對移動(dòng)設(shè)備而言，充電過程仍然是最大的制約因素。雖然無線充電聯(lián)盟 (WPC) Qi 規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)有助于支持更高的電源充電水平，但在設(shè)計(jì)電路、PC 板和固件以充分優(yōu)化對移動(dòng)設(shè)備的無線電力傳輸方面，開發(fā)人員仍然面臨著多重挑戰(zhàn)。

不過，借助 STMicroelectronics 的器件和開發(fā)套件，開發(fā)人員可以快速實(shí)施符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，以提升的功率水平滿足不斷增長的無線充電需求。

本文介紹了無線電源的工作原理、無線充電標(biāo)準(zhǔn)的作用以及與合規(guī)解決方案相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；然后介紹了 STMicroelectronics STWLC33 接收器和 STWBC-EP 控制器，描述了它們的功能如何滿足關(guān)鍵的無線充電設(shè)計(jì)要求，并展示了開發(fā)人員如何將其用于無線電源設(shè)計(jì)；

最后討論了開發(fā)人員如何使用每個(gè)器件的開發(fā)工具包和參考設(shè)計(jì)來大幅加快自己的開發(fā)工作。

無線充電的工作原理

在典型的無線充電系統(tǒng)中，發(fā)射器系統(tǒng)用交流電為線圈供電，從而在線圈處產(chǎn)生振蕩磁場。如果放置位置足夠靠近該初級線圈，接收器線圈就會(huì)因線圈之間的磁耦合而與磁場共振，根據(jù)法拉第感應(yīng)定律在該次級線圈中產(chǎn)生相應(yīng)的交流電流。通過調(diào)制初級線圈處的電流和次級線圈上的負(fù)載，發(fā)射器和接收器可以各自將數(shù)據(jù)編碼為耦合場中的變化，從而允許它們交換所需信息以優(yōu)化電力傳輸。

當(dāng)然，要將這種簡單的概念付諸實(shí)際應(yīng)用，必須針對發(fā)射器側(cè)的發(fā)電、接收器側(cè)的電源轉(zhuǎn)換以及兩側(cè)過程的精確控制，精心設(shè)計(jì)優(yōu)化電路（圖 1）。線圈電路或控制方法實(shí)施中哪怕只是出現(xiàn)微小的差異，也可能導(dǎo)致電力傳輸?shù)托ВM(jìn)而致使該方法無效。

圖 1：典型的無線充電系統(tǒng)利用發(fā)射器中的初級線圈和接收器中的次級線圈之間的磁耦合來傳輸電力和交換數(shù)據(jù)。（圖片來源：STMicroelectronics）

無線電源標(biāo)準(zhǔn)

為了確保最佳的電力傳輸，WPC 和 AirFuel Alliance 等無線充電標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)制定了詳細(xì)的規(guī)范，為工程師提供了適用于無線充電發(fā)射器和接收器的一致框架。WPC Qi 1.2 擴(kuò)展功率分布等新標(biāo)準(zhǔn)帶來一大優(yōu)勢：它們支持 15 W 的更高電力傳輸，并具備優(yōu)化傳輸效率的雙向通信能力。

即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的開發(fā)人員，實(shí)施基于標(biāo)準(zhǔn)的無線充電系統(tǒng)也頗具挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或不匹配的元器件集會(huì)使電力傳輸效率降低至有用水平以下。除了難以創(chuàng)建優(yōu)化的電力傳輸設(shè)計(jì)外，設(shè)計(jì)人員還須滿足與協(xié)議相關(guān)的許多特定要求。例如，Qi 協(xié)議在實(shí)際傳輸階段之前指定了多個(gè)狀態(tài)（圖 2）。

圖 2：各標(biāo)準(zhǔn)使用一系列精確安排的階段（例如無線充電聯(lián)盟 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的這些階段）來優(yōu)化發(fā)射器和接收器之間的電力傳輸。（圖片來源：無線充電聯(lián)盟）

在該協(xié)議中，一開始，附近的接收器會(huì) ping 發(fā)射器并發(fā)送數(shù)據(jù)以向發(fā)射器表明自己的身份和配置。然后，發(fā)射器和接收器會(huì)協(xié)商一份電力合約，以確定具體的電力傳輸水平。在實(shí)際電力傳輸階段最終開始之前，發(fā)射器和接收器也可能經(jīng)歷校準(zhǔn)階段。隨著電力傳輸?shù)倪M(jìn)行，接收器和發(fā)射器可以交換信息，確保在 Qi 1.2 擴(kuò)展功率分布標(biāo)準(zhǔn)支持的較高功率水平下，電力傳輸高效且安全。

