Беспроводные зарядные устройства компании Freescale Semiconductor

Представители компании видят большие перспективы встраивания таких устройств в различные элементы домашнего и офисного интерьера, их установку в публичных местах и заведениях общепита, аэропортах, спортивных сооружениях и т. п. Например, эти решения можно монтировать в кресла самолетов, ресторанные столики, автомобили, прикроватные тумбочки в отелях, портативные торговые терминалы (ePOS), технические инструменты и мобильную медицинскую аппаратуру.

Беспроводная передача энергии, благодаря низкой стоимости и высокой производительности готовых изделий, становится одной из быстроразвивающихся технологий на рынке. Поэтому разработчики, в том числе и компания Freescale, все интенсивнее внедряют технологию на основе однокатушечного передатчика в свою продукцию [1].

Устройства стандарта Qi используют электромагнитную индукцию между двумя плоскими катушками. Одна из них является базой, представляет собой пластину передатчика и подключается к источнику энергии, а вторая находится внутри заряжаемого устройства — по сути, это приемник, который размещают на пластине передатчика.

Qi-беспроводной стандарт питания предусматривает возможность для базовой станции и мобильного устройства использовать систему обмена данными, что позволяет как заряжать устройство, так и передавать базовой станции информацию о состоянии заряда. Таким образом, базовая станция может прекратить свою работу, когда мобильное устройство полностью заряжено.

В процессе работы начальное обнаружение приемника происходит в результате изменения емкости или возникновения резонанса катушки передатчика. Как только объект обнаружен, базовая станция проверяет устройство на предмет размещения на нем именно Qi-совместимого устройства. Базовая станция передает 8 бит данных. Принимающее мобильное устройство должно среагировать и предоставить ответный сигнал. Затем базовая станция посылает несколько цифровых откликов, чтобы проверить информацию об оптимальном положении мобильного устройства. Зарядка начнется только тогда, когда прибор проверен и необходимая информация передатчиком получена. Во время процесса зарядки Qi-мобильное устройство отправляет пакеты данных управления, чтобы регулировать уровень мощности и, наконец, прекратить зарядку.

Мощность большинства зарядных устройств, выпускавшихся Freescale до сих пор, не превышала 5 Вт, поэтому сфера их применения ограничивалась рынком смартфонов. В последнее время компанией разработан набор микросхем, обеспечивающих мощность 15 Вт, что позволяет не только сократить период восполнения запаса энергии, но и подзаряжать аккумуляторы более мощных устройств, чей форм-фактор крупнее, а емкость батареи выше, — например, планшетов, ноутбуков или медицинского оборудования. Так, емкость типичного аккумулятора современного планшета превышает 4000 мА·ч, при этом зарядка устройства через стандартный USB-порт зачастую может продолжаться восемь и более часов. Перспективная разработка Freescale сокращает этот процесс до пары часов.

Принцип работы беспроводной заряжающей системы (рис. 1) основан на способе подачи питания в цифровом переключающем режиме с высокочастотным трансформатором. Его первичная катушка расположена на передатчике, а вторичная — на стороне приемника (обе катушки на рисунке условно показаны в виде эллипсов). Помимо указанных катушек, система содержит передатчик Transmitter IC, приемник Reciever IC, предварительный Pre-Drive и выходной Power Stage каскады усиления мощности, выпрямитель Rectification, интеллектуальную схему управления питанием PMIC (Power Management Integrated Circuits) и выполненный на светодиодах индикатор режима зарядки Status LEDs.

Рис. 1. Принцип работы беспроводной заряжающей системы

После получения вторичной катушкой энергии от первичной катушки происходит ее преобразование в напряжение питания нагрузки с помощью выпрямителя Rectification. Далее рабочая информация (I/V and Temp. Sense) передается на приемник, а информация обратной связи — с приемника на передатчик с помощью коммуникационных пакетов (Communications) по специальному протоколу. Эта информация включает требования к питанию и уже полученный уровень питания, идентификатор приемника и его версию, команду окончания процесса зарядки и др.

