Langattomasta lataamisesta on tulossa keskeinen osa kannettavan elektroniikan ominaisuuksia. Analyytikot ja yritykset uskovat, että iso osa kuluttajista haluaa ladata laitteensa langattomasti latausalustoilla kaikkialla kodista lentokentille ja autoihin.

Artikkelin kirjoittaja Julius Sarkis toimii Integrated Device Technologyllä kulutuselektroniikan tuotteiden markkinoinnista vastaavana johtajana. Hän aloitti elektroniikkauransa Vishey-Siliconixilla vuonna 1990. Vuosina 1993-1996 hän työskenteli Integrated Circuit Systemillä sovellussuunnittelijana, jonka jälkeen oli vuorossa kahden vuoden pesti Fairchild Semiconductorila. Vuonna 2001 Julius siirtyi vastaamaan tuotemarkkinoinnista Advanced Analogic Technologiesille. IDT:n palvelukseen hän tuli vuonna 2009 Semtechiltä. Juliuksella on elektroniikkainsinöörin tutkinto San Francisco Statesta.

Langattomasta latauksesta odotetaan seuraavaan suurta juttua tämän päivän energiasyöpöille kännyköille ja tableteille. Analyytikkojen mukaan markkinat kasvavat seuraavan neljän vuoden kuluessa hieman yli 200 miljoonasta dollarista 8,5 miljardiin dollariin. Tämä ei olisi mahdollista ilman lisääntyvää puolijohdeintegraatiota.

Langattomasta lataamisesta on tulossa suosituin tapa ladata mobiililaitteet kuten älypuhelimet, tabletit ja niiden väliin asettuvat uudet phabletit. Kun käyttäjien pitää yhä enemmän ladata laitteitaan myös päivän aikana, jotta jatkuva nettiyhteys, teräväpiirtopelaaminen, videon striimaaminen ja GPS-navigointi onnistuisi, lataamisesta ilman johtoja tulee normaali käytäntö.

Laitteen lataaminen vain asettamalla se ulottuvilla olevalle latausalustalle tuo mobiililaitteiden käyttäjille helpotusta, mutta tähän asti langattomat latausjärjestelmät ovat tyypillisesti olleet uusia lisälaitteita, eikä niitä ole nähty vakavasti perinteisten laturien ja kaapelien vaihtoehtona. Järjestelmät ovat hankalia ja kookkaita ja usein kännykkä on esimerkiksi pitänyt laittaa lataustaskuun ennen asettamista alustalle. Lisäksi näissä järjestelmissä on käytetty asiakaskohtaista tekniikkaa, joka estää yhteensopivuuden eri valmistajien laitteiden välillä. Myyntihinnat ovat vielä olleet aika korkeita: latausalusta on maksanut 80-100 dollaria ja tasku 30-40 dollaria kappale. Tämän seurauksena myyntilukemat ja markkinapenetraatio ovat jääneet heikoiksi.

Tämä kaikki on kuitenkin muuttumassa. IHS Technologyn viimevuotisen Wireless Power Reportin mukaan langattomien latauslähettimien ja vastaanottimien markkinat kasvavat vuoden 2013 noin 216 miljoonasta dollarista aina 8,5 miljardiin dollariin vuonna 2018. Lisäys on lähes 40-kertainen.

Uutuudesta välttämättömyyteen

IHS:n luottamus langattoman lataamisen tulevaisuuteen perustuu useisiin tekijöihin. Yksi niistä on se tosiseikka, että johtavat yritykset ovat yhdessä kehittäneet tarvittavat standardit latausjärjestelmien ja mobiililaitteiden yhteensopivuuden saavuttamiseksi. Näihin kuuluu ohjelmisto- ja komponenttifirmoja, älypuhelinvalmistajia ja verkko-operaattoreita.

Standardeja kehittävien puolijohdevalmistajien joukossa IDT eli Integrated Device Technology kuuluu WPC- (Wireless Power Consortium) ja A4WP-järjestöjen (Alliance for Wireless Power) johtokuntaan. Sillä on myös läheinen suhde PMA-järjestöön (Power Matters Alliance). Nämä vastaavat langattoman lataamisen keskeisten standardien kehityksestä. Alkuvuonna 2014 PMA liittyi mukaan A4WP-järjestöön.

