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无线充电技术全覆盖:原理、趋势、最新产品和厂商权威观点

 CEREBROS 2016-04-15

厂商观点

元器件供应商对无线充电技术的态度是积极的。所以各大主要厂商都投入真金白银来进行研发,并陆续推出各种标准、针对各种应用的无线充电产品。EEChina电子工程网联系了数家主要的供应商,他们就无线充电技术的挑战、各种无线充电的特点、无线充电的潜在应用和自家产品的优势等各个方面发表了各自的观点,其中不乏真知灼见。下面以受访厂商名称的首字母为序依次表述。

Active-Semi(技领半导体公司)


Active-Semi销售及营销副总裁
Mark Cieri
Active-Semi是一家以“节能应用控制器”为主打产品的电源技术厂商。该公司销售及营销副总裁Mark Cieri表示,Active-Semi是所有标准协会的成员,公司的无线电源平台系列可以调整用于每项标准。就会员的数目而言,WPC协会是最活跃的,目前市场的产品出货量最大,并且预计至少在近期内情况仍然持续。

Cieri说,无线充电技术普及的最大障碍首先是缺乏公众认知;大多数用户对无线充电技术并不了解。主要的智能手机供应商应该将无线充电技术进行广泛的集成和捆绑,并让人们获得高质量的使用体验。另外,无线充电标准机构之间的争斗也不利于该技术的普及。

Cieri称,Active-Semi提供未来可用的平台,公司的IC解决方案支持今天WPC和PMA等标准之间的转移,使用一个线圈或多个线圈配置来提升智能手机的位置灵敏度。同样地,这个IC平台也必须能够从5W升级到15W,然后升级到30W,甚至高达150W。最后,Active-Semi的开放式可编程ARM内核允许更好的功能定制,并且可让客户改进用户界面,例如视频和音频显示。

Active-Semi推出的PAC5220WP节能应用控制器可大幅减少无线充电系统的器件数量。Cieri说,Active-Semi争取超越市场基准要求的75%转换效率,使EMI噪声余量大于10dB,而且仍然能满足Qi认证和散热需求。

Active-Semi的无线充电方案适合多种应用。Cieri称,他们收到了很多来自医疗设备供应商、汽车厂商甚至家具制造商的要求。Active-Semi架构使用一个通用IC平台,支持从5W到150W的可调节功率范围,因此能够支持现有的广泛应用,以及尚在概念中的未来产品。

相关链接:Active-Semi 宣布全面提供低成本Qi 认证(WPC 1.1.2)无线充电 IC解决方案

IDT


IDT公司企业营销副总裁
Graham Robertson
IDT公司是较早从事无线充电技术研究的厂商之一,技术储备比较雄厚。IDT 公司企业营销副总裁Graham Robertson表示,IDT在推进标准的发展中一直非常积极,或直接在董事会服务,或者作为各个协会的核心成员。IDT支持Qi和PMA标准,同样也支持最近推出的Rezence技术规范。

Robertson说,从历史上来说,我们看到了不同标准和技术之间的合并,这在无线充电领域也是一样的。最近PMA 和A4MP的协作就是一个很好的例子。最终,消费者会通过购买行为选出占主导地位的无线充电标准。IDT将会继续将经验和专业技术带到磁感应无线充电领域,并拓展磁共振无线充电潜力。

关于无线充电的应用,Robertson说,这是一个相对比较新的技术领域,主要的应用领域仍旧是便携式设备,但汽车领域也有所涉及。如果去了解这些协会的活动,就会看到无线充电的发展路径:15瓦及以上,主要应用在平板电脑;6瓦,主要是智能手机;而1瓦以下则主要用在可穿戴设备和智能手机配件上。

Robertson表示,无线充电技术面临的挑战与其他任何新兴市场所面临的挑战相似,比如标准问题。但是消费者的意识和兴趣都在增长,对电池寿命的要求也在提高。受到消费者的推力,技术企业对于克服这些挑战显得镇定自若。IDT 认同HIS 最近的一个声明:“经过2014年的持续发展,行业将会在技术等领域达成合作,并有望在2015年实现大规模采用。”

Robertson说,IDT的优势在于公司有涵盖各个标准的产品。“我们积极参与了标准的制定,同时我们的产品有着极大的推动力,产品特性也使我们的客户得以生产出领先的产品。”

相关链接:
IDT 推出业界首款单芯片 5V 无线充电发送器
IDT推出同时兼容 WPC 1.1 Qi 标准和 PMA 1.1 标准的双模无线电源接收器
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Linear Technology Corporation(凌力尔特)


