RMB | USD

如何快速实施符合 Qi 标准的无线充电系统

作者:Stephen Evanczuk

投稿人:Digi-Key 北美编辑

对移动设备而言,充电过程仍然是最大的制约因素。虽然无线充电联盟 (WPC) Qi 规范等标准有助于支持更高的电源充电水平,但在设计电路、PC 板和固件以充分优化对移动设备的无线电力传输方面,开发人员仍然面临着多重挑战。

不过,借助 STMicroelectronics 的器件和开发套件,开发人员可以快速实施符合 Qi 标准的系统,以提升的功率水平满足不断增长的无线充电需求。

本文介绍了无线电源的工作原理、无线充电标准的作用以及与合规解决方案相关的设计挑战;然后介绍了 STMicroelectronics STWLC33 接收器和 STWBC-EP 控制器,描述了它们的功能如何满足关键的无线充电设计要求,并展示了开发人员如何将其用于无线电源设计;

最后讨论了开发人员如何使用每个器件的开发工具包和参考设计来大幅加快自己的开发工作。

无线充电的工作原理

在典型的无线充电系统中,发射器系统用交流电为线圈供电,从而在线圈处产生振荡磁场。如果放置位置足够靠近该初级线圈,接收器线圈就会因线圈之间的磁耦合而与磁场共振,根据法拉第感应定律在该次级线圈中产生相应的交流电流。通过调制初级线圈处的电流和次级线圈上的负载,发射器和接收器可以各自将数据编码为耦合场中的变化,从而允许它们交换所需信息以优化电力传输。

当然,要将这种简单的概念付诸实际应用,必须针对发射器侧的发电、接收器侧的电源转换以及两侧过程的精确控制,精心设计优化电路(图 1)。线圈电路或控制方法实施中哪怕只是出现微小的差异,也可能导致电力传输低效,进而致使该方法无效。

STMicroelectronics 典型无线充电系统的示意图

图 1:典型的无线充电系统利用发射器中的初级线圈和接收器中的次级线圈之间的磁耦合来传输电力和交换数据。(图片来源:STMicroelectronics)

无线电源标准

为了确保最佳的电力传输,WPC 和 AirFuel Alliance 等无线充电标准机构制定了详细的规范,为工程师提供了适用于无线充电发射器和接收器的一致框架。WPC Qi 1.2 扩展功率分布等新标准带来一大优势:它们支持 15 W 的更高电力传输,并具备优化传输效率的双向通信能力。

即使是经验丰富的开发人员,实施基于标准的无线充电系统也颇具挑战性。设计错误或不匹配的元器件集会使电力传输效率降低至有用水平以下。除了难以创建优化的电力传输设计外,设计人员还须满足与协议相关的许多特定要求。例如,Qi 协议在实际传输阶段之前指定了多个状态(图 2)。

精确安排各阶段以优化电力传输的示意图

图 2:各标准使用一系列精确安排的阶段(例如无线充电联盟 Qi 标准的这些阶段)来优化发射器和接收器之间的电力传输。(图片来源:无线充电联盟)

在该协议中,一开始,附近的接收器会 ping 发射器并发送数据以向发射器表明自己的身份和配置。然后,发射器和接收器会协商一份电力合约,以确定具体的电力传输水平。在实际电力传输阶段最终开始之前,发射器和接收器也可能经历校准阶段。随着电力传输的进行,接收器和发射器可以交换信息,确保在 Qi 1.2 扩展功率分布标准支持的较高功率水平下,电力传输高效且安全。

实际上,在优化的硬件基础上实施这种复杂的协议会带来多种实际的实施挑战,进而大幅增加设计复杂性和延长交付时间表。不过,对于开发人员而言,STMicroelectronics STWLC33 接收器和 STWBC-EP 发射器控制器等集成式无线电源解决方案的出现,在很大程度上扫清了实施合规无线充电系统的障碍。

这些器件结合使用,为符合 Qi 1.2 扩展功率分布标准的 15 W 充电系统带来了优化的解决方案。由于每个器件都符合标准,因此开发人员可以使用各个元件本身,来实施能够与其他符合 Qi 标准的产品无缝协作的无线电源接收器或发射器。对于这两种器件,可以使用整套参考设计和开发板,这极大地简化了无线充电的实施。另一方面,开发板都已获得 WPC 认证,因此可进一步加快这些解决方案的部署速度。

