Evaluation des normes pour les produits de recharge sans-fil

2nd May 2017
Posted By : Alice Matthews
Evaluation des normes pour les produits de recharge sans-fil

La recharge sans-fil évolue pour devenir une fonction que les utilisateurs de smartphones, de tablettes, de notebooks et de wearables, s'attendent à trouver naturellement dans leurs produits. Il reste néanmoins un défi à résoudre, car alors que ces appareils n'ont pas tous les mêmes besoins en matière d’alimentation, les utilisateurs souhaitent limiter le nombre de stations de recharge sans-fil nécessaires, idéalement à une seule. 

Auteur : David Somo, Senior Vice President of Corporate Strategy & Marketing, ON Semiconductor

Et parmi les facteurs à prendre en compte pour développer une station de recharge se trouvent notamment les différentes normes qui ont vu le jour. Dans cet article, AJ ElJallad passe en revue ces normes concurrentes et examine comment une combinaison optimum de normes et de technologies peut répondre au défi que représente un système de recharge sans-fil universel.

Depuis des années, les utilisateurs d'appareils portables surfent sur Internet, parlent au téléphone et utilisent des connexions point-à-point, tout cela sans connexion physique. Cet aspect pratique du sans-fil a donné naissance à de nouvelles applications et à de nouveaux secteurs. Cependant, la plupart des utilisateurs sans-fil ne sont que partiellement "sans-fil". Quand il s’agit de recharger leurs appareils, la grande majorité continue de les brancher à une prise murale... avec un câble.

Croissance de la recharge sans-fil
Selon le cabinet de recherches IHS, le marché est considérable et il va connaître une croissance rapide tant en chiffre d’affaires qu’en nombre d’unités, jusqu'à ce qu'il arrive à maturité et à saturation vers le milieu de la prochaine décennie.

Figure 1 : Le marché mondial de l'alimentation sans-fil montre une croissance significative pour le reste de la décennie

Des recherches réalisées par IHS montrent qu’en 2015, près de 90 % des consommateurs ont souhaité disposer de la fonctionnalité recharge sans-fil sur leurs appareils portables. Près d’un cinquième de ces consommateurs a déjà adopté la technologie, alors que la majorité ne l'a pas encore utilisée, mais souhaite le faire - un marché potentiel énorme où le consommateur est convaincu du besoin et où la technologie doit apporter une solution.

Le désir du grand-public est clair : pouvoir recharger ses appareils aussi vite et aussi complètement que possible, en permettant au moins une journée d’utilisation entre deux recharges.

La recharge à câble a évolué ; les chargeurs sont devenus plus petits, ont un meilleur rendement et sont plus intelligents. Les utilisateurs nomades sont prêts à emmener avec eux une batterie externe leur permettant de recharger "en mobilité" pendant les périodes d’utilisation intensive, même si la recharge de la batterie externe, et donc de l’appareil, se fait majoritairement par câble. Les batteries progressent, néanmoins leur poids demeure important, et souvent supérieur à celui de l’appareil lui-même.

La recharge sans-fil est l’étape logique suivante de l'évolution de la recharge. Bien qu’étant encore dans la phase "adeptes de la première heure", au cours des deux dernières années 221 millions d’appareils rechargeable sans-fil ont été livrés. En parallèle, 83 millions de stations de recharge (la plupart étant des tapis de charge indépendants) ont été livrés.

De nombreux chargeurs sont aujourd'hui installés dans des espaces publics tels que des cafés ou des aéroports ; en effet, la plupart des consommateurs qui ont essayé la recharge sans-fil ont profité de cette technologie ailleurs que chez eux ou au bureau.

Normes et alliances
Comme avec de nombreuses technologies émergentes, particulièrement celles offrant un énorme potentiel de ventes, de multiples normes (souvent incompatibles) sont en cours de développement. Si cela constitue un moteur pour la technologie, l’absence de solution véritablement universelle peut aussi entraver l'adoption.

Le WPC (Wireless Power Consortium, ou consortium d'alimentation sans-fil) a été fondé en 2008 et regroupe environ 230 membres dans 20 pays, avec notamment des fabricants d'électronique grand-public et de semiconducteurs, et des opérateurs de téléphonie sans-fil. Les membres de WPC soutiennent la norme Qi (qui se prononce "Tchi"). Le WPC vérifie la conformité des produits grâce à un réseau de laboratoires agréés. Il existe plus de 1 200 produits certifiés Qi sur le marché, notamment plus de 300 dispositifs émetteurs / chargeurs et plus de 90 smartphones compatibles Qi. La base installée est estimée à plus de 150 millions d’appareils, et ABI Research prévoit que leur nombre devrait dépasser 700 millions d'ici 2020.

Par le biais de partenariats, Qi est présent dans des voitures, des restaurants, des hôtels, des aéroports et des entreprises - plus de 4 000 points de recharge Qi publics sont déjà déployés dans le monde.

D'un point de vue technique, Qi est une technologie de couplage Inductif qui permet la recharge moyennant un couplage étroit. De même, PowerbyProxi (WPC), est une technologie dite résonnante qui offre une grande liberté spatiale et fournit jusqu'à 5W en scénario de recharge un-vers-un ou un-vers-plusieurs. La technologie tient à l’intérieur des smartphones grâce à un récepteur sans-fil propriétaire, tandis qu’un détecteur FOD (Foreign Object Detector, ou détecteur de corps étranger) assure qu’aucun objet métallique n’interfère ou ne provoque d’échauffement.

