Tulevaisuus on langaton myös laitteiden lataamisessa. Älypuhelimista liikkeelle lähtenyt kehitys tavoittaa pian muutkin laitteet kodissa. Tekniikan menestys nojaa standardointiin.

Artikkelin on kirjoittanut Rutronikin tehopuolijohteiden myynnistä vastaava myyntipäällikkö Axel Stangl. Hänellä on yli 15 vuoden kokemus puolijohdealalta. Rutronikin palvelukseen Alex tuli kesällä 2000. Tällä hetkellä hän vastaa langattomien latauspiirien, kytkin- ja jänniteregulaattorien sekä lediajuripiirien myynnistä.

Moni tarttuu siihen ensimmäiseksi aamulla herättyään. Sähköhammasharja on valmis käyttöön, sillä se on ladattu langattomasti induktion avulla. Vaikka tämä menetelmä on helppo ja edullinen, se on myös hidas ja tehoton. Nyt tarjolla on älykkäämpiä vaihtoehtoja, eivätkä ne rajoitu hammasharjojen lataamiseen.

Matkapuhelimet ja älypuhelimet olivat langattoman lataamisen etulinjassa, mutta tänään jopa kannettavia tietokoneita voidaan ladata langattomasti. Onpa markkinoilla jopa huonekaluja, joihin langattomia latausalustoja on integroitu. Kannettavat laitteet kuten GPS- ja mittauslaitteet, lämpökamerat, skannerit, kaukosäätimet, akkukäyttöiset työkalut ja vapaa-ajan puettavat laitteet voivat myös hyötyä suuresti langattomasta lataamisesta. Sen myötä päästään eroon kietoutuneiden johtojen selvittämisestä ja sopivan laturin metsästämisestä, ja sen avulla voidaan yhdellä ja samalla alustalla ladata useita erilaisia laitteita.

Kun liitäntää latausjohdolle ei enää tarvita, se kohta laitteissa ei enää kulu eikä voi rikkoutua. Tämä on erityisen houkuttelevaa pienissä laitteissa kuten älykelloissa, joissa ei ole tilaa tehokkaalle integroidulla akulle tai latausliitännälle. Tärkeä ominaisuus on sekin että lopputuote on täysin koteloitu, joten se pysyy suojassa pölyltä ja vedeltä. Tämä on tärkeää niin lääketieteen laitteissa kuin monissa teollisuuden sovelluksissa. Jos tekniikka on lisäksi standardoitu, latauslaitteen ja lopputuotteen ei tarvitse tulla edes samalta valmistajalta. Tämän jälkeen latausalustat tai -telakat voisivat hienosti täydentää wifi-yhteyksiä busseissa, junissa ja autoissa.

Langattomalle energian siirrolle pienillä etäisyyksillä on kaksi tekniikkaa tarjolla. Induktioliitännässä oskillaattorissa on lähetin, joka generoi muuttuvan magneettikentän. Induktio vastaanottimen ja lähettimen käämien välillä mahdollistaa energian siirtymisen. Kahden käämin välisen etäisyyden pitäisi olla mahdollisimman lyhyt eikä ylittää 10 millimetriä. Tätä pidemmillä väleillä induktiivinen liitäntä heikkenee, joka pienentää lataamisen tehokkuutta.

Resonanssi induktiivinen liitäntä lisää mittaa energiansiirron kantamaan. Tässä tekniikassa lähetin ja vastaanotin vaihtavat dataa ja lähetin moduloi lähetyskentän. Vastaanotin lähettää lähettimelle dataa RFID:n kaltaisella tekniikalla. Tämä parantaa tehokkuutta ja kantamaan, ja siirron potentiaalinen etäisyys kasvaa 2-10 kertaa käämin halkaisijaa suuremmaksi.

Standardointi – avain menestykseen

Langattoman lataamisen menestys riippuu suuresti sen standardoinnista. Tähän työhön on omistautunut kolme organisaatiota.

