La sfida della carica wireless

Da anni ormai gli utenti dei dispositivi mobili navigano in rete, parlano al telefono e creano connessioni peer-to-peer - il tutto senza alcuna connessione fisica. Una simile comodità data dall’assenza di fili ha generato nuove applicazioni e settori di mercato. Tuttavia, gran parte degli utenti wireless sono solo parzialmente “senza fili”. Quando si tratta di effettuare la carica, la vasta maggior parte continua a connettere i dispositivi alla presa a muro con un cavo.

La diffusione della carica wireless 

Secondo la società di analisi Ihs, il mercato dei sistemi di carica wireless ha già dimensioni considerevoli e presenterà una crescita rapida in termini di ricavi e di unità vendute, fino a quando non raggiungerà la maturità e la saturazione, verso la fine del prossimo decennio. La ricerca di Ihs indica che nel 2015, circa il 90% dei consumatori avrebbe optato di avere la funzionalità di carica wireless per i propri dispositivi mobili. Circa un quinto di questi consumatori ha già adottato la tecnologia, mentre la maggior parte non ne ha ancora fatto uso, ma è disposta a farlo - un mercato potenziale enorme, in cui il consumatore è convinto della necessità di questa funzione che la tecnologia deve poter fornire. Il desiderio dei consumatori è chiaro; essere in grado di caricare i dispositivi in modo il più possibile rapido e completo, consentendo almeno una giornata di utilizzo fra una carica e l’altra. La carica wired si è evoluta; i caricatori sono diventati più piccoli, più efficienti e più intelligenti. I consumatori di dispositivi mobili possono portare con loro una batteria portatile per consentire la carica “fuori casa” durante i periodi di uso intenso, malgrado la carica del pacco batterie, e quindi del dispositivo, rimanga prevalentemente via cavo. Le batterie stanno migliorando, sebbene il peso resti significativo - spesso superiore a quello del dispositivo stesso. La carica wireless rappresenta il passo logico successivo dell’evoluzione dei sistemi di carica. Anche se si trova ancora in fase di “prima adozione”, nel corso degli ultimi due anni sono stati consegnati 211 milioni di dispositivi in grado di essere caricati in modalità wireless. In parallelo, sono stati consegnati 83 milioni di stazioni di carica (per lo più basi di ricarica singole). Molti dei caricabatterie di oggi si trovano in aree pubbliche, come le caffetterie e gli aeroporti; in effetti, gran parte dei consumatori che hanno provato la carica wireless sono entrati a contatto con la tecnologia al di fuori della propria abitazione o del proprio ufficio.

