无线充电解决方案及集成趋势

电子工程专辑 发表于 2018-05-02 09:28:31 收藏 已收藏
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无线充电解决方案及集成趋势

电子工程专辑 发表于 2018-05-02 09:28:31

无线充电的应用场景广阔,从功率分布看,从小于5W(如可穿戴设备)到数W(如手机/平板、笔记本电脑、电动工具、厨电)到kW级(如汽车)都会出现。随着华为、小米等国内手机将无线充电作为标配,2018年手机带来的无线充电改变会非常大。其中,7.5W和10W将成为主力。

图:活动现场

同时,在今年春节前,市场上做的5W方案非常多。这些方式比较原始,在今年只会成为礼品市场。但是,这一市场对无线充电的要求也会越来越高。发热将是无线充电需要解决的一个主要问题。

这是日前在ASPENCORE旗下《电子工程专辑》、《EDN》和《国际电子商情》共同举办的“无线充电与快速充电技术论坛”上,微源半导体总经理戴兴科在其“无线充电现有解决方案及未来思考”演讲中所谈到的问题。同时他也重点谈及了无线充电未来发展的五点思考。笔者也注意到他们家一个比较特别的产品——协议(诱骗)芯片。

图:微源半导体总经理戴兴科在技术论坛上做精彩演讲

无线充电市场目前的理解

首先他谈论了我们现在对无线充电的理解,如下:

无线充电技术已存在多年,Apple发布iPhone X后得到爆发性成长

无线充电应用的产品非常广,如IoT、手机、笔记本电脑、电动工具、汽车等

无线充电应用的场景非常广,如家用消费、办公室、车用、公共场所、共享领域等 *无线充电应用的标准不统一,如WPC Qi、PMA、A4WP

无线充电应用的需求大,如每人的手机充电需要3台以上不同应用场景

目前,无线充电的实现方式主要有电磁感应和磁共振两种,前者是主流。苹果手机采用的电磁感应技术是定频调压方式,这对做SoC或系统级的人来讲,是一场小小的革命,因为整个电路和软件都得要修改,他表示。

据某市场咨询公司预测,2018年无线充电的出货量将达到6亿台以上。“但从实际来看,2018年会远远超出这一数据——光深圳就有3000家以上的无线充电厂家,而且我们公司每天有50家客户在增加。这么多公司在做,一定会促进发射端数量的突破。我个人认为,无线充电会是一种刚需。当你没有用的时候,你会理解它又慢又发热,效率也不高。但这三个不足之处可能跟个人的使用习惯有关。当你用过之后才会觉得它非常方便。”他指出。

无线充电解决方案及集成趋势

下图是无线充电的原理结构,它采用磁场耦合的方式。“大约在5年前,无线充电刚出现的时候,我理解的是,无线充电其实就相当于一个电磁炉,里面就一个MCU,是系统厂商的机会,跟电源管理没有什么关系。随着快充出现,无线充电突然就消失了。但现在随着苹果手机引入,这个市场又重新起来。我们觉得这一波无线充电会来得比较猛。”戴总谈到。

从电路原理结构上来讲,Tx和Rx端非常简单。在Tx端,MCU控制驱动器,然后控制MOSFET,再通过电容耦合给线圈。再通过传感采样,告诉MCU功率到了多少,然后调整。这个线路有它的局限性。“比如说前几天,我们用iPhone X在一个客户的板子上试,充到了9V/1.3A,也不知道对不对。但是苹果工作的功率是7.5W,我不知道是控制错了,还是我的手机有问题。”戴总指出,“现在功率的部分,其实大家说的5W、7.5W和10W,到最后并不是核心的参数。当我把手机拿进一点或隔远一点,它的功率变化非常大。因此,整个无线充电的设计不只是电路的部分,结构(包括线圈的大小、线圈的摆放方式等)也决定最终功率是多少。”

判断一家SoC或MCU的公司,它的方案是否成熟,主要在于SoC/MCU的采样和控制准不准,因为其他的硬件都一样。

在无线充电上,微源的解决方案主要给MCU/SoC周边做配套,包括驱动芯片LP1111和上下半桥MOSFET。

“我们觉得,无线充电最终将会是价格战,它没有什么太多的地方(功能)可以玩。”戴总说。

现在无线充电电路板上的元件还比较多,在大批量生产时容易出现加工问题、贴片问题等。因此业界也在思考,如何简化上面的元器件数量。包括最近电阻涨价,也让大家措手不及。“我最近去到一个客户那里,当它一个月贴到2kk时,一颗电阻、一颗电容对它来说都是大问题。因此我们做了一颗双驱动芯片LP1120。这样做H桥的时候,一颗驱动加2颗MOSFET就可以完成。”戴总说。另外还有驱动芯片+MOSFET的组合芯片LP1130,这样一颗SoC加2颗LP1130,就完成了整个主回路设计。而且LP1130是用SO8封装,非常方便生产。另外微源也在做一颗更高集成度的芯片,LP1140,它集成了2颗驱动、2颗MOSFET和电压电流采样,采用SOP16封装,这样一颗SoC加一颗LP1140就完成了设计,可以更大程度地方便生产,降低成本。

