NFC給電はQiより小さな機器に向くのか:ロームの評価ボードで電力と通信を試す

この動画はロームの提供でお送りします。こんにちは。今日はNFCを使ったワイヤレス給電を試してみます。

皆さん一度くらいはNFCという単語を聞いた事があるかと思います。Near Field Communicationの略で、13.56MHzの周波数を使った近距離の無線通信技術です。身近なところだとSuicaなどの交通系ICカードにもNFCの技術が使われています。Suicaなどは実はFeliCaの技術が使われていますが、これらも実はNFCの一種です。

NFCは基本的には無線を使ってデータをやり取りする技術ですが、実は通信するときに微小な電力のやり取りも行われています。交通系ICカードにバッテリーが入っていないのにカードが動作するのも、これが理由です。

今回はNFCの電力をもっと大きくして、データ通信だけではなく本格的な給電にも使えるようにしようというのが今日のテーマです。この「電力も送れる」というのがポイントであり、具体的にどれくらいの電力が送れるのか、デモンストレーションのためのデバイスも作ってみたので、そのあたりいろいろと確認していきます。

まずワイヤレス給電がどのような仕組みで動いているのかを簡単に見ていきます。原理としては電磁誘導です。ここにコイルと磁石があります。この磁石をコイルに近づけたり遠ざけたりすると、コイルを貫く磁束が変化して、コイルの両端に電圧が発生します。磁束の変化によって電圧が出てきています。電磁誘導です。

この磁束の変化が重要です。遅いと電圧は出てこないですし、速いとこのように電圧が出てきます。これが電磁誘導です。

では次に、磁石の部分をこちらのコイルに置き換えてみます。この大きい方のコイルが送電側のコイル、そして先ほどから使っていた小さい方のコイルが受電側のコイルです。そしてこの送電コイルに交流の電流を流します。そうすると交流電流による磁束ができている状態です。

この送電コイルを受電コイルに近づけていくと、磁石をこのようにしていたときと同じように、受電コイルから電圧が出てきます。あとはコイル同士の向きとか、コイル同士の近さによって、出てくる電圧の大きさも変わります。スマホの充電やSuicaを使うときに、向きが変だったり、距離が離れすぎていると使えなくなるのと同じ事です。

さらに受電側のコイルにLEDを取り付けました。ここに送電コイルを近づけていくと、わかりますか。このようにLEDが光っているのがわかると思います。このように線でつながっていなくても電力を送る事ができています。これが電磁誘導を使ったワイヤレス給電の基本的な仕組みです。NFC給電もこの原理がベースとなっています。

ここまでワイヤレス給電の原理について見てきましたが、ワイヤレス給電にもいろいろと種類があります。ここではQi給電とNFC給電を比較してみます。まずQi給電については、皆さんスマホのワイヤレス充電でよく使うから知っていると思います。

QiとNFCの大きな違いとしては、まず使う周波数帯が違います。Qiは110kHz～205kHz、NFC給電は13.56MHzです。

次に給電出来る電力にも大きな違いがあります。Qiは5W～25Wと、かなり大きな電力が送れるという特徴があります。一方NFC給電では最大でも数W程度、今回使うNFCのモジュールは250mWです。Qiと比べると、NFC給電は小さい電力しか送れません。

電力だけ見てみるとQiの方が良さそうに見えますが、NFC給電にも良い点があります。それは何かというと、コイルと給電システムを小さく出来る事です。見てわかる通り、Qiの送電･受電コイルはここにあるように直径50mm程度である事が多いです。さらに送電効率を高くするために、フェライトなどの磁性材料を一緒に使う事もあります。そのため、どうしてもシステム自体のサイズが大きくなるというデメリットがあります。一方でNFCはどうかというと、周波数が高くなったおかげで、送電コイル、受電コイル両方とも小さくなっています。

またデータ通信の部分にも違いがあります。Qiを使った充電でバッテリーの充電状態を監視するための制御通信はあるのですが、ユーザーが任意のデータをやり取り出来るような通信機能はありません。一方でNFC給電は、元々NFCの技術がベースにありますので、給電だけではなくユーザーのデータ通信にも使う事ができます。これについては後で実際にデモンストレーションしてみます。

ここまで見てきた通り、QiとNFCではその特徴に大きな違いがあります。そうなってくると使われる先も変わってきまして、Qiはスマホ充電のように、大電力かつコイルが入るような大きなデバイスが必要です。NFC給電はどうかというと、スマートリングやスマートバンド、ワイヤレスイヤホン、補聴器といった、とにかく小さいデバイスに向いています。

次はこのNFC給電を使って、実際どれくらいの電力の給電が可能なのかを見ていきます。先ほどから少し映っていますが、こちらがロームが出しているNFC給電ICを使った評価ボードです。左にある大きな基板が送電側、右側にある小さい基板が受電側です。型番でいうと送電側がML7671、受電側がML7670です。

基本的に小さい製品の中にこれらの部品が入る事になるので、小型のICパッケージが使われています。特に受電側は超小型化を狙っていて、ウェハレベルチップサイズパッケージが使われています。

コイルの部分にも着目してみます。周波数が高いのと、電力が小さいというのもありますが、コイルのサイズはかなり小さいです。コイル自体もQiのときみたいに銅線を巻いたものではなくて、プリント基板上のパターンで作っています。

ちなみにNFC給電では、アンテナの設計がかなり重要になってきます。周波数が13.56MHzと高いので、アンテナのマッチング調整がシビアです。ですがロームはアンテナメーカーと協力して、検証済みアンテナやマッチングツール、リファレンスデザインまで提供しているので、アンテナ設計のハードルはかなり下がると思います。

ちなみにロームのNFC給電ICを使った製品は既に世の中に出ていまして、このようなスマートリングのSOXAI RING 2というものがあります。このリングの中にバッテリーが入っていて、それをワイヤレス給電、このようにするのですが、そこの給電部分のICに、今回使ってきたものと同じロームのNFC給電ICが使われています。

また今回使っているICは民生向け製品であり、最大で250mWまでの給電ですが、別のラインナップで産業向けの製品もあります。そちらについては最大で1Wまでの給電に対応しています。

というわけで、ここからは実際にNFCの無線給電を試してみたいと思います。では実際に電源を入れ...られないんですね。実は電波法との兼ね合いでイチケンの事務所では、これの電源を入れてコイルから13.56MHzの高周波磁界を出す事はできないんです。ただ何としても実験をやりたいという事で、今回はロームが持っている電波暗室を借りて、その中で実験をする事にしました。

というわけで、電波暗室にやってきました。ローム横浜テクノロジーセンターにEMC測定サイトがあるのですが、その一部を借りて実験しています。

では改めて評価ボードの電源を入れていきます。今送電側に5Vを給電しました。なんか光っていますね。そしてこのように受電のモジュールを近づけていくと、送電のネゴシエーションをして、受電側にワイヤレス給電が開始されます。例えば受電側にLEDを接続して、モジュール同士のコイルを近づけてみると、LEDは光りました。問題なく動いています。

次はオシロスコープで、送電モジュールのコイルから出ている高周波磁界も見てみます。このようにプローブを近づけてみると、しっかりと13.56MHzの高周波磁界が出ています。結構はっきりわかりますね。この磁界を受電モジュールのコイルで受け取って、整流して、結果的に電力を取り出す事ができています。

少しスペック的な話をすると、この評価ボードの最大給電能力は250mWです。実際どれくらいの電力が取れるのか、実験で確かめてみます。このように、間に3mmのスペーサーを挟んだ状態で実験します。

今抵抗負荷をつなげていて、電流は1mA流れています。さらに負荷を重くしていきましょう。こんな感じですね。今2mAだと。さらに電流を流していって、今10mA流れています。これで今50mWの送電が出来ています。

さらに負荷を重くしていって、こんな感じですね。負荷を大きくしていくと、このようにたまに電流が途切れる、つまり電圧が0Vになる期間があるのですが、これは無線給電の送電電力を調整しているからです。

さらに負荷を重くしていくと、20mAですね。だいたい100mW程度を送電しています。150mW。今40mA流れていて、だいたい200mW。さらに負荷を重くしていって、ちょっと流しすぎちゃいましたね。70mAとか。これ今50mA流れていて、だいたい250mWぐらいというところです。

ただこのコイル間のギャップの距離とか、あとは給電の状態が結構シビアです。あまり負荷を取りすぎると落ちてしまいます。今回の場合では、負荷電流が30mA～40mAぐらい、つまり電力に直すと150mW～200mWぐらいが安定して送電出来る上限となっていました。

次はこちらの評価ボードを使って少し工作していきます。このようにブレッドボード基板の上で回路を作っています。ちなみに今映っている水色の電子工作マットは、プレゼント企画をしているので、ぜひ動画を最後まで見て応募してもらえればと思います。この電子工作マット、結構便利です。

今回はNFC給電の応用例として、スマートバンドを作ってみました。こちらです。まずは構成を説明します。システムは大きく2つに分かれます。送電側と、そして手首につけるスマートバンド側です。こちらが受電側になります。

送電側については、先ほど使っていた評価ボードML7671です。受電側のスマートバンドも同じくML7670です。充電した後はバッテリーモジュールを経由して3.3Vに変換、マイコンと加速度センサ、そしてディスプレイを駆動します。

まずはバッテリーを接続せずに、ワイヤレス給電の電力だけでスマートバンドが動くかを確認します。コイルの位置関係が少しシビアだったので、このようにスペーサーで位置を調整しました。

電源を入れるとディスプレイに何か表示されました。これは加速度センサで取った3軸分の加速度を表示しています。こちらの加速度センサを傾けてみると、きちんと値が変わっているので、センシング出来ています。このようにワイヤレス給電だけで、マイコン、ディスプレイ、センサが全部動いています。

ここで使っているマイコンなどは低消費電力なデバイスで作ってはいますが、製品の中に使われるようなデバイスと比べると、やはり消費電力は多いです。そんなデバイスでも安定して給電が出来ています。

ただしワイヤレス給電のみで動かしているので、送電側のアンテナから離れてしまうと当然電力供給が途切れるので、動作は止まります。このような動作です。離すと止まる。近づけるとまた動く。そのため、このようなNFC給電などの無線給電を使う場合は、実際にはバッテリーとの組み合わせが必要になります。

そのため、スマートバンドにバッテリーを組み込んでみました。バッテリーの充電が始まりました。バッテリーがある状態なので、送電コイルから離してもスマートバンドは動き続けます。送電コイルに置いているときはワイヤレスで充電して、外して持ち歩くときはバッテリーで動作するという、よくあるウェアラブル機器と同じようなものが出来ました。

ここまで評価ボードをワイヤレス給電メインで扱ってきましたが、もともとNFCはデータ通信として使われるようなものでした。交通系ICなどでもデータ通信している段階で微小な電力のやり取りはありましたが、それを数百mWまで引き上げて本格的な給電に使おうというのが、このロームのデバイスです。そのため次はデータを送るような使い方も試してみます。

このような実験セットアップを作ってみました。上にあるのがスマートバンド、下にあるのがスマートバンドのデータを受信するデバイスです。どういう事かというと、スマートバンド側の加速度センサで取得したデータを、給電ICのNFC通信を使って送電側に送り、そして送電側にあるディスプレイに表示させます。

このようにかざすと、NFC通信が始まりました。このように、受信した方にデータが表示されています。そして加速度センサをこのように動かすと、分かりますでしょうか。スマートバンド側のデータと同じものが送電側にも表示されています。こんな感じですね。

ここでNFC通信を切るとどうなるかというと、このようになります。下のディスプレイはリングバッファーになっているので、その値を表示し続けるという事をしています。もう一度かざすと、こんな感じです。問題なくNFCを使ってデータ通信が出来ています。

ここで一つ重要なポイントがあります。今回使っているワイヤレス給電ICは、データ通信と給電を同時に行う事はできません。通信中は給電が一時的に止まる仕様です。そのためNFCを使ってデータ通信をする場合は、スマートバンド側にバッテリーが必須です。

ちなみにロームの別モデルであるML7661、ML7660は、給電と通信を交互に自動で繰り返すプロトコルを搭載しています。その場合はバッテリーレスでもデータのやり取りが可能です。受電側にバッテリーを積みたくなくて、接触しているときだけデータを取れれば良い場合には、これを使うのが良さそうです。

少し余談になりますが、こちらの受電側のボードについては、このようにスマホを近づけてみると、NFCタグとして動作します。これはロームのICの中に入っているROMに内容を記録しています。この場合はYouTubeのURLを開くようにしています。これはスマホのNFCアンテナから出ている高周波磁界でデータの通信をしています。データ通信のための高周波磁界でもボードは動作可能みたいです。

というわけで、今日はロームが出しているNFCを使ったワイヤレス給電を試してみました。NFCはQiと比べると送れる電力は小さいですが、アンテナとシステムを圧倒的に小さく出来ます。そのためこのようなスマートリングやイヤホンなど、非接触で給電したい小型デバイスにはかなり有効な技術かと思いました。

今回実際にスマートバンドを作ってみて、このくらいの回路規模であれば、250mWの給電でも問題なく動作はできましたからね。今回使ったモデルはデータ通信と給電は同時に出来ませんでしたが、用途に合わせてそれが出来る産業用モデルを使ってくださいという事でしょうね。

また最後にプレゼント企画のお知らせです。今回動画内で使っていたロームロゴ入りの電子工作マットとESDピンセットを、抽選で10名様にプレゼントします。応募方法の詳細については、概要欄のリンクから確認お願いします。

というわけで、もしこの動画が役に立ちましたら、高評価・チャンネル登録よろしくお願いします。何か気になる事がありましたら、ぜひコメントも残してみてください。それでは最後まで動画のご視聴ありがとうございました。