高功率應(yīng)用中的無(wú)線充電系統(tǒng)

各種優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了無(wú)線充電市場(chǎng)的發(fā)展：易于使用且無(wú)需線纜，提供高度便利和出色的用戶(hù)體驗(yàn)；無(wú)端口開(kāi)口可實(shí)現(xiàn)美觀設(shè)計(jì)和密封，可在惡劣環(huán)境中運(yùn)行；標(biāo)準(zhǔn)化可實(shí)現(xiàn)跨品牌的互操作性和靈活性。從邏輯上講，無(wú)線充電市場(chǎng)正在強(qiáng)勁增長(zhǎng)，2019-2025 年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為 30%，到 2025 年將達(dá)到 270 億美元。越來(lái)越多的應(yīng)用程序正在應(yīng)用無(wú)線充電以利用這些優(yōu)勢(shì)（圖 1）。英飛凌與 Spark Connected 合作，通過(guò)專(zhuān)用無(wú)線電源控制器提供完整的無(wú)線充電解決方案，包括軟件 IP、MOSFET、驅(qū)動(dòng)器、安全 IC 和應(yīng)用優(yōu)化參考設(shè)計(jì)。

無(wú)線充電給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。無(wú)線電力傳輸?shù)男嗜Q于磁性元件（線圈）和電子元件的設(shè)計(jì)。在平衡不同系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，從線圈電感超過(guò)電壓和電流水平到機(jī)械封裝和電磁干擾 (EMI)，還需要深厚的系統(tǒng)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。此外，金屬異物（例如鑰匙和硬幣）在充電過(guò)程中可能構(gòu)成安全隱患，必須通過(guò)稱(chēng)為異物檢測(cè) (FOD) 的過(guò)程進(jìn)行可靠檢測(cè)。但是，通過(guò)優(yōu)化組件以及對(duì)磁性、電子和終端應(yīng)用的高度關(guān)注，可以實(shí)現(xiàn)接近有線充電效率水平的高效無(wú)線電源系統(tǒng)。

無(wú)線充電的工作原理

無(wú)線充電使用交變磁場(chǎng)將能量從發(fā)射器線圈傳輸?shù)?a target="_blank">接收器線圈。線圈之間的能量傳輸效率稱(chēng)為“耦合”，取決于多個(gè)參數(shù)，包括線圈的機(jī)械設(shè)計(jì)、間距和對(duì)齊。在發(fā)射器側(cè)，基于 MOSFET 的逆變器將進(jìn)入無(wú)線電力發(fā)射器的直流電源轉(zhuǎn)換為交流波形，以驅(qū)動(dòng)線圈并產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。無(wú)線電源控制器實(shí)時(shí)測(cè)量和控制線圈中的電壓和電流，并實(shí)現(xiàn)與接收器的通信。為了保證安全的無(wú)線電力傳輸，OPTIGA? Trust Charge SLS32AIA等硬件認(rèn)證IC可用于向接收器驗(yàn)證發(fā)射器。一些發(fā)射器設(shè)計(jì)在一個(gè)發(fā)射器中使用多個(gè)線圈，以實(shí)現(xiàn)更舒適的接收器設(shè)備定位。然后使用 MOSFET 和驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)來(lái)接通與接收器具有最佳耦合的線圈，以?xún)?yōu)化系統(tǒng)效率。

發(fā)射器的磁場(chǎng)在接收器側(cè)感應(yīng)出交流電壓波形，使用二極管或橋式整流器將其整流為直流電壓。接收器側(cè)的調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)節(jié)電壓，使其滿(mǎn)足負(fù)載要求（例如電池）。接收器通常還包含用于通信和系統(tǒng)管理的無(wú)線電源控制器。英飛凌為無(wú)線電源系統(tǒng)提供全系列半導(dǎo)體，從 MOSFET 和驅(qū)動(dòng)器、MCU 和硬件認(rèn)證，到 BT/BLE 和 USB-PD 控制器。如需更多信息，請(qǐng)瀏覽申請(qǐng)手冊(cè)。

