVR2004：AT86RF230用のLCバラン。 Atmelアプリケーションノート。 2004年7月。