松耦合无线充电方案详解

无线充电的愿景，是无论何时何地，无需配对或兼容的插座或线缆就可对电子设备进行充电。然而，第一代紧耦合或磁感应无线充电技术在这方面有很大局限性：它要求必须将设备置于充电垫上并对准精确的位置，其充电范围有限且不能同时为多个设备充电。此外，金属的干扰对该技术非常致命，因为紧耦合技术采用100kHz~200 kHz的频率范围，而金属在此范围有最高的热感应，因此在有硬币或钥匙等金属物体附近无法使用紧耦合方案进行无线充电，否则将构成安全隐患。

与紧耦合技术相比，松耦合的限制少了许多。无线充电三大联盟分别是：无线充电联盟WPC（Wireless Power Consortium）/Qi、电力事业联盟PMA（Power Matters Alliance）以及无线电力联盟A4WP（Alliance for Wireless Power）。其中，Qi和PMA采用磁感应技术，而A4WP采用的是非接触式充电的磁共振技术，即基于松耦合的无线充电技术，其自有品牌为Rezence，它采用6.78 MHz频率，不仅克服了紧耦合技术的诸多局限性，而且通过使用现有蓝牙智能技术，最大限度地降低对制造商的硬件要求。

近年来，无线通信市场发展日新月异，各种新兴的电子产品层出不穷，不断方便我们的日常生活。作为全球领先的高性能、高能效半导体方案供应商，安森美半导体凭借广博的技术专长及微型化封装优势，以智能手机、逾1,000万像素的高分辨率拍照、大功率要求、快速充电及无线充电、LTE等领域为通信市场增长动力，为智能手机、平板电脑、可穿戴设备等无线及便携式应用提供宽广阵容的产品及方案，包括用于拍照模块的图像传感器、自动对焦和光学影像稳定方案、电源和电池管理(包括智能有线及无线充电)、RF调谐、ESD保护、共模滤波器、EEPROM等等，持续推动无线及便携市场的高能效创新。

无线充电市场趋势

对于所有需要电池的便携式产品，无线充电无疑是一大令人兴奋的新技术，可以摆脱充电器和线缆的束缚，随时随地进行充电。

早期的手机有线充电器规格为5 V/1 A，随着智能手机、平板电脑的兴起，以及这类便携产品更快的应用程序处理器、更快的无线上网速度、更大的屏幕及更大容量电池的发展趋势，充电器也逐渐演进至3种充电方案：1）智能充电器，规格为5-12 V/1-4 A，能效视乎智能手机厂商与墙插式适配器制造商的设计。2）移动电源On-the-Go(OTG)或一般称为充电宝，能效视乎设计。3）无线充电。

无线充电技术于2015年开始加速发展，当前已有智能手机厂商为手机添加无线充电模块，以增强其产品竞争优势，但只限于第一代的紧耦合技术。无线充电除了紧耦合方案，还有松耦合，以及兼容紧耦合和松耦合的多模方案。

无线充电的愿景，是无论何时何地，无需配对或兼容的插座和线缆就可对电子设备进行充电。然而，第一代紧耦合或磁感应无线充电技术在实现此一愿景方面有很大局限性：必须将设备置于充电垫上并对准精确的位置，其充电范围有限且不能同时为多个设备充电，也不能在金属附近使用。紧耦合技术采用100至200kHz的频率范围，而金属在此范围有最高的热感应，所以在有硬币或钥匙等金属物体附近无法使用紧耦合方案进行无线充电，否则将构成安全隐患。

基于松耦合或磁共振或品牌称为Rezence的下一代的无线充电技术是基于空间自由的概念，扩展无线电源应用“超越充电垫”和配件市场至几乎任一移动电子设备或表面，采用6.78 MHz频率，不仅克服上述紧耦合技术的局限性，而且通过使用现有蓝牙智能技术，最大限度地降低对制造商的硬件要求，也令将来实现智能充电区成为可能，使得无论是在家里还是在公共场所，都可将多台无线及便携设备自由地放置到任意表面随时随地进行充电，从而形成无线充电生态圈。这是因为在这些表面下安装有无线功率发射器，电力传输会根据发射器功率级别(Class)和相应的接收器功率类别(Category)及需要充电的设备数量而进行。例如，级别为3的发射器可传输16 W的功率，而智能手机的接收器类别为3即6.5 W，那么它可同时为2台智能手机充电。由于能同时为多个不同功率要求的设备充电，松耦合无线充电技术将是实现物联网的重要组成部分。


图1. 松耦合比较紧耦合

今年6月，电力事业联盟(PMA)和无线电力联盟Alliance for Wireless Power(A4WP)合并，合并后的联盟最近正式宣布更名为AirFuel Alliance，将致力整合紧耦合和基于Rezence的松耦合技术，开始是实现多模无线充电，即磁感应和磁共振并存一段时间，但最终会朝向松耦合发展，并预计会成为无线充电的标准，也会为世界大部分的市场所采纳。AirFuel Alliance拥有全球科技品牌、供应链和市场领导者组成的超过195家公司成员，如高通、三星、联想及安森美半导体等，且其在产业的势头还在迅猛扩增。值得一提的是，安森美半导体的应用产品部执行副总裁兼总经理高腾博(Bob KIosterboer)代表公司出任董事会。