Функциональная схема, дополнительно поясняющая принцип беспроводной зарядки, показана на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема, поясняющая принцип беспроводной зарядки

На схеме виден состав передатчика (слева) и приемника (справа) и пути передачи мощности (Power) от передающей стороны к приемной и передачи сообщений (Messages) от приемной стороны к передающей и обратно.

Помимо правильного расположения приемника относительно передатчика, их катушки должны иметь необходимые параметры и свойства, такие как индуктивность, размеры, материал и электромагнитное экранирование. Поскольку работа системы основана на магнитной индукции, ее наибольшая эффективность достигается при точной центровке катушек. Катушка приемника должна находиться в активной области заряжающей поверхности передатчика, а расстояние между ними должно быть не более 6 мм.

Экранирование также очень важно, ведь необходимо избежать негативного влияния помех на окружающие объекты и в то же время улучшить эффективность передачи энергии. Поэтому при конструировании экран располагают позади катушек.

Большое значение имеет и рабочая частота системы, поскольку она работает в «мягком» переключающем режиме, когда регулировка резонансной частоты вызывает монотонное изменение выходного напряжения. Для стандарта питания Qi индуктивность катушки и резонансную емкость выбирают так, что рабочая частота равна 100 кГц с фиксированным рабочим циклом (он составляет обычно 50%), а регулировка питания производится изменением частоты передатчика от 110 до 205 кГц. Более высокая частота означает более низкое напряжение питания, передаваемое на приемник, а более низкая частота — более высокое напряжение (когда частота достигает указанного максимума, цикл уменьшается).

Модуляция нагрузки в приемнике выполняется с помощью резистора модуляции R_m (по постоянному току после мостового выпрямителя) или конденсатора модуляции С_m (по переменному до мостового выпрямителя) (рис. 3).

Рис. 3. Схема модуляции нагрузки

Амплитуда напряжения/тока на приемной катушке модулируется за счет подключения и отключения нагрузки модуляции — резистора или конденсатора. В качестве ключей используются полевые транзисторы. На передающей катушке за счет обратной связи (Load) также происходит модуляция напряжения/тока, чтобы с помощью магнитной индукции отследить изменение нагрузки. Передатчик на своей катушке демодулирует ощутимые изменения амплитуды тока (ΔI_p) или напряжения (ΔU_p), что отражает точную информацию, посланную приемником.

На рис. 4 показан фрагмент принципиальной схемы микросхемы передатчика с цифровым демодулятором (с RC-контуром), в котором высокоскоростной 12‑битовый АЦП управляет сигналом с максимальной частотой 205 кГц, гарантирующей точные выборки сигнала.

Рис. 4. Фрагмент принципиальной схемы микросхемы передатчика с цифровым демодулятором (а) и осциллограмма напряжения на резонансном конденсаторе передатчика (б)

После резонансных конденсаторов величина напряжения получается эквивалентной резонансному току в катушке, который используется в качестве алгоритма цифровой демодуляции. После этого демодулированная информация применяется для получения точного коммуникационного сообщения. Кроме того, рассчитанный ток катушки используется и для алгоритма обнаружения инородных объектов (например, алюминиевых или стальных посторонних предметов) — FOD (Foreign Object Detection).

Теперь рассмотрим конкретные решения беспроводной передачи энергии, прежде всего микросхем заряжающего передатчика, а затем и самого передатчика, выполненного на их базе.

Для однокатушечного 5‑ваттного беспроводного заряжающего передатчика фирмой Freescale разработаны микросхемы MWCT1000DS, WCT1101DS, MWCT1000CFM и MWCT1101CLH.

Помимо непосредственно зарядных устройств, все эти микросхемы могут применяться в терминалах точечной продажи, переносных медицинских аппаратах, аксессуарах мобильных устройств, компьютерных принадлежностях, включая беспроводную клавиатуру и мышь и т. п.

Структурная схема микросхем приведена на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема микросхем MWCT1000DS, WCT1101DS, MWCT1000CFM и MWCT1101CLH

Микросхемы используют архитектуру контроллера (CPU) и собственного ядра (Core) Freescale, оптимизированную для преобразования мощности. Применение ядра DSP и качественных периферийных блоков позволяет CPU решать с минимальной загрузкой такие задачи, как цифровая демодуляция и обнаружение инородных объектов FOD. Кроме того, микросхемы осуществляют функцию управляющей петли, необходимую для регулировки потребляемой мощности, что обеспечивает снижение температуры опорной поверхности изделия и действующей температуры.

