基于消费电子的无线充电技术讨论

        前言
随着智能消费电子的普及，消费者明显能够感觉到电子类产品的屏幕不断加大、功能不断增多，而同时却变得越来越耗电，每当不能及时充电，就会致使手机关机，随之而来就会耽误很多重要事件。对于电源供电，一直以来都是半导体市场上的硬需求，什么样的产品能够帮助消费者随时供给电源？什么技术能够实现随时充？而什么样的产品能够支持这个技术？无线充电技术在2 年前被大多数人所知晓，依托于索尼、诺基亚等国际厂商推出的智能手机无线充电设备，使消费者进一步了解无线充电。今天，我们将围绕东芝电子无线充电系统对该技术进一步讨论。
无线充电技术
无线充电技术(wireless charging technology)，源于无线电力输送技术。无线充电，又称作感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备（充电器）将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于充电器与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不用电线连接，因此充电器及用电的装置都可以做到无导电接点外露。目前为止，人们知晓最多的充电方式为电磁感应充电、磁场共振充电以及无线电波充电。
●电磁感应式充电：初级线圈具有一定频率的交流电，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。目前最为常见的充电垫解决方案就采用了电磁感应。
●磁场共振充电：由能量发送装置和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在进一步研究的一种技术。
●无线电波充电：发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载作出调整的同时保持稳定的直流电压。此种方式只需一个安装在墙身插头的发送器，以及可以安装在任何低电压产品的“蚊型”接收器。
到目前为止，使用以上充电模式的主流无线充电标准有三种：Qi 标准、PowerMatters Alliance(PMA)标准以及Alliance for Wireless Power(A4WP)标准。东芝电子目前已经加入了WPC 和PMA 协会。以便更好地面对无线充电产品应用，扩展无线充电系列的芯片。如图一所示。


图一 无线充电：三种标准图释

●Qi 标准：Qi 是全球首个推动无线充电技术的标准化组织，无线充电联盟(Wireless Power Consortium，简称WPC)推出。Qi 采用了目前最为主流的电磁感应技术。
●Power Matters Alliance 标准：Power Matters Alliance 标准是由Duracell Powermat 公司发起的，而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营，拥有比较出色的综合实力。PMA 联盟致力于为符合IEEE 协会标准的手机和电子设备，打造无线供电标准，在无线充电领域中具有领导地位。
●A4WP 标准：A4WP 是Alliance for Wireless Power 标准的简称，由美国高通公司、韩国三星公司以及前面提到的Powermat 公司共同创建的无线充电联盟创建。
综上所述，无线充电技术的优点如下：
●无需连接器与电源线，便捷；
●充电器“整齐划一”摆放;
●通用规格，可随时随地充电；
●容易进行防水测试，不必担心落水


       
无线充电技术应用
从终端到生产制造，到处都充斥着无线充电的影子，正如下面图三所述，东芝电子的无线充电系统也满足这些终端的无线供电需求，从AC 适配器到送电端系统到受电端系统再到电池管理芯片最终到电池，无论该充电是接触式充电，还是非接触式，尽可能的降低系统能源损耗也变得至关重要。


图二 无线充电的实际应用示意图

东芝电子无线充电系统
东芝电子针对无线充电系统的产品分为接收端和发送端产品，其中接收端一共有四款无线电源接收器集成电路产品，分别是T6860WBG、TB6862WBG、TC7761WBG 以及TC7763WBG。以TC7761WBG 为例（图四为其系统框架图），该款接收芯片具有以下特性：
√ 整合了Qi 标准的协议认证电路；符合包括异物检测(FOD)功能的Qi 低功率
规格1.1 版本；
√ 同步整流器；
√ 5V/1A LDO 输出包括负荷开关模式；
√ 外部负荷开关驱动程序；
√ 保护电路；
√ 欠压锁定保护(PVDD / SW_DET)；
√ 过压锁定保护(SW_DET)；
√ 过压钳位保护(PVDD)；
√ 过电流限制保护(5V LDO)；
√ 过热关闭；
√ WCSP 晶圆级芯片封装方式28 (0.5mm pitch)；


