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无线充电潜能你应该知道这些点

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无线充电注定将成为智能电话、平板电脑、以及介于两者之间的新型“平板手机(phablets)” 等移动设备充电的首选方法。随着用户越来越多地需要在一天里不断补足电池能量以支持密集的互联网接入、高清游戏、视频和音频流、以及GPS导航等活动,不需用电缆的适时充电将成为常态。

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http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 无线充电潜能你应该知道这些点 无线充电注定将成为智能电话、平板电脑、以及介于两者之间的新型“平板手机 (phablets)” 等移动设备充电的首选方法。随着用户越来越多地需要在一天里不断补足 电池能量以支持密集的互联网接入、高清游戏、视频和音频流、以及 GPS 导航等活动,不需 用电缆的适时充电将成为常态。 通过简单地把移动设备放置在可用的充电台上进行无线充电可以为用户提供很大的易用性 和便利。但是到目前 为止,无线充电系统还依然属于新奇的售后市场项目,并没有作为常 规适配器和电缆的替代方案而得到认真重视。已有的无线充电系统很笨重且体积庞大,需要 把移动设备插入到充电套筒然后才可以放置在充电台上充电。此外,这些系统往往都是采用 专有的技术,来自不同制造商的设备之间缺乏互操作性。无线充电系统的零售价格也比较高, 充电台在 80 到 100 美元,充电套筒在 30 到 40 美元。因此,无线充电系统的销售和市场渗 透率一直不佳。 但是,无处不在的无线充电系统需求也预示着巨大潜力。IHS Technology 分析师在《2014 年无线充电报告》(Wireless Power Report 2014)中预测,无线充电发射器和接收器的出 货量销售额将从 2013 年的 2.16 亿美元上升到 2018 年的 85 亿美元,期间有将近 40 倍的增 长。 从新奇到必需 HIS 对于未来无线充电市场的信心来源于几个方面,其中之一是行业领先的企业或组织已经 开始走到一起,并着手开发使来自不同制造商的无线充电系统和移动设备之间具有互操作性 的行业标准,其中包括软件和零部件公司、手机制造商和网络运营商。 在那些积极帮助开发无线充电标准的半导体厂商当中,IDT 公司是无线充电联盟(Wireless Power Consortium,WPC)和 Alliance for Wireless Power(A4WP)的董事会成员,并与 Power Matters Alliance(PMA,电源紧要联盟)保持着密切的联系,这些都是无线充电行 业的主要标准组织。在 2014 年年初,PMA 与 A4WP 实现合并。 无线充电生态系统有两个技术途径:磁感应和磁共振。WPC 和 PMA 标准组织的活动都集中在 磁感应,而 A4WP 则是在支持基于磁共振标准的技术。一些磁感应解决方案已经在大规模生 产,但磁共振技术则是在 2014 年年底进入量产应用。这两种技术的简单比较可以说明它们 在应用中的主要区别:磁感应需要紧密耦合,在 X/Y 方向的位置偏差达到最小时可实现最高 效率水平;而磁共振允许更大的空间自由度,但它无法实现基于磁感应技术的高峰值效率。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 图 1:在位置偏差最小时,磁感应技术可实现更高的效率水平。即使发射器和接收器距离很 近,磁共振也不能达到与磁感应同样的性能,但在位置偏差增大时,其效率不会很快降低。 WPC 已经公布了 Qi 低功率规范,它定义了功率发射器和接收器之间非接触式电能传输接口、 相关的性能要求和一致性测试规范。所有携带 Qi 标识的设备都保证与 WPC 规范兼容,因此 彼此之间可互操作。同样,满足 PMA 标准的设备也会有 PMA 的互操作性标识。无线充电标准 不断发展强大的进一步标志是 IEEE 无 线电源和充电系统工作组(Wireless Power and Charging Systems Working Group,WPCS-WG)的成立和 IEEE P2100.1 无线电源和充电系统 标准规范(IEEE P2100.1 Standard Specifications for Wireless Power and Charging Systems)的制定。 