無線充電的應用場景廣闊,從功率分佈看,從小於5W(如穿戴式裝置)到數W(如手機/平板、筆記型電腦、電動工具、廚電),到kW級(如汽車)都會出現。隨著華為、小米等中國手機業者將無線充電作為標配,2018年手機帶來的無線充電改變會非常大。其中,7.5W和10W將成為主力。

同時,在今年春節前,市場上做的5W方案非常多。這些方式比較原始,在今年只會成為禮品市場。但是,這一市場對無線充電的要求也會越來越高。發熱將是無線充電需要解決的一個主要問題。

這是日前在ASPENCORE旗下《電子工程專輯(EETimes)》、《電子技術設計(EDN)》和《國際電子商情(ESMC)》中國版共同舉辦的「無線充電與快速充電技術論壇」上,微源半導體總經理戴興科在其「無線充電現有解決方案及未來思考」演講中所談到的問題。同時他也重點談及了無線充電未來發展的五點思考。筆者也注意到他們家一個比較特別的產品——協定(誘騙)晶片。

無線充電市場目前的理解

首先他談論了現在對無線充電的理解,如下:

1.無線充電技術已存在多年,蘋果(Apple)發佈iPhone X後得到爆發性成長;

2.無線充電應用的產品非常廣,如物聯網(IoT)、手機、筆記型電腦、電動工具、汽車等;

3.無線充電應用的場景非常廣,如家用消費、辦公室、車用、公共場所、共用領域等;

4.無線充電應用的標準不統一,如WPC Qi、PMA、A4WP;

5.無線充電應用的需求大,如每人的手機充電需要3台以上不同應用場景。

目前,無線充電的實現方式主要有電磁感應和磁共振兩種,前者是主流。蘋果手機採用的電磁感應技術是定頻調壓方式,這對做SoC或系統級的人來講,是一場小小的革命,因為整個電路和軟體都得要修改,他表示。

據某市場諮詢公司預測,2018年無線充電的出貨量將達到6億台以上。戴興科認為:「但從實際來看,2018年會遠遠超出這一資料——光深圳就有3,000家以上的無線充電廠家,而且我們公司每天有50家客戶在增加。這麼多公司在做,一定會促進發射端數量的突破。我個人認為,無線充電會是一種剛性需求。當你沒有用的時候,你會理解它又慢又發熱,效率也不高。但這三個不足之處可能跟個人的使用習慣有關。當你用過之後才會覺得它非常方便。」

無線充電解決方案及整合趨勢

下圖是無線充電的原理結構,它採用磁場耦合的方式。戴興科談到:「大約在5年前,無線充電剛出現的時候,我理解的是,無線充電其實就相當於一個電磁爐,裡面就一個MCU,是系統廠商的機會,跟電源管理沒有什麼關係。隨著快充出現,無線充電突然就消失了。但現在隨著蘋果手機引入,這個市場又重新起來,我們覺得這一波無線充電會來得比較猛。」

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從電路原理結構上來講,Tx和Rx端非常簡單。在Tx端,MCU控制驅動器,然後控制MOSFET,再透過電容耦合給線圈,再利用感測採樣,告訴MCU功率到了多少,然後調整。這個線路有它的局限性。戴興科指出:「比如說前幾天,我們用iPhone X在一個客戶的板子上試,充到了9V/1.3A,也不知道對不對。但是蘋果工作的功率是7.5W,我不知道是控制錯了,還是我的手機有問題。現在功率的部分,其實大家說的5W、7.5W和10W,到最後並不是核心的參數。當我把手機拿進一點或隔遠一點,它的功率變化非常大。因此,整個無線充電的設計不只是電路的部分,結構(包括線圈的大小、線圈的擺放方式等)也決定最終功率是多少。」

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判斷一家SoC或MCU的公司,它的方案是否成熟,主要在於SoC/MCU的採樣和控制准不准,因為其他的硬體都一樣。在無線充電上,微源的解決方案主要給MCU/SoC周邊做配套,包括驅動晶片LP1111和上下半橋MOSFET。戴興科說:「我們覺得,無線充電最終將會是價格戰,它沒有什麼太多的地方(功能)可以玩。」

現在無線充電電路板上的元件還比較多,在大批量生產時容易出現加工問題、貼片問題等。因此業界也在思考,如何簡化上面的元件數量。包括最近電阻漲價,也讓大家措手不及。戴興科表示:「我最近去到一個客戶那裡,當它一個月貼到2kk時,一顆電阻、一顆電容對它來說都是大問題。因此我們做了一顆雙驅動晶片LP1120。這樣做H橋的時候,一顆驅動加2顆MOSFET就可以完成。」。此外還有驅動晶片+MOSFET的組合晶片LP1130,這樣一顆SoC加2顆LP1130,就完成了整個主回路設計。而且LP1130是用SO8封裝,非常方便生產。