Все решения беспроводного зарядного устройства содержат продукцию как аппаратного обеспечения, так и встроенного программного обеспечения (ПО), поддерживая все необходимые функции передающего данные CPU и его ядра. Компоненты ПО, передаваемые в форме библиотеки встроенного ПО, связаны с аппаратным обеспечением микросхем.

Встроенное ПО содержит четыре основных блока, необходимых для выполнения зарядки:

• существующего состояния;
• коммуникационный декодирующий;
• таймер;
• детектор инородных объектов.

Freescale обеспечивает доступ к ПО этих блоков через интерфейс программирования приложений API (Application Programming Interface), который обеспечивает оптимальное управление.

Микросхемы WCT1101DS и MWCT1101CLH — это приборы премиум-класса, обладающие дополнительными возможностями программирования и опциями настройки для обеспечения максимального разнообразия готовых изделий. В этом случае пользователи не ограничены решением с фиксированными функциями, а могут изменять изделие, обеспечивая его дополнительными возможностями и характеристиками.

WCT1101DS поддерживает все характеристики MWCT1000DS, а MWCT1101CLH — MWCT1000CFM, но обладает дополнительными ресурсами аппаратуры, такими как программная память и наличие входов/выходов для расширения применения.

Приведем некоторые характеристики микросхем передатчика:

• соответствие последним решениям Консорциума WPC в части выполнения требований стандарта Qi;
• эффективность преобразования составляет более 75%, что обеспечивает максимальную передачу энергии и малые тепловые потери;
• соответствие последним требованиям к FOD, что придает уверенность в достоверном обнаружении инородных предметов и обеспечивает безопасность;
• поддержка однокатушечных 5‑ваттных устройств с 5-, 12‑ и 19‑вольтовым питанием (микросхемы MWCT1000DS, WCT1101DS) и только с 5‑вольтовым питанием (микросхемы MWCT1000CFM и MWCT1101CLH);
• малая активная мощность запуска (ток не более 30 мА);
• малая потребляемая мощность в дежурном режиме;
• обеспечение ограничения тока источника питания, что позволяет использовать для питания передатчика персональный компьютер;
• наличие коммуникационных интерфейсов SPI, UART, I²C с целью передачи информации о зарядке (только для WCT1101DS и MWCT1101CLH);
• наличие флэш-памяти для программирования (только для WCT1101DS и MWCT1101CLH);
• цифровая демодуляция в одном кристалле, что обеспечивает малый расход материалов;
• быстрая и точная калибровка времени запуска.

Микросхемы MWCT1000DS и MWCT1000CFM выпускаются в 32‑выводном корпусе QFN, а WCT1101DS и MWCT1101CLH — в 64‑выводном корпусе LQFP.

Для ускорения создания конфигурации и оптимизации беспроводного заряжающего передатчика используется интерфейсный графический инструмент пользователя WCTGUI (WCT Graphical User Interface).

Последние разработки фирмы Freescale для передатчиков — микросхемы MWCT1012 и MWCT1111 — являются аналогами описанных выше микросхем (первая — микросхемы MWCT1000CFM, вторая — MWCT1101CLH), имеют те же параметры, сконструированы в тех же корпусах, но поддерживают 15‑ваттную топологию, которая использует входной источник 12 В DC (постоянное напряжение 12 В). Эти микросхемы, как уже отмечалось, предназначены для создания передатчиков, способных заряжать аккумуляторы достаточно мощных устройств, в частности планшетов и ноутбуков.

Рассмотрим теперь сами передатчики.

Структурная схема 5‑ваттного передатчика 5W1COILTX, созданного на базе микросхемы MWCT1000CFM (или MWCT1101CLH), приведена на рис. 6.

Рис. 6. Структурная схема 5 ваттного передатчика 5W1COILTX

Конструкция основана на топологии консорциума WPC, включающей источник питания постоянного тока напряжением 5 В, полномостовой инвертор, одну катушку и узлы демодуляции и регулирования.

