快充內卷至汽車座艙，50W車載手機無線充電方案解析

電子發(fā)燒友網報道（文/李誠）隨著手機無線充電技術的發(fā)展，如今的無線充電功率與有線充電功率并無太大差異。加之近年來無線充電設計、生產成本的下降，無線充電功能已成為中高端手機的標配。據(jù)無線充電聯(lián)盟（WPC）數(shù)據(jù)顯示，2021年每三臺智能手機中，就至少有一臺帶Qi無線充電協(xié)議，預計2022年具備無線充電功能的智能手機將超過10億部。

無線充電技術擺脫了線纜的束縛，相對于有線充電而言，在車載應用領域有著極為突出的優(yōu)勢，據(jù)高工智能汽車研究院監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，僅在去年我國新車前裝手機無線充電模塊的上險量為358.35萬輛，同比增長120.43%，前裝搭載率為17.57%，預計今年搭載量有望突破500萬輛。

手機無線充電技術的快速普及，使得應用場景得到了進一步的擴大，蓬勃的汽車產業(yè)也成為了新的發(fā)展賽道。各大芯片廠商也十分看好這一市場，爭相推出可搭載于汽車平臺的手機無線充電解決方案。

南芯車載RTx 50W解決方案

南芯是國產主流的手機充電芯片供應商之一，其客戶群體中不乏小米、OPPO、vivo、華為等國內手機頭部玩家，之所以備受大廠青睞的主要原因之一是其核心團隊大多來自TI、ADI、凌特、飛思卡爾、立锜等知名半導體大廠，在電源管理芯片領域有著十多年的經驗積累。也正因這一實力先后拿到了安克、OPPO、英特爾資本等企業(yè)的多輪融資。

截至目前，南芯在手機充電領域已細分出多條產品線，如DCDC、電荷泵、協(xié)議芯片、無線充電等。隨著新興應用的層出不窮，汽車市場的機會涌現(xiàn)，南芯在加大技術研發(fā)的同時，不斷拓展汽車領域的應用，加速滲透汽車前裝市場。今年1月，南芯先后向市場推出了三款車規(guī)級的無線充電芯片SC8701Q、SC8101Q、SC5003Q，輸出功率實現(xiàn)15W至50W的覆蓋。3月南芯又推出了可應用于受電端的50W無線充電Tx芯片SC9621，與之前的發(fā)射端芯片構成完整的產品組合。

此次南芯的帶來的車規(guī)級無線充電芯片分別為，同步降壓轉換器SC8101Q，同步升壓控制器SC8701Q，以及無線發(fā)射機的模擬前端SC5003Q，通過這三款芯片的相互組合，可實現(xiàn)車載無線充電模塊與汽車電池供電電壓的相互兼容，通過SC8101Q+SC5003Q+MCU可構建出15W的無線充電解決方案，SC8701Q+50W Tx+MCU構成50W無線充電解決方案。

SC8101Q+SC5003Q+MCU 15W車載無線方案

該方案是面向最大輸出功率為15W的無線充電應用，在方案參考設計方面，由于南芯沒有自研的MCU，在本設計中采用的是NXP的WCT2013A作為無線充電模塊的主控芯片，用于對SC8101Q進行升降壓調節(jié)，再將通過調節(jié)的電壓傳輸至無線充電的發(fā)射機為其供電。

(SC8701Q+SC5003Q+NXP WCT2013A無線充電方案Demo)

其中SC8101Q在本設計中主要負責降壓輸出，電壓等級為32V，考慮到汽車啟動時電壓不穩(wěn)會導致器件擊穿的問題，南芯將其的最高耐壓等級提高到了40V，同時器件內部還內置了導通電阻為45mΩ的上管和35mΩ下管，以此保證在功率傳輸過程中的轉換效率。

SC5003Q是一顆支持最高功率為20W的高效無線功率發(fā)射模擬前端，在無線充電應用中，無線充電的發(fā)射與接收端之間的協(xié)議通信都是在這里完成的。同時為保證無線充電在實際應用時的安全性，在該芯片中加入了Q值檢測功能，通過無線發(fā)送電路發(fā)送電磁波的過程中，檢測受電端與輸出端之間的Q值，在通過判斷Q值確定無線發(fā)送電路的電磁波傳輸范圍內是否存在異物，做出是否退出充電模式的操作。如果不具備此功能，當發(fā)射端與接收端存在金屬異物時，極易因為不斷變換地交變磁場而產生渦流發(fā)熱，引發(fā)火災。

SC8701Q+50W Tx+MCU 50W無線充電解決方案

在此設計中主要用到的是南芯的同步升壓控制器SC8701Q，該控制器支持2.7V至36V超寬范圍的電壓輸入，可滿足車載電池的全電壓輸出范圍，輸出電壓可通過PWM進行2V至36V的動態(tài)調整。芯片內置了4個 10V/2A的開關管驅動器，通過內部集成的方式，在降低電路設計難度的同時，為MOSFET帶來更高的效率。

圖源：南芯

在主控MCU和功率發(fā)射機方面，南芯并未給出具體的芯片參考。

50W無線充電接收芯片

除了無線充電功率發(fā)射端的解決方案，近日南芯還推出了應用于接收端的功率接收芯片SC9621。該芯片是一顆結合了接收與發(fā)射功能二合一的無線充電芯片，最高可支持50W的無線功率接收以及15W的反向輸出功能，反向輸出功能通過GUI寫入Tx指令即可實現(xiàn)。

圖源：南芯

據(jù)介紹，該芯片的內置的整流橋由4顆MOS管組成，而非傳統(tǒng)的二極管設計，得益于MOS管導通電阻小的特點，能夠有效降低功率接收時的系統(tǒng)功耗，提升系統(tǒng)轉換效率，減少手機在使用無線充電時的發(fā)熱量。類似的整流橋設計在蘋果去年推出的140W PD快充中也有使用，不同之處在于蘋果的PD快充只采用了兩顆MOS管。

圖源：南芯半導體

上圖為基于SC9621的demo在輸出功率為5W時的無線充電測試，通過觀察可以看出當功率發(fā)射器為5V/1A 5W時，SC9621可以接收到4.96W的功率，轉換效率竟高達99%。

圖源：南芯

上圖為當輸出電壓為18V/3.359A 60W時，基于SC9621的demo能夠接收到19.81V/2.50A 49.52W的功率。通過計算得出，功率轉換效率可達82.5%。

結語

自去年工信部發(fā)布的無線充電設備無線電管理暫行規(guī)定中明確指出，50W為無線充電最高上限以來，各大芯片廠商都開始走務實路線，不再尋求功率上的突破，而是在技術與轉換效率方面繼續(xù)深研。南芯通過4個MOS管構建的同步整流橋，很好的提高了系統(tǒng)的轉換效率，讓無線充電的發(fā)展更進一步。