無線充電市場的發(fā)展趨勢及解決方案

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無線充電市場的發(fā)展趨勢及解決方案

安森美半導體

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。作為高性能、高能效半導體方案供應商，安森美半導體憑借廣博的技術(shù)專長及微型化封裝優(yōu)勢，以智能手機、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)域為通信市場增長動力，為智能手機、平板電腦、可穿戴設(shè)備等無線及便攜式應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、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，隨時隨地進行充電。

早期的手機有線充電器規(guī)格為5 V/1 A，隨著智能手機、平板電腦的興起，以及這類便攜產(chǎn)品更快的應用程序處理器、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，充電器逐漸演進至3種充電方案：①智能充電器，規(guī)格為5～12 V/1～4 A，能效視智能手機廠商與墻插式適配器制造商的設(shè)計而定；②移動電源On-the-Go(OTG)或一般稱為充電寶，能效同樣與設(shè)計相關(guān)；③無線充電。

無線充電技術(shù)于2015年開始加速發(fā)展，當前已有智能手機廠商為手機添加無線充電模塊，以增強其產(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)備進行充電。然而，第一代緊耦合或磁感應無線充電技術(shù)在實現(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100～200 kHz的頻率范圍，而金屬在此范圍有最高的熱感應，所以在硬幣或鑰匙等金屬物體附近無法使用緊耦合方案進行無線充電，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的下一代無線充電技術(shù)是基于空間自由的概念，擴展無線電源應用“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)有藍牙智能技術(shù)，最大限度地降低對制造商的硬件要求，也令將來實現(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行充電，從而形成無線充電生態(tài)圈。這是因為在這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)和相應的接收器功率類別(Category)，以及需要充電的設(shè)備數(shù)量而進行。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)將是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

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)，開始是實現(xiàn)多模無線充電，即磁感應和磁共振并存一段時間，但最終會朝向松耦合發(fā)展，并預計會成為無線充電的標準，也會為世界大部分的市場所采納。AirFuel Alliance擁有全球科技品牌、供應鏈和市場領(lǐng)導者組成的超過195家公司成員，如高通、三星、聯(lián)想及安森美半導體等，且其在產(chǎn)業(yè)的勢頭還在迅猛擴增。值得一提的是，安森美半導體的應用產(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。

標準的統(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)標準(BSS) 1.2.1標準，并與中國通訊標準化協(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，旨在采納該最新標準作為各自獨立管理的國家無線電力傳輸技術(shù)標準元素。此外，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)也已發(fā)布包含Rezence無線充電標準的藍牙低功耗(BLE)配置檔。美國已通過首個松耦合無線充電的發(fā)射器。相信一旦配置發(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。

安森美半導體的無線充電方案

安森美半導體持續(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標準，開發(fā)出一系列產(chǎn)品和方案以支持無線充電應用工作于6.78 MHz，包括發(fā)射端的電源管理單元(高達50 W)、接收端用于智能手機的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的1～20 V整流橋、4～12 V電池充電器等等。

為滿足多臺設(shè)備同時進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行動態(tài)功率調(diào)諧，保護低功率設(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智能手機的激增， RF復雜度日增，再加上智能手機的物理設(shè)計越來越傾向于更大屏幕區(qū)、更纖薄、全金屬外殼，智能手機需要優(yōu)化技術(shù)以適應持續(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。安森美半導體提供不同的RF調(diào)諧方案，能優(yōu)化每個需充電設(shè)備所需的功率，使發(fā)射器如基站般，調(diào)諧發(fā)射器的功率，達到最佳接收，進行充電，避免因功率過載而燒毀設(shè)備。如手機只需5 W，便只供5 W功率充電。

在整流方面，安森美半導體目前提供符合Rezence標準的6.78 MHz快速開關(guān)整流器NSR1030QMU和NSR2030QMU的樣品，具超低正向?qū)▔航礦f，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)品應用。

又如安森美半導體的開關(guān)電池充電器NCP185x系列，充電電壓范圍為3.3～4.5 V，支持反向USB OTG和快充模式，集成過壓閉鎖和過壓保護功能，采用CSP封裝，關(guān)鍵特性及參數(shù)如圖1所示。

圖1　NCP185x系列關(guān)鍵特性及參數(shù)概覽

此外，安森美半導體的無線充電前端接收器電源管理單元(PMU)，以高達99%的傳輸能效預擴展無線能量，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，通過I2C可編程的平臺擴展靈活性，并集成一系列保護機制；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，安森美半導體還提供ESD保護器、EMI濾波器及高浪涌TVS保護器。

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，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、無線耳機、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，推進汽車電氣化的發(fā)展趨勢。預計到2020年，整合無線充電功能的設(shè)備將達18億臺。而隨著標準的逐步統(tǒng)一，松耦合技術(shù)將得以大規(guī)模普及應用。據(jù)美國市調(diào)公司IHS預測，到2017年，松耦合技術(shù)將成為主流無線充電技術(shù)。

結(jié)語

收稿日期：(2015-12-06)