凌力尔特公司设计经理
Trevor Barcelo
凌力尔特公司是一家面向高端应用的高性能电源和模拟芯片供应商,他们的产品很少用于消费电子产品。该公司设计经理Trevor Barcelo表示,目前的无线充电标准主要集中在消费类应用(如手机、平板电脑等),但这并不是凌力尔特所关注的领域。他说,在长期和短期方面,无线电源对工业、医疗、汽车和军事应用都有很大的发展潜力。凌力尔特现有的400mA无线电源接收器LTC4120今天可覆盖许多应用,将会继续扩大产品领域以适合更多的应用。凌力尔特的重点目前是而且将来继续是工业、医疗、汽车和军事应用。

Barcelo说,LTC4120是凌力尔特最新的无线功率接收器和电池充电器,其集成了 PowerbyProxi 公司开发的技术,该公司是凌力尔特的技术合作伙伴。PowerbyProxi 获得专利的动态协调控制 (Dynamic Harmonization Control - DHC) 技术实现了高效率非接触式充电,不会产生接收器热压力或电气压力过大的问题。运用这种技术,可以在长达 1.2cm 的距离上传送高达 2W 的功率。不过,就单节锂离子电池而言,4.2V 最高充电电压和 400mA 最大充电电流将使这一功率值限制到 1.7W。类似地,2W 最大功率将使两节锂离子电池 (8.4V 最高充电电压) 的充电电流限制到 240mA。

功率、效率、范围和尺寸这些参数决定了系统性能,因此基于 LTC4120 的无线功率系统被设计为,与几种可选发送器之一使用时,通过长达 1.2cm 的距离,在电池端接收高达 2W 功率。所用方法和组件不同,效率计算会有很大不同。一般情况下,在基于 LTC4120 的系统中,对于馈送到发送器的 DC 输入功率,电池将接收其 45% 至 55%。

Barcelo说,与其他无线功率充电解决方案相比,嵌入到 LTC4120 中的 PowerbyProxi 的 DHC 微调技术带来了显着优势。为了响应环境和负载变化,DHC 动态地改变接收器上谐振电路的谐振频率。DHC 实现了更高的功率传送效率、更小的接收器尺寸,该技术甚至允许更大的传输范围。与其他无线功率传送技术不同,DHC 将功率级管理作为感应电场管理的一部分,实现了内在功率级管理,从而在电池充电周期中,无需单独的通信通道来证实接收器的存在或管理负载需求变化。

Barcelo说,DHC显然解决了所有无线功率系统的基本问题。每个系统都必须设计为,在给定最大发送距离上,接收一定量的功率。每个系统还必须设计为,在最短发送距离时,可承受无负载情况而不会损坏。其他同类解决方案用复杂的数字通信系统解决这一问题,提高了复杂性和成本,限制了功率传输距离。基于 LTC4120 的无线功率充电系统通过采用 PowerbyProxi 的 DHC 技术就可轻松地解决这一问题。

相关链接:凌力尔特400mA 无线电源接收器可简化跨 1.2cm 空气隙的非接触式电池充电

ROHM(罗姆)


罗姆半导体集团
罗姆是一家综合性半导体厂商,它开发出的Qi标准无线供电接收控制IC具有单芯片、低发热的特点。它搭载业界首创的位置偏差检测功能,充电效率更高。

ROHM已加盟成为WPC的正式成员,从日益普及的无线供电标准Qi的制定阶段就开始积极参与协商制定。最新的WPC Qi标准Low Power Ver1.1作为无线供电的国际标准于2012年4月制定完成。与2010年最初制定的Low Power Ver1.0的不同之处在于,Ver1.1更关注安全性能的提升,新增了搭载FOD(异物检测功能)的义务要求。ROHM称,WPC是现在市场的主流,面向未来ROHM也将支持其他标准。

ROHM称,由于无线充电无需使用电源线,所以可提高设备连接器的防水及防尘性能,而且一个供电装置即可支持多种终端。但是,该技术却面临一个巨大的课题,即通过无线收发智能手机等5W级别的电力时会严重发热。ROHM采用最先进的BiC-DMOS工艺,成功将MOSFET的导通电阻降到最低,虽为单芯片,发热量却更低,实现缩减贴装面积与低发热两者兼得。与以往产品相比,供电时的温升程度可降低约75%。

还有,该产品搭载业界首创的位置偏差检测功能,充电效率更高。给终端充电时,如果不将终端设备置于供电装置的中央,充电效率就会显著下降。位置偏差检测功能对于终端的位置偏差,可发出警报提示,有助于进一步提高充电效率。

此外,FOD (Foreign Object Detection /异物检测功能)是最新的Qi标准所规定的有义务搭载的项目,金属物体存在于收发器之间时,金属发热可能导致机壳变形或烧伤,搭载FOD可防患于未然,使设备安全性能显著提高。要想实现FOD,需要发送侧与接收侧复杂的对接技术。ROHM开发出符合WPC Qi标准的单芯片无线供电接收控制IC,通过融合本公司的模拟技术与集团公司LAPIS Semiconductor的数字技术,使FOD得以实现。实际上,接收侧进行功率损耗计算时,可通过外置电阻设定每个接收单元不同损耗误差的微调量,因此,实现了极具灵活性且高精度的FOD。