Standard e alleanze

Come avviene con molte tecnologie emergenti, specialmente quelle con un potenziale enorme di guadagno, sono stati sviluppati più standard (spesso incompatibili fra loro). Anche se questi ultimi servono a promuovere la tecnologia, la mancanza di una soluzione realmente universale potrebbe anche ostacolarne l’adozione. Il Wireless Power Consortium è stato fondato nel 2008 e comprende circa 230 membri da 20 Paesi, inclusi i fornitori di apparecchi elettronici consumer, i produttori di semiconduttori e gli operatori wireless. I membri del Wpc supportano lo standard Qi standard. Il Wpc verifica la conformità del prodotto attraverso una rete di laboratori autorizzati dal Wpc stesso. Vi sono sul mercato oltre 1200 prodotti certificati Qi, inclusi oltre 300 trasmettitori/dispositivi di carica e più di 90 smartphone con funzionalità Qi. La base installata è stimata essere pari a oltre 150 milioni di dispositivi, e Abi Research prevede che quest’ultima supererà 700 milioni di dispositivi entro il 2020. Attraverso collaborazioni, la funzionalità Qi è stata installata nelle autovetture, nei ristoranti, negli hotel, negli aeroporti e negli uffici aziendali - esistono oltre 4000 postazioni pubbliche di carica Qi già operative. Da un punto di vista tecnico, Qi rappresenta uno standard induttivo che supporta la carica strettamente accoppiata. Sotto l’insegna del Wpc, PowerbyProxi rappresenta una soluzione risonante che offre la piena libertà spaziale e fornisce fino a 5 W in una configurazione di carica di tipo uno-ad-uno e uno-verso-molti. La tecnologia trova posto all’interno degli smartphone grazie ad un ricevitore wireless proprietario, mentre un rivelatore di oggetti estranei incorporato assicura che gli oggetti metallici non interferiscano o non si surriscaldino. La Power Matters Alliance e la Alliance for Wireless Power sono state costituite nel 2012 come organizzazioni separate da parte di diverse aziende operanti nei comparti telecom, dei dispositivi consumer, automotive, dell’arredamento e di altri settori. La Pma era principalmente concentrata sulle soluzioni induttive strettamente accoppiate, mentre A4wp lavorava a una tecnologia risonante lascamente accoppiata. Nel giugno 2015, le due organizzazioni si sono formalmente fuse e in seguito hanno cambiato denominazione in AirFuel Alliance. La fusione ha ridotto il numero di organizzazioni (e di standard in competizione) da tre a due ed è stata elogiata per aver perseguito l’obiettivo di aver promosso la definizione di un singolo standard interoperabile. ON Semiconductor è fra i circa 160 membri che l’organizzazione conta in seguito alla fusione. La AirFuel Alliance dispone di un’ampia piattaforma tecnologica che comprende tecnologie induttive, risonanti e non accoppiate. La tecnologia induttiva è relativamente matura ed è stata adottata in milioni di dispositivi in tutto il mondo. Questa tecnologia strettamente accoppiata offre efficienze fino all’80% con carica scalabile per adattarsi a dispositivi con requisiti di alimentazione eterogenei. La tecnologia risonante di AirFuel consente di ottenere un’esperienza di carica “posa e vai”, su qualsiasi superficie ed è stata denominata ‘Rezence’ nel 2013. Rezence offre una carica scalabile e non è affetta dalla presenza di oggetti metallici come chiavi o monete. Guardando al futuro, la AirFuel Alliance sta anche lavorando sulle tecnologie non accoppiate che trasmetteranno l’alimentazione su un raggio anche di diversi metri. Esistono più tecnologie/mezzi di trasmissione che sono tenuti in considerazione fra cui la radiofrequenza, gli ultrasuoni e il laser. La specifica iniziale supporta l’alimentazione fino a 5 W su distanze di 15 piedi (5 metri); si prevede di salire fino a 15 W nella seconda versione nel 2017. Accanto agli aspetti tecnologici, la AirFuelAlliance sta sviluppando standard infrastrutturali per la carica wireless. Questi includono definizioni di interfacce, comandi, strutture di reportistica e protocolli di rete - fra i quali tutti aggiungeranno sofisticazione e vantaggi per gli utenti. Anche se c’è ancora della strada da percorrere, l’obiettivo ultimo è di fornire un sistema singolo, completamente interoperabile che è in grado di caricare più dispositivi con diversi requisiti di alimentazione, contemporaneamente e senza interferenze. Una volta ottenuto ciò, saremo giunti alla vera e propria esperienza di carica “posa e vai”, che ne promuoverà l’adozione universale da parte dei consumatori.

Il ruolo delle tecnologie su semiconduttore

Esistono due aspetti della carica wireless; l’alimentazione e il campo magnetico. Per molti aspetti la tecnologia condivide gran parte delle proprie origini con gli alimentatori a commutazione moderni - questi consistono tipicamente in uno stadio di conversione primario e secondario accoppiati da un trasformatore, e spesso usano la risonanza come un mezzo per aumentare l’efficienza. Come tale, gran parte della ricerca e sviluppo che è condotta dalle principali società di semiconduttori per migliorare l’efficienza degli Smps è applicabile alla realizzazione di soluzioni wireless migliori. Come mostra la Fig. 2, un sistema di carica wireless consiste in un trasmettitore e in un ricevitore, che sono molto vicini per funzionalità al primario e al secondario dell’Smps. La differenza consiste nel fatto che con la carica wireless il trasformatore è suddiviso in due avvolgimenti - uno nel caricabatterie e l’altro nel dispositivo. Anche se il dispositivo è collocato sulla stazione di ricarica (e quindi è a contatto), è corretto usare il termine “carica wireless” perché la superficie di carica e l’alloggiamento del dispositivo non sono conduttivi e gli avvolgimenti di carica sono separati da uno strato isolante di diversi millimetri o più. I produttori di semiconduttori stanno ora sviluppando soluzioni di carica wireless complete che includono la gestione dell’alimentazione, i rettificatori a ponte, gli stadi di conversione di potenza, gli interruttori di potenza e i caricabatterie. L’attività di ricerca e sviluppo continua a concentrarsi sulla riduzione delle dimensioni e dei costi, pur aumentando sempre più l’efficienza. Inoltre, molte aziende ora offrono tool di sviluppo avanzati e progetti di riferimento che rendono più semplice per i progettisti l’introduzione sul mercato di sistemi di carica wireless in tempi più rapidi. Chiaramente, occorre del tempo prima che uno standard “posa e vai” realmente universale sia adottato a livello globale, ma con le tecnologie risonanti che maturano e rendono possibile la carica lascamente accoppiata, centinaia di importanti produttori che appoggiano gli standard, milioni di dispositivi in consegna e il 90% dei consumatori che desiderano una soluzione, il futuro della carica wireless come metodo di carica principale del domani è assicurato.

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