另外,微源也在做一顆更高整合度的晶片,LP1140,它整合了2顆驅動、2顆MOSFET和電壓電流採樣,採用SOP16封裝,這樣一顆SoC加一顆LP1140就完成了設計,可以更大程度地方便生產,降低成本。

基於這個思考,未來的無線充電可能只需要一顆MCU(涵蓋協定部分)加一顆後裝ASIC,再加電容和線圈就完成了最終的佈局。這樣更有利於無線充電的普及,也可以更進一步縮小電路板尺寸。

此外,無線充電在汽車上是一個非常標準的應用。因為汽車環境非常惡劣,所以需要保證無線充電在車上能安全使用。目前在車載充電器這部分,微源有1A~6A的產品供各位使用,這些產品提供汽車所需各種保護機制。戴興科補充,「對於消費類廠商進入到車載市場,還是有一些門檻,裡面的坑太多了。我們家用了4年的時間,把裡面的坑(包括高溫、高壓、衝擊等)都填補好了。」

不僅如此,筆者還聽到一款特別的產品,叫協定(誘騙)晶片。戴興科解釋:「我們看到現在在做7.5W、10W的廠商,中國的MCU明顯滯後。它們目前最大的問題就是協議的相容性做不好,因為它們想用最便宜的MCU去帶動市場,然後出來的電壓去跟各種協定晶片握手的時候非常不準確。在這種需求下,我們做了一顆協定誘騙的晶片。這樣MCU+這顆誘騙晶片,就可以把市面上70~80%的快充充電器的電給誘騙出來,進行快充。這顆晶片採用ASIC方式,所以它的交握非常成功。它可以保證MCU訊號的上升沿下降沿非常準確。」

無線充電未來的五點思考及戴興科觀點

1.SoC內置驅動與離散方案的優劣勢是什麼?

目前,一些晶片商可能會推出驅動內建的SoC。這樣可以讓BOM變得簡單一點,讓供應鏈變得可控一點。從成本來看,SoC和驅動是兩種完全不同的製程。從晶片設計的角度說,驅動需要高壓製程,是模擬元件;SoC是5V製程,是數位元件。對於數位晶片,製程越小越好(比如台積電現在到7nm),成本越低。但我們驅動器現在採用110nm,就沒有想法再往下做,因為對類比部分來說,最重要的是電壓、電流的能力,以及精準度的可靠性。對MCU則追求的是運算能力、成本和接腳數等。因此,如果將這二者組合起來,成本至少上升3倍以上,未來沒有意義——現在還有意義,因為SoC現在單價還高,但不久的將來將會到1元RMB以下。從晶片設計的角度,MCU內建驅動對於5W的應用會有優勢,因為它不需要高壓,而對於5W以上的應用,理論上它不會有任何優勢——現在還有優勢,因為驅動目前單價也還太高。

2.單晶片半橋全橋與離散方案的優劣勢是什麼?

中國有一家公司出了一顆H橋的單晶片SoC,搭配它們自己的方案在我們那推廣。但我們看到spec之後在想,這樣的單晶片方案真的是客戶需要嗎?它的功率怎麼樣做到相容?它裡面非常致命的是MOSFET該做多大。這對成本管控會是個很大的問題。一切的需求是來自於現在整個無線充電供應鏈,它的成本大家都還有「肉」。到只剩「骨頭」的時候,SoC的方案會消失。它不可能做得過離散方案,比如我們的驅動做成SO8,第一這種配置非常通用,而且沒有產能和成本問題。這種方案已經做到了極限。因此,SoC在某個階段可能有優勢,但是從長遠來看,針對不同功率,它可能優勢體現得不一樣。

3.無線充電對於體積的需求是否會大於對成本的需求?

顯然,無線充電對成本的需求大過對體積的要求。對用戶來說希望的是,手機放上去是穩穩的。當然,小的產品有,比如像給穿戴式裝置使用的。

4.SoC與簡易MCU在無線充電未來的前景如何?

現在有很多客戶都對外說自己是SoC方案,那麼SoC和MCU到底哪種將成為未來的主流?我認為還是取決於成本。因為MCU成本現在已經非常便宜了,這麼多年也逐漸成熟,SoC離成熟還有距離。

5.無線充電效率的提升與減小發熱的方向如何?

目前我們量測到的效率在85~86%,88%已經是極限了。那麼如何把效率提升到95%,這是產業內所有人都應該去思考的。那麼電容耦合真的是唯一的方案嗎?