Schnelle Implementierung eines mit dem Qi-Standard konformen kabellosen Ladesystems

Bei mobilen Geräten bleibt der Ladevorgang der letzte Schwachpunkt. Standards wie die Qi-Spezifikation des Wireless Power Consortiums (WPC) unterstützen zwar höhere Ladeleistungen, doch stehen Entwickler noch immer vor zahlreichen Herausforderungen, wenn es um die Entwicklung von Schaltkreisen, Leiterplatten und Firmware geht, um die drahtlose Energieübertragung zu mobilen Geräten zu optimieren.

Mithilfe von Bausteinen und Entwicklungskits von STMicroelectronics können Entwickler jedoch schnell Qi-kompatible Systeme implementieren, die in der Lage sind, den wachsenden Bedarf an drahtlosen Ladesystemen mit höheren Leistungswerten zu decken.

In diesem Artikel wird beschrieben, wie die drahtlose Energieübertragung funktioniert, welche Rolle die Standards für das drahtlose Laden dabei spielen und welche Herausforderungen mit der Entwicklung von konformen Lösungen verbunden sind. Anschließend stellen wir den Empfänger STWLC33 und den Controller STWBC-EP von STMiconelectronics vor und beschreiben, wie sie die wichtigsten Designanforderungen für drahtlose Ladesysteme erfüllen und bei der Entwicklung von drahtlosen Energieübertragungssystemen eingesetzt werden können.

Abschließend wird erörtert, wie das Entwicklungskit und das Referenzdesign für die Bausteine verwendet werden, um die Entwicklungsarbeit erheblich zu beschleunigen.

So funktioniert drahtloses Laden

In einem typischen drahtlosen Ladesystem wird eine Primärspule (Sender) mit Wechselstrom gespeist, wodurch ein oszillierendes Magnetfeld an der Spule entsteht. Nahe an dieser Primärspule befindet sich eine Sekundärspule (Empfänger), in die durch resonante magnetische Kopplung nach dem Faradayschen Induktionsgesetz ein Wechselstrom induziert wird. Über die Modulation des Stroms an der Primärspule und der Last an der Sekundärspule können Sender und Empfänger in dem gekoppelten Feld jeweils Daten codieren und Informationen austauschen, die zur Optimierung der Energieübertragung dienen.

Die praktische Anwendung dieses einfachen Konzepts hängt natürlich von der sorgfältigen Auslegung optimierter Schaltungen für die Energieerzeugung auf Senderseite, die Energieumwandlung auf Empfängerseite und der präzisen Steuerung des Prozesses auf beiden Seiten ab (Abbildung 1). Selbst kleine Unterschiede bei der Implementierung von Spulenschaltungen oder Regelverfahren können zu einer ineffizienten Energieübertragung führen, die das System ineffektiv machen.

Abbildung 1: Ein typisches drahtloses Ladesystem nutzt die magnetische Kopplung zwischen einer Primärspule im Sender und einer Sekundärspule im Empfänger, um Energie zu übertragen und Daten auszutauschen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Standards für drahtlose Energieübertragung

Normenorganisationen wie WPC und AirFuel Alliance haben detaillierte Spezifikationen aufgestellt, die Ingenieuren einen einheitlichen Rahmen für die optimale Energieübertragung in drahtlosen Ladesendern und -empfängern bereitstellen. Neuere Standards wie das erweiterte Leistungsprofil WPC Qi 1.2 bieten zusätzliche Vorteile, da sie eine höhere Energieübertragung von 15 W sowie bidirektionale Kommunikationsfunktionen zur Optimierung der Übertragungseffizienz unterstützen.

Die Implementierung eines auf Standards basierenden drahtlosen Ladesystems kann selbst für erfahrene Entwickler eine Herausforderung darstellen. Ein kleiner Konstruktionsfehler oder nicht zusammenpassende Komponenten können die Effizienz der Energieübertragung derart verschlechtern, dass die Technik keinen sinnvollen Nutzen bringt. Zusätzlich zu der Schwierigkeit, ein für die Energieübertragung optimiertes Design zu schaffen, sind Entwickler mit einer Reihe spezifischer Anforderungen konfrontiert, die mit dem Protokoll verbunden sind. Zum Beispiel spezifiziert das Qi-Protokoll vor der eigentlichen Übertragungsphase mehrere andere Phasen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Standards nutzen eine Reihe von genau aufeinander abgestimmten Phasen, wie in diesem Fall der Qi-Standard des Wireless Power Consortium, um die Energieübertragung zwischen einem Sender und einem Empfänger zu optimieren. (Bildquelle: Wireless Power Consortium)

