采用STMicroelectronics器件實現(xiàn)符合Qi標準的無線充電系統(tǒng)設計

對移動設備而言，充電過程仍然是最大的制約因素。雖然無線充電聯(lián)盟 (WPC) Qi 規(guī)范等標準有助于支持更高的電源充電水平，但在設計電路、PC 板和固件以充分優(yōu)化對移動設備的無線電力傳輸方面，開發(fā)人員仍然面臨著多重挑戰(zhàn)。

不過，借助 STMicroelectronics 的器件和開發(fā)套件，開發(fā)人員可以快速實施符合 Qi 標準的系統(tǒng)，以提升的功率水平滿足不斷增長的無線充電需求。

本文介紹了無線電源的工作原理、無線充電標準的作用以及與合規(guī)解決方案相關的設計挑戰(zhàn)；然后介紹了 STMicroelectronics STWLC33 接收器和 STWBC-EP 控制器，描述了它們的功能如何滿足關鍵的無線充電設計要求，并展示了開發(fā)人員如何將其用于無線電源設計；

最后討論了開發(fā)人員如何使用每個器件的開發(fā)工具包和參考設計來大幅加快自己的開發(fā)工作。

無線充電的工作原理

在典型的無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射器系統(tǒng)用交流電為線圈供電，從而在線圈處產(chǎn)生振蕩磁場。如果放置位置足夠靠近該初級線圈，接收器線圈就會因線圈之間的磁耦合而與磁場共振，根據(jù)法拉第感應定律在該次級線圈中產(chǎn)生相應的交流電流。通過調制初級線圈處的電流和次級線圈上的負載，發(fā)射器和接收器可以各自將數(shù)據(jù)編碼為耦合場中的變化，從而允許它們交換所需信息以優(yōu)化電力傳輸。

當然，要將這種簡單的概念付諸實際應用，必須針對發(fā)射器側的發(fā)電、接收器側的電源轉換以及兩側過程的精確控制，精心設計優(yōu)化電路（圖 1）。線圈電路或控制方法實施中哪怕只是出現(xiàn)微小的差異，也可能導致電力傳輸?shù)托ВM而致使該方法無效。

圖 1：典型的無線充電系統(tǒng)利用發(fā)射器中的初級線圈和接收器中的次級線圈之間的磁耦合來傳輸電力和交換數(shù)據(jù)。（圖片來源：STMicroelectronics）

無線電源標準

為了確保最佳的電力傳輸，WPC 和 AirFuel Alliance 等無線充電標準機構制定了詳細的規(guī)范，為工程師提供了適用于無線充電發(fā)射器和接收器的一致框架。WPC Qi 1.2 擴展功率分布等新標準帶來一大優(yōu)勢：它們支持 15 W 的更高電力傳輸，并具備優(yōu)化傳輸效率的雙向通信能力。

即使是經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員，實施基于標準的無線充電系統(tǒng)也頗具挑戰(zhàn)性。設計錯誤或不匹配的元器件集會使電力傳輸效率降低至有用水平以下。除了難以創(chuàng)建優(yōu)化的電力傳輸設計外，設計人員還須滿足與協(xié)議相關的許多特定要求。例如，Qi 協(xié)議在實際傳輸階段之前指定了多個狀態(tài)（圖 2）。

圖 2：各標準使用一系列精確安排的階段（例如無線充電聯(lián)盟 Qi 標準的這些階段）來優(yōu)化發(fā)射器和接收器之間的電力傳輸。（圖片來源：無線充電聯(lián)盟）

在該協(xié)議中，一開始，附近的接收器會 ping 發(fā)射器并發(fā)送數(shù)據(jù)以向發(fā)射器表明自己的身份和配置。然后，發(fā)射器和接收器會協(xié)商一份電力合約，以確定具體的電力傳輸水平。在實際電力傳輸階段最終開始之前，發(fā)射器和接收器也可能經(jīng)歷校準階段。隨著電力傳輸?shù)倪M行，接收器和發(fā)射器可以交換信息，確保在 Qi 1.2 擴展功率分布標準支持的較高功率水平下，電力傳輸高效且安全。

