Cómo implementar rápidamente un sistema de carga inalámbrico compatible con el estándar Qi

Para dispositivos móviles, el proceso de carga sigue siendo el enlace final. Mientras que los estándares como la especificación Qi de Wireless Power Consortium (WPC) ayudan a soportar niveles más altos de carga de energía, los desarrolladores aún enfrentan múltiples desafíos cuando se trata de diseñar circuitos, placas de PC y firmware para optimizar completamente la transferencia de energía inalámbrica a los dispositivos móviles.

Sin embargo, al usar dispositivos y kits de desarrollo de STMicroelectronics, los desarrolladores pueden implementar rápidamente sistemas compatibles con Qi capaces de satisfacer la creciente necesidad de carga inalámbrica a niveles de alimentación aumentados.

Este artículo describe cómo funciona la energía inalámbrica, el papel de los estándares de carga inalámbrica y los desafíos asociados con el diseño de soluciones compatibles. Luego introduce el receptor STWLC33 de STMicroelectronics y el controlador STWBC-EP, describe cómo sus características abordan los requisitos clave de diseño de carga inalámbrica, y muestra cómo los desarrolladores pueden usarlos en diseños de energía inalámbrica.

El artículo concluye con una discusión sobre cómo los desarrolladores pueden usar el kit de desarrollo y el diseño de referencia para cada dispositivo para acelerar significativamente sus propios esfuerzos de desarrollo.

Cómo funciona la carga inalámbrica

En un sistema de carga inalámbrica típico, un sistema transmisor alimenta una bobina con corriente alterna, dando como resultado un campo magnético oscilante en la bobina. Colocada lo suficientemente cerca de esta bobina primaria, una bobina receptora resonará con el campo debido al acoplamiento magnético entre las bobinas, lo que llevará a una corriente alterna correspondiente en esta bobina secundaria de acuerdo con la ley de inducción de Faraday. Al modular la corriente en la bobina primaria y la carga en la bobina secundaria, el transmisor y el receptor pueden codificar los datos como variaciones en el campo acoplado, permitiéndoles intercambiar la información necesaria para optimizar la transferencia de energía.

De hecho, la aplicación real de este concepto sencillo depende del cuidadoso diseño de los circuitos optimizados para la generación de energía en el lado del transmisor, la conversión de energía en el lado del receptor y el control preciso del proceso en ambos lados (Figura 1). Incluso las pequeñas diferencias en la implementación de circuitos de bobina o métodos de control pueden tener como resultado ineficiencias de transferencia de alimentación que pueden hacer que el enfoque no sea eficaz.

Figura 1: Un sistema de carga inalámbrica típico utiliza el acoplamiento magnético entre una bobina primaria en el transmisor y una bobina secundaria en un receptor para transferir energía e intercambiar datos. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Estándares de alimentación inalámbrica

Para garantizar una transferencia de energía óptima, los organismos de estándares de carga inalámbrica como WPC y AirFuel Alliance proporcionan especificaciones detalladas diseñadas para proporcionar a los ingenieros un marco coherente para los transmisores y receptores de carga inalámbrica. Los estándares más nuevos, como el perfil de alimentación extendido WPC Qi 1.2, agregan una ventaja adicional con la admisión de mayores transferencias de alimentación a 15 W, así como capacidades de comunicaciones bidireccionales diseñadas para optimizar la eficiencia de transferencia.

Implementar un sistema de carga inalámbrico basado en estándares puede ser un reto incluso para desarrolladores con experiencia. Un error de diseño o incluso un conjunto de componentes no coincidentes puede degradar la eficiencia de la transferencia de energía por debajo de los niveles útiles. Junto con la dificultad de crear un diseño de transferencia de alimentación optimizado, los diseñadores se enfrentan a una serie de requisitos específicos asociados con el protocolo. Por ejemplo, el protocolo Qi especifica varios estados antes de la etapa de transferencia real (Figura 2).

Figura 2: Los estándares utilizan una serie de etapas orquestadas con precisión, como estas, para el estándar Wireless Power Consortium Qi a fin de optimizar la transferencia de alimentación entre un transmisor y un receptor. (Fuente de la imagen: Wireless Power Consortium)

En este protocolo, un receptor cercano comienza el proceso comprobando la disponibilidad de recursos del transmisor y enviando datos para identificarse a sí mismo y su configuración al transmisor. El transmisor y el receptor negocian un contrato de energía para establecer un nivel de transferencia de energía específico. El transmisor y el receptor también pueden participar en una fase de calibración antes de comenzar finalmente la fase de transferencia de energía real. A medida que avanza la transferencia de energía, el receptor y el transmisor pueden intercambiar información para garantizar que la transferencia de energía se mantenga eficiente y segura en los niveles de alimentación más altos disponibles con el perfil de alimentación extendido Qi 1.2.

