Qi 표준 호환 무선 충전 시스템을 신속하게 구현하는 방법

모바일 장치의 충전 공정은 최종적인 걸림돌로 남아 있습니다. 세계 무선 전력 위원회(WPC) Q1 사양 등의 표준은 더 높은 수준의 전력 충전을 지원하는 데 도움이 되지만 모바일 장치에 대한 무선 전력 전송을 완전히 최적화하기 위한 모바일 회로, PC 기판, 펌웨어 설계에 관한 한 개발자들은 아직 여러 과제에 직면해 있습니다.

하지만 STMicroelectronics의 장치 및 개발 키트를 사용하는 개발자는 증대된 전력 수준의 무선 충전에 대한 증가하는 수요를 충족하는 Qi 호환 시스템을 빠르게 구현할 수 있습니다.

본 문서는 무선 전력이 작동하는 방식, 무선 충전 표준의 역할, 호환 솔루션 설계와 관련된 과제에 대해 설명합니다. 이어서 STMicroelectronics STWLC33 수신기 및 STWBC-EP 컨트롤러를 소개하고, 그러한 제품의 기능이 핵심적인 무선 충전 설계 요구 사항을 어떻게 해결하는지 설명한 다음 개발자가 무선 전력 설계에 이를 어떻게 사용할 수 있는지 안내합니다.

본 문서는 개발자가 각 장치에 대해 개발 키트 및 참조 설계를 어떻게 사용해 개발 속도를 현저하게 향상시킬 수 있을지에 대한 논의로 마무리됩니다.

무선 충전 작동 방식

일반적인 무선 충전 시스템에서 송신기 시스템은 교류 전류로 코일에 전력을 공급해 코일에서 진동 자기장을 유발합니다. 일차 코일에 충분히 가깝게 배치된 수신기 코일은 코일 사이의 자기 결합으로 인해 필드와 공진하여 Faraday의 유도 법칙에 따라 이 이차 코일에 상응하는 교류 전류를 유도합니다. 일차 코일의 전류와 이차 코일의 부하를 변조함으로써 송신기와 수신기는 결합된 필드에서 데이터를 변형으로 인코딩하여 전력 전송을 최적화하는 데 필요한 정보를 교환할 수 있습니다.

물론 이 간단한 개념을 실제로 적용하는 것은 송신기 측의 발전, 수신기 측의 전력 변환, 양측에서의 정밀한 공정 제어를 위해 최적화된 회로를 얼마나 신중하게 설계하느냐에 달려 있습니다. 코일 회로 구현 또는 제어 방법에서 약간의 차이만 나더라도 전력 전송의 비효율성을 야기해 이 접근 방식의 효과가 줄어들 수도 있습니다.

그림 1: 일반적인 무선 충전 시스템은 송신기의 일차 코일과 수신기의 이차 코일 사이의 자기 결합을 이용하여 전력을 전송하고 데이터를 교환합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

무선 전력 표준

최적의 무선 전력 전송을 보장하기 위해 WPC 및 AirFuel Alliance 등의 무선 충전 표준 기관에서는 엔지니어에게 무선 충전 송신기 및 수신기에 대한 일관된 프레임워크를 제공하도록 고안된 상세한 사양을 제공하고 있습니다. WPC Qi 1.2 확장 전력 프로파일 등의 새로운 표준은 15W의 높은 전력 전송 지원 및 도착 효율을 최적화하도록 설계된 양방향 통신 기능 등을 통해 추가적인 이점을 제공합니다.

표준 기반 무선 충전 시스템을 구현하는 것은 노련한 개발자에게도 어려운 일일 수 있습니다. 설계 오류 또는 잘못 조합된 부품 세트가 전력 도착 효율을 유용한 수준에도 못 미치도록 저하시킬 수 있습니다. 개발자는 최적화된 전력 전송 설계를 만드는 데 따르는 어려움과 더불어 프로토콜과 관련된 여러 가지의 요구 사항에 직면하고 있습니다. 예를 들어 Qi 프로토콜은 실제 전송 단계 이전에 여러 상태를 지정합니다(그림 2).

