Как запитать ноутбук без проводов. Новые демонстрационные наборы от EPC

В последнее время все чаще появляются новости о практическом использовании систем беспроводной передачи мощности, например, для зарядки планшетов и смартфонов, для питания USB-устройств и т. д. Популярность таких систем растет. Это стало возможным благодаря современным нитрид-галлиевым транзисторам, способным работать на высоких частотах с низким уровнем потерь. Один из крупнейших производителей GaN-транзисторов компания EPC предлагает к услугам пользователей четыре демонстрационных набора, которые позволяют ознакомиться с особенностями беспроводных систем передачи энергии. Между собой наборы отличаются уровнем передаваемой мощности. Если с помощью EPC9127 можно зарядить смартфон, то EPC9120 позволит запитать небольшой ноутбук.

Рис. 1.	Демонстрационные наборы беспроводной передачи энергии от EPC позволяют запитать даже небольшой ноутбук.

Для эффективной беспроводной передачи энергии требуется, чтобы силовые транзисторы были способны работать на высоких частотах. Например, наиболее популярный стандарт AirFuel предполагает использование резонансных частот 6.78 МГц, при этом для минимизации динамических потерь транзисторы работают в режиме переключений с нулевыми напряжениями (ZVS). К сожалению, традиционные кремниевые ключи для таких целей не подходят. По этой причине рост популярности беспроводных систем передачи мощности стал возможен только после появления доступных нитрид-галлиевых транзисторов с высокой рабочей частотой и низким уровнем потерь.

Компания EPC является одним из лидеров в области производства нитрид-галлиевых транзисторов. EPC серийно выпускает нормально-замкнутые ключи, выполненные по фирменной технологии eGaN. Одним из важнейших приложений для eGaN-транзисторов по мнению компании являются беспроводные системы мощности.

Создание системы беспроводной передачи энергии – сложная задача. Чтобы помочь разработчикам, компания EPC предлагает демонстрационные наборы, каждый из которых представляет собой готовую систему передачи мощности. Сейчас к услугам пользователей доступно четыре набора с различным набором модулей (Рис. 2).

Рис. 2.	Плата универсального усилителя и катушки беспроводного передатчика энергии.

Отладочный набор EPC9127 включает в себя модуль усилителя-передатчика EPC9510 мощностью 10 Вт, плату антенны и модуль приемника EPC9513 с выходной мощностью 6.5 Вт (Рис. 3). Приемник EPC9513 имеет выходы двух типов: нерегулируемый с напряжением 38 В и стабилизированный с напряжением 5 В и током до 1 А. Выходной мощности 6.5 Вт хватит, чтобы без проблем запитать смартфон или одно USB-устройство.

Рис. 3.	Отладочный набор EPC9127 от EPC.

Отладочный набор EPC9128 состоит из усилителя-передатчика EPC9509 мощностью 16 Вт, платы антенны и двух приемников: EPC9513 (такого же, как и в наборе EPC9127) и EPC9515 (Рис. 4). Модуль EPC9515 имеет два выхода: нерегулируемый с напряжением 38 В и стабилизированный с напряжением 5 В и током до 2 А. Таким образом, EPC9515 оказывается в два раза мощнее, чем EPC9513 и способен обеспечить работу мощного планшета или двух USB-устройств.

Рис. 4.	Отладочный набор EPC9128 от EPC.

Отладочный набор EPC9120 – наиболее мощный набор, который включает в себя усилитель-передатчик EPC9512 мощностью 33 Вт, плату антенны и пару модулей приемников 6.5 Вт и 13 Вт (Рис. 5). В отличие от рассмотренных выше приемников EPC9513 и EPC9515, в приемных модулях из набора EPC9120 реализован только нерегулируемый выход с выпрямителем. Мощности приемника категории 4 хватит для питания небольшого ноутбука.

Рис. 5.	Отладочный набор EPC9120 от EPC.

Отладочный набор EPC9121 отличается от остальных наборов возможностью работы в двух режимах: AirFuel и Qi/ PMA. Как было сказано выше, по стандарту AirFuel для минимизации динамических потерь транзисторы силового каскада переключаются при нулевых напряжениях (ZVS). Стандарт Qi/ PMA предполагает использование передатчиков, в которых силовые ключи работают в режиме жестких переключений при ненулевых токах. Очевидно, что динамические потери в таких системах достаточно велики, по этой причине рабочая частота коммутации для них не очень высока и составляет 165 кГц. В результате пиковая передаваемая мощность оказывается ниже, чем у AirFuel, но с другой стороны схемотехническая реализация передатчика для Qi/PMA также упрощается.

При работе в режиме Qi/PMA выходной каскад автоматически приключается на рабочую частоту 165 кГц и выходной мощностью 5 Вт. При обнаружении приемника AirFuel силовой полумост переходит в резонансный режим с частотой коммутаций 6.78 МГц и выходной мощностью до 10 Вт.

Рис. 6.	Отладочный набор EPC9120 от EPC энергии.

Структура усилителей-передатчиков практически идентична для всех наборов. Она включает три основных блока (Рис. 7):

• Мощный усилитель класса D;
• SEPIC-регулятор;
• Контроллер управления.