En la práctica, la implementación de este protocolo sofisticado sobre una base de hardware optimizada presenta múltiples desafíos prácticos de implementación que pueden aumentar significativamente la complejidad del diseño y alargar los plazos de entrega. Sin embargo, para los desarrolladores, la aparición de soluciones de energía inalámbricas integradas como el receptor STWLC33 de STMicroelectronics y el controlador del transmisor STWBC-EP han eliminado en gran medida las barreras para la implementación de sistemas de carga inalámbrica compatibles.

Usados en combinación, los dispositivos proporcionan una solución optimizada para sistemas de carga de 15 W compatibles con el perfil de alimentación extendido Qi 1.2. Debido a que cada dispositivo cumple con el estándar, los desarrolladores pueden usar cada dispositivo por sí mismo para implementar receptores de energía inalámbricos individuales o transmisores capaces de trabajar sin problemas con otros productos compatibles con Qi. Para ambos dispositivos, la disponibilidad de una placa de desarrollo y diseño de referencia completa simplifica enormemente la implementación de la carga inalámbrica. Igual de importante es que las juntas aceleren el despliegue de estas soluciones porque ambas ya han obtenido la certificación WPC.

Receptor flexible

Para la construcción de sistemas receptores, el STWLC33 de STMicroelectronics es un dispositivo con chip de 3,97 x 2,67 mm que integra un subsistema de RF inalámbrico de alimentación completo, un regulador de salida de baja caída (LDO) y una MCU Arm® Cortex® de 32 bits. Para minimizar la disipación de energía, el dispositivo ajusta automáticamente el voltaje de entrada LDO para minimizar la caída de voltaje LDO y el exceso de energía correspondiente. Al utilizar la memoria de firmware de 32 Kbyte de la MCU, el dispositivo puede realizar los protocolos Qi 1.2 y AirFuel para proporcionar una solución de carga inalámbrica basada en estándares. Durante el funcionamiento, el dispositivo selecciona automáticamente el protocolo Qi o AirFuel en función de su medición de la frecuencia y los datos de señal relacionados.

Debido a la funcionalidad integrada del STWLC33, los desarrolladores pueden implementar una fuente de alimentación inalámbrica completa basada en estándares con solo unos pocos componentes externos (Figura 3).

Figura 3: El STWLC33 de STMicroelectronics integra toda la funcionalidad requerida por las operaciones inalámbricas del receptor de alimentación, requiriendo solo unos pocos componentes externos adicionales, incluida una etapa de filtro de preacondicionamiento opcional necesaria solo para las operaciones del transmisor. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Durante la operación en modo Qi, el dispositivo realiza automáticamente cada paso en el protocolo Qi descrito anteriormente. Después de completar las fases de configuración inicial y de ingresar al modo de transferencia de energía, el dispositivo envía información de estado al transmisor para optimizar la transferencia, o finaliza de manera independiente la transferencia de energía si detecta un error como una sobretensión, sobrecorriente o falla de sobrecalentamiento. Como resultado, el dispositivo puede funcionar como suministro independiente.

Los desarrolladores también pueden conectar el dispositivo a través de su interfaz I²C o sus puertos GPIO configurables a un procesador host. Por ejemplo, los desarrolladores pueden usar un host MCU para deshabilitar el STWLC33 cuando el dispositivo móvil está lejos de cualquier cargador adecuado, o enviar paquetes de datos de propiedad al transmisor para aplicaciones especializadas.

Cuando se combina con un host MCU, el STWLC33 puede incluso servir como un cargador inalámbrico para otro dispositivo, como un reloj inteligente u otro dispositivo portátil de bajo consumo (Figura 4).

Figura 4: Con su doble funcionalidad de receptor/transmisor, el STWLC33 de STMicroelectronics permite a los desarrolladores crear dispositivos móviles que pueden cargarse con una alimentación inalámbrica de 15 W y que, a su vez, pueden cargar de forma inalámbrica dispositivos de bajo consumo, como los dispositivos para vestir. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Aparte de la MCU del host, esta funcionalidad dual no agrega más requisitos de diseño. Los desarrolladores pueden usar la misma configuración de componentes externos para operar el dispositivo como receptor o transmisor.

Tenga en cuenta que en los diseños de solo recepción, el filtro de preacondicionamiento resaltado en la Figura 3 no es obligatorio. El dispositivo incluye un interruptor interno que le permite usar la misma bobina para la recepción y transmisión de energía.