Bei diesem Protokoll wird der Prozess durch einen Empfänger in der Nähe gestartet: Er pingt den Sender an und sendet Daten, um dem Sender sich selbst und seine Konfiguration bekannt zu machen. Der Sender und der Empfänger „verhandeln“ dann einen Energiekontrakt, um ein spezifisches Energieübertragungsniveau einzurichten. Sender und Empfänger können auch eine Kalibrierungsphase aktivieren, bevor sie mit der eigentlichen Energieübertragung beginnen. Während der Energieübertragung können Empfänger und Sender Informationen austauschen, um sicherzustellen, dass die Energieübertragung bei den höheren Leistungspegeln, die mit dem erweiterten Leistungsprofil Qi 1.2 verfügbar sind, sowohl effizient als auch sicher bleibt.

In der Praxis stellt die Implementierung dieses ausgefeilten Protokolls auf einer optimierten Hardwarebasis verschiedene Herausforderungen, die das Design erheblich komplexer machen und entsprechend die Liefertermine hinauszögern können. Doch durch die Bereitstellung von integrierten drahtlosen Energieübertragungslösungen, wie dem Empfänger STWLC33 und dem Sender-Controller STWBC-EP von STMicroelectronics, wurden die Barrieren für Entwickler bei der Implementierung von kompatiblen drahtlosen Ladesystemen weitgehend beseitigt.

In Kombination bieten die Bausteine eine optimierte Lösung für 15-W-Ladesysteme, die mit dem erweiterten Leistungsprofil Qi 1.2 kompatibel sind. Da jeder Baustein dem Standard entspricht, können sie von Entwicklern auch separat verwendet werden, um einzelne drahtlose Stromempfänger oder -sender zu implementieren, die nahtlos mit anderen Qi-kompatiblen Produkten zusammenarbeiten können. Für beide Bausteine wird die Implementierung eines drahtlosen Ladesystems durch die Verfügbarkeit eines kompletten Referenzdesigns und einer Entwicklungskarte erheblich vereinfacht. Zudem können diese Lösungen schneller implementiert werden, da beide bereits eine WPC-Zertifizierung erhalten haben.

Flexibler Empfänger

Der STWLC33 von STMicroelectronics für den Bau von Empfangssystemen ist ein Flip-Chip-Baustein der Größe 3,97 x 2,67 mm, der ein komplettes HF-Frontend-Subsystem, einen Low-Dropout(LDO-)Ausgangsregler und eine 32-Bit-Arm®-Cortex®-MCU integriert. Um die Verlustleistung zu minimieren, passt der Baustein die LDO-Eingangsspannung automatisch an, sodass der LDO-Spannungsabfall und der entsprechende Energieüberschuss minimal bleiben. Mit dem 32-KByte-Firmware-Speicher der MCU kann der Baustein sowohl Qi1.2- als auch AirFuel-Protokolle ausführen und somit eine auf Standards basierende drahtlose Ladelösung bereitstellen. Während des Betriebs wird in Abhängigkeit von der Frequenzmessung und den zugehörigen Signaldaten automatisch das Qi- oder das AirFuel-Protokoll ausgewählt.

Aufgrund der integrierten Funktionen des STWLC33 können Entwickler eine komplette, auf Standards basierte Drahtlos-Stromversorgung mit nur wenigen externen Komponenten implementieren (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der STWLC33 von STMicroelectronics integriert alle Funktionen, die für den Betrieb des drahtlosen Energieempfängers erforderlich sind. Er benötigt nur einige zusätzliche externe Komponenten, einschließlich einer optionalen Filterstufe zur Vorkonditionierung, die nur für den Sendebetrieb erforderlich ist. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Beim Betrieb im Qi-Modus führt das Gerät automatisch alle oben beschriebenen Schritte des Qi-Protokolls aus. Nach Abschluss der anfänglichen Einrichtungsphasen und dem Eintritt in den Energieübertragungsmodus sendet der Baustein Statusinformationen an den Sender, um die Übertragung zu optimieren – oder beendet die Energieübertragung selbstständig, wenn ein Fehler wie Überspannung, Überstrom oder Übertemperatur festgestellt wird. Dadurch kann der Baustein als eigenständige Stromversorgung betrieben werden.

