英飛凌無線充電解決方案——集成專用微控制器、MOSFET、驅動器和IP軟體

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作者：Ralf K?del（英飛凌微控制器營銷總監）

Verena Lackner（英飛凌無線充電應用營銷部）

無線充電技術和應用因其便捷性、移動性、靈活性和多設備集成等諸多優點正高速發展。預計2016-2023年，無線充電市場複合年均增長率（CAGR）可超過30%。通過使用多線圈感應或諧振充電技術，無線充電技術正從一次只能為一台設備充電發展為能同時為多台設備充電。整個無線充電系統成功的關鍵是讓無線充電技術向智能手機以外的應用領域擴展，如可穿戴設備、醫療器材、機器人、無人機和收銀機等。

目前無線充電產品的設計師也面臨諸多挑戰，他們不僅要面對磁性方面的問題，還需解決效率、機械封裝和電磁干擾（EMI）的問題。如果有優化的組件，滿足一些特定的基本條件，如充電器和被充電設備的對齊方式、線圈尺寸及線圈間距相對線圈尺寸的比例等，充電器則能達到良好的耦合係數，並能提高充電效率。此外，金屬異物（如硬幣和鑰匙）可能干擾充電，必須能夠被檢測出來（異物檢測，FOD）。英飛凌擁有支持無線充電設計的專用微控制器、MOSFET、驅動器、IP軟體和參考設計，可有效解決所有上述挑戰。在英飛凌一系列無線充電解決方案中，既有使用小線圈和多設備的低功率充電產品，也有能夠後向兼容智能手機等低功率產品的靈活度強的高功率充電解決方案。

無線充電關鍵元件：適配器/充電器、發射器和接收器

無線充電解決方案通常有三個關鍵元件： 適配器/充電器、發射器和接收器。適配器連接市電電源，並為發射器供電，通常採用5-20 V之間的穩壓直流電源；發射器包含一個基於MOSFET的半橋或全橋逆變器，將直流電轉換成交流電併產生交變磁場；逆變器由微控制器和相關MOSFET驅動器控制，以提供無線充電所需的靈活性和功能。

無線充電磁感應技術：感應式和諧振式

感應式磁感應技術採用標準單線圈感應充電發射器。這需要將被充電設備直接放在充電器的線圈上面，這意味著一次只能給一台設備充電。藉助優良的設計和優質的功率轉換電子元件，在100-300 kHz頻段的充電效率可與有線充電相媲美。多線圈感應充電器為設備的水平定位提供了更多自由。

諧振充電器的最大不同在於，6.78 MHz的磁共振充電頻率可使垂直距離增大到50 mm以上。可利用一個大線圈同時為多個設備充電，工作場的擴大意味著該充電器擁有更大的效率「甜區」。因此，雖然感應式設計可通過精準定位實現高效率，但諧振式可實現更大的定位自由。

雖然緊密耦合的感應式解決方案在精確控制的場景下充電效率更高，但一旦位置改變，諧振式解決方案即能以更大的空間自由度實現更高效的能量傳輸。諧振式還可對多種設備類型進行無線充電。該技術不受充電區存在的金屬異物影響。

無線充電市場聯盟：無線充電聯盟和AirFuel聯盟

無線充電聯盟（WPC）推崇市場上主流的無線充電標準Qi。從技術角度講，Qi是一種支持緊密耦合充電的感應技術標準。

AirFuel聯盟則是擁有包含諧振和非耦合技術的廣闊技術平台。AirFuel的諧振技術可實現「隨充隨放、隨充隨走」的近場充電體驗，較之感應式解決方案，它在用戶體驗方面具有顯著優勢。該技術適用於金屬含量高的設備、形狀複雜的設備（不同於智能手機）或者能受益於多設備充電的設備。AirFuel的非耦合技術通過射頻傳輸輸送電能，能在較遠的距離下同時給多台設備充電。

改進EMI和FOD

現有的D類全橋結構（採用串聯諧振LC）通過方波驅動線圈。方波注入能量很大且很難過濾的多重高階諧波。應對該EMI所需的濾波器會帶來損耗並且非常昂貴且高階諧波會降低系統整體效率。在汽車等限制EMI的環境中，英飛凌的新架構可通過偽正弦波電壓驅動線圈。該驅動波形相比D類結構包含的高階諧波更少，波幅更小。應對該EMI所需的濾波器更簡單，這可減少效率損失，降低發射器總成本。

標準FOD方法依靠大型初級線圈繞組檢測異物，靈敏度和信噪比都較低。因為對很大的初級線圈磁場影響小，較小的異物很難被檢測出來。現有發射器解決方案在線圈驅動器的DC側測量功率計算所需的參數（電壓和電流）。相比線圈的實際數值，這讓測量結果失真，從而造成發射器損耗計算不準確。英飛凌改進後的FOD方法用較小的感測元件檢測小型異物，使得靈敏度和信噪比都大大提高。這種方法可提高線圈品質因數測量的準確性，確保在開始充電時就能檢測出最小的異物——即使該異物位於初級線圈區域以外。

