ワイヤレス充電の未来を切り開くサムスン電子のPMIC、S2MIW06

なぜワイヤレス充電が必要なのでしょうか?

私たちの大半は充電ケーブルの不便さについてよく知っています。ケーブルが絡まったり、抜けたり、暗い場所ではプラグの差し込みが難しくなったり、特に水がかかった場合は充電ポートやコネクタが損傷しやすくなります。 さらに、充電器の互換性の問題により、あまり使用しない大量の充電ケーブルが山積みになる可能性もあります。 このような不便さと非効率性を軽減することがワイヤレス充電の重要な要素です。ユーザーはワイヤレス充電パッドにデバイスを置くだけで充電できます。

ワイヤレス充電は普及していますが、ケーブルなしでどのように電流が伝達されるのかを詳しく知ることは難しいかもしれません。全体像は案外簡単で、ほとんどのワイヤレス充電器は電磁誘導方式を利用しています。 基本的に交流電流は充電パッドの送電用コイルを通じて流れ、磁場を生成します。 その磁場がスマートフォンの受信コイルに入ると、電流が発生し¹スマートフォンのバッテリーに流れます。

もちろん、すべてのテクノロジーにはそれぞれ重要な要素がありますが、ワイヤレス充電の場合、業界と一般ユーザーの両方が注目しているのは、互換性、速度（高出力）、安全性、そして信頼性です。 これらすべてがどのように機能するのか詳しく見ていきましょう。

ワイヤレス充電の互換性を維持するにはどうすればよいでしょうか?

充電効率の改善、安全性の向上、デバイス間の互換性の向上を促進するため、世界的に認められた認証基準があります。 Qi（「チー」と発音する）は、ワイヤレス充電に関する最も知られた規格の１つであり、300社以上の大手メーカーが参加するワイヤレスパワーコンソーシアム（WPC）によって開発されました。² 最新バージョンはQi v2.2であり、サムスン電子のシステムLSI事業部はその実装に積極的に参加しています。³

Qi規格では、トランスミッターとレシーバー間の互換性と認証、充電電力とQiプロトコルの準拠、安全のための破片検出アルゴリズムなど、様々な要素を考慮して、より優れたワイヤレス充電エクスペリエンスを確保します。 この規格はさらに３つの電力プロファイルに分かれているため、次のセクションで説明します。

１．Baseline Power Profile (BPP)
BPPは最も基本的なプロファイルであり、2010年にQi v1.0で初めて導入され、ワイヤレス充電トランスミッターとレシーバーが最大５Wの電力を供給できるようになりました。 レシーバー（Rx）は、ASKを使って現在受信している電力量をトランスミッター（Tx）に伝える基本的な一方向通信をサポートしており、これを通じて⁴ Txが電力を制御できるようにします。

２．Extended Power Profile (EPP)
EPPは最大充電電力を15Wに上げ、TxとRxの双方向通信を使用することで急速充電または通常充電のいずれかを選択します。 RxはTxに急速充電が可能であることを通知し、⁵ TxはRxに同じ機能があることを通知します。⁶ EPPは、より高出力の充電や急速充電のプロトコル、より正確な破片検出アルゴリズムを可能にするために適切なハードウェア構成を採用しています。

３．Magnetic Power Profile (MPP)
MPPは、便利さを高めるための磁気アタッチメント式を通じてEPPと同様のメリットを提供します。 磁気整列により、ユーザーはワイヤレス充電中にもスマートフォンの安定的な使用が可能で、TxとRxが整列されていない場合に発生しかねない充電電力の低下や、充電が行われない問題を軽減することができます。 また、同様のBPP/EPP周波数を使用しているモバイルデバイスと車のスマートキーの衝突を回避するために、充電周波数帯域を360kHzに変更しました。 多くのスマートフォンメーカーは自社製品のワイヤレス充電の容量を25Wまで拡張しており、MPPは安定的な25Wの充電をサポートしています。

ワイヤレス充電をサポートする高度な技術

日常生活でワイヤレス充電を使用すると、非常にうまく機能するため、当たり前のように思えるかもしれません。 しかし、上の図にその技術の基盤となる驚くべき電気工学の例えが示されています。 これは、システムLSIが開発中のワイヤレス充電システムの構造であり、ワイヤレス電力の伝送および帯域内通信によってシステム制御を提供するワイヤレス充電PMICのS2MIW06が含まれています。

このシステムは、以下の手順でワイヤレス電力伝送を実現します。まず、DC入力電源はTxインバータを通じてAC電源に変換され、そのAC電源はTx LCタンクによって増幅されます。⁷ この際、増幅された電源は誘導ワイヤレス充電の周波数の特性によってインデックスされます。 その時、RxのLCタンクに送られたAC電源は、PMICの整流器によってDC電圧（VRECT）に整流されます。 電力がDC VRECTに整流されると、Rx PMICはそれを低ドロップアウトレギュレータ（LDO）でよりクリーンなDC電源の出力電力（Vout）に変換し、最終的にはRxバッテリーを充電する電力として供給します。 S2MIW06は、Rx ICを基準として最大98%⁸の高い電力伝送効率を持ち、ワイヤレス電力伝送に最適化されたハードウェア設計を特徴としています。

もちろん、ワイヤレス充電においては電力の伝送が重要となりますが、TxとRx間の通信も重要です。 場合によっては、Txから送信される電力が不足または過剰になり、過熱につながる可能性があります。 この場合、RxはTxに通知して、送信電力のレベルを調整する必要があります。 さらに、急速充電は、TxとRx間の認証によって安全性が確保されたTxワイヤレス充電パッド上でのみ実行できます。 これらの機能はワイヤレス充電IC通信によって実現されています。

S2MIW06はワイヤレス充電分野をどのように開拓しているのでしょうか?

現在のワイヤレス充電の状況はどのようなもので、サムスン電子のシステムLSIはその中でどのような位置づけにあるのでしょうか? 実際、当社は技術リーダーシップと業界の新しい道を開拓するイノベーションにおいて重要な役割を果たしています。 例えば、ワイヤレス充電使用者の満足度において最も重要な基準の１つは、互換性をサポートする強力なファームウェアベースのMCU⁹ 操作です。 S2MIW06はすべてのBPP/EPP/MPP標準をサポートし、認証されたTxパッドだけでなく、認証されていない数百のTxパッドとの互換性も内部テストを通じて確認されました。そのため、S2MIW06は、市場をリードする大容量の内蔵メモリをベースにしたMCU操作の柔軟性だけでなく、様々な状況での一貫したパフォーマンスにも対応します。
 

Rx ICにおいて、充電電力は強力なファームウェア基盤の動作以外にも重要な要素となります。 S2MIW06は最大50Wの高出力ワイヤレス充電をサポートしており、将来性も十分に備えています。 下のグラフは、充電電力と内部メモリ容量の観点から見たS2MIW06のRx IC性能指数（FOM）を示しています。これは、図のＡ～Ｄと表示されている他のRx ICより優れていることがわかります。また、S2MIW06は、長年にわたって蓄積されたPMICの知識を通じて、Qi認証を受けるための事前テストを見事に完了していることも特筆に値します。

S2MIW06は、スマートフォンで利用可能なワイヤレスバッテリー共有機能をサポートするため、Txモードでも動作します。 このモードで動作している場合、ASK復調用の外部フィルタがPCB¹⁰ 表面の大半を占めます。 この潜在的な課題に対処するため、S2MIW06には先端技術をベースにした革新的な機能が搭載されており、フィルタを内蔵していない場合と比べて外部のPCB面積を約15%削減することができました。¹¹

しかし、ワイヤレス充電のPMIC S2MIW06と充電対象デバイス間の通信はどの程度信頼できるのでしょうか? 結果的にはかなり信頼できると言えます。 S2MIW06は、送信されるAC電力帯域に合わせて信号を送信する帯域内通信に依存しています。 これにより、追加の通信チップのコストが削減され、堅牢なハードウェア設計を用いて商用ワイヤレス充電の全電力範囲にわたる信頼性の高い通信が保証されます。
 

ワイヤレス充電の将来は？

以前はワイヤレス充電が現実になると想像していた人はほとんどいませんでしたが、今では自動車などの日常生活品はもちろん、ソファやベッドのような家具まで適用範囲を広げた必須技術となりました。 今後の目標は、場所に関係なく便利な充電ができるように、Qiの観点から技術を標準化することです。 実際、ほとんどのスマートフォンメーカーはすでに標準化された要件に従って製品を開発しています。 このような状況を踏まえ、サムスン電子のシステムLSI事業部は高度の技術的知識を活用し、シームレスで効率的な最新の充電テクノロジーを顧客に提供するために取り組みます。

当社は、プレミアムスマートフォンやウェアラブル機器向けのワイヤレス充電ICを量産し、適用してきた実績を保有しています。 それだけでなく、常に最新の技術標準を製品に実装するために先頭に立って、できるだけ早く標準化されたワイヤレス充電技術の安定した性能を安全かつ効率的に顧客が享受できるように努力しています。 また、充電および放電実験に利用できる300台以上の充電パッドを備えた環境を構築することで、当社の業界リーダーシップを明確に示す、物理的な検証システムを構築しました。 この強固な基盤により、サムスン電子は最高の製品を提供すると同時に、新たな可能性への道を切り開いています。

* 表示されているすべての画像は説明のためのものであり、製品を正確に表しているわけではありません。 画像はデジタル編集、修正、または補正されました。

_{¹⁾ 交流電流は電磁誘導の法則に従って誘導されます。
²⁾ WPCのウェブサイトwirelesspowerconsortium.comによると、このコンソーシアムは家庭用ブランドの大手企業と中小および新興テクノロジー企業で構成されており、いずれも標準の必要性と利点を認識しています。
³⁾ サムスン電子システムLSI事業部は2023年１月にWPCに加盟し、Qiの実装に携わってきました。
⁴⁾ 振幅偏移変調（ASK）は、デジタルデータ通信で使われる変調技術であり、ワイヤレス充電システムを含む様々なシステムに広く採用されています。 Rxは、電力伝送システムの負荷を変調することで、Txに情報を送り返します。
⁵⁾ 「Rx to Tx ASK」通信を利用する。
⁶⁾「Tx to Rx FSK」通信を利用する。 周波数偏移変調（FSK）は、デジタルデータ通信で広く使われているもう１つの変調技術です。 Txは、搬送波信号の周波数を利用してRxに情報を送り返します。
⁷⁾ LCタンクは、キャパシタに接続されたインダクタで構成される電気回路です。 この回路は、チューニングフォークと呼ばれる電気的共振器の電気的アナログの機能を利用して、回路の共振周波数で振動するエネルギーを蓄えます。 LC回路は、より複雑な信号から特定の周波数の信号を生成するために使用されます。
⁸⁾ すべての製品仕様は社内テストの結果を反映しており、ユーザーのシステム構成によって異なる場合があります。 実際のパフォーマンスは使用条件および環境によって異なる場合があります。
⁹⁾ マイクロコントローラユニット。
¹⁰⁾ プリント基板。
¹¹⁾ すべての製品仕様は社内テストの結果を反映しており、ユーザーのシステム構成によって異なる場合があります。 実際のパフォーマンスは使用条件および環境によって異なる場合があります。}