高功率应用中的无线充电系统

各种优势推动了无线充电市场的发展：易于使用且无需线缆，提供高度便利和出色的用户体验；无端口开口可实现美观设计和密封，可在恶劣环境中运行；标准化可实现跨品牌的互操作性和灵活性。从逻辑上讲，无线充电市场正在强劲增长，2019-2025 年期间的复合年增长率约为 30%，到 2025 年将达到 270 亿美元。越来越多的应用程序正在应用无线充电以利用这些优势（图 1）。英飞凌与 Spark Connected 合作，通过专用无线电源控制器提供完整的无线充电解决方案，包括软件 IP、MOSFET、驱动器、安全 IC 和应用优化参考设计。

无线充电给设计人员带来了重大挑战。无线电力传输的效率取决于磁性元件（线圈）和电子元件的设计。在平衡不同系统参数时，从线圈电感超过电压和电流水平到机械封装和电磁干扰 (EMI)，还需要深厚的系统知识和专业知识。此外，金属异物（例如钥匙和硬币）在充电过程中可能构成安全隐患，必须通过称为异物检测 (FOD) 的过程进行可靠检测。但是，通过优化组件以及对磁性、电子和终端应用的高度关注，可以实现接近有线充电效率水平的高效无线电源系统。

无线充电的工作原理

无线充电使用交变磁场将能量从发射器线圈传输到接收器线圈。线圈之间的能量传输效率称为“耦合”，取决于多个参数，包括线圈的机械设计、间距和对齐。在发射器侧，基于 MOSFET 的逆变器将进入无线电力发射器的直流电源转换为交流波形，以驱动线圈并产生交变磁场。无线电源控制器实时测量和控制线圈中的电压和电流，并实现与接收器的通信。为了保证安全的无线电力传输，OPTIGA™ Trust Charge SLS32AIA等硬件认证IC可用于向接收器验证发射器。一些发射器设计在一个发射器中使用多个线圈，以实现更舒适的接收器设备定位。然后使用 MOSFET 和驱动器架构来接通与接收器具有最佳耦合的线圈，以优化系统效率。

发射器的磁场在接收器侧感应出交流电压波形，使用二极管或桥式整流器将其整流为直流电压。接收器侧的调节级调节电压，使其满足负载要求（例如电池）。接收器通常还包含用于通信和系统管理的无线电源控制器。英飞凌为无线电源系统提供全系列半导体，从 MOSFET 和驱动器、MCU 和硬件认证，到 BT/BLE 和 USB-PD 控制器。如需更多信息，请浏览申请手册。

图 2：无线充电发射器和接收器系统的一般框图

Qi标准是无线充电的主导标准，适用于具有无线充电功能的智能手机。为了确保安全的无线充电操作以及跨 OEM 的发射器和接收器之间的互操作性，一个由主要消费电子和半导体公司支持的标准机构正在定义感应式无线充电的标准：无线充电联盟 (WPC)。Infineon 和 Spark Connected 都是 WPC 的一部分，并积极为下一代无线电源技术做出贡献，尤其是在更高功率领域。

更高功率无线充电的挑战

在更高功率的设计中，由于更高的功率水平，与低功率无线充电相比，一些设计挑战被放大。

沟通

在 WPC Qi 标准中，发射器和接收器之间的通信是通过带内通信实现的。然而，当进入更高的功率电平时，交流信号的谐波失真会导致封装丢失以及发射器和接收器之间的通信越来越困难。需要解决这个问题，以实现可靠的大功率无线充电操作。

FOD

FOD 是实现安全无线电源操作的关键特性。WPC Qi 标准定义了必须超过的特定功率阈值，才能准确激活异物检测，避免不必要地停止无线电力传输。然而，在更高的功率水平下，在低功率（例如 5 W）下可能不会显着加热的同一个小异物会加热得更多（例如在 45 W 时），因此会造成安全隐患。因此，FOD 需要更准确，并且能够以更高的功率水平检测更小的物体。

热量

为了使系统安全运行，发射器和接收器侧需要满足某些温度限制。在 WPC Qi 标准中，操作期间必须满足某些温度阈值。在较低的功率水平下，稍微降低的效率并不那么重要，因为损耗不会显着加热周围环境。然而，在更高的功率水平下，之前的小损耗将导致大量散热和操作停止。因此，更高功率的无线充电需要更高的效率数据。