英飛凌無線充電解決方案

• 靈活的基於軟體的架構

英飛凌無線充電解決方案的優勢在於其模塊化的、基於軟體的架構，而不是依靠特定應用IC（實現協議和電能傳輸）。隨著標準日趨成熟，新產品和新應用不斷推向市場，無線充電也在不斷地發展。英飛凌解決方案的高軟體比重使得常見硬體架構可以用於多個參考設計，每個參考設計又足夠靈活，能支持多種類型的應用。此外，可通過軟體升級來支持未來無線充電標準的修訂，這相當於打造出了一款永不過時的、能跨越多個世代的產品設計。

軟體負責控制系統中所有重要的無線充電功能。在由未對準導致的線圈耦合弱化時全數字化解調方案具有更高的解碼通信靈敏度，同時還能確保與傳統接收器之間的高度互操作性。新一代參數測量方法可確保最優功率輸出及FOD最高準確性。對頻率、占空因數和電壓的精準控制，可確保為接收器側提供正確的整流功率，有些系統上的雙向通信可為基於雙向認證的智能充電創造可能。在高層級功能之下，實時引擎對發射器運行進行全面追蹤——從輸入電源、到效率、再到熱性能，並在需要時作出調整。最後，在發射器初次上電期間的自校準步驟，提供可預測的基線性能，從而確保每個產品都能符合應用的需求。

• AURIX和XMC支持無線充電

面向智能手機、可穿戴設備、醫療及工業設備的高效和易用的無線充電，得益於AURIX和XMC微控制器家族的支持。可提供高性能靈活晶元組，包括面向安全、智能的無線充電應用的軟體IP。通過攜手系統解決方案合作夥伴，英飛凌可同時為感應式和諧振式無線充電解決方案提供參考設計，使得在車上、家裡或公共場所都能實現隨充隨走。

控制器與來自英飛凌的功率器件無縫協作，共同打造出一套完整的充電解決方案。優化的穩壓器、驅動器和功率MOSFET可實現高效的功率轉換，而網路IC可根據最高汽車標準實現可靠的通信。這套完整解決方案可通過軟體升級支持未來修訂。相比市場上現有的解決方案，增強的功率級架構可將EMI性能提升10-15 dB。新開發的配套FOD系統可實現更高的檢測準確性，從而滿足關鍵的客戶安全需求。

AURIX微控制器幫助新一代駕駛室內無線充電系統滿足嚴格的汽車安全、環境和監管要求。其它關鍵特徵包括：支持15 W充電和現行標準，支持全功率15 W充電，無需專門的熱量管理；充電速度可與有線充電相媲美，可在同一硬體上同時支持自定義充電模式和行業標準，具有準確性更高的品質因數監測功能的FOD，支持定製線圈和多線圈。

英飛凌的無線功率控制器XMC1402-Q040X0200SC及基於ARM? Cortex?-M0內核的該系列其它成員，與英飛凌擁有可擴展經濟型架構的功率器件無縫協作，為一系列應用提供完整的充電解決方案，從快充智能手機，到20 W機器人，再到60 W無人機，不一而足。

英飛凌無線充電參考設計

英飛凌可為許多當前及新一代的無線充電應用提供全套參考設計。這些參考設計包括硬體設計、物料清單、示例PCB布局，以及將無線充電技術整合到客戶產品中所需的所有文檔。發射器架構是基於軟體的，可隨著標準的演變或新產品推向市場進行更新。靈活的發射器架構支持定製線圈，包括單線圈或多線圈應用。

• 基於XMC的2.5 W低功率解決方案是業界成本最低的諧振式無線充電器。通過使用較高頻率（6.78 MHz），它能使用各種形狀的、非常小的線圈，且不受附近金屬異物的影響。因為這些優勢，該技術適合用於為可穿戴設備、耳機、智能服裝及其它物聯網設備充電。
• 感應式智能手機/手持式解決方案支持15 W充電和現行標準（包括快充智能手機在內），充電效率高，且無需進行專門的熱量管理。它可達到等同於有線充電的充電速度，可在同一硬體上同時支持自定義充電模式和行業標準。
• 感應式汽車駕駛室內解決方案支持15 W充電和所有現行標準，包括快充智能手機在內。該解決方案可通過使用一台控制器同時為兩台設備充電。這台AURIX控制器支持無線充電、系統應用、CAN和外部NFC介面。內置的安全功能滿足最新汽車需求。
• 適用於不同設備的60 W感應式無線充電解決方案，利用最小的線圈提供業界最高的功率等級。它提供最高達到60 W的高效充電，無需來自外部的熱量管理。該解決方案可以後向兼容智能手機充電標準（5 W或15 W）及快充設備。典型應用有電動工具、筆記本電腦、機器人、小家電、無人機、手持終端、醫療器材和工業自動化。

如有需要，可提供更多參考設計。如欲了解有關英飛凌無線充電解決方案的進一步信息，請訪問英飛凌無線充電技術官方網站