ウェアラブルデバイス向けワイヤレス充電ソリューション

　　ウェアラブルデバイスは電子部品の重要な市場セグメントとして急速に台頭しています。 これらのデバイスにとって重要な要件は利便性であり、動く物体のデータにアクセスできるだけでなく、バッテリーが毎日丸一日持つことを保証することです。

　　ユーザーが夜間充電のためにデバイスを接続しなければならない場合、充電を忘れて起きてしまい、その日一日中使えなくなることがよくあります。 ワイヤレス充電は電子機器の充電をより便利にする方法を提供します。 ワイヤレス充電の場合、マイクロUSBなどのケーブルを挿入せずに充電パッドの上に電子機器を置くだけで、ユーザーはパッドを簡単に届ける場所に置けます。 ワイヤレス充電システムが適切に設計されていれば、1台の充電パッドで複数のデバイスを同時に充電でき、それぞれを個別に充電する必要がなくなり、外出時にパッドやデバイスを持ち運びやすくなります。

　　今やワイヤレス充電の利便性はウェアラブルデバイスに限られません。 この技術は長らく電子歯ブラシで広く使われており、電気自動車のバッテリーを充電するために比例して拡大することも可能です。

　　誘導充電の基本的な動作原理は、パワートランスと同じです。 充電パッド内の誘導コイルは交流する電磁場を発生させ、その電磁場はデバイスのコイルに受け取り、充電されて有用な電流に変換されます。 従来の変圧器と同様に、基本的な誘導充電も高効率のために2つのコイルが近接して配置する必要があります。 そうでなければ、一次コイルの抵抗が累積損失を大きく生み出します。

　　2つのコイルを生成する共振誘導結合は、長距離エネルギー伝送効率を向上させることができます。具体的には、インダクタとコンデンサの負荷を組み合わせることで、これら2つのコイルが同じ周波数で共振を発生するように調整されます。 これらの共振条件下では、直径数倍のコイルから別のコイルへ大量の電気エネルギーを伝達できます。

　　図1:負荷変調は変圧器結合中のデータを符号化するために用いられます。

　　コイル回路のQ値は調整され、複数サイクル後に比較的強い磁場を形成できます。 この振動信号で運ばれるエネルギーは、任意の時刻にコイルに供給されるエネルギーよりも高くなります。 二次コイルはこの振動磁場の一部を受け取り変換できるため、出力される電気エネルギーは従来の変圧器よりも高くなります。 同調コンデンサを用いて共振を得ることで、エミッタ内の迷離インダクタンスや磁化インダクタンスを除去し、通常誘導損失の10倍から100倍となるコイル巻線の抵抗損失を根本的に低減します。

　　従来のトランスよりも高いQ値を得るために、コイルは通常ソレノイドを備えて設計されており、これも皮膚への影響を最小限に抑えるのに役立ちます。 通常、誘電損失は小型の誘電定数インダクタを使用するか、空気のみに依存することで最小限に抑えられます。

　　実際には、コイルは必ずしも正確な共振周波数に調整されているわけではありません。 二次コイルが一定量の磁力線を遮断すれば、緩結合系は電気エネルギーを伝達できます。 より精密なコイルマッチングによってより強い結合を実現すれば、より高い電気エネルギーを供給できますが、共振条件下で同時に動作するように設計されたコイルでは、両者間の緊密な結合を維持することは不可能です。 これらの回路は、受信機と送信機の共振周波数がわずかに異なるデチューン変調器条件下でのみ動作するように設計できます。

　　残念ながら、密結合コイルはアライメントの影響を受けやすく、消費者向けアプリケーションでは、最適な配置や配置を考えずに充電パッドにデバイスを置いて充電を成功させたい場合、これは問題となります。 したがって、充電に使う送信機は複数のコイルを使用することができます。 これにより設計の複雑さは増しますが、ロケーション選択の自由度が高まります。 コイルオーバーラップは必須ではなく、製造時の組み立てが簡素化されますが、コイルオーバーラップは密度を高め、レシーバー配置の自由度を高めます。

　　単一の送信機で異なる機器を効果的に充電するには、特定の規格を採用する必要があります。 現在、主に2つの標準が使用されています。 パワーマットシステムは、ワイヤレスパワー同盟(Alliance for Wireless Power)によって推奨されている標準であり、単一の送信コイルに基づく緩結合システムを中心に設計されています。 ワイヤレスパワーコンソーシアムのQiシステムは、同時の緩やかな動作と密結合動作など、多様な構成を可能にします。 現在の送信機の多くはマルチコイル密結合構成を使用しています。

　　これら2つの規格は、充電中のみ充電パッドが動作するようにエネルギー管理も考慮しています。 例えば、Qiシステムは通信プロトコルを使ってコイル上に信号を中継し、デバイスの存在やQiシステムのサポートかどうかをチェックします。 この規格によれば、送信機はコイルのスイッチング周波数を110 kHzから205 kHzの範囲で変更でき、これが電力供給の主な制御機構として機能します。

　　Qi規格の下では、コイル電圧を用いて単純な負荷変調を行い、空気の隙間の反対側にいるデバイスにデータを送信します。 セカンダリコイルからの通信は異なる二相ビット符号化方式を用い、動作周波数は2kHzで、8ビットデータ伝送ごとに追加のスタートビットが設けられます。 データを送信した後、パリティチェックとストップビットが使用されます。

　　図2:二相符号化によりバイナリデータ伝送能力が可能になります。

　　大量の制御データを送信できます。 最も一般的に使われる制御データパケットの種類には、信号強度、制御誤差、端子電力要件、整流器の電力レベルが含まれます。 信号強度は充電パッド上のデバイスの位置を調整し、可視または聴覚信号と組み合わせて使用すると、信号強度が良好な電流供給を示すまで充電パッドに沿って移動するよう導きます。

　　制御誤差データパケットは、受信コイルからの入力電圧と必要な入力電圧との誤差の度合いを示すことができます。 送信機は通常、制御回路を使ってコイルにかかる電圧を調整します。 大きな誤差がある場合、これらの誤りパケットの頻度はより大きな値に設定されます。 エラーが閾値を下回るまで、32msごとにパケットが送信されます。 この観点から見ると、これらのパケットは250msごとに送信されます。 制御エラーデータパケットは電力供給の調整に非常に役立ちます。 軽負荷条件下では、受信機は電流の過渡現象を克服するためにより高い電圧を必要とすることがあります。例えば、ウェアラブルデバイスを睡眠状態から覚醒させる場合などです。 負荷電流が大きい場合、携帯型デバイスはLDOレギュレータの電力損失を避けるために低い電圧を必要とすることがあります。

　　デバイスが満充電状態であるか、バッテリーを損傷させる可能性のある内部故障が検出されると、電力供給停止の要求を送信します。 電力供給も整流された電源情報によって制御されます。 これにより、ウェアラブルデバイスが整流回路出力で受け取る電力の一部を中継・転送します。 送信機はこの情報を使って結合周波数を決定し、受信機が最大出力に達したかどうかも判断します。 350msから1800msごとに、送信機はデータパケットなしのギャップを利用して充電パッド上のデバイスが取り外されたかどうかを判断します。 整流器電源の情報も異物検出に役立ちます。

　　Qiプロトコルをサポートし、電力供給を制御するチップセットはすでに発売されています。 例えば、東芝は送信機用のTB6865AFGデバイスも発売しています。 この高度に統合されたコンポーネントには、顧客コードを実行するARM Cortex-M3プロセッサと、外部Hブリッジ回路(電力供給用)をサポートするPWMコントローラが含まれます。 Qi規格によると、コントローラーは最大2台のデバイスの電力制御が可能で、異物検出もサポートしています。

　　bq51013デバイスは、テキサス・インスツルメンツがセカンダリ側向けに設計した製品で、AC/DC電力変換、整流、送信機へのコマンド送信に必要なデジタル制御機能を備えています。 bq5101xシリーズのすべてのデバイスは、低抵抗同期整流器、LDO、電圧・電流ループコントローラを使用しています。

　　コントローラーに加え、メーカーはQiプロトコル標準に対応した既製コイルも提供しており、送信機、受信機、またはその両方として機能するよう設計されています。 例えば、AbraconのAWCCA-50N50シリーズは送信機と受信機の両方の用途をサポートしています。 コイルの直径はわずか50mm未満で、強力な耐磁性を持ち、デバイス内部の電子部品を保護します。 これらの設計はQファクターを70または160の範囲で選択可能で、直流抵抗は約20 mΩまたは70 mΩです。

　　小型のウェアラブルデバイス向けには、TDKはWR303050コイルを発売し、パッケージサイズを30 x 30 mm、厚さ1mmに縮小しました。 室温では直流抵抗は0.41 Ωです。

　　柔軟性を高めるために、Vishay DaleのIWAS-3827は正方形ではなく長方形の基材を選び、長さ38mm、幅27mmです。 このコイルの厚さは1mm、直流抵抗は0.18 Ω、典型的なQ値は30です。

　　図3:ワイヤレス電源用のAVishay Daleコイル。

　　より統合されたソリューションを提供するために、TDKのTMx-66-2M7およびTMx-58-2M7はTI受信チップと組み合わせてパッケージ化でき、全長66mm、厚さわずか1mmのパッケージデバイスを実現しています。

　　その他のオプションのワイヤレス充電機器には、Würth Electronicsが提供する各種WPCCおよびWE-WPCCシリーズのワイヤレス充電コイルがあります。 これらのコイルは送信機と受信機の両方の構成があり、定格電流は0.8Aから13Aまでの範囲で、さまざまな用途要件に対応するためにサイズも多様です。 Würth/TIワイヤレスパワーデモキット(760308)を使って、Würthの送信機と受信コイルを用いたワイヤレス充電の概念と利点を実演できます。

　　Qiのようなプロトコルを中心としたエコシステムが拡大するにつれて、設計作業を簡素化し、ウェアラブルデバイスの充電方法をより簡略化する統合ソリューションが期待されます。