Мифы о технологии беспроводной зарядки на основе магнитного резонанса

Сегодня электроника становится такой же мобильной, как и люди. Ежедневно мы используем различные гаджеты, и вполне понятно желание, чтобы все эти устройства могли заряжаться в любое время и были готовыми к использованию, когда это нам необходимо. Однако в настоящее время вся наша «умная» электроника прикована кабелями, как кандалами, к зарядным устройствам и, следовательно, к электрическим розеткам. Ситуация, когда остаток заряда на используемом гаджете тает буквально на глазах, вызывает нешуточное беспокойство. Естественно, нам хочется, чтобы электронные устройства могли заряжаться сами, даже когда они работают, автономно и незаметно для их обладателя и не требуя какого-либо сознательного вмешательства в процесс зарядки. Что же, есть надежда, что физический «акт подключения» вскоре станет устаревшей концепцией благодаря технологии, позволяющей поставлять энергию нашим устройствам без обременительных шнуров.

Сама по себе концепция беспроводной зарядки (БЗ) не так уж и нова. В последний десяток лет мы видим активное развитие данной технологии, и индустрия регулярно предлагает очередное решение, позволяющее освободиться от «последнего провода». Однако зачастую те, кто с нетерпением ожидает прихода новой беспроводной эры, все же слабо представляют возможности этой технологии, не в силах отличить вымысел от реальности.

Прежде чем что-либо объяснять, давайте обратимся к краткой истории развития технологий БЗ. Первое поколение устройств для БЗ было чисто индуктивным. Эти устройства были очень ограничены как по передаваемой мощности, так и по эффективному расстоянию зарядки, не предлагая, по сути, никакой свободы пользователям. Но эти первопроходцы на массовом рынке новой технологии (например, электрические зубные щетки) показали, что концепция жизнеспособна. Чуть позже был разработан способ передачи энергии посредством радиоизлучения. Он позволял передавать энергию на гораздо бóльшие расстояния, однако его массовое использование было сопряжено со многими трудностями и не получило широкого распространения.

Магнитный резонанс — это еще одна и самая многообещающая технология БЗ, поскольку она не имеет ограничений по форм-фактору и позволяет осуществлять эффективную и безопасную БЗ на значительном расстоянии (рис. 1). Благодаря этим качествам спектр применения устройств на основе данной технологии очень широк.

Рис. 1. Магнитный резонанс — самая перспективная технология беспроводной зарядки, поскольку она не имеет ограничений по форм-фактору и позволяет осуществлять эффективную и безопасную передачу энергии на значительном расстоянии

Однако хотя возможности технологии магнитного резонанса весьма многообещающи, они зачастую неправильно понимаются теми, кто не занимается ее разработкой. Чтобы рядовые потребители и инженеры могли знать, чего можно ожидать от новых устройств, расскажем, что является реальностью, а что — чистые мифы.

Миф 1. Магнитный резонанс имеет плохой пользовательский интерфейс и неудобен в использовании

Устройства с индуктивной зарядкой, которые представлены сегодня на рынке, все еще требуют непосредственного контакта с зарядным устройством (ЗУ). По сути, это все еще привязывает потребителей к определенному местонахождению и накладывает серьезные ограничения, особенно в случае, если во время зарядки предполагается использовать гаджет. ЗУ на основе технологии магнитного резонанса являются значительно более удобными для пользователя по сравнению с технологией индуктивной зарядки первого поколения, поскольку позволяют осуществлять зарядку на расстоянии, через различные материалы — от дерева и гранита до кожи (включая ткани тела) и воды (рис. 2). Они способны заряжать более одного устройства за один раз. Это значит, что они исключительно удобны в использовании, что, в сочетании с масштабируемой подачей питания для различных электронных устройств, позволяет говорить о том, что магнитный резонанс — отличное решение с превосходным пользовательским интерфейсом.

Рис. 2. ЗУ на основе технологии магнитного резонанса позволяют осуществлять зарядку на расстоянии, через различные материалы — от дерева и гранита до кожи (включая ткани тела) и воды, а также способны заряжать более одного устройства за один раз

Миф 2. Магнитный резонанс неэффективный, медленный и небезопасный

Магнитный резонанс способен удовлетворять требованиям к зарядке для устройств широкого спектра применений, от носимой электроники до электромобилей. Поскольку питание, подаваемое на устройство, не ограничено системой зарядки аккумулятора на стороне устройства, на самом деле нет никакой разницы в скорости для проводной и беспроводной зарядки.