图三 TC7761WBG 系统框架图


       
TC7761WBG 接收器在各个性能方面的对比情况介绍：
●性能
以TC7761/63WBG 为例，从以下图五中我们可以看到，在沉重负载情况下，东芝电子产品接收单元的效率仍会保持超过90%。


图四 TC7761/63WBG 性能对比

●效率
再举一个例子，以最初实际条件为基准，就无线系统在智能手机中实测的最大效率结果进行比较。实验环境统一设定发送端都为LG WPC-300，而接收端分别为A 公司（原配产品）以及TC7761WBG，下面文章中还会有更多的对比实验。从图六中我们可以看到，A 公司的产品最大效率为64%，而东芝半导体的最大效率为68%。这里的4%的效率差异在接收端已经十分明显。


图五 智能手机接收端最大效率数据对比图

●热能
我们从下图中的红色箭头可以看到，在5W 的输出状态下， TC7761/63 IC 温度低于竞争对手23oC。


图六 输出5W 状态下热感图像

下面我们继续对比上面提到的两个产品，对于所有电源相关设备，自发热的现象一定不陌生，下面这一组对比是用来进行发热比较。从实际出发，越来越多的客户希望能够看到芯片发热低的优势，这样从根本上改变了自发热的现象。从图八种我们看到了明显的热影像对比，分别在500mA 和600mA 的情况下，A 公司产品的热影像已经远远超过东芝电子的情况，同时在温度上也有着本质的差别。


图七 智能手机芯片接收端发热情况对比图


       
●充电时间
对于无线充电而言，优异的充电效果不仅来自充电的稳定性，而且还来自于充电时间。从下面的图中，可以看到充电时间的对比。
通过使用东芝电子产品，其效率如图所示增加了，对eco（节能环保）有贡献。对于重视eco 的制造商来说，这是很重要的社会责任感体现，针对充电市场的比较，通过限制充电能力的方法，可照顾到充电时间和芯片发热问题。这样的结果是相对于用USB 适配器充电的时间虽然变长了，但是，却大幅度改善发热问题的关键，这使得芯片的性能能够充分发挥，便于达到相同水平的USB 适配器的充电时间。对于东芝电子而言，目前正在努力扩展其产品链争取将电源转换率以及充电时间进一步改善加强。图九为目前东芝电子在售的无线充电技术产品的数据表。




图八 智能手机接收端数据比较（上图为充电时间与充电量的关系，下图为使用东芝电子产品与适配器充电时间的对比）


图九 东芝电子无线充电接收端芯片数据


       
此外，除了上面接收端产品的介绍，东芝半导体也有自己的发射端TB6865AFG，该芯片可以同时对2 个接收端进行无线充电控制。
具体数据如下：
● 27mm x 68mm 的充电面积 (A14)；
● Cortex-M3 Core；
● High Resolution PWM 8ch(100Hz step)；
● LDO 内置；
● 通用SOFT(A11/A12 用)执行完毕；
● Pre Driver 内置；
   Drive 4 x full bridge circuit；
● 12bit ADC 14ch；
● 保护电路；
   Over voltage lockout；
   Over current limit；
   Thermal shut down；
● 封装：LQFP100 (14mmx14mm 0.5mm pitch)；


图十 东芝电子接收端TB6885AWBG 系统框架图

对于无线充电而言，发送端与接收端的芯片组合后的效率也是很多工程师关注的方向，优秀的充电区域范围对最终充电产品的市场发展也有着重要的影响。例如，当你没有把手机放置在最中心的充电区域时，手机能否充上电？能充多少电？当然，这也是更多消费者也关心的话题。下图中是东芝电子无线充电解决方案(TC7761WBG+TB6885AWBG)在不同线圈条件下，不同位置的效率表现。如图十二中所示，充电位置的变动对充电效率的改变影响不大，所以，对于消费者而言，“不小心”放错地方也是能够有媲美的充电效果。


图十一 东芝电子无线充电解决方案在不同区域和线圈范围内的效率

针对无线充电系统，东芝电子正在不断地调整解决方案，作为专注于生态环保的公司，我们坚信优秀的效率与切实的实用性将造就东芝电子在这一领域的广阔市场发展。