Qiワイヤレス充電規格の進化とQi2の新機能

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Qiワイヤレス充電規格とは？

Qi（「チー」と発音）は、ワイヤレスパワーコンソーシアム（WPC）により開発されたオープンで協調的なワイヤレス充電規格であり、家電市場で最も広く採用されている規格の一つとなっています。Qiは現在、携帯電話や携帯機器への最大 15W の給電をサポートしています。

現在までに、7,500 種類以上のスマートフォン用充電器がQi認証を取得し、数百のQi認証レシーバーが市場に流通しています。Qiワイヤレス充電市場は、2023 年末までに 10 億台以上の売上が見込まれています。

ワイヤレス充電の仕組みとは？

電磁誘導

電磁誘導とは、磁界を発生させてバッテリーを充電するプロセスです。このプロセスはトランスフォーマーと同様の原理で、一次コイルまたは充電パッドがトランスミッターに、二次コイルがレシーバーまたはモバイル機器に配置されます。

レシーバーがトランスミッターの上に置かれると、電磁誘導プロセスが開始されます。このプロセスは比較的単純に聞こえるため、そもそもなぜ標準化が必要なのかと疑問に思う方もいるかもしれません。しかし、多くの技術と同様、表面的には単純に見えるものでも、その裏には多くの複雑さが隠されています。

ワイヤレス充電電源プロファイルの基本構成要素

レシーバー（Rx）とトランスミッター（Tx）間の通信

安全で効率的なバッテリー充電を保証するために、モバイル機器のバッテリー管理システムは、バッテリー充電を開始する前に、電源契約、動作電圧の調整、および異物の存在の検出を確立するために、電源または充電器からの情報を必要とします。

受信機は、メッセージの通信に振幅シフト・キーイング（ASK）変調を使用して異物を検出します。トランスミッターは周波数シフト・キーイング（FSK）変調を使ってレシーバーにメッセージを返します。

ワイヤレス充電レシーバーとトランスミッターの断面図

2010年以降のQi規格の変遷

2010年から2021年までバージョン1.0から1.3

WPCは2010年にQiワイヤレス充電規格のバージョン1.0を発表し、シングルコイル、コイルアレイ、ムービングコイルの設計をサポートし、トランスミッターは最大5Wの電力を供給できるようになりました。しかし、バージョン1.0のトランスミッターの柔軟性は限られていました。そのため、メーカーはQiレシーバーの設計を調整することでしか、ワイヤレス充電プロセスを最適化できませんでした。

2012 年には、バージョン 1.1 がサポートするトランスミッターの種類を 12 に増やし、メーカーに柔軟性と設計の自由度を与えることになります。さらに、Qi 1.1 ワイヤレス充電器は、ユーザーの安全性と使いやすさに重要な役割を果たす異物検知の感度を向上させました。さらに、Qi 1.1 トランスミッターは USB 充電器からも給電できるようになりました。

Qi規格は2015年、バージョン1.2で大きな飛躍を成し遂げました。このリリースは、充電速度を15Wまで向上させる拡張パワープロファイル（EPP）の登場と同時に行われました。パワーレシーバーにも固有のIDが付与され、さまざまな温度条件下でトランスミッターの性能をさらに最適化するための熱試験も導入されました。

2021 年、WPC は Qi バージョン 1.3 を発表した。認証の強化など、かなりのアップデートが行われました。ほとんどのアップデートは、Qi をより安全で安定した信頼性の高いものにしました。

2023: Qi2 and MPP

Qi2ワイヤレス充電規格は、マグネティック・パワー・プロファイル（MPP）と、従来のBPPおよびEPPパワー・プロファイルの若干の更新を2023年に発表しました。消費者により高い利便性、効率性、安全性を提供するために設計されたレガシー MPPプロファイルは、当面の間、新しいQi規格と共存すると予想されています。

Qiワイヤレス充電におけるMPPの詳細

MPPはMagSafeと同じですか？

MagSafeはアップル独自の技術です。一方、MPPはMagSafeから派生したもので、WPCのメンバーによって開発されたオープンスタンダードとして公式に認められており、アップル社も大きく貢献しています。

MPPとBPPおよびEPPの比較

Qiバージョン1.0および1.1で採用されたオリジナルのBPP規格は、最大電力が5Wに制限され、レシーバーからトランスミッターへの通信は単一方向でした。拡張パワー・プロファイル（EPP）は双方向通信を導入した。また、異物検出を改善するために、ネゴシエーション、キャリブレーション、再ネゴシエーションの各フェーズが導入さ れました。EPPのバリエーションであるEPP5も利用可能になったが、独自バージョン以外の電力転送容量は5Wに制限されました。レガシーパワープロファイルのパワーは、送受信コイルのアライメント次第で高い伝達効率を実現できます。しかし、送受信コイルのアライメントが悪いと、カップリングが抑制され、その結果、電力伝達効率も低くなります。場合によっては、受信機器がまったく充電されないこともあります。これは使い勝手の問題であり、新しいMPPパワー・プロファイルによって対処されます。

BPP、EPP、EPP5の違いと共通点

新しいMPPモード内のマグネットアタッチメントは、トランスミッターとレシーバーのコイルを最適な位置にしっかりと固定し、充電しながらでもスマートフォンを使用できる柔軟性と利便性をユーザーに提供します。

レガシーワイヤレス充電の電力プロファイルとQi2 MPPの電力プロファイルの比較

このマグネット・アタッチメントは、カップリング係数を向上させ、高効率で15Wの電力伝送を保証するのに役立ちます。

MPP構造は、送受信コイルの位置合わせと密結合に使用される一連の磁石で構成されます。物理的な磁石とは別に、既存のBPPおよびEPP機能とともに、追加の状態がプロトコルに導入されています。

MPPパワー・プロファイルの構成要素

MPPモードでは、トランスミッターとレシーバーは360KHzの周波数で動作します。さらに、MPPでは通信が改善され、従来のパワー・プロファイルに比べて4倍高速にデータを転送できるようになり、認証も高速化されました。これらの変更にもかかわらず、MPPとEPP間の認証プロトコル（バージョン1.3.x）は変わりません。

MPPのプロトコル動作モード

MPPワイヤレス充電モードへの移行は、複数の段階を経て行なわれます。すべてのトランスミッターは128KHzのBPPモードでスタートします。このモードでは、送信機から受信機への通信は単方向です。MPPをサポートできる受信機は、まずMPPをサポートするXIDパケットを送信し、その能力を示します。

送信機がMPPをサポートできない場合、ワイヤレス充電はBPPまたはEPPモードで動作し続けます。そうでない場合、送信機はXIDパッケージの指示に従って調整を行います。XIDパケットに制限モードの要求が含まれている場合、トランスミッタは360Hzに調整し、制限モードのBPPプロトコルで動作します。また、受信機がフルモードMPPを要求した場合、送信機は360Hzに調整し、MPPプロトコルで動作します。

動作中にエラーが発生した場合、トランスミッターはデフォルトのBPP動作モードにフォールバックします。

MPPモード移行フローチャート

MPPの動作周波数が変更された理由

周波数干渉の低減

ワイヤレス充電器内のコイルは、車のロック解除に使用されるキーフォブから発せられる周波数と似た周波数を発しています。キーフォブとワイヤレス充電器が同じ環境で動作する場合、干渉が表面化し、車のドアを開けたりエンジンを始動したりすることが困難になったり、トランクのロックアウトにつながったりする可能性があります。状況によっては、そのような誤動作が致命的となることさえあります。

そのため、MPPトランスミッターとレシーバーは、キーフォブの周波数帯以外の360KHzの周波数を発することが重要です。

キーフォブの周波数干渉がワイヤレス充電を妨害する理由

安全性の向上

送信機と受信機の間に挟まる硬貨、クレジットカード、鍵などの異物も、ユーザーに安全上のリスクをもたらし、モバイル機器や充電パッドに損傷を与える可能性があります。そのため、ワイヤレス充電器には、このような問題を回避するための効果的な異物検出メカニズムが必要です。

しかし、誤った異物検出は、必要性がないにもかかわらず送信を遮断することで、ユーザーエクスペリエンスを低下させる可能性があります。幸いなことに、MPPパワーロス・アカウンティング（MPLA）の改良により、送信機はより正確に異物を検出できるようになりました。

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著者について

Rajaraman Venkatachalam

Executive Vice President of Protocol and Power Solutions