Langattoman virran ekosysteemissä on kaksi teknologista lähestymistapaa: magneettinen induktanssi ja magneettinen resonanssi. WPC- ja PMA-ryhmittymät keskittyvät ensimmäiseen, kun A4WP-järjestö ajaa magneettiseen resonanssiin perustuvia standardeja. Jotkut induktanssiin pohjaavat ratkaisut ovat jo volyymituotannossa, kun resonanssiratkaisut ovat vasta siirtymässä siihen vaiheeseen.

Kahden lähestymistavan yksinkertainen vertailu paljastaa niiden keskeiset rot sovelluksissa magneettinen resonanssi edellyttää läheistä liitäntää ja saavuttaa parhaan tehonsa, kun poikkeama oikeasta x/y-sijainnista on mahdollisimman pieni. Magneettinen resonanssi sen sijaan antaa enemmän vapautta, mutta se ei pysty vastaamaan induktanssipohjaisen lataamisen huipputehoihin.

Kuva 1. Magneettiseen induktioon pohjaavat tekniikat saavuttavat parhaan tehonsa, kun lähetin ja vastaanotin ovat lähellä toisiaan. Magneettisessa resonanssissa ei voida saavuttaa samaa tehoa, mutta toisaalta teho ei putoa niin nopeasti piirien etäisyyden kasvaessa.

WPC-järjestö on julkistanut pienitehoisen Qi-standardin, joka määrittelee liitännän kontaktoimattomalle tehonsiirrolle lähettimen ja vastaanottimen välillä, sekä tätä tukevat suorituskykyvaatimukset ja yhteensopivuustestien määritykset. Kaikkien Qi-logoa kantavien laitteiden taataan olevan WPC-määritysten mukaisia ja siten yhteensopivia. Samoin PMA:n merkintä yhteensopivuudesta löytyy niistä laitteista, jotka ovat PMA-määritysten mukaisia. Standardien kehityksessä uusin vaihe on IEEE-järjestön WPCS-WG-työryhmän (Wireless Power and Charging Systems Working Group) hanke, jossa kehitettään langattoman lataamisen ja latausjärjestelmien IEEE P2100.1-standardia. Se tulee määrittelemään standardit sekä lähteelle että ladattavalle laitteelle. Vaikka IEEE:n standardi keskittyy tällä hetkellä induktiiviseen lataamiseen, muita tekniikoita voidaan myöhemmin sisällyttää siihen.

Parempi yhteensopivuus on elintärkeää monien oletettujen käyttötapojen onnistumisen kannalta, kuten lataaminen ajoneuvoissa, julkisissa tiloissa kuten matkakeskuksissa, kahviloissa ja urheiluareenoilla, sekä työpaikoilla. Kotona kyky ladata perheen kaikki laitteen yhdellä alustalla tuo mahdollisuuden päästä eroon rumista latureista ja piuhoista, mikä samalla vapauttaa monia sähköpistokkeita muuhun käyttöön.

Kun standardien luottavuus paranee, laitetuen kannalta tärkeä riittävän suuri määrä yrityksiä pystyy sitoutumaan latausprojekteihin. Autonvalmistajien tiedetään olevan kiinnostuneita langattoman lataamisen mahdollisuuksista, jotta kaapeleista auton sisällä päästäisiin eroon. Jotkut tunnetut valmistajat ovat jo esitelleet ratkaisujaan autonäyttelyissä ja esimerkiksi kulutuselektroniikan CES-tapahtumassa Las Vegasissa. Joissakin projekteissa on jo ladattu langattomasti auton takapenkin viihdejärjestelmiä sekä katon valaisinpaneeleja. Latausalustoja voidaan myös istuttaa esimerkiksi pöydänkanteen, muihin huonekaluihin tai vaikkapa työpöydän lamppuun.

Myös esimerkiksi kahvilaketjut ovat halunneet tarjota asiakkailleen langatonta latausmahdollisuutta vierailun aikana. Starbucks aloitti jo viime kesänä latauspisteiden asentamisen San Franciscon Bay-alueella yhdessä Duracell Powermatin kanssa. Yksi tunnettu operaattori asensi langattomia latauspisteitä ympäri osastoansa Mobile World Congressissa, jotta osastolla työskentelevien mobiililaitteet pysyivät ”virrassa” koko messujen ajan.

