采用STMicroelectronics器件實(shí)現(xiàn)符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)移動(dòng)設(shè)備而言，充電過(guò)程仍然是最大的制約因素。雖然無(wú)線充電聯(lián)盟 (WPC) Qi 規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)有助于支持更高的電源充電水平，但在設(shè)計(jì)電路、PC 板和固件以充分優(yōu)化對(duì)移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線電力傳輸方面，開(kāi)發(fā)人員仍然面臨著多重挑戰(zhàn)。

不過(guò)，借助 STMicroelectronics 的器件和開(kāi)發(fā)套件，開(kāi)發(fā)人員可以快速實(shí)施符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，以提升的功率水平滿足不斷增長(zhǎng)的無(wú)線充電需求。

本文介紹了無(wú)線電源的工作原理、無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的作用以及與合規(guī)解決方案相關(guān)的設(shè)計(jì)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(guān)鍵的無(wú)線充電設(shè)計(jì)要求，并展示了開(kāi)發(fā)人員如何將其用于無(wú)線電源設(shè)計(jì)；

最后討論了開(kāi)發(fā)人員如何使用每個(gè)器件的開(kāi)發(fā)工具包和參考設(shè)計(jì)來(lái)大幅加快自己的開(kāi)發(fā)工作。

無(wú)線充電的工作原理

在典型的無(wú)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(chǎng)。如果放置位置足夠靠近該初級(jí)線圈，接收器線圈就會(huì)因線圈之間的磁耦合而與磁場(chǎng)共振，根據(jù)法拉第感應(yīng)定律在該次級(jí)線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的交流電流。通過(guò)調(diào)制初級(jí)線圈處的電流和次級(jí)線圈上的負(fù)載，發(fā)射器和接收器可以各自將數(shù)據(jù)編碼為耦合場(chǎng)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(dāng)然，要將這種簡(jiǎn)單的概念付諸實(shí)際應(yīng)用，必須針對(duì)發(fā)射器側(cè)的發(fā)電、接收器側(cè)的電源轉(zhuǎn)換以及兩側(cè)過(guò)程的精確控制，精心設(shè)計(jì)優(yōu)化電路（圖 1）。線圈電路或控制方法實(shí)施中哪怕只是出現(xiàn)微小的差異，也可能導(dǎo)致電力傳輸?shù)托ВM(jìn)而致使該方法無(wú)效。

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

無(wú)線電源標(biāo)準(zhǔn)

為了確保最佳的電力傳輸，WPC 和 AirFuel Alliance 等無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定了詳細(xì)的規(guī)范，為工程師提供了適用于無(wú)線充電發(fā)射器和接收器的一致框架。WPC Qi 1.2 擴(kuò)展功率分布等新標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)一大優(yōu)勢(shì)：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(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)人員，實(shí)施基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電系統(tǒng)也頗具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或不匹配的元器件集會(huì)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(shè)計(jì)外，設(shè)計(jì)人員還須滿足與協(xié)議相關(guān)的許多特定要求。例如，Qi 協(xié)議在實(shí)際傳輸階段之前指定了多個(gè)狀態(tài)（圖 2）。

圖 2：各標(biāo)準(zhǔn)使用一系列精確安排的階段（例如無(wú)線充電聯(lián)盟 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的這些階段）來(lái)優(yōu)化發(fā)射器和接收器之間的電力傳輸。（圖片來(lái)源：無(wú)線充電聯(lián)盟）

在該協(xié)議中，一開(kāi)始，附近的接收器會(huì) 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(huì)協(xié)商一份電力合約，以確定具體的電力傳輸水平。在實(shí)際電力傳輸階段最終開(kāi)始之前，發(fā)射器和接收器也可能經(jīng)歷校準(zhǔn)階段。隨著電力傳輸?shù)倪M(jìn)行，接收器和發(fā)射器可以交換信息，確保在 Qi 1.2 擴(kuò)展功率分布標(biāo)準(zhǔn)支持的較高功率水平下，電力傳輸高效且安全。

