几个最具代表性的15W Qi无线充电产品和方案

安富利 发表于 2018-04-27 08:59:54 收藏 已收藏
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几个最具代表性的15W Qi无线充电产品和方案

安富利 发表于 2018-04-27 08:59:54
iPhone在无线充电领域的选边站队,让无线充电的标准之争暂时告一段落——虽然AirFuel力推的磁共振式无线充电标准有诸多优势,但是市场的天平已经向WPC的Qi磁感应技术倾斜,至少在在未来的几年内各厂商不用担心站错边,可以在无线充电市场放手一搏了。

不过经验告诉我们,告别了标准的困扰,接下来很快就会进入到硬碰硬的竞争,大家势必会在一些核心的性能指标上展开角力。

其中,功率一定会是一个核心的竞争焦点。以往充电功率低,一直是无线充电的软肋,特别是有线充电前几年打出了一波“快充”攻势之后,目前主流的有线快充功率都是在20W上下,而无线充电还在5W徘徊。

实际上早在2015年,WPC公布的新一代Qi标准已经支持最高15W的中等功率充电,理论上这已经可以与有线快充技术比肩。但也许是受到无线充电市场整体趋势的影响,在过去两年中市场上相关的产品和方案并不活跃。

而在苹果宣布推出采用定频调压架构、7.5W的无线充电方案之后,中等功率无线充电市场似乎被激活了,各个厂家更大功率的无线充电方案都在跃跃欲试,希望能够在市场竞逐中争得好位置。

图1,无线充电系统示意图(图片来源:IDT)

在无线充电解决方案中,发射和接收控制器处于核心的地位,所以各个深耕Qi无线充电标准的厂商,也都以此类产品为龙头,来带动整个参考解决方案的开发。

我们从市场中选取了几个最具代表性的15W Qi无线充电产品和方案,从中和大家一起体会行业发展的脉动。

今年3月8日,WPC发布了最新的Qi标准版本V1.2.4,新版本不仅将认证标准统一为以前针对中功率充电的EPP(Extended Power Profile)规范,也更为关注产品和方案在充电稳定性、充电效率、FOD、对手机的干扰等方面的性能表现,这被视为无线充电技术和市场升级的一个标志。对于这种技术演进的预判和响应,也已经体现在以下这些产品和方案中,值得细细品味。

新唐科技

新唐科技基于其Mini55 32位MCU开发出符合Qi标准EPP规范的发射端解决方案。Mini55内置ARM Cortex-M0内核,有丰富外设资源,可灵活增添功能,具备高性能、低功耗的优点,主要负责解码接收端发送的信号,据此调整脉宽调制信号(PWM)的频率,控制谐振电路之频率改变充电电流,从而满足发射端的要求,增加了动态功率调整功能,当输入功率不足时,也能保证充电。

该方案符合Qi V1.1.2 A11标准,兼容Qi标准接收器,具有金属异物检测功能 (FOD)、过温与限流等保护功能,确保使用者安全。

图2,新唐科技的15W Qi无线充电发射端解决方案(图片来源:安富利

IDT

很多专注于无线充电领域的公司,通常会推出发射端+接收端的整体解决方案。比如下面这款参考设计就是基于IDT的发射控制器P9242-R和接收控制器P9221-R开发的15W无线充电完整解决方案。

P9242-R是一款为15W电磁感应无线充电应用而设计的符合WPC 1.2标准的高集成度发射端控制器,可以在4.25V至21V的宽输入电压范围内工作,实现86%的端对端效率。

它内置ARM Cortex-M0内核、FOD功能、全桥驱动器和片内同步电源和电源检波功能,通过一个I2C借口去读取外部反馈的电压、电流和故障状态信息,以做出及时精准的调控。

图3,基于IDT P9242-R的15W Qi无线充电发射端方案框图(图片来源:安富利)

图4,基于IDT P9242-R的15W Qi无线充电发射端方案实物图(图片来源:安富利

与P9242-R配对使用的是P9221-R接收端控制器,用于将AC电源信号整流为9-12V的DC输出电源。该器件集成了低RDS(ON)的同步整流器和超低压差的稳压器,实现了高效率。

该器件也是通过一个内置的ARM Cortex-M0内核来完成接收端和发射端之间的匹配优化,可以实现可编程的输出电压设定(包括5V、9V和12V)。支持15W中功率无线充电的特性使得该器件适用于需要快充功能的手机、平板电脑、医疗设备和其他配件。

图5,基于IDT P9221-R的15W Qi无线充电接收端方案框图(图片来源:安富利)

图6,基于IDT P9242-R的15W Qi无线充接收端方案实物图(图片来源:安富利

STMicroelectronics

意法半导体(STMicroelectronics)也是一家积极跟进无线充电动向的公司。因应Qi标准的更迭,ST推出了支持EPP规范的15W发射端控制器STWBC-EP,该控制器的待机功耗仅16mW,端到端的效率能够达到80%,此外位置检测、FOD、Q因数测量的功能也一应俱全。

STWBC-EP集成有一个DC/DC升压转换器和控制器,以及Qi充电算法固件,开发者无需在设计中集成软件和使用额外微控制器,即可完成方案设计。

DC/DC转换器和控制器协同产生输出功率和控制信号,传送到外部半桥功率级,用于驱动充电发射电路天线。该架构让设计人员能够灵活地优化外部半桥及相关栅极驱动器,支持5~12V的电源电压,确保兼容USB快充。

图7,基于ST STWBC-EP的Qi无线充电发射端参考设计(图片来源:安富利)

在接收端,ST的方案是基于15W接收控制器芯片STWLC33。这款电磁感应式无线充电接收器可以同时支持Qi 1.2和AirFuel感应式无线充电两种协议,而且可以根据需要将自己的“角色”由接收器切换为发射器模式,为其他设备供电。该芯片还集成了高效率同步整流器、低压差线性稳压器以及输入电压调节环路,可实现的系统总效率高达80%。

图8,STWLC33接收控制器系统框图(图片来源:安富利

NXP

NXP是最早投身于15W Qi标准制定和技术方案开发的厂商,所以提到更高功率的无线充电方案显然不会缺席。以下图8所示,是由Avnet开发的两款中功率无线充电发射端解决方案,其采用的就是NXP的MWCT10xx发射控制器。

它们都支持最新的Qi MP v1.2.4标准,并向下兼容以前的低功率无线充电标准版本。方案A可以支持高至15W的无线充电功率,方案B则可支持苹果的7.5W以及三星的10W无线快充功能,为开发者提供更多的选择。

图9,基于NXP MWCT10xx的中功率Qi无线充电发射控制端方案(图片来源:安富利

在上述的方案中,同样体现出安富利充分利用优势资源的设计整合能力,从下列的BOM中,我们可以看到一众优质芯片供应商的产品都被囊括其中。

表1,方案A核心元器件BOM

表2,方案B核心元器件BOM

总之,15W的无线“快充”时代已经来临,此时备足粮草、积极应战已经是想要淘金无线充电市场的玩儿家必然的选择。从我们粗粗的盘点来看,今后技术、市场上演的戏码,应该是看点十足。

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