在無線充電聯(lián)盟(WPC)與無線電力聯(lián)盟(A4WP)競相投入磁共振技術(shù)后，半導(dǎo)體商也陸續(xù)發(fā)布用于該技術(shù)電力發(fā)射單元(PTU)與電力接收單元(PRU)的相關(guān)晶片方案，可望加速磁共振無線充電進(jìn)駐智慧型手機(jī)、筆記型電腦、無線滑鼠、顯示器等中功率應(yīng)用產(chǎn)品。

　　加速物聯(lián)網(wǎng)成形　無線充電潛力無窮

　　隨著人們生活越來越依賴可攜式電子產(chǎn)品，電池續(xù)航力成為一大困擾，當(dāng)電量用盡時(shí)，須要尋找配對的插座并使用隨身攜帶的原廠或相容的充電器為其充電。為解決此一困擾，持續(xù)演進(jìn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)無線充電技術(shù)逐漸興起，符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的無線充電技術(shù)方便人們隨時(shí)隨地為各類可攜式電子設(shè)備充電，而毋須麻煩的尋找有線連接插座和適配器。

　　無線充電技術(shù)于2015年開始加速發(fā)展，智慧型手機(jī)和平板電腦無疑是這一應(yīng)用的領(lǐng)先促成者。目前各大智慧型手機(jī)廠商已紛紛于手機(jī)添加無線充電模組，以增強(qiáng)其產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。無線充電也是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)是指將各應(yīng)用領(lǐng)域的終端設(shè)備如感測設(shè)備、移動(dòng)終端、智慧型交通系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)、安全防衛(wèi)系統(tǒng)、智慧型樓宇系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)系統(tǒng)等通過通訊網(wǎng)絡(luò)連接起來進(jìn)行資訊交換，實(shí)現(xiàn)高效、安全、可靠地互連互通，建構(gòu)一個(gè)強(qiáng)大的全連接世界。

　　其中，汽車(包括先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)ADAS、感測器、照明、車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用)、智慧型樓宇(包括照明、計(jì)量儀、監(jiān)控、溫控、防火控?zé)?、家?、移動(dòng)醫(yī)療(包括助聽器、病人監(jiān)護(hù)、藥物輸送、植體)及無線應(yīng)用(包括智慧型手機(jī)、無線充電及可穿戴設(shè)備)為物聯(lián)網(wǎng)的四大重點(diǎn)領(lǐng)域，基于云端計(jì)算，通過綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、優(yōu)化的資源消耗、基于感測器的決策分析及活動(dòng)跟蹤定位，完成自動(dòng)化控制和資訊分析。

　　克服原有局限　磁共振可望實(shí)現(xiàn)智慧充電

　　無線充電的愿景，是無論何時(shí)何地，無需配對或相容的插座和線纜就可對電子設(shè)備進(jìn)行充電。而第一代緊耦合或磁感應(yīng)無線充電技術(shù)在實(shí)現(xiàn)此一愿景方面有很大局限性：必須將設(shè)備置于充電墊上并對準(zhǔn)精確的位置，其充電范圍有限且不能同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電，也不能在金屬附近使用。

　　緊耦合技術(shù)采用100k～200kHz的頻率范圍，而金屬在此范圍有最高的熱感應(yīng)(圖1)，所以在有硬幣或鑰匙等金屬物體附近無法使用緊耦合方案進(jìn)行無線充電，否則將構(gòu)成安全隱患。而松耦合技術(shù)采用6.78MHz頻率，在該頻率下金屬熱感應(yīng)很低，允許無線充電繼續(xù)進(jìn)行。

　　圖1　無線充電頻率

　　基于空間自由概念，以松耦合或磁共振為發(fā)展的下一代無線充電技術(shù)，不僅克服上述磁感應(yīng)技術(shù)局限性，且透過使用現(xiàn)有藍(lán)牙智慧型技術(shù)，對制造商硬體要求降至最低，也令將來實(shí)現(xiàn)智慧型充電區(qū)成為可能(圖2)。

　　圖2　磁共振vs.磁感應(yīng)

　　磁共振技術(shù)前景可期

　　目前市場上有三大組織--無線充電協(xié)會(huì)(WPC)、電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)和無線電力聯(lián)盟(A4WP)，皆積極致力于統(tǒng)一無線充電標(biāo)準(zhǔn)。PMA已于2015年6月與A4WP合并，將致力整合磁感應(yīng)和基于Rezence的磁共振技術(shù)。自此，A4WP/PMA擁有全球科技品牌、供應(yīng)鏈和市場領(lǐng)導(dǎo)者組成的超過一百七十家公司成員，如高通、三星、聯(lián)想及安森美半導(dǎo)體等，其產(chǎn)業(yè)聲勢還在迅猛擴(kuò)增。WPC也開始進(jìn)軍磁共振技術(shù)并向下相容當(dāng)前Qi標(biāo)準(zhǔn)。磁共振技術(shù)已于2014年底/2015年初開始被采用，預(yù)計(jì)到2017年將取代磁感應(yīng)技術(shù)成為主流無線充電技術(shù)。

　　A4WP已發(fā)布Rezence基本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(BSS)1.2.1標(biāo)準(zhǔn)，并與中國通訊標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)、日本橫須賀研究園寬頻無線論壇(BWF)和韓國電訊技術(shù)協(xié)會(huì)(TTA)簽署合作協(xié)議，旨在采納該最新標(biāo)準(zhǔn)作為各自獨(dú)立管理的國家無線電力傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)元素。此外，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)也已經(jīng)發(fā)布包含A4WP無線充電標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙低功耗(BLE)配置檔。因此由市場的多方態(tài)勢來看，磁共振無線充電技術(shù)前景可期。

