无线充电是个新兴市场,而其中无线快充(如苹果的7.5W定频调压及15W大功率快充)又是新的发展方向。此外,无线充电解决方案也在从MCU过渡到SoC。

日前,在ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《EDN电子技术设计》和《国际电子商情》共同举办的“第18届电源管理论坛(秋季)——快充与无线充电”论坛上,意法半导体(ST)大中华暨南亚区工业产品与功率分离器件部门技术市场经理谭有志先生就介绍了其最新的基于SoC的解决方案(此前为MCU)。

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那您可能好奇,这种解决方案相对MCU有何优势?相对市场上其他主流产品又有何特点?该公司对此与市场上2大主流厂家BELKIN和Mophie的产品进行了直接对比。

无线充电的构成

下图是无线充电的基本框图,左边是发射端,右边是接收端。谭有志介绍说,无线充电的线圈耦合类似变压器,只是它不是通过磁芯耦合,而是中间有一段距离。它的负载是变化的。距离包括纵向和横向也都有变化。另外,输出电压也有变化,例如是5V、12V、QC或PD适配器等。

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接收端通过磁耦合从发射端吸收能量。发射端LC谐振的频率通常在200kHz以下。苹果推荐的定频方案所采用的频率在127.7k±6Hz。变频则通常在105~205kHz之间。300k以上则是磁共振(A4WP)。

然后是很重要的FOD(异物检测)和Qi NFC标准。金属异物会吸收磁场发热,而可能导致手机损坏。检测方法通常是Q值检测。这个算法较难,不太容易掌握。而且其中所涉及的通信易受干扰(太灵敏可能产生误判),因此很多厂商以前不做。

充电功率取决于接收端(主动),而非发送端(被动)。对于苹果的7.5W无线充电,快充通常只能维持大概13分钟,原因是手机刚开始充电时电流较大,导致发热,iPhone设置在37℃以上则会降功率。“如果拿风扇对着吹,则可以持续快充。”谭有志补充说。

Qi标准目前非常流行,它的频率不太高,包括BPP(5W)和EPP(15W)。A4WP则是采用磁共振,新能源汽车的充电主要基于这种方法。新能源汽车的充电目前还存在很多瓶颈。第一,6.78M频率很高,有网络匹配,开关、功率传输、EMI都很难处理。第二,对于3kW的应用,其充电效率不到60%,损耗非常大,相当于一个烤炉。当然,随着技术的发展,这个技术总有攻克的一天。

BPP中,1.0版本很原始,FOD检测都没有。1.1版是单向,不管Rx是否需要,Tx一直发。1.2版则是双向通信,它包括了EPP。

SoC产品一览

以下是ST的SoC产品(协议和控制策略等都写了进去)。其中2.5W设计很简单,不需要过Qi认证(Qi认证仅针对5W以上)。多线圈方案会选择功率最大的线圈去充电。

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下面是无线充电的基本框图,Rx端包括输入电压的检测(OV、UV)、跟适配器的通信——与QC和PD都兼容。

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往上走包括能量传输和通信。通信频率是一两百kHz,它采用LC谐振,类似正弦波,这个正弦波里又夹杂了2k的通信频率。无线充电的SoC方案相对简单,但pcb layout时,相关信号需要注意。

然后是Rx,它与Tx一样。

下面来看15W产品,它是变频方案。输入电压是5V到13V,多线圈单线圈都可以支持。它已获Qi1.2.3的证书——做正规产品或做出口需要过这个认证。这个认证对5W来说是3000美金,对15W是4000到5000美金,时间也不一样。

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那这个产品有什么优缺点?

缺点:效率比竞争对手略低1%,原因是它采用半桥,而竞争对手搭的是全桥。半桥有一半没利用上,谐振电流在发射端会偏高、损耗偏大。

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但优点也明显,半桥比全桥少了两个MOS管;待机好,基于强大的MCU做支撑,待机功耗能做到只有0.38Wh,基本不会发烫,而影响产品寿命。

无线充的指标包括效率、距离和FOD三大块,以下是ST和2大市场主流厂家BELKIN和Mophie的产品对比。FOD检测首先放在4个点位,慢慢往中间的点位移,或者反向移,看它能否进行保护。

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定频是苹果要求,MFI要求定频调压。现在很多厂商做得有点打擦边球,要么是定频调占空比,要么是定频调幅或定频调相。这些方案能够满足短期需求,但不能长久,苹果在温水煮青蛙。