그림 2: 표준은 송신기와 수신기 사이의 전력 전송을 최적화하기 위해 이와 같이 정밀하게 조정된 일련의 단계를 세계 무선 전력 위원회 Qi 표준으로 사용합니다. (이미지 출처: 세계 무선 전력 위원회)

이 프로토콜에서는 근처의 수신기가 송신기에 핑을 전송하고 수신기와 그 구성을 식별할 수 있는 데이터를 송신기로 보내는 것으로 공정을 시작합니다. 그런 다음 송신기와 수신기는 특정한 전력 전송 수준을 설정하기 위해 전력 계약을 조정합니다. 마침내 실제 전력 전송 단계를 시작하기 전 송신기와 수신기 또한 보정 단계를 거칠 수 있습니다. 전력 전송이 진행됨에 따라 수신기와 송신기는 전력 전송이 Qi 1.2 확장 케이블 프로파일로 사용 가능한 높은 전력 수준에서 효율적이고도 안전한 상태를 유지하는지 확인하기 위해 정보를 교환할 수 있습니다.

실제로 최적화된 하드웨어 기반에 이 정교한 프로토콜을 구현하는 것은 실용적 구현과 관련된 여러 가지 과제가 남아 있으며, 이러한 과제는 설계 복잡성을 현저히 악화시키고 구현 일정을 지연시킬 수 있습니다. 하지만 개발자의 입장에서는 STMicroelectronics STWLC33 수신기 및 STWBC-EP 송신기 컨트롤러 등의 통합 무선 전력 솔루션의 등장으로 호환 무선 충전 시스템의 구현을 방해했던 문제들이 상당 부분 해소되었습니다.

조합 방식으로 사용되는 장치는 Qi 1.2 확장 전력 프로파일과 호환되는 15W 충전 시스템에 최적화된 솔루션을 제공합니다. 각 장치가 표준에 부합하므로 개발자는 다른 Qi 호환 제품과 문제 없이 함께 사용할 수 있는 개별 무선 전력 수신기 또는 송신기를 구현하는 데 각 장치만 사용해도 가능합니다. 두 가지 장치 모두에서, 포괄적인 참조 설계 및 개발 기반의 가용성이 무선 충전의 구현을 대폭 단순화해 줍니다. 그와 마찬가지로 중요한 것은 두 가지 모두 이미 WPC 인증을 취득했으므로 기판이 이러한 솔루션의 배포 속도를 더욱 높여야 한다는 점입니다.

유연한 수신기

수신기 시스템 구축을 위한 STMicroelectronics STWLC33은 3.97 x 2.67mm 플립 칩 장치로 포괄적인 무선 전력 RF 프론트 엔드 서브 시스템, 낮은 드롭아웃(LDO) 출력 조정기, 32비트 Arm® Cortex® MCU를 통합합니다. 소비 전력 손실을 최소화하기 위해 장치는 LDO 입력 전압을 자동으로 조정하여 LDO 전압 강하 및 상응하는 과잉 에너지를 최소화합니다. MCU의 32Kbyte 펌웨어 메모리를 사용하는 이 장치는 Qi 1.2 및 AirFuel 프로토콜을 모두 수행해 표준 기반 무선 충전 솔루션을 제공할 수 있습니다. 작동 중에 이 장치는 주파수 및 관련 신호 데이터에 대한 측정치에 따라 Qi 또는 AirFuel 프로토콜을 자동으로 선택합니다.

STWLC33의 통합 기능으로 인해 개발자는 몇 개의 외부 부품만으로도 완전한 표준 기반 무선 전원 공급 장치를 구현할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: STMicroelectronics STWLC33은 무선 전력 수신기 작동에 필요한 모든 기능을 통합하므로 송신기 작업에만 필요한 프리 컨디셔닝 필터 단계(옵션)를 포함한 추가 외부 부품 몇 가지만 필요합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

Qi 모드로 작동 중에 장치가 앞에서 설명했던 Qi 프로토콜의 각 단계를 자동으로 수행합니다. 초기 설정 단계를 완료하고 전력 전송 모드에 들어가면 장치가 송신기에 상태 정보를 보내 전송을 최적화하거나 과전압, 과전류 또는 과열 오류 등의 오류를 감지하면 독립적으로 전력 전송을 중단합니다. 그 결과 장치는 독립형 공급 장치로 작동할 수 있습니다.