Хорошо спроектированные магнитно-резонансные системы весьма эффективны. Например, эффективность системы БЗ электромобиля, построенного по этой технологии, может достигать 94% по сравнению с эффективностью современных проводных решений.

Распространенным заблуждением о технологии магнитного резонанса является то, что она якобы небезопасна. Возможно, вследствие того, что эти системы могут передавать энергию на средних расстояниях, потребители предполагают, что они будут подвергаться воздействию потенциально опасных электромагнитных полей. На самом деле относительно низкочастотные электрические и магнитные поля, используемые в магнитно-резонансных системах, не представляют никакой опасности для человека (рис. 3).

Рис. 3. Хорошо спроектированные магнитно-резонансные системы весьма эффективны, а относительно низкочастотные электрические и магнитные поля, используемые в магнитно-резонансных системах, не представляют никакой опасности для человека

ЗУ создаются с соблюдением всех стандартов безопасности, которые устанавливаются глобальными регулирующими органами, такими как ICNIRP и FCC. Данные стандарты распространяются на все электромагнитные потребительские устройства, включая наушники Bluetooth, сотовые телефоны, радиопередатчики и беспроводные маршрутизаторы (рис. 4). Альянс AirFuel (AirFuel Alliance) — организация, объединившая A4WP (Alliance for Wireless Power) и PMA (Power Matters Alliance), — контролирует правильное использование технологий магнитного резонанса, чтобы обеспечить соблюдение стандартов качества БЗ.

Рис. 4. Технология AirFuel широко внедряется по всему миру: от дома до офисов и общественных мест, от ресторанов, гостиниц и аэропортов до транспортных средств и общественного транспорта

Миф 3. Магнитный резонанс вызывает повреждение устройств, использующих технологию радиочастотной идентификации (RFID)

Для работы RFID-устройств используются магнитные поля. Следовательно, метки RFID могут быть повреждены при воздействии мощных магнитных полей, используемых в системах беспроводной передачи энергии (рис. 5). Для того чтобы избежать подобных ситуаций, существуют магнитно-резонансные системы, которые обнаруживают присутствие RFID-меток и уведомляют пользователя об их наличии. Это позволяет пользователю своевременно предпринять действия для предотвращения подобной ситуации. Все резонансные устройства, созданные по стандартам AirFuel Alliance, обладают данной функциональностью и гарантируют наличие основных функций безопасности.

Рис. 5. Метки RFID могут быть повреждены при воздействии мощных магнитных полей, используемых в системах беспроводной передачи энергии

Миф 4. Магнитный резонанс не может использоваться в устройствах с металлическим корпусом

Многие полагают, что технология магнитного резонанса не может быть использована в устройствах, имеющих металлический корпус, поскольку металл блокирует электромагнитные поля, и токи, индуцированные ими в металле, вызывают его нагрев. Это неправда. Устройства, созданные по стандартам AirFuel Alliance, используют электромагнитные поля с частотой 6,78 МГц, которые не вызывают нагревания большинства обычных металлических предметов, даже тех, которые находятся в непосредственной близости от устройства, например монеты или ключи от машины.

Устройства с металлическим корпусом могут заряжаться при помощи магнитного резонанса, даже если требуется наличие высокочастотного магнитного поля, поскольку для этого могут быть использованы отверстия и швы, которые могут присутствовать в корпусе. Это свойство очень полезно для инженеров, поскольку дает разработчикам свободу в самовыражении и позволяет интегрировать магнитный резонанс в изделия с металлическим корпусом.

Миф 5. Устройства с технологией магнитного резонанса настолько сложны, что для их создания необходимо быть как минимум доктором наук

Внедрение новых технологий — всегда сложная штука, и магнитный резонанс в этом плане не является исключением. Однако к настоящему времени альянсом AirFuel уже разработаны совершенные технологические стандарты (рис. 6). Это, а также наличие спецификаций ASIC и эталонных образцов позволяет OEM-производителям легко и быстро интегрировать магнитный резонанс в свои продукты. Так что создание устройств магнитного резонанса под силу не только докторам наук.