實(shí)際上，在優(yōu)化的硬件基礎(chǔ)上實(shí)施這種復(fù)雜的協(xié)議會(huì)帶來(lái)多種實(shí)際的實(shí)施挑戰(zhàn)，進(jìn)而大幅增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和延長(zhǎng)交付時(shí)間表。不過(guò)，對(duì)于開(kāi)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(wú)線電源解決方案的出現(xiàn)，在很大程度上掃清了實(shí)施合規(guī)無(wú)線充電系統(tǒng)的障礙。

這些器件結(jié)合使用，為符合 Qi 1.2 擴(kuò)展功率分布標(biāo)準(zhǔn)的 15 W 充電系統(tǒng)帶來(lái)了優(yōu)化的解決方案。由于每個(gè)器件都符合標(biāo)準(zhǔn)，因此開(kāi)發(fā)人員可以使用各個(gè)元件本身，來(lái)實(shí)施能夠與其他符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品無(wú)縫協(xié)作的無(wú)線電源接收器或發(fā)射器。對(duì)于這兩種器件，可以使用整套參考設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)板，這極大地簡(jiǎn)化了無(wú)線充電的實(shí)施。另一方面，開(kāi)發(fā)板都已獲得 WPC 認(rèn)證，因此可進(jìn)一步加快這些解決方案的部署速度。

靈活的接收器

在構(gòu)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(wú)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(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié) LDO 輸入電壓，以最大限度地降低 LDO 壓降和相應(yīng)的多余能量。該器件可以使用 MCU 的 32 KB 固件存儲(chǔ)器執(zhí)行 Qi 1.2 和 AirFuel 協(xié)議，提供基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電解決方案。在運(yùn)行期間，器件可根據(jù)測(cè)量頻率和相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)，自動(dòng)選擇 Qi 或 AirFuel 協(xié)議。

由于 STWLC33 的集成功能，開(kāi)發(fā)人員僅使用幾個(gè)外部元器件，就可以實(shí)施完整的基于標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電源（圖 3）。

圖 3：STMicroelectronics STWLC33 集成了無(wú)線電源接收器運(yùn)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(yùn)行所需的可選預(yù)處理濾波級(jí)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

在 Qi 模式下運(yùn)行期間，器件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行前面所述的 Qi 協(xié)議中的每個(gè)步驟。完成初始設(shè)置階段并進(jìn)入電力傳輸模式后，該器件會(huì)向發(fā)射器發(fā)送狀態(tài)信息以優(yōu)化傳輸；如果檢測(cè)到過(guò)壓、過(guò)流或超溫故障等錯(cuò)誤，則獨(dú)立終止電力傳輸。因此，該器件可以作為獨(dú)立電源運(yùn)行。

開(kāi)發(fā)人員還可以通過(guò)器件的 I2C 接口或可配置的 GPIO 端口將其連接到主機(jī)處理器。例如，開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)在移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)離任何合適的充電器時(shí)使用主機(jī) MCU 來(lái)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(yīng)用。

當(dāng)與主機(jī) MCU 結(jié)合使用時(shí)，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(shè)備）的無(wú)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(kāi)發(fā)人員構(gòu)建可使用 15 W 無(wú)線電源充電的移動(dòng)設(shè)備，進(jìn)而以無(wú)線方式為可穿戴設(shè)備等低功耗設(shè)備充電。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

除主機(jī) MCU 外，此雙重功能不會(huì)增加進(jìn)一步的設(shè)計(jì)要求。開(kāi)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(yùn)行。

請(qǐng)注意，在只有接收器的設(shè)計(jì)中，不需要圖 3 中重點(diǎn)介紹的預(yù)處理濾波器。該器件包括一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)，允許其使用相同的線圈進(jìn)行電力接收和電力傳輸。

雖然 STWLC33 包含發(fā)射器運(yùn)行所需的射頻功能，但未在其默認(rèn)配置中加載發(fā)射器固件。不過(guò)，開(kāi)發(fā)人員可以使用共享的 I2C 連接輕松地從主機(jī) MCU 將所需代碼加載到器件中。通過(guò)增加 ST 的發(fā)射器固件，STWLC33 可為某些無(wú)線充電應(yīng)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(zhì)所限制。用于優(yōu)化接收的細(xì)線圈導(dǎo)致發(fā)射功率水平僅為 3 W 左右。