Entwickler können den Baustein auch über seine I²C-Schnittstelle oder seine konfigurierbaren GPIO-Ports mit einem Host-Prozessor verbinden. Zum Beispiel kann eine Host-MCU verwendet werden, um den STWLC33 zu deaktivieren, wenn das mobile Gerät von dem passenden Ladegerät entfernt wird, oder um proprietäre Datenpakete für spezielle Anwendungen an den Sender zurückzusenden.

In Kombination mit einer Host-MCU kann der STWLC33 sogar als drahtloses Ladesystem für ein anderes Gerät wie eine Smartwatch oder andere Wearables mit geringem Stromverbrauch dienen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der STWLC33 von STMicroelectronics mit seiner dualen Empfänger-/Senderfunktion ermöglicht Entwicklern, mobile Geräte zu bauen, die drahtlos mit 15 W Leistung geladen werden können und die wiederum selbst Geräte mit geringem Stromverbrauch (z. B. Wearables) drahtlos laden können. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Außer der Host-MCU stellt diese doppelte Funktionalität keine weiteren Designanforderungen. Entwickler können dieselbe Konfiguration von externen Komponenten verwenden, um das Gerät als Empfänger oder Sender zu betreiben.

Beachten Sie, dass in ausschließlich für Empfänger vorgesehenen Designs der in Abbildung 3 dargestellte Vorkonditionierungsfilter nicht erforderlich ist. Der Baustein verfügt über einen internen Schalter, der es ermöglicht, für den Energieempfang und die Energieübertragung dieselbe Spule zu verwenden.

Obwohl die für den Senderbetrieb erforderliche HF-Funktion integriert ist, hat der STWLC33 in seiner Standardkonfiguration keine Sender-Firmware geladen. Dennoch können Entwickler den erforderlichen Code über die gemeinsame I²C-Verbindung problemlos von der Host-MCU in den Baustein laden. Mit der Sender-Firmware von STMicroelectronics stellt der STWLC33 für bestimmte drahtlose Ladeanwendungen bereits eine fertige Lösung dar. Seine Effektivität in dieser Funktion ist jedoch durch die Art der Spule begrenzt. Die zur Optimierung des Empfangs verwendeten dünnen Spulen bieten Sendeleistungen von nur etwa 3 W.

Entwickler können zwar die übertragenen Leistungspegel durch Hinzufügen einer externen Spule erhöhen. Jedoch wird damit das Desgin komplexer, und die Designkosten werden in die Höhe getrieben. Denn zusätzlich werden externer Schalter, Leistungsverstärkung und Reglerschaltung erforderlich. Um mehr Leistung zu erzielen, ist es günstiger, in dem Design den Controller für drahtlose Energieübertragung STWBC-EP von STMicroelectronics einzusetzen.

Vereinfachtes Sender-Design

Wie der Empfänger STWLC33 kombiniert auch der Controller STWBC-EP einen kompletten Satz integrierter Hardwarebausteine mit der Firmware, die zur Implementierung des Qi-Standards benötigt wird. Obwohl seine einzigartigen Funktionen den 15-W-Betrieb nach Qi 1.2 unterstützen, ist der STWBC-EP auch kompatibel mit Empfängern, die den früheren WPC-5-V-Standard verwenden. Für 15-W-Anwendungen bieten die Bausteine STWBC-EP und STWLC33 jedoch eine umfassende Lösung, mit der die Optimierungsfunktionen für die Energieübertragung nach Qi 1.2 optimal genutzt werden können.

Anders als der STWLC33 stellt der STWBC-EP erhöhte Integrationsanforderungen, die mit seinem Einsatz in drahtlosen Übertragungssystemen von höherer Leistung zusammenhängen. In seiner Rolle als Controller liefert der Baustein Steuersignale für externe Leistungskomponenten, die zum Ansteuern einer Spule für drahtloses Laden verwendet werden. Daher müssen Entwickler in der Regel externe Leistungsschaltungen hinzufügen, beispielsweise einen DC/DC-Wandler, um die Spannung zur Erregung der Spule auf die erforderlichen Pegel zu erhöhen.

