כל מה שצריך לדעת על טעינה אלחוטית

Adi Shieber, Yan Vainter / Freescale

טכנולוגיית הטעינה האלחוטית מבטיחה לשחרר את הצרכנים מהשימוש בכבלים לצורך טעינת ההתקנים הניידים שלהם. מפעילי תקשורת ויצרני טלפונים מאמצים בימים אלו את הטכנולוגיה הזו. בתחום הרכב, טעינה אלחוטית יכולה להיות הנושא האחרון בטכנולוגיה האלחוטית, זה אשר סוף כל סוף יאפשר אינטגרציה מצוינת של יישומי טלפונים חכמים במכונית. כיום קיימים כמה גופים שמתחרים ביניהם על קביעת תקן בתחום, ובהם Qualcomm®, Samsung, Intel®, Powermat®, Nokia, Docomo ורבים אחרים. כתבה זו תשפוך אור על הפרוטוקולים השונים המוצעים עבור הטעינה האלחוטית, על היתרונות שלהם והיכן ובאילו שווקים יישום הטעינה האלחוטית ישגשג.
טעינה אלחוטית אינה רעיון חדש, ואף לא גלומה בה טכנולוגיה חדשה, אך לאחרונה היא מקבלת יותר כותרות בחדשות, עם ההכרזה על הטלפונים החכמים שמכילים תכונות של טעינה אלחוטית, בהם Lumia 920 של Nokia ו-Nexus 4 של LG. חברת ®Palm השיקה את הטלפון ™Pre לפני כ-4 שנים עם יכולת טעינה אלחוטית מובנית. אך מאז, חברת ®Palm פרשה מהשוק הזה. חברת ®Powermat משווקת בארה”ב מזה שנים מערכת עזר לטעינה אלחוטית עבור התקני ®Blackberry ו-®iPhone. רבים משתמשים בביתם במברשות שיניים חשמליות שנטענות חשמלית באופן אלחוטי. אם כן, מהו הדבר שהשתנה לאחרונה, אשר גורם לטעינה האלחוטית להופיע יותר בכותרות? לאחרונה הופיע תקן לטעינה אלחוטית. למעשה הופיעו כמה תקנים, כפי שיוסבר בהמשך.
קיומו של תקן מביא יתרונות רבים לשוק. ראשית, תקן מבטיח תאימות. מטען המיוצר על ידי חברה א’ יפעל עם מכשיר של חברה ב’, ולהפך. דוגמה קלאסית לכך היא מערכת הטלפונים שבה כל טלפון בעולם יכול ליצור קשר עם כל טלפון אחר על פני כדור הארץ. אנו מתייחסים לכך כאל מובן מאליו, אבל ללא תקן עולמי, מצב זה לא היה אפשרי. שנית, המשמעות של תקן היא תחרות שתביא ליתרונות רבים, למשל הוזלת העלויות וחדשנות רבה. החברות יצטרכו להיות חדשניות בתחום על מנת לבדל את מוצריהן בשוק. אבטחת האספקה היא יתרון נוסף: ייתכן המקרה שחברה מסוימת תפסיק לספק את המוצרים שלה ומייד תימצא חברה אחרת שתמלא את החלל. תקן מביא להקמת נוהלי אישור עם מעבדות בדיקה עצמאיות. לבסוף, תקן מגביר את תחושת הביטחון של הלקוחות. כך, לא יווצר מצב שבו הלקוחות ישקיעו במוצרים שאין להם עתיד. המשמעות של תקן היא שהמוצרים הקיימים כיום יפעלו גם עם מוצרים עתידיים, מאחר שהתאימות לאחור מובטחת על ידי תהליך האישור של התקן. כל היתרונות האלו, הנובעים מקיומו של תקן, הם המרכיבים החשובים לקבלת הטכנולוגיה על ידי ציבור הלקוחות ולאפשרות ההתרחבות של השוק.