實際上，在優(yōu)化的硬件基礎上實施這種復雜的協(xié)議會帶來多種實際的實施挑戰(zhàn)，進而大幅增加設計復雜性和延長交付時間表。不過，對于開發(fā)人員而言，STMicroelectronics STWLC33 接收器和 STWBC-EP 發(fā)射器控制器等集成式無線電源解決方案的出現(xiàn)，在很大程度上掃清了實施合規(guī)無線充電系統(tǒng)的障礙。

這些器件結合使用，為符合 Qi 1.2 擴展功率分布標準的 15 W 充電系統(tǒng)帶來了優(yōu)化的解決方案。由于每個器件都符合標準，因此開發(fā)人員可以使用各個元件本身，來實施能夠與其他符合 Qi 標準的產(chǎn)品無縫協(xié)作的無線電源接收器或發(fā)射器。對于這兩種器件，可以使用整套參考設計和開發(fā)板，這極大地簡化了無線充電的實施。另一方面，開發(fā)板都已獲得 WPC 認證，因此可進一步加快這些解決方案的部署速度。

靈活的接收器

在構建接收器系統(tǒng)方面，STMicroelectronics STWLC33 是一款 3.97 x 2.67 mm 倒裝片器件，集成了完整的無線功率射頻前端子系統(tǒng)、低壓差 (LDO) 輸出穩(wěn)壓器和 32 位 Arm? Cortex? MCU。為了最大限度地降低功率耗散，器件會自動調節(jié) LDO 輸入電壓，以最大限度地降低 LDO 壓降和相應的多余能量。該器件可以使用 MCU 的 32 KB 固件存儲器執(zhí)行 Qi 1.2 和 AirFuel 協(xié)議，提供基于標準的無線充電解決方案。在運行期間，器件可根據(jù)測量頻率和相關信號數(shù)據(jù)，自動選擇 Qi 或 AirFuel 協(xié)議。

由于 STWLC33 的集成功能，開發(fā)人員僅使用幾個外部元器件，就可以實施完整的基于標準的無線電源（圖 3）。

圖 3：STMicroelectronics STWLC33 集成了無線電源接收器運行所需的所有功能，僅需少量額外的外部元器件，包括僅發(fā)射器運行所需的可選預處理濾波級。（圖片來源：STMicroelectronics）

在 Qi 模式下運行期間，器件會自動執(zhí)行前面所述的 Qi 協(xié)議中的每個步驟。完成初始設置階段并進入電力傳輸模式后，該器件會向發(fā)射器發(fā)送狀態(tài)信息以優(yōu)化傳輸；如果檢測到過壓、過流或超溫故障等錯誤，則獨立終止電力傳輸。因此，該器件可以作為獨立電源運行。

開發(fā)人員還可以通過器件的 I2C 接口或可配置的 GPIO 端口將其連接到主機處理器。例如，開發(fā)人員可能會在移動設備遠離任何合適的充電器時使用主機 MCU 來禁用 STWLC33，或者將專有數(shù)據(jù)包發(fā)送回發(fā)射器以用于專業(yè)應用。

當與主機 MCU 結合使用時，STWLC33 甚至可作為其他器件（如智能手表或其他低功耗可穿戴設備）的無線充電器（圖 4）。

圖 4：憑借接收器/發(fā)射器雙功能，STMicroelectronics STWLC33 允許開發(fā)人員構建可使用 15 W 無線電源充電的移動設備，進而以無線方式為可穿戴設備等低功耗設備充電。（圖片來源：STMicroelectronics）

除主機 MCU 外，此雙重功能不會增加進一步的設計要求。開發(fā)人員可使用相同的外部元器件配置讓器件作為接收器或發(fā)射器運行。

請注意，在只有接收器的設計中，不需要圖 3 中重點介紹的預處理濾波器。該器件包括一個內部開關，允許其使用相同的線圈進行電力接收和電力傳輸。

雖然 STWLC33 包含發(fā)射器運行所需的射頻功能，但未在其默認配置中加載發(fā)射器固件。不過，開發(fā)人員可以使用共享的 I2C 連接輕松地從主機 MCU 將所需代碼加載到器件中。通過增加 ST 的發(fā)射器固件，STWLC33 可為某些無線充電應用提供即用型解決方案。但是，它在這方面的有效性仍然受到線圈的性質所限制。用于優(yōu)化接收的細線圈導致發(fā)射功率水平僅為 3 W 左右。

