Comment implémenter rapidement un système de charge sans fil conforme à la spécification Qi ?

Pour les dispositifs mobiles, il existe un cordon difficile à couper : celui qui est nécessaire au processus de charge. Si des normes comme la spécification Qi du consortium WPC (Wireless Power Consortium) permettent de prendre en charge des niveaux de charge à plus haute puissance, les développeurs restent confrontés à de multiples défis concernant la conception des circuits, des cartes à circuit imprimé et des micrologiciels pour pouvoir pleinement optimiser le transfert de puissance sans fil vers les dispositifs mobiles.

Cependant, à l'aide des dispositifs et des kits de développement de STMicroelectronics, les développeurs peuvent rapidement implémenter des systèmes conformes à la spécification Qi capables de répondre à la demande croissante de charge sans fil à des niveaux de puissance supérieurs.

Cet article décrit le mode de fonctionnement de la puissance sans fil, le rôle des normes de charge sans fil et les défis associés à la conception de solutions conformes. Il présente ensuite le récepteur STWLC33 et le contrôleur STWBC-EP de STMicroelectronics, décrit la manière dont leurs fonctionnalités répondent aux principales exigences de conception d'un système de charge sans fil, puis illustre la façon dont les développeurs peuvent les utiliser dans les conceptions de puissance sans fil.

La fin de l'article aborde la manière dont les développeurs peuvent utiliser le kit de développement et la conception de référence de chaque dispositif pour accélérer considérablement leur développement.

Mode de fonctionnement d'un système de charge sans fil

Dans un système de charge sans fil typique, un système d'émetteur alimente une bobine avec un courant alternatif, ce qui génère un champ magnétique oscillant au niveau de la bobine. Une bobine réceptrice placée à proximité de cette bobine principale résonne avec le champ en raison du couplage magnétique des bobines, ce qui génère un courant alternatif correspondant dans la bobine secondaire, conformément à la loi d'induction de Faraday. En modulant le courant au niveau de la bobine principale et la charge au niveau de la bobine secondaire, l'émetteur et le récepteur peuvent coder des données en tant que variations du champ couplé, ce qui leur permet d'échanger les informations nécessaires pour optimiser le transfert de puissance.

Bien entendu, l'application réelle de ce concept simple dépend d'une conception minutieuse des circuits optimisés pour la génération de puissance du côté de l'émetteur et de la conversion de puissance du côté du récepteur, et d'un contrôle précis du processus des deux côtés (Figure 1). Même des différences infimes dans l'implémentation des circuits de bobine ou des méthodes de contrôle peuvent entraîner des défaillances du transfert de puissance et ainsi rendre cette approche inefficace.

Figure 1 : Un système de charge sans fil typique utilise le couplage magnétique entre la bobine principale d'un émetteur et la bobine secondaire d'un récepteur pour transférer la puissance et échanger des données. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Normes de puissance sans fil

Pour garantir un transfert de puissance optimal, les agences de normalisation de la charge sans fil comme le WPC et l'AirFuel Alliance fournissent des spécifications détaillées conçues pour donner aux ingénieurs un cadre de travail cohérent pour les émetteurs et récepteurs de charge sans fil. Les normes plus récentes, comme la norme Qi 1.2 de WPC concernant le profil de puissance étendu, offrent un avantage supplémentaire avec la prise en charge de transferts à plus haute puissance (15 W) ainsi que des fonctionnalités de communications bidirectionnelles conçues pour optimiser le rendement du transfert.

L'implémentation d'un système de charge sans fil normalisé peut être complexe, même pour les développeurs expérimentés. Une erreur de conception ou même un ensemble de composants inadaptés peut réduire le rendement du transfert de puissance, qui passe alors en dessous des niveaux utiles. Outre la difficulté de créer une conception de transfert de puissance optimisée, les concepteurs sont confrontés à de nombreuses exigences spécifiques liées au protocole. Par exemple, le protocole Qi spécifie plusieurs états préalables à l'étape de transfert proprement dite (Figure 2).

Figure 2 : Les normes utilisent une série d'étapes orchestrées avec précision comme celles-ci dans le cas de la norme Qi du Wireless Power Consortium afin d'optimiser le transfert de puissance entre un émetteur et un récepteur. (Source de l'image : Wireless Power Consortium)

Dans ce protocole, un récepteur à proximité démarre le processus en sondant l'émetteur et en lui envoyant ses données d'identification et de configuration. L'émetteur et le récepteur négocient ensuite un contrat de puissance pour établir un niveau de transfert de puissance spécifique. L'émetteur et le récepteur peuvent également entrer dans une phase d'étalonnage avant de finalement démarrer la phase de transfert de puissance proprement dite. Pendant le transfert de puissance, le récepteur et l'émetteur peuvent échanger des informations pour garantir le rendement et la sécurité du transfert de puissance pour les niveaux de puissance supérieurs disponibles grâce au profil de puissance étendu de la norme Qi 1.2.

En pratique, la mise en œuvre de ce protocole sophistiqué sur une base matérielle optimisée présente de nombreux défis d'implémentation pratiques qui peuvent considérablement accroître la complexité de la conception et allonger les délais de livraison. Pour les développeurs, cependant, l'émergence de solutions de puissance sans fil intégrées comme le récepteur STWLC33 et le contrôleur d'émetteur STWBC-EP de STMicroelectronics a largement permis de supprimer les obstacles à l'implémentation de systèmes de charge sans fil conformes.

L'utilisation simultanée de ces dispositifs permet de fournir une solution optimisée pour les systèmes de charge de 15 W conformes au profil de puissance étendu de la norme Qi 1.2. Étant donné que chaque dispositif est conforme à la norme, les développeurs peuvent les utiliser séparément pour implémenter des récepteurs ou des émetteurs de puissance sans fil individuels pouvant fonctionner de manière fluide avec d'autres produits conformes à la norme Qi. La disponibilité d'une conception de référence complète et d'une carte de développement pour ces deux dispositifs simplifie considérablement l'implémentation d'un système de charge sans fil. Autre point tout aussi important, les cartes accélèrent le déploiement de ces solutions, car elles disposent déjà d'une certification WPC.

Récepteur flexible

Pour concevoir des systèmes de réception, le STWLC33 de STMicroelectronics est un dispositif flip-chip de 3,97 mm x 2,67 mm intégrant un sous-système d'entrée RF complet de puissance sans fil, un régulateur de sortie à faible chute de tension (LDO) et un microcontrôleur Arm® Cortex® 32 bits. Pour limiter la dissipation de puissance, le dispositif règle automatiquement la tension d'entrée du régulateur LDO pour limiter sa chute de tension et l'énergie excédentaire correspondante. À l'aide de la mémoire micrologicielle de 32 ko du microcontrôleur, le dispositif peut exécuter les protocoles Qi 1.2 et AirFuel pour fournir une solution de charge sans file normalisée. En fonctionnement, le dispositif sélectionne automatiquement le protocole Qi ou AirFuel en fonction de la mesure de la fréquence et des données de signal associées.

Grâce aux fonctionnalités intégrées du STWLC33, les développeurs peuvent implémenter une alimentation sans fil normalisée complète avec seulement quelques composants externes (Figure 3).

Figure 3 : Le STWLC33 de STMicroelectronics intègre toutes les fonctionnalités nécessaires aux opérations d'un récepteur de puissance sans fil. Seuls quelques composants externes supplémentaires sont donc nécessaires, notamment un étage de filtre de préconditionnement requis uniquement pour les opérations de transmission. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Lors du fonctionnement en mode Qi, le dispositif exécute automatiquement chaque étape du protocole Qi décrit précédemment. Après les phases de configuration initiale et l'activation du mode de transfert de puissance, le dispositif envoie des informations d'état à l'émetteur pour optimiser le transfert ou termine le transfert de puissance de manière autonome s'il détecte une erreur comme une surtension, une surintensité ou une surchauffe. Par conséquent, le dispositif peut fonctionner en tant qu'alimentation autonome.

Les développeurs peuvent également connecter le dispositif à un processeur hôte via son interface I²C ou ses ports GPIO configurables. Par exemple, ils peuvent utiliser un microcontrôleur hôte pour désactiver le STWLC33 lorsque le dispositif mobile n'est pas à proximité d'un chargeur adapté, ou pour renvoyer des paquets de données à l'émetteur pour des applications spécialisées.

Combiné à un microcontrôleur hôte, le STWLC33 peut également servir de chargeur sans fil pour un autre dispositif comme une montre connectée ou un autre dispositif corporel basse consommation (Figure 4).

Figure 4 : Grâce à sa double fonctionnalité de réception/transmission, le STWLC33 de STMicroelectronics permet aux développeurs de concevoir des dispositifs mobiles pouvant être rechargés avec une puissance sans fil de 15 W, qui peuvent à leur tour recharger sans fil des dispositifs basse consommation comme les dispositifs corporels. (Source de l'image : STMicroelectronics)

À l'exception du microcontrôleur hôte, cette double fonctionnalité n'implique aucune autre exigence de conception. Les développeurs peuvent appliquer la même configuration de composants externes pour utiliser le dispositif en tant que récepteur ou émetteur.

Il est à noter que dans les conceptions de récepteur seul, le filtre de préconditionnement illustré dans la Figure 3 n'est pas nécessaire. Le dispositif inclut un commutateur interne lui permettant d'utiliser la même bobine pour la réception et la transmission de puissance.

Même s'il inclut la fonctionnalité RF nécessaire pour le fonctionnement de l'émetteur, le STWLC33 ne comprend pas de micrologiciel de transmission dans sa configuration par défaut. Malgré cela, les développeurs peuvent facilement charger le code nécessaire dans le dispositif à partir du microcontrôleur hôte à l'aide de leur connexion I²C partagée. Avec l'ajout du micrologiciel de transmission de ST, le STWLC33 peut fournir une solution prête à l'emploi pour certaines applications de charge sans fil. Cependant, son efficacité dans cette fonction reste limitée par la nature de la bobine. Les bobines minces utilisées pour optimiser la réception entraînent des niveaux de puissance transmise d'environ 3 W seulement.

Même si les développeurs peuvent augmenter les niveaux de puissance transmise en ajoutant une bobine externe, l'ajout nécessaire d'un commutateur externe, d'un élévateur de puissance et d'un circuit de commande fait rapidement augmenter le coût et la complexité de la conception. Une meilleure approche pour la conception d'un émetteur haute puissance consiste à utiliser le contrôleur d'émetteur de puissance sans fil STWBC-EP de ST.

Conception simplifiée d'un émetteur

Tout comme pour le récepteur STWLC33, le contrôleur STWBC-EP combine un ensemble complet de blocs matériels intégrés avec le micrologiciel nécessaire pour implémenter la norme Qi. Même si ses fonctionnalités uniques prennent en charge le fonctionnement à 15 W conforme à la norme Qi 1.2, le STWBC-EP reste compatible avec les récepteurs utilisant l'ancienne norme 5 V de WPC. Pour les applications à 15 W, cependant, le STWBC-EP et le STWLC33 fournissent une solution complète capable d'exploiter pleinement les fonctionnalités d'optimisation du transfert de puissance intégrées dans la norme Qi 1.2.

Contrairement au STWLC33, le STWBC-EP implique des exigences d'intégration supérieures concernant son utilisation dans des systèmes de transmission de puissance sans fil de niveau supérieur. En tant que contrôleur, le dispositif fournit des signaux de commande destinés à contrôler les composants de puissance externes utilisés pour commander la bobine de charge sans fil. Par conséquent, les concepteurs doivent généralement ajouter des circuits de puissance externes, comme un convertisseur CC/CC, pour augmenter la tension aux niveaux requis pour alimenter correctement la bobine.