עם הופעת התקן לטעינה אלחוטית, מומחים צופים לשוק זה גידול רב ביותר. סדרה של דיווחים שפורסמה בשנת 2010 מאת מומחים, כדוגמת ®ABI Research,
® ו-InStat, חזו שהשוק יחל להמריא במהלך שנת 2012 כשמהר מאוד הוא יגיע לאספקה של כמה מאות מיליוני יחידות כבר בשנת 2014. דיווחים מהעת האחרונה, כגון זה שפורסם על ידי IMS Research, צופים שמעל ל-100 מיליון מכשירים בעלי טעינה אלחוטית יירכשו בשנת 2015, ושווי השוק יגיע ל-5 מיליארד דולר עד שנת 2016. ברור כיום, שהמומחים היו אופטימיים מדי בשנת 2010, והמעיטו בהערכת הזמן הנדרש לפיתוח התקן, להקמת מערך תהליכי האישור, והזמן הנדרש לשוק כדי לאמץ את התקן. אולם, הדבר האחד שלא השתנה הוא החזון לטווח הארוך, שלפיו תאומץ באופן נרחב טכנולוגיית הטעינה האלחוטית של טלפונים אלחוטיים, מחשבי לוח (tablet) ושל מוצרי צריכה אחרים. מנתחי השוק אמנם שינו את תחזית תחילת גידול השוק בכשלוש שנים קדימה, אך לא שינו את נקודת המבט האופטימית שלהם לטווח הארוך.
ארגון ה- (Wireless Power Consortium) הכריז בספטמבר 2012 שעד כה סופקו כ-8.5 מיליון טלפונים חכמים עם יכולת משולבת של טעינה אלחוטית על פי תקן Qi של WPC. אימוץ טכנולוגיית הטעינה האלחוטית יתרחב באופן משמעותי, עם שילוב של מעגלי טעינה אלחוטית בתוך הטלפון. במקום שיהיה צורך בהוספה של אביזר חיצוני או מכסה אחורי לטלפון, מעגל הטעינה האלחוטית ישולב מעתה בתוך הטלפון, כתכונה מובנית. טלפונים חדשים כגון Lumia 920 של Nokia ו-Nexus 4 של LG מהווים דוגמה טובה למגמה חדשה זו. שילוב זה מקטין באופן משמעותי את עלותה של פונקציה זו עבור הצרכן, פוטר את הצרכן מרכישה של מוצרים נוספים ומקטין את עובי הטלפון. יצרניות הטלפונים יספקו עם הטלפונים האלו גם משטחי טעינה אלחוטית פשוטים וזולים, ויעניקו בכך שימוש קל ופשוט. הטלפונים החכמים יתנו דחיפה משמעותית לטכנולוגיה הזו וככל הנראה יהוו את השוק בעל הנפח הגדול ביותר של הרכיבים המשמשים לטעינה האלחוטית.
שימוש נרחב בטעינה אלחוטית בטלפונים חכמים יגרור גם הופעת מספר גדול של אביזרי עזר, כמו למשל רמקולים אלחוטיים בדומה למוצרים של JBL
ו-TDK. רמקולים כאלה עם טעינה אלחוטית ישלבו שלוש טכנולוגיות אלחוטיות משלימות: ®Bluetooth לקבלת קובצי אודיו מהטלפון, NFC (תקשורת טווח אפס) לצורך צימוד Bluetooth אוטומטי וטעינה אלחוטית שתשמור את הטלפון במצב טעון. השילוב מספק חווית משתמש חדשה עם זרימת אודיו אוטומטית מהטלפון אל הרמקולים ללא חיבור חומרתי וללא מנגנון צימוד. כל מה שצריך לעשות הוא להניח את הטלפון על הרמקול. כמו כן הוכרזו שייצאו לשוק אביזרי עזר נוספים, כמו למשל אוזניות Bluetooth עם טעינה אלחוטית, עכבר למחשב אישי עם טעינה אלחוטית ושעון מעורר עם תחנת טעינה אלחוטית מובנית להצבה בצד המיטה. העלייה במספר ההתקנים הניידים ומוצרי צריכה אלקטרוניים, עם יכולת מובנית לטעינה אלחוטית, תהיה גורם מעורר להופעת אמצעי תשתית ציבוריים ופרטיים של תחנות טעינה. כבר ניתן לראות מתקני טעינה אלחוטיים בטרקלינים (lounge) של שדות תעופה, בבתי קפה ובמלונות ומהר מאוד, הם יופיעו גם בכלי רכב של התחבורה הציבורית ובכלי רכב פרטיים. בעתיד יהיו במכוניות הפרטיות מטענים אלחוטיים לטלפון הסלולרי שיותקנו בקונסולה המרכזית של הרכב. בהנחת הטלפון על המשטח האמור הוא ייטען, יתחבר באופן אוטומטי באמצעות Bluetooth אל הרדיו של המכונית והטלפון יתחבר גם לאנטנת GPS ולאנטנה סלולרית שיימצאו על גג המכונית לקבלת תקשורת טובה יותר, בשעה שיישומי הטלפון וקובצי המדיה שבו יועברו אל תצוגת המידע והבילוי (infotainment) שבמכונית. השילוב של טכנולוגיות אלחוטיות אלו יהווה את האינטגרציה האולטימטיבית של הטלפון החכם עם חוויית הנהיגה.
