深挖無線充電潛能，這些點你都得知道 - 全文

　　引言：遇見，放下，充電

　　無線充電注定將成為智能電話、平板電腦、以及介于兩者之間的新型“平板手機（phablets）” 等移動設備充電的首選方法。隨著用戶越來越多地需要在一天里不斷補足電池能量以支持密集的互聯(lián)網(wǎng)接入、高清游戲、視頻和音頻流、以及GPS導航等活動，不需用電纜的適時充電將成為常態(tài)。

　　通過簡單地把移動設備放置在可用的充電臺上進行無線充電可以為用戶提供很大的易用性和便利。但是到目前為止，無線充電系統(tǒng)還依然屬于新奇的售后市場項目，并沒有作為常規(guī)適配器和電纜的替代方案而得到認真重視。已有的無線充電系統(tǒng)很笨重且體積龐大，需要把移動設備插入到充電套筒然后才可以放置在充電臺上充電。此外，這些系統(tǒng)往往都是采用專有的技術，來自不同制造商的設備之間缺乏互操作性。無線充電系統(tǒng)的零售價格也比較高，充電臺在80到100美元，充電套筒在30到40美元。因此，無線充電系統(tǒng)的銷售和市場滲透率一直不佳。

　　但是，無處不在的無線充電系統(tǒng)需求也預示著巨大潛力。IHS Technology分析師在《2014年無線充電報告》（Wireless Power Report 2014）中預測，無線充電發(fā)射器和接收器的出貨量銷售額將從2013年的2.16億美元上升到2018年的85億美元，期間有將近40倍的增長。

　　從新奇到必需

　　HIS對于未來無線充電市場的信心來源于幾個方面，其中之一是行業(yè)領先的企業(yè)或組織已經(jīng)開始走到一起，并著手開發(fā)使來自不同制造商的無線充電系統(tǒng)和移動設備之間具有互操作性的行業(yè)標準，其中包括軟件和零部件公司、手機制造商和網(wǎng)絡運營商。

　　在那些積極幫助開發(fā)無線充電標準的半導體廠商當中，IDT公司是無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC）和Alliance for Wireless Power（A4WP）的董事會成員，并與Power Matters Alliance（PMA，電源緊要聯(lián)盟）保持著密切的聯(lián)系，這些都是無線充電行業(yè)的主要標準組織。在2014年年初，PMA與A4WP實現(xiàn)合并。

　　無線充電生態(tài)系統(tǒng)有兩個技術途徑：磁感應和磁共振。WPC和PMA標準組織的活動都集中在磁感應，而A4WP則是在支持基于磁共振標準的技術。一些磁感應解決方案已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)，但磁共振技術則是在2014年年底進入量產(chǎn)應用。這兩種技術的簡單比較可以說明它們在應用中的主要區(qū)別：磁感應需要緊密耦合，在X/Y方向的位置偏差達到最小時可實現(xiàn)最高效率水平；而磁共振允許更大的空間自由度，但它無法實現(xiàn)基于磁感應技術的高峰值效率。

　　圖1：在位置偏差最小時，磁感應技術可實現(xiàn)更高的效率水平。即使發(fā)射器和接收器距離很近，磁共振也不能達到與磁感應同樣的性能，但在位置偏差增大時，其效率不會很快降低。

　　WPC已經(jīng)公布了Qi低功率規(guī)范，它定義了功率發(fā)射器和接收器之間非接觸式電能傳輸接口、相關的性能要求和一致性測試規(guī)范。所有攜帶Qi標識的設備都保證與WPC規(guī)范兼容，因此彼此之間可互操作。同樣，滿足PMA標準的設備也會有PMA的互操作性標識。無線充電標準不斷發(fā)展強大的進一步標志是IEEE無線電源和充電系統(tǒng)工作組（Wireless Power and Charging Systems Working Group，WPCS-WG）的成立和IEEE P2100.1?無線電源和充電系統(tǒng)標準規(guī)范（IEEE P2100.1? Standard Specifications for Wireless Power and Charging Systems）的制定。 IEEE P2100.1針對電源和負載設備創(chuàng)建了無線電源和充電規(guī)范。雖然IEEE P2100.1目前局限于使用磁感應耦合技術，將來也要考慮其它技術。

　　要想使車輛、交通樞紐等公共場所、咖啡館、體育場館、辦公室等許多預期應用場景的無線充電設施變得可行，更大的互操作性是至關重要的。在家里，通過一個共享的充電臺能夠對家庭所有的移動設備充電，因此有機會不再需要那些笨拙的電源適配器和線纜，同時也騰出了大量的墻壁插座。