L'alliance PMA (Power Matters Alliance, ou Alliance pour l’énergie) et l'alliance A4WP (Alliance for Wireless Power, ou alliance pour l'alimentation sans-fil) ont été créées séparément en 2012 par plusieurs entreprises du secteur des télécommunications, du grand-public, de l’automobile, du mobilier et autres. PMA s’est principalement concentré sur les solutions inductives à couplage étroit, tandis que A4WP travaillait sur la technologie résonnante à couplage lâche.

En juin 2015, les deux organismes ont formellement fusionné, pour être plus tard rebaptisés Alliance AirFuel. La fusion a réduit le nombre d'organismes (et donc de normes concurrentes) de trois à deux, et a été applaudie pour avoir contribué à l’émergence d’une norme interopérable. ON Semiconductor compte parmi les quelque 160 membres post-fusion.

L'Alliance AirFuel dispose d’une large plateforme, allant des technologies inductives, aux technologies résonnantes ou sans-couplage.

La technologie inductive est relativement mûre et elle est déployée dans des millions de dispositifs dans le monde entier. Cette technologie à couplage étroit offre des rendements jusqu'à 80 %, avec une capacité de charge évolutive permettant de s’adapter aux besoins énergétiques de différents appareils.

La technologie résonnante AirFuel permet à l’utilisateur de recharger son appareil en "drop-and-go" (mot à mot "poser et s’en aller"), à travers n'importe quelle surface, et a été baptisée "Rezence" en 2013. Rezence offre une recharge évolutive et n'est pas affecté par la présence d’objets métalliques comme des clés ou des pièces de monnaie.

Tournée vers le futur, l'Alliance AirFuel travaille aussi sur des technologies sans couplage, qui permettront de transmettre de l’énergie jusqu'à plusieurs mètres. Plusieurs technologies et médias sont envisagés, parmi lesquels la RF, les ultrasons et le laser. Le cahier des charges initial prévoyait une puissance jusqu'à 5 W sur des distances de 5 m ; ceci devrait grimper à 15 W dans la deuxième version en 2017.

Au-delà des aspects technologiques, l'Alliance AirFuel développe des normes d'infrastructure pour la recharge sans-fil. Il s’agit notamment de définir les interfaces, les structures de commande et de reporting, et les protocoles réseau, qui apporteront de la sophistication et des avantages pour l’utilisateur.

Figure 2 : Suite à la fusion de PMA et de A4WP en 2015, l'Alliance AirFuel est l’acteur majeur de la technologie d'alimentation sans-fil

Même s’il reste du chemin à faire, l'objectif final est de fournir un système unique totalement interopérable, qui soit capable de charger en même temps et sans interférences, plusieurs appareils ayant des besoins énergétiques différents. Une fois ceci réalisé, on obtiendra une véritable expérience de recharge "drop-and-go" qui déclenchera l'adoption universelle par les consommateurs.

Rôle des technologies de semiconducteur
Il y a deux aspects fondamentaux dans la recharge sans-fil : l’énergie et le magnétisme. Par plusieurs aspects, la technologie partage une grande part d’héritage avec les alimentations SMPS (Switch Mode Power Supply, ou alimentation à découpage) modernes. Celles-ci se composent typiquement d’un étage primaire et d’un étage de conversion secondaire, couplés par un transformateur, et font souvent appel à la résonance pour augmenter le rendement. En tant que tel, une bonne partie de la recherche et développement réalisé par les grandes sociétés de semiconducteurs pour améliorer le rendement des alimentations à découpage peut servir à construire des solutions sans-fil plus performantes.

Comme le montre la Figure 3, un système de recharge sans-fil se compose d'un émetteur et d'un récepteur, dont les fonctions sont très proches de celles du primaire et du secondaire d’une alimentation à découpage. La différence est que dans le cas du système de recharge sans-fil, le "transformateur" est séparé en deux bobines distinctes, l’une dans le chargeur et l’autre dans l’appareil à recharger. Bien que l’on place l’appareil sur le tapis de charge (et qu’il soit donc "en contact"), il est correct d'utiliser le terme "recharge sans-fil" puisque la surface de recharge et le boîtier de l’appareil sont non-conducteurs, et les bobines de charge sont séparées par un espace isolant de plusieurs millimètres ou plus.

Figure 3 : Schéma fonctionnel d'une solution de recharge sans-fil résonnante typique

Les fournisseurs de semiconducteurs développent désormais des solutions de recharge sans-fil complètes, comprenant la gestion d'énergie, les ponts redresseurs, les étages de conversion d’énergie, les commutateurs (MOSFET) et les chargeurs de batterie. Les efforts de recherche et développement continuent de se concentrer sur les réductions d’encombrement et de coût tout en améliorant toujours plus le rendement. En outre, de nombreuses sociétés offrent aussi désormais des outils de développement avancés et des modèles de référence, qui aident les ingénieurs d'études à lancer plus vite leurs systèmes de recharge sans-fil sur le marché.

Clairement il faudra encore du temps avant qu'une véritable norme universelle "drop-and-go" ne soit adoptée mondialement, mais avec l’arrivée à maturité des technologies résonnantes permettant une recharge à couplage lâche, des centaines de grands fabricants supportant les normes, des millions d’appareils livrés, et 90 % des consommateurs à la recherche d’une solution, le futur de la recharge sans-fil comme méthode de recharge dominante est assuré.


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