Die integrierten Unterstützungs- und Ausgangssteuersignale des STWBC-EP können zur Ansteuerung eines typischen DC/DC-Aufwärtswandlers verwendet werden. Hier würden die Entwickler den DCDC_DRV-Ausgangspin des STWBC-EP an den Puffertransistor MCDT4413 von Diodes Inc. anschließen, der wiederum den MOSFET STL10N3LLH5 von STMicroelectronics als Leistungsschalter in einer üblichen Aufwärtswandler-Topologie ansteuern würde (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der STWBC-EP von STMicroelectronics vereinfacht das Design, das mit der Entwicklung von Leistungsreglern verbunden ist. Doch Entwickler müssen immer noch die entsprechenden Leistungsschaltkreise schaffen, wie diesen auf dem MOSFET STL10N3LLH5 basierten DC/DC-Aufwärtswandler, der zum Ansteuern der Leistungsspule erforderlich ist. (Bildquelle: STMicroelectronics)

In dieser Konfiguration verwendet der integrierte Regelalgorithmus des STWBC-EP den CS_CMP-Eingangspin des Bausteins zur Überwachung des Induktionsstroms und den VTARGET-Pin zur Überwachung der Ausgangsspannung. Der Algorithmus passt automatisch die Ausgangsspannung an, indem er den am CMP_OUT_V-Pin zurückgeführten Spannungspegel mit einer Referenzspannung (DCDC_DAC_REF, nicht gezeigt) vergleicht. Entwickler können die Referenzspannung entsprechend ihren Anforderungen an die Energieübertragung programmieren. Neben dieser typischen Aufwärtswandler-Konfiguration können Entwickler den STWBC-EP sogar zur Überwachung der Entmagnetisierung des Induktors (DEMAGNET-Pin in Abbildung 5) verwenden, während der Wandler mit quasi-resonantem Schalten betrieben wird, um die Effizienz bei Niedriglastoperationen zu verbessern.

Auch wenn der STWBC-EP dazu beiträgt, das Design von Leistungsschaltungen zu vereinfachen, stellen Entwickler möglicherweise fest, dass die mit diesen Leistungsschaltungen verbundenen detaillierten Designanforderungen eine schnelle Entwicklung von drahtlosen Ladesubsystemen behindern. Mit den Entwicklungskits von STMicroelectronics kann die Entwicklung von Designs mit dem STWBC-EP und dem STWLC33 jedoch wesentlich beschleunigt werden.

Hilfsmittel zur Entwicklung von drahtlosen Ladesystemen

Für Designs, die auf dem STWBC-EP basieren, stellt STMicroelectronics mit dem STEVAL-ISB044V1-Kit und dem dazugehörigen Referenzdesign ein vollwertiges Design für einen drahtlosen Sender zur Verfügung, das bereits nach WPC Qi 1.2 zertifiziert wurde. Analog dazu bieten das STEVAL-ISB042V1-Kit mit Referenzdesign von STMicroelectronics eine vollwertige Lösung für das Design von drahtlosen Empfängern mit dem STWLC33.

Wegen der mit Sender-Leistungsschaltungen verbundenen Komplexität ist das Referenzdesign STEVAL-ISB044V1 besonders hilfreich für die schnelle Entwicklung von drahtlosen Ladesystemen. Zum Beispiel bietet das STEVAL-ISB044V1-Referenzdesign zusammen mit dem oben besprochenen Design des Spulen-Aufwärtswandlers die entsprechende Schaltung, die zum Ansteuern einer Spule für drahtlose Ladesysteme wie der Würth Elektronik 760308104113 mit einer Halbbrücken-Leistungsstufe erforderlich ist (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die STWBC-EP-Firmware zur drahtlosen Energieübertragung von STMicroelectronics verwendet eine Handvoll Geräteports zur Überwachung und Steuerung der Halbbrücken-Schaltung, die die Spule zur Energieübertragung ansteuert. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Wie bei der Aufwärtswandlerschaltung nutzt die Spulenschaltung die Steuersignale des STWBC-EP (UPBL und DNBL), um die Gatetreiber des MCP14700 von Microchip Technology für die STL10N3LLH5-MOSFETs zu regeln.