雖然開發(fā)人員可以通過添加外部線圈來增強傳輸功率水平，但同時還需要外部開關、功率提升裝置和控制電路，這將迅速增加設計成本和復雜性。獲得更高功率發(fā)射器設計的更好方法是利用 ST 的 STWBC-EP 無線功率發(fā)射器控制器。

簡化的發(fā)射器設計

與 STWLC33 接收器一樣，STWBC-EP 控制器將全套集成硬件塊與實施 Qi 標準所需的固件相結合。雖然其獨特的特性支持 Qi 1.2 15 W 運行，但 STWBC-EP 仍然兼容使用早期 WPC 5 V 標準的接收器。不過，對于 15 W 應用，STWBC-EP 和 STWLC33 提供了一個全面的解決方案，能夠充分利用 Qi 1.2 所具備的電力傳輸優(yōu)化功能。

與 STWLC33 不同，在用于更高級別的無線電力傳輸系統(tǒng)時，STWBC-EP 提出了更高的集成要求。作為控制器，該器件提供控制信號，可控制用于驅動無線充電線圈的外部電源元器件。因此，設計人員通常需要添加外部電源電路，例如 DC-DC 轉換器，以將電壓升至為線圈適當供電所需的水平。

通過 STWBC-EP，開發(fā)人員可以使用該器件的內置支持和輸出控制信號來操作典型的 DC/DC 升壓轉換器。開發(fā)人員可以將 STWBC-EP 的 DCDC_DRV 輸出引腳連接到 Diodes Inc. 的 MMDT4413 緩沖晶體管，該晶體管進而會驅動 STMicroelectronics STL10N3LLH5 MOSFET，后者在常見的升壓轉換器拓撲中用作電源開關（圖 5）。

圖 5：STMicroelectronics STWBC-EP 降低了與設計電源控制電路相關的復雜性，但開發(fā)人員仍須創(chuàng)建相應的電源電路，例如此處為電源線圈供電所需的基于 STL10N3LLH5 MOSFET 的 DC-DC 升壓轉換器。（圖片來源：STMicroelectronics）

在此配置中，STWBC-EP 的內置控制算法使用器件的 CS_CMP 輸入引腳來監(jiān)控電感電流，并使用其 VTARGET 引腳來監(jiān)控輸出電壓。該算法通過比較 CMP_OUT_V 引腳上的反饋電壓水平與參考電壓（DCDC_DAC_REF，未顯示；開發(fā)人員可以對其進行編程以滿足特定的功率傳輸要求）來自動調整輸出電壓。除了這種典型的升壓轉換器配置，開發(fā)人員甚至可以使用 STWBC-EP 監(jiān)控電感器消磁（圖 5 中的 DEMAGNET 引腳），同時使用準諧振開關運行轉換器，以提高低負載運行的效率。

盡管 STWBC-EP 有助于簡化電源電路的設計，開發(fā)人員仍然可以發(fā)現(xiàn)，與這些電源電路相關的詳細設計要求不利于無線充電子系統(tǒng)的快速發(fā)展。不過，通過其開發(fā)套件，ST 簡化了使用 STWBC-EP 和 STWLC33 的設計的部署。

無線充電開發(fā)輔助工具

對于基于 STWBC-EP 的設計，STMicroelectronics STEVAL-ISB044V1 套件及相關參考設計提供完整的無線發(fā)射器設計，經(jīng)認證符合 WPC Qi 1.2 標準。同樣，STMicroelectronics 的 STEVAL-ISB042V1 套件和參考設計為使用 STWLC33 的無線電源接收器設計提供了完整的解決方案。

