№4 / 2018 / статья 4

STWBC-EP + STWLC33: первое беспроводное зарядное устройство от ST мощностью 15 Вт

Компания STMicroelectronics продолжает представлять рынку законченные решения на собственной элементной базе. Вслед за навигационным модулем, о котором наш журнал уже писал, появилось беспроводное зарядное устройство мощностью 15 Вт для бытовых и медицинских портативных электронных устройств.

Передатчик STWBC-EP и приемник STWLC33 являются элементами первого законченного беспроводного зарядного устройства мощностью 15 Вт производства компании STMicroelectronics. Они совместимы с протоколом Qi 1.2 Extended Power Profile и представляют собой готовое решение для медицинских устройств, смартфонов, планшетов и других приложений. Время, когда беспроводная зарядка была лишь дополнительной функцией на нишевом рынке, закончилось. Это функция, пользующаяся повышенным потребительским спросом. Данная технология широко распространена, и ее отсутствие является скорее исключением, чем нормой. Однако реализация беспроводной зарядки является непростой, и ошибки проектирования могут резко понизить КПД продукта или даже вызвать сбои в работе. Готовое решение на базе STWBC-EP и STWLC33 открывает пользователям доступ ко всем достоинствам популярной технологии и избавляет их от трудностей самостоятельной разработки.

Компания ST в свое время представила обширную номенклатуру сертифицированных беспроводных зарядных устройств, большинство из которых имеет меньшую выходную мощность. Мы рассмотрели некоторые из них в инженерном блоге Life.Augmented, в том числе – STWBC-WA и STWLC04, которые упрощают разработку беспроводного зарядного устройства для портативной электроники. Еще недавно эти изделия были в центре внимания на демонстрациях и презентациях, целью которых было помочь инженерам и руководителям ознакомиться с особенностями данной технологии. Сегодня, когда портативная электроника стала более мощной и на повестке дня – сокращение времени зарядки, ST оптимизирует аппаратное и программное обеспечение, чтобы повысить функциональность и увеличить КПД.

Какое значение имеет беспроводная зарядка мощностью 15 Вт?

В настоящее время беспроводная индуктивная зарядка доминирует на рынке бытовой электроники в сегменте мобильных устройств. Технология использует связь между электрическим и магнитным полями для передачи мощности на батарею. Передатчик, чаще называемый «зарядным устройством», подключен к сети и преобразует входную мощность в высокочастотный переменный ток, который поступает на индукционную катушку (первичную обмотку), вызывая колебания магнитного поля. Если вторичная обмотка, размещенная в мобильном устройстве (приемнике), расположена достаточно близко, то она начинает собирать магнитный поток и резонировать. Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, система преобразует магнитное поле обратно в переменный ток для зарядки батареи или питания устройства (рисунок 1).

Рис. 1. Блок-схема системы беспроводной зарядки

Рис. 1. Блок-схема системы беспроводной зарядки

Чтобы согласовать реализацию технологии между различными производителями, а также чтобы устройства разных производителей могли работать совместно, были разработаны соответствующие стандарты. Появились Wireless Power Consortium (Qi) и AirFuel Inductive. Чтобы расширить круг своих потребителей, компания ST стала активным членом как Qi, так и Alliance AirFuel. Соответственно, приемник STWLC33 совместим с обоими стандартами. Это гарантирует, что заряд мобильного устройства начнется независимо от типа протокола зарядных устройств. Поскольку передатчик STWBC-EP реализует Qi 1.2 Extended Power Profile, в настоящий момент доступен только беспроводной стандарт индукционной зарядки 15 Вт, а стандарт AirFuel Inductive не поддерживается.

Как работает обратная совместимость?

Одна из причин, по которой беспроводная индуктивная технология передачи мощности завоевала популярность в отрасли, заключается в том, что по сравнению с другими методами она имеет меньшие токи утечки и более низкий уровень электромагнитных помех. Однако с внедрением решений мощностью 15 Вт оптимизация делает еще один шаг к повышению эффективности. Например, в некоторых моделях беспроводной зарядки мощностью 5 Вт система управления настраивает частоту и коэффициент заполнения для достижения наилучшей производительности (рисунок 2). На новой референсной плате передатчика 15 Вт на основе STWBC-EP используется главным образом управление по напряжению, и частота изменяется только если это необходимо.

Рис. 2. Смартфон на беспроводном зарядном устройстве

Рис. 2. Смартфон на беспроводном зарядном устройстве

Такой подход означает, что частота остается относительно стабильной, а референсная плата передатчика может работать с гораздо более широким диапазоном напряжений питания: 5…13 В, тогда как ранее напряжение питания имело фиксированное значение 5 В. Референсная плата идентифицирует себя для приемника в качестве передатчика 5 Вт при питании от 5 В, и в качестве передатчика с расширенной мощностью 15 Вт при питании от 12 В. Это гарантирует, что передатчик останется совместимым с предыдущими Qi-приемниками мощностью 5 Вт и может быстро адаптироваться ко всем версиям протоколов Qi.