　　PTU/PRU為A4WP系統(tǒng)主要架構(gòu)

　　A4WP系統(tǒng)架構(gòu)主要由電力發(fā)射單元(PTU)和電力接收單元(PRU)兩大模組組成，PTU和PRU通過藍(lán)牙智慧或藍(lán)牙低功耗協(xié)議以2.4GHz頻率互相通訊。通訊后完成連接，然后電力將在6.78MHz的頻率下從PTU傳輸?shù)絇RU。在PRU或PTU的兩側(cè)需要一個(gè)藍(lán)牙低功耗晶片、一個(gè)控制器以及電源轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)器。

　　PTU通過功率放大管控制由TX共振器傳輸?shù)碾娏Α９β史糯蠊茼氁鶕?jù)單個(gè)PTU上同時(shí)出現(xiàn)的PRU數(shù)量控制不同的傳輸功率。PRU接收該電力作為交流訊號，需要整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流，然后調(diào)節(jié)這直流訊號用之為電池充電(圖3)。

　　圖3　A4WP系統(tǒng)方塊圖

　　A4WP將涵蓋各種功率的可攜式設(shè)備，從低功率藍(lán)牙耳機(jī)到更高功率的筆記型電腦、無線滑鼠、鍵盤和顯示器等。在BSS 1.2.1版中，允許單個(gè)PTU提供多個(gè)設(shè)備達(dá)22瓦(W)的電力輸出，PRU則定義為兩個(gè)等級(Class)，包含3.5～6.5W，可用于功能手機(jī)或智慧型手機(jī)。該版本將繼續(xù)擴(kuò)展功率范圍，將來輸出功率可延伸高達(dá)50W。

　　磁共振無線充電方案紛出籠

　　業(yè)界從2013年陸續(xù)開發(fā)一系列產(chǎn)品和方案以支援磁共振無線充電應(yīng)用，包括用于智慧型手機(jī)PRU的雙輸入電池充電器、應(yīng)用處理器、功率調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換器、整流器、功率放大管、射頻(RF)調(diào)諧模組，以及為近場通訊(NFC)功能而備的濾波器等。

　　為實(shí)現(xiàn)A4WP無線充電低能耗，以安森美半導(dǎo)體為例，該公司推出電源管理晶片(PMIC)--NCP17xx，整合數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器(ADC)、電池充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器/低壓降穩(wěn)壓器(LDO)及過壓/過流/過溫保護(hù)(OVP/OCP/OTP)并提供I2C介面。該系列元件通過降低輕載切換頻率，將動(dòng)態(tài)切換損耗降至最低，提供可編程頻率和自適應(yīng)偏移閘極驅(qū)動(dòng)器，提升輕載效能；透過時(shí)脈控制技術(shù)優(yōu)化且用于數(shù)位模組的時(shí)脈分頻，具有更低瞬態(tài)電流；降低單晶片能耗和輸入電流，并通過啟動(dòng)藍(lán)牙提升效能；頻率抖動(dòng)抑制功能將適用于大功率應(yīng)用(圖4)。

　　圖4　業(yè)界為A4WP系統(tǒng)提供的元件(深色方框)

　　為使應(yīng)用中所有晶片組/電源管理單元能支援無線充電，該公司也開發(fā)出2:1電源多路切換開關(guān)--NCP3901，采用小型CSP封裝(1.6×2.4mm)，提供50毫歐電源通道，支援OTG反向充電，并整合背對背(Back to Back)保護(hù)、100伏特(V)高壓沖擊保護(hù)及28V直流保護(hù)功能。在全橋整流器方面，目前業(yè)界提供蕭特基二極體NSR1030QMU和NSR2030QMU的樣品，關(guān)鍵功能包括：具超低正向?qū)▔航礦f，采用DFN封裝適用于空間受限的產(chǎn)品應(yīng)用(圖5)。

　　圖5　半導(dǎo)體廠商DSN2蕭特基二極體系列

　　由于無線充電未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此有些半導(dǎo)體商也提供同時(shí)支援Qi標(biāo)準(zhǔn)和PMA標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET，如用于發(fā)射端DC-AC電源轉(zhuǎn)換的全/半橋整流器NTTFS4C10N和NTTFS4C08N、用于接收端AC-DC電源轉(zhuǎn)換的全橋整流器NMLU1210、用于電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)USB/無線切換的NTLUS3A18PZ(單P溝道，采用UDFN封裝)及用于保護(hù)的NTLUD3A50PZ(雙P溝道，采用UDFN封裝)等，這些元件采用低導(dǎo)通電阻和小型封裝，提供較佳散熱性能，系統(tǒng)效能高，適用于空間受限的應(yīng)用(表1)。

　　此外，針對目前市場上符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，業(yè)界也提供電流檢測放大器--NCS214，該元件靜態(tài)電流65微安培( μA)，單位增益頻寬(GBW)14kHz，增益誤差0.2%，共模抑制比(CMRR)140分貝，且通過AEC Q100一級認(rèn)證。

　　無線充電市場擁有高度潛力，基于Rezence的磁共振技術(shù)將有望贏得大部分產(chǎn)品市占。而業(yè)界正積極配合市場趨勢，不斷開發(fā)高效能關(guān)鍵元件用于磁共振無線充電應(yīng)用及解決方案，同時(shí)提供相容Qi標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品以滿足市場需求。