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关于无线充电潜能 你应该知道这些点

2015-03-27 11:40
络遇
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  无线充电注定将成为智能电话、平板电脑、以及介于两者之间的新型“平板手机(phablets)” 等移动设备充电的首选方法。随着用户越来越多地需要在一天里不断补足电池能量以支持密集的互联网接入、高清游戏、视频和音频流、以及GPS导航等活动,不需用电缆的适时充电将成为常态。

  通过简单地把移动设备放置在可用的充电台上进行无线充电可以为用户提供很大的易用性和便利。但是到目前为止,无线充电系统还依然属于新奇的售后市场项目,并没有作为常规适配器和电缆的替代方案而得到认真重视。已有的无线充电系统很笨重且体积庞大,需要把移动设备插入到充电套筒然后才可以放置在充电台上充电。此外,这些系统往往都是采用专有的技术,来自不同制造商的设备之间缺乏互操作性。无线充电系统的零售价格也比较高,充电台在80到100美元,充电套筒在30到40美元。因此,无线充电系统的销售和市场渗透率一直不佳。

  但是,无处不在的无线充电系统需求也预示着巨大潜力。IHS Technology分析师在《2014年无线充电报告》(Wireless Power Report 2014)中预测,无线充电发射器和接收器的出货量销售额将从2013年的2.16亿美元上升到2018年的85亿美元,期间有将近40倍的增长。

  从新奇到必需

  HIS对于未来无线充电市场的信心来源于几个方面,其中之一是行业领先的企业或组织已经开始走到一起,并着手开发使来自不同制造商的无线充电系统和移动设备之间具有互操作性的行业标准,其中包括软件和零部件公司、手机制造商和网络运营商。

  在那些积极帮助开发无线充电标准的半导体厂商当中,IDT公司是无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)和Alliance for Wireless Power(A4WP)的董事会成员,并与Power Matters Alliance(PMA,电源紧要联盟)保持着密切的联系,这些都是无线充电行业的主要标准组织。在2014年年初,PMA与A4WP实现合并。

  无线充电生态系统有两个技术途径:磁感应和磁共振。WPC和PMA标准组织的活动都集中在磁感应,而A4WP则是在支持基于磁共振标准的技术。一些磁感应解决方案已经在大规模生产,但磁共振技术则是在2014年年底进入量产应用。这两种技术的简单比较可以说明它们在应用中的主要区别:磁感应需要紧密耦合,在X/Y方向的位置偏差达到最小时可实现最高效率水平;而磁共振允许更大的空间自由度,但它无法实现基于磁感应技术的高峰值效率。

  图1:在位置偏差最小时,磁感应技术可实现更高的效率水平。即使发射器和接收器距离很近,磁共振也不能达到与磁感应同样的性能,但在位置偏差增大时,其效率不会很快降低。

  WPC已经公布了Qi低功率规范,它定义了功率发射器和接收器之间非接触式电能传输接口、相关的性能要求和一致性测试规范。所有携带Qi标识的设备都保证与WPC规范兼容,因此彼此之间可互操作。同样,满足PMA标准的设备也会有PMA的互操作性标识。无线充电标准不断发展强大的进一步标志是IEEE无线电源和充电系统工作组(Wireless Power and Charging Systems Working Group,WPCS-WG)的成立和IEEE P2100.1无线电源和充电系统标准规范(IEEE P2100.1 Standard Specifications for Wireless Power and Charging Systems)的制定。 IEEE P2100.1针对电源和负载设备创建了无线电源和充电规范。虽然IEEE P2100.1目前局限于使用磁感应耦合技术,将来也要考虑其它技术。

  要想使车辆、交通枢纽等公共场所、咖啡馆、体育场馆、办公室等许多预期应用场景的无线充电设施变得可行,更大的互操作性是至关重要的。在家里,通过一个共享的充电台能够对家庭所有的移动设备充电,因此有机会不再需要那些笨拙的电源适配器和线缆,同时也腾出了大量的墙壁插座。

  随着可靠标准的出现,那些对创造广泛的无线充电基础设施非常重要的组织能够致力于开发各种无线充电项目。汽车制造商对于无线充电技术的潜力很有兴趣,它能够去除汽车内部的电缆。一些知名品牌已经在最近的汽车展和在美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上演示了无线充电系统,有些项目正在采用该技术为后排座娱乐和环境光照明等车载系统供电。此外,充电台也可以设置在桌面、其他家具或台灯等设备上。

  咖啡店之类的连锁企业也很热衷于提供无线充电设施来吸引以往只是想喝点东西的客户,现在他们也需要一个快速的“电能小点(power snack)”为他们的移动设备充电。这种趋势已经被星巴克所证实。星巴克在2014年6月宣布与Duracell Powermat一起合作在美国全国范围内的店铺部署无线充电台,并在旧金山湾区首先开始。移动网络运营商也对无线充电表现出很大的兴趣。在世界移动通信大会(Mobile World Congress)上,一个著名的运营商在其展台各处安装了无线充电点,这些方便的设施可确保其团队成员能够在整个展会期间连续使用他们的移动设备。

  克服下一个障碍

  IHS Technology在其发布的无线充电报告(Wireless Power Report)中指出,一些顶级的移动设备品牌已经开始把功率接收器技术直接集成到智能手机,或者集成到能单独购买的可更换电池盖内。例如,LG公司的旗舰产品G3目前已经包括由IDT 公司IDTP9025芯片支持的无线功率接收器技术。这样通过去除一个笨拙的充电套筒,就克服了普遍接受无线充电过程中的一个主要障碍。移动设备用户不喜欢以额外的重量和尺寸等劣势来换取无线充电功能。就无线充电台而言,手机供应商可能在未来的产品包装中包括一个充电台,在任何其他需要提供无线充电的地点,还需要多个充电台。