标准的统一是无线充电得以大量普及的重要因素。AirFuel Alliance已发布Rezence基本系统标准(BSS) 1.2.1标准，并与中国通讯标准化协会（CCSA）、日本横须贺研究园宽带无线论坛（BWF）和韩国电讯技术协会（TTA）签署了合作协议，旨在采纳该最新标准作为各自独立管理的国家无线电力传输技术标准元素。此外，蓝牙技术联盟(SIG)也已发布包含Rezence无线充电标准的蓝牙低能耗(BLE)配置档。美国已通过首个松耦合无线充电的发射器，预计采用松耦合的终端电子设备将于今年底或2016年初面世。相信配置发射器和接收器的基础设施就绪，松耦合的发展指日可待。      

安森美半导体的无线充电方案

安森美半导体持续致力于推动高能效创新，作为AirFuel Alliance的董事会成员，一直积极配合市场趋势推动Rezence标准，开发出一系列产品和方案以支持无线充电应用工作于6.78 MHz，包括发射端的电源管理单元(高达50 W)、接收端用于智能手机的4-20 V整流桥、4-12 V电池充电器、100 V USB防浪涌OVP、接收端用于非智能手机的1-20 V整流桥、4-12 V电池充电器等等。


图2. 安森美半导体松耦合无线电力系统产品阵容(绿色方框)

为满足多台设备同时进行无线充电的不同功率级别并优化电源能效，安森美半导体积极开发动态功率调谐方案，可根据不同终端设备的不同功率要求进行动态功率调谐，保护低功率设备免受损伤，并优化无线充电发射器和接收器之间的电源传输能效。
随着全球LTE智能手机的激增，RF复杂度日增，再加上智能手机的物理设计越来越倾向于更大屏幕区、更纤薄、全金属外壳，智能手机需要优化技术以适应持续增加的频谱分配方案和载波聚合的可能性，通过RF调谐以确保天线在所有频带上保持高能效。安森美半导体提供不同的RF调谐方案，能优化每个需充电设备的功率所需，使发射器如基站般，调谐发射器的功率，达到最佳接收，进行充电，避免因功率过载而烧毁设备。如手机只需5W，便只供5W功率充电。

在整流方面，安森美半导体目前提供符合Rezence标准的6.78 MHz快速开关整流器NSR1030QMU和NSR2030QMU的样品，具超低正向导通压降Vf，能承受30V的反向电压VR，额定正向电流IF分别为1 A和2 A，采用UDFN封装，适用于空间受限的产品应用。

又如安森美半导体的开关电池充电器NCP185x系列，充电电压范围3.3 V-4.5 V，支持反向USB OTG和快充模式，集成过压闭锁和过压保护功能，采用CSP封装，关键特性及参数如下表所示。


表1. NCP185x系列关键特性及参数概览

此外，安森美半导体的无线充电前端接收器电源管理单元(PMU)，以高达99%的传输能效预扩展无线能量，为移动无线充电生态系统提供系统遥测和所需保护，通过I2C可编程的平台扩展灵活性，并集成一系列保护机制；电源多路切换开关可为单输入电池充电器提供2个不同的充电输入；无线充电发射器PMU为6.78 MHz电力发射单元提供电源、监测和所需的支持功能，并耦合到蓝牙信号协议(BLE)，有助于通过电力传输管理来调节和优化施加到发射线圈的电力；为提升可靠性，安森美半导体还提供ESD保护器、EMI滤波器及高浪涌TVS保护器。

虽然无线充电可能比不上有线充电能效高，但提供了巨大的方便性和灵活性，将成为未来趋势。除了智能手机，平板电脑、可穿戴设备、笔记本电脑、媒体播放器、数码相机、无线耳机、电脑周边产品、小型家电、助听器等移动设备厂商也都将推出支持无线充电的产品。无线充电技术还将有助于突破电动车充电瓶颈，推进汽车电气化的发展趋势。预计到2020年，整合无线充电功能的设备将达18亿台。而随着标准的逐步统一，松耦合技术将得以大规模普及应用。据美国市调公司IHS预测，到2017年，松耦合技术料将成为主流无线充电技术。


图3. 支持无线充电的设备出货量

结语

基于松耦合的Rezence下一代无线充电技术，将成为打造未来无处不在的无线充电世界的主流技术，以方便各类设备的供电，从智能手机及可穿戴设备至平板电脑、笔记本电脑、助听器、电动工具等等。无线充电技术行业领导者AirFuel Alliance将致力推动从传统的墙插式充电到全面采用无线充电生态系统的重大转变。安森美半导体基于在无线和便携式设备市场的广阔技术和无引脚微型封装优势，以世界一流的供应链，服务于需求量大、要求产品快速上市的无线设备市场。作为AirFuel Alliance的董事会成员，安森美半导体引领松耦合无线充电市场，提供用于松耦合无线充电市场的电源管理器件和自适应功率调谐发射和接收器件等一系列高能效关键元件，推动无线充电的发展，促成无处不在的无线充电世界。