NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

Другие беспроводные технологии

Наиболее популярной беспроводной технологией является технология ближнего поля (near-field charging NFC), при использовании которой катушка-передатчик создает магнитное поле, которое передает индуктивную энергию катушке-приемнику. Часть магнитного потока генерируемого катушкой-передатчиком проникает в катушку-приемник, генерируя таким образом передачу энергии. Условно такую работу можно сравнить с работой трансформатора.

Эффективность передачи зависит от потокосцепления ψ и добротности Q. Тесно связанная система обеспечивают максимальную эффективность передачи энергии, но очень чувствительна к рассогласованию катушек и расстоянию между ними.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafety

Существует два конкурирующих стандарта NFC — Wireless Power Consortium (WPC), управляемый Qi (“Chee”), стандарт, имеющий рабочую частоту от 100 до 200 кГц и AirFuel Alliance, ранее известный как Power Matters Alliance (PMA), поддерживающий AirFuel Inductive и работающий на частотах от 100 до 350 кГц. Обе системы имеют КПД свыше 70%.

Многие производители поддерживают оба стандарта. Например, Samsung поддерживает как Qi, так и AirFuel зарядку в своих смартфонах Galaxy S6 и S7.

NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

WPC издал несколько итераций своего популярного стандарта Qi, увеличивая выходную мощность и добавив двунаправленные связи (обнаружения посторонних предметов FOD = foreign object detection).

Главным недостатком беспроводной зарядки является слишком долгое время заряда, по сравнению с проводной. Для решения этой проблемы производители стараются увеличивать мощности. WPC v1.2, представленный в 2015 году, может обеспечить выходную мощность в 15 Вт. Это классифицируется как «средняя мощность», по сравнению с предыдущими версиями «малой мощности» по 5 Вт.

Почему выбирают устройства строго по стандартам? Потому, что выбор по стандарту гарантирует, что источник и приемник электрической энергии будут иметь одинаковую мощность и частоту передачи и легко смогут работать вместе, даже если у каждого из них будет разный производитель.

Некоторые производители могут выбрать для собственных конструкций свои, специфические требования. Но запатентованные разработки имеют не только большую гибкость в работе, но и большие риски, так как OEM несет ответственность за все аспекты конструкции передатчик-приемник, включая сертификацию безопасности.

Независимо от выбранного стандарта индуктивная беспроводная система состоит из двух частей – зарядной станции или подушечки, содержащей схемы станции и первичную катушку, и устройства зарядки, которое содержит вторичную катушку и связанные с ней схемы.

Во время работы передатчик находится в режиме низкого энергопотребления (режим «сна») большую часть времени и периодически «просыпается» для проверки наличия приемника. Если вторичная катушка обнаружена, передатчик запрашивает авторизацию от приемника. После успешной авторизации начинается процесс зарядки.

Технические аспекты работы NFC

NFC Forum

  • Разработка спецификаций и механизмов тестирования, обеспечивающих согласованную и надежную работу NFC во всех трех режимах;
  • Информационная поддержка среди поставщиков услуг и разработчиков о преимуществах технологии NFC для обеспечения роста внедрения и использования технологии NFC;
  • Продвижение NFC Forum и других брендов NFC.

Например, в спецификации NFC Analog Technical Specification рассматриваются аналоговые радиочастотные характеристики устройства с поддержкой NFC. Эта спецификация включает в себя требования к мощности антенны, требования к передаче, требования к приемнику и формы сигналов (время /частота /характеристики модуляции).

Читайте ещё про NFC:  Мобильное приложение карты Тройки для телефонов на Android

NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

Спецификация NFC Analog 2.0 ввела активный режим связи для обмена данными P2P и технологию NFC-V в режиме опроса. Версия 2.0 обеспечивает полную совместимость с устройствами, соответствующими ISO/IEC 14443 или ISO/IEC 18092.

По этим спецификациям существует следующие способы связи для устройств NFC: NFC-A, NFC-B, NFC-F, и пять типов NFC-меток. Устройства NFC могут быть активной или пассивной коммуникации и поддерживать один (или несколько) из 3 режимов работы.

NFC-AТип связи NFC-A основан на стандарте ISO/IEC 14443A для бесконтактных карт. Типы связи отличаются используемыми режимами кодирования сигнала и модуляции. NFC-A использует код Миллера и амплитудную модуляцию. Двоичные данные передаются со скоростью около 106 Кбит/с, сигнал должен изменяться от 0% до 100%, чтобы различать двоичную 1 и двоичный 0.

NFC-BТип связи NFC-B основан на стандарте ISO/IEC 14443B для бесконтактных карт. NFC-B использует метод манчестерского кодирования. Двоичные данные также передаются со скоростью около 106 Кбит/с. Здесь вместо 100% используется 10% -ое изменение амплитуды для двоичного 0 (то есть низкого уровня) и 100% для двоичной 1 (то есть высокого).