灵活的接收器

在构建接收器系统方面,STMicroelectronics STWLC33 是一款 3.97 x 2.67 mm 倒装片器件,集成了完整的无线功率射频前端子系统、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率耗散,器件会自动调节 LDO 输入电压,以最大限度地降低 LDO 压降和相应的多余能量。该器件可以使用 MCU 的 32 KB 固件存储器执行 Qi 1.2 和 AirFuel 协议,提供基于标准的无线充电解决方案。在运行期间,器件可根据测量频率和相关信号数据,自动选择 Qi 或 AirFuel 协议。

由于 STWLC33 的集成功能,开发人员仅使用几个外部元器件,就可以实施完整的基于标准的无线电源(图 3)。

STMicroelectronics STWLC33 原理图

图 3:STMicroelectronics STWLC33 集成了无线电源接收器运行所需的所有功能,仅需少量额外的外部元器件,包括仅发射器运行所需的可选预处理滤波级。(图片来源:STMicroelectronics)

在 Qi 模式下运行期间,器件会自动执行前面所述的 Qi 协议中的每个步骤。完成初始设置阶段并进入电力传输模式后,该器件会向发射器发送状态信息以优化传输;如果检测到过压、过流或超温故障等错误,则独立终止电力传输。因此,该器件可以作为独立电源运行。

开发人员还可以通过器件的 I2C 接口或可配置的 GPIO 端口将其连接到主机处理器。例如,开发人员可能会在移动设备远离任何合适的充电器时使用主机 MCU 来禁用 STWLC33,或者将专有数据包发送回发射器以用于专业应用。

当与主机 MCU 结合使用时,STWLC33 甚至可作为其他器件(如智能手表或其他低功耗可穿戴设备)的无线充电器(图 4)。

具有接收器/发射器双功能的 STMicroelectronics STWLC33 的图片

图 4:凭借接收器/发射器双功能,STMicroelectronics STWLC33 允许开发人员构建可使用 15 W 无线电源充电的移动设备,进而以无线方式为可穿戴设备等低功耗设备充电。(图片来源:STMicroelectronics)

除主机 MCU 外,此双重功能不会增加进一步的设计要求。开发人员可使用相同的外部元器件配置让器件作为接收器或发射器运行。

请注意,在只有接收器的设计中,不需要图 3 中重点介绍的预处理滤波器。该器件包括一个内部开关,允许其使用相同的线圈进行电力接收和电力传输。

虽然 STWLC33 包含发射器运行所需的射频功能,但未在其默认配置中加载发射器固件。不过,开发人员可以使用共享的 I2C 连接轻松地从主机 MCU 将所需代码加载到器件中。通过增加 ST 的发射器固件,STWLC33 可为某些无线充电应用提供即用型解决方案。但是,它在这方面的有效性仍然受到线圈的性质所限制。用于优化接收的细线圈导致发射功率水平仅为 3 W 左右。

虽然开发人员可以通过添加外部线圈来增强传输功率水平,但同时还需要外部开关、功率提升装置和控制电路,这将迅速增加设计成本和复杂性。获得更高功率发射器设计的更好方法是利用 ST 的 STWBC-EP 无线功率发射器控制器。

简化的发射器设计

与 STWLC33 接收器一样,STWBC-EP 控制器将全套集成硬件块与实施 Qi 标准所需的固件相结合。虽然其独特的特性支持 Qi 1.2 15 W 运行,但 STWBC-EP 仍然兼容使用早期 WPC 5 V 标准的接收器。不过,对于 15 W 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 所具备的电力传输优化功能。

与 STWLC33 不同,在用于更高级别的无线电力传输系统时,STWBC-EP 提出了更高的集成要求。作为控制器,该器件提供控制信号,可控制用于驱动无线充电线圈的外部电源元器件。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,以将电压升至为线圈适当供电所需的水平。

通过 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。开发人员可以将 STWBC-EP 的 DCDC_DRV 输出引脚连接到 Diodes Inc.MMDT4413 缓冲晶体管,该晶体管进而会驱动 STMicroelectronics STL10N3LLH5 MOSFET,后者在常见的升压转换器拓扑中用作电源开关(图 5)。

STMicroelectronics STWBC-EP 的示意图(点击放大)

图 5:STMicroelectronics STWBC-EP 降低了与设计电源控制电路相关的复杂性,但开发人员仍须创建相应的电源电路,例如此处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:STMicroelectronics)

在此配置中,STWBC-EP 的内置控制算法使用器件的 CS_CMP 输入引脚来监控电感电流,并使用其 VTARGET 引脚来监控输出电压。该算法通过比较 CMP_OUT_V 引脚上的反馈电压水平与参考电压(DCDC_DAC_REF,未显示;开发人员可以对其进行编程以满足特定的功率传输要求)来自动调整输出电压。除了这种典型的升压转换器配置,开发人员甚至可以使用 STWBC-EP 监控电感器消磁(图 5 中的 DEMAGNET 引脚),同时使用准谐振开关运行转换器,以提高低负载运行的效率。

