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如何快速实施符合Qi标准的无线充电系统

对于移动设备,充电过程仍然是最后的束缚。尽管诸如无线充电联盟(WPC)Qi规范等标准有助于支持更高的充电功率水平,但开发人员在设计电路,印刷电路板和固件时仍面临多重挑战,以全面优化向移动设备的无线功率传输。
但是,使用意法半导体的器件和开发套件,开发人员可以快速实施Qi兼容系统,以满足日益增长的功率级无线充电需求。
本文将介绍无线功率的工作原理,无线充电标准的作用以及与设计兼容解决方案相关的挑战。然后介绍意法半导体的STWLC33接收器和STWBC-EP控制器,描述其功能如何解决关键的无线充电设计要求,并说明开发人员如何在无线电源设计中使用它们。
本文最后讨论了开发人员如何使用每个设备的开发套件和参考设计来显着加快自己的开发工作。

无线充电如何工作

在典型的无线充电系统中,发射机系统以交流电为线圈供电,导致线圈处产生振荡磁场。放置得足够靠近该初级线圈,由于线圈之间的磁耦合,接收器线圈将与该场共振,从而根据法拉第感应定律在该次级线圈中产生相应的交流电。通过调制初级线圈上的电流和次级线圈上的负载,发射机和接收机可以将数据编码为耦合场中的变化,从而允许它们交换优化功率传输所需的信息。
当然,这种简单概念的实际应用取决于仔细设计发射机端发电优化电路,接收端电源转换以及双方过程的精确控制(图1)。即使线圈电路或控制方法实现方面的小差异也会导致功率转换效率低下,从而导致该方法无效。
意法半导体典型无线充电系统示意图
图1:典型的无线充电系统使用发射器中的初级线圈与接收器中的次级线圈之间的磁耦合来传输功率并交换数据。(图片来源:意法半导体)

无线电力标准

为确保最佳功率传输,WPC和AirFuel Alliance等无线充电标准机构提供了详细规格,旨在为工程师提供无线充电发射器和接收器的一致框架。诸如WPC Qi 1.2扩展电源配置文件等较新的标准为其支持15 W高功率传输以及旨在优化传输效率而设计的双向通信功能提供了进一步的优势。
即使对于有经验的开发人员来说,实施基于标准的无线充电系统也是一项挑战 设计错误或者甚至是一组不匹配的组件都会使功率传输效率降低到有用水平以下。除了创建优化的功率传输设计的困难之外,设计人员还面临与协议相关的一些特定要求。例如,Qi协议在实际传输阶段之前指定了多个状态(图2)。
精确协调阶段的图表优化电力传输
图2:标准使用一系列精确协调的阶段,例如无线电力联盟Qi标准,以优化发射机和接收机之间的功率传输。(图片来源:Wireless Power Consortium)
在该协议中,附近的接收机通过对发射机进行探测并发送数据以识别自身及其配置给发射机来开始该过程。发射机和接收机然后协商电力合同以建立特定的电力传输级别。在最终开始实际的功率传输阶段之前,发射机和接收机也可能进入校准阶段。随着功率传输的进行,接收器和发射器可以交换信息,以确保功率传输在Qi 1.2扩展功率曲线可用的更高功率水平下保持高效和安全。
实际上,在优化的硬件基础上实施这个复杂的协议会带来多种实际的实施挑战,这些挑战可能会显着增加设计复杂性并延长交付时间表。然而,对于开发人员来说,意法半导体STWLC33接收器和STWBC-EP发射器控制器等集成无线电源解决方案的出现大大消除了执行兼容无线充电系统的障碍。
这些器件结合使用可为符合Qi 1.2扩展功率曲线的15 W充电系统提供优化的解决方案。由于每个设备都符合标准,开发人员可以单独使用每个设备来实现个人无线功率接收器或发射器,以便与其他Qi兼容产品无缝协作。对于这两款器件来说,完整的参考设计和开发板的可用性大大简化了无线充电的实施。同样重要的是,电路板进一步加快了这些解决方案的部署速度,因为它们都已经获得了WPC认证。