實(shí)際上，在優(yōu)化的硬件基礎(chǔ)上實(shí)施這種復(fù)雜的協(xié)議會(huì)帶來多種實(shí)際的實(shí)施挑戰(zhàn)，進(jìn)而大幅增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性和延長交付時(shí)間表。不過，對于開發(fā)人員而言，STMicroelectronics STWLC33 接收器和 STWBC-EP 發(fā)射器控制器等集成式無線電源解決方案的出現(xiàn)，在很大程度上掃清了實(shí)施合規(guī)無線充電系統(tǒng)的障礙。

這些器件結(jié)合使用，為符合 Qi 1.2 擴(kuò)展功率分布標(biāo)準(zhǔn)的 15 W 充電系統(tǒng)帶來了優(yōu)化的解決方案。由于每個(gè)器件都符合標(biāo)準(zhǔn)，因此開發(fā)人員可以使用各個(gè)元件本身，來實(shí)施能夠與其他符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品無縫協(xié)作的無線電源接收器或發(fā)射器。對于這兩種器件，可以使用整套參考設(shè)計(jì)和開發(fā)板，這極大地簡化了無線充電的實(shí)施。另一方面，開發(fā)板都已獲得 WPC 認(rèn)證，因此可進(jìn)一步加快這些解決方案的部署速度。

靈活的接收器

在構(gòu)建接收器系統(tǒng)方面，STMicroelectronics STWLC33 是一款 3.97 x 2.67 mm 倒裝片器件，集成了完整的無線功率射頻前端子系統(tǒng)、低壓差 (LDO) 輸出穩(wěn)壓器和 32 位 Arm? Cortex? MCU。為了最大限度地降低功率耗散，器件會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié) LDO 輸入電壓，以最大限度地降低 LDO 壓降和相應(yīng)的多余能量。該器件可以使用 MCU 的 32 KB 固件存儲(chǔ)器執(zhí)行 Qi 1.2 和 AirFuel 協(xié)議，提供基于標(biāo)準(zhǔn)的無線充電解決方案。在運(yùn)行期間，器件可根據(jù)測量頻率和相關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)，自動(dòng)選擇 Qi 或 AirFuel 協(xié)議。

由于 STWLC33 的集成功能，開發(fā)人員僅使用幾個(gè)外部元器件，就可以實(shí)施完整的基于標(biāo)準(zhǔn)的無線電源（圖 3）。

圖 3：STMicroelectronics STWLC33 集成了無線電源接收器運(yùn)行所需的所有功能，僅需少量額外的外部元器件，包括僅發(fā)射器運(yùn)行所需的可選預(yù)處理濾波級。（圖片來源：STMicroelectronics）

在 Qi 模式下運(yùn)行期間，器件會(huì)自動(dòng)執(zhí)行前面所述的 Qi 協(xié)議中的每個(gè)步驟。完成初始設(shè)置階段并進(jìn)入電力傳輸模式后，該器件會(huì)向發(fā)射器發(fā)送狀態(tài)信息以優(yōu)化傳輸；如果檢測到過壓、過流或超溫故障等錯(cuò)誤，則獨(dú)立終止電力傳輸。因此，該器件可以作為獨(dú)立電源運(yùn)行。

開發(fā)人員還可以通過器件的 I2C 接口或可配置的 GPIO 端口將其連接到主機(jī)處理器。例如，開發(fā)人員可能會(huì)在移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)離任何合適的充電器時(shí)使用主機(jī) MCU 來禁用 STWLC33，或者將專有數(shù)據(jù)包發(fā)送回發(fā)射器以用于專業(yè)應(yīng)用。

當(dāng)與主機(jī) MCU 結(jié)合使用時(shí)，STWLC33 甚至可作為其他器件（如智能手表或其他低功耗可穿戴設(shè)備）的無線充電器（圖 4）。

圖 4：憑借接收器/發(fā)射器雙功能，STMicroelectronics STWLC33 允許開發(fā)人員構(gòu)建可使用 15 W 無線電源充電的移動(dòng)設(shè)備，進(jìn)而以無線方式為可穿戴設(shè)備等低功耗設(shè)備充電。（圖片來源：STMicroelectronics）

除主機(jī) MCU 外，此雙重功能不會(huì)增加進(jìn)一步的設(shè)計(jì)要求。開發(fā)人員可使用相同的外部元器件配置讓器件作為接收器或發(fā)射器運(yùn)行。

請注意，在只有接收器的設(shè)計(jì)中，不需要圖 3 中重點(diǎn)介紹的預(yù)處理濾波器。該器件包括一個(gè)內(nèi)部開關(guān)，允許其使用相同的線圈進(jìn)行電力接收和電力傳輸。