Структурная схема 15‑ваттного передатчика WCT‑15W1COILTX, построенного на базе микросхемы MWCT1012 (или MWCT1111) и также основанного на топологии консорциума WPC, мало чем отличается от приведенной выше. На рис. 7 показан внешний вид этого передатчика.

Рис. 7. Внешний вид передатчика WCT 15W1COILTX

Рассмотрим более подробно 5‑ваттный передатчик WCT1000 А11 [2]. Он имеет следующие характеристики:

• конструкция совместима со спецификацией WPC Qi версия 1.1;
• интегральная цифровая демодуляция в чипе;
• полная мостовая топология со стратегией управления путем частотной модуляции;
• поддержка алгоритма защиты FOD к четырем типам посторонних предметов;
• поддержка приемника Qi 1.1 с возможностью выходной мощности 5 В DC при 1 A;
• применение светодиодов для индикации режимов R_x и T_x;
• наличие датчиков защиты входного напряжения, входного тока, тока катушки;
• очень низкая мощность потребления в дежурном режиме;
• использование инструмента FreeMASTER GUI для настройки и калибровки.

В комплекте поставки передатчика имеются:

• основная плата WCT_A11 с катушкой А11 (рис. 8);
• отладочная плата JTAG/UART с кабелем;
• адаптер питания 5 В/2,4 A DC.

Рис. 8. Внешний вид основной платы и катушки передатчика WCT1000 А11

На рис. 9 приведена структурная схема основной платы WCT_A11, а на рис. 10 — ее внешний вид и расположение на ней основных узлов и точек подключения.

Рис. 9. Структурная схема основной платы WCT_A11

Рис. 10. Внешний вид основной платы WCT_A11 и расположение на ней основных узлов и точек подключения

Центральный контроллер микросхемы WCT1000 имеет расширенные модули входа/выхода (I/O) с низким потреблением мощности, формирует коммуникационные сигналы, регулирует преобразование мощности в режимах старт/стоп и полномостового ШИМ-инвертора мощности. Модули I/O используются в следующих применениях:

• два канала ШИМ для полномостовой инверторной регулировки DC/DC;
• аналого-цифровое преобразование входного напряжения и тока для выбора тока катушки;
• интерфейс входа/выхода общего назначения GPIO (General-purpose Input/Output), предназначенный для связи микропроцессора с различными периферийными устройствами и для предварительной регулировки с низким потреблением и регулировкой индикаторных светодиодов LED;
• последовательный отладочный порт по шине SCI;
• регулировка сенсора MPR121 по шине I²

Полномостовой ШИМ-инвертор мощности преобразует постоянное входное напряжение 5 В DC в более высокое переменное напряжение АС. Частота ШИМ-колебаний находится в диапазоне 110–205 кГц, скважность равна 50%, а регулировка скважности — в диапазоне 50–10% (при верхней частоте 205 кГц, при которой обеспечивается меньшая выходная мощность). Диапазон входного напряжения 4,5–5 В DC, диапазон выходного напряжения 5–20 В AC.

Сенсорная RC-цепь отбирает резонансный ток катушки А11 и подает выборки на контроллер, в котором они исследуются и который формирует информационные пакеты.

Плата поддерживает режим супермалой мощности с сенсорной технологией, для чего в ней предусмотрен узел емкостных сенсоров касания (Touch sensing module). При отсутствии зарядки центральный контроллер снижает мощность аналоговой цепи и активизирует датчик сенсора MPR121 (Touch Sensor на рис. 9). Контроллер устанавливается в режим LPSTOP в ожидании сигнала пробуждения от датчика сенсора. При этом для задействования датчика необходимо соединить внешний электрод, расположенный вокруг катушки T_x, с контрольной точкой ТР28 или J2 (рис. 10).

Для сохранения функциональных возможностей системы предусмотрено изменение ее параметров или конфигурации. Например, если либо катушка T_x, либо компоненты питания изменены, следует откалибровать старт FOD. Условия отладки и детализация описаны в [3].

Отладка платы использует инструменты Code Warrior и FreeMASTER. Для отладки применяют отладчик USB TAP или P&E Multilink FX и отладочную плату (Debugging board) и соединяют оборудование, как показано на рис. 11.