또한 개발자는 I²C 인터페이스나 구성 가능한 GPIO 포트를 통해서도 호스트 프로세서에 연결할 수 있습니다. 예를 들어 개발자는 모바일 장치가 사용 가능한 충전기와 멀리 떨어져 있을 경우 호스트 MCU를 이용해 STWLC33을 비활성화하거나 독점 데이터 패킷을 특수 애플리케이션을 위한 송신기로 다시 보냅니다.

호스트 MCU와 결합될 경우, STWLC33은 스마트 워치나 기타 저전력 웨어러블 등의 다른 장치의 무선 충전기로 사용될 수도 있습니다.

그림 4: STMicroelectronics STWLC33은 이중 수신기/송신기 기능을 이용하므로 개발자는 15W 무선 전력으로 충전할 수 있고 웨어러블 등의 저전력 장치를 무선으로 충전할 수 있는 모바일 장치를 구축할 수 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

호스트 MCU 이외에도 이 듀얼 기능은 추가적인 설계 요구 사항이 필요하지 않은 장점을 제공합니다. 개발자는 수신기 또는 송신기와 동일한 외부 부품 구성을 이용해 장치를 작동시킬 수 있습니다.

수신기 전용 설계에서 그림 3에 강조 표시된 프리 컨디셔닝 필터는 필요하지 않습니다. 이 장치에는 전력 수신과 전력 송신에 동일한 코일을 사용할 수 있도록 내부 스위치가 포함되어 있습니다.

여기에는 송신기 작동에 필요한 RF 기능이 포함되지만 STWLC33은 기본 구성의 송신기 펌웨어와 함께 로드되지 않았습니다. 그렇다 해도 개발자는 공유된 I²C 연결을 이용해 호스트 MCU에서 장치로 필요한 코드를 손쉽게 로드할 수 있습니다. ST 송신기 펌웨어의 추가로 STWLC33은 일부 무선 충전 애플리케이션에 적합한 솔루션을 제공할 수 있습니다. 그렇기는 하지만 이 역할의 효과는 코일의 성격에 의해 제한되는 상태로 유지됩니다. 가는 코일은 약 3W에 불과한 송신 전력 수준에서 수신 결과를 최적화하는 데 사용됩니다.

개발자는 외부 코일을 추가해 송신된 전력 수준을 향상시킬 수 있지만, 추가로 필요한 외부 스위치, 전력 증대, 제어 회로망으로 인해 설계 비용과 복잡성이 급상승하게 됩니다. 향상된 전력 송신기 설계에 대한 더 효율적인 접근 방식은 ST의 STWBC-EP 무선 전력 송신기 컨트롤러를 활용하는 것입니다.

단순화된 송신기 설계

STWLC33 수신기와 마찬가지로 STWBC-EP 컨트롤러는 전체적인 통합 하드웨어 블록 세트를 Qi 표준 구현에 필요한 펌웨어와 결합합니다. 고유 기능이 Qi 1.2 15W 작동을 지원하기는 하지만 STWBC-EP는 초기 WPC 5V 표준을 이용해 수신기와의 호환성을 유지합니다. 하지만 15W 애플리케이션의 경우 STWBC-EP 및 STWLC33이 Qi 1.2에 구축된 전력 전송 최적화 기능을 완전하게 활용할 수 있는 포괄적 솔루션을 제공합니다.

STWLC33과 달리 STWBC-EP의 경우 높은 수준의 무선 전력 전송 시스템에서의 사용과 관련하여 필요한 통합 요구 사항이 더 많습니다. 컨트롤러로서의 역할 중에 이 장치는 무선 충전 코일을 구동하는 데 사용되는 외부 전력 부품을 제어하기 위한 제어 신호를 제공합니다. 그 결과 설계자는 보통 DC-DC 변환기 등의 외부 전력 회로를 추가하여 코일에 적절한 동력을 제공하는 데 필요한 수준으로 전압을 높여야 합니다.