相关链接:罗姆开发出符合WPC Qi标准的单芯片无线供电接收控制IC

TE Connectivity


TE公司创新平台负责人
Monika Kuklok
TE Connectivity与PowerbyProxi合作开发了一款称作ARISO的工业产品。TE公司 创新平台负责人Monika Kuklok女士说,ARISO超乎了无线充电的范畴;它可以像通常的连接器或线缆那样工作:ARISO的好处是可以跨过一个间隙同时传输电能和数据。采用这种新的技术平台,你可以在几乎任何环境下无需物理连接器或触点实现可靠的电能、信号和数据传输,功率可达12瓦。

Kuklok说,PowerbyProxi是无线电源技术的领先厂商,所以TE选择与之合作来开发TE的ARISO产品线。合作的第一个成果就是ARISO非接触连接平台,一种小型连接方案,小到可以轻易地集成到新型工业机器设备应用当中。新的非接触式耦合器由TE进行推广和销售,采用PowerbyProxi公司的Proxi-Wave技术,非常适合于产品小型化。

目前,TE正在销售评估套件。用户可以在他们的应用环境下进行硬件测试,TE的工程师会提供技术支持。Kuklok说,这些套件几乎售罄,今年开始批量生产。最初的产品已经用于客户的工厂,用户反应良好。TE会在过去两年当中用户反馈的基础上进行改进,下一代的产品将具有更大的功率和更快的数据传输速率。

Kuklok说,ARISO是为工业环境而特别开发的,其潜在应用还有很多。例如,在非常严苛的水下环境,ARISO可以轻易实现非接触式耦合。由于ARISO是完全密封的,没有触点,所以它可以满足很高的卫生标准。

相关链接:TE Connectivity和PowerbyProxi携手开发工业无线充电解决方案

Texas Instruments(德州仪器)


TI电池管理方案市场拓展经理
文司华
德州仪器(TI)是无线充电技术的先行者,也是最早推出商用化无线充电产品的公司之一。TI公司电池管理方案市场拓展经理文司华介绍说,WPC、PMA以及A4WP这三个技术标准联盟分别从略有不同的角度帮助推广无线充电技术。WPC从目前最具商业可行性的磁感应技术出发,不仅通过与众多参与机构合作,让参与机构在无线充电技术推广过程中发挥各自作用,完成其产业环境的构建,而且还推出了市场上目前大多数的无线充电设备,并宣称发展到磁共振 (WPC1.2) 阶段。PMA 商业化磁感应技术稍微晚一些,采取在知名消费类品牌中进行热点部署的投资方式步步为营,该标准也在力图发展与WPC产业环境相匹配的产业环境。而 A4WP 却有着不同的理念,认为无线电源的最终形式是空间自由,因此只投资于磁共振技术。文司华说,无线充电市场将继续长期保持磁感应和磁共振共存的局面,因为磁感应技术成熟、高效、低辐射、易于为消费类电子产品提供更大的电源。磁共振有望在未来一到两年内取得技术突破,实现商业可行性。

文司华说,无线充电面临的挑战包括能源传输效率、高速传输较大电源、空间自由、兼容性、可靠性以及同时实现上述某些技术优势的成本。只解决任何单项问题不能自动产生市场吸引力。只有在基础设施机构、热点或个人消费者认为上述技术问题已经处理到可以接受的水平时,才能实现大规模推广的突破。例如,即便有线墙式适配器的成本相对较低,咖啡店也不会考虑提供有线充电端口,因为不可能为各种电话、平板电脑和膝上型电脑等提供一个通用充电连接器。而且连接器也非常容易损坏。如果能够高效提供无线电源,其可自动调节各种功率水平,无需严格校准就可提供合理的充电范围,并能确保与各种充电设备的良好兼容,而且最终成本商店能够承受,它就会成为能够吸引更多客户的差异化特性。而且咖啡店店主也不必担心需要更换受损的充电连接器。

“TI 正在为解决上述所有挑战而积极努力”,文司华说。“我们的第三代接收器器件 bq51221 (96%) 刷新了第二代器件 bq51013B(相关接收器方面略低于 90%)的效率领先地位。我们正在开发一款能够轻松满足15W WPC要求的解决方案。Bq50041x 器件支持适用于大充电范围的A6线圈,可解决磁感应应用领域的空间自由问题。而且 TI 还正在与WPC成员PowerbyProxi合作,将推出一款符合WPC规范的磁共振解决方案。同时TI也在积极参与A4WP。就兼容性而言,TI近期推出了bq51221接收器,这是一款高度集成的WPC-PMA双模式解决方案。TI 最新发布的发送器解决方案可为降低BOM成本提供系统化设计,例如bq500212(5V 输入)与bq500412 (12V)。”

