Qi規格に準拠したワイヤレス充電システムをすばやく実装する方法

モバイルデバイスの場合、充電プロセスは依然として最終的な拘束です。Wireless Power Consortium（WPC）のQi仕様などの規格は高電力充電レベルのサポートに役立ちますが、開発者はそれでも、モバイルデバイスへのワイヤレスパワー伝送を完全に最適化するように回路、PC基板、ファームウェアを設計しようとすると、複数の課題に直面します。

しかし、STMicroelectronicsのデバイスと開発キットを使用すれば、より高い電力レベルでのワイヤレス充電に対する拡大するニーズを満たすことができるQi準拠システムを迅速に実装できます。

この記事では、ワイヤレスパワーのしくみ、ワイヤレス充電規格の役割、準拠ソリューションの設計に関連する課題について説明します。その後、STMicroelectronicsのSTWLC33レシーバとSTWBC-EPコントローラを紹介し、それらの機能が重要なワイヤレス充電設計要件にどのように対処するかを説明し、開発者がワイヤレスパワー設計でそれらを使用する方法を示します。

最後に、各デバイスに対して開発キットと参照設計を使用することで、開発作業が大幅にスピードアップされることを説明します。

ワイヤレス充電のしくみ

一般的なワイヤレス充電システムでは、トランスミッタシステムがコイルに交流電流を流すと、コイルに振動する磁場が発生します。このプライマリコイルの十分近くに置かれたレシーバコイルでは、コイル間の電磁結合のために共振が発生し、ファラデーの電磁誘導の法則に従ってこのセカンダリコイルに対応する交流電流が流れます。プライマリコイルの電流とセカンダリコイルの負荷を調整することで、トランスミッタとレシーバは結合場における変動としてそれぞれデータをエンコードでき、パワー伝送の最適化に必要な情報を交換できます。

もちろん、この簡単な概念の実際の実装は、トランスミッタ側でのパワー生成に最適化された回路、レシーバ側でのパワー変換、両側での処理の正確な制御の慎重な設計に依存します（図1）。コイル回路または制御方法の実装にわずかな違いがあっても、パワー伝送が非効率になり、この方法が役に立たなくなる可能性があります。

図1：一般的なワイヤレス充電システムでは、トランスミッタのプライマリコイルとレシーバのセカンダリコイルの間の電磁結合を使用して、パワーの伝送とデータの交換を行います。（画像提供：STMicroelectronics）

ワイヤレスパワーの規格

最適なパワー伝送を保証するため、WPCやAirFuel Allianceなどのワイヤレス充電規格団体では、ワイヤレス充電のトランスミッタとレシーバのための一貫したフレームワークをエンジニアに提供するために設計された詳細な仕様が提供されています。WPC Qi 1.2拡張パワープロファイルなどの新しい規格では、15Wのさらに高いパワー伝送のサポートや、伝送効率を最適化するために設計された双方向通信機能などの利点が追加されています。

規格に基づくワイヤレス充電システムを実装することは、熟練した開発者でも困難な場合があります。設計エラー、あるいはコンポーネントのセットの不一致でさえも、パワー伝送効率が実用レベルより低下する可能性があります。最適なパワー伝送設計を作成する難しさに加えて、設計者はプロトコルに関連するさまざまな固有の要件に直面します。たとえば、Qiプロトコルでは、実際の伝送ステージに先立つ複数の状態が指定されています（図2）。

図2：規格では、このWireless Power Consortium Qi規格のステージのような正確に調整された一連のステージを使用して、トランスミッタとレシーバの間のパワー伝送が最適化されます。（画像提供：Wireless Power Consortium）

このプロトコルでは、近傍のレシーバがトランスミッタに対してpingを行い、レシーバ自体とその構成をトランスミッタに示すデータを送信することによってプロセスを開始します。その後、トランスミッタとレシーバはパワーコントラクトをネゴシエートして、特定のパワー伝送レベルを確立します。トランスミッタとレシーバは、実際のパワー伝送フェーズを最終的に開始する前に、較正フェーズを行う場合もあります。パワー伝送の進行に従い、レシーバとトランスミッタは、情報を交換して、Qi 1.2拡張パワープロファイルで使用可能な高い電力レベルで、効率的かつ安全にパワー伝送が行われることを保証できます。

