Introducción
La tecnología de alimentación inalámbrica constituye una importante área en crecimiento dentro de la industria electrónica e introduce mejoras en una amplia variedad de aplicaciones. Su crecimiento viene impulsado por un insaciable apetito, por parte del consumidor, de dispositivos electrónicos portátiles alimentados mediante baterías, así como la incomodidad que conlleva mantenerlos cargados. El despliegue de dispositivos portátiles que puedan cargarse de manera inalámbrica ha crecido enormemente y a medida que esta tendencia siga su curso la alimentación inalámbrica pasará a formar parte de nuestra vida diaria y de los hábitos de uso de dispositivos portátiles.
La inducción magnética (IM) y la resonancia magnética (RM) son las dos tecnologías predominantes para la transferencia de alimentación inalámbrica en el mercado de consumo debido a los estándares desarrollados, la miniaturización de soluciones y las reducciones de coste. Gracias a su estrecho acoplamiento magnético, IM ofrece actualmente una mayor transferencia de alimentación, facilidad de diseño y una mayor eficiencia, mientras que RM ofrece una mayor libertad de espacio, múltiples dispositivos receptores por cada transmisor y menos acumulación de calor en los objetos metálicos cercanos. Dentro de la esfera de IM existen dos estándares preponderantes: el Wireless Power Consortium (WPC) con su estándar ‘Qi’ y la Power Matters Alliance (PMA). Para los diseñadores de dispositivos portátiles basados en IM, existe el problema de asegurar la compatibilidad con Qi o PMA, o con ambos estándares. Los estándares de RM están dominados por la A4WP (Alliance for Wireless Power). Los productos compatibles con los estándares Qi o PMA ya se encuentran disponibles y se espera que los productos basados en A4WP estén disponibles el próximo año. Este artículo revisa el sector de la alimentación inalámbrica y la relevancia de las tecnologías IM y RM. También analiza que pueden hacer los fabricantes de chips receptores de alimentación para IM para superar el problema de los dos estándares para IM.
Un mundo de alimentación inalámbrica en rápido desarrollo
Las conexiones cableadas para alimentación y datos han sido una incomodidad inevitable en muchas áreas de nuestra vida diaria tanto personal como profesional. El acceso inalámbrico a los datos se ha hecho ubicuo, pero no existe tal facilidad para el acceso a la alimentación. Transportar voluminosos cargadores, cables y adaptadores, junto con el engorro de encontrar tomas de corriente ‘públicas’ para su funcionamiento, son una fuente constante de irritación para los viajeros.
Los teléfonos móviles serán los más beneficiados cuando el ecosistema de alimentación inalámbrica se haya extendido y por varias razones. Pantallas grandes y brillantes, potentes procesadores multinúcleo, el conjunto de radios incorporadas, aplicaciones que necesitan datos en tiempo real, así como nuevas aplicaciones biométricas, han dado como resultado la necesidad de recarga varias veces al día. Todo ello complementado por la demanda del consumidor de dispositivos más ligeros y delgados. Por desgracia, las densidades de potencia de las baterías de Li-ion no han aumentado en igual proporción. Los principales fabricantes de dispositivos portátiles ya están suministrando teléfonos móviles compatibles con Qi (el estándar de carga inalámbrica predominante en la actualidad) como respuesta a la demanda del cliente. Los operadores de teléfonos móviles también tienen la motivación de mantener los dispositivos móviles cargados y de consumir datos inalámbricos, y por tanto están impulsando la construcción de ecosistemas de suministro de alimentación inalámbrica.
