di Vijay Bapu, senior product marketing manager, dsPIC business unit, Microchip.
Cos’hanno in comune una bicicletta elettrica e un laptop? Entrambi possono essere ricaricati
in modalità wireless tramite induzione.
Entrambi, e-bike e laptop, utilizzano batterie agli ioni di litio per l’alimentazione, scelte per la
loro leggerezza, l’elevata densità energetica e la lunga durata. Inoltre, entrambi i sistemi
possono essere ricaricati in modalità wireless, tramite il metodo Wireless Power Transfer
(WPT) che utilizza l’induzione elettromagnetica per trasferire energia alla batteria senza
l’utilizzo di cavi. Per le e-bike è disponibile un pad di ricarica wireless o una piastrella
induttiva su cui parcheggiare il veicolo per il trasferimento dell’energia. Per la ricarica a
induzione, una bobina è posizionata nel pad o nella piastrella statica (bobina trasmittente) e
l’altra è situata sulla bicicletta, spesso nel cavalletto. Questa è la bobina ricevente. La bobina
del pad di ricarica, alimentata da corrente alternata, crea un campo magnetico che a sua
volta produce corrente nella bobina della bicicletta. Questa corrente alternata viene poi
convertita in corrente continua, per alimentare la batteria della bicicletta.
Il principio è lo stesso dei laptop, così come per una vasta gamma di dispositivi di consumo
e industriali, tra cui piccoli robot, droni, utensili elettrici, aspirapolvere robotizzati, router
wireless e tosaerba.
Microchip fornisce uno schema di riferimento per la trasmissione di energia elettrica wireless
induttiva elettromagnetica da 300W (300W Wireless Power Transfer Reference Design |
Reference Design | Microchip Technology) che può essere incorporato in qualsiasi tipo di
sistema industriale o consumer a bassa potenza per la ricarica wireless; vedi schema a
blocchi in Figura 1. È composto da un trasmettitore di potenza Microchip WP300TX01 (PTx)
e da un ricevitore di potenza Microchip WP300RX01 (PRx). Lo schema funziona con
un’efficienza superiore al 90% a una potenza di 300W e una distanza-Z (la distanza tra le
bobine di accoppiamento) di 5-10 mm.
FIGURA 1: schema a blocchi del progetto di riferimento per il trasferimento di potenza induttiva da 300W
Il trasmettitore (Figura 2) è alimentato nominalmente da una linea a 24 V e il ricevitore
regola la tensione di uscita a 24 V nominali.
FIGURA 2: schema a blocchi del trasmettitore di potenza
L’intervallo di tensione di ingresso DC operativa del progetto è 11V-37V, con protezione da
sovratensione e sottotensione in ingresso e protezione da sovracorrente e termica tramite
una funzionalità di monitoraggio della temperatura PCB/bobina. La corrente massima in
uscita del ricevitore è 8,5A e la tensione in uscita del ricevitore è regolabile da 12V a 36
Lo schema implementa un protocollo proprietario Microchip, risultato di anni di ricerca e
sviluppo e con brevetti concessi negli Stati Uniti, garantendo un trasferimento di potenza
affidabile con alta efficienza. Il sistema implementa anche il rilevamento di oggetti estranei
(FOD), una misura di sicurezza che evita situazioni pericolose, come nel caso in cui un
oggetto metallico si trovi nelle vicinanze del campo di ricarica.
Quando il FOD rileva un oggetto metallico vicino alla zona di ricarica, dove viene generato il
campo magnetico, interrompe il trasferimento di potenza. Il progetto di riferimento incorpora
questa funzionalità sulla bobina principale, interrompendo l’alimentazione dal trasmettitore
fino a quando l’oggetto non verrà rimosso. Il FOD viene eseguito interrompendo quattro
segnali di azionamento PWM, dove quattro rappresenta il massimo per evitare di
interrompere completamente la ricarica.
Questo schema di riferimento rileva anche alcune schede e tag NFC/RFID.