Aunque incluye la funcionalidad de RF requerida para la operación del transmisor, el STWLC33 no está cargado con el firmware del transmisor en su configuración predeterminada. Sin embargo, los desarrolladores pueden cargar fácilmente el código requerido en el dispositivo desde la MCU del host utilizando su conexión compartida I²C. Con la adición del firmware del transmisor de ST, el STWLC33 puede proporcionar una solución lista para algunas aplicaciones de carga inalámbrica. Sin embargo, su efectividad en este papel sigue siendo limitada por la naturaleza de la bobina. Las bobinas delgadas utilizadas para optimizar la recepción dan como resultado niveles de alimentación transmitidos de solo 3 W.

Aunque los desarrolladores pueden mejorar los niveles de alimentación transmitida agregando una bobina externa, el interruptor externo adicional requerido, el aumento de alimentación y los circuitos de control aumentarán rápidamente el costo y la complejidad del diseño. Un mejor enfoque para un diseño de transmisor de mayor alimentación aprovecharía el controlador de transmisor de alimentación inalámbrico STWBC-EP de ST.

Simplificación del diseño del transmisor

Al igual que con el receptor STWLC33, el controlador STWBC-EP combina un conjunto completo de bloques de hardware integrados con el firmware necesario para implementar el estándar Qi. Aunque sus características únicas son compatibles con el funcionamiento de Qi 1.2 15 W, el STWBC-EP sigue siendo compatible con los receptores que utilizan el estándar WPC 5 V anterior. Sin embargo, para aplicaciones de 15 W, el STWBC-EP y STWLC33 proporcionan una solución integral capaz de aprovechar al máximo las funciones de optimización de transferencia de alimentación incorporadas en Qi 1.2.

A diferencia del STWLC33, el STWBC-EP impone mayores requisitos de integración relacionados con su uso en sistemas de transmisión de alimentación inalámbricos de nivel superior. En su función de controlador, el dispositivo proporciona señales de control destinadas a controlar los componentes de alimentación externos que se utilizan para impulsar una bobina de carga inalámbrica. En consecuencia, los diseñadores normalmente necesitan agregar circuitos de alimentación externos, como un convertidor de CC a CC, para aumentar el voltaje a los niveles requeridos para energizar adecuadamente la bobina.

Con el STWBC-EP, los desarrolladores pueden usar el soporte integrado del dispositivo y las señales de control de salida para operar un típico convertidor de refuerzo de CC/CC. Aquí los desarrolladores conectarían el pin de salida DCDC_DRV de STWBC-EP a un transistor de búfer MMDT4413 de Diodes Inc. que, a su vez, controlaría un MOSFET STL10N3LLH5 de STMicroelectronics utilizado como el interruptor de alimentación en una topología de convertidor de refuerzo familiar (Figura 5).

Figura 5: El STWBC-EP de STMicroelectronics elimina la complejidad asociada con el diseño de circuitos de control de alimentación, pero los desarrolladores aún deben crear los circuitos de alimentación correspondientes, como este convertidor de refuerzo CC-CC basado en MOSFET STL10N3LLH5 que se necesita para energizar la bobina de alimentación. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

En esta configuración, el algoritmo de control incorporado del STWBC-EP utiliza el pin de entrada CS_CMP del dispositivo para monitorear la corriente del inductor y su pin VTARGET para monitorear el voltaje de salida. El algoritmo ajusta automáticamente el voltaje de salida al comparar el nivel de voltaje de realimentación en su pin CMP_OUT_V con un voltaje de referencia (DCDC_DAC_REF, que no se muestra) que los desarrolladores pueden programar para cumplir con los requisitos específicos de transferencia de energía. Además de esta configuración típica del convertidor de refuerzo, los desarrolladores pueden incluso utilizar el STWBC-EP para monitorear la desmagnetización del inductor (pin DEMAGNET en la Figura 5) mientras operan el convertidor con conmutación cuasi-resonante para mejorar la eficiencia en operaciones de carga baja.

Aunque el STWBC-EP ayuda a simplificar el diseño de los circuitos de alimentación, los desarrolladores pueden hallar que los requisitos de diseño detallados asociados con estos circuitos de alimentación funcionan contra el rápido desarrollo de los subsistemas de carga inalámbrica. Sin embargo, con sus kits de desarrollo, ST proporciona un acceso directo para la implementación de diseños utilizando STWBC-EP y STWLC33.

Ayudas de desarrollo de carga inalámbrica

Para los diseños basados en STWBC-EP, el diseño de referencia asociado y el kit STEVAL-ISB044V1 de STMicroelectronics ofrecen un diseño de transmisor inalámbrico completo, ya certificado como compatible con el estándar WPC Qi 1.2. De manera similar, el diseño de referencia y el kit STEVAL-ISB042V1 de STMicroelectronics proporcionan una solución completa para el diseño del receptor de alimentación inalámbrico utilizando el STWLC33.