圖 2：無(wú)線充電發(fā)射器和接收器系統(tǒng)的一般框圖

Qi標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)線充電的主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，適用于具有無(wú)線充電功能的智能手機(jī)。為了確保安全的無(wú)線充電操作以及跨 OEM 的發(fā)射器和接收器之間的互操作性，一個(gè)由主要消費(fèi)電子和半導(dǎo)體公司支持的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在定義感應(yīng)式無(wú)線充電的標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)線充電聯(lián)盟 (WPC)。Infineon 和 Spark Connected 都是 WPC 的一部分，并積極為下一代無(wú)線電源技術(shù)做出貢獻(xiàn)，尤其是在更高功率領(lǐng)域。

更高功率無(wú)線充電的挑戰(zhàn)

在更高功率的設(shè)計(jì)中，由于更高的功率水平，與低功率無(wú)線充電相比，一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)被放大。

溝通

在 WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)中，發(fā)射器和接收器之間的通信是通過(guò)帶內(nèi)通信實(shí)現(xiàn)的。然而，當(dāng)進(jìn)入更高的功率電平時(shí)，交流信號(hào)的諧波失真會(huì)導(dǎo)致封裝丟失以及發(fā)射器和接收器之間的通信越來(lái)越困難。需要解決這個(gè)問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)可靠的大功率無(wú)線充電操作。

FOD

FOD 是實(shí)現(xiàn)安全無(wú)線電源操作的關(guān)鍵特性。WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)定義了必須超過(guò)的特定功率閾值，才能準(zhǔn)確激活異物檢測(cè)，避免不必要地停止無(wú)線電力傳輸。然而，在更高的功率水平下，在低功率（例如 5 W）下可能不會(huì)顯著加熱的同一個(gè)小異物會(huì)加熱得更多（例如在 45 W 時(shí)），因此會(huì)造成安全隱患。因此，F(xiàn)OD 需要更準(zhǔn)確，并且能夠以更高的功率水平檢測(cè)更小的物體。

熱量

為了使系統(tǒng)安全運(yùn)行，發(fā)射器和接收器側(cè)需要滿(mǎn)足某些溫度限制。在 WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)中，操作期間必須滿(mǎn)足某些溫度閾值。在較低的功率水平下，稍微降低的效率并不那么重要，因?yàn)閾p耗不會(huì)顯著加熱周?chē)h(huán)境。然而，在更高的功率水平下，之前的小損耗將導(dǎo)致大量散熱和操作停止。因此，更高功率的無(wú)線充電需要更高的效率數(shù)據(jù)。

Minotaur – 突破性的 45 W 發(fā)射器和接收器解決方案

Spark Connected 和英飛凌在其名為“The Minotaur”的 45 W 無(wú)線充電解決方案中解決了這些挑戰(zhàn)。通過(guò)仔細(xì)選擇組件和構(gòu)建解決方案，Minotaur 可以高效無(wú)線傳輸高達(dá) 45 W 的功率。它可以與當(dāng)前的 WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)完全互操作，滿(mǎn)足通信、散熱和 FOD 要求。因此，Minotaur 接收器可以在 WPC Qi 發(fā)射器上充電，WPC Qi 接收器可以在 Minotaur 發(fā)射器上充電。

通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行帶外通信

WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)中的通信通過(guò)頻率為 80-200 kHz 的帶內(nèi)通信進(jìn)行。從發(fā)射器到接收器側(cè)的通信是通過(guò)無(wú)線電源控制器通過(guò)頻移鍵控 (FSK) 實(shí)現(xiàn)的，稍微調(diào)整 MOSFET 的開(kāi)關(guān)頻率，從而改變交流波形。從接收器到發(fā)射器側(cè)的幅移鍵控 (ASK) 是通過(guò)切換一個(gè)電阻來(lái)改變接收器側(cè)電路的阻抗。通過(guò)檢測(cè)發(fā)射器側(cè)的線圈電壓和電流，可以監(jiān)測(cè)接收器側(cè)的負(fù)載變化并將其轉(zhuǎn)換為通信信號(hào)。

Spark Connected和英飛凌的Minotaur解決方案采用符合WPC Qi通信協(xié)議的帶內(nèi)通信，適用于低功耗無(wú)線充電場(chǎng)景。此外，Minotaur 解決方案能夠在更高功率的工作模式下通過(guò)藍(lán)牙切換到帶外通信，以保證穩(wěn)定的通信通道。高帶寬數(shù)據(jù)吞吐量還支持發(fā)射器和接收器之間的快速身份驗(yàn)證。英飛凌 CYW20719等藍(lán)牙 IC提供不同的封裝，并通過(guò)易于集成的軟件環(huán)境 ModusToolbox? 提供低功耗和穩(wěn)健的藍(lán)牙通信。

堅(jiān)固可靠的 FOD

標(biāo)準(zhǔn)異物檢測(cè) (FOD) 方法依賴(lài)于大型初級(jí)線圈繞組來(lái)檢測(cè)異物，這會(huì)降低靈敏度和信噪比。較小的物體很難檢測(cè)到，因?yàn)樗鼈儗?duì)大得多的初級(jí)線圈的磁場(chǎng)影響很小?，F(xiàn)有的變送器解決方案測(cè)量逆變器直流電源的功率損耗計(jì)算（電壓和電流）所需的參數(shù)。與線圈上的實(shí)際值相比，這會(huì)使測(cè)量結(jié)果失真，從而導(dǎo)致發(fā)射機(jī)損耗計(jì)算不準(zhǔn)確。

Minotaur 解決方案已通過(guò) Qi 認(rèn)證，完全滿(mǎn)足 Qi FOD 功能和性能要求。該解決方案采用精確的測(cè)量技術(shù)來(lái)提高標(biāo)準(zhǔn) Qi FOD 方法的性能：計(jì)算中使用實(shí)際電壓和電流，而不是逆變器直流功率。該解決方案更準(zhǔn)確，可以檢測(cè)更小的異物。它可以防止過(guò)度（未檢測(cè)到外來(lái)物體）或低估損失（FOD 失敗且沒(méi)有物體存在）。發(fā)射器采用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)確定存在金屬物體時(shí)充電環(huán)境是否安全。所有這些都在XMC?-SC 電源控制器系列的微控制器上運(yùn)行，這是英飛凌專(zhuān)用于無(wú)線充電的微控制器系列。

最高系統(tǒng)效率高達(dá) 95%

為了管理熱限制以保證安全的系統(tǒng)運(yùn)行，需要在更高的功率水平下達(dá)到最高的系統(tǒng)效率。在運(yùn)行過(guò)程中，Minotaur 解決方案完全滿(mǎn)足 WPC Qi 熱限制并符合 WPC Qi 標(biāo)準(zhǔn)。

圖 3：以 45 W 的無(wú)線電源運(yùn)行 45 分鐘后，發(fā)射器和接收器側(cè)的溫度測(cè)量值（來(lái)源：Spark Connected）

由于高度優(yōu)化的電源系統(tǒng)架構(gòu)，這是可能的。發(fā)射器側(cè)的逆變器由無(wú)線充電驅(qū)動(dòng)器WCDSC006驅(qū)動(dòng)，并由英飛凌具有低 R DS(on)的高性能 OptiMOS? MOSFET 技術(shù)供電。廣泛的MOSFET 產(chǎn)品組合可滿(mǎn)足廣泛的系統(tǒng)要求。在接收器側(cè)，使用有源橋式整流器來(lái)優(yōu)化效率。Minotaur 解決方案在 45 W 無(wú)線功率傳輸時(shí)達(dá)到了約 95% 的 DC-DC 效率的峰值效率水平。它還在高達(dá) 45 W 的整個(gè)功率范圍內(nèi)保持出色的效率。

圖 4：45 W 筆記本電腦發(fā)射器和接收器解決方案的高峰值效率（95% 測(cè)試和測(cè)量），發(fā)射器和接收器之間的距離為 6 毫米（來(lái)源：Spark Connected）

英飛凌與其高級(jí)合作伙伴 Spark Connected 一起提供廣泛的無(wú)線充電解決方案

Spark Connected 和英飛凌如今已經(jīng)提供了廣泛的參考解決方案（見(jiàn)圖 5）。解決方案組合包括用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備 ( The Pegasus ) 的 2 W 電感式解決方案、用于地下智能手機(jī)充電 ( The Kraken ) 的 10 W 電感式解決方案，以及用于機(jī)器人和工業(yè)應(yīng)用 ( The Ogre )的 100 W 電感式解決方案。它還具有諧振解決方案，可實(shí)現(xiàn)更大的定位靈活性。

圖 5：英飛凌/Spark Connected 無(wú)線充電參考設(shè)計(jì)路線圖。