尽管 STWBC-EP 有助于简化电源电路的设计,开发人员仍然可以发现,与这些电源电路相关的详细设计要求不利于无线充电子系统的快速发展。不过,通过其开发套件,ST 简化了使用 STWBC-EP 和 STWLC33 的设计的部署。

无线充电开发辅助工具

对于基于 STWBC-EP 的设计,STMicroelectronics STEVAL-ISB044V1 套件及相关参考设计提供完整的无线发射器设计,经认证符合 WPC Qi 1.2 标准。同样,STMicroelectronics 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。

由于与发射器电源电路相关的额外复杂性,STEVAL-ISB044V1 参考设计对于无线充电系统的快速开发特别有用。例如,STEVAL-ISB044V1 参考设计同前面讨论的线圈升压转换器设计一起,展示了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 线圈(图 6)。

STMicroelectronics 的 STWBC-EP 无线电源固件图(点击放大)

图 6:STMicroelectronics 的 STWBC-EP 无线电源固件使用少量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:STMicroelectronics)

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)来为 STL10N3LLH5 MOSFET 控制 Microchip Technology MCP14700 栅极驱动器。

即使手中有这些原理图,开发人员也可能在 PC 板物理设计过程中遇到更复杂的问题。优化电力传输需要仔细考虑 PC 板布线和元器件贴装。STMicroelectronics 会提供将电源电路设计及其对应的 PC 板物理布局关联起来的指南,帮助设计人员完成这一关键的开发阶段(图 7)。

用于识别关键问题的 STMicroelectronics pc 板物理布局的图片

图 7:STMicroelectronics 通过一系列将电路设计与此例中半桥电源电路的物理设计关联起来的指南,帮助设计人员识别 PC 板物理设计中的关键问题。(图片来源:STMicroelectronics)

固件配置

如前所述,电路板和 PC 板设计只是成功实施无线充电系统的一部分。对于基于标准的系统,有效的电力传输仰赖严格遵守这些标准中规定的协议。由于 STWBC-EP 和 STWLC33 均包含实施这些标准协议的固件,因此开发人员可以快速实施无线电源子系统,特别是在分别使用 STEVAL-ISB044V1 和 STEVAL-ISB042V1 作为发射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 可让开发人员全面了解每个器件的运行时特点。例如,在运行 STEVAL-ISB044V1 时,开发人员可以通过图形界面密切监控基于 STWBC-EP 的系统的运行(图 8)。单独的选项卡使得开发人员能够在 Qi 协议的每个阶段监视和控制电路的运行。

STMicroelectronics 图形界面的图片

图 8:开发人员可以使用 STMicroelectronics 图形界面监控 Qi 电源协议的每个阶段。(图片来源:STMicroelectronics)

为优化运行控制,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,开发人员可以单击“push to target”(推送到目标)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器件。同样,开发人员可以通过 STWLC33 的屏幕选项对其进行观察和配置。

STMicroelectronics 图形界面中一系列屏幕的图片

图 9:开发人员可以使用 STMicroelectronics 图形界面中的一系列屏幕轻松修改配置参数、将其推送到目标器件、观察结果,并使用所需的最终配置更新目标。(图片来源:STMicroelectronics)

总结

随着用户希望其移动设备最终摆脱电线的束缚,无线电源正迅速成为一项必备功能。虽然无线电源标准帮助加快了验收速度,但基于这些标准实施无线电源设计仍然是开发人员面临的重大挑战。随着集成式无线电源解决方案的推出,许多传统的实施障碍已经被消除。

设计人员可以使用 STMicroelectronics STWBC-EP 和 STWLC33 及其相关的开发套件,快速实施符合 Qi 标准的无线电源发射器和接收器,以提升的功率水平满足不断增长的无线充电需求。

免责声明:各个作者和/或论坛参与者在本网站发表的观点、看法和意见不代表 Digi-Key Electronics 的观点、看法和意见,也不代表 Digi-Key Electronics 官方政策。

关于此作者

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk 拥有 20 多年的电子行业编辑经验,主题涉猎广泛,涵盖硬件、软件、系统以及包括物联网在内的各种应用。他拥有神经网络领域的神经科学博士学位,曾经从事航空航天领域大规模分布式安全系统和算法加速方法方面的工作。目前,他不是在撰写技术和工程文章,就是在研究深度学习在识别和推荐系统方面的应用。

关于此出版商

Digi-Key 北美编辑