Рис. 11. Соединение оборудования

На рис. 12 показано реальное изображение оборудования — так называемая среда разработки.

Рис. 12. Реальное изображение оборудования

Детали об отладчике USB TAP можно уточнить на сайте производителя [1] на странице USB TAP for Once DSC. Детали об отладчике P&E Multilink FX можно уточнить на том же сайте на странице U‑MULTILINK-FX: Universal Multilink FX High-Speed Development Interface. В случае использования кодового вариометра 10 IDE (рис. 13) подсоединяют отладчик MCU JTAG, USB TAP или P&E Multilink FX к плате А11.

Рис. 13. Соединение узлов отладки

Когда отладчик подключен к компьютеру, его можно найти в Windows Device Manager, как это показано на рис. 14 и 15.

Рис. 14. Подключение отладчика USB TAP

Рис. 15. Подключение отладчика P&E Multilink FX

Рассмотрим теперь контроллер приемника беспроводного зарядного устройства на примере микросхемы MWPR1516.

Изделие содержит:

• схему преобразователя AC/DC;
• схему модуляции/демодуляции для двунаправленной связи с поддержкой FOD;
• мощный переключатель USB/адаптер, используемый с проводными и беспроводными изделиями.

Микросхема выпускается в двух модификациях: MWPR1516CFM — для промышленного применения в корпусе QFN‑32 и MWPR1516CALR — для применения в объемных конструкциях по заявке потребителя в корпусе WLCSP‑36.

Микросхема выполнена на базе ядра 24 МГц ARM Cortex-M0-core и содержит 16‑кбайт программируемую флэш-память и 4‑кбайт SRAM.

В составе микросхемы имеются следующие системные периферийные устройства:

• линейный регулятор напряжения LDO (Low Dropout Regulator), который обеспечивает на выходе питающее напряжение 3,5–20 В и ток 3 А;
• контроллер CNC (Computer Numerical Control) поддерживает регулировку коммутации и защиту по сети переменного тока;
• высоковольтный входной модуль PMC (Power Module Control) имеющий три режима мощности: рабочий (режим запуска на выполнение), ждущий и режим останова;
• схемы низковольтного сброса LVR (Low Voltage Reset) или прерывания;
• сторожевой таймер WDOG с независимым источником тактового сигнала;
• последовательный проводной отладочный интерфейс.

В микросхеме имеются:

• тактовые устройства синхронизации с частотой генерации 32,768 кГц или 4 МГц при кварцевом резонаторе частотой 24 МГц;
• внутренний маломощный генератор LPO (Low Power Oscillator) частотой 20 кГц;
• внутренний тактовый источник ISC (Internal Source Clock);
• система автоподстройки частоты FLL с внутренним или внешним опорным генератором с прецизионным выравниванием.
• Рабочие характеристики микросхемы:
• входное напряжение от выпрямителя 3,5–20 В;
• диапазон окружающей температуры –40…+85 °С.
• Интерфейсы человек-машина:
• модуль прерыванияIRQ (Interrupt Re-Quest);
• до 13 входов/выходов общего пользования.

Интерфейсы коммуникаций:

• модуль универсального асинхронного приемопередатчика UART (Universal asynchronous receiver/transmitter);
• модуль цифровой шины I²

Аналоговые модули:

• 12‑битовый АЦП с четырьмя внешними каналами;
• усилитель с программируемым усилением PGA (Programmable Gain Amplifier) и дифференциальным входом и выходом;
• аналоговый компаратор ACMP, содержащий 6‑битовый ЦАП и программируемый опорный вход.

Таймеры:

• два двухканальных таймера FTM (Flex Timer Module);
• таймер с периодическим прерыванием;
• таймер с частотной демодуляцией (манипуляцией) FSK — FSKDT (Frequency-Shift Keying Demodulation Timer);
• таймер с системным тактовым сигналом Sys Tick;
• часы реального времени RTC (Real Time Clock).

