Szybko rośnie liczba smartfonów i innych urządzeń mobilnych, wyposażanych w systemy bezprzewodowego zasilania. STMicroelectronics oferuje scalony kontroler do ładowarek bezprzewodowych o nazwie STWBC oraz zestaw narzędzi pozwalających poznać praktyczne aspekty używania tych układów.

Układ STWBC (od ST Wireless Battery Charger) powstał w laboratoriach STMicroelectronics na bazie standardów wypracowanych przez organizacje Qi Wireless Power oraz Power Matters Alliance (PMA). Jest to jednoukładowy kontroler ładowarki bezprzewodowej o mocy 5 W, przystosowany do zasilania mostkowej lub półmostkowej końcówki mocy, wyposażony w sterownik rozpoznający charakter obciążenia zasilanego za pomocą cewki, co zapobiega uszkodzeniom ładowarek oraz metalowych obiektów zbliżanych do cewki nadawczej. Kompatybilność układu SWTBC z dwoma standardami ładowania bezprzewodowego zapewnia dużą uniwersalność budowanych na nim urządzeń, ułatwiając współpracę z urządzeniami mobilnymi dostępnymi już na rynku. Uproszczony schemat blokowy ładowarki bazującej na układzie STWBC pokazano na rysunku 1.

Rys. 1. Uproszczony schemat blokowy ładowarki bazującej na układzie STWBC

Budowa toru bezprzewodowego ładowania jest dość skomplikowana, ponieważ pomiędzy ładowarką i zasilanym urządzeniem musi być zapewniona dwukierunkowa komunikacja (rysunek 2). Układ STWBC jest nadajnikiem systemu przekazywania energii, zazwyczaj implementowanym w urządzeniu podłączonym do sieci elektrycznej lub innego źródła energii. W urządzeniu mobilnym jest implementowana część odbiorcza, do którego energia jest przekazywana za pomocą pary cewek (jedna w nadajniku, druga w odbiorniku). Wymiana danych pomiędzy nadajnikiem i odbiornikiem jest potrzebna m.in. do ustalenia ilości energii dostarczanej bezprzewodowo przez ładowarkę, co z jednej strony zapewnia wysoką sprawność konwersji energii, z drugiej strony minimalizuje ryzyko uszkodzenia podzespołów wynikające z ich przegrzewania. Dwukierunkowa komunikacja pozwala także na wykrywanie metalowych obiektów w pobliżu odbiornika (FOD – Foreign Object Detection), które mogłyby przeciążyć ładowarkę i same ulec uszkodzeniu.

Rys. 2. Budowa toru bezprzewodowego ładowania

Układ STWBC spełnia wszelkie aktualnie obowiązujące wymogi bezpieczeństwa konwersji i oszczędzania energii i jest pierwszym scalonym sterownikiem do ładowarek bezprzewodowych, który otrzymał certyfikat Qi 1.1.2 A11. Zastosowane w układzie rozwiązania zoptymalizowano pod kątem zminimalizowania kosztów produkcji ładowarek, dzięki czemu całą część sprzętową sterownika można wykonać na tanich, dwustronnych płytkach drukowanych. Kolejną zaletą układu STWBC jest możliwość modyfikowania jego funkcjonalności przez użytkownika, bowiem jest ona ustalana przez firmware przechowywane w wewnętrznej pamięci Flash o pojemności 32 kB. Umożliwia ono modyfikację zachowania układu podczas pracy, bez naruszenia certyfikowanych cech toru ładowania, za pomocą oprogramowania z wygodną warstwą API (dla IAR Workbench Studio), komunikującego się z firmware za pomocą interfejsów I2C lub UART.

Dla konstruktorów producent układu STWBC przygotował zestaw startowy STEVAL-ISB027V1 (fotografia 3), który jest kompletną, autonomiczną ładowarką bezprzewodową zgodną ze standardem Qi 1.1.2 A11. Budowa zestawu startowego jest klasyczna – „sercem” urządzenia jest sterownik STWBC odpowiedzialny za generowanie przebiegów sterujących dla stopnia mocy i demodulację informacji zwrotnej z odbiornika. Układ ten steruje także pracą dwóch diod LED, które służą do sygnalizacji stanu ładowarki. Układ SWTBC steruje także pracą stopnia mocy, który w zestawie składa się z czterech tranzystorów MOSFET w układzie mostkowym, dzięki czemu można uzyskać moc wyjściową do 5 W. Końcówka mocy zasila specjalną cewkę nadawczą, której zadaniem jest przekazanie energii do odbiornika i przenoszenie sygnałów komunikacyjnych.

Fot. 3. Zestaw startowy STEVAL-ISB027V1 dla STWBC

Przedstawiony w artykule zestaw startowy jest bardzo wygodnym, kompleksowym narzędziem dla konstruktorów zajmujących się projektowaniem ładowarek bezprzewodowych, ale wymaga pewnej cierpliwości na starcie: producent nie dostarcza w nim bowiem zasilacza 5V/2A, a proponowany sposób dołączenia zasilacza do płytki zestawu odbiega od przeciętnych standardów i wymaga sięgnięcia po lutownicę. Pewien kłopot stanowi także dołączenie płytki zestawu do PC za pomocą UART-a, ponieważ jako złącze wyprowadzające sygnały Tx i Rx tego interfejsu zastosowano stereofonicznego mini-jacka 3,5 mm (a nie dołączono odpowiedniego kabla!). Usprawiedliwieniem takiego działania może być fakt, że nie jest to zestaw dla początkujących, a nie-początkujący z rozwiązaniem tych problemów na pewno sobie poradzą.