  移动设备制造商、汽车制造商、家具制造商和其他领域的企业能否广泛集成无线充电功能的关键是成本。接收器和发射器组合的成本必须下降到显著低于80-100元美元的早期售后市场系统水平。

  早期售后市场无线充电系统的高复杂性主要导致了这些产品较高的零售价格。一个适用于充电台具有A1型磁导(magnetically-guided)单线圈功率的发射器包含90个单独的零部件,其中包括9颗IC。这些组件是必需的,不仅用来处理从发射器传送到接收器的能量,而且还要使通信符合WPC或PMA规范来设置和控制无线充电过程,并提供异物检测(FOD )等功能。可靠的FOD是无线充电中保持消费者信心的关键,用户需要确信在触摸充电台或即使在充电台附近存在金属物体都不会有安全风险,系统中不希望的电磁辐射(EMI)也必须最小化。

  集成是关键

  现在,一个单一的高集成度IC能够实现所有这些功能,可使一个典型的发射器或接收器所需的元件数量显著降低,如图1所示。这使得制造商显著降低物料清单成本,并且简化设计,使装配更加简单。

  以单芯片发射器和接收器IC集成实现的无线充电系统功能模块图。

  图2:以单芯片发射器和接收器IC集成实现的无线充电系统功能模块图。

  在一个WPC兼容无线充电系统中,在发射器端的半桥或全桥逆变器把施加的直流电压变换为交流电流后流经线圈,单线圈A1、A5或A11型,以及三线圈A6型等各种线圈配置均可适用。交流电流会在接收器线圈感应出交流电压,接收器中包含有一个同步全桥整流器,可将该交流电压转换成直流电压,然后该直流电压采用一个DC/DC开关稳压器或低压差(LDO)线性稳压器进行调节。

  IDT公司拥有一系列高集成度发射器和接收器IC,可以支持多种线圈配置、逆变器架构、发射器端输入电压范围、以及各种接收器架构,可以选择采用一个开关稳压器或LDO稳压器,以及选择一个集成式状态机(state machine)或微控制器

  在这些器件中,支持Qi A1/ A10低功率规范解决方案的IDTP9030是IDT公司的第一代产品,也是世界上第一个支持单芯片无线充电发射器设计的IC。使用IDTP9030或者IDT公司第二代支持A5/All线圈配置应用的器件IDPT9038,可以最大限度地减少对于额外的外部元件的需求,如图3所示。

  图3:单芯片IDTP9038发射器IC在A5/ A11线圈配置中最大限度地减少芯片和外部无源组件数量。

  IDTP9038集成的一个高效全桥逆变器可支持A5/A11 WPC线圈配置,并可将输入的直流电压转换成交流的线圈电流。IDTP9038还拥有调制器/解调器模块,可以检测、解调和解码WPC兼容的通信分组包。IDTP9038另外集成有一个RAM / ROM微控制器,可执行输入的解码分组包,并调整工作点,使发射功率调整匹配至接收器。IDTP9038具有多种工作模式,可支持WPC和PMA标准以及客户专有协议,通过动态检测和协议之间的切换可使无线功率传输具有最大的灵活性。

  此单芯片发射器IC IDTP9038还实现了IDT公司的多层FOD,确保用户不会被暴露在例如金属物体被放置在充电台上造成的温度过高等不安全条件下。多层FOD技术涵盖并检测所有的应用场景,例如电话在充电之前充电台上被放置了一个金属物体,或者金属物体粘在手机背面,或者充电时在手机和充电台之间插入了金属物体等。采用单芯片IC IDTP9038设计无线充电发射器,总共只需要30个零部件,而成本也不到传统分立方案的三分之一。

  IDTP9038是业界第一个兼容Qi规范、支持5V输入电压的单芯片无线充电发射器解决方案,它秉承了IDTP9030的功能和特性。更重要的是,它在业界第一次集成了反向通道通信(back channel communication)功能。这使得发射器与接收器能够进行通信和交换数据,并提供安全的双向认证(2-way authentication)。IDTP9038还有一个专用的控制电路,可以把EMI性能控制在10dB,低于CISPR要求的水平,从而不用再担心与其他敏感电子设备的干扰。

  采用IDT接收器芯片实现的内置有无线充电能力、并且适合采用充电台充电的移动设备已经面市。这些包括LG公司最新款G3智能手机,该款手机具有许多最先进的功能,其中之一即是采用IDT公司兼容WPC标准的单芯片无线充电接收器IC IDTP9025A实现的小巧无线充电功能。IDTP9025也可理想适用于无线手持设备、手机充电套筒、以及平板电脑等。

  对于可穿戴设备等要求非常小形状尺寸的应用,IDTP9026在一个40引脚2.21 mm x 3.41mm芯片级封装(CSP)内集成有一个电池充电电路和无线功率接收器。采用IDTP9026实现的总体解决方案尺寸小于30 mm2,而其他可用的解决方案尺寸高达65 mm2。IDTP9026与IDTP9038无线充电发射器IC完全兼容,IDTP9038集成有一个完整的H桥逆变器,是业界第一款兼容WPC标准、并支持5V输入的单芯片发射器方案。

  结论

  作为便携式通信基础设施的一个重要方面,无线充电正蓄势待发。行业分析师和许多商业机构现在确信,广大的消费者将会用家里、机场和汽车里的充电台给他们的手机进行无线充电。

  随着支持广泛互操作性的完善的行业标准已经到位,无线充电行业需要符合这些标准的高集成度发射器和接收器,这样才可以发挥其作为便携设备用户首选的随处充电方法的全部潜力。

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