【第二期】什么决定了无线充电速度?


 本期内容分成以下4部分:

1.    锂电池充电原理

2.    无线充电原理回顾

3.    目前市面上的手机如何进入无线快充

4.    发射端如何提高手机充电速度

 

阅读提示:

1.    第一部分和第二部分比较偏技术;

2.    第二部分阐述了决定无线充电速度的根本原因,建议阅读;

3.    第三部分和第四部分更贴近实际应用,大家也可以选择优先阅读。

 


| 锂电池充电原理 |


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·         锂电池前面往往会有一个电池充电芯片(Charger),它来控制电池的充电速度。

·         电池是什么?你可以把它看成一个大电容,流进它的电流决定了它充电的快慢。

·         锂电池充电分四个阶段:

        1. 涓流充电:在电池电量很小、接近彻底放完的状态时,对手机进行预充电,这时候电池充电芯片会固定输出一股很小的电流,常常为正常充电的1/10。比如正常充电电流为1A,那么涓流充电可能是100mA

        2. 恒流充电:涓流充电完毕,电池充电芯片会增加电流的输出,并恒定该电流对电流持续充电。电池充电的大部分时间都处于恒流充电阶段。

        3.恒压充电:当电池接近充满时,电池充电芯片会恒定一个输出电压,充电电流的大小由电池内部电压、内部电压和输出电压之间的内阻决定。即:充电电流=(输出电压-内部电压)/电池内阻。

        4.停止充电:停止充电有两种办法:恒压阶段充电电流小于某个值则停止充电;或者从恒压充电开始计时,两个小时之后停止充电。


 

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·         电池充电的大部门时间处于恒流充电阶段。如果识别为快充状态,电池充电芯片会输出大电流;如果识别为慢充状态,电池充电芯片会输出小电流。为了安全考虑,在手机内部温度过高时,电池充电芯片也会输出小电流来减少手机内部的功率损耗。

 


| 无线充电原理回顾 |


 

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·         手机端,无线充电系统会给LDO的输出设置一个目标电压,常见的有5V或者9V,来作为电池充电芯片的供电。

·         发射端则是为了控制LDO的输入电压(VRECT),保证LDO输入电压比输出电压高一点,这样LDO的转化效率达到最高。

·         电池充电芯片实际控制着电池充电的充电电流,它会主要考虑两个因素:

            1. 手机是否进入快充?

            2.温度是否太高?

·         下图为无线充电器给三星手机充电典型的充电曲线。涓流充电分辨不出,在很多情况下会被省略。温度过高时,电池充电芯片会自动降低充电电流。

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Q&A

Q:常有人问,手机端不要这么大功率,发射端硬塞给它,这样手机充电会不会快一些?

A:不会,反而会变慢。因为当发射端硬塞给接收端功率,会抬高VRECT的电压,但LDO的输出电压VOUT不变,电池充电芯片控制的恒定输出电流不变,LDO两侧的效率变差了。等效来说硬塞给接收端的能量会消耗在LDO的损耗上,手机温度会上升,上升到一定程度更容易引起电池充电芯片降低输出电流。

 


| 目前市面上的手机如何进入无线快充?|


 

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·         苹果手机:识别无线充电开关频率是否在127.7kHz附近。如果是,则进入快充。

·         三星手机:三星会发指令给TX请求进入快充,如果TX通过FSK通信告诉三星手机,我可以支持你的快充,则双方握手,进入快充。弱加密,已经被破解,三星也在最近的WPC会议上公开了它的协议。

·         小米MIX2S:强加密算法,几乎不可能破解。支持小米快充需要小米授权License。市面上目前只有小米白色的无线充电器支持小米快充。

·         华为P20保时捷版:情况和小米MIX2S一样。目前只有华为保时捷版无线充电器支持华为无线快充。

·         LG V30WPC官网显示,通过了EPP认证,支持EPP快充协议,也就是说过了EPP认证的发射端可能支持对它进行快速充电;

·         Sony XZ2:同LG V30

 

伏达15W-EPP产品 NU1509+NU1015

伏达半导体已经推出了符合WPC EPP协议的15W解决方案,该方案采用标准的苹果定频调压的快充架构,支持苹果快充、三星快充、以及通过EPP认证的手机快充。整个方案采用第三代无线充电架构,SoC +SmartBridge,该架构的优势不仅仅是集成度的提高和Cost的降低,更在于智能全桥能通过捕获功率全桥中更全面的信息,来提高无线充电性能。

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| 发射端如何提高手机充电速度? |

 


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·        满足手机无线快充的条件;

·        控制手机端VRECT电压稳定在目标值;

§        定频调压模式的调整更加线性,更容易满足这个条件;

§        变频控制模式需要满足频率变化的Step足够小,否则VRECT离目标电压会有比较大的偏差。很多廉价MCU的方案就是因为频率变化的精度不够,无法过认证,也会给手机无线充电带来风险。

§        调占空比的方案也要满足占空比的调节精度足够高,否则VRECT离目标电压也会有大的偏差和波动,这对MCU的要求比较高。同时,由于占空比方案很难将占空比调到非常低,否则可能会产生硬开关和通信问题。在低功率传输时,会引起发射端送出的功率大于手机的需求值,VRECT的电压有远大于目标值的风险。

·         降低与手机接触表面的温度;

§         线圈不要贴着发射端表面,通过空气隔离。空气是最好的隔热层,可以防止线圈的热传到发射器外壳表面。

§        在线圈底部隔磁材料下面增加散热片,将线圈的热尽快的导出。

§        提高TX发射端的效率。

§        增加空气与外界的对流,加速散热,比如在发射端内部增加电风扇。

§        在环境温度比较低或者有空气对流的情况对手机进行充电,比如把车载无线充电支架夹在空调出风口。