実際には、最適化されたハードウェア基盤でこのような高度なプロトコルを実装しようとすると、設計が大幅に複雑になって納品スケジュールが長くなる可能性のある、複数の実際的な実装の課題が発生します。ただし、STMicroelectronicsのSTWLC33レシーバとSTWBC-EPトランスミッタコントローラのような統合ワイヤレスパワーソリューションの登場により、準拠ワイヤレス充電システムを実装するときの開発者に対する障害の多くが取り除かれます。

組み合わせて使用されたデバイスは、Qi 1.2拡張パワープロファイルに準拠する15W充電システムに対して最適化されたソリューションを提供します。各デバイスが規格に準拠しているので、開発者は、各デバイス自体を使用して、他のQi準拠製品とシームレスに動作できる個別のワイヤレスパワーレシーバとトランスミッタを実装できます。どちらのデバイスについても、完全な参照設計と開発ボードを使用できるので、ワイヤレス充電の実装が劇的に簡単になります。同じように重要なこととして、どちらもすでにWPCの認定を得ているので、ボードを使用するとこれらのソリューションの展開がさらに速くなります。

柔軟なレシーバ

レシーバシステムの構築では、STMicroelectronicsのSTWLC33は、完全なワイヤレスパワーRFフロントエンドサブシステム、低ドロップアウト（LDO）出力レギュレータ、および32ビットArm® Cortex® MCUが統合されている、3.97 x 2.67mmのフリップチップデバイスです。電力損失を最小限にするため、デバイスはLDO入力電圧を自動的に調整して、LDO電圧降下とそれに対応する余剰エネルギーを最小にします。MCUの32KBファームウェアメモリを使用することで、デバイスはQi 1.2とAirFuel両方のプロトコルを実行し、規格に基づくワイヤレス充電ソリューションを提供できます。動作の間に、デバイスは周波数および関連するシグナルデータの測定に応じて、QiまたはAirFuelプロトコルを自動的に選択します。

STWLC33の統合機能のため、少数の外部コンポーネントを使用するだけで、規格に基づく完全なワイヤレス電源を実装できます（図3）。

図3：STMicroelectronicsのSTWLC33にはワイヤレスパワーレシーバの動作に必要なすべての機能が統合されているので、トランスミッタの動作に対してのみ必要なオプションの事前調整フィルタステージなど、少数の追加外部コンポーネントのみが必要です。（画像提供：STMicroelectronics）

Qiモードでの動作の間に、デバイスは前に説明したQiプロトコルでの各ステップを自動的に実行します。初期セットアップフェーズを完了してパワー伝送モードに入った後、デバイスは、ステータス情報をトランスミッタに送信して伝送を最適化するか、または過電圧、過電流、過熱障害などのエラーを検出した場合は独立してパワー伝送を終了します。その結果、デバイスはスタンドアロン電源として動作する場合があります。

開発者は、I²Cインターフェースまたは構成可能なGPIOポートを使用して、デバイスをホストプロセッサに接続することもできます。たとえば、開発者は、モバイルデバイスが適切な充電器から離れている場合はホストMCUを使用してSTWLC33を無効にしたり、特別なアプリケーションのために独自のデータパケットをトランスミッタに返送したりできます。

ホストMCUと組み合わせることで、STWLC33はスマートウォッチや他の低電力ウェアラブルなどの別のデバイスに対するワイヤレス充電器として機能することもできます（図4）。

図4：デュアルレシーバ/トランスミッタ機能により、STMicroelectronicsのSTWLC33を使用すると、15Wワイヤレスパワーで充電できるため、ウェアラブルなどの低電力デバイスをワイヤレスに充電できる、モバイルデバイスを開発できます。（画像提供：STMicroelectronics）

ホストMCU以外、このデュアル機能によってさらに追加される設計要件はありません。同じ外部コンポーネントの構成を使用して、レシーバまたはトランスミッタとしてデバイスを動作させることができます。

レシーバのみの設計では、図3で強調した事前調整フィルタは必要ないことに注意してください。デバイスには、パワー受信とパワー送信に同じコイルを使用できる内部スイッチが含まれます。

