Come implementare velocemente un sistema di ricarica wireless conforme allo standard Qi

Per i dispositivi mobili, il processo di ricarica continua ad essere un grosso ostacolo. Anche se standard come le specifiche Qi del Wireless Power Consortium (WPC) aiutano a supportare livelli di carica più elevati, gli sviluppatori devono comunque affrontare molte sfide quando si tratta di progettare circuiti, schede e firmware per ottimizzare al massimo il trasferimento di energia wireless ai dispositivi mobili.

Tuttavia, utilizzando dispositivi e kit di sviluppo di STMicroelectronics, possono implementare rapidamente sistemi conformi a Qi in grado di soddisfare la crescente esigenza di ricarica wireless a livelli di potenza maggiori.

Questo articolo descrive come funziona l'alimentazione wireless, il ruolo degli standard di ricarica wireless e le sfide associate alla progettazione di soluzioni conformi. Quindi saranno presentati il ricevitore STWLC33 e il controller STWBC-EP di STMicroelectronics e verranno descritte le loro funzioni mirate a risolvere i problemi legati ai requisiti dei progetti di ricarica wireless. Sarà inoltre illustrato come gli sviluppatori possono utilizzarli nei progetti di trasferimento wireless di energia.

L'articolo si conclude con una discussione su come gli sviluppatori possono utilizzare il kit di sviluppo e il progetto di riferimento per i vari dispositivi per accelerare significativamente il proprio lavoro di sviluppo.

Come funziona la ricarica wireless

In un tipico sistema di ricarica wireless, un sistema di trasmissione alimenta una bobina con corrente alternata, generando un campo magnetico oscillante nella bobina. Posizionata abbastanza vicino a questa bobina primaria, una bobina ricevente risuonerà con il campo grazie all'accoppiamento magnetico tra le bobine, portando una corrente alternata corrispondente nella bobina secondaria, come previsto dalla legge di induzione di Faraday. Modulando la corrente sulla bobina primaria e il carico sulla bobina secondaria, il trasmettitore e il ricevitore possono ciascuno codificare i dati come variazioni nel campo accoppiato, il che consente loro di scambiarsi le informazioni necessarie per ottimizzare il trasferimento di energia.

Naturalmente, l'applicazione reale di questo concetto semplificato dipende dalla progettazione accurata dei circuiti ottimizzati per la generazione di energia sul lato trasmettitore, dalla conversione sul lato ricevitore e dal controllo preciso del processo su entrambi i lati (Figura 1). Anche piccole differenze nell'implementazione dei circuiti delle bobine o dei metodi di controllo possono portare a inefficienze nel trasferimento di energia tali da rendere l'approccio inefficace.

Figura 1: Un tipico sistema di ricarica wireless utilizza l'accoppiamento magnetico tra una bobina primaria nel trasmettitore e una bobina secondaria nel ricevitore per trasferire energia e scambiare dati. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Gli standard per il trasferimento wireless di energia

Per garantire un trasferimento di energia ottimale, i consorzi di standardizzazione dei sistemi di ricarica wireless come WPC e AirFuel Alliance, tramite specifiche dettagliate, forniscono agli ingegneri un quadro coerente per l'implementazione di trasmettitori e ricevitori. Gli standard più recenti, come il profilo di estensione Qi 1.2 di WPC, aggiungono un ulteriore vantaggio con il loro supporto per trasferimenti di potenza più elevati a 15 W, nonché funzionalità di comunicazione bidirezionale progettate per ottimizzare l'efficienza del processo.

L'implementazione di un sistema di ricarica wireless basato su standard può essere difficile anche per gli sviluppatori esperti. Un errore di progettazione o anche un insieme di componenti che non si abbinano perfettamente possono compromettere l'efficienza del trasferimento di energia portandola al di sotto dei livelli utili. Oltre alla difficoltà di creare un progetto ottimizzato per il trasferimento di energia, i progettisti devono affrontare una serie di requisiti specifici associati al protocollo. Ad esempio, il protocollo Qi specifica più stati prima della fase di trasferimento effettiva (Figura 2).