NFC-FТип связи NFC-F основан на стандарте FeliCA JIS X6319-4, также известный как просто FeliCa. Стандарт регулируется японской JICSAP. Там эта технология, и наиболее популярна. Скорость передачи данных 212 / 424 Кбит/с, используется манчестерское кодирование и амплитудная модуляция.

Устройства с поддержкой NFC поддерживают три режима работы: устройство чтения / записи, одноранговая связь, эмуляция карты

NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

Режим эмуляции карт позволяет устройствам с поддержкой NFC работать как смарт-карты.В режиме эмуляции карт устройство с поддержкой NFC обменивается данными с внешним считывателем, как обычная бесконтактная смарт-карта. Например, при выполнении платежа с помощью устройства с поддержкой NFC.

Одноранговый режим позволяет двум устройствам с поддержкой NFC взаимодействовать друг с другом для обмена информацией и файлами, чтобы пользователи устройств с поддержкой NFC могли быстро обмениваться контактной информацией и другими файлами одним касанием. Например, пользователи могут обмениваться параметрами настройки соединения Bluetooth или Wi-Fi или обмениваться данными, такими как виртуальные визитные карточки или фотографии.

Режим чтения / записи позволяет устройствам с поддержкой NFC считывать информацию, хранящуюся в NFC-тегах (или метках), встроенных в интеллектуальные плакаты и дисплеи, или взаимодействовать с другим NFC-устройством в режиме чтения / записи. Инициирующее устройство может считывать данные со второго устройства или записывать данные на него.

Оборудование NFC

NXP Semiconductors

Метки имеют RF(radio frequency) интерфейс, который полностью комплементарен с NFC спецификацией, используют режим energy harvesting*, поэтому нет необходимости в установке батареи для питания пассивной NFC-метки.

NFC Frontend (NFC чип)Интегральные схемы с NFC-интерфейсом. Дают возможность гибкой настройки NFC под вашу систему.

NFC-контроллер с настраиваемой прошивкойКонтроллер NFC — это микрочип с интерфейсом NFC плюс 32-битный микроконтроллер Cortex-M0, который может выполнять логику вашего приложения. Прошивка полностью кастомизирована под нужды заказчика.NFC-контроллер с интегрированной прошивкойЭто готовое решение, которое объединяет интерфейс NFC с 32-битным Cortex-M0, микроконтроллер оснащен встроенной прошивкой, и оптимизирован для использования с ОС.

Читайте ещё про NFC:  Поддерживает ли NFC ваш телефон? Как узнать есть ли модуль NFC

Конструкция катушки

Новые конструкции стремятся к катушкам А11, с очень похожей конструкцией, но без магнита внутри. Решения с несколькими катушками, такими как А6, увеличивает доступную область зарядки, но при этом растет количество расходуемых материалов и стоимость устройства, так как каждой катушке необходим отдельный драйвер.

NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

Катушки передатчиков и приемников, как правило, изготавливают из литцендрата, состоящего из множества изолированных проводов намотанных по определенной схеме, для минимизации скин-эффекта и эффекта близости. Для более мощных устройств катушку устанавливают на листе феррита. Производители передатчиков и приемников часто предоставляют списки рекомендуемых катушек для использования с их продукцией.

Для достижения максимального потокосцепления катушки приемника и передатчика должны иметь одинаковые размеры. Катушка приемника, как правило, гораздо более сложная. Она должна быть очень тонкая и при этом выдерживать вибрации, удары и прочие физические воздействия на устройство. Например, Würth Electronik состоит из пяти слоев:

  • Провод литцендрата;
  • Клейкая лента;
  • Слой PET (polyethylene terephalate) пластика для повышения ударостойкости;
  • Ферритовый лист;
  • Клеящийся слой для крепления к устройству;

WPT соединение

Приемник (вторичная сторона) контролирует количество мощности, передаваемое передатчиком (первичная сторона).  Вторичная сторона обменивается данными с первичной путем изменения нагрузки.

Переключение в емкостной нагрузке (а), эффект смещения амплитуды относительно нулевой точки (b).

Стандарт Qi определяет скорость передачи данных в 2 кб/с с бифазным битным кодированием. Разнообразие коммуникационных пакетов определены для функций, таких как идентификация и аутентификация, обнаружение ошибок, контроль, потребление энергии, конец зарядки и эффективность.

Обнаружение посторонних предметов (FOD)

Любой металлический предмет, например ключ или монета, который находится между первичной и вторичной катушками, поглощает часть электромагнитного поля. Это снижает эффективность передачи энергии, а также предмет может нагреваться и создавать угрозу пожаробезопасности.