灵活的接收器

对于楼宇接收系统,意法半导体STWLC33是一款3.97 x 2.67 mm的倒装芯片器件,集成了完整的无线功率RF前端子系统,低压差(LDO)输出稳压器和32位ARM®Cortex®MCU。为了最大限度地降低功耗,器件会自动调整LDO输入电压,以最大限度地降低LDO电压降和相应的过剩能量。通过使用MCU的32 Kbyte固件内存,该设备可以执行Qi 1.2和AirFuel协议,以提供基于标准的无线充电解决方案。在操作过程中,设备根据对频率和相关信号数据的测量结果自动选择Qi或AirFuel协议
由于STWLC33的集成功能,开发人员可以实现完整的基于标准的无线电源,只需少量外部元件(图3)。
意法半导体STWLC33图
图3:意法半导体STWLC33集成了无线功率接收器操作所需的所有功能,只需要一些额外的外部组件,包括仅用于发送器操作的可选预处理滤波器级。(图片来源:意法半导体)
在Qi模式下操作期间,设备自动执行前面描述的Qi协议中的每个步骤。在完成初始设置阶段并进入功率传输模式后,设备会向变送器发送状态信息以优化传输 - 如果检测到过压,过流或过温故障等错误,则会独立终止功率传输。因此,该器件可以作为独立的电源工作。
开发人员还可以通过其I 2 C接口或其可配置的GPIO端口将设备连接至主处理器。例如,当移动设备远离任何合适的充电器时,开发人员可能会使用主机MCU禁用STWLC33,或将专有数据包发送回发射机进行专门应用。
与主机MCU结合使用时,STWLC33甚至可以作为其他设备(如智能手表或其他低功耗可穿戴设备)的无线充电器(图4)。
意法半导体STWLC33具有双接收器/发射器功能的图像
图4:意法半导体的STWLC33具有双重接收器/发射器功能,允许开发人员构建可使用15 W无线功率充电的移动设备,从而可以对可穿戴设备等低功耗设备进行无线充电。(图片来源:意法半导体)
除了主机MCU之外,这种双重功能不再增加设计要求。开发人员可以使用相同的外部组件配置来将设备作为接收器或发射器进行操作。
请注意,在纯接收机设计中,图3中突出显示的预处理滤波器不是必需的。该器件包含一个内部开关,可以使用相同的线圈进行电力接收和电力传输。
尽管它包含了发射机操作所需的射频功能,但STWLC33并未以默认配置加载发射机固件。尽管如此,开发人员仍可以使用其共享的I 2 C连接轻松地将所需的代码从主机MCU加载到设备中。通过增加ST的发射器固件,STWLC33可以为某些无线充电应用提供现成的解决方案。尽管如此,它在这个角色中的有效性仍然受到线圈性质的限制。用于优化接收的薄线圈仅导致约3W的发射功率水平。
虽然开发人员可以通过增加一个外部线圈来提高传输功率水平,但额外所需的外部开关,功率提升和控制电路将快速增加设计成本和复杂性。更高功率发射机设计的更好方法是利用ST的STWBC-EP无线电力发射控制器。

简化的发射机设计

与STWLC33接收机一样,STWBC-EP控制器将全套集成硬件模块与实现Qi标准所需的固件相结合。尽管其独特的功能支持Qi 1.2 15 W操作,但STWBC-EP仍与使用早期WPC 5 V标准的接收器兼容。然而,对于15W的应用,STWBC-EP和STWLC33提供了一个全面的解决方案,能够充分利用Qi 1.2中内置的功率传输优化功能。
与STWLC33不同,STWBC-EP对与其在更高级别的无线电力传输系统中使用相关的集成要求提出了更高的要求。作为控制器,该器件提供旨在控制用于驱动无线充电线圈的外部功率器件的控制信号。因此,设计人员通常需要添加外部电源电路,例如DC-DC转换器,以将电压升压至恰当激励线圈所需的电平。
使用STWBC-EP,开发人员可以使用该器件的内置支持和输出控制信号来操作典型的DC / DC升压转换器。在这里,开发人员将STWBC-EP的DCDC_DRV输出引脚连接到Diodes公司的 MMDT4413缓冲器晶体管,后者将驱动意法半导体的STL10N3LLH5 MOSFET,用作熟悉的升压转换器拓扑中的电源开关(图5)。
意法半导体STWBC-EP图(点击放大)
图5:意法半导体STWBC-EP消除了与设计功率控制电路相关的复杂性,但开发人员仍然必须创建相应的功率电路,例如为电源线圈供电所需的基于STL10N3LLH5 MOSFET的DC-DC升压转换器。(图片来源:意法半导体)
在此配置中,STWBC-EP的内置控制算法使用器件的CS_CMP输入引脚监视电感电流,并使用VTARGET引脚监视输出电压。该算法通过将CMP_OUT_V引脚的反馈电压电平与开发人员编程以满足特定功率传输要求的参考电压(DCDC_DAC_REF,未显示)进行比较来自动调整输出电压。除了这种典型的升压转换器配置外,开发人员甚至可以使用STWBC-EP监测电感去磁(图5中的DEMAGNET引脚),同时通过准谐振开关操作转换器以提高低负载操作的效率。
尽管STWBC-EP有助于简化电源电路的设计,但开发人员仍然发现与这些电源电路相关的详细设计要求与无线充电子系统的快速发展相对应。但是,通过开发套件,ST提供了使用STWBC-EP和STWLC33部署设计的捷径。