Menestyksekkäin ryhmittymä on Wireless Power Consortium (WPC), joka yrittää kehittää kansainvälistä ja täysin yhteensopivaa ratkaisua. Siihen kuuluu nyt 210 yritystä. Ohjauskomiteaan kuuluu puolijohdevalmistajia ja laitevalmistajia, kuten Samsung, Sony, HTC, Nokia, Microsoft, Panasonic, LG, STMicroelectronics, Rohm Semiconductor, Sangfei, Haier Group ja Qualcomm. Ryhmittymän Qi-standardi on vanhin ja laajimmalle levinnyt. Sitä käytetään noin 770 laitteessa, joiden joukkoon kuuluu esimerkiksi 80 älypuhelinta (kuten Samsung Galaxy S6 ja Microsoftin Lumiat), ledinäyttöjä, bluetooth-kaiuttimia ja 15 eri automallia.

Qi, joka kiinalaisena merkkinä tarkoittaa elämänenergiaa, käyttää magneettista resonanssiliitäntää lähettimen ja vastaanottimen välillä. Qi-määritykset kesäkuulta 2015 mahdollistavat pikalataamisen jopa 15 watin teholla, minkä ansiosta laitteiden akku voidaan ladata 60 prosentin kapasiteettiin puolessa tunnissa. Tulevaisuudessa latausteho on kasvamassa noin 50 wattiin. Suunnitteilla on myös älykkäitä ratkaisuja, joiden avulla laitteita voidaan ladata sekä WPC- että PMA-standardeilla.

Alliance for Wireless Power (A4WP) ja Power Matters Alliance (PMA) solmivat yhdistymissopimuksen viime kesäkuussa. Tähän asti PMA tuki Powermat Technologiesin kehittämää tekniikkaa, joka perustui induktiiviseen linkkiin. Tätä tekniikkaa ei kuitenkaan ole istutettu yhteenkään lopputuotteeseen. Sen sijaan markkinoilla on kyllä myyty tekniikkaa tukevia laausalustoja ja akkuja.

A4WP:n ”Rezence”-menetelmä hyödyntää resonanssiin perustuvaa magneettista liitäntää. Ei ole vielä tiedossa, minkä muodon yhdistyneen järjestön standardi ottaa. Sen jäseniin kuuluvat AT&T, Qualcomm, Broadcom, Flextronics, Intel, Samsung, sekä Procter & Gamble ja Starbucks.

IC-piiripohjaiset ratkaisut

Langattomien latausratkaisujen toteuttamiseen Rutronik tarjoaa laajan valikoiman lähetin- ja vastaanotinpiirejä. Ne lataavat viiden watin teholla, kun käytössä on Qi-standardi ja ilman standardinmukaisuutta niillä päästään 10 watin tehoon vastaanotin- ja 15 wattiin latauspäässä. Lähtöjännite on muutettavissa 4,3-5,3 voltin välillä, maksimitulojännite on 24 volttia ja maksimilähtövirta 1,1 ampeeria. Piirit toimivat 90-220 kilohertsin tulotaajuudella -20 - +85 asteen välisellä alueella. Piireihin on lisätty useita standardeja suojamekanismeja ylijännite- ja ylivirtasuojauksesta lämpökatkaisuun ja alijännitetilojen sammutusmekanismeihin.

Kaikki Rutronikin latauspiirien toimittajan ovat WPC:n ja PMA:n jäseniä.

IC-pohjaiset ratkaisut ovat turvallisia, koska niihin on integroitu monitorointi- ja turvatoimintoja, kuten vieraan esineen tunnistus (FOD, foreign object detection), sammuttaminen alijännitetilassa (UVLO, under-voltage lock-out) ja virtarajoitinsuojaus (CLP, current limiting protectors). Sertifioitujen autopiirien kehitys on käynnissä ja ne tulevat tarjolle tämän vuoden aikana.

Latauspiirien lisäksi asiakkaat pääsevät Rutronikin kautta käsiksi muihin kokonaisten langattomien latausratkaisujen vaatimiin komponentteihin. Näihin kuuluvat mosfetit, Zener-diodit, latauskäämit, kondensaattorit, ledit ja resistorit. Tuoteasiantuntijat ja sovellusinsinöörit tukevat asiakkaita komponenttien valinnassa ja optimoidun ratkaisun kehittämisessä.

Langattoman latauksen topologia