由于與發(fā)射器電源電路相關的額外復雜性，STEVAL-ISB044V1 參考設計對于無線充電系統(tǒng)的快速開發(fā)特別有用。例如，STEVAL-ISB044V1 參考設計同前面討論的線圈升壓轉換器設計一起，展示了驅動無線充電線圈所需的相應電路，例如具有半橋功率級的 Wurth Electronics 760308104113 線圈（圖 6）。

圖 6：STMicroelectronics 的 STWBC-EP 無線電源固件使用少量器件端口來監(jiān)控和控制驅動電源發(fā)射器線圈的半橋電源電路。（圖片來源：STMicroelectronics）

與升壓轉換器電路一樣，線圈電路使用 STWBC-EP 控制信號（UPBL 和 DNBL）來為 STL10N3LLH5 MOSFET 控制 Microchip Technology MCP14700 柵極驅動器。

即使手中有這些原理圖，開發(fā)人員也可能在 PC 板物理設計過程中遇到更復雜的問題。優(yōu)化電力傳輸需要仔細考慮 PC 板布線和元器件貼裝。STMicroelectronics 會提供將電源電路設計及其對應的 PC 板物理布局關聯(lián)起來的指南，幫助設計人員完成這一關鍵的開發(fā)階段（圖 7）。

圖 7：STMicroelectronics 通過一系列將電路設計與此例中半橋電源電路的物理設計關聯(lián)起來的指南，幫助設計人員識別 PC 板物理設計中的關鍵問題。（圖片來源：STMicroelectronics）

固件配置

如前所述，電路板和 PC 板設計只是成功實施無線充電系統(tǒng)的一部分。對于基于標準的系統(tǒng)，有效的電力傳輸仰賴嚴格遵守這些標準中規(guī)定的協(xié)議。由于 STWBC-EP 和 STWLC33 均包含實施這些標準協(xié)議的固件，因此開發(fā)人員可以快速實施無線電源子系統(tǒng)，特別是在分別使用 STEVAL-ISB044V1 和 STEVAL-ISB042V1 作為發(fā)射器和接收器設計的基礎時。

盡管每個器件的固件都以二進制格式提供，但 ST 可讓開發(fā)人員全面了解每個器件的運行時特點。例如，在運行 STEVAL-ISB044V1 時，開發(fā)人員可以通過圖形界面密切監(jiān)控基于 STWBC-EP 的系統(tǒng)的運行（圖 8）。單獨的選項卡使得開發(fā)人員能夠在 Qi 協(xié)議的每個階段監(jiān)視和控制電路的運行。

圖 8：開發(fā)人員可以使用 STMicroelectronics 圖形界面監(jiān)控 Qi 電源協(xié)議的每個階段。（圖片來源：STMicroelectronics）

為優(yōu)化運行控制，開發(fā)人員可以通過其他屏幕修改配置參數(shù)（圖 9）。修改參數(shù)后，開發(fā)人員可以單擊“push to target”（推送到目標）按鈕將新參數(shù)寫入 STWBC-EP 并觀察結果。在評估不同的配置選項后，下一步是保存更新的配置并將最終設置寫入器件。同樣，開發(fā)人員可以通過 STWLC33 的屏幕選項對其進行觀察和配置。

圖 9：開發(fā)人員可以使用 STMicroelectronics 圖形界面中的一系列屏幕輕松修改配置參數(shù)、將其推送到目標器件、觀察結果，并使用所需的最終配置更新目標。（圖片來源：STMicroelectronics）

總結

隨著用戶希望其移動設備最終擺脫電線的束縛，無線電源正迅速成為一項必備功能。雖然無線電源標準幫助加快了驗收速度，但基于這些標準實施無線電源設計仍然是開發(fā)人員面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著集成式無線電源解決方案的推出，許多傳統(tǒng)的實施障礙已經(jīng)被消除。

設計人員可以使用 STMicroelectronics STWBC-EP 和 STWLC33 及其相關的開發(fā)套件，快速實施符合 Qi 標準的無線電源發(fā)射器和接收器，以提升的功率水平滿足不斷增長的無線充電需求。