Avec le STWBC-EP, les développeurs peuvent utiliser les signaux de commande de sortie et la prise en charge intégrée du dispositif pour utiliser un convertisseur élévateur CC/CC typique. Ici, les développeurs connectent la broche de sortie DCDC_DRV du STWBC-EP à un transistor tampon MMDT4413 de Diodes Inc., qui à son tour commande un MOSFET STL10N3LLH5 de STMicroelectronics utilisé en tant que commutateur de puissance dans une topologie courante de convertisseur élévateur (Figure 5).

Figure 5 : Le STWBC-EP de STMicroelectronics élimine la complexité associée à la conception de circuits de commande de puissance, mais les développeurs doivent tout de même créer les circuits de puissance correspondants, comme le MOSFET STL10N3LLH5 basé sur un convertisseur élévateur CC/CC qui est nécessaire pour alimenter la bobine de puissance. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Dans cette configuration, l'algorithme de commande intégré du STWBC-EP utilise la broche d'entrée CS_CMP du dispositif pour surveiller le courant d'inductance, et sa broche VTARGET pour surveiller la tension de sortie. L'algorithme ajuste automatiquement la tension de sortie en comparant le niveau de la tension de rétroaction sur la broche CMP_OUT_V avec une tension de référence (DCDC_DAC_REF, non illustrée) que les développeurs peuvent programmer pour répondre aux exigences de transfert de puissance spécifiques. Outre cette configuration typique de convertisseur élévateur, les développeurs peuvent également utiliser le STWBC-EP pour surveiller la démagnétisation de l'inductance (broche DEMAGNET à la Figure 5) tout en utilisant le convertisseur avec une commutation quasi-résonante pour améliorer le rendement dans les opérations à faible charge.

Même si le STWBC-EP permet de simplifier la conception des circuits de puissance, les développeurs peuvent néanmoins constater que les exigences de conception détaillées associées à ces circuits de puissance nuisent au développement rapide des sous-systèmes de charge sans fil. Toutefois, avec ses kits de développement, ST fournit un raccourci pour le déploiement des conceptions à l'aide du STWBC-EP et du STWLC33.

Aide au développement de systèmes de charge sans fil

Pour les conceptions basées sur le STWBC-EP, le kit STEVAL-ISB044V1 de STMicroelectronics et la conception de référence associée offrent une conception d'émetteur sans fil complète, elle aussi conforme à la norme Qi 1.2 de WPC. De même, le kit STEVAL-ISB042V1 de STMicroelectronics et sa conception de référence fournissent une solution complète pour concevoir un récepteur de puissance sans fil à l'aide du STWLC33.

En raison de la complexité renforcée associée aux circuits de puissance de l'émetteur, la conception de référence STEVAL-ISB044V1 est particulièrement utile pour développer rapidement des systèmes de charge sans fil. Par exemple, outre la conception d'un convertisseur élévateur de bobine mentionnée précédemment, la conception de référence STEVAL-ISB044V1 montre le circuit correspondant nécessaire pour commander une bobine de charge sans fil comme le modèle 760308104113 de Wurth Electronics avec un étage de puissance en demi-pont (Figure 6).

Figure 6 : Le micrologiciel de puissance sans fil STWBC-EP de STMicroelectronics utilise un petit nombre de ports périphériques pour surveiller et contrôler le circuit de puissance en demi-pont commandant la bobine de l'émetteur de puissance. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Tout comme le circuit de convertisseur élévateur, le circuit de la bobine utilise les signaux de commande du STWBC-EP (UPBL et DNBL) pour commander les circuits d'attaque de grille MCP14700 de Microchip Technology pour les MOSFET STL10N3LLH5.