כל מערכות הטעינה האלחוטיות משתמשות בעיקרון הבסיסי של זרם המושרה על ידי שדות מגנטיים בסליל. ההבדלים בין מערכות אלו, אשר לעתים מתייחסים אליהן כמערכות השראה מגנטיות (magnetic induction) או כמערכות תהודה מגנטיות (resonant magnetic), נעוצים בגורם הצימוד שבין הסליל המשדר לבין הסליל הקולט. במערכות בעלות גורם צימוד גבוה שני הסלילים צריכים להימצא בקרבה צמודה עם יישור (alignment) טוב ביניהם. ובמערכות המתוכננות עם גורם צימוד נמוך יותר, אפשר לעבוד עם מרחק גדול יותר וחופש רב יותר בהצבת ההתקן הקולט ביחס למשדר.
ה-WPC החל בשנת 2009 ליצור תקן לטעינה אלחוטית המכונה Qi. בנקודה של שלוש שנים מאוחר יותר, כאשר באמתחתם מעל ל-130 חברות בארגון ומוצרים רבים שעברו אישור, ה-WPC נמצא בעמדה טובה להשגת מטרתו המקורית. ה-WPC מגדיר טופולוגיות של משדרים ומבטיח תאימות לאחור עם מוצרי קליטה קיימים העומדים כבר בתקן WPC. אפשר להשתמש במשדרים בסליל אחד או יותר, ובמקרה של שימוש ביותר מסליל אחד אפשר גם להשתמש בו זמנית במספר סלילים על מנת לחולל את השדה המגנטי. בטופולוגיה מסויימת של המשדר משתמשים בצימוד השראתי מגנטי קרוב, והיא מבוססת על שימוש בכמה סלילים (3 עד 8) על מנת לאפשר חופש מרחבי בצירים X ו-Y. המרחק האופייני בין המשדר לבין המקלט בציר Z הוא 5 מ”מ. לאחרונה הציע ה-WPC סוג חדש של משדר עם חופש מרחבי של 5 ס”מ בכיוון ציר Z באמצעות עיקרון של תהודה מגנטית מסתגלת (adaptive resonant magnetic principle), תוך שמירה על תאימות לאחור עם מקלטים קיימים הפועלים בצימוד השראתי לפי WPC.
תקן נוסף לטעינה אלחוטית בשם (Alliance for Wireless Power) קם בשנת 2012 ומציע מערכת לטעינה אלחוטית בתהודה מגנטית המשתמשת בפס תדר (Industrial, Scientific and Medical) של 6.78, כדי לחולל את השדה המגנטי. התקן של A4WP אינו תומך במנגנון צימוד השראתי קרוב כמו זה של WPC. הבדל ראוי לציון בין שני תקנים אלו, הוא ההבדל בתדירויות המשמשות אותם: 100 עד 205 משמשים את WPC ו- 6.78 עבור A4WP. כדאי לשים לב שפסי תדר של ISM משמשים גם חברות נוספות או ארגונים מסוג WPC ו-A4WP לצורך העברת הספק באופן אלחוטי. למשל חברת ®Intel הדגימה אבי-טיפוס של העברת הספק אלחוטית בין מחשב אישי נייד לבין טלפון סלולרי, תוך כדי שימוש בתדר
13.56. ארגון Eurobalise הגדיר מערכת טעינה אלחוטית בין רכבות לבין משיבי balise נייחים הממוקמים על המסילה, תוך כדי שימוש בתדירות של 27.
