Langaton lataaminen on kätevää ja siihen on olemassa suosittu Qi-standardi. Sen rinnalle on nousemassa NFC-lataus, joka sopii paremmin pienitehoisten laitteiden lataamiseen.

Langaton lataus on nyt kovassa myötätuulessa. Trendiä on johtanut Wireless Power Consortiumin Qi-latausstandardi, joka on yleisin tekniikka älypuhelinten langattomaan lataamiseen. Vauhti kiihtyy, kun yhä useammat latauspaikat, kuten uusien autojen keskikonsoli, kodinkoneet tai kaupat, tarjoavat kätevän langattoman latauksen yhteensopiville laitteille.

Tämän seurauksena kuluttajien hyväksyntä ja tietämys kasvavat, minkä johdosta muun tyyppisten laitteiden valmistajat tutkivat langattoman latauksen mahdollisuuksia.

Kuluttajalaitteiden valmistajat ovat nyt valmiita arvioimaan vaihtoehtoisia tekniikoita langattoman latauksen toteuttamiseksi pienessä koossa. Perinteisen laturin korvaamisella langattomalla latauksella on paljon etuja:

• Parempi luotettavuus: jokainen langallinen yhteys on mahdollinen vikaantumispiste. Pienet liittimet ovat erityisen alttiita vaurioille mekaanisissa rasituksissa, kuten taivutuksessa.
• Lisääntynyt suunnitteluvapaus: kuluttajien ja puettavien laitteiden pinta-ala on rajoitettu. Suunnittelija voi optimoida laitteen muodon ja sen pintojen käytön, kun heidän ei tarvitse sijoittaa liitintä.
• Korkeamman IP-luokituksen saavuttaminen on helpompaa. Poistamalla mekaaniset liitännät valmistajat voivat estää epäpuhtauksien, kuten veden, hien ja pölyn pääsemisen laitteen sisään.

Eri syistä Qi-tekniikka soveltuu huonosti hyvin pienten tai puettavien laitteiden, kuten fitness-rannekkeiden, langattomien kuulokkeiden tai älylasien lataamiseen. Yksi ilmeisen ihanteellisista vaihtoehdoista on NFC eli teknologia kontaktittomien maksujen ja lipunmyynnin takana. Tämä siksi, että toinen NFC:n ominaispiirteistä on tiedonsiirron ohella energiankeruu eli vastaanottimen (kuuntelijan) kyky generoida energiaa lukulaitteen lähettämästä signaalista.

Tämä tarkoittaa, että kaikkia NFC-yhteensopivia laitteita, joilla on energiankeruukyky, voidaan ladata langattomasti ilman erillistä antennia ja muita komponentteja. Lisäksi langaton NFC-lataus, toisin kuin muut lataustekniikat, ei vaadi laturin ja vastaanottimen antennien täydellistä kohdistusta. NFC-laturi toimii korkealla hyötysuhteella laturipuolella, vaikka jopa puolet antennien koosta olisi väärin asemoitu.

Huolimatta siitä, että NFC löytyy lähes jokaisesta älypuhelimesta – eli ne voisivat toimia latausasemana muille pienemmille laitteille - NFC-lataus on toteutettu vain harvoissa pienissä laitteissa. Tämä johtuu siitä, että lähettimen teho - tyypillisesti 1 W ja 1,5 W antennissa - rajoittaa mahdollisuuden ladata laitteita, joilla on suurempi akun kapasiteetti tai pienempi NFC-antenni.

Nyt NFC-järjestelmäsuunnittelun läpimurto lupaa kuitenkin kaksinkertaistaa NFC-yhteyden kautta toimitettavan tehon ja vähentää samalla komponenttien lukumäärää, materiaalikustannuksia ja järjestelmän kokoa. Tässä artikkelissa kuvataan, kuinka tämä nopea NFC-lataaminen voi vaikuttaa uusien kulutustuotteiden suunnitteluun.

NFC täydentää Qi-latausta

Qi-lataus on osoittautunut menestyksekkääksi tekniikaksi laitteille kuten älypuhelimille, joissa on suuri akku - tyypillisesti 3000 mAh tai enemmän - ja jotka sen vuoksi vaativat Qi:n tarjoaman yli 15 watin tehon. Itse asiassa WPC tukee aktiivisesti pyrkimyksiä laajentaa Qi:n teholuokitusta niin, että sillä voitaisiin ladata langattomasti myös suurempia laitteita, kuten tabletteja ja kannettavia tietokoneita.