STWBC-EP를 사용하면 개발자는 장치의 내장 지원 및 외부 제어 신호를 사용해 일반적인 DC/DC 부스트 컨버터를 작동시킬 수 있습니다. 여기에서 개발자는 STWBC-EP의 DCDC_DRV 출력 핀을 Diodes Inc. MMDT4413 버퍼 트랜지스터에 연결하며 이는 결과적으로 익숙한 부스트 컨버터 토폴로지에서 전원 스위치로 사용되는 STMicroelectronics STL10N3LLH5 MOSFET를 구동시킵니다(그림 5).

그림 5: STMicroelectronics STWBC-EP는 전력 제어 회로 설계와 관련된 복잡성을 없애주긴 하지만, 여전히 개발자는 전력 코일에 동력을 공급하는 데 필요한 이 STL10N3LLH5 MOSFET 기반 DC-DC 부스트 컨버터 등의 상응하는 전력 회로를 만들어야 합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

이 구성에서 STWBC-EP의 내장 제어 알고리즘은 장치의 CS_CMP 입력 핀을 사용해 인덕터 전류를 모니터링하고 VTARGET 핀을 이용해 출력 전압을 모니터링합니다. 이 알고리즘은 CMP_OUT_V 핀에서의 피드백 전압 수준을 특정 전력 전송 요구 사항을 충족하기 위해 개발자가 프로그래밍할 수 있는 참조 전압(DCDC_DAC_REF, 표시 안 됨)과 비교하여 출력 전압을 자동으로 조정합니다. 이 일반적인 부스트 컨버터 구성 외에도, 개발자는 저부하 작업의 효율성을 향상시키기 위해 유사 공진 스위칭으로 컨버터를 작동하면서 STWBC-EP를 이용해 인덕터 반자화(그림 5의 DEMAGNET 핀)를 모니터링할 수도 있습니다.

STWBC-EP는 전력 회로 설계를 단순화하는 데 도움이 되지만, 그럼에도 불구하고 개발자 입장에서는 이러한 전력 회로 작업과 관련된 상세한 설계 요구 사항이 무선 충전 서브 시스템의 빠른 개발을 저해한다고 볼 수 있습니다. 하지만 ST는 개발 키트를 통해 STWBC-EP 및 STWLC33을 이용해 빠르고 간편하게 설계를 배포할 수 있는 방법을 제공합니다.

무선 충전 개발 지원

STWBC-EP-기반 설계의 경우 STMicroelectronics STEVAL-ISB044V1 키트와 관련 참조 설계가 이미 WPC Qi 1.2 표준을 준수하는 것으로 인증된 완전한 무선 송신기 설계를 제공합니다. 이와 유사하게, STMicroelectronics의 STEVAL-ISB042V1 키트와 참조 설계는 STWLC33을 사용하는 무선 전력 수신기 설계에 종합적인 솔루션을 제공합니다.

송신기 전력 회로와 관련된 추가적인 복잡성으로 인해 STEVAL-ISB044V1 참조 설계는 무선 충전 시스템의 신속한 개발에 특히 유용합니다. 예를 들어, 앞에서 설명한 코일 부스트 컨버터 설계와 함께 STEVAL-ISB044V1 참조 설계에서는 하프 브리지 전력 스테이지가 포함된Wurth Electronics 760308104113 등의 무선 충전 코일을 구동하는 데 필요한 해당 회로를 볼 수 있습니다(그림 6).

그림 6: STMicroelectronics STWBC-EP 무선 전력 펌웨어는 소수의 장치 포트를 이용해 전력 송신기 코일을 구동하는 하프 브리지 전력 회로를 모니터링 및 제어합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

부스트 컨버터 회로와 마찬가지로 코일 회로는 STWBC-EP 제어 신호(UPBL 및 DNBL)를 이용해 STL10N3LLH5 MOSFET용Microchip Technology MCP14700 게이트 구동기를 제어합니다.