基于这个思考,未来的无线充电可能只需要一颗MCU(覆盖协议部分)加一颗后装ASIC,再加电容和线圈就完成了最终的布局。这样更有利于无线充电的普及,也可以更进一步缩小电路板尺寸。

另外,无线充电应用在汽车上是一个非常标准的场景。因为汽车环境非常恶劣,所以需要保证无线充电在车上能安全使用。目前在车载充电器这部分,微源有1A到6A的产品供各位使用,这些产品提供汽车所需各种保护机制。“对于消费类厂商进入到车载市场,还是有一些门槛,里面的坑太多了。我们家用了4年的时间,把里面的坑(包括高温、高压、冲击等)都拆了。”他补充。

另外笔者还听到一款特别的产品,叫协议(诱骗)芯片。“我们看到现在在做7.5W、10W的厂商,国内的MCU明显滞后。它们目前最大的问题就是协议的兼容性做不好,因为它们想用最便宜的MCU去带动市场,然后出来的电压去跟各种协议芯片握手的时候非常不准确。在这种需求下,我们做了一颗协议诱骗的芯片。这样MCU+这颗诱骗芯片,就可以把市面上百分之七八十的快充充电器的电给诱骗出来,进行快充。这颗芯片采用ASIC方式,所以它的握手非常成功。它可以保证MCU信号的上升沿下降沿非常准确。”戴总解释说。

无线充电未来的五点思考及戴总观点

1.SoC内置驱动与分立方案的优劣势是什么?

目前,一些芯片商可能会推出驱动内置的SoC。这样可以让BOM变得简单一点,让供应链变得可控一点。从成本来看,SoC和驱动是两种完全不同的工艺。从芯片设计的角度说,驱动需要高压工艺,是模拟器件;SoC是5V工艺,是数字器件。对于数字芯片,工艺越小越好(比如台积电现在到7nm),成本越低。但我们驱动器现在采用110nm,就没有想法再往下做,因为对模拟部分来说,最重要的是电压、电流的能力以及精度的可靠性。对MCU则追求的是运算能力、成本和引脚数等。因此,如果将这二者组合起来,成本至少上升3倍以上,未来没有意义——现在还有意义,因为SoC现在单价还高,但不久的将来将会到1元RMB以下。从芯片设计的角度,MCU内置驱动对于5W的应用会有优势,因为它不需要高压,而对于5W以上的应用,理论上它不会有任何优势——现在还有优势,因为驱动目前单价也还太高。

2.单芯片半桥全桥与分立方案的优劣势是什么?

国内有一家公司出了一颗H桥的单芯片SoC,搭配它们自己的方案在我们那推广。但我们看到spec之后在想,这样的单芯片方案真的是客户需要吗?它的功率怎么样做到兼容?它里面非常致命的是MOSFET该做多大。这对成本管控会是个很大的问题。一切的需求是来自于现在整个无线充电供应链,它的成本大家都还有“肉”。到只剩“骨头”的时候,SoC的方案会消失。它不可能做得过分立方案,比如我们的驱动做成SO8,第一这种配置非常通用,而且没有产能和成本问题。这种方案已经做到了极限。因此,SoC在某个阶段可能有优势,但是从长远来看,针对不同功率,它可能优势体现得不一样。

3.无线充电对于体积的需求是否会大于对成本的需求?

显然,无线充电对成本的需求大过对体积的要求。对用户来说希望的是,手机放上去是稳稳的。当然,小的产品有,比如像给可穿戴设备去用的。

4.SoC与简易MCU在无线充电未来的前景如何?

现在有很多客户都对外说自己是SoC方案,那么SoC和MCU到底哪种将成为未来的主流?我认为还是取决于成本。因为MCU成本现在已经非常便宜了,这么多年也逐渐成熟,SoC离成熟还有距离。

5.无线充电效率的提升与减小发热的方向如何?

目前我们测到的效率在85~86%,88%已经是极限了。那么如何把效率提升到95%,这是行业内所有人都应该去思考的。那么电容耦合真的是唯一的方案吗?

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