Mutta Qi-tekniikan elementit, jotka tekevät siitä sopivan käytettäväksi näissä suuritehoisissa sovelluksissa - kuten vaatimus suurelle antennille vastaanottimessa - tekevät siitä sopimattoman käytettäväksi pienemmissä tuotteissa kuten puettavissa laitteissa. Kun ladattu laite tarvitsee 15 watin tehon sijaan 1 watin tehon, Qi-järjestelmä on yleensä liian iso ja liian kallis. Se tarjoaa myös vain rajoitetun tiedonsiirtokyvyn.

NFC on sitä vastoin ihanteellinen tekniikka langattomien laitteiden lataamiseen, joissa joustavuus on keskeinen tekijä:

• Markkinoilla on valtava miljardien NFC-yhteensopivien laitteiden armada, joten tekniikka on tuttua sekä kuluttajille että suunnitteluinsinööreille. Useimmat älypuhelimet voisivat toimia NFC-laitteiden laturina.
• NFC-tekniikka tukee kaksisuuntaista viestintää. Käytetyn tiedonsiirtoprotokollan ja etälaitteen ominaisuuksien mukaan NFC-laitteet tukevat jopa 848 kt/s tiedonsiirtonopeutta. Jos NFC-tekniikkaa käytetään joka tapauksessa laitteen viestinnän tekniikkana, langaton lataus voi parantaa tuotteen ominaisuuksia ja kuluttajien houkuttelevuutta ilman ylimääräisiä materiaalikustannuksia.
• NFC mahdollistaa lähettimen ja vastaanottimen antennien väärän kohdistamisen heikentämättä tehonsiirron tehokkuutta.
• NFC mahdollistaa pienikokoisen toteutuksen pienemmällä antennilla sekä lähettävässä että vastaanottavassa laitteessa.

NFC-toteutus ei ole monimutkaista: latausominaisuudet on rakennettu NFC-foorumin standardiprotokolliin. NFC:n langattomassa lataustilassa (Wireless Charging) RF-kentän voimakkuutta voidaan lisätä maksimoimaan virransiirtokyky kahden yhteensopivan laitteen välillä.

Miksi NFC-lataus on edistynyt hitaasti?

NFC: tä käytetään nykyään vähän langattomaan lataamiseen lähinnä siksi, että NFC-lähettimet perustuvat perinteiseen arkkitehtuuriin, joka rajoittaa lähettimen antennin tehon alle 1,5 wattiin. Tässä arkkitehtuurissa NFC-lähetin tuottaa neliöaaltolähtösignaalin (katso kuva 1).

Kuva 1: Langattomien latureiden NFC-lähettimien perinteinen arkkitehtuuri (kuva: Panthronics).

Tämä neliöaaltorakenne on houkutteleva valinta NFC-komponenttien valmistajille, koska se on helppo toteuttaa piireillä. Neliöaaltolähdön on kuitenkin oltava muotoiltu siniaalloksi antennilähetystä varten, jotta vältetään raja-arvot ylittävien sähkömagneettisten säteilyjen syntyminen. Tämä edellyttää useista ulkoisista komponenteista koostuvan EMC-suotimen (sähkömagneettinen yhteensopivuus) käyttöä.

Tästä johtuen NFC-latauksessa on kaksi tärkeää haittapuolta:

• Suuret tehohäviöt lähettimen EMC-suotimessa vähentävät tehoa ja sen seurauksena tulotehoa vastaanotossa.
• EMC-suotimen erillisten komponenttien toleransseista johtuva antennin suurempi yhteensopiva impedanssi rajoittaa NFC-lähettimen lähtötehokykyä.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että nykypäivän langattomissa latauslaitteissa käytetyissä tavanomaisissa NFC-lähettimissä lähtöteho on rajoitettu enimmillään 1,5 wattiin ja vastaanotossa 500 milliwattiin. Tällä alhaisella tehotasolla laitteen latausajasta tulee liian pitkä.

Onneksi on olemassa toinen tapa - ja sen vetovoima on seurausta dramaattisesti toisenlaisen arkkitehtuurin käyttöönotosta lähettimessä ja vastaanottimessa.

Täysin uudessa arkkitehtuurissa on siniaaltolähtö

Uusi arkkitehtuuri, joka perustuu Panthronicsin patentoimaan piitoteutukseen, tuottaa siniaaltolähdön lähettimen nastassa (katso kuva 2). Tämän seurauksena NFC-piiri ei vaadi häviöllistä EMC-suodatinta ja mahdollistaa siten suoran antenniyhteyden (DiRAC) lähettimen nastasta.