На базе рассмотренного контроллера созданы приемники беспроводного зарядного устройства мощностью 15 Вт, что позволило использовать их для зарядки не только мобильных телефонов, как ранее, но и новейших смартфонов и планшетов, требующих более быстрой зарядки. Изделия отвечают требованиям консорциума WPC и спецификации группы средней мощности MPWG (Medium Power Working Group) и имеют потенциал для поддержки будущих стандартов.

Базовая платформа беспроводного зарядного устройства включает две 15‑ваттные микросхемы: передатчика MWCT1012 и приемника МWPR1516. Сопутствующие библиотеки прошивок с набором необходимой базовой функциональности позволяют разработчикам сосредоточить внимание на конструировании устройств. Базовая платформа содержит также расширенный интерфейс программирования, позволяющий модифицировать и перенастраивать функциональность библиотек для генерации кодов под специфические конечные продукты.

Фирмой разработаны две готовые платы приемников WPR1500‑LDO (с одним выпрямителем и внешним MOSFET с системой тепловой конструкции) и WPR1500‑BUCK [4].

В платах используется рассмотренная выше микросхема МWPR1516.

Приведем некоторые характеристики основной платы приемника WPR1500‑BUCK:

• соответствие спецификации WPC Qi для средней мощности;
• питание переменным напряжением 3,5–20 В от передатчика через катушку индуктивности;
• выходная мощность 15 Вт (5 В×3 А);
• поддержка коммуникационных сигналов с частотной манипуляцией FSK от передатчика средней мощности;
• малый размер (40×40 мм).

Структурная схема основной платы приемника WPR1500‑BUCK приведена на рис. 16, а ее внешний вид с расположением на ней разъемов и основных компонентов изображен на рис. 17.

Рис. 16. Структурная схема основной платы приемника WPR1500 BUCK

Рис. 17. Внешний вид основной платы приемника WPR1500 BUCK с расположением на ней разъемов и основных компонентов

На плате расположены:

• центральный контроллер WPR1516MCU (см. выше);
• переключатель USB/адаптер;
• контроллер CNC, управляющий коммутацией и обеспечивающий защиту по переменному току;
• входной узел высокого напряжения РМС с тремя режимами питания: запуска выполнения, ожидания и останова (отключения);
• усилитель с программируемым усилением с дифференциальным входом и выходом;
• таймер демодуляции FSK — FSKDT;
• контроллер WDOG с независимым источником тактового сигнала;
• выпрямитель синхронного типа с автозапуском с входным переменным напряжением 3,5–20 В (пиковое значение) и выходным постоянным напряжением того же уровня.

Для коммуникации используются дифференциальный бифазный сигнал ASK, модулированный путем переключения модуляционного конденсатора (см. выше), и сигнал FSK, демодулированный модулями CNC и FSKDT. Модуль CNC автоматически распознает входное напряжение 4,5–5,5 В, подаваемое через разъем питания, и подключает его с помощью переключателя USB/адаптер.

Плата приемника WPR1500 поддерживает отладку при использовании инструментов IAR или FreeMASTER. Для отладки применяют отладчик J Link или P&E Multilink FX и отладочную плату (Debug board) и соединяют оборудование, как показано на рис. 18.

Рис. 18. Соединение оборудования

Таким образом, отладчик и отладочная плата расположены между компьютером и платой приемника. Для загрузки изображения в микросхему приемника пользователь должен соединить отладчик с портом SWD отладочной платы и присоединить ее к плате приемника 10‑контактным кабелем Debugging cable. Микроинтерфейс отладочной платы должен быть соединен с USB-портом для подачи на нее напряжения питания. Для контроля рабочего статуса платы приемника пользователь должен установить перемычку J110 отладочной платы и соединить ее микроинтерфейс с компьютером кабелем USB.

На рис. 19 показано реальное изображение оборудования при использовании инструмента FreeMASTER.

Рис. 19. Реальное изображение оборудования

Подключение отладчика J Link к отладочной плате и плате приемника показано на рис. 20. Здесь же представлено расположение перемычки J110 на отладочной плате.

Рис. 20. Подключение отладчика J Link к отладочной плате и плате приемника

Подробная информация об отладчике P&E Multilink FX была дана выше, а детали об отладчике J Link можно уточнить на сайте производителя [1] на странице J Link.