Même en disposant de ces schémas, les développeurs peuvent rencontrer d'autres complications lors de la conception physique d'une carte à circuit imprimé. Pour un transfert de puissance optimisé, le routage du circuit imprimé et l'emplacement des composants doivent être minutieusement étudiés. STMicroelectronics aide les concepteurs lors de cette phase de développement critique en fournissant des directives sur la corrélation entre la conception du circuit de puissance et la configuration physique de la carte à circuit imprimé (Figure 7).

Figure 7 : STMicroelectronics aide les concepteurs à identifier les problèmes critiques dans la conception physique d'une carte à circuit imprimé via une série de directives sur la corrélation entre la conception du circuit et la conception physique du circuit de puissance en demi-pont (dans le cas présent). (Source de l'image : STMicroelectronics)

Configuration micrologicielle

Comme mentionné précédemment, la conception du circuit et de la carte à circuit imprimé ne constitue qu'une partie de l'équation pour une implémentation réussie des systèmes de charge sans fil. Pour les systèmes normalisés, un transfert de puissance efficace dépend de la stricte adhérence aux protocoles spécifiés dans les normes concernées. Étant donné que le STWBC-EP et le STWLC33 comprennent chacun un micrologiciel qui implémente ces protocoles normalisés, les développeurs peuvent rapidement développer des sous-systèmes de puissance sans fil, en particulier en utilisant le STEVAL-ISB044V1 et le STEVAL-ISB042V1, respectivement, comme base de conception d'émetteur et de récepteur.

Même si le micrologiciel de chaque dispositif est fourni au format binaire, ST offre aux développeurs une visibilité étendue sur les caractéristiques de fonctionnement de chaque dispositif. Lors de l'utilisation du STEVAL-ISB044V1, par exemple, les développeurs peuvent surveiller de près le fonctionnement du système basé sur le STWBC-EP via une interface graphique (Figure 8). Les différents onglets permettent aux développeurs de surveiller et de contrôler le fonctionnement du circuit à chaque étape du protocole Qi.

Figure 8 : Les développeurs peuvent surveiller chaque étape du protocole de puissance Qi à l'aide de l'interface graphique de STMicroelectronics. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Pour un meilleur contrôle des opérations, les développeurs peuvent modifier les paramètres de configuration via des écrans supplémentaires (Figure 9). Après avoir modifié ces paramètres, ils peuvent cliquer sur le bouton « Push to target » (envoyer à la cible) pour écrire les nouveaux paramètres sur le STWBC-EP et observer les résultats. Après l'évaluation des différentes options de configuration, l'étape suivante consiste à enregistrer la configuration mise à jour et à écrire les paramètres finaux sur le dispositif. Les développeurs peuvent également observer et configurer le STWLC33 via ses propres options d'écran.

Figure 9 : À l'aide de la série d'écrans de l'interface graphique de STMicroelectronics, les développeurs peuvent facilement modifier les paramètres de configuration, les envoyer au dispositif cible, observer les résultats et mettre à jour la cible avec la configuration finale souhaitée. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Conclusion

La puissance sans fil est rapidement en train de devenir incontournable, car les utilisateurs veulent pouvoir utiliser leurs dispositifs mobiles sans cordon d'alimentation. Même si les normes de puissance sans fil ont permis d'accélérer leur adoption, l'implémentation de conceptions de puissance sans fil basées sur ces normes reste un défi de taille pour les développeurs. La disponibilité de solutions de puissance sans fil intégrées permet de surmonter de nombreux obstacles à cette implémentation.

Grâce aux dispositifs STWBC-EP et STWLC33 de STMicroelectronics, ainsi qu'aux kits de développement associés, les concepteurs peuvent rapidement implémenter des émetteurs et des récepteurs de puissance sans fil conformes à la norme Qi et capables de répondre à la demande croissante de charge sans fil à des niveaux de puissance supérieurs.