Seuraavan esteen ylittäminen

Tutkimusraportissaan IHS huomautti, että jotkut kulutuselektroniikan huippubrändit ovat alkaneet istuttaa langattoman latauksen suoraan älypuhelimiinsa tai erikseen ostettavaan akunkanteen. Esimeriksi KG:n G3-huippumallissa on langaton latausvastaanotin, joka perustuu IDT:n IDTP9025-piiriin. Tämä tarkoittaa, ettei tekniikkaa enää tarvitse tuoda kömpelön lisälaitteen avulla. Käyttäjät eivät halua langattoman latauksen lisäävän laitteen koko tai painoa. Tulevaisuudessa kännykkävalmistajat saattavat lisätä latausalustan myyntipakkaukseen.

Laajamittaisen langattoman yleistymisen avain on hinta. Vastaanottimen ja lähettimen yhdistelmän täytyy pudota merkittävästi sen 80-100 dollarin hinnan alle, jolla järjestelmän voi tällä hetkellä jälkimarkkinoilta ostaa.

Jälkimarkkinoilla ratkaisujen korkea hinta perustui pitkälti ratkaisujen monimutkaisuuteen. Teholähetin A1-tyyppisellä magneettisesti ohjatulla käämillä, joka soveltuu latausalustaan, koostuu yli 90 erillisestä komponentista, mukaan lukien yhdeksän mikropiiriä. Näitä komponentteja tarvitaan huolehtimaan paitsi energian siirrosta lähettimestä vastaanottimeen myös yhteyden asettamisesta ja latauksen kontrolloinnista WPC- tai PMA-määritysten mukaisesti. Lisäksi piirien täytyy huolehtia esimerkiksi vieraiden esineiden tunnistamisesta latausalustalla (FOD, Foreign Object Detection). Luotettava vieraiden esineiden tunnistaminen on elintärkeää, jotta kuluttajien luottamus langattomaan lataamiseen kasvaa. Käyttäjien täytyy olla varmoja siitä, että latausaseman koskettaminen tai edes metalliesineen vieminen sen lähelle ei aiheuta turvallisuusriskiä. Ei-toivottu EMI-säteily järjestelmästä täytyy myös pienentää minimiin.

Avain on integroinnissa

Pitkälle integroidut piirit, jotka toteuttavat nämä eri toiminnot yhdellä sirulla (kuten esitetty kuvassa 2) mahdollistavat nyt tyypillisen lähettimen ta vastaanottimen vaatimien komponenttien määrän selvän vähentämisen. Tämä auttaa valmistajia laskemaan merkittävästi kustannuksia samalla kun suunnittelu yksinkertaistuu ja kokoonpano virtaviivaistuu.

Kuva 2. Yhden sirun lähettimeen ja vastaanottimeen integroidun langattoman latausjärjestelmän toiminnalliset lohkot.

WPC-yhteensopivassa latausjärjestelmässä half-bridge- tai full-bridge-kokoinen invertteri lähetinpuolella muuntaa DC-jännitteen käämin läpi virtaavaksi AC-virraksi. Käytössä voi olla erilaisia käämikokoonpanoja yhden käämin A1-, A5- ja A11-tyypistä kolmen käämin A6:een. Virran vaihtelut tuottavat vaihtuvan jännitteen vastaanottavassa käämissä. Vastaanottimessa on synkroninen full bridge -korjain (rectifier), joka muuntaa tämän vaihtuvan jännitteen DC-jännitteeksi. Tätä sitten reguloidaan DC-DC-kytkinregulaattorila tai lineaarisella LDO-regulaattorilla.

IDT:llä on pitkälle integroitujen lähettimien ja vastaanottimien piirperhe, joka tukee erilaisia käämikokoonpanoja, invertteriarkkitehtuureita ja tulojänniteskaaloja lähetinpuolella, samoin erilaisia vastaanotinarkkitehtuureja, joissa voidaan valita kytkin- tai LDO-regulaattori. Piireille voidaan myös integroida esimerkiksi mikro-ohjain.

Esimerkiksi IDTP9030 on Q1-standardin matalan tehon määrityksiä tukeva, A1/A10-tyyppinen tuote. Se oli IDT:n ensimmäisen sukupolven piiri ja maailman ensimmäinen yhden sirun lähetinratkaisu. Tämän tai piirin toisen polven version IDPT9038:n käyttö minimoi ulkoisten komponenttien käytön tarpeen, kuten kuvassa 3 esitetään.

Kuva 3. Yksisiruinen IDTP9038-lähetinpiiri minimoi piirien ja ulkoisten passiivikomponenttien määrän A5/A11-käämikokoonpanoissa.

Integroitu korkean hyötysuhteen full-bridge -kokoinen invertteri IDTP9038:ssa tukee WPC-määritysten mukaisia A5/A11-käämikokoonpanoja ja huolehtii tulojännitteen muuntamisesta AC-käämivirraksi. Piirissä on myös modulaattori/demodulaattorilohko, joka havaitsee, demoduloi ja dekoodaa WPC-tietoliikennepaketteja. Piiriltä löytyy myös RAM/ROM-muistilla varustettu mikro-ohjain, joka suorittaa tulevat dekoodatut datapaketit ja säätää vastaanottimella lähetettävää tehoa. Monimooditoiminto tukee WPC- ja PMA-standardeja sekä asiakaskohtaisia protokollia. Piiri voi myös vaihtaa protokollasta toiseen, mikä tuo lisää joustavuutta langattomaan tehonsiirtoon.

Lähettimeen on lisätty IDT:n monikerroksinen FOD-toiminto (foreign object detection), mikä takaa etteivät käyttäjät koskaan joudu vaaraan. Tällaisia tilanteita voisi olla esimerkiksi alustan ylikuumeneminen mikäli sille asetetaan jokin metalliesine. Monikerroksinen FOD-toiminto kattaa kaikki mahdolliset skenaariot: se tunnistaa mikäli metalliesine asetetaan alustalle ennen ladattavaa puhelinta tai alustan ja puhelimen välillä on metalliesine latauksen aikana. IDTP9030:n avulla yhden sirun lähetin voidaan rakentaa vain 30 komponentilla ja alle kolmanneksen kustannuksilla erilliskomponentteihin pohjaavaan ratkaisuun verrattuna.

IDTP9038 on markkinoiden ensimmäinen yhden sirun Qi-lähetinpiiri, joka tukee viiden voltin syöttöä. Se pohjaa IDTP9030 toiminnallisuuteen ja mukaan on ensimmäistä kertaa tuotu myös paluukanava tietoliikenteeseen. Sen avulla lähetin voi keskustella ja vaihtaa dataa vastaanottimen kanssa, mikä mahdollistaa esimerkiksi kaksisuuntaisen laitteiden autentikoinnin. Erillinen piiristö mahdollistaa EMI-suorituskyvyn mittaamiseen 10 desibeliä CISPR-vaatimuksia alhaisemmalla tasolla määrätään, mikä pienentää riskiä häiritä muita herkkiä elektroniikkalaitteita.

Markkinoilla on jo nyt laitteita, joihin IDT:n vastaanottimet on integroitu. Näihin kuuluvat LG:n uusin G4-älypuhelinmalli, jossa käytetään WPC-yhteensopivaa IDT9025A-vastaanotinta. Se sopii erinomaisesti älypuhelimien lisäksi puhelinten kuoriin ja tabletteihin.

Erittäin pientä kokoa vaativissa sovelluksissa, kuten päällepuettavassa elektroniikassa, IDTP9026-piiriin on integroitu akun latauspiiristä ja langattoman tehon vastaanotin 40-nastaisessa 2,21 x 3,41 millin CSP-kotelossa. Tätä piiriä käyttäen kokonaisratkaisun koko on alle 30 neliömilliä, kun kilpailevat ratkaisut ovat kooltaan 65 neliömilliä. IDTP9026 on täysin yhteensopiva IDTP9038-lähettimen kanssa.

Lopuksi

Nyt kun käytössä on laajasti tuettuja yhteensopivuuden takaavia latausstandardeja, langaton lataus tarvitsee vain pitkälle integroituja lähetin- ja vastaanotinratkaisuja. Niiden myötä langattomat standardit nousevat suosituimmaksi kannettavien laitteiden lataustekniikoiksi.