Selbst mit solchen Schaltplänen können Entwickler weitere Probleme mit dem physikalischen Leiterplattendesign haben. Für eine optimierte Energieübertragung ist eine sorgfältige Auslegung der Leiterplattenführung und der Bauteilplatzierung erforderlich. STMicroelectronics unterstützt Entwickler in dieser kritischen Entwicklungsphase. Das Unternehmen stellt Leitlinien zum geeigneten Layout der Leiterplatte für das entsprechende Design der Leistungsschaltung zur Verfügung (Abbildung 7).

Abbildung 7: STMicroelectronics hilft Entwicklern bei der Identifizierung kritischer Probleme bei der physikalischen Gestaltung von Leiterplatten durch eine Reihe von Leitlinien, die in diesem Fall das Schaltungsdesign mit dem physikalischen Design der Halbbrückenschaltung in Beziehung setzen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Firmware-Konfiguration

Wie bereits erwähnt, sind Schaltung und Leiterplatten-Design nur ein Teil der Lösung für eine erfolgreiche Implementierung von drahtlosen Ladesystemen. Bei Systemen, die auf Standards basieren, hängt die effektive Energieübertragung von der strikten Einhaltung der in diesen Standards festgelegten Protokolle ab. Da der STWBC-EP und der STWLC33 jeweils eine Firmware enthalten, die diese Standardprotokolle implementiert, können Entwickler schnell drahtlose Energiesubsysteme entwickeln, insbesondere wenn die Entwicklungskarten STEVAL-ISB044V1 und STEVAL-ISB042V1 als Grundlage für Sender- und Empfängerdesigns verwendet werden.

Obwohl die Firmware für die Bausteine im Binärformat bereitgestellt wird, bietet STMicroelectronics den Entwicklern einen umfassenden Einblick in die Laufzeiteigenschaften der Bausteine. Mit dem STEVAL-ISB044V1 können Entwickler beispielsweise den Betrieb des STWBC-EP-basierten Systems über eine grafische Benutzeroberfläche genau überwachen (Abbildung 8). Auf separaten Registerkarten kann der Betrieb der Schaltung in jeder Phase des Qi-Protokolls überwacht und gesteuert werden.

Abbildung 8: Entwickler können jede Phase des Qi-Leistungsprotokolls mithilfe der grafischen Benutzeroberfläche von STMicroelectronics überwachen. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Für eine feinere Steuerung der Abläufe können Entwickler die Konfigurationsparameter auf zusätzlichen Bildschirmen ändern (Abbildung 9). Nach dem Ändern der Parameter können sie auf die Schaltfläche „Push to Target“ (Auf Ziel übertragen) klicken, um die neuen Parameter in den STWBC-EP zu schreiben und die Ergebnisse zu beobachten. Nach der Auswertung verschiedener Konfigurationsoptionen besteht der nächste Schritt darin, die aktualisierte Konfiguration zu speichern und die endgültigen Einstellungen in den Baustein zu schreiben. Entwickler können den STWLC33 auch über seine eigenen Bildschirmoptionen beobachten und konfigurieren.

Abbildung 9: Mit einer Reihe von Bildschirmen auf der grafischen Benutzeroberfläche von STMicroelectronics können Entwickler die Konfigurationsparameter einfach ändern, auf den Zielbaustein übertragen, das Ergebnis beobachten und den Baustein mit der gewünschten endgültigen Konfiguration aktualisieren. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Zusammenfassung

Mit zunehmender Tendenz zur kabellosen Freiheit entwickelt sich die drahtlose Energieübertragung schnell zu einem unverzichtbaren Bestandteil mobiler Geräte. Obwohl die Standards für drahtlose Energieübertragung dazu beigetragen haben, die Akzeptanz zu beschleunigen, blieb die Implementierung von Designs, die auf diesen Standards basieren, für Entwickler eine große Herausforderung. Durch die Verfügbarkeit von integrierten Lösungen für die drahtlose Energieübertragung sind nun viele der traditionellen Hürden für die Implementierung beseitigt.

Mit den Bausteinen STWBC-EP und STWLC33 von STMicroelectronics und den zugehörigen Entwicklungskits können Entwickler rasch Qi-konforme Sender und Empfänger für die drahtlose Energieübertragung implementieren, mit denen die wachsende Nachfrage nach drahtlosen Ladesystemen mit höheren Leistungen erfüllt werden kann.