無線充電產品的設計人員,必須因應眾多的挑戰。除了與磁性相關的問題之外,設計人員也必須克服效率、機械封裝和電磁干擾(EMI)等障礙;此外,金屬異物(例如硬幣和鑰匙)可能會干擾充電,因此也必須加以偵測(FOD 異物偵測)。

不過,一旦建置了最佳化的元件,並且符合特定的基本標準(例如,充電器與裝置的對準、線圈尺寸,以及因尺寸而異的線圈間距),就能達成良好的耦合因數,進而實現高效率的電力傳輸。如英飛凌(Infineon)就能提供包括專用微控制器、MOSFET、驅動器、IP 軟體和參考設計在內的解決方案,支援無線充電器的設計需求。

整體市場正在快速成長。IHS 的市場分析師預測,在2018年將會有2億組無線充電器出貨,而且接下來的幾年更將以每年1億組的速度成長。在此同時,這項技術也從單一裝置充電的發射器,進展到能夠同時進行多部裝置充電的發射器(使用多線圈感應或共振充電技術)。

無線充電生態系統的整體成功關鍵,在於將技術運用於智慧型手機以外的其他應用,例如穿戴式裝置、醫療器材、機器人、無人機和銷售點終端機。新一代的無線充電解決方案包含了從低功率應用支援(使用極小型的線圈,可進行多裝置充電)到彈性的高功率方案(與智慧型手機等較低功率的產品回溯相容);現有的智慧型手機充電解決方案,尚未提供這些類型的充電體驗。

感應與共振

無線充電解決方案通常包含三項關鍵元件;變壓器/充電器、發射器及接收器。變壓器連接到市電電源,並供電予發射器,通常具備範圍5~20V的穩壓直流電壓;發射器包含了採用MOSFET的變頻器,可將直流電轉換為交流電的波形,並產生交變磁場。這通常會是半橋或全橋拓樸。為了提供所需的彈性和功能,變頻器主要透過微控制器及相關的MOSFET驅動器元件來進行控制。利用電磁原理衍生出了不同的充電技術:磁感應(inductive)和磁共振(resonant)。

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無線充電解決方案通常包含三項關鍵元件;變壓器/充電器、發射器及接收器。

首先介紹感應技術,這項技術採用標準的單線圈感應式充電發射器。為此,必須把待充裝置直接放置於充電器的線圈上,而且僅限於單一裝置充電。只要具備良好的設計和高品質的功率轉換電子元件,在100~300 kHz 頻段之間的充電效率甚至媲美有線充電。多線圈的感應式充電器在裝置的放置範圍方面,提供了更多的彈性水平擺放空間。

如果使用共振式充電器,最大的差異在於,6.78MHz頻率的磁共振充電即可實現大上許多的 50mm或以上垂直充電範圍。多個裝置可以透過較大型的單一線圈充電,而更廣的操作區域,也代表充電器足以提供較大的效率「甜蜜點」。因此,感應式設計雖然可在精確就位時達成高效率,不過共振模式則提供了更大的擺放位置彈性。

在定義精準且控管良好的條件下,極緊密耦合的電感解決方案雖可提供更多電力,但是在位置變動的狀況下,其電力傳輸效率則遠遜於較具空間彈性的共振模式。共振模式也可讓多種類型的裝置進行無線充電。這種技術也不會因為充電區出現金屬物體而受到影響。

標準

無線充電的市場,是由兩組產業聯盟和標準所推動:無線充電聯盟(WPC) 支持無線充電的 Qi 標準,這項標準是市場中的主流。從技術的角度來看,Qi 是一種感應式標準,支援緊密耦合充電技術。

AirFuel 聯盟 (AirFuel)擁有廣泛的技術平台,涵蓋共振與非耦合技術。AirFuel 的共振技術可實現「隨放即充」(drop and go) 的近場充電,提供了優於電感解決方案的使用者體驗和效益。這項技術適合含有大量金屬、具有複合形狀(與智慧型手機不同),或是能夠受惠於多裝置充電的裝置。AirFuel 的非耦合技術是透過 RF 射頻傳輸來輸送電力,容許多部裝置在更大的距離間隔下進行充電。

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無線充電發射器的拓樸採用兩種主流標準

目前,無線充電可採用幾種不同的拓樸,這些拓樸各有其優點。單線圈感應方法是最簡易、普及的解決方案,由單一發射器線圈構成,運作頻率介於 100~300 kHz之間。這項方法需要將待充裝置精確地與發射器線圈對準擺放,而且一次只能進行單一接收器裝置的充電。將這種模式擴大為多線圈型態,就能造就出多項優點。裝置擺放位置的精準度要求大幅降低,而智慧系統可以偵測最接近待充裝置的線圈,並將電力導向該處。

共振充電法的運作頻率為6.78MHz,透過發射器與接收器之間的共振,能夠以顯著提升的效率來傳輸電力。共振模式可透過單線圈為多部裝置充電,並允許發射器與接收器相隔更遠(可達50mm)。

EMI 與系統效率的提升

現有的D類全橋架構 (採用串聯諧振 LC) 是使用方波(square wave)來驅動線圈。此種方波會以大功率注入多重的高次諧波,而且非常難以濾波。處理此等 EMI 所需的濾波器,勢必造成損失,而且非常昂貴。強大的高次諧波(higher-order harmonics),降低了整體的系統效率。

針對限制 EMI 的環境(例如汽車),英飛凌的新架構則使用了擬正弦波(pseudo-sine wave)電壓來驅動線圈。相較於D類架構,這種驅動波形包含較少且振幅較低的高次諧波。處理此等 EMI 所需的簡化濾波器,減少了效率的損耗,也降低了整體的發射器成本。

