安森美半導(dǎo)體配合市場趨勢的無線充電方案

近年來，無線通信市場發(fā)展日新月異，各種新興的電子產(chǎn)品層出不窮，不斷方便我們的日常生活。作為全球領(lǐng)先的高性能、高能效半導(dǎo)體方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體憑借廣博的技術(shù)專長及微型化封裝優(yōu)勢，以智能手機(jī)、逾1,000萬像素的高分辨率拍照、大功率要求、快速充電及無線充電、LTE等領(lǐng)域?yàn)橥ㄐ攀袌鲈鲩L動力，為智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等無線及便攜式應(yīng)用提供寬廣陣容的產(chǎn)品及方案，包括用于拍照模塊的圖像傳感器、自動對焦和光學(xué)影像穩(wěn)定方案、電源和電池管理(包括智能有線及無線充電)、RF調(diào)諧、ESD保護(hù)、共模濾波器、EEPROM等等，持續(xù)推動無線及便攜市場的高能效創(chuàng)新。

 

無線充電市場趨勢

對于所有需要電池的便攜式產(chǎn)品，無線充電無疑是一大令人興奮的新技術(shù)，可以擺脫充電器和線纜的束縛，隨時隨地進(jìn)行充電。

 

早期的手機(jī)有線充電器規(guī)格為5 V/1 A，隨著智能手機(jī)、平板電腦的興起，以及這類便攜產(chǎn)品更快的應(yīng)用程序處理器、更快的無線上網(wǎng)速度、更大的屏幕及更大容量電池的發(fā)展趨勢，充電器也逐漸演進(jìn)至3種充電方案：1）智能充電器，規(guī)格為5-12 V/1-4 A，能效視乎智能手機(jī)廠商與墻插式適配器制造商的設(shè)計(jì)。2）移動電源On-the-Go(OTG)或一般稱為充電寶，能效視乎設(shè)計(jì)。3）無線充電。

 

無線充電技術(shù)于2015年開始加速發(fā)展，當(dāng)前已有智能手機(jī)廠商為手機(jī)添加無線充電模塊，以增強(qiáng)其產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，但只限于第一代的緊耦合技術(shù)。無線充電除了緊耦合方案，還有松耦合，以及兼容緊耦合和松耦合的多模方案。

 

無線充電的愿景，是無論何時何地，無需配對或兼容的插座和線纜就可對電子設(shè)備進(jìn)行充電。然而，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為多個設(shè)備充電，也不能在金屬附近使用。緊耦合技術(shù)采用100至200 kHz的頻率范圍，而金屬在圍有此范較高的熱感應(yīng)，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。

基于松耦合或磁共振或品牌稱為Rezence的下一代的無線充電技術(shù)是基于空間自由的概念，擴(kuò)展無線電源應(yīng)用“超越充電墊”和配件市場至幾乎任一移動電子設(shè)備或表面，采用6.78 MHz頻率，不僅克服上述緊耦合技術(shù)的局限性，而且通過使用現(xiàn)有藍(lán)牙智能技術(shù)，較大限度地降低對制造商的硬件要求，也令將來實(shí)現(xiàn)智能充電區(qū)成為可能，使得無論是在家里還是在公共場所，都可將多臺無線及便攜設(shè)備自由地放置到任意表面隨時隨地進(jìn)行充電，從而形成無線充電生態(tài)圈。這是因?yàn)樵谶@些表面下安裝有無線功率發(fā)射器，電力傳輸會根據(jù)發(fā)射器功率級別(Class)和相應(yīng)的接收器功率類別(Category)及需要充電的設(shè)備數(shù)量而進(jìn)行。例如，級別為3的發(fā)射器可傳輸16 W的功率，而智能手機(jī)的接收器類別為3即6.5 W，那么它可同時為2臺智能手機(jī)充電。由于能同時為多個不同功率要求的設(shè)備充電，松耦合無線充電技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

 

圖1. 松耦合 比較 緊耦合

今年6月，電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)和無線電力聯(lián)盟Alliance for Wireless Power (A4WP)合并，合并后的聯(lián)盟較近正式宣布更名為AirFuel Alliance，將致力整合緊耦合和基于Rezence的松耦合技術(shù)，開始是實(shí)現(xiàn)多模無線充電，即磁感應(yīng)和磁共振并存一段時間，但較終會朝向松耦合發(fā)展，并預(yù)計(jì)會成為無線充電的標(biāo)準(zhǔn)，也會為世界大部分的市場所采納。AirFuel Alliance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195家公司成員，如高通、三星、聯(lián)想及安森美半導(dǎo)體等，且其在產(chǎn)業(yè)的勢頭還在迅猛擴(kuò)增。值得一提的是，安森美半導(dǎo)體的應(yīng)用產(chǎn)品部執(zhí)行副總裁兼總經(jīng)理高騰博(Bob KIosterboer) 代表公司出任董事會。

 

標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是無線充電得以大量普及的重要因素。AirFuel Alliance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（CCSA）、日本橫須賀研究園寬帶無線論壇（BWF）和韓國電訊技術(shù)協(xié)會（TTA）簽署了合作協(xié)議，旨在采納該較新標(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(SIG)也已發(fā)布包含Rezence無線充電標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙低能耗(BLE)配置檔。美國已通過首個松耦合無線充電的發(fā)射器，預(yù)計(jì)采用松耦合的終端電子設(shè)備將于今年底或2016年初面世。相信配置發(fā)射器和接收器的基礎(chǔ)設(shè)施就緒，松耦合的發(fā)展指日可待。

 

安森美半導(dǎo)體的無線充電方案

 

安森美半導(dǎo)體持續(xù)致力于推動高能效創(chuàng)新，作為AirFuel Alliance的董事會成員，一直積極配合市場趨勢推動Rezence標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出一系列產(chǎn)品和方案以支持無線充電應(yīng)用工作于6.78 MHz，包括發(fā)射端的電源管理單元(高達(dá)50 W)、接收端用于智能手機(jī)的4-20 V整流橋、4-12 V電池充電器、100 V USB防浪涌OVP 、接收端用于非智能手機(jī)的1-20 V整流橋、4-12 V電池充電器等等。

 

圖2. 安森美半導(dǎo)體松耦合無線電力系統(tǒng)產(chǎn)品陣容(綠色方框)

為滿足多臺設(shè)備同時進(jìn)行無線充電的不同功率級別并優(yōu)化電源能效，安森美半導(dǎo)體積極開發(fā)動態(tài)功率調(diào)諧方案，可根據(jù)不同終端設(shè)備的不同功率要求進(jìn)行動態(tài)功率調(diào)諧，保護(hù)低功率設(shè)備免受損傷，并優(yōu)化無線充電發(fā)射器和接收器之間的電源傳輸能效。

 

隨著全球LTE智能手機(jī)的激增， RF復(fù)雜度日增，再加上智能手機(jī)的物理設(shè)計(jì)越來越傾向于更大屏幕區(qū)、更纖薄、全金屬外殼，智能手機(jī)需要優(yōu)化技術(shù)以適應(yīng)持續(xù)增加的頻譜分配方案和載波聚合的可能性，通過RF調(diào)諧以確保天線在所有頻帶上保持高能效。安森美半導(dǎo)體提供不同的RF調(diào)諧方案，能優(yōu)化每個需充電設(shè)備的功率所需，使發(fā)射器如基站般，調(diào)諧發(fā)射器的功率，達(dá)到較佳接收，進(jìn)行充電，避免因功率過載而燒毀設(shè)備。如手機(jī)只需5 W，便只供5 W功率充電。

 