Kuva 2: Panthronicsin PTX100W-lähettimessä toteutettu siniaaltoarkkitehtuuri ei vaadi EMC-suodinta ja vain vähän antennin sovituskomponentteja (kuva: Panthronics).

Tämän arkkitehtuurin tärkeimmät edut ovat kuin peilikuva perinteisten NFC-ohjainten haitoista:

• Häviöt vähenevät, koska EMC-suodatin ja useimmat impedanssia yhteensovittavat komponentit eliminoidaan.
• Koska siniaaltopiiri eliminoi useita laajan toleranssin kondensaattoreita ja induktoreita, voidaan käyttää paljon pienemmän impedanssin antennin sovituspiiriä, mikä kasvattaa lähettimen lähtötehoa.
• Komponenttien määrän vähentäminen yksinkertaistaa myös järjestelmän sovittamisen ja eliminoi variaation tuotantokappaleissa, mikä johtuu sovituskomponenttien suurista toleransseista.
• Homogeeninen kerätty tehonsyöttö tilavuuden funktiona.
• Jatkuvasti optimoitu järjestelmän sovitus siirtymän funktiona.

5 voltin syötöstä toimiva Panthronicsin PTX100W-piiriin perustuva NFC-laturi voi syöttää jopa 2,5 watin tehon antennissa. Yksi tärkeimmistä syistä, miksi Panthronics-arkkitehtuuri pystyy ylläpitämään enemmän tehoa kuin perinteinen NFC-arkkitehtuuri, on alempi antennin sovitusimpedanssi. Tämä voidaan saavuttaa piirissä, jossa ei ole EMC-suodinta. PTX100W-pohjainen sovellus voidaan suunnitella antennilla, jonka impedanssi on alle 5Ω, kun taas EMC-suotimella impedanssi olisi vähintään kaksi kertaa korkeampi.

Tärkeää on, että EMC-suotimen ja muiden ulkoisten komponenttien poistaminen säästää myös korttialaa. Tämä vähentää ladattavan laitteen kortin kustannuksia, kokoa ja monimutkaisuutta. Puettavien laitteiden valmistajien kannalta tämä on arvokas etu.

PTX100W:n latauskyky on osoitettu seuraavissa sovellusesimerkeissä.

1. Älykelloon integroitu latauspiiri

Lataavan laitteen kortti sisältää PTX100W-piirin. Lataavan ja vastaanottavan laitteen antennien mitat tekevät niistä sopivia integroitavaksi älykelloon tai aktiivisuusrannekkeeseen (katso kuva 3).

Kuva 3: Panthronicsin demonstraatiopiiri NFC-lataukseen älykellossa.

Näissä olosuhteissa PTX100W pystyy siirtämään jopa 1 watin tehon ladattavan laitteen akkuun (mitattuna ladattavan laitteen kortin tehoanturista). Laitteiden antennien väärällä kohdistuksella on pieni vaikutus siirrettyyn kokonaistehoon.

2. Nappikuulokkeiden NFC-lataus

Tässä sovelluksessa antennin mitat ovat paljon pienemmät, mikä vähentää siirretyn tehon kokonaismäärää. Kun käytetään lataukseen PTX100W-piiriä, nappikuulokkeen akun vastaanottama teho näkyy kuvassa 4. Vaikka kahden antennin välisen etäisyyden olisi 5 millimetriä, nappikuulokkeen antenniin siirretty teho ylittää silti tyypillisen akun lataamiseen käytetyn maksimitehon.

Kuva 4: Nappikuulokkeen akun NFC-latauksen demonstraatiopiiri. Kaavio näyttää tehonsiirron vähenemisen, kun laitteiden antennit eivät kohdistu oikein.

Lisääntynyt lähetinteho mahdollistaa nopean NFC-lataamisen

Uudella PTX100W NFC -latausohjaimella Panthronics tarjoaa ratkaisun, joka tarjoaa erinomaisen tehon innovatiivisen siniaaltoarkkitehtuurinsa ansiosta (katso kuva 5). Kuluttajalaitteiden valmistajat ovat toistaiseksi olleet hitaita ottamaan käyttöön langatonta NFC-latausta, koska pienenkin akun lataamiseen tarvitaan kauan aikaa, mutta PTX100W ratkaisee ongelman antamalla antennille jopa 2,5 watin lähtötehon. Näin tyypillinen latausaika akuille, joiden kapasiteetti on enintään 400 mAh, lyhenee alle kolmeen tuntiin, mikä täyttää valmistajien tavoitteet.

Kuva 5: PTX100W mahdollistaa kompaktin ratkaisun NFC-lataukselle pienissä elektroniikkalaitteissa (kuva: Panthronics).