חשוב לציין שרק WPC, A4WP, ובמידת חשיבות פחותה יותר גם Eurobalise, הם תקנים פתוחים לטעינה אלחוטית. מערכות של טעינה אלחוטית המבוססות על תקנים לא פתוחים כמו של ® Powermat או של ®Intel לא יזכו ביתרונות הטמונים בתמיכה הרחבה של חברות בתעשייה. מטבלה 1 עולה כי מערכת טעינה אלחוטית המשתמשת בתדרי מגה הרץ של ISM עושה שימוש בתדרים שונים להעברת האנרגיה ולהעברת התקשורת. ברור שעובדה זו נובעת מכך שפס התדירות של ISM צר מאוד ומחומרת הדרישות לגבי קרינה מחוץ לפס השידור. הנקודה החשובה הנוספת היא יכולתן או אי יכולתן של טכנולוגיות אלו להציע חופש מרחבי בשלושה ממדים, להצבת ההתקן הקולט ביחס להתקן המשדר. כאמור, WPC, אשר התקן הראשוני שלהם החל כמערכת בצימוד קרוב, מפתחים כיום טופולוגיה של משדר בתהודה מגנטית מסתגלת עם חופש מרחבי רב מבעבר, נראה ש-A4WP ו-®Intel מציעות סוג דומה של מערכות, בעוד תקן Eurobalise מבדל את עצמו עם יכולת שידור הספק באופן אלחוטי מרכבות מהירות אל משיבי Balise נייחים ומקבל נתונים המשודרים חזרה בתדירות שונה.
את ההבדלים בין המערכות האלה במונחים של נצילות, עלות ותאימות לתקני קרינה, ניתן לראות בטבלה 2 המספקת את הנתונים הללו. הטכנולוגיות קובצו לפי תדרים שמשתמשים בהם. בטור תדירויות אחד נמצאות המערכות של WPC ושל ®Powermat שפועלות בתדירות של פחות מ- 500 ובטור השני מרוכזות מערכות אחרות המשתמשות בפסי התדירויות של ISM ב- 6.78, 13.56 או
27.095.
ראשית, יש חשיבות עליונה לעובדה שמערכות אלו יעמדו בתקנות הנוגעות לחשיפת אדם לקרינת רדיו (RF) ולקרינה אלקטרו מגנטית (EMC). למערכות הפועלות מתחת ל- 500 יש ביצועים טובים יותר עם יותר מרווח לצורך עמידה בתקנות. בתחומים של פסי התדר של ISM עדיין אין נתונים מוחשיים שמראים שהמערכות האלו אכן עומדות בתקן FCC חלקים 15 ו-18 (Federal Communications Commission) וכן גם בדרישות של CISPR11. אחת ההמחשות לקושי בעמידה בתקנות אלו היא העיכוב בלמעלה משישה חודשים בהשקת אביזר הטעינה האלחוטית ב- 6.78 של Samsung שהוכרז במאי שנת 2012. אין ספק שהמערכות יצליחו, בסופו של דבר, לעמוד בדרישות ובתקנות אולם מרחב התמרון הטכני יהיה צר וייתכן שיתברר כי קשה לנהל כך היקפי ייצור גדולים ולאורך זמן.
בנושאים האחרים, כגון נצילות, טווח שידור ועלות מערכת, יש לכל אחת מהטכנולוגיות יתרונות וחסרונות שמסתכמים בביצועים דומים. עלות המעגל הדוחף במערכת בתדרי ISM תהיה יקרה באופן יחסי, אך תכלול סליל ואנטנה זולים יותר, בעוד שנתונים אלו הפוכים עבור מערכות הפועלות בתדרים מתחת
ל- 500. באשר לטווח השידור והנצילות, המערכות משני סוגי התדירויות מגיעות לביצועים דומים, שתיהן מצייתות לאותם חוקי הפיסיקה.
אם כך, אלו מבין המערכות יהיו השכיחות ביותר בשוק? לטעמנו, רק טכנולוגיה הפועלת בתקן תעשייתי תוכל לזכות בקבלה נרחבת בשוק. כרגע ישנם שני תקנים פתוחים: WPC ו-A4WP. למערכת Qi של WPC יש לבטח יתרון פתיחה עם קיום של יותר מארבע שנים, ועם יותר מ-130 חברות פעילות. ארגון WPC הפיק את המפרט הראשון שלו בשנת 2011 ואת גרסה 1.1 העוקבת בשנת 2012. פעילותו של A4WP החלה בשנת 2012 ועד לסוף אוקטובר 2012 היו מאוגדים בו 19 חברים. WPC זכה להכרה בקרב החברות והמפעילות הסלולריות ביפן, Verizon שבארה”ב, Nokia ובקרב חברות אלקטרוניקה רבות למוצרי צריכה. החברות העיקריות והמייסדות של A4WP הן ®Qualcomm
ו-Samsung. ראוי לציין שחברת Samsung חברה בשני הארגונים. למעשה, 7 מבין 19 החברות ב-A4WP הן חברות גם ב-WPC, וסביר להניח שיחס זה עוד יגדל, מאחר שחברות ב-WPC יצטרפו ל-A4WP על מנת לקבל גישה למפרט שלו. התעריף המינימלי להצטרפות ל-A4WP נמוך פי ארבעה מתעריף ההצטרפות ל-WPC, ועל כן קל יותר לחברה חדשה להצטרף ל-A4WP.