在整流方面，安森美半導(dǎo)體目前提供符合Rezence標(biāo)準(zhǔn)的6.78 MHz快速開關(guān)整流器NSR1030QMU和NSR2030QMU的樣品，具超低正向?qū)�通壓降Vf，能承受30 V的反向電壓VR，額定正向電流IF分別為1 A和2 A，采用UDFN封裝，適用于空間受限的產(chǎn)品應(yīng)用。

 

又如安森美半導(dǎo)體的開關(guān)電池充電器NCP185x系列，充電電壓范圍3.3 V-4.5 V，支持反向USB OTG和快充模式，集成過壓閉鎖和過壓保護(hù)功能，采用CSP封裝，關(guān)鍵特性及參數(shù)如下表所示。

 

表1. NCP185x系列關(guān)鍵特性及參數(shù)概覽

此外，安森美半導(dǎo)體的無線充電前端接收器電源管理單元(PMU)，以高達(dá)99%的傳輸能效預(yù)擴(kuò)展無線能量，為移動無線充電生態(tài)系統(tǒng)提供系統(tǒng)遙測和所需保護(hù)，通過I2C可編程的平臺擴(kuò)展靈活性，并集成一系列保護(hù)機(jī)制；電源多路切換開關(guān)可為單輸入電池充電器提供2個不同的充電輸入；無線充電發(fā)射器PMU為6.78 MHz電力發(fā)射單元提供電源、監(jiān)測和所需的支持功能，并耦合到藍(lán)牙信號協(xié)議(BLE)，有助于通過電力傳輸管理來調(diào)節(jié)和優(yōu)化施加到發(fā)射線圈的電力；為提升可靠性，安森美半導(dǎo)體還提供ESD保護(hù)器、EMI濾波器及高浪涌TVS保護(hù)器。

 

雖然無線充電可能比不上有線充電能效高，但提供了巨大的方便性和靈活性，將成為未來趨勢。除了智能手機(jī)，平板電腦、可穿戴設(shè)備、筆記本電腦、媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、無線耳機(jī)、電腦周邊產(chǎn)品、小型家電、助聽器等移動設(shè)備廠商也都將推出支持無線充電的產(chǎn)品。無線充電技術(shù)還將有助于突破電動車充電瓶頸，推進(jìn)汽車電氣化的發(fā)展趨勢。預(yù)計(jì)到2020年，整合無線充電功能的設(shè)備將達(dá)18億臺。而隨著標(biāo)準(zhǔn)的逐步統(tǒng)一，松耦合技術(shù)將得以大規(guī)模普及應(yīng)用。據(jù)美國市調(diào)公司IHS預(yù)測，到2017年，松耦合技術(shù)料將成為主流無線充電技術(shù)。

 

圖3. 支持無線充電的設(shè)備出貨量

 

結(jié)語

基于松耦合的Rezence下一代無線充電技術(shù)，將成為打造未來無處不在的無線充電世界的主流技術(shù)，以方便各類設(shè)備的供電，從智能手機(jī)及可穿戴設(shè)備至平板電腦、筆記本電腦、助聽器、電動工具等等。無線充電技術(shù)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者AirFuel Alliance將致力推動從傳統(tǒng)的墻插式充電到全面采用無線充電生態(tài)系統(tǒng)的重大轉(zhuǎn)變。安森美半導(dǎo)體基于在無線和便攜式設(shè)備市場的廣闊技術(shù)和無引腳微型封裝優(yōu)勢，以世界一流的供應(yīng)鏈，服務(wù)于需求量大、要求產(chǎn)品快速上市的無線設(shè)備市場。作為AirFuel Alliance的董事會成員，安森美半導(dǎo)體引領(lǐng)松耦合無線充電市場，提供用于松耦合無線充電市場的電源管理器件和自適應(yīng)功率調(diào)諧發(fā)射和接收器件等一系列高能效關(guān)鍵元件，推動無線充電的發(fā)展，促成無處不在的無線充電世界。