La carga inalámbrica en cualquier lugar mediante la simple colocación del dispositivo sobre una superficie de alimentación inalámbrica exige la disponibilidad ubicua de terminales transmisores. Este despliegue se está produciendo en varios frentes y existen en la actualidad terminales de transmisores Qi y PMA de disponibles para hogares y oficinas y con una amplia variedad de formatos. Los transmisores Qi se encuentran disponibles en nuevos modelos de coche de compañías como Toyota y Chrysler, y hay otros fabricantes y modelos que lo han previsto, así como numerosas soluciones en el mercado de posventa del automóvil igualmente disponibles. PMA está estableciendo rápidamente acuerdos con empresas que aprecian valor en el despliegue de ecosistemas de alimentación inalámbrica y redes inteligentes en sus restaurantes, establecimientos, hoteles y otros puntos para atraer a los clientes y generar otro flujo potencial de ingresos. Por ejemplo, Starbucks ha puesto en marcha el programa “Never PowerlessTM” con instalaciones en Boston (EE.UU.) el año pasado y posteriormente en la región de Silicon Valley; sus planes a medio plazo contemplan la instalación de más de 1 millón de puntos de carga solo en EE.UU.[1]
Los dispositios móviles diseñados para ofrecer soporte a múltiples estándares de alimentación inalámbrica serán los más beneficiados por los ecosistemas de estaciones de transmisión y los estándares. Esta tecnología analógica y digital de rápido desarrollo introducida por compañías como IDT y la creciente demanda de alimentación inalámbrica se destacan en un reciente informe de IMS Research según el cual se espera que el mercado de la alimentación inalámbrica experimente una elevada tasa de crecimiento en los próximos años hasta superar los 300 millones de unidades en 2016 y alcanzar los 1.000 millones de unidades en 2018. Esto representa una destacable tasa de crecimiento para un mercado casi inexistente en 2011. [1]
Inducción magnética (IM) y resonancia magnética (RM)
La tecnología de inducción magnética (Qi y PMA) fue la primera en llegar al mercado y domina el incipiente mercado de la alimentación inalámbrica. No obstante, la resonancia magnética (A4WP) presenta algunas ventajas reales respecto a IM, así como algunos retos. La mayor frecuencia de funcionamiento fija de A4WP, de 6,78MHz, comparada con el rango de 110-205KHz de Qi, permite una transferencia más eficiente de la alimentación con unos formatos de acoplamiento menos rígidos (mayor flexibilidad posicional) patente gracias a la ley de la inductancia de Faraday. Las frecuencias y más altas y las tensiones más altas en la bobina también permiten que las bobinas sean más pequeñas y más delgadas, facilitando así su encaje mecánico en los dispositivos móviles. Otra ventaja de la mayor frecuencia de funcionamiento es el menor calor generado en objetos metálicos próximos al terminal de transmisión debido a las corrientes parásitas más bajas en la superficie. Esto también significa que los metales parásitos en el dispositivo cargado (como la batería) son menos propensos a acumular calor. El estándar A4WP utiliza señalización Bluetooth® Low Energy (BLE) bidireccional fuera de banda para comunicar y regular las necesidades de alimentación del dispositivo o dispositivos a cargar. En cambio, Qi y PMA emplean un método de comunicación unidireccional de modulación de carga dentro de la banda para comunicar la información relativa a la información sobre la regulación hacia el transmisor. El método de Qi es sencillo y económico, pero solo puede manejar un solo receptor, está limitado a una baja velocidad de comunicación y puede ser susceptible a la EMI generada por el sistema.La implementación de RM presenta algunas dificultades en las que se está trabajando, así como en soluciones de producción más optimizadas para el mercado masivo. El receptor de RM usa un circuito tanque LC con un elevado factor Q que funciona directamente a la frecuencia de resonancia. El reto estriba en ajustar el circuito tanque a una frecuencia resonante fija respecto a la temperatura y la tensión. Cuando sufre una variación, la eficiencia cae en picado. Los estándares de IM son más sencillos de implementar ya que siempre trabajan por encima de la frecuencia resonante y por tanto no necesitan un circuito con una Q elevada o componentes pasivos de precisión. No obstante, el coste de unos componentes con una mayor tolerancia para el circuito con una Q elevada de RM se ve compensado por el menor coste de la bobina. La bobina de recepción de RM sin apantallamiento también es más pequeña y emplea hilo conductor más fino que la bobina de IM, y por tanto su coste debería ser más bajo para este componente tan primordial.