標準的異物偵測方法是使用大型的初級線圈繞組來偵測異物,也因此降低了靈敏度和訊噪比。由於大上許多的初級線圈對於磁場的影響很小,因此難以偵測較小型的物體。現有的發射器解決方案,會在線圈驅動器的直流端,測量計算功率變化(電壓和電源) 時所需的參數。相較於線圈上的實際值,這種做法會讓測量值失真,造成發射器損耗的計算不正確。

改良的異物偵測方法使用較小的感應元件來偵測小型異物,這也大幅提高了靈敏度和訊噪比(signal to noise ratio)。這項方法改善了線圈品質因數測量的準確度,即使是位於初級線圈區域外的最小型異物,也能確保在充電開始時就順利偵知。

彈性的軟體式架構

在通訊協定和電力輸送方面,英飛凌的無線充電解決方案並未仰賴應用特定的 IC,其優勢在於模組化的軟體式架構。隨著標準的成熟,以及新的產品和應用在市場中推出,無線充電技術正持續不斷地演進。這項解決方案的高比例軟體內容,容許多項參考設計一併使用共同的硬體架構,而每項參考設計皆具備足夠的彈性,支援多種類型的應用。此外,未來對無線充電標準的變更,可以透過軟體升級來進行,進而創造出未來導向的產品設計,此等設計能夠涵跨多個世代。

軟體會負責指揮系統中所有主要的無線充電功能。在因為未對準而導致線圈耦合微弱時,全數位的解調系統可提供更高的解碼通訊靈敏度,也能確保與舊型接收器最高程度的互通性。新一代的參數測量技術,可確保最佳化電力輸送與異物偵測的最高精確度。精準地控制頻率、工作週期和電壓,為接收器提供了正確的整流電平;而在某些系統上的雙向通訊,則實現了採用雙向認證的智慧充電功能。

在較高層次功能的底層,則有即時引擎可追蹤發射器運作的所有面向 (從輸入的電源、效率到熱效能),並根據需要來進行調整。最後,在發射器初始啟動期間執行的自我校準步驟,提供了可預測的基準效能,進而確保每項產品皆符合應用的要求。

無線充電專用微控制器

AURIX與XMC微控制器系列,可針對智慧型手機、穿戴式裝置、醫療和工業裝置,提供高效率、易於使用的無線充電功能。提供高效能的彈性晶片組,其中包含軟體IP,能夠實現智慧且安全的無線充電應用。英飛凌與系統解決方案合作夥伴共同合作,針對電感式與諧振式無線充電解決方案,提供了參考設計:適用於行動充電,無論是在車內、家中或公共場所。

微控制器與電源裝置能夠無縫地搭配運作, 提供完整的充電解決方案。最佳化的電壓穩壓器、驅動器及功率MOSFET,可實現高效率的電源轉換,而網路IC則符合最高的汽車標準,能夠提供可靠的通訊。完整的解決方案,可透過軟體更新來進行未來的變更。強化的功率級架構,相較於市面上現有的解決方案,可將EMI效能提升10~15dB。新開發的輔助性異物偵測系統,可加強偵測的準確度,滿足客戶的關鍵安全需求。

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採用AURIX的車內汽車無線充電系統,改良的驅動器設計實現更理想的EMI

AURIX微控制器能夠協助下一代的車內無線充電系統,滿足汽車在安全、環境及法規等方面的嚴格要求。另一方面,XMC微控制器則提供強大且符合成本效益的平台。可擴充架構能夠支援快速充電智慧型手機、20W機器人,乃至於60W無人機及其他多種應用。搭配MOSFET和驅動器IC等相關的功率產品,此系統可提供全功率的無線充電功能,而無需進行複雜的散熱管理,通常能夠達到媲美有線充電的充電速率。

參考設計

英飛凌提供完整的參考設計,可支援目前和下一代的多種無線充電應用。這些參考設計包含了硬體設計、材料表、PCB佈線範例,以及在客戶的產品中整合無線充電需要的所有文件。發射器採用軟體式架構, 隨著標準的演進或新產品在市場中推出,此等架構也可配合更新。彈性的發射器架構,可在單線圈或多線圈應用中支援自訂線圈。

採用XMC的2 .5W低功率解決方案,是成本最低的諧振無線充電器。如果使用較高的頻率(6.78MHz),就能在各種外型尺寸中使用非常小的線圈,不致受到鄰近的金屬物體所妨礙。前述的優點使得這項技術非常適合針對穿戴式裝置、耳機、智慧服飾及其他連網的物聯網(IoT)應用等,提供所需的充電功能。

電感式智慧型手機/手持裝置解決方案提供15W的充電,並符合現有的標準,包括高效率充電的快速充電智慧型手機,而不需進行特殊的熱管理。此方案可達到媲美有線充電的充電速率,並且能夠在同一硬體上支援自訂充電特性和產業標準。

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XMC微控制器提供了強大、具成本效益的平台,可應用於從快速充電智慧型手機、20W機器人到60W無人機等的各式產品。方塊圖內顯示的,乃是採用XMX的15W電感式無線充電解決方案。

電感式汽車車內解決方案支援15W充電和所有現有的標準,包括快速充電智慧型手機。這項解決方案可以透過單一控制器同時進行兩個裝置的充電,此單一微控制器支援無線充電、系統應用、CAN和外接NFC介面,內建的安全功能符合最新的汽車要求。

60W的電感式無線充電解決方案適用於各種裝置,可透過最小的線圈提供業界最高的功率電平。這項方案提供最高60W的高效率充電,而不需進行特殊的熱管理。此外,解決方案也能回溯相容於智慧型手機的充電標準(5W或15W)和快充裝置。典型的應用為電動工具、筆記型電腦、機器人、小家電、無人機、手持式終端、醫療器材、工業自動化。