トランスミッタ動作に必要なRF機能は含まれますが、STWLC33の既定の構成ではトランスミッタのファームウェアはロードされません。それでも、開発者は共有I²C接続を使用して、ホストMCUからデバイスに必要なコードを簡単にロードできます。STのトランスミッタファームウェアを追加すると、STWLC33は一部のワイヤレス充電アプリケーションに対してすぐに使用できるソリューションを提供できます。それでも、コイルの特性により、この役割での有効性には制限があります。最適化された受信に使用される薄型コイルのため、送信される電力レベルは約3Wだけです。

外部コイルを追加することによって送信される電力レベルを上げることはできますが、追加する必要がある外部スイッチ、パワーブースト、制御回路により、設計のコストと複雑さがたちまち増加します。トランスミッタのパワーを高くする設計としてさらに適切なアプローチは、STのSTWBC-EPワイヤレスパワートランスミッタコントローラを利用することです。

簡素化されたトランスミッタの設計

STWLC33レシーバと同じように、STWBC-EPコントローラでは、統合されたハードウェアブロックの完全なセットと、Qi規格の実装に必要なファームウェアが組み合わされています。その独自の機能によりQi 1.2の15W動作をサポートしていますが、STWBC-EPには以前のWPC 5V規格を使用するレシーバとの互換性も残っています。ただし、15Wアプリケーションの場合、STWBC-EPとSTWLC33は、Qi 1.2に組み込まれているパワー伝送の最適化機能を完全に利用できる包括的なソリューションを提供します。

STWLC33とは異なり、STWBC-EPでは、より高いレベルのワイヤレスパワー伝送システムでの使用に関連して統合要件が増えます。コントローラとしての役割のデバイスは、ワイヤレス充電コイルの駆動に使用される外部パワーコンポーネントを制御することを意図した制御信号を提供します。そのため、設計者は、通常、DC/DCコンバータなどの外部パワー回路を追加して、コイルに適切にエネルギーを供給するために必要なレベルまで電圧を上げる必要があります。

STWBC-EPでは、デバイスの組み込みサポートと出力制御信号を使用して、標準的なDC/DCブーストコンバータを動作させることができます。この場合、STWBC-EPのDCDC_DRV出力ピンをDiodes Inc.のMMDT4413バッファトランジスタに接続し、次になじみのあるブーストコンバータトポロジのパワースイッチとして使用されるSTMicroelectronicsのSTL10N3LLH5 MOSFETを駆動します（図5）。

図5：STMicroelectronicsのSTWBC-EPによって電力制御回路の設計に関連する複雑さは排除されますが、それでもパワーコイルにエネルギーを供給するために必要なSTL10N3LLH5 MOSFETベースのDC/DCブーストコンバータのような、対応する電力回路を作成する必要があります。（画像提供：STMicroelectronics）

この構成では、STWBC-EPの組み込み制御アルゴリズムは、デバイスのCS_CMP入力ピンを使用してインダクタ電流を監視し、そのVTARGETピンを使用して出力電圧を監視します。アルゴリズムは、CMP_OUT_Vピンのフィードバック電圧レベルと、開発者が特定のパワー伝送要件を満たすためにプログラムできる基準電圧（DCDC_DAC_REF、示されていません）を比較することによって、出力電圧を自動的に調整します。この標準的なブーストコンバータ構成の他に、擬似共振スイッチングでコンバータを動作させて低負荷動作での効率を高めながら、STWBC-EPを使用してインダクタの減磁を監視することさえできます（図5のDEMAGNETピン）。

STWBC-EPは電力回路の設計の簡素化に役立ちますが、それでもこれらの電力回路に関連する詳細な設計要件がワイヤレス充電サブシステムの急速な開発を阻害することがあります。しかし、STは、その開発キットによって、STWBC-EPおよびSTWLC33を使用する設計の展開に対するショートカットを提供しています。

ワイヤレス充電の開発支援

STWBC-EPベースの設計に対しては、STMicroelectronicsのSTEVAL-ISB044V1キットおよび関連する参照設計において、WPC Qi 1.2規格への準拠をすでに認定されている完全なワイヤレストランスミッタの設計が提供されています。同様に、STMicroelectronicsのSTEVAL-ISB042V1キットおよび参照設計では、STWLC33を使用するワイヤレスパワーレシーバの設計に対する完全なソリューションが提供されています。

