Qi (standard) - Qi (standard)
 | |
| Status | Aktywny |
|---|---|
| Rok rozpoczęty | 2008 |
| Opublikowane po raz pierwszy | 2008 |
| Ostatnia wersja | 1.3 stycznia 2021 |
| Organizacja | Konsorcjum Zasilania Bezprzewodowego |
| Komisja | Konsorcjum Zasilania Bezprzewodowego |
| Powiązane standardy | Standardowa kuchnia bezprzewodowa Standard średniej mocy |
| Domena | Ładowanie indukcyjne |
| Licencja | Otwarty standard |
| prawa autorskie | Logo i znak towarowy |
| Strona internetowa | |
Qi (wymawiane / tʃ iː / CHEE ; od chińskiego słowa qi ; tradycyjny chiński : 氣) to otwarty standard interfejsu, który definiuje bezprzewodowy transfer mocy za pomocą ładowania indukcyjnego na odległość do 4 cm (1,6 cala), opracowany przez firmę Wireless Power Konsorcjum . System wykorzystuje podkładkę ładującą i kompatybilne urządzenie, które umieszcza się na podkładce, ładując poprzez rezonansowe sprzężenie indukcyjne .
Według stanu na luty 2020 r. prawie 500 producentów urządzeń mobilnych pracujących ze standardem to Apple , Asus , Google , Huawei , LG Electronics , Samsung , Xiaomi i Sony .
Po raz pierwszy wydany w 2008 roku standard Qi został wprowadzony do ponad 200 smartfonów, tabletów i innych urządzeń do 2020 roku.
Projekt
Urządzenia działające w standardzie Qi opierają się na indukcji elektromagnetycznej pomiędzy cewkami planarnymi . System Qi składa się z dwóch rodzajów urządzeń – stacji bazowej, która jest podłączona do źródła zasilania i dostarcza energię indukcyjną, oraz urządzeń mobilnych, które pobierają energię indukcyjną. Stacja bazowa zawiera nadajnik mocy, który składa się z cewki nadawczej, która generuje oscylujące pole magnetyczne ; Urządzenie mobilne zawiera odbiornik mocy trzymający cewkę odbiorczą. Pole magnetyczne indukuje prąd przemienny w cewce odbiorczej zgodnie z prawem indukcji Faradaya . Bliskie odstępy między dwiema cewkami oraz ekranowanie na ich powierzchniach zapewniają sprawny transfer energii indukcyjnej.
Stacje bazowe mają zazwyczaj płaską powierzchnię — określaną jako powierzchnia interfejsu — na której użytkownik może umieścić jedno lub więcej urządzeń mobilnych. Istnieją dwie metody wyrównania cewki nadawczej (część stacji bazowej) i cewki odbiorczej (część urządzenia mobilnego), aby nastąpiło przeniesienie mocy. W pierwszej koncepcji — zwanej pozycjonowaniem sterowanym — użytkownik musi umieścić urządzenie mobilne w określonym miejscu na powierzchni stacji bazowej. W tym celu Urządzenie Mobilne zapewnia pomoc w ustawianiu, która jest odpowiednia do jego rozmiaru, kształtu i funkcji. Druga koncepcja – określana jako swobodne pozycjonowanie – nie wymaga od użytkownika umieszczania urządzenia mobilnego w bezpośredniej linii z cewką nadawczą. Istnieje kilka sposobów na osiągnięcie swobodnego pozycjonowania. W jednym przykładzie wiązka cewek nadawczych jest wykorzystywana do generowania pola magnetycznego tylko w miejscu cewki odbiorczej. Inny przykład wykorzystuje środki mechaniczne do przesuwania pojedynczej cewki nadawczej pod cewką odbiorczą. Trzecią opcją jest użycie techniki zwanej „Multiple Cooperative Flux Generators”.