文司华认为,无线电源应用的发展潜力非常广阔。对可穿戴设备的优势很明显,可实现真正的机械密封设计。实际上,无线电源应用于工业及汽车应用已经有很长时间了。近期的标准化有助于进一步繁荣这些细分市场。

相关链接:
TI快速充电无线电源接收器将功耗锐降 50%
TI 面向 Qi 无线充电站推出支持外来物体检测功能的发送器电路
TI 推出最高效率集成 Qi、PMA 双模无线电源接收器
TI 无线电源芯片简化 Qi 充电站开发

Toshiba(东芝)


东芝电子技术统括部高级经理
吕建铭
东芝的无线充电产品是无线充电模块,具有充电速度快的特点。东芝电子(中国)有限公司技术统括部高级经理吕建铭说,基于电磁感应耦合方式的无线充电技术已经进入市场,东芝期待这个技术(WPC/PMA)在小功率应用领域中有一定的市场份额。另一方面,包括A4WP在内的磁共振耦合方式提供类似多单元充电,自由位置充电等设计的灵活性。相对于这些标准,东芝更关注客户的需求。

吕建铭介绍说,东芝芯片的优势是采用领先于竞争对手的先进的0.13微米的制程。该制程的更低导通阻抗能够降低IC的发热。工作在5W功况下,TC7763WBG(Rx IC)的温度在评估条件下低于45摄氏度。东芝的发送IC的特点,可以提供两个设备同时无线充电。 TC7763WBG的效率是96%。东芝提供包括发送IC和接收IC的完整的方案,能够帮助客户更容易构建5W无线充电的东芝方案。

东芝现在关注大于5W的解决方案。东芝有一些合作方并与之一起开发消费电子之外的应用。

相关链接:东芝推出新型无线充电模块 充电速度快

Vishay Intertechnogy, Inc. (威世科技)


Vishay公司高级营销总监
Tim Shafer
Vishay是一家著名的无源器件供应商,它现有的无线充电产品为接收线圈。Vishay高级营销总监Tim Shafer认为,无线充电有三个基本挑战。首先,无线充电元件的成本和尺寸。消费者对移动电话的价格非常敏感,所以许多运营商几乎“免费”提供电话,同时捆绑相应的服务计划。因此,存在着需要降低移动电话成本的巨大压力。电话中的无线充电附加电路(主动元件和被动元件)的成本必须有人来承担。移动电话制造商不想增加成本,服务提供商也不想增加成本,所以成本会由最终用户来承担。这正是目前许多无线充电解决方案只是可选的“附加功能”并由最终用户掏钱的原因所在。在无线充电成本低到移动电话制造商或服务提供商足以消化之前,无线充电的广泛采用将会受到限制;除非消费者开始需要移动电话具有无线充电功能。此外,电路和接收线圈也要占用移动电话中的空间。由于移动电话制造商注重小尺寸和轻薄,所以为线圈寻找空间变得困难并且变为非优先考虑事项,这同样只有到最终用户需要这项功能时才会改变。其次,市场上有三种无线充电标准。其中两种非常相似,互操作性相对较好且目前有相应的芯片组可供这两种充电方案使用。第三种标准显著不同且需要更复杂和成本更高的解决方案来保证互操作性。在全球都采用某一种标准之前,市场在投资于基础设施来普遍支持无线充电方面会有一些犹豫。最后,可能还存在对无线充电效率的担心。目前无线充电的效率只有约75%。而传统有线充电在90%以上。对充电功耗为5W的移动电话,效率之差约为1W。虽然这听上去并不多,但如果全球所有移动电话都采用无线充电,那么无线充电功耗将比有线充电多1亿瓦。另外,无线充电虽然非常方便,但目前并不是非常“绿色”的解决方案,在使用更加环保及可再生能源的世界潮流中可能会招致一些异议。

Shafer说,WPC和PMA标准非常相似,Vishay的接收和发射线圈解决方案采用这种技术。A4WP的工作频率显著较高并对接收和发射线圈采用不同的方案。由于目前缺少可用的芯片组和支持电路,所以难以为这些解决方案开发线圈。随着A4WP系统逐渐成熟及定义更加完善,Vishay将考虑为该解决方案提供兼容线圈。

Vishay目前正在与多家公司合作开发功率更大的充电/接收线圈(15W以上)。此外,Vishay还致力于开发汽车级发射线圈。

相关链接:Vishay推出可用于7V充电电路的无线充电接收线圈

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