无线充电开发辅助工具

对于基于STWBC-EP的设计,意法半导体的STEVAL-ISB044V1套件和相关参考设计提供了完整的无线发射器设计,已经通过认证,符合WPC Qi 1.2标准。同样,意法半导体的STEVAL-ISB042V1套件和参考设计为使用STWLC33的无线电源接收器设计提供了完整的解决方案。
由于发射机电源电路的额外复杂性,STEVAL-ISB044V1参考设计对快速开发无线充电系统特别有用。例如,与前面讨论的线圈升压转换器设计一起,STEVAL-ISB044V1参考设计显示驱动无线充电线圈所需的相应电路,例如具有半桥功率级的Wurth Electronics 760308104113(图6)。
意法半导体STWBC-EP无线电源固件图(点击放大)
图6:意法半导体STWBC-EP无线电源固件使用一些器件端口来监控和控制驱动电源发射器线圈的半桥电源电路。(图片来源:意法半导体)
与升压转换器电路一样,线圈电路使用STWBC-EP控制信号(UPBL和DNBL)来控制用于STL10N3LLH5 MOSFET的Microchip Technology MCP14700门极驱动器。
即使掌握了这些原理图,开发人员在印刷电路板的物理设计中也会面临更多的困难。优化的功率传输需要仔细考虑印制电路板布线和元件布局。意法半导体通过提供关于电源电路设计与其相应的电路板物理布局(图7)的指导方针,帮助设计人员完成这一关键的开发阶段。
意法半导体的印刷电路板物理布局的图像,以确定关键问题
图7:意法半导体通过一系列将电路设计与半桥电源电路物理设计相关的指导原则,帮助设计人员识别印制电路板物理设计中的关键问题。(图片来源:意法半导体)

固件配置

如前所述,电路和印制电路板设计只是无线充电系统成功实施方案的一部分。对于基于标准的系统,有效的功率传输取决于严格遵守这些标准中指定的协议。由于STWBC-EP和STWLC33均包含实现这些标准协议的固件,因此开发人员可以快速实现无线电源子系统,特别是分别使用STEVAL-ISB044V1和STEVAL-ISB042V1作为发送器和接收器设计的基础时。
尽管每个器件的固件都以二进制格式提供,但ST能够让开发人员更广泛地了解每个器件的运行时间特性。例如,在操作STEVAL-ISB044V1时,开发人员可以通过图形界面密切监视基于STWBC-EP的系统的运行情况(图8)。单独的选项卡可让开发人员在Qi协议的每个阶段监控和控制电路的运行。
意法半导体图形界面的图像
图8:开发人员可以使用意法半导体的图形界面监控Qi电源协议的每个阶段。(图片来源:意法半导体)
为了更好地控制操作,开发人员可以通过其他屏幕修​​改配置参数(图9)。修改参数后,开发人员可以点击“push to target”按钮将新参数写入STWBC-EP并观察结果。在评估不同的配置选项后,下一步是保存更新的配置并将最终设置写入设备。开发人员可以通过其自己的屏幕选项来观察和配置STWLC33。
意法半导体图形界面中的一系列屏幕图像
图9:在STMicroelectronics图形界面中使用一系列屏幕,开发人员可以轻松修改配置参数,将其推送到目标设备,观察结果并使用所需的最终配置更新目标。(图片来源:意法半导体)

结论

随着用户希望切断移动设备的最终连接线,无线功率正在迅速成为必需功能。尽管无线电源标准有助于加速接受度,但基于这些标准的无线电源设计的实施仍然是开发人员面临的重大挑战。随着集成无线电源解决方案的可用性,许多传统的实施障碍已经下降。
通过使用意法半导体的STWBC-EP和STWLC33以及相关的开发套件,设计人员可以快速实施符合Qi标准的无线电力发射器和接收器,以满足日益增长的功率级无线充电需求。
 


(责任编辑:ioter)

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