Rysunek 1-1 przedstawia podstawową konfigurację systemu. Jak pokazano, nadajnik mocy zawiera dwie główne jednostki funkcjonalne — jednostkę konwersji mocy oraz jednostkę komunikacyjną i sterującą. Schemat przedstawia cewkę nadawczą (macierz) wytwarzającą pole magnetyczne jako część jednostki przetwarzania mocy. Jednostka sterująca i komunikacyjna reguluje przekazywaną moc do poziomu wymaganego przez odbiornik mocy. Diagram pokazuje również, że stacja bazowa może zawierać wiele nadajników, co pozwala na umieszczenie wielu urządzeń mobilnych na tej samej stacji bazowej i ładowanie indukcyjne, aż każda z baterii zostanie w pełni naładowana. Wreszcie jednostka systemowa na schemacie obejmuje wszystkie inne funkcje stacji bazowej, takie jak dostarczanie mocy wejściowej, sterowanie wieloma nadajnikami mocy i interfejs użytkownika.
Odbiornik mocy zawiera jednostkę pobierającą moc, jak również jednostkę komunikacyjną i sterującą. Podobnie jak w przypadku jednostki konwersji mocy nadajnika, rysunek 1-1 przedstawia cewkę odbiorczą przechwytującą pole magnetyczne jednostki pobierającej energię. Jednostka poboru mocy zazwyczaj zawiera tylko jedną cewkę odbiorczą. Co więcej, urządzenie mobilne zazwyczaj zawiera jeden odbiornik zasilania. Jednostka komunikacyjno-sterująca reguluje przesyłaną moc do poziomu odpowiedniego dla podsystemów (np. baterii) podłączonych do wyjścia odbiornika mocy. Podsystemy te reprezentują główną funkcjonalność Urządzenia Mobilnego.
Nadajniki
Jako przykład z wersji 2017 wersji 1.2.2 specyfikacji Qi (wspomnianej powyżej), referencyjny nadajnik Qi małej mocy A2 ma cewkę 20 zwojów (w dwóch warstwach) w cewce płaskiej, nawiniętej na formie o średnicy 19 mm średnica wewnętrzna i średnica zewnętrzna 40 mm, z osłoną pod cewką z miękkiego żelaza o co najmniej 4 mm większej średnicy, co daje indukcyjność 24±1 mikrohenów. Cewka ta jest umieszczona w szeregowym obwodzie rezonansowym z kondensatorem 200 nF, aby uzyskać obwód rezonansowy o naturalnym rezonansie przy ~140 kHz po sprzężeniu z cewką odbiornika.
Ten szeregowy obwód rezonansowy jest następnie napędzany przez układ przełączający mostka H ze źródła prądu stałego; przy pełnej mocy napięcie w kondensatorze może osiągnąć 50 woltów. Kontrola mocy jest automatyczna; specyfikacja Qi wymaga, aby rzeczywiste przyłożone napięcie było kontrolowane w krokach co najmniej tak małych jak 50 miliwoltów.
Zamiast zmniejszać napięcie ładowania w urządzeniu, ładowarki Qi spełniające odniesienie A2 wykorzystują regulator PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujący) do modulowania dostarczanej mocy zgodnie z napięciem pierwotnego ogniwa.
Inne nadajniki ładunku Qi rozpoczynają swoje połączenia przy 140 kHz, ale mogą zmieniać częstotliwości, aby znaleźć częstotliwość o lepszym dopasowaniu, ponieważ wzajemna indukcyjność między cewkami nadajnika i odbiornika będzie się różnić w zależności od odległości między cewkami nadajnika i odbiornika, a tym samym naturalna częstotliwość rezonansowa będzie się różnić. Różne konstrukcje referencyjne Qi mają różne układy cewek, w tym układy cewek owalnych i wielocewkowych, a także bardziej złożone sieci rezonansowe z wieloma cewkami indukcyjnymi i kondensatorami. Konstrukcje te umożliwiają pracę zwinną pod względem częstotliwości przy częstotliwościach od 105 do 205 kHz i przy maksymalnym napięciu obwodu rezonansowego do 200 woltów.
Odbiorcy
Odbiorczy projekt sprzętowy odbiornika mocy Qi 1, również z wersji 1.2.2 specyfikacji Qi, zaczyna się od prostokątnej cewki drutu o wymiarach zewnętrznych 44 mm x 30 mm, z 14 zwojami drutu i osłoną magnetyczną nad cewką. Cewka ta jest podłączona do równoległego obwodu rezonansowego z parą kondensatorów (127 nanofaradów szeregowo i 1,6 nanofaradów równolegle). Moc wyjściowa jest pobierana przez kondensator 1,6 nanofaradów .
