直播回顾丨无线充电PK有线充电,谁是赢家?

近日,伏达半导体携手创易栈,在上海伏达办公室的新址,进行了一场在线直播,与广大工程师网友共同探讨了“无线充电与有线充电,究竟谁略胜一筹?”伏达资深充电专家——崔老师以其独特的主播风格、新颖的演讲内容,及多方位Demo演示,与各路工程师网友们切磋、交流。


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首先,崔老师介绍了伏达的发展、客户、产品等信息,此处省略,直接进入主题。

首先,大家应该了解,无线充电的多种形态,如磁感应、磁共振、无线电波、电容耦合式等。

与无线充电相关的组织有例如A4WP,WPC等。

WPC主要聚焦磁感应无线充电这个技术路线,而磁感应需要近距离传输。与A4WP的主要区别在于频段的选取不同。WPC Qi目前选取87-205kHz左右,相对较低的频率,而A4WP较高,可以达到6.78MHz。

WPC组织架构全面,覆盖协议众多,目前应用最广的当属Qi协议。包括我们的可穿戴手表、耳机、手机、电动牙刷等都使用Qi协议。目前伏达研发的无线充电产品,大都是以WPC的Qi为规范的芯片。


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再聊聊最近火热的隔空充电。

隔空充电,是一种高自由度的充电技术。因为有远距离传输的高自由度,能带来更多的便利,但是它受限于能量的传递形式,尤其受小功率无线充电的限制。短期内,在国家安规和健康标准不改动的情况下,大功率的传输是比较难马上实现的。但是,我们应该鼓励这样的探索,有助于实现技术多样性。伏达也在不断追求技术创新,无论法规怎么变,是否将功率限制在最高50W,我们都能提供成熟、完善的无线充电、有线快充方案。


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说到无线充电原理,它和变压器一样,都是电气隔离传输,属于非接触式传输。他们最重要的区别,在于耦合度。左图中,传统的变压器如果耦合好的话,可以达到0.97~0.98,可以说相当的高。

右图中,无线充电上、下两块是磁屏蔽,夹在里面发射端和接收端的线圈,由于受限于X轴、Y轴、Z轴的偏移距离带来的自由度,其无线充电的耦合度通常在0.1~0.8进行波动。


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无线充电主要实现了在一个宽范围、弱耦合的情况下,以一定效率传输一定功率。

我们主要依靠谐振电路。它有很多好处,可以带来ZVS、ZCS的这些软开关的技术,大大地降低损耗。通过谐振电路调整谐振点,还能带来增益的变化,产生一个高增益,这样可以大大提高调整的灵活度,让宽范围、弱耦合的传输就成为了可能。

我们的主要目标就是控制不同耦合下的增益的变化,选取所需要的增益,来稳定输出。计算公式如下:

电压增益 = 接收侧输出电压(Rx-Vrect) / 发射侧输入电压(Tx-Vin)


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Qi的无线充电架构其实是一个对称结构。发射端(TX),包含一个全桥和一个谐振;接收端(RX)也由一个全桥和一个谐振构成。可以采用纯二极管的自然整流,功率较大的时候,需要用到全桥的同步整流。

后端输出比较特殊,除全桥整流外,还需要再一级的稳压。

伏达无线充电主要采用的是比较简洁的LDO方案。因为在整个传输过程中,需要闭环控制。在闭环控制中,Qi协议规范要求带内通讯,所谓带内通讯就是不需要再添加额外的像蓝牙这样的设备。我们直接采用载波方式将通讯信号叠加在功率传输的带宽内。通讯时,会对整流上的电压造成一些不可控的纹波,对后级电路和负载产生影响。所以要再加一级稳压电路,这就是LDO的作用。

从整个无线系统的这个框架来说,伏达选择一个MCU主控加智能PowerStage的TX全桥逆变方案,这样既兼顾了成本和灵活性,又能让PowerStage部分可以灵活调整功率。

那无线充电的控制目标是什么?无线充电最核心的控制目标就是稳定输出电压

发射端的芯片在接收到RX的误差反馈信号以后,会自己选择进行调频、调压、调占空比等一系列操作,让我们反馈的误差和最终负载输出的误差,达到0或者在0附近进行微调。


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以伏达的接收芯片NU1619为例,它是目前应用范围最广的芯片之一。

图中,大家看到发射端,采用的主控芯片是NU1513(MCU),主功率部分的PowerStage由NU1020担当。可以承受高达20V的电压输入。

对于一些低压的输出可以采用Buck,也可以采用现在比较流行的电荷泵(Charge Pump)进行变压、降压,达到更高效的降压比和功率传输。

我们的芯片高度集成了全桥的主功率电路、全桥 驱动、内置解调、 电流采样、保护等等。

大家是否注意到上图放了2颗NU1619芯片?

其实,NU1619不单是一颗接收芯片,经过配置,它同时也可以作为发射芯片,作为TX发射端来使用,实现反向充电功能

采用NU1619的方案,兼顾了结构、集成度和成本之间的平衡。实现耐压更高,集成的保护响应速度也更快。


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上图是我们进行极限测试的时候,当输出电压为19V时,在不同电流时的效率。总体来说,在无线充电领域,从TX的全桥输入到RX的全桥输出,目前在业内效率是比较领先的,充电效率最高可达88%,可以说是很优秀了。


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图中展示的是NU1619/A的评估版,它囊括了主功率的全桥、输出调节、LDO以及进行带内通讯的ASK FSK的调制和解调、I2C接口,一个外部的辅助电源的供电,以及主要控制区域。


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作为工程师,大家最关心的就是这块开发板上有哪些器件。通过上面的NU1619/A电路图,可以看到设计非常简单,极少的外围器件,只有一些必须的调制解调的电容,必要的输出电容、稳压输出电容以及解调电路,就能轻松的实现无线充电的功能。


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上文提到,NU1619不但可以作为接收端,也可以作为发射端来使用。

作为接收端时,首先需要一个适配器,插上一个TX的发射盘,外接一个接收线圈,然后直接连接负载,相当简洁。

通过GUI设置成TX发射模式,原本作为输出连接负载的RxVout端,就作为输入端连接可调直流电源。然后就能通过在线圈上放置带无线充电功能的手机、手表、手环、耳机等进行测试。


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接下来谈一下软件架构。

TX会进行一些Ping的功能。

在传输过程中,重要的是传输接收功率,这是为了通知发射端接收到的功率,发射端会进行比较,并判定是否合理,是否有异物,这在Qi协议规范里面叫做FOD。

无线充电里,我们最重要的就是关注安全性、可靠性,所以比如输入和输出的传输功率差就非常重要。不论是检测到异物,还是出现了异常,都能做到及时保护。


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无线充电和有线充电,到底未来谁是赢家?

目前看来,在很长一段时间内,无线充电和有线充电仍会并存,目前有线充电因为运用更久,占据了优势,但是无线充电作为后起之秀,也在功率上不断的追赶。

小米最新发布的小米11 Pro手机,其无线充电功率已经做到了67W。那么它和有线充电相比,充电效率如何呢?实验结果证明,同时充电,只用了不到37分钟,2台手机就能充满,刷新了无线充电效率的新纪录。


一点思考


苹果公司很早之前就推广无线耳机,并取消了iPhone的耳机孔。如果未来的发展逐步向无线靠拢,会不会为了摆脱这根线的束缚,而往无线数据传输方向发展呢?

当最终这个type C或USB的接口最终都堵上的时候,也许标志着无线充电时代到来了。到那个时候,也说明我们的科技发展又上了一个全新的高度。

无线充电和有线充电,到底未来谁是赢家,相信大家已有自己的判断。


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