Minotaur – 突破性的 45 W 发射器和接收器解决方案

Spark Connected 和英飞凌在其名为“The Minotaur”的 45 W 无线充电解决方案中解决了这些挑战。通过仔细选择组件和构建解决方案，Minotaur 可以高效无线传输高达 45 W 的功率。它可以与当前的 WPC Qi 标准完全互操作，满足通信、散热和 FOD 要求。因此，Minotaur 接收器可以在 WPC Qi 发射器上充电，WPC Qi 接收器可以在 Minotaur 发射器上充电。

通过蓝牙进行带外通信

WPC Qi 标准中的通信通过频率为 80-200 kHz 的带内通信进行。从发射器到接收器侧的通信是通过无线电源控制器通过频移键控 (FSK) 实现的，稍微调整 MOSFET 的开关频率，从而改变交流波形。从接收器到发射器侧的幅移键控 (ASK) 是通过切换一个电阻来改变接收器侧电路的阻抗。通过检测发射器侧的线圈电压和电流，可以监测接收器侧的负载变化并将其转换为通信信号。

Spark Connected和英飞凌的Minotaur解决方案采用符合WPC Qi通信协议的带内通信，适用于低功耗无线充电场景。此外，Minotaur 解决方案能够在更高功率的工作模式下通过蓝牙切换到带外通信，以保证稳定的通信通道。高带宽数据吞吐量还支持发射器和接收器之间的快速身份验证。英飞凌 CYW20719等蓝牙 IC提供不同的封装，并通过易于集成的软件环境 ModusToolbox® 提供低功耗和稳健的蓝牙通信。

坚固可靠的 FOD

标准异物检测 (FOD) 方法依赖于大型初级线圈绕组来检测异物，这会降低灵敏度和信噪比。较小的物体很难检测到，因为它们对大得多的初级线圈的磁场影响很小。现有的变送器解决方案测量逆变器直流电源的功率损耗计算（电压和电流）所需的参数。与线圈上的实际值相比，这会使测量结果失真，从而导致发射机损耗计算不准确。

Minotaur 解决方案已通过 Qi 认证，完全满足 Qi FOD 功能和性能要求。该解决方案采用精确的测量技术来提高标准 Qi FOD 方法的性能：计算中使用实际电压和电流，而不是逆变器直流功率。该解决方案更准确，可以检测更小的异物。它可以防止过度（未检测到外来物体）或低估损失（FOD 失败且没有物体存在）。发射器采用人工智能和机器学习来确定存在金属物体时充电环境是否安全。所有这些都在XMC™-SC 电源控制器系列的微控制器上运行，这是英飞凌专用于无线充电的微控制器系列。

最高系统效率高达 95%

为了管理热限制以保证安全的系统运行，需要在更高的功率水平下达到最高的系统效率。在运行过程中，Minotaur 解决方案完全满足 WPC Qi 热限制并符合 WPC Qi 标准。

图 3：以 45 W 的无线电源运行 45 分钟后，发射器和接收器侧的温度测量值（来源：Spark Connected）

由于高度优化的电源系统架构，这是可能的。发射器侧的逆变器由无线充电驱动器WCDSC006驱动，并由英飞凌具有低 R DS(on)的高性能 OptiMOS™ MOSFET 技术供电。广泛的MOSFET 产品组合可满足广泛的系统要求。在接收器侧，使用有源桥式整流器来优化效率。Minotaur 解决方案在 45 W 无线功率传输时达到了约 95% 的 DC-DC 效率的峰值效率水平。它还在高达 45 W 的整个功率范围内保持出色的效率。

图 4：45 W 笔记本电脑发射器和接收器解决方案的高峰值效率（95% 测试和测量），发射器和接收器之间的距离为 6 毫米（来源：Spark Connected）

英飞凌与其高级合作伙伴 Spark Connected 一起提供广泛的无线充电解决方案

Spark Connected 和英飞凌如今已经提供了广泛的参考解决方案（见图 5）。解决方案组合包括用于低功耗物联网设备 ( The Pegasus ) 的 2 W 电感式解决方案、用于地下智能手机充电 ( The Kraken ) 的 10 W 电感式解决方案，以及用于机器人和工业应用 ( The Ogre )的 100 W 电感式解决方案。它还具有谐振解决方案，可实现更大的定位灵活性。

图 5：英飞凌/Spark Connected 无线充电参考设计路线图。

审核编辑：刘清