　　隨著可靠標準的出現(xiàn)，那些對創(chuàng)造廣泛的無線充電基礎設施非常重要的組織能夠致力于開發(fā)各種無線充電項目。汽車制造商對于無線充電技術的潛力很有興趣，它能夠去除汽車內(nèi)部的電纜。一些知名品牌已經(jīng)在最近的汽車展和在美國拉斯維加斯消費電子展（CES）上演示了無線充電系統(tǒng)，有些項目正在采用該技術為后排座娛樂和環(huán)境光照明等車載系統(tǒng)供電。此外，充電臺也可以設置在桌面、其他家具或臺燈等設備上。

　　咖啡店之類的連鎖企業(yè)也很熱衷于提供無線充電設施來吸引以往只是想喝點東西的客戶，現(xiàn)在他們也需要一個快速的“電能小點（power snack）”為他們的移動設備充電。這種趨勢已經(jīng)被星巴克所證實。星巴克在2014年6月宣布與Duracell Powermat一起合作在美國全國范圍內(nèi)的店鋪部署無線充電臺，并在舊金山灣區(qū)首先開始。移動網(wǎng)絡運營商也對無線充電表現(xiàn)出很大的興趣。在世界移動通信大會（Mobile World Congress）上，一個著名的運營商在其展臺各處安裝了無線充電點，這些方便的設施可確保其團隊成員能夠在整個展會期間連續(xù)使用他們的移動設備。

　　克服下一個障礙

　　IHS Technology在其發(fā)布的無線充電報告（Wireless Power Report）中指出，一些頂級的移動設備品牌已經(jīng)開始把功率接收器技術直接集成到智能手機，或者集成到能單獨購買的可更換電池蓋內(nèi)。例如，LG公司的旗艦產(chǎn)品G3目前已經(jīng)包括由IDT 公司IDTP9025芯片支持的無線功率接收器技術。這樣通過去除一個笨拙的充電套筒，就克服了普遍接受無線充電過程中的一個主要障礙。移動設備用戶不喜歡以額外的重量和尺寸等劣勢來換取無線充電功能。就無線充電臺而言，手機供應商可能在未來的產(chǎn)品包裝中包括一個充電臺，在任何其他需要提供無線充電的地點，還需要多個充電臺。

　　移動設備制造商、汽車制造商、家具制造商和其他領域的企業(yè)能否廣泛集成無線充電功能的關鍵是成本。接收器和發(fā)射器組合的成本必須下降到顯著低于80-100元美元的早期售后市場系統(tǒng)水平。

　　早期售后市場無線充電系統(tǒng)的高復雜性主要導致了這些產(chǎn)品較高的零售價格。一個適用于充電臺具有A1型磁導（magnetically-guided）單線圈功率的發(fā)射器包含90個單獨的零部件，其中包括9顆IC。這些組件是必需的，不僅用來處理從發(fā)射器傳送到接收器的能量，而且還要使通信符合WPC或PMA規(guī)范來設置和控制無線充電過程，并提供異物檢測（FOD ）等功能?？煽康腇OD是無線充電中保持消費者信心的關鍵，用戶需要確信在觸摸充電臺或即使在充電臺附近存在金屬物體都不會有安全風險，系統(tǒng)中不希望的電磁輻射（EMI）也必須最小化。

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　　本文選自電子發(fā)燒友2月份《電源技術特刊》，轉載請注明出處！

　　集成是關鍵

　　現(xiàn)在，一個單一的高集成度IC能夠實現(xiàn)所有這些功能，可使一個典型的發(fā)射器或接收器所需的元件數(shù)量顯著降低，如圖1所示。這使得制造商顯著降低物料清單成本，并且簡化設計，使裝配更加簡單。

　　圖2：以單芯片發(fā)射器和接收器IC集成實現(xiàn)的無線充電系統(tǒng)功能模塊圖。

　　在一個WPC兼容無線充電系統(tǒng)中，在發(fā)射器端的半橋或全橋逆變器把施加的直流電壓變換為交流電流后流經(jīng)線圈，單線圈A1、A5或A11型，以及三線圈A6型等各種線圈配置均可適用。交流電流會在接收器線圈感應出交流電壓，接收器中包含有一個同步全橋整流器，可將該交流電壓轉換成直流電壓，然后該直流電壓采用一個DC/DC開關穩(wěn)壓器或低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器進行調節(jié)。