Обратная совместимость также заложена в приемниках. Например, STWLC33 оптимизирует свои характеристики с учетом типа используемого передатчика. Если приемник взаимодействует с зарядным устройством мощностью 5 Вт – он автоматически установит свое выходное напряжение на 5 В. Однако если приемник взаимодействует с передатчиком 15 Вт – напряжение увеличивается до 10 В. Увеличивая напряжение, приемник работает с меньшими токами и, следовательно, минимизирует потери мощности, что значительно улучшает тепловую и электрическую эффективность.

Оптимизация аппаратной части

Легко заметить, что приемник STWLC33 подвергся существенной оптимизации. Это объясняет, почему габариты его корпуса меньше, чем у предыдущей модели (STWLC03), и составляют 3,97х2,67 мм, несмотря на то, что он способен выдавать в три раза большую мощность. При этом у него на выходе используется LDO-стабилизатор (Low Drop Out), а не понижающий импульсный регулятор. Тем не менее, схема, предложенная инженерами компании ST, гибко подстраивает входное напряжение LDO в соответствии с выходом, чтобы минимизировать падение напряжения. Это гарантирует низкий уровень рассеиваемой мощности. В конечном счете все эти изменения делают STWLC33 первым беспроводным приемником на рынке, способным обеспечивать выходное напряжение, достаточное для зарядки двухъячеечных литий-ионных батарей.

Совместное использование передатчика STWBC-EP и приемника STWLC33 позволяет изделию быть на голову выше конкурентов. Тем не менее, у производителей есть возможность использовать модули не только вместе, но и по раздельности. Решение ST оказывается достаточно удобным для разработчиков, которые уже используют другие беспроводные зарядные модули. Дело в том, что новая функция двунаправленного обмена данными протокола Qi 1.2 Extended Power Profile является отличным поводом для замены устаревших передатчиков и приемников. Раньше передача данных выполнялась только от приемника к передатчику. Однако, учитывая значительное увеличение уровня мощности, новый протокол реализует двунаправленную связь. Следовательно, передатчик теперь также может отправлять данные приемнику, чтобы вместе они могли точнее контролировать процесс зарядки и гарантировать, что система остается безопасной и эффективной.

Оптимизация программной части

Усовершенствования от ST затронули также уникальное и эффективное встроенное программное обеспечение. Например, STWBC-EP формирует короткий импульс передаваемой мощности в режиме аналогового сканирования, а программное обеспечение быстро пробуждает систему для проверки наличия потенциального приемника. Поскольку зарядное устройство большую часть времени проводит в режиме ожидания, просто проверяя, требуется ли начать передавать энергию, то этот импульс имеет первостепенное значение, поскольку он оказывает значительное влияние на средний уровень потребления. Зачастую конкурирующие изделия требуют более продолжительного импульса, чтобы обеспечить адекватное выполнение операций обнаружения. ПО от ST делает то же самое, затрачивая намного меньше времени и энергии.

STWLC33 является единственным 15 Вт приемником, способным работать еще и как передатчик мощностью 3 Вт при использовании той же катушки. Это стало возможным благодаря встроенной программе, которая выполняет переключение режимов непосредственно в процессе работы. Разработчикам не потребуется менять ни единого диода, поскольку все происходит на уровне программного обеспечения. В результате можно заряжать смартфон с помощью беспроводного зарядного устройства, и использовать этот же смартфон в качестве зарядного устройства, например, для умных часов, если их аккумулятор разрядился. Таким образом, мы видим, что компания ST не просто стремится соответствовать текущим стандартам, но и работает над минимизацией потребляемой мощности и расширением функций, выходящим за рамки требований консорциумов и ожиданий потребителей.

С чего начать?

Рис. 3. Отладочная плата STEVAL-ISB044V1 с STWBC-EP

Рис. 3. Отладочная плата STEVAL-ISB044V1 с STWBC-EP

Рис. 4. Отладочная плата STEVAL-ISB042V1 с STWLC33

Рис. 4. Отладочная плата STEVAL-ISB042V1 с STWLC33

В конце концов, остается один вопрос: «с чего начать?». Ответ прост – с отладочных плат от ST. STEVAL-ISB044V1 (рисунок 3) использует STWBC-EP, а STEVAL-ISB042V1 (рисунок 4) дает отличную возможность испытать STWLC33. Обе платы являются референсными и становятся хорошими отправными точками для изучения программного обеспечения от ST и инструментов GUI, ускоряющих разработку. Кроме того, поскольку платы являются готовыми решениями, то они уже прошли сертификацию WPC (Wireless Power Consortium). Следовательно, разработчики, которые решили использовать передатчик и приемник ST, имеют шанс быстрее пройти путь к сертификации своих продуктов, что значительно сокращает время их выхода на рынок. Эти две платы доступны у дистрибьюторов.

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее