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后，半導體商也陸續(xù)發(fā)布用于該技術電力發(fā)射單元(PTU)與電力接收單元(PRU)的相關晶片方案，可望加速磁共振無線充電進駐智慧型手機、筆記型電腦、無線滑鼠、顯示器等中功率應用產(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，當電量用盡時，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)演進的工業(yè)標準無線充電技術逐漸興起，符合規(guī)范標準的無線充電技術方便人們隨時隨地為各類可攜式電子設備充電，而毋須麻煩的尋找有線連接插座和適配器。
無線充電技術于2015年開始加速發(fā)展，智慧型手機和平板電腦無疑是這一應用的領先促成者。目前各大智慧型手機廠商已紛紛于手機添加無線充電模組，以增強其產(chǎn)品競爭優(yōu)勢。無線充電也是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)是指將各應用領域的終端設備如感測設備、移動終端、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)絡連接起來進行資訊交換，實現(xiàn)高效、安全、可靠地互連互通，建構一個強大的全連接世界。
其中，汽車(包括先進駕駛輔助系統(tǒng)ADAS、感測器、照明、車聯(lián)網(wǎng)應用)、智慧型樓宇(包括照明、計量儀、監(jiān)控、溫控、防火控煙、家電)、移動醫(yī)療(包括助聽器、病人監(jiān)護、藥物輸送、植體)及無線應用(包括智慧型手機、無線充電及可穿戴設備)為物聯(lián)網(wǎng)的四大重點領域，基于云端計算，通過綜合自動化系統(tǒng)、優(yōu)化的資源消耗、基于感測器的決策分析及活動跟蹤定位，完成自動化控制和資訊分析。
克服原有局限 磁共振可望實現(xiàn)智慧充電
無線充電的愿景，是無論何時何地，無需配對或相容的插座和線纜就可對電子設備進行充電。而第一代緊耦合或磁感應無線充電技術在實現(xiàn)此一愿景方面有很大局限性：必須將設備置于充電墊上并對準精確的位置，其充電范圍有限且不能同時為多個設備充電，也不能在金屬附近使用。
緊耦合技術采用100k～200kHz的頻率范圍，而金屬在此范圍有最高的熱感應(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行無線充電，否則將構成安全隱患。而松耦合技術采用6.78MHz頻率，在該頻率下金屬熱感應很低，允許無線充電繼續(xù)進行。
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，不僅克服上述磁感應技術局限性，且透過使用現(xiàn)有藍牙智慧型技術，對制造商硬體要求降至最低，也令將來實現(xiàn)智慧型充電區(qū)成為可能(圖2)。
圖2 磁共振vs.磁感應
磁共振技術前景可期
目前市場上有三大組織--無線充電協(xié)會(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)一無線充電標準。PMA已于2015年6月與A4WP合并，將致力整合磁感應和基于Rezence的磁共振技術。自此，A4WP/PMA擁有全球科技品牌、供應鏈和市場領導者組成的超過一百七十家公司成員，如高通、三星、聯(lián)想及安森美半導體等，其產(chǎn)業(yè)聲勢還在迅猛擴增。WPC也開始進軍磁共振技術并向下相容當前Qi標準。磁共振技術已于2014年底/2015年初開始被采用，預計到2017年將取代磁感應技術成為主流無線充電技術。
A4WP已發(fā)布Rezence基本系統(tǒng)標準(BSS)1.2.1標準，并與中國通訊標準化協(xié)會(CCSA)、日本橫須賀研究園寬頻無線論壇(BWF)和韓國電訊技術協(xié)會(TTA)簽署合作協(xié)議，旨在采納該最新標準作為各自獨立管理的國家無線電力傳輸技術標準元素。此外，藍牙技術聯(lián)盟(Bluetooth SIG)也已經(jīng)發(fā)布包含A4WP無線充電標準的藍牙低功耗(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前景可期。
PTU/PRU為A4WP系統(tǒng)主要架構
A4WP系統(tǒng)架構主要由電力發(fā)射單元(PTU)和電力接收單元(PRU)兩大模組組成，PTU和PRU通過藍牙智慧或藍牙低功耗協(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的兩側需要一個藍牙低功耗晶片、一個控制器以及電源轉換和調(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PTU上同時出現(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備，從低功率藍牙耳機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PTU提供多個設備達22瓦(W)的電力輸出，PRU則定義為兩個等級(Class)，包含3.5～6.5W，可用于功能手機或智慧型手機。該版本將繼續(xù)擴展功率范圍，將來輸出功率可延伸高達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用，包括用于智慧型手機PRU的雙輸入電池充電器、應用處理器、功率調(diào)節(jié)和轉換器、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。
為實現(xiàn)A4WP無線充電低能耗，以安森美半導體為例，該公司推出電源管理晶片(PMIC)--NCP17xx，整合數(shù)位類比轉換器(ADC)、電池充電器、DC-DC轉換器/低壓降穩(wěn)壓器(LDO)及過壓/過流/過溫保護(OVP/OCP/OTP)并提供I2C介面。該系列元件通過降低輕載切換頻率，將動態(tài)切換損耗降至最低，提供可編程頻率和自適應偏移閘極驅動器，提升輕載效能；透過時脈控制技術優(yōu)化且用于數(shù)位模組的時脈分頻，具有更低瞬態(tài)電流；降低單晶片能耗和輸入電流，并通過啟動藍牙提升效能；頻率抖動抑制功能將適用于大功率應用(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--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、100伏特(V)高壓沖擊保護及28V直流保護功能。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，關鍵功能包括：具超低正向導通壓降Vf，采用DFN封裝適用于空間受限的產(chǎn)品應用(圖5)。
圖5 半導體廠商DSN2蕭特基二極體系列
由于無線充電未有統(tǒng)一標準，因此有些半導體商也提供同時支援Qi標準和PMA標準的MOSFET，如用于發(fā)射端DC-AC電源轉換的全/半橋整流器NTTFS4C10N和NTTFS4C08N、用于接收端AC-DC電源轉換的全橋整流器NMLU1210、用于電源開關實現(xiàn)USB/無線切換的NTLUS3A18PZ(單P溝道，采用UDFN封裝)及用于保護的NTLUD3A50PZ(雙P溝道，采用UDFN封裝)等，這些元件采用低導通電阻和小型封裝，提供較佳散熱性能，系統(tǒng)效能高，適用于空間受限的應用(表1)。
此外，針對目前市場上符合Qi標準的應用，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 Q100一級認證。
無線充電市場擁有高度潛力，基于Rezence的磁共振技術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)高效能關鍵元件用于磁共振無線充電應用及解決方案，同時提供相容Qi標準的產(chǎn)品以滿足市場需求。