La radiación electromagnética generada por un sistema de alimentación inalámbrica será una fuente de preocupación para el consumidor pero su análisis exhaustivo queda fuera del objetivo de este artículo. Desde un punto de vista mecánico, IM es un sistema estrechamente acoplado, lo cual significa que las bobinas de transmisión y recepción están colocadas directamente una sobre la otra, permitiendo así la transferencia de la alimentación por IM, y esta disposición es la que permite emplear directamente el apantallamiento de la ferrita por encima y por debajo de las bobinas. Este apantallamiento mediante ferritas resulta valioso por dos razones: en primer lugar, mejoran el flujo circular de las líneas de flujo magnético al mantenerlos cerca de las bobinas para un mejor acoplamiento; en segundo lugar, los apantallamientos reducen la cantidad de radiación electromagnética que emana el sistema. RM es un sistema con un menor acoplamiento, lo cual significa que el receptor puede estar a decenas de centímetros de distancia del transmisor y por tanto los apantallamientos de ferritas no proporcionarán las ventajas que ofrece la implementación con IM. Mantener los niveles de radiación dentro de los límites de seguridad forma parte de los avances tecnológicos que permiten el acceso de la transmisión de alimentación inalámbrica en el mercado de consumo.
El reto de los estándares duales para IM a corto plazo
A corto plazo, un problema potencial que podría frenar la proliferación de alfombrillas, mesas, mostradores y otras superficies de carga para alimentación inalámbrica con acceso público, en lugares como aeropuertos, cafeterías y centros de entretenimiento, es la existencia de dos estándares en competencia para IM: Qi y PMA. Ambos son viables y ofrecen unas prestaciones fiables; por tanto, ambos parecen aptos para su instalación en lugares públicos como puntos de alimentación inalámbrica. En teoría, esto podría dar como resultado que los propietarios de los terminales tengan que buscar los puntos de acceso para alimentación inalámbrica que sean compatibles con su terminal en particular. Esto generará sin duda la frustración del consumidor y posiblemente unas tasas de adopción más bajas. IDT es una compañía que desarrolla soluciones de alimentación inalámbrica, que ha reconocido este problema y lo ha afrontado mediante el desarrollo de CI receptores de alimentación inalámbrica que eliminan las barreras de compatibilidad entre estándares de transmisión con un una solución de receptor monochip en modo dual. IDT presentó el año pasado la solución de CI transmisor más integrada del mercado y este año ha presentado la primera solución de receptor en modo dual. Estas soluciones permiten que los fabricantes OEM de dispositivos móviles y accesorios accedan a un mercado más amplio y ahorren dinero al evitar la necesidad de múltiples versiones del producto. Los fabricantes OEM ahora pueden utilizar una única lista de materiales y minimizar la huella de la aplicación mediante el uso de un solo trazado universal del circuito.
Conclusión
El mercado de la alimentación inalámbrica es una tecnología nueva y apasionante que fomenta la revolución de los teléfonos móviles al permitir un mayor tiempo de funcionamiento.
La carga de la batería por medio de adaptadores específicos para cada producto y engorrosos cables ha demostrado ser un inconveniente y quizás es eslabón más débil dentro de las comunicaciones y la informática portátiles. En la actualidad, ante un ecosistema de alimentación inalámbrica que va tomando forma con gran rapidez, esperamos que llegue el día en el que dejaremos nuestros cargadores y cables en casa y finalmente ya no los utilizaremos. Las tecnologías RM e IM tienen futuro por delante ya que ambas presentan características únicas y pueden atender diferentes aplicaciones de alimentación inalámbrica. Para cada una de estas opciones existe una saludable competencia entre estándares que puede impulsar la innovación, si bien existe el riesgo de confusión y frustración por parte de los consumidores. Gracias a la disponibilidad de la tecnología de receptor en modo dual para IM para que los dispositivos portátiles puedan funcionar de forma perfecta y automática con diferentes estándares de alimentación inalámbrica se puede evitar este riesgo de un escenario complicado y poco deseable.