ארגון ה-WPC הסמיך כמה חברות לצורך אישור של עמידה בתקן Qi. עד לזמן זה, קיבלו כ-150 מוצרים אישור Qi כאשר במהלך שנת 2012 חלה עלייה חדה במספר המוצרים אשר קיבלו אישור זה. עלייה זו אמורה להמשיך במהלך 2013. כשני שלישים מהחברות בארגון ה-WPC מגיעות מאסיה, 20% מארה”ב ו-15% מהחברות מגיעות מאירופה. חלוקה זו מספקת מדד טוב לגבי האימוץ של הטכנולוגיה לפי אזורים. WPC פועל כעת על הרחבה של המפרט הקיים להגדלת הספק עד 15. לאחר מכן, יפעלו לכיוון של מערכות של 30 עבור מחשבי לוח או עבור מחשבים ניידים קטנים. לבסוף, קבוצה הפועלת על יישומים למטבח מכוונת לעבר הספק גבוה יותר הנהוג במכשירים למטבח, של עד
2000 שייטענו באופן אלחוטי.
Freescale הצטרפה לארגון WPC בשנת 2011 ויצרה מאז כמה מערכות לדוגמה
ב- 5 וב- 30. אחת המערכות מדגימה טעינה אלחוטית בו-זמנית של ארבעה מארזי סוללות של 30 כל אחד, המונעת ממיקרו-בקר יחיד. Freescale משתמשת במעבד DSC, על מנת לממש משדר טעינה אלחוטית. הפונקציונליות של מעבד DSP מאפשרת עיבוד מהיר ובהספק נמוך של לולאת PID הנדרשת לדחיפת סלילי המשדר. ניתן להשתמש בעיבוד הנוסף ורב היכולת של ליבה קטנה זו, לצורך מימוש פונקציות עזר נוספות כגון ממשק תקשורת CAN, ממשק משתמש או כל פונקציה אחרת אשר יכולה להשתמש במרחב הזיכרון הפנוי או הכניסות והיציאות הזמינות (I/O).
אנחנו מצויים כיום בנקודת מפנה בתחום האימוץ של מערכות הטעינה האלחוטיות כטכנולוגיה של המגמה הרווחת. המרכיבים של ההצלחה כבר כאן, התקנים כבר מוגדרים ויצרני ציוד מקור (OEM) ומפעילים אלחוטיים כבר מחויבים לטכנולוגיה. מנתחי השוק עדיין חוזים גידול ענקי בשוק אם כי באיחור של כמה שנים לעומת התחזית המקורית. מלבד טלפונים סלולריים והתקנים של מוצרי צריכה, התקנים רבים אחרים בתחומי תעשייה אחרים יכולים להפיק יתרונות מההתקדמות בטכנולוגיה זו, גם במקומות שבהם עדיין לא נדרש ואף לא התבקש כל תקן. ציוד רפואי נייד, צעצועים, עזרי שמיעה, מערכות רובוטיות, ציוד אודיו מקצועי, מכשירי קשר ומערכות רבות אחרות יכולים להשתמש בטעינה אלחוטית או בהעברת הספק אלחוטית. הטכנולוגיה קיימת, חברות צד שלישי ערוכות, אך נעלם אחד עדיין קיים והוא – מה חברת Apple תעשה ביחס לטעינה אלחוטית? זו יכולה להיות הפיסה האחרונה של חוסר וודאות בשוק זה שפתרונה יאפשר לו “להמריא”.

לקבלת מידע נוסף באשר לפתרונות טעינה אלחוטית אפשר לבקר באתר החברה.