Индуктивная система WPC обнаруживает посторонний предмет путем сравнения отданной передатчиком мощности с принятой приемником. Если потеря мощности превышает допустимую, передатчик снижает передаваемую мощность или вовсе прекращает передачу и сообщает об ошибке в систему управления.

Так называемые «родственные металлы», такие как металлические части смартфонов, также могут поглощать энергию при передаче. Следуя из этого можно сделать вывод, что для каждого отдельного случая необходимо производить калибровку до внедрения в производство для того, чтобы определить нормальный уровень потери мощности.

NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

FOD требует спецификацию WPC v1.1 или выше.

WPT конструкция: передатчик

Сердцем данной конструкции является bq501210 — цифровой контроллер беспроводной мощности, который может обеспечить до 15 Вт для подходящего приемника. Контроллер периодически опрашивает окружающие доступные устройства питания, выполняет FOD, контролирует весь обмен данными с приемником, и регулирует передаваемую мощность на основе полученной обратной связи. Он также управляет обработкой ошибок, связанных с передачей мощности и контролирует индикатор состояния рабочего режима.

bq501210 регулирует передаваемую мощность путем изменения VRAIL (напряжение катушки) при поддержке постоянной частоты 130 кГц. Для достижения этого bq501210 управляет bq500101 двойными NexFET силового каскада с ШИМ выходом Vrail_ШИМ. Отфильтрованный выход постоянного напряжения пропорционален частоте ШИМ и генерирует VRAIL.

Читайте ещё про NFC:  Samsung Pay - удобный и безопасный платежный сервис

Для 15 Вт передачи, входное напряжение должно быть в пределах от 15 В до 19 В, который может «выдавать» ток до 2 А. Если система поддерживает High Voltage Dedicated Charging Port (HVDCP) технологию, а входное напряжение в начале меньше 6 В, bq501210 «согласовывает» повышении входного напряжения. Если приемник поддерживает работу в режиме быстрого заряда, bq501210 может проводить согласования в системе для получения большей мощности для более быстрой зарядки.

Для реализации FOD,  WPC 1.2-совместимый bq500100 измеряет ток с помощью шунта в цепи  VRAIL и передает результат в bq510210. Для обеспечения питанием различных элементов схемы используют стабилизатор низкого напряжения (LDO) TLV70450 для 5 В, и понижающий преобразователь TPS54231 для 3,3 В.

WPT конструкция: приемник

https://www.youtube.com/watch?v=ytpress

Функцией приемника является получение и обработка мощности, выпрямление и регулирование напряжения, а после передача на нагрузку. Ниже показана конструкция приемника на основе bq51025, устройстве, которое обеспечивает однокристальное преобразование энергии, цифровое управление и связь, а также совместимо с WPC v1.1.

Данная разработка может передавать до 10 Вт при работе с bq501210, опираясь на контроллер первичной схемы (рассматривалось ранее). Для 10 Вт применения данная схема использует протокол компании TI для обеспечения двунаправленной связи, которая не поддерживается WPC v1.1.

bq51025 имеет регулируемое выходное напряжение от 4,5 В до 10 В, а также КПД до 84%. Интерфейс I2C позволяет легко подключать данное устройство к маломощным микроконтроллерам.

NFC от «А» до «Я» подробно рассказываем что такое, и как NFC в телефоне изменит жизнь каждого

Если требуется совместимость с несколькими беспроводными стандартными, то bq51222  предлагает 5 Вт выходной мощности и поддержку протоколов соединения WPC v1.2 и AirFuel.

WPT и промышленность 4.0

Промышленные пользователи уже используют беспроводную зарядку в своих планшетах, терминалах, сканерах управления и прочих устройствах, но промышленность 4.0 представляет еще одну огромную возможность.

https://www.youtube.com/watch?v=https:tv.youtube.com

В высокоавтоматизированных связанных заводах будущего, автономных транспортных средствах, беспилотных летательных аппаратах постепенно заменяют человеческий труд. Это предоставляет огромнейшие перспективы для беспроводной зарядки, так как автономия включает в себя и процессы заряда батареи. Это, в свою очередь, требует наличия специальных зарядных подушек и матов, к которым транспортные средства могут подъезжать и восстанавливать заряд батареи без вмешательства человека.

Большинство промышленных систем требуют мощностей гораздо больше, чем 15 Вт. Будут ли более мощные системы поддерживать стандарт Qi или AirFuel и их комбинации покажет будущее. Подходы к проектированию беспроводной зарядки, рассмотренные в этой статье, несомненно, будут играть ключевую роль в развитии промышленных беспроводных зарядных систем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector