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(jī)（phablets）” 等移動(dòng)設(shè)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(bǔ)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(dǎo)航等活動(dòng)，不需用電纜的適時(shí)充電將成為常態(tài)。

　　通過簡(jiǎn)單地把移動(dòng)設(shè)備放置在可用的充電臺(tái)上進(jìn)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(chǎng)項(xiàng)目，并沒有作為常規(guī)適配器和電纜的替代方案而得到認(rèn)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(dòng)設(shè)備插入到充電套筒然后才可以放置在充電臺(tái)上充電。此外，這些系統(tǒng)往往都是采用專有的技術(shù)，來自不同制造商的設(shè)備之間缺乏互操作性。無線充電系統(tǒng)的零售價(jià)格也比較高，充電臺(tái)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(chǎng)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(yù)示著巨大潛力。IHS Technology分析師在《2014年無線充電報(bào)告》（Wireless Power Report 2014）中預(yù)測(cè)，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(zhǎng)。

　　從新奇到必需

　　HIS對(duì)于未來無線充電市場(chǎng)的信心來源于幾個(gè)方面，其中之一是行業(yè)領(lǐng)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(dòng)設(shè)備之間具有互操作性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括軟件和零部件公司、手機(jī)制造商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商。

　　在那些積極幫助開發(fā)無線充電標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體廠商當(dāng)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)組織。在2014年年初，PMA與A4WP實(shí)現(xiàn)合并。

　　無線充電生態(tài)系統(tǒng)有兩個(gè)技術(shù)途徑：磁感應(yīng)和磁共振。WPC和PMA標(biāo)準(zhǔn)組織的活動(dòng)都集中在磁感應(yīng)，而A4WP則是在支持基于磁共振標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。一些磁感應(yīng)解決方案已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)，但磁共振技術(shù)則是在2014年年底進(jìn)入量產(chǎn)應(yīng)用。這兩種技術(shù)的簡(jiǎn)單比較可以說明它們?cè)趹?yīng)用中的主要區(qū)別：磁感應(yīng)需要緊密耦合，在X/Y方向的位置偏差達(dá)到最小時(shí)可實(shí)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(shí)現(xiàn)基于磁感應(yīng)技術(shù)的高峰值效率。

　　圖1：在位置偏差最小時(shí)，磁感應(yīng)技術(shù)可實(shí)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(dá)到與磁感應(yīng)同樣的性能，但在位置偏差增大時(shí)，其效率不會(huì)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(guān)的性能要求和一致性測(cè)試規(guī)范。所有攜帶Qi標(biāo)識(shí)的設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備也會(huì)有PMA的互操作性標(biāo)識(shí)。無線充電標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展強(qiáng)大的進(jìn)一步標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（IEEE P2100.1? Standard Specifications for Wireless Power and Charging Systems）的制定。 IEEE P2100.1針對(duì)電源和負(fù)載設(shè)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(yīng)耦合技術(shù)，將來也要考慮其它技術(shù)。

　　要想使車輛、交通樞紐等公共場(chǎng)所、咖啡館、體育場(chǎng)館、辦公室等許多預(yù)期應(yīng)用場(chǎng)景的無線充電設(shè)施變得可行，更大的互操作性是至關(guān)重要的。在家里，通過一個(gè)共享的充電臺(tái)能夠?qū)彝ニ械囊苿?dòng)設(shè)備充電，因此有機(jī)會(huì)不再需要那些笨拙的電源適配器和線纜，同時(shí)也騰出了大量的墻壁插座。

　　隨著可靠標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，那些對(duì)創(chuàng)造廣泛的無線充電基礎(chǔ)設(shè)施非常重要的組織能夠致力于開發(fā)各種無線充電項(xiàng)目。汽車制造商對(duì)于無線充電技術(shù)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(guó)拉斯維加斯消費(fèi)電子展（CES）上演示了無線充電系統(tǒng)，有些項(xiàng)目正在采用該技術(shù)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(tái)也可以設(shè)置在桌面、其他家具或臺(tái)燈等設(shè)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(shè)施來吸引以往只是想喝點(diǎn)東西的客戶，現(xiàn)在他們也需要一個(gè)快速的“電能小點(diǎn)（power snack）”為他們的移動(dòng)設(shè)備充電。這種趨勢(shì)已經(jīng)被星巴克所證實(shí)。星巴克在2014年6月宣布與Duracell Powermat一起合作在美國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)的店鋪部署無線充電臺(tái)，并在舊金山灣區(qū)首先開始。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商也對(duì)無線充電表現(xiàn)出很大的興趣。在世界移動(dòng)通信大會(huì)（Mobile World Congress）上，一個(gè)著名的運(yùn)營(yíng)商在其展臺(tái)各處安裝了無線充電點(diǎn)，這些方便的設(shè)施可確保其團(tuán)隊(duì)成員能夠在整個(gè)展會(huì)期間連續(xù)使用他們的移動(dòng)設(shè)備。

　　克服下一個(gè)障礙

　　IHS Technology在其發(fā)布的無線充電報(bào)告（Wireless Power Report）中指出，一些頂級(jí)的移動(dòng)設(shè)備品牌已經(jīng)開始把功率接收器技術(shù)直接集成到智能手機(jī)，或者集成到能單獨(dú)購(gòu)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(shù)。這樣通過去除一個(gè)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(gè)主要障礙。移動(dòng)設(shè)備用戶不喜歡以額外的重量和尺寸等劣勢(shì)來?yè)Q取無線充電功能。就無線充電臺(tái)而言，手機(jī)供應(yīng)商可能在未來的產(chǎn)品包裝中包括一個(gè)充電臺(tái)，在任何其他需要提供無線充電的地點(diǎn)，還需要多個(gè)充電臺(tái)。

　　移動(dòng)設(shè)備制造商、汽車制造商、家具制造商和其他領(lǐng)域的企業(yè)能否廣泛集成無線充電功能的關(guān)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(chǎng)系統(tǒng)水平。

　　早期售后市場(chǎng)無線充電系統(tǒng)的高復(fù)雜性主要導(dǎo)致了這些產(chǎn)品較高的零售價(jià)格。一個(gè)適用于充電臺(tái)具有A1型磁導(dǎo)（magnetically-guided）單線圈功率的發(fā)射器包含90個(gè)單獨(dú)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(shè)置和控制無線充電過程，并提供異物檢測(cè)（FOD ）等功能。可靠的FOD是無線充電中保持消費(fèi)者信心的關(guān)鍵，用戶需要確信在觸摸充電臺(tái)或即使在充電臺(tái)附近存在金屬物體都不會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)，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(shù)特刊》，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！

　　集成是關(guān)鍵

　　現(xiàn)在，一個(gè)單一的高集成度IC能夠?qū)崿F(xiàn)所有這些功能，可使一個(gè)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使裝配更加簡(jiǎn)單。

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

　　在一個(gè)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(huì)在接收器線圈感應(yīng)出交流電壓，接收器中包含有一個(gè)同步全橋整流器，可將該交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，然后該直流電壓采用一個(gè)DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器或低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器進(jìn)行調(diào)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(gòu)、發(fā)射器端輸入電壓范圍、以及各種接收器架構(gòu)，可以選擇采用一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器或LDO穩(wěn)壓器，以及選擇一個(gè)集成式狀態(tài)機(jī)（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(gè)支持單芯片無線充電發(fā)射器設(shè)計(jì)的IC。使用IDTP9030或者IDT公司第二代支持A5/All線圈配置應(yīng)用的器件IDPT9038，可以最大限度地減少對(duì)于額外的外部元件的需求，如圖3所示。

　　圖3：?jiǎn)涡酒琁DTP9038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(gè)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(zhuǎn)換成交流的線圈電流。IDTP9038還擁有調(diào)制器/解調(diào)器模塊，可以檢測(cè)、解調(diào)和解碼WPC兼容的通信分組包。IDTP9038另外集成有一個(gè)RAM / ROM微控制器，可執(zhí)行輸入的解碼分組包，并調(diào)整工作點(diǎn)，使發(fā)射功率調(diào)整匹配至接收器。IDTP9038具有多種工作模式，可支持WPC和PMA標(biāo)準(zhǔn)以及客戶專有協(xié)議，通過動(dòng)態(tài)檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了IDT公司的多層FOD，確保用戶不會(huì)被暴露在例如金屬物體被放置在充電臺(tái)上造成的溫度過高等不安全條件下。多層FOD技術(shù)涵蓋并檢測(cè)所有的應(yīng)用場(chǎng)景，例如電話在充電之前充電臺(tái)上被放置了一個(gè)金屬物體，或者金屬物體粘在手機(jī)背面，或者充電時(shí)在手機(jī)和充電臺(tái)之間插入了金屬物體等。采用單芯片IC IDTP9038設(shè)計(jì)無線充電發(fā)射器，總共只需要30個(gè)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(gè)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(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)，并提供安全的雙向認(rèn)證（2-way authentication）。IDTP9038還有一個(gè)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(dān)心與其他敏感電子設(shè)備的干擾。

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

　　對(duì)于可穿戴設(shè)備等要求非常小形狀尺寸的應(yīng)用，IDTP9026在一個(gè)40引腳2.21 mm x 3.41mm芯片級(jí)封裝（CSP）內(nèi)集成有一個(gè)電池充電電路和無線功率接收器。采用IDTP9026實(shí)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(dá)65 mm2。IDTP9026與IDTP9038無線充電發(fā)射器IC完全兼容，IDTP9038集成有一個(gè)完整的H橋逆變器，是業(yè)界第一款兼容WPC標(biāo)準(zhǔn)、并支持5V輸入的單芯片發(fā)射器方案。

　　結(jié)論

　　作為便攜式通信基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要方面，無線充電正蓄勢(shì)待發(fā)。行業(yè)分析師和許多商業(yè)機(jī)構(gòu)現(xiàn)在確信，廣大的消費(fèi)者將會(huì)用家里、機(jī)場(chǎng)和汽車?yán)锏某潆娕_(tái)給他們的手機(jī)進(jìn)行無線充電。

　　隨著支持廣泛互操作性的完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)到位，無線充電行業(yè)需要符合這些標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備用戶首選的隨處充電方法的全部潛力。

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