이러한 회로도가 있더라도 개발자는 PC 기판의 물리적 설계 중에 추가적으로 복잡한 문제에 직면할 수 있습니다. 최적화된 전력 전송에는 PC 기판 라우팅 및 부품 배치와 관련해 신중한 고려가 필요합니다. STMicroelectronics는 전력 회로 설계를 해당하는 PC 기판의 물리적 레이아웃에 관련시키는 지침을 제공하여 개발자가 이 중대한 개발 단계를 완수할 수 있도록 돕습니다(그림 7).

그림 7: STMicroelectronics는 회로 설계를 이 경우의 하프 브리지 전력 회로의 물리적 설계와 관련시키는 일련의 지침을 통해 PC 기판의 물리적 설계에서 중요한 문제를 파악할 수 있도록 돕습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

펌웨어 구성

앞에서 언급한 바와 같이 회로와 PC 기판 설계는 무선 충전 시스템의 성공적 구현을 위한 과정의 일부에 지나지 않습니다. 표준 기반 시스템의 경우 효과적인 전력 전송은 표준에 지정된 프로토콜을 엄격히 준수하는 데 달려 있습니다. STWBC-EP 및 STWLC33에는 표준 프로토콜을 구현하는 펌웨어가 각각 포함되어 있으며 개발자는 STEVAL-ISB044V1 및 STEVAL-ISB042V1을 각각 송신기 및 수신기 설계의 토대로 이용할 경우 무선 전력 서브 시스템의 구현을 더욱 신속하게 수행할 수 있습니다.

각 장치의 펌웨어는 이진 형식으로 제공되지만 ST는 개발자에게 각 장치의 런타임 특성에 대한 폭넓은 가시성을 제공합니다. 예를 들어 설계자는 STEVAL-ISB044V1을 작동하면서 그래픽 인터페이스를 통해 STWBC-EP-기반 시스템의 작동을 긴밀하게 모니터링할 수 있습니다(그림 8). 개발자는 별도의 탭을 이용해 Qi 프로토콜의 각 단계에서 회로의 작동을 모니터링 및 제어할 수 있습니다.

그림 8: 개발자는 STMicroelectronics 그래픽 인터페이스를 이용해 Qi 전력 프로토콜의 각 단계를 모니터링할 수 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

더욱 정교한 작동 제어를 위해 개발자는 추가 화면을 통해 구성 가능한 파라미터를 수정할 수 있습니다(그림 9). 파라미터를 수정한 후 개발자는 “대상에 푸시” 버튼을 클릭해 STWBC-EP에 새 파라미터를 쓰고 그 결과를 관찰할 수 있습니다. 다양한 구성 옵션을 평가한 후 다음 단계는 업데이트된 구성을 저장하고 장치에 최종 설정을 쓰는 것입니다. 개발자는 이와 유사하게 자체 화면 옵션을 통해 STWLC33을 관찰 및 구성할 수 있습니다.

그림 9: STMicroelectronics 그래픽 인터페이스의 화면 시리즈를 이용해 개발자는 구성 파라미터를 손쉽게 수정하고 이를 대상 장치에 푸시하고 결과를 관찰하고 원하는 최종 구성으로 대상을 업데이트할 수 있습니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

결론

모바일 장치에 연결되는 코드를 모두 없애고자 하는 사용자의 바램이 커짐에 따라 무선 전력은 필수 기능으로 빠르게 부상하고 있습니다. 무선 전력 표준이 그러한 수용의 속도를 높여주고는 있지만 이러한 표준을 기반으로 한 무선 전력 설계의 구현은 개발자에게 중대한 과제로 남아 있습니다. 통합 무선 전력 솔루션을 이용할 수 있게 되면서 전통적으로 구현의 걸림돌로 여겨지던 수많은 요인이 사라지고 있습니다.

STMicroelectronics STWBC-EP 및 STWLC33을 관련 개발 키트와 함께 활용하면 개발자는 향상된 전력 수준에서의 무선 충전에 대한 높아지는 수요를 충족할 수 있는 Qi 호환 무선 전력 송신기 및 수신기를 빠르게 구현할 수 있습니다.