Aby zapewnić cyfrowy kanał komunikacyjny z powrotem do nadajnika mocy, modulator rezonansu składający się z pary kondensatorów 22 nanofaradów i rezystora 10 kΩ w konfiguracji T można przełączyć przez kondensator 1,6 nanofaradów. Przełączanie sieci T przez kondensator 1,6 nanofaradów powoduje znaczną zmianę częstotliwości rezonansowej sprzężonego układu, która jest wykrywana przez nadajnik mocy jako zmiana dostarczanej mocy.
Moc wyjściowa urządzenia przenośnego odbywa się przez mostek pełnofalowy połączony z kondensatorem 1,6 nanofaradów; moc jest zwykle filtrowana za pomocą kondensatora 20 mikrofaradów przed dostarczeniem do kontrolera ładowania.
Inne odbiorniki mocy Qi wykorzystują alternatywne modulatory rezonansu, w tym przełączanie rezystora lub pary rezystorów na kondensatorze rezonatora odbiornika, zarówno przed, jak i za mostkiem prostowniczym.
Funkcje i specyfikacje
WPC opublikowało specyfikację niskiego poboru mocy Qi w sierpniu 2009. Specyfikację Qi można pobrać bezpłatnie po rejestracji. Zgodnie ze specyfikacją Qi, transfery indukcyjne „niskiej mocy” dostarczają moc poniżej 5 W za pomocą sprzężenia indukcyjnego między dwiema cewkami planarnymi . Cewki te są zwykle oddalone od siebie o 5 mm, ale mogą znajdować się w odległości do 40 mm i ewentualnie dalej. Specyfikacja niskiego poboru mocy Qi została zmieniona na Qi Baseline Power Profile (BPP).
Regulację napięcia wyjściowego zapewnia cyfrowa pętla sterowania, w której odbiornik mocy komunikuje się z nadajnikiem mocy i żąda większej lub mniejszej mocy. Komunikacja jest jednokierunkowa od odbiornika mocy do nadajnika mocy poprzez modulację rozproszenia wstecznego. W modulacji rozproszenia wstecznego cewka odbiornika mocy jest obciążona, zmieniając pobór prądu w nadajniku mocy. Te bieżące zmiany są monitorowane i demodulowane w informacje wymagane do współpracy obu urządzeń.
W 2011 roku Wireless Power Consortium zaczęło rozszerzać specyfikację Qi na średnią moc. Od 2019 r. standard średniej mocy zapewnia obecnie od 30 do 65 W, oczekuje się, że docelowo będzie obsługiwać do 200 W (zwykle stosowany w przenośnych elektronarzędziach, odkurzaczach automatycznych, dronach i e-rowerach).
W 2015 r. WPC zademonstrowało również specyfikację „Ki” o wysokiej mocy, która zapewni do 1 kW, umożliwiając zasilanie urządzeń kuchennych wśród innych urządzeń o dużej mocy.
W 2015 r. WPC wprowadziło specyfikację Qi Extended Power Profile (EPP), która obsługuje do 15 W. EPP jest również zwykle używany do ładowania urządzeń mobilnych, takich jak BPP. Firmy telefoniczne obsługujące EPP to m.in. LG Electronics , Sony , Xiaomi i Sharp Corporation .
Firma WPC wprowadziła Proprietary Power Delivery Extension (PPDE), aby umożliwić producentom telefonów dostarczanie wyższych niż 5 W w Baseline Power Profile lub 15 W w Extended Power Profile. Obecnie tylko Samsung opublikował swój test zgodności. Inne firmy telefoniczne, które stosują autorskie standardy szybkiego ładowania bezprzewodowego, to Apple , Huawei i Google .
Przyjęcie
Nokia po raz pierwszy zastosowała Qi w Lumii 920 , a Samsung Mobile w Galaxy S3 (obsługiwany przez oficjalną tylną obudowę Samsunga) w 2012 roku, a później w tym samym roku pojawił się Nexus 4 Google/LG . Toyota zaczęła oferować ładowarkę Qi jako opcję fabryczną w swoim modelu Avalon Limited z 2013 roku , a Ssangyong, drugi producent samochodów, oferował opcję Qi, również w 2013 roku.