雖然 STWLC33 包含發(fā)射器運(yùn)行所需的射頻功能，但未在其默認(rèn)配置中加載發(fā)射器固件。不過，開發(fā)人員可以使用共享的 I2C 連接輕松地從主機(jī) MCU 將所需代碼加載到器件中。通過增加 ST 的發(fā)射器固件，STWLC33 可為某些無線充電應(yīng)用提供即用型解決方案。但是，它在這方面的有效性仍然受到線圈的性質(zhì)所限制。用于優(yōu)化接收的細(xì)線圈導(dǎo)致發(fā)射功率水平僅為 3 W 左右。

雖然開發(fā)人員可以通過添加外部線圈來增強(qiáng)傳輸功率水平，但同時(shí)還需要外部開關(guān)、功率提升裝置和控制電路，這將迅速增加設(shè)計(jì)成本和復(fù)雜性。獲得更高功率發(fā)射器設(shè)計(jì)的更好方法是利用 ST 的 STWBC-EP 無線功率發(fā)射器控制器。

簡化的發(fā)射器設(shè)計(jì)

與 STWLC33 接收器一樣，STWBC-EP 控制器將全套集成硬件塊與實(shí)施 Qi 標(biāo)準(zhǔn)所需的固件相結(jié)合。雖然其獨(dú)特的特性支持 Qi 1.2 15 W 運(yùn)行，但 STWBC-EP 仍然兼容使用早期 WPC 5 V 標(biāo)準(zhǔn)的接收器。不過，對于 15 W 應(yīng)用，STWBC-EP 和 STWLC33 提供了一個(gè)全面的解決方案，能夠充分利用 Qi 1.2 所具備的電力傳輸優(yōu)化功能。

與 STWLC33 不同，在用于更高級別的無線電力傳輸系統(tǒng)時(shí)，STWBC-EP 提出了更高的集成要求。作為控制器，該器件提供控制信號(hào)，可控制用于驅(qū)動(dòng)無線充電線圈的外部電源元器件。因此，設(shè)計(jì)人員通常需要添加外部電源電路，例如 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，以將電壓升至為線圈適當(dāng)供電所需的水平。

通過 STWBC-EP，開發(fā)人員可以使用該器件的內(nèi)置支持和輸出控制信號(hào)來操作典型的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器。開發(fā)人員可以將 STWBC-EP 的 DCDC_DRV 輸出引腳連接到 Diodes Inc. 的 MMDT4413 緩沖晶體管，該晶體管進(jìn)而會(huì)驅(qū)動(dòng) STMicroelectronics STL10N3LLH5 MOSFET，后者在常見的升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲杏米?a target="_blank">電源開關(guān)（圖 5）。

圖 5：STMicroelectronics STWBC-EP 降低了與設(shè)計(jì)電源控制電路相關(guān)的復(fù)雜性，但開發(fā)人員仍須創(chuàng)建相應(yīng)的電源電路，例如此處為電源線圈供電所需的基于 STL10N3LLH5 MOSFET 的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器。（圖片來源：STMicroelectronics）

在此配置中，STWBC-EP 的內(nèi)置控制算法使用器件的 CS_CMP 輸入引腳來監(jiān)控電感電流，并使用其 VTARGET 引腳來監(jiān)控輸出電壓。該算法通過比較 CMP_OUT_V 引腳上的反饋電壓水平與參考電壓（DCDC_DAC_REF，未顯示；開發(fā)人員可以對其進(jìn)行編程以滿足特定的功率傳輸要求）來自動(dòng)調(diào)整輸出電壓。除了這種典型的升壓轉(zhuǎn)換器配置，開發(fā)人員甚至可以使用 STWBC-EP 監(jiān)控電感器消磁（圖 5 中的 DEMAGNET 引腳），同時(shí)使用準(zhǔn)諧振開關(guān)運(yùn)行轉(zhuǎn)換器，以提高低負(fù)載運(yùn)行的效率。

盡管 STWBC-EP 有助于簡化電源電路的設(shè)計(jì)，開發(fā)人員仍然可以發(fā)現(xiàn)，與這些電源電路相關(guān)的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求不利于無線充電子系統(tǒng)的快速發(fā)展。不過，通過其開發(fā)套件，ST 簡化了使用 STWBC-EP 和 STWLC33 的設(shè)計(jì)的部署。

無線充電開發(fā)輔助工具

對于基于 STWBC-EP 的設(shè)計(jì)，STMicroelectronics STEVAL-ISB044V1 套件及相關(guān)參考設(shè)計(jì)提供完整的無線發(fā)射器設(shè)計(jì)，經(jīng)認(rèn)證符合 WPC Qi 1.2 標(biāo)準(zhǔn)。同樣，STMicroelectronics 的 STEVAL-ISB042V1 套件和參考設(shè)計(jì)為使用 STWLC33 的無線電源接收器設(shè)計(jì)提供了完整的解決方案。