Рис. 6. Стандартные модули передатчика и приемника беспроводной энергии

Миф 6. Технология магнитного резонанса слишком дорогая для массового использования

Поначалу, когда подобные устройства создавались из готовых стандартных компонентов, которые существовали в то время, они действительно не были ни дешевыми, ни компактными, что делало их не особо привлекательными для производителей. Однако современные модули значительно упрощают интеграцию продуктов и снижают общую стоимость расходных материалов, как для передатчика, так и для приемника. Референсные проекты, основанные на таких интегрированных компонентах, сокращают время выхода на рынок и уменьшают инженерные усилия, необходимые для внедрения технологии.

Рис. 7. Технология БЗ пригодна для зарядки электромобиля

Миф 7. Магнитный резонанс пригоден только для бытовой электроники

Очень распространенное заблуждение состоит в том, что магнитный резонанс может быть использован только в бытовой электронике, например в маломощных устройствах, таких как телефон, ноутбук или смарт-часы. Это утверждение справедливо для других технологий беспроводной передачи энергии — таких как передача посредством радиоизлучения или индуктивности. В отличие от них технология магнитного резонанса эффективна и для передачи большой мощности. Например, устройства для БЗ электромобилей (рис. 7), построенные с применением данной технологии, оперируют мощностями порядка 11 кВт. С ее помощью можно обеспечить передачу беспроводной энергии на расстоянии и для других устройств большой мощности — от военных беспилотных летательных аппаратов до промышленного роботизированного оборудования (рис. 8).

Рис. 8. Дрон с беспроводной зарядкой

Миф 8. Зарядные устройства, использующие технологию магнитного резонанса, всегда выглядят как плоская поверхность

Для БЗ требуется ЗУ, которое служит источником излучения беспроводной энергии. Этот источник часто реализуется как плоская двумерная поверхность, называемая зарядной площадкой, что является стандартным форм-фактором для других видов БЗ. В отличие от них магнитный резонанс не накладывает ограничения на форму источника излучения. Излучающие резонаторы могут быть реализованы на тонких гибких печатных платах, сформированы в трехмерные формы, чтобы создать «зарядный объем» (рис. 9). Таким образом, дизайнерам продуктов предлагается уникальная возможность реализации своих самых смелых замыслов для обеспечения наилучшего пользовательского интерфейса для клиентов. Они могут конструировать ЗУ различного вида, создавать эстетически приятные ЗУ, делать их эргономичными, удобными для ношения.

Рис. 9. Магнитный резонанс не накладывает ограничения на форму источника излучения: излучающие резонаторы могут быть реализованы на тонких гибких печатных платах, сформированы в трехмерные формы, чтобы создать «зарядный объем»

Миф 9. Устройства с магнитным резонансом громоздкие и тяжелые

Резонаторы для магнитного резонанса могут быть изготовлены на тонких гибких печатных платах, что минимизирует их влияние на общую форму и дизайн устройства. Кроме того, устранение порта зарядки чрезвычайно полезно для дизайнеров и их конечных пользователей, поскольку это дает им свободу создавать более инновационные устройства с уникальной конструкцией. Также использование данной технологии позволяет создавать устройства, защищенные от воздействия влаги (воды, пота) или пыли, делая их более «жизнестойкими».

Миф 10. Устройства с магнитным резонансом в ближайшее время не окажут особого влияния на рынок и жизнь людей

Самый распространенный миф — что магнитный резонанс это всего лишь очередная шумиха, просто концепция, и данная технология не станет реальностью на протяжении десятилетий. На фоне кажущегося застоя в индустрии в течение последних одного-двух лет на самом деле происходит значительное развитие технологии. Так, например, в июле этого года компания Dell предложила Latitude 7285 — первый в отрасли ноутбук «2 в 1», позволяющий организовать рабочее пространство без проводов (рис. 10).

Рис. 10. Зарядный коврик использует магнитный резонанс для заряда батарей. Dell сделала ставку на разработку компании WiTricity, наряду с Intel входящей в альянс Alliance For Wireless Power (A4WP)