Figura 2: Gli standard utilizzano una serie di fasi perfettamente orchestrate come quelle per lo standard Qi del Wireless Power Consortium per ottimizzare il trasferimento di energia tra un trasmettitore e un ricevitore. (Immagine per gentile concessione di Wireless Power Consortium)

In questo protocollo, un ricevitore vicino inizia il processo eseguendo il ping del trasmettitore e inviando i dati per identificare se stesso e notificare la sua configurazione al trasmettitore. Il trasmettitore e il ricevitore negoziano quindi un contratto di energia per stabilire un livello di trasferimento di potenza specifico. Potrebbero anche avviare una fase di calibrazione prima di iniziare il trasferimento effettivo. Mentre il trasferimento di energia procede, il ricevitore e il trasmettitore possono scambiarsi informazioni per garantire che l'operazione rimanga efficiente e sicura ai livelli di potenza più elevati disponibili con il profilo esteso Qi 1.2.

Nella pratica, l'implementazione di questo protocollo sofisticato su una base hardware ottimizzata presenta molteplici problemi che possono aumentare in modo significativo la complessità della progettazione e allungare i tempi di consegna. Per gli sviluppatori, tuttavia, l'emergere di soluzioni di trasferimento wireless di energia integrate, come il ricevitore STWLC33 e il controller trasmettitore STWBC-EP di STMicroelectronics, ha in gran parte rimosso le barriere all'implementazione di sistemi conformi.

Utilizzati in combinazione, questi dispositivi costituiscono una soluzione ottimizzata per sistemi di ricarica da 15 W, conformi al profilo esteso Qi 1.2. Poiché entrambi i dispositivi sono conformi, gli sviluppatori possono utilizzarli autonomamente per implementare singoli ricevitori o trasmettitori in grado di funzionare senza problemi con altri prodotti conformi a Qi. Per entrambi i dispositivi, la disponibilità di una scheda di sviluppo e di un progetto di riferimento completo semplifica notevolmente l'implementazione della ricarica wireless. Altrettanto importante è il fatto che le schede accelerano ulteriormente l'implementazione di queste soluzioni avendo già ottenuto la certificazione WPC.

Ricevitore flessibile

Per la realizzazione di sistemi di ricezione, STWLC33 di STMicroelectronics è un dispositivo flip-chip da 3,97x2,67 mm che integra un sottosistema di front-end RF di potenza wireless completo, regolatore di uscita a basso drop out (LDO) e un MCU Arm® Cortex® a 32 bit. Per contenere al minimo la dissipazione di potenza, il dispositivo regola automaticamente la tensione di ingresso LDO per ridurre al minimo la caduta di tensione LDO e la corrispondente energia in eccesso. Utilizzando la memoria del firmware da 32 Kbyte dell'MCU, il dispositivo può eseguire sia i protocolli Qi 1.2 che AirFuel per garantire una soluzione di ricarica wireless basata sugli standard. Durante il funzionamento, il dispositivo seleziona automaticamente il protocollo Qi o AirFuel a seconda dei valori di frequenza misurati e dei relativi dati di segnale.

Grazie alla funzionalità integrata dell'STWLC33, gli sviluppatori possono implementare un alimentatore wireless completo basato su standard con solo pochi componenti esterni (Figura 3).

Figura 3: L'STWLC33 di STMicroelectronics integra tutte le funzionalità richieste per le operazioni del ricevitore di potenza wireless, richiedendo solo alcuni componenti aggiuntivi esterni tra cui un filtro opzionale di pre-condizionamento, necessario solo per le operazioni del trasmettitore. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Durante il funzionamento in modalità Qi, il dispositivo esegue automaticamente ogni fase del protocollo Qi descritta in precedenza. Dopo aver completato le fasi iniziali di configurazione e aver attivato la modalità di trasferimento di energia, il dispositivo invia informazioni di stato al trasmettitore per ottimizzare l'operazione, o termina autonomamente il trasferimento se rileva un errore, ad esempio sovratensione, sovracorrente o sovratemperatura. Di conseguenza, il dispositivo può funzionare come alimentazione autonoma.

Gli sviluppatori possono anche collegare il dispositivo ad un processore host attraverso la sua interfaccia I²C o le sue porte GPIO configurabili. Ad esempio, potrebbero utilizzare un'unità MCU host per disabilitare l'STWLC33 quando il dispositivo mobile è lontano da qualsiasi caricabatterie idoneo, oppure inviare pacchetti di dati proprietari al trasmettitore per applicazioni specializzate.

Se combinato con un'unità MCU host, l'STWLC33 può servire anche come caricabatterie wireless per un altro dispositivo, come uno smartwatch o altri dispositivi indossabili a bassa potenza (Figura 4).

Figura 4: Con la sua doppia funzionalità di ricevitore/trasmettitore, STWLC33 di STMicroelectronics permette agli sviluppatori di realizzare dispositivi mobili che possono essere caricati in modalità wireless fino a 15 W di potenza e che a loro volta possono caricare senza fili dispositivi a bassa potenza come quelli indossabili. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

A parte l'MCU host, questa doppia funzionalità non aggiunge ulteriori requisiti di progettazione. Gli sviluppatori possono utilizzare la stessa configurazione di componenti esterni per implementare il dispositivo come ricevitore o trasmettitore.

Va notato che nei progetti solo ricevitore, il filtro di pre-condizionamento evidenziato in Figura 3 non è necessario. Il dispositivo include un interruttore interno che consente di utilizzare la stessa bobina per la ricezione e la trasmissione dell'energia.

Sebbene includa la funzionalità RF necessaria per il funzionamento del trasmettitore, l'STWLC33 non è provvisto di firmware del trasmettitore nella sua configurazione predefinita. Tuttavia, gli sviluppatori possono facilmente caricare il codice richiesto nel dispositivo dall'MCU host utilizzando la loro connessione condivisa I²C. Con l'aggiunta del firmware del trasmettitore di ST, STWLC33 può fornire una soluzione pronta per alcune applicazioni di ricarica wireless. La sua efficienza in questo ruolo rimane però limitata dalla natura della bobina. Le sottili bobine utilizzate per ottimizzare la ricezione portano i livelli di potenza trasmessa a soli 3 W circa.

Anche se gli sviluppatori possono migliorare i livelli di potenza trasmessa aggiungendo una bobina esterna, l'interruttore esterno aggiuntivo richiesto, il power boost e i circuiti di controllo determineranno un rapido incremento dei costi di progettazione e della complessità. Un approccio migliore per la progettazione di trasmettitori a potenza superiore potrebbe trarre vantaggio dal controller trasmettitore wireless STWBC-EP di ST.

Progetto del trasmettitore semplificato

Come per il ricevitore STWLC33, il controller STWBC-EP combina una serie completa di blocchi hardware integrati e dotati del firmware necessario per implementare lo standard Qi. Sebbene le sue caratteristiche uniche supportino il funzionamento Qi 1.2 a 15 W, STWBC-EP rimane compatibile con i ricevitori che utilizzano il precedente standard WPC 5 V. Per le applicazioni a 15 W, tuttavia, STWBC-EP e STWLC33 offrono una soluzione completa in grado di sfruttare appieno le funzionalità di ottimizzazione del trasferimento di energia conformemente allo standard Qi 1.2.

A differenza dell'STWLC33, l'STWBC-EP impone maggiori requisiti di integrazione legati al suo utilizzo in sistemi di trasmissione di energia wireless di livello superiore. Nel suo ruolo di controller, il dispositivo fornisce segnali mirati a controllare componenti di potenza esterni utilizzati per pilotare una bobina di ricarica wireless. Di conseguenza, normalmente i progettisti devono aggiungere circuiti esterni, come ad esempio un convertitore c.c./c.c., per aumentare la tensione ai livelli idonei per alimentare correttamente la bobina.

Con STWBC-EP, gli sviluppatori possono utilizzare i segnali di supporto e di controllo dell'uscita integrati nel dispositivo per azionare un tipico convertitore c.c./c.c. boost. In tal caso, collegano il pin di uscita DCDC_DRV dell'STWBC-EP a un transistor buffer MMDT4413 di Diodes Inc. che a sua volta pilota il mosfet STL10N3LLH5 di STMicroelectronics utilizzato come interruttore di alimentazione in una tipica topologia di convertitore boost (Figura 5).

Figura 5: STWBC-EP di STMicroelectronics elimina la complessità associata alla progettazione di circuiti di controllo dell'alimentazione. Gli sviluppatori tuttavia devono comunque realizzare i circuiti corrispondenti, come questo convertitore boost c.c./c.c. basato su mosfet STL10N3LLH5, necessario per alimentare la bobina. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

In questa configurazione, l'algoritmo di controllo integrato dell'STWBC-EP utilizza il pin di ingresso CS_CMP per monitorare la corrente dell'induttore e il pin VTARGET per monitorare la tensione di uscita. L'algoritmo regola automaticamente la tensione di uscita confrontando il livello della tensione di retroazione sul pin CMP_OUT_V a una tensione di riferimento (DCDC_DAC_DAC_REF, non in figura) che gli sviluppatori possono programmare per soddisfare specifici requisiti del sistema di trasferimento di energia. Oltre a questa configurazione tipica dei convertitori boost, gli sviluppatori possono anche utilizzare STWBC-EP per monitorare la smagnetizzazione dell'induttore (pin DEMAGNET in Figura 5) mentre azionano il convertitore con una commutazione quasi risonante per migliorare l'efficienza nelle operazioni a basso carico.

Sebbene l'STWBC-EP contribuisca a semplificare la progettazione dei circuiti di alimentazione, gli sviluppatori potrebbero comunque notare che i requisiti di progettazione dettagliati associati a tali circuiti ostacolano il rapido sviluppo di sottosistemi di ricarica wireless. Grazie ai suoi kit di sviluppo, tuttavia, ST fornisce una scorciatoia per l'implementazione di progetti che utilizzano STWBC-EP e STWLC33.

Strumenti di supporto per lo sviluppo di sistemi di ricarica wireless

Per i progetti basati su STWBC-EP, il kit STEVAL-ISB044V1 di STMicroelectronics e il relativo progetto di riferimento offrono un trasmettitore wireless completo, già certificato in conformità con lo standard WPC Qi 1.2. Allo stesso modo, il kit STEVAL-ISB042V1, sempre di STMicroelectronics, e il progetto di riferimento forniscono una soluzione completa per la progettazione di ricevitori wireless che utilizzano STWLC33.

A causa della complessità aggiuntiva associata ai circuiti di alimentazione del trasmettitore, il progetto di riferimento STEVAL-ISB044V1 è particolarmente utile per il rapido sviluppo di sistemi di ricarica wireless. Ad esempio, insieme al progetto del convertitore boost della bobina discusso in precedenza, il progetto di riferimento STEVAL-ISB044V1 mostra il circuito corrispondente necessario per pilotare una bobina di ricarica wireless come la 760308104113 di Wurth Electronics con uno stadio di potenza a semiponte (Figura 6).

Figura 6: Il firmware per alimentazione wireless dell'STWBC-EP di STMicroelectronics utilizza alcune porte per monitorare e controllare il circuito di alimentazione a semiponte che aziona la bobina del trasmettitore. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Come per il circuito del convertitore boost, il circuito della bobina utilizza i segnali di controllo (UPBL e DNBL) dell'STWBC-EP per controllare i gate driver MCP14700 di Microchip Technology per i mosfet STL10N3LLH5.

Anche con questi schemi a disposizione, gli sviluppatori possono trovarsi di fronte a ulteriori complicazioni durante la progettazione fisica della scheda di circuiti stampati. L'ottimizzazione del trasferimento di energia richiede un'attenta valutazione del routing e del piazzamento dei componenti sulla scheda. STMicroelectronics aiuta i progettisti in questa fase critica di sviluppo fornendo linee guida che mettono in relazione la progettazione del circuito di alimentazione con il corrispondente layout fisico della scheda (Figura 7).

Figura 7: STMicroelectronics aiuta i progettisti a identificare le criticità nella progettazione fisica delle schede attraverso una serie di linee guida che in questo caso mettono in relazione la progettazione dei circuiti con la progettazione fisica del circuito di alimentazione a semiponte. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Configurazione del firmware

Come accennato in precedenza, la progettazione di circuiti e schede è solo una parte della procedura per il successo dell'implementazione di sistemi di ricarica wireless. Per i sistemi basati su standard, un trasferimento di energia efficace dipende dalla stretta osservanza dei protocolli specificati in tali standard. Poiché STWBC-EP e STWLC33 includono ciascuno un firmware che implementa questi protocolli standard, gli sviluppatori possono realizzare rapidamente sottosistemi di alimentazione wireless, in particolare quando utilizzano rispettivamente STEVAL-ISB044V1 e STEVAL-ISB042V1 come base per la progettazione di trasmettitori e ricevitori.

Sebbene il firmware di ogni dispositivo sia fornito in formato binario, ST offre agli sviluppatori un'ampia visibilità sulle caratteristiche di esecuzione di ogni dispositivo. Durante il funzionamento di STEVAL-ISB044V1, ad esempio, gli sviluppatori possono monitorare in dettaglio il funzionamento del sistema basato su STWBC-EP attraverso un'interfaccia grafica (Figura 8). Schermate separate consentono agli sviluppatori di monitorare e controllare il funzionamento del circuito in ogni fase del protocollo Qi.

Figura 8: Gli sviluppatori possono monitorare ogni fase del protocollo di alimentazione Qi utilizzando l'interfaccia grafica di STMicroelectronics. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Per un controllo più preciso delle operazioni, è possibile modificare i parametri di configurazione attraverso ulteriori schermate (Figura 9). Dopo aver modificato i parametri, con un clic su "push to target" i nuovi parametri vengono scritti nell'STWBC-EP ed è possibile osservare i risultati. Dopo aver valutato diverse opzioni di configurazione, il passo successivo è quello di salvare la configurazione aggiornata e scrivere le impostazioni finali sul dispositivo. Analogamente, gli sviluppatori possono osservare e configurare l'STWLC33 attraverso le sue opzioni a schermo.

Figura 9: Utilizzando una serie di schermate nell'interfaccia grafica di STMicroelectronics, è possibile modificare facilmente i parametri di configurazione, inviarli al dispositivo di destinazione, osservare il risultato e aggiornare il target con la configurazione finale desiderata. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Conclusione

Il trasferimento wireless di energia sta rapidamente emergendo come una caratteristica obbligatoria nell'ottica del desiderio degli utenti di eliminare il cavo dai loro dispositivi mobili. Sebbene gli standard di trasferimento wireless di energia abbiano contribuito ad accelerarne l'accettazione, l'implementazione di questi progetti basati su tali standard è rimasta una sfida significativa per gli sviluppatori. Con la disponibilità di soluzioni integrate di trasferimento wireless di energia, molte delle tradizionali barriere all'implementazione sono cadute.

Utilizzando STWBC-EP e STWLC33 di STMicroelectronics, in abbinamento ai relativi kit di sviluppo, i progettisti possono implementare rapidamente trasmettitori e ricevitori di potenza wireless conformi a Qi in grado di soddisfare la crescente domanda di ricarica wireless a livelli di potenza più elevati.