W 2015 r. badanie wykazało, że 76% ankietowanych osób w Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Chinach było świadomych ładowania bezprzewodowego (wzrost z 36% w poprzednim roku), a 20% z niego korzystało — jednak tylko 16% ci, którzy go używają, używali go codziennie. Sprzedawca mebli IKEA wprowadził do sprzedaży lampy i stoły ze zintegrowanymi ładowarkami bezprzewodowymi w 2015 roku, a Lexus NX zyskał opcjonalną podkładkę ładującą Qi w konsoli środkowej. Szacuje się, że w tym roku sprzedano około 120 milionów telefonów ładujących się bezprzewodowo, w szczególności Samsung Galaxy S6 , który obsługuje zarówno standardy Qi, jak i konkurencyjne standardy Power Matters Alliance . Jednak istnienie kilku konkurencyjnych standardów ładowania bezprzewodowego nadal było postrzegane jako bariera do przyjęcia.
Na początku 2017 r. Qi wyparło inne konkurencyjne standardy, bez nowych produktów z Rezence (standard ładowania bezprzewodowego) . 12 września 2017 r. firma Apple Inc. ogłosiła, że ich nowe smartfony, iPhone 8 , iPhone 8 Plus i iPhone X , będą obsługiwać standard Qi. Od tego czasu każda nowa wersja iPhone'a obsługuje standard ładowania bezprzewodowego Qi. Apple ogłosił również plany rozszerzenia standardu o nowy protokół o nazwie AirPower, który dodałby możliwość ładowania wielu urządzeń jednocześnie; jednak zostało to anulowane 29 marca 2019 r.
Ponieważ standard Qi zyskuje na popularności, oczekuje się, że hotspoty Qi zaczną pojawiać się w takich miejscach, jak kawiarnie, lotniska, hale sportowe itp. Duża sieć kawiarni w USA, Coffee Bean and Tea Leaf , zainstaluje indukcyjne stacje ładowania na Wybrane główne miasta metropolitalne, a także Virgin Atlantic , dla londyńskiego lotniska Heathrow w Wielkiej Brytanii i międzynarodowego lotniska Johna F. Kennedy'ego w Nowym Jorku . Producenci samochodów dodają ładowanie QI jako standardowe lub opcjonalne funkcje od 2013 roku.
Historia wersji
| Numer wersji | Wydany | Maksymalna moc | Uwagi |
|---|---|---|---|
| 1,0 | 2010 | 5 W | Nadajnik mocy może być pojedynczą cewką, układem cewek lub ruchomą cewką. |
| 1,1 | 2012 | 5 W | 12 różnych specyfikacji nadajnika, wykrywanie ciał obcych, aby zapobiec nagrzewaniu się metalowych przedmiotów w pobliżu nadajnika, dodano zasilanie nadajnika przez USB |
| 1.2 | 2015 | Podstawowy profil mocy (BPP): 5 W
Rozszerzony profil mocy (EPP): 15 W |
Zwiększona maksymalna moc nadajnika do 15 W, ulepszone testy termiczne nadajników, ulepszone specyfikacje czasowe, poprawiona czułość wykrywania ciał obcych, opcjonalny identyfikator odbiornika (WP-ID).
Oznaczone przez firmę Samsung jako „Fast Wireless Charging” (początkowo 10 W, wprowadzone w Galaxy Note 5 i S6 edge plus , sierpień 2015) wymaga podłączenia podstawki do ładowania do ładowarki USB 15 W z obsługą Qualcomm Quick Charge 2.0 (9 V, 1,67 amperowe wsparcie). |
| 1.2.3 | 2017 | Klasa mocy EPP 0: 5 W - 30 W | Dodano klasę mocy 0, która pozwala konsumentowi negocjować do 30 W z ładowarki. |
| 1.2.4 | 2017 | Zmiany w wymaganiach testowych. Bardziej dostępne testy rozszerzonego profilu zasilania. | |
| 1,3 | 2021 |
|