雖然開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)添加外部線圈來(lái)增強(qiáng)傳輸功率水平，但同時(shí)還需要外部開(kāi)關(guān)、功率提升裝置和控制電路，這將迅速增加設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。獲得更高功率發(fā)射器設(shè)計(jì)的更好方法是利用 ST 的 STWBC-EP 無(wú)線功率發(fā)射器控制器。

簡(jiǎn)化的發(fā)射器設(shè)計(jì)

與 STWLC33 接收器一樣，STWBC-EP 控制器將全套集成硬件塊與實(shí)施 Qi 標(biāo)準(zhǔn)所需的固件相結(jié)合。雖然其獨(dú)特的特性支持 Qi 1.2 15 W 運(yùn)行，但 STWBC-EP 仍然兼容使用早期 WPC 5 V 標(biāo)準(zhǔn)的接收器。不過(guò)，對(duì)于 15 W 應(yīng)用，STWBC-EP 和 STWLC33 提供了一個(gè)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(jí)別的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)時(shí)，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(hào)，可控制用于驅(qū)動(dòng)無(wú)線充電線圈的外部電源元器件。因此，設(shè)計(jì)人員通常需要添加外部電源電路，例如 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以將電壓升至為線圈適當(dāng)供電所需的水平。

通過(guò) STWBC-EP，開(kāi)發(fā)人員可以使用該器件的內(nèi)置支持和輸出控制信號(hào)來(lái)操作典型的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器。開(kāi)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(jìn)而會(huì)驅(qū)動(dòng) STMicroelectronics STL10N3LLH5 MOSFET，后者在常見(jiàn)的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲杏米?a target="_blank">電源開(kāi)關(guān)（圖 5）。

圖 5：STMicroelectronics STWBC-EP 降低了與設(shè)計(jì)電源控制電路相關(guān)的復(fù)雜性，但開(kāi)發(fā)人員仍須創(chuàng)建相應(yīng)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(zhuǎn)換器。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

在此配置中，STWBC-EP 的內(nèi)置控制算法使用器件的 CS_CMP 輸入引腳來(lái)監(jiān)控電感電流，并使用其 VTARGET 引腳來(lái)監(jiān)控輸出電壓。該算法通過(guò)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(kāi)發(fā)人員可以對(duì)其進(jìn)行編程以滿足特定的功率傳輸要求）來(lái)自動(dòng)調(diào)整輸出電壓。除了這種典型的升壓轉(zhuǎn)換器配置，開(kāi)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(shí)使用準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)運(yùn)行轉(zhuǎn)換器，以提高低負(fù)載運(yùn)行的效率。

盡管 STWBC-EP 有助于簡(jiǎn)化電源電路的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)人員仍然可以發(fā)現(xiàn)，與這些電源電路相關(guān)的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求不利于無(wú)線充電子系統(tǒng)的快速發(fā)展。不過(guò)，通過(guò)其開(kāi)發(fā)套件，ST 簡(jiǎn)化了使用 STWBC-EP 和 STWLC33 的設(shè)計(jì)的部署。

無(wú)線充電開(kāi)發(fā)輔助工具

對(duì)于基于 STWBC-EP 的設(shè)計(jì)，STMicroelectronics STEVAL-ISB044V1 套件及相關(guān)參考設(shè)計(jì)提供完整的無(wú)線發(fā)射器設(shè)計(jì)，經(jīng)認(rèn)證符合 WPC Qi 1.2 標(biāo)準(zhǔn)。同樣，STMicroelectronics 的 STEVAL-ISB042V1 套件和參考設(shè)計(jì)為使用 STWLC33 的無(wú)線電源接收器設(shè)計(jì)提供了完整的解決方案。

由于與發(fā)射器電源電路相關(guān)的額外復(fù)雜性，STEVAL-ISB044V1 參考設(shè)計(jì)對(duì)于無(wú)線充電系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)特別有用。例如，STEVAL-ISB044V1 參考設(shè)計(jì)同前面討論的線圈升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)一起，展示了驅(qū)動(dòng)無(wú)線充電線圈所需的相應(yīng)電路，例如具有半橋功率級(jí)的 Wurth Electronics 760308104113 線圈（圖 6）。