Trasmettitore e Ricevitore
Il WP300TX01 è un Fixed Function Device (FFD) progettato per il trasferimento di
energia wireless, così come il chip WP300RX01, progettato per ricevere energia
wireless. I due sono accoppiati per ottenere un trasferimento di potenza massimo di
300W.
L’utente può configurare la sottotensione e la sovratensione dell’ingresso, nonché la
sovracorrente e la sovrapotenza dell’ingresso. Sono disponibili tre uscite per LED
generici e schermi OLED multipli e cinque ingressi per switch di interfaccia. Lo schema
consente alle pagine visualizzate dal display OLED di mostrare e monitorare i parametri
del sistema in tempo reale e, come per i parametri di input, le impostazioni del pannello
OLED possono essere configurate dall’utente.
Il dispositivo Microchip WP300RX01 ha un intervallo di funzionamento compreso tra 4,8V a
5,2V, a una temperatura ambiente compresa tra -40°C e +85°C.
Come il controller del trasmettitore, questo dispositivo offre protezione da sovratensione,
sottotensione, sovracorrente, sovraccarico e sovratemperatura, con l’aggiunta della qualifica
AEC-Q100 REVG Grade 3 (-40°C a +85°C), che si riferisce alla capacità di un dispositivo di
funzionare in modo affidabile in un intervallo di temperatura ambiente compreso tra -40 °C e
+85 °C.
Lo schema di riferimento semplifica e accelera la progettazione del sistema di trasferimento
di potenza wireless, con l’immediata aggiunta della certificazione, poiché è già stata
accreditata con la certificazione CE, il che significa che un prodotto soddisfa tutti i requisiti
necessari delle direttive e dei regolamenti UE applicabili.
Tipi di ricarica wireless
Esistono diversi tipi di ricarica wireless, tra cui risonante, induttiva, accoppiamento di campo
elettrico e RF. La ricarica induttiva per smartphone e altri dispositivi elettronici a bassa
potenza è guidata dallo standard OPEN Qi, introdotto dal Wireless Power Consortium
(WPC) nel 2010, per creare un concetto di ricarica universale e interoperabile per i
dispositivi elettronici.
Lo standard Open promuove l’interoperabilità, evitando così l’utilizzo di più caricabatterie e
cavi, nonché la frammentazione del mercato in diverse soluzioni proprietarie. Molti produttori
hanno adottato questo standard nei loro prodotti, tra cui giganti della tecnologia come Apple
e Samsung. Dal 2023, la versione Qi 2.0 ha portato la ricarica rapida dei dispositivi mobile a
15 W, certificata per interoperabilità e sicurezza.
I dispositivi Qi 2.0 sono dotati di una tecnologia di aggancio magnetico che allinea
perfettamente i dispositivi e i caricabatterie per una maggiore efficienza energetica, una
ricarica più rapida e sicura e una maggiore facilità d’uso. Qi 2.X include il Magnetic Power
Profile (MPP) con una frequenza operativa aggiuntiva di 360 kHz. Con MPP, un anello
magnetico assicura che la bobina del ricevitore si allinei perfettamente con quella del
caricabatterie, migliorando così il trasferimento di energia e riducendo il calore.
Nel giugno 2025, è stato rilasciato Qi 2.2 che consente la ricarica a 25 W, basandosi sulla
comodità e sull’efficienza energetica di Qi, migliorando al contempo il tempo di ricarica della
ricarica wireless.
Uno schema di riferimento per la ricarica simultanea di due ricevitori Qi da 15 W
Oltre allo schema di riferimento per la trasmissione di energia elettrica wireless induttiva
elettromagnetica da 300W esaminato in precedenza in questo articolo, Microchip offre
anche uno schema di riferimento del trasmettitore di potenza wireless Qi2 Dual Pad
(microchip.com/en-us/tools-resources/reference-designs/qi-2-0-dual-pad-wireless-power-
transmitter-reference-design). Questo progetto di riferimento per trasmettitore di
alimentazione wireless multi-bobina a doppio pad consente la ricarica simultanea di due
ricevitori Qi da 15 W; ved. la Figura 3. Il cuore del progetto è un Digital Signal Controller
(DSC) dsPIC33 di Microchip che controlla simultaneamente entrambi i pad di ricarica. Il
progetto a doppio pad è compatibile con gli standard Qi 1.3 e Qi 2.x, nonché con MPP ed
EPP (Extended Power Profile).