トランスミッタの電力回路に関連して複雑さが増すため、STEVAL-ISB044V1の参照設計はワイヤレス充電システムの迅速な開発に特に役立ちます。たとえば、前に説明したコイルブーストコンバータの設計とともに、STEVAL-ISB044V1の参照設計では、ハーフブリッジ電力段を使用するWurth Electronicsの760308104113などのワイヤレス充電コイルを駆動するために必要な対応する回路が示されています（図6）。

図6：STMicroelectronicsのSTWBC-EPワイヤレスパワーファームウェアは、少数のデバイスポートを使用して、パワートランスミッタコイルを駆動するハーフブリッジ電力回路を監視および制御します。（画像提供：STMicroelectronics）

ブーストコンバータ回路と同様に、コイル回路はSTWBC-EP制御信号（UPBLおよびDNBL）を使用して、STL10N3LLH5 MOSFETに対するMicrochip TechnologyのMCP14700ゲートドライバを制御します。

これらの回路図が手元にあっても、開発者はPC基板の物理設計を行うときにさらなる複雑さに直面する可能性があります。最適化されたパワー伝送では、PC基板の配線とコンポーネントレイアウトを慎重に検討する必要があります。STMicroelectronicsは、電力回路の設計と対応するPC基板の物理レイアウトを関連付けるガイドラインを提供することで、この回路開発フェーズを支援します（図7）。

図7：STMicroelectronicsは、回路の設計と、この場合はハーフブリッジ電力回路の物理設計を関連付ける一連のガイドラインによって、開発者がPC基板の物理設計における重大な問題を識別するのを支援します。（画像提供：STMicroelectronics）

ファームウェアの構成

前に説明したように、回路とPC基板の設計は、ワイヤレス充電システムの実装を成功させるための諸問題の一部に過ぎません。規格に基づくシステムの場合、効果的なパワー伝送はそれらの規格で指定されているプロトコルへの厳密な準拠に依存します。STWBC-EPとSTWLC33にはこれらの規格プロトコルを実装するファームウェアが含まれるので、開発者はワイヤレスパワーサブシステムをすばやく実装できます。トランスミッタおよびレシーバの設計の基礎としてSTEVAL-ISB044V1およびSTEVAL-ISB042V1をそれぞれ使用している場合は特に当てはまります。

各デバイスのファームウェアはバイナリ形式で提供されていますが、STは各デバイスの実行時の広範な特性を開発者が視認できるようにしています。たとえば、STEVAL-ISB044V1を動作しながら、グラフィカルインターフェースを使用してSTWBC-EPベースのシステムの動作を詳しく監視できます（図8）。個別のタブを使用して、開発者はQiプロトコルの各ステージでの回路の動作を監視および制御できます。

図8：開発者は、STMicroelectronicsのグラフィカルインターフェースを使用してQiパワープロトコルの各ステージを監視できます。（画像提供：STMicroelectronics）

動作をきめ細かく制御するには、追加画面を使用して構成パラメータを変更できます（図9）。パラメータを変更した後は、[Push to target]ボタンをクリックして、新しいパラメータをSTWBC-EPに書き込み、結果を観察できます。異なる構成オプションを評価した後、更新した構成を保存して、最終的な設定をデバイスに書き込みます。開発者は、同じように独自の画面オプションを使用して、STWLC33を観察して構成できます。

図9：STMicroelectronicsのグラフィカルインターフェースの一連の画面を使用して、開発者は簡単に構成パラメータを変更し、それをターゲットデバイスにプッシュして、結果を観察し、目的の最終構成でターゲットを更新できます。（画像提供：STMicroelectronics）

まとめ

ワイヤレスパワーは、モバイルデバイスへの最終的なコードをなくすというユーザーが求める機能として急速に発達しています。ワイヤレスパワー規格は導入の短縮に役立ちますが、規格に基づくワイヤレスパワー設計の実装は開発者にとって大きな課題です。統合されたワイヤレスパワーソリューションを利用できれば、実装に対する従来の障害の多くはなくなります。

STMicroelectronicsのSTWBC-EPとSTWLC33および関連する開発キットを使用すると、高い電力レベルでのワイヤレス充電に対する拡大する需要を満たすことができる、Qiに準拠したワイヤレスパワートランスミッタとレシーバを迅速に実装できます。