圖 6：STMicroelectronics 的 STWBC-EP 無(wú)線電源固件使用少量器件端口來(lái)監(jiān)控和控制驅(qū)動(dòng)電源發(fā)射器線圈的半橋電源電路。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

與升壓轉(zhuǎn)換器電路一樣，線圈電路使用 STWBC-EP 控制信號(hào)（UPBL 和 DNBL）來(lái)為 STL10N3LLH5 MOSFET 控制 Microchip Technology MCP14700 柵極驅(qū)動(dòng)器。

即使手中有這些原理圖，開(kāi)發(fā)人員也可能在 PC 板物理設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到更復(fù)雜的問(wèn)題。優(yōu)化電力傳輸需要仔細(xì)考慮 PC 板布線和元器件貼裝。STMicroelectronics 會(huì)提供將電源電路設(shè)計(jì)及其對(duì)應(yīng)的 PC 板物理布局關(guān)聯(lián)起來(lái)的指南，幫助設(shè)計(jì)人員完成這一關(guān)鍵的開(kāi)發(fā)階段（圖 7）。

圖 7：STMicroelectronics 通過(guò)一系列將電路設(shè)計(jì)與此例中半橋電源電路的物理設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)起來(lái)的指南，幫助設(shè)計(jì)人員識(shí)別 PC 板物理設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

固件配置

如前所述，電路板和 PC 板設(shè)計(jì)只是成功實(shí)施無(wú)線充電系統(tǒng)的一部分。對(duì)于基于標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，有效的電力傳輸仰賴嚴(yán)格遵守這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的協(xié)議。由于 STWBC-EP 和 STWLC33 均包含實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的固件，因此開(kāi)發(fā)人員可以快速實(shí)施無(wú)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)時(shí)。

盡管每個(gè)器件的固件都以二進(jìn)制格式提供，但 ST 可讓開(kāi)發(fā)人員全面了解每個(gè)器件的運(yùn)行時(shí)特點(diǎn)。例如，在運(yùn)行 STEVAL-ISB044V1 時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)圖形界面密切監(jiān)控基于 STWBC-EP 的系統(tǒng)的運(yùn)行（圖 8）。單獨(dú)的選項(xiàng)卡使得開(kāi)發(fā)人員能夠在 Qi 協(xié)議的每個(gè)階段監(jiān)視和控制電路的運(yùn)行。

圖 8：開(kāi)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(gè)階段。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

為優(yōu)化運(yùn)行控制，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)其他屏幕修改配置參數(shù)（圖 9）。修改參數(shù)后，開(kāi)發(fā)人員可以單擊“push to target”（推送到目標(biāo)）按鈕將新參數(shù)寫(xiě)入 STWBC-EP 并觀察結(jié)果。在評(píng)估不同的配置選項(xiàng)后，下一步是保存更新的配置并將最終設(shè)置寫(xiě)入器件。同樣，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò) STWLC33 的屏幕選項(xiàng)對(duì)其進(jìn)行觀察和配置。

圖 9：開(kāi)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(biāo)器件、觀察結(jié)果，并使用所需的最終配置更新目標(biāo)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

總結(jié)

隨著用戶希望其移動(dòng)設(shè)備最終擺脫電線的束縛，無(wú)線電源正迅速成為一項(xiàng)必備功能。雖然無(wú)線電源標(biāo)準(zhǔn)幫助加快了驗(yàn)收速度，但基于這些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施無(wú)線電源設(shè)計(jì)仍然是開(kāi)發(fā)人員面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著集成式無(wú)線電源解決方案的推出，許多傳統(tǒng)的實(shí)施障礙已經(jīng)被消除。

設(shè)計(jì)人員可以使用 STMicroelectronics STWBC-EP 和 STWLC33 及其相關(guān)的開(kāi)發(fā)套件，快速實(shí)施符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)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(zhǎng)的無(wú)線充電需求。