L’hardware è riconfigurabile e supporta la maggior parte delle topologie dei trasmettitori.
Oltre all’MPP, supporta il Baseline Power Profile (BPP) per ricevitori fino a 5 W.
FIGURA 3: schermata a blocchi dello schema di riferimento del trasmettitore di alimentatore wireless dual pad QI 2.0
Il pad di ricarica MPP avvia la carica con una frequenza di commutazione dell’inverter di 128
kHz ma passa a 360 kHz quando è collegato a un MPP PRx. Il digital signal controller
dsPIC33CK esegue due istanze di caricatore. Per facilitare il supporto di diversi protocolli,
sono necessarie decisioni in tempo reale basate sul pad di ricarica e sul tipo di ricevitore.
Il design basato su software offre un elevato livello di flessibilità per ottimizzare le
caratteristiche chiave del sistema di alimentazione wireless come efficienza, area di ricarica,
distanza-Z e FOD. Per supportare applicazioni con un ampio intervallo di tensione di
ingresso, ogni PTx include un convertitore buck boost a quattro switch front-end (4SWBB)
per la regolazione della potenza. Il 4SWBB si collega a un inverter a ponte completo per
pilotare il serbatoio risonante. Sul caricatore MPP, ulteriori reti di commutazione del
condensatore risonante consentono una frequenza di risonanza più elevata.
Un caricatore MP A13 implementa un circuito di selezione della bobina simile per alimentare
la bobina con il segnale più forte possibile, consentendo un’area di posizionamento più
ampia. Questo design di riferimento è di livello automobilistico e include
CryptoAuthentication™, archiviazione sicura basata su hardware (su chip) per chiavi
crittografiche, per proteggere la comunicazione e la gestione dei dati. Inoltre, il design
include il sottosistema di archiviazione sicura Trust Anchor TA100/TA010.
L’architettura del dispositivo dsPIC33CK consente inoltre l’integrazione di stack software
aggiuntivi, come lo stack CAN automobilistico o gli stack NFC per il rilevamento dei tag. Vale
la pena notare che la topologia di controllo della potenza a frequenza fissa e tensione di
ingresso variabile implementata nel trasmettitore è ideale per i sistemi che devono
soddisfare rigorosi requisiti di interferenza elettromagnetica (EMI) e compatibilità
elettromagnetica (EMC).
Oltre a tutte queste caratteristiche, tra cui FOD attraverso la perdita di potenza calibrata, il
design di riferimento a doppia ricarica fornisce anche il fattore di qualità misurato/frequenza
di risonanza e il rilevamento di oggetti aperti, molteplici implementazioni di carica rapida,
anche per Apple e Samsung, e diversi tipi di modulazione del ricevitore, come AC capacitivo
e AC/DC resistivo. Per una maggiore sicurezza, il design include la funzione di ripiegamento
e spegnimento dell’;energia termica e la protezione da sovralimentazione.
Un’interfaccia di comunicazione UART-USB consente la segnalazione e il debug dei
pacchetti di dati, mentre i LED indicano lo stato del sistema e la selezione della bobina.
Sono presenti un interruttore di reset e ingressi per sensori di temperatura per funzionalità
aggiuntive.
Con gli standard Qi in continua evoluzione e nuove applicazioni esclusive che richiedono
una ricarica wireless a potenza più elevata, esistono numerose opportunità di innovazione e
crescita nel settore della ricarica wireless. Gli esperti Microchip possono fornirvi la guida
giusta per portare sul mercato la vostra soluzione di ricarica wireless senza intoppi.