Рис. 7.	Блок-схема универсального усилителя на примере EPC9511.

Как видно из блок-схемы, управляющий контроллер отслеживает значения трех параметров:

• амплитуду тока в катушке передатчика,
• напряжение питания усилителя класса D,
• входную мощность усилителя класса D.

С учетом этих параметров осуществляется управление работой SEPIC-регулятора, питающего усилитель, и управление цепями согласования импеданса. При этом одновременно учитывается только один из перечисленных параметров. Наибольший приоритет имеет напряжение питания усилителя, затем входная мощность усилителя, и в последнюю очередь учитывается выходной ток катушки передатчика.

За формирование напряжения питания отвечает SEPIC-преобразователь с узким диапазоном входных напряжений. Однако он может быть отключен за счет разъединения дополнительной перемычки. При этом питание усилителя класса Dосуществляться напрямую от внешнего источника (Рис. 8). SEPIC-преобразователь во всех наборах построен на базе 200 В транзисторов EPC2019.

Рис. 8.	Усилитель мощности класса Dна примере силового каскада модуля EPC9509.

Во всех наборах, кроме EPC9121, передатчик работает по стандарту AirFuel в режиме с нулевыми напряжениями переключений ZVS. В EPC9121 существует возможность перехода на стандарт Qi/PMA.

В модулях передатчиков используются различные ключи:

• 100 В транзисторы EPC2107 в модулях EPC9510 из набора EPC9127;
• 60 В транзисторы EPC2108 в модулях EPC9509 из набора EPC9128;
• 100 В транзисторы EPC8010 в модулях EPC9512 из набора EPC9120;
• 100 В транзисторы EPC2107 в модулях EPC9511 из набора EPC9121.

EPC8010 – мощные 100 В ключи с постоянным током до 2.7 А и импульсным током до 7.5 А.

EPC2107 и EPC2108 представляют собой сборки, в которых интегрировано сразу три транзистора: Q1 и Q2 объединены в полумост, а Q3 является независимым. В EPC2107 ключи Q1 и Q2 имеют максимальный постоянный ток 1.7 А, импульсный ток для них достигает 3.8 А. В EPC2108 для этих же транзисторов постоянный ток составляет 1.7 А, а импульсный 5.5 А. Полумост из Q1 и Q2 является основным элементом усилителя класса D. Для управления этими транзисторами применяется драйвер LM5113TM от Texas Instruments. Оставшийся транзистор Q3 используется для создания синхронной бутстрепной схемы дополнительного источника питания.

Схемы модулей приемников во всех наборах похожи, но в приемниках EPC9513 и EPC9515 имеется два типа выходов: стабилизированный и нестабилизированный (Рис. 9), а в модулях EPC9511 и EPC9512 (из наборов EPC9120 и EPC9121) стабилизированный канал отсутствует.

Рис. 9.	Приемник модулей EPC9513 и EPC9515 имеет стабилизированный выход.

В настоящий момент продукция компании EPC очень часто используется производителями беспроводных систем передачи мощности (Рис. 7). Новые демонстрационные наборы помогут начинающим разработчикам быстро разобраться в теме и создать свое собственное приложение.

Рис. 10.	Примеры использования транзисторов от EPC в системах беспроводной передачи энергии.

Состав набора EPC9127:

• плата усилителя: EPC9510 Class 2 (10 Вт);
• плата катушки;
• приемный модуль: EPC9513 Category 3 (6.5 Вт).

Состав набора EPC9128:

• плата усилителя: EPC9509 Class 3 (16 Вт);
• плата катушки;
• приемный модуль: EPC9513 Category 3 (6.5 Вт);
• приемный модуль: EPC9515 Category 4 (13 Вт).

Характеристики транзисторной сборки EPC2107:

• Конфигурация: полумост (Q1 и Q2) и дополнительный N-MOSFETQ3;
• Рейтинг напряжения: 100 В (для всех транзисторов);
• Постоянный ток: 1.7 А (Q1 и Q2), 0.5 А (Q3);
• Импульсный ток: 3.8 А (Q1 и Q2), 0.5 А (Q3);
• Пороговое напряжение: 1.4 В (типовое);
• Максимальное сопротивление открытого канала: 320 мОм (Q1 и Q2), 3.3 Ом (Q3);
• Диапазон рабочих температур: −40 … +150 °C;
• Корпусное исполнение: 1.35 × 1.35 × 0.815 мм.

Характеристики транзисторной сборки EPC2108:

• Конфигурация: полумост (Q1 и Q2) и дополнительный N-MOSFETQ3;
• Рейтинг напряжения: 60 В (для всех транзисторов);
• Постоянный ток: 1.7 А (Q1 и Q2), 0.5 А (Q3);
• Импульсный ток: 5.8 А (Q1 и Q2), 0.5 А (Q3);
• Пороговое напряжение: 1.4 В (типовое);
• Максимальное сопротивление открытого канала: 240 мОм (Q1 и Q2), 3.3 Ом (Q3);
• Диапазон рабочих температур: −40 … +150 °C;
• Корпусное исполнение: 1.35 × 1.35 × 0.815 мм.

Посмотреть более подробно технические характеристики транзисторных сборок и демонстрационных наборов от EPC