　　IDT公司擁有一系列高集成度發(fā)射器和接收器IC，可以支持多種線圈配置、逆變器架構、發(fā)射器端輸入電壓范圍、以及各種接收器架構，可以選擇采用一個開關穩(wěn)壓器或LDO穩(wěn)壓器，以及選擇一個集成式狀態(tài)機（state machine）或微控制器。

　　在這些器件中，支持Qi A1/ A10低功率規(guī)范解決方案的IDTP9030是IDT公司的第一代產(chǎn)品，也是世界上第一個支持單芯片無線充電發(fā)射器設計的IC。使用IDTP9030或者IDT公司第二代支持A5/All線圈配置應用的器件IDPT9038，可以最大限度地減少對于額外的外部元件的需求，如圖3所示。

　　圖3：單芯片IDTP9038發(fā)射器IC在A5/ A11線圈配置中最大限度地減少芯片和外部無源組件數(shù)量。

　　IDTP9038集成的一個高效全橋逆變器可支持A5/A11 WPC線圈配置，并可將輸入的直流電壓轉換成交流的線圈電流。IDTP9038還擁有調制器/解調器模塊，可以檢測、解調和解碼WPC兼容的通信分組包。IDTP9038另外集成有一個RAM / ROM微控制器，可執(zhí)行輸入的解碼分組包，并調整工作點，使發(fā)射功率調整匹配至接收器。IDTP9038具有多種工作模式，可支持WPC和PMA標準以及客戶專有協(xié)議，通過動態(tài)檢測和協(xié)議之間的切換可使無線功率傳輸具有最大的靈活性。

　　此單芯片發(fā)射器IC IDTP9038還實現(xiàn)了IDT公司的多層FOD，確保用戶不會被暴露在例如金屬物體被放置在充電臺上造成的溫度過高等不安全條件下。多層FOD技術涵蓋并檢測所有的應用場景，例如電話在充電之前充電臺上被放置了一個金屬物體，或者金屬物體粘在手機背面，或者充電時在手機和充電臺之間插入了金屬物體等。采用單芯片IC IDTP9038設計無線充電發(fā)射器，總共只需要30個零部件，而成本也不到傳統(tǒng)分立方案的三分之一。

　　IDTP9038是業(yè)界第一個兼容Qi規(guī)范、支持5V輸入電壓的單芯片無線充電發(fā)射器解決方案，它秉承了IDTP9030的功能和特性。更重要的是，它在業(yè)界第一次集成了反向通道通信（back channel communication）功能。這使得發(fā)射器與接收器能夠進行通信和交換數(shù)據(jù)，并提供安全的雙向認證（2-way authentication）。IDTP9038還有一個專用的控制電路，可以把EMI性能控制在10dB，低于CISPR要求的水平，從而不用再擔心與其他敏感電子設備的干擾。

　　采用IDT接收器芯片實現(xiàn)的內(nèi)置有無線充電能力、并且適合采用充電臺充電的移動設備已經(jīng)面市。這些包括LG公司最新款G3智能手機，該款手機具有許多最先進的功能，其中之一即是采用IDT公司兼容WPC標準的單芯片無線充電接收器IC IDTP9025A實現(xiàn)的小巧無線充電功能。IDTP9025也可理想適用于無線手持設備、手機充電套筒、以及平板電腦等。

　　對于可穿戴設備等要求非常小形狀尺寸的應用，IDTP9026在一個40引腳2.21 mm x 3.41mm芯片級封裝（CSP）內(nèi)集成有一個電池充電電路和無線功率接收器。采用IDTP9026實現(xiàn)的總體解決方案尺寸小于30 mm2，而其他可用的解決方案尺寸高達65 mm2。IDTP9026與IDTP9038無線充電發(fā)射器IC完全兼容，IDTP9038集成有一個完整的H橋逆變器，是業(yè)界第一款兼容WPC標準、并支持5V輸入的單芯片發(fā)射器方案。

　　結論

　　作為便攜式通信基礎設施的一個重要方面，無線充電正蓄勢待發(fā)。行業(yè)分析師和許多商業(yè)機構現(xiàn)在確信，廣大的消費者將會用家里、機場和汽車里的充電臺給他們的手機進行無線充電。

　　隨著支持廣泛互操作性的完善的行業(yè)標準已經(jīng)到位，無線充電行業(yè)需要符合這些標準的高集成度發(fā)射器和接收器，這樣才可以發(fā)揮其作為便攜設備用戶首選的隨處充電方法的全部潛力。

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