IEEE P2100.1 针对电源和负载设备创建了无线电源和充电规范。虽然 IEEE P2100.1 目前局限于使用磁感应耦合技术,将来也要考虑其它技术。 要想使车辆、交通枢纽等公共场所、咖啡馆、体育场馆、办公室等许多预期应用场景的无线 充电设施变得可行,更大的互操作性是至关重要的。在家里,通过一个 共享的充电台能够 对家庭所有的移动设备充电,因此有机会不再需要那些笨拙的电源适配器和线缆,同时也腾 出了大量的墙壁插座。 随着可靠标准的出现,那些对创造广泛的无线充电基础设施非常重要的组织能够致力于开发 各种无线充电项目。汽车制造商对于无线充电技术的潜力很有兴趣,它能够去除汽车内部的 电缆。一些知名品牌已经在最近的汽车展和在美国拉斯维加斯消费电子展(CES)上演示了 无线充电系统,有些项目正在采用该技术为后排座娱乐和环境光照明等车载系统供电。此外, 充电台也可以设置在桌面、其他家具或台灯等设备上。 咖啡店之类的连锁企业也很热衷于提供无线充电设施来吸引以往只是想喝点东西的客户,现 在他们也需要一个快速的“电能小点(power snack)”为他们的移动设备充电。这种趋势 已经被星巴克所证实。星巴克在 2014 年 6 月宣布与 Duracell Powermat 一起合作在美国全 国范围内的店铺部署无线充电台,并在旧金山湾区首先开始。移动网络运营商也对无线充电 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 表现出很大的兴趣。在世界移动通信大会(Mobile World Congress)上,一个著名的运营 商在其展台各处安装了无线充电点,这些方便的设施可确保其团队成员能够在整个展会期间 连续使用他们的移动设备。 克服下一个障碍 IHS Technology 在其发布的无线充电报告(Wireless Power Report)中指出,一些顶级的 移动设备品牌已经开始把功率接收器技术直接集成到智能手机,或者集成到能单独购买的可 更换电池盖内。例如,LG 公司的旗舰产品 G3 目前已经包括由 IDT 公司 IDTP9025 芯片支持 的无线功率接收器技术。这样通过去除一个笨拙的充电套筒,就克服了普遍接受无线充电过 程中的一个主要障碍。移动设备用户不喜欢以额外的重量和尺寸等劣势来换取无线充电功 能。就无线充电台而言,手机供应商可能在未来的产品包装中包括一个充电台,在任何其他 需要提供无线充电的地点,还需要多个充电台。 移动设备制造商、汽车制造商、家具制造商和其他领域的企业能否广泛集成无线充电功能的 关键是成本。接收器和发射器组合的成本必须下降到显著低于 80-100 元美元的早期售后市 场系统水平。 早期售后市场无线充电系统的高复杂性主要导致了这些产品较高的零售价格。一个适用于充 电台具有 A1 型磁导(magnetically-guided)单 线圈功率的发射器包含 90 个单独的零部件, 其中包括 9 颗 IC。这些组件是必需的,不仅用来处理从发射器传送到接收器的能量,而且 还要使通信符合 WPC 或 PMA 规范来设置和控制无线充电过程,并提供异物检测(FOD )等 功能。可靠的 FOD 是无线充电中保持消费者信心的关键,用户需要确信在触摸充电台或即使 在充电台附近存在金属物体都不会有安全风险,系统中不希望的电磁辐射(EMI)也必须最 小化。 集成是关键 现在,一个单一的高集成度 IC 能够实现所有这些功能,可使一个典型的发射器或接收器所 需的元件数量显著降低,如图 1 所示。这使得制造商显著降低物料清单成本,并且简化设计, 使装配更加简单。 以单芯片发射器和接收器 IC 集成实现的无线充电系统功能模块图。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 图 2:以单芯片发射器和接收器 IC 集成实现的无线充电系统功能模块图。 在一个 WPC 兼容无线充电系统中,在发射器端的半桥或全桥逆变器把施加的直流电压变换为 交流电流后流经线圈,单线圈 A1、A5 或 A11 型,以及三线圈 A6 型等各种线圈配置均可适 用。交流电流会在接收器线圈感应出交流电压,接收器中包含有一个同步全桥整流器,可将 该交流电压转换成直流电压,然后该直流电 压采用一个 DC/DC 开关稳压器或低压差(LDO) 线性稳压器进行调节。 