Debido a la complejidad adicional asociada con los circuitos de alimentación del transmisor, el diseño de referencia STEVAL-ISB044V1 es particularmente útil para el rápido desarrollo de los sistemas de carga inalámbricos. Por ejemplo, junto con el diseño del convertidor de refuerzo de la bobina discutido anteriormente, el diseño de referencia STEVAL-ISB044V1 muestra el circuito correspondiente requerido para impulsar una bobina de carga inalámbrica como la Wurth Electronics 760308104113 con una etapa de alimentación de medio puente (Figura 6).

Figura 6: El firmware de alimentación inalámbrica de STMicroelectronics STWBC-EP utiliza varios puertos de dispositivos para monitorear y controlar el circuito de alimentación de medio puente que impulsa la bobina del transmisor de alimentación. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Al igual que con el circuito del convertidor elevador, el circuito de la bobina utiliza señales de control STWBC-EP (UPBL y DNBL) para controlar los controladores de puerta MCP14700 de Microchip Technology para los MOSFET STL10N3LLH5.

Incluso con estos esquemas en la mano, los desarrolladores pueden enfrentar más complicaciones durante el diseño físico de la placa de circuito impreso. La transferencia de energía optimizada requiere una cuidadosa consideración del enrutamiento de la placa de circuito impreso y la ubicación de los componentes. STMicroelectronics ayuda a los diseñadores a través de esta fase crítica de desarrollo al proporcionar pautas que relacionan el diseño del circuito de alimentación con su correspondiente diseño físico de la placa de circuito impreso (Figura 7).

Figura 7: STMicroelectronics ayuda a los diseñadores a identificar problemas críticos en el diseño físico de la tarjeta de PC a través de una serie de pautas que relacionan el diseño del circuito con el diseño físico del circuito de alimentación de medio puente en este caso. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Configuración de firmware

Como se mencionó anteriormente, el diseño del circuito y la placa de circuito son solo una parte de la ecuación para la implementación exitosa de los sistemas de carga inalámbrica. Para los sistemas basados en estándares, la transferencia de energía efectiva depende de la estricta observancia de los protocolos especificados en esos estándares. Debido a que el STWBC-EP y el STWLC33 incluyen cada uno un firmware que implementa esos protocolos estándar, los desarrolladores pueden implementar rápidamente los subsistemas de energía inalámbrica, en particular al usar el STEVAL-ISB044V1 y el STEVAL-ISB042V1, respectivamente, como base para los diseños de transmisores y receptores.

Si bien el firmware para cada dispositivo se entrega en formato binario, ST brinda a los desarrolladores una amplia visibilidad de las características de tiempo de ejecución de cada dispositivo. Al operar el STEVAL-ISB044V1, por ejemplo, los desarrolladores pueden monitorear de cerca el funcionamiento del sistema basado en STWBC-EP a través de una interfaz gráfica (Figura 8). Las pestañas separadas permiten a los desarrolladores monitorear y controlar la operación del circuito en cada etapa del protocolo Qi.

Figura 8: Los desarrolladores pueden monitorear cada etapa del protocolo de alimentación Qi usando la interfaz gráfica de STMicroelectronics. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Para un mejor control de las operaciones, los desarrolladores pueden modificar los parámetros de configuración a través de pantallas adicionales (Figura 9). Después de modificar los parámetros, los desarrolladores pueden hacer clic en el botón "enviar a destino" para escribir los nuevos parámetros en el STWBC-EP y observar los resultados. Después de evaluar las diferentes opciones de configuración, el siguiente paso es guardar la configuración actualizada y escribir las configuraciones finales en el dispositivo. Los desarrolladores también pueden observar y configurar el STWLC33 a través de sus propias opciones de pantalla.

Figura 9: Al usar una serie de pantallas en la interfaz gráfica de STMicroelectronics, los desarrolladores pueden modificar fácilmente los parámetros de configuración, enviarlos al dispositivo de destino, observar el resultado y actualizar el objetivo con la configuración final deseada. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Conclusión

La energía inalámbrica está emergiendo rápidamente como una función necesaria, ya que los usuarios buscan cortar el cable final a sus dispositivos móviles. Aunque los estándares de energía inalámbrica han ayudado a acelerar la aceptación, la implementación de diseños de energía inalámbrica basados en estos estándares sigue siendo un desafío importante para los desarrolladores. Con la disponibilidad de soluciones de energía inalámbricas integradas, muchas de las barreras tradicionales para la implementación han caído.

Mediante el uso de STWBC-EP y STWLC33 de STMicroelectronics, junto con sus kits de desarrollo asociados, los diseñadores pueden implementar rápidamente transmisores de alimentación inalámbricos compatibles con Qi y receptores capaces de satisfacer la creciente demanda de carga inalámbrica a niveles de potencia aumentados.