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(duì)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)煛⒓译?、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(duì)或相容的插座和線纜就可對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)，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(hào)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(jí)(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(duì)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(duì)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(jí)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。