IDT 公司拥有一系列高集成度发射器和接收器 IC,可以支持多种线圈配置、逆变器架构、发 射器端输入电压范围、以及各种接收器架构,可以选择采用一个开关稳压器或 LDO 稳压器, 以及选择一个集成式状态机(state machine)或微控制器。 在这些器件中,支持 Qi A1/ A10 低功率规范解决方案的 IDTP9030 是 IDT 公司的第一代产品, 也是世界上第一个支持单芯片无线充电发射器设计的 IC。使用 IDTP9030 或者 IDT 公司第二 代支持 A5/All 线圈配置应用的器件 IDPT9038,可以最大限度地减少对于额外的外部元件的 需求,如图 3 所示。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 图 3:单芯片 IDTP9038 发射器 IC 在 A5/ A11 线圈配置中最大限度地减少芯片和外部无源组 件数量。 IDTP9038 集成的一个高效全桥逆变器可支持 A5/A11 WPC 线圈配置,并可将输入的直流电压 转换成交流的线圈电流。IDTP9038 还拥有调制器/解调器模块,可以检测、解调和解码 WPC 兼容的通信分组包。 IDTP9038 另外集成有一个 RAM / ROM 微控制器,可执行输入的解码分 组包,并调整工作点,使发射功率调整匹配至接收器。IDTP9038 具有多种工作模式,可支 持 WPC 和 PMA 标准以及 客户专有协议,通过动态检测和协议之间的切换可使无线功率传输 具有最大的灵活性。 此单芯片发射器 IC IDTP9038 还实现了 IDT 公司的多层 FOD,确保用户不会被暴露在例如金 属物体被放置在充电台上造成的温度过高等不安全条件下。多层 FOD 技术涵盖 并检测所有 的应用场景,例如电话在充电之前充电台上被放置了一个金属物体,或者金属物体粘在手机 背面,或者充电时在手机和充电台之间插入了金属物体等。采 用单芯片 IC IDTP9038 设计 无线充电发射器,总共只需要 30 个零部件,而成本也不到传统分立方案的三分之一。 IDTP9038 是业界第一个兼容 Qi 规范、支持 5V 输入电压的单芯片无线充电发射器解决方案, 它秉承了 IDTP9030 的功能和特性。更重要的是,它在业界第一次集成了 反向通道通信(back channel communication)功能。这使得发射器与接收器能够进行通信和交换数据,并提供 安全的双向认证(2-way authentication)。IDTP9038 还有一个专用的控制电路,可以把 EMI 性能控制在 10dB,低于 CISPR 要求的水平,从而不用再担心 与其他敏感电子设备的干 扰。 采用 IDT 接收器芯片实现的内置有无线充电能力、并且适合采用充电台充电的移动设备已经 面市。这些包括 LG 公司最新款 G3 智能手机,该款手机具有许多最先进的功能,其中之一 即是采用 IDT 公司兼容 WPC 标准的单芯片无线充电接收器 IC IDTP9025A 实现的小巧无线充 电功能。IDTP9025 也可理想适用于无线手持设备、手机充电套筒、以及平板电脑等。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 对于可穿戴设备等要求非常小形状尺寸的应用,IDTP9026 在一个 40 引脚 2.21 mm x 3.41mm 芯片级封装(CSP)内集成有一个电池充电电路和无线功率接收器。采用 IDTP9026 实现的总 体解决方案尺寸小于 30 mm2,而其他可用的解决方案尺寸高达 65 mm2。IDTP9026 与 IDTP9038 无线充电发射器 IC 完全兼容,IDTP9038 集成有一个完整的 H 桥逆变器,是业界第一款兼容 WPC 标准、并 支持 5V 输入的单芯片发射器方案。 结论 作为便携式通信基础设施的一个重要方面,无线充电正蓄势待发。行业分析师和许多商业机 构现在确信,广大的消费者将会用家里、机场和汽车里的充电台给他们的手机进行无线充电。 随着支持广泛互操作性的完善的行业标准已经到位,无线充电行业需要符合这些标准的高集 成度发射器和接收器,这样才可以发挥其作为便携设备用户首选的随处充电方法的全部潜 力。

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