由于與發(fā)射器電源電路相關(guān)的額外復(fù)雜性，STEVAL-ISB044V1 參考設(shè)計(jì)對于無線充電系統(tǒng)的快速開發(fā)特別有用。例如，STEVAL-ISB044V1 參考設(shè)計(jì)同前面討論的線圈升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)一起，展示了驅(qū)動(dòng)無線充電線圈所需的相應(yīng)電路，例如具有半橋功率級的 Wurth Electronics 760308104113 線圈（圖 6）。

圖 6：STMicroelectronics 的 STWBC-EP 無線電源固件使用少量器件端口來監(jiān)控和控制驅(qū)動(dòng)電源發(fā)射器線圈的半橋電源電路。（圖片來源：STMicroelectronics）

與升壓轉(zhuǎn)換器電路一樣，線圈電路使用 STWBC-EP 控制信號(hào)（UPBL 和 DNBL）來為 STL10N3LLH5 MOSFET 控制 Microchip Technology MCP14700 柵極驅(qū)動(dòng)器。

即使手中有這些原理圖，開發(fā)人員也可能在 PC 板物理設(shè)計(jì)過程中遇到更復(fù)雜的問題。優(yōu)化電力傳輸需要仔細(xì)考慮 PC 板布線和元器件貼裝。STMicroelectronics 會(huì)提供將電源電路設(shè)計(jì)及其對應(yīng)的 PC 板物理布局關(guān)聯(lián)起來的指南，幫助設(shè)計(jì)人員完成這一關(guān)鍵的開發(fā)階段（圖 7）。

圖 7：STMicroelectronics 通過一系列將電路設(shè)計(jì)與此例中半橋電源電路的物理設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)起來的指南，幫助設(shè)計(jì)人員識(shí)別 PC 板物理設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。（圖片來源：STMicroelectronics）

固件配置

如前所述，電路板和 PC 板設(shè)計(jì)只是成功實(shí)施無線充電系統(tǒng)的一部分。對于基于標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，有效的電力傳輸仰賴嚴(yán)格遵守這些標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的協(xié)議。由于 STWBC-EP 和 STWLC33 均包含實(shí)施這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的固件，因此開發(fā)人員可以快速實(shí)施無線電源子系統(tǒng)，特別是在分別使用 STEVAL-ISB044V1 和 STEVAL-ISB042V1 作為發(fā)射器和接收器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)時(shí)。

盡管每個(gè)器件的固件都以二進(jìn)制格式提供，但 ST 可讓開發(fā)人員全面了解每個(gè)器件的運(yùn)行時(shí)特點(diǎn)。例如，在運(yùn)行 STEVAL-ISB044V1 時(shí)，開發(fā)人員可以通過圖形界面密切監(jiān)控基于 STWBC-EP 的系統(tǒng)的運(yùn)行（圖 8）。單獨(dú)的選項(xiàng)卡使得開發(fā)人員能夠在 Qi 協(xié)議的每個(gè)階段監(jiān)視和控制電路的運(yùn)行。

圖 8：開發(fā)人員可以使用 STMicroelectronics 圖形界面監(jiān)控 Qi 電源協(xié)議的每個(gè)階段。（圖片來源：STMicroelectronics）

為優(yōu)化運(yùn)行控制，開發(fā)人員可以通過其他屏幕修改配置參數(shù)（圖 9）。修改參數(shù)后，開發(fā)人員可以單擊“push to target”（推送到目標(biāo)）按鈕將新參數(shù)寫入 STWBC-EP 并觀察結(jié)果。在評估不同的配置選項(xiàng)后，下一步是保存更新的配置并將最終設(shè)置寫入器件。同樣，開發(fā)人員可以通過 STWLC33 的屏幕選項(xiàng)對其進(jìn)行觀察和配置。

圖 9：開發(fā)人員可以使用 STMicroelectronics 圖形界面中的一系列屏幕輕松修改配置參數(shù)、將其推送到目標(biāo)器件、觀察結(jié)果，并使用所需的最終配置更新目標(biāo)。（圖片來源：STMicroelectronics）

總結(jié)

隨著用戶希望其移動(dòng)設(shè)備最終擺脫電線的束縛，無線電源正迅速成為一項(xiàng)必備功能。雖然無線電源標(biāo)準(zhǔn)幫助加快了驗(yàn)收速度，但基于這些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施無線電源設(shè)計(jì)仍然是開發(fā)人員面臨的重大挑戰(zhàn)。隨著集成式無線電源解決方案的推出，許多傳統(tǒng)的實(shí)施障礙已經(jīng)被消除。

設(shè)計(jì)人員可以使用 STMicroelectronics STWBC-EP 和 STWLC33 及其相關(guān)的開發(fā)套件，快速實(shí)施符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無線電源發(fā)射器和接收器，以提升的功率水平滿足不斷增長的無線充電需求。