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無線充電芯片行業(yè)技術(shù)水平、特點以及進入本行業(yè)的主要壁壘
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 美芯晟    2023-05-17

無線充電芯片領(lǐng)域的行業(yè)壁壘包括：提高充電效率，通過高精確度的異物檢測保證充電的安全性，高功率條件下的系統(tǒng)可靠性設(shè)計以及提升無線充電產(chǎn)品的實用性等。

（1）提高充電效率

無線充電效率相對較低，主要是因為無線充電相比有線充電多了線圈和整流濾波電路等，因線圈和整流濾波電路的損耗，加上周圍磁場干擾，對轉(zhuǎn)換效率影響較大，充電時溫度升高，進一步影響充電轉(zhuǎn)換效率。因此，如何提高充電效率是無線充電技術(shù)目前面臨的主要技術(shù)瓶頸。

為提升充電效率，行業(yè)的一般做法是通過減小整流橋MOS管的導(dǎo)通電阻來提高效率、減少發(fā)熱。該種方式對于整流器檢測精度提出了較高的技術(shù)要求。

此外，為了將無線充電功率從50W功率段進一步抬升到100W功率段，單純的減小芯片中整流橋MOS管的導(dǎo)通電阻已經(jīng)不再適用。接收線圈的串聯(lián)電阻對大功率傳輸下效率的影響成為了主要因素，但是在有限的線圈形狀及尺寸的限制下，減小接收線圈的串聯(lián)電阻只能通過減少線圈匝數(shù)的方式實現(xiàn)，這樣就會同時帶來接收線圈電感值也減小的情況。

在無線充電系統(tǒng)中，如果接收線圈電感減小，就會影響耦合系數(shù)，從而使無線充電的兼容性變差。為了解決上述矛盾，發(fā)行人通過自主研發(fā)掌握了半橋啟動電路技術(shù)。該項技術(shù)實現(xiàn)了整流器的一端用內(nèi)部功率MOS接地，另外一端做整流功能的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)會使耦合系數(shù)倍增，保證了小電感時的啟動耦合系數(shù)。解決了更大電流應(yīng)用時，手機等便攜設(shè)備為了提高效率而減小電感量帶來的耦合系數(shù)較低的問題。

（2）通過高精確度的異物檢測保證充電的安全性

無線充電正常工作時，發(fā)射端發(fā)射出的交變電磁場不僅可以被接收端接收，還有可能被附近任意金屬異物接收，導(dǎo)致其發(fā)熱并產(chǎn)生安全隱患。如何快速、準(zhǔn)確地判斷出金屬異物是否存在，也是無線充電技術(shù)面臨的技術(shù)瓶頸。

在功率傳輸階段之前，Q值檢測是目前較為先進的一種異物檢測方法，當(dāng)發(fā)射線圈上存在金屬異物時，Q值會急劇減小，通過這種方法可以快速、準(zhǔn)確地判斷出金屬異物是否存在。行業(yè)一般采用電阻耦合技術(shù)進行Q值檢測，但在LC諧振腔自由震蕩時會由于電阻消耗電流損失檢測精度。公司通過電容耦合進行Q值檢測，保證LC諧振腔在自由震蕩時沒有能量損失，因此可以達到較高的檢測精度。

在功率傳輸階段，接收端芯片需要對其輸入電壓、輸入電流進行檢測，并且據(jù)此計算出接收功率，實時的通知發(fā)射端芯片。發(fā)射端芯片也需要對輸入電壓、輸出電流進行檢測并且據(jù)此計算出發(fā)射功率，與接收端芯片匯報的接收功率做實時的對比，如果接收功率大于發(fā)射功率，那么就說明在發(fā)射、接收線圈附近有金屬異物。而接收端芯片、發(fā)射端芯片的電壓、電流檢測精度就決定了上述功率對比時的誤差容限，誤差越低異物檢測越精確，異物被加熱的風(fēng)險也就越低。

在小功率（5W）傳輸?shù)膽?yīng)用條件下，5%的電流誤差只會帶來25mW的功率誤差，因此這是可以接受的；在大功率（100W）傳輸?shù)膽?yīng)用條件下，2%的電流誤差就可以造成2W的功率誤差，這會帶來較大的安全風(fēng)險。因此，高精度的電流檢測成為了大功率無線充電傳輸?shù)囊淮蠹夹g(shù)指標(biāo)。發(fā)行人通過在芯片中集成高精度、低噪聲的運算放大器與軟件算法相結(jié)合，實現(xiàn)了5A電流下，小于0.4%的電流檢測精度，從而保證了異物檢測的精度要求。

（3）高功率條件下的系統(tǒng)可靠性設(shè)計

隨著無線充電技術(shù)在近年來的快速發(fā)展，無線充電的功率也快速提升，如何突破無線充電功率的限制，在大功率充電過程中如何保證系統(tǒng)的可靠性，是無線充電技術(shù)面臨的另一個技術(shù)瓶頸。

1）突破無線充電功率的限制

在傳統(tǒng)低功率單級架構(gòu)的約束下，想要提高無線充電的效率只能在無線充電芯片輸出電壓維持在12V以內(nèi)的條件下不斷增加輸出電流。但是，輸出電流的增加會使無線充電芯片以及線圈的導(dǎo)通損耗成平方關(guān)系增加，因此無線充電能達到的最大輸出電流為1.2A，最大輸出功率在15W以下。

2）大功率應(yīng)用中提供可靠的過壓保護

無線充電系統(tǒng)的能量控制環(huán)路是離散的，并且時間間隔在幾十到幾百毫秒的范圍內(nèi)，因此在無線充電的過程中，可能存在因輸入電壓或輸出負(fù)載的跳變，導(dǎo)致無線充電系統(tǒng)無法及時響應(yīng)，充電系統(tǒng)過熱，甚至導(dǎo)致燃燒、爆炸以及其它電路損壞的現(xiàn)象。

當(dāng)充電功率較低時，電壓跳變程度相對較小，一般通過泄放電阻抑制電壓上升即可實現(xiàn)對充電系統(tǒng)的過壓保護。但隨著充電功率的不斷提高，傳統(tǒng)的過壓保護技術(shù)已經(jīng)無法在大功率段（>50W）對充電系統(tǒng)進行有效的保護。

發(fā)行人通過自主研發(fā)，掌握了可靠的過壓保護技術(shù)，通過芯片內(nèi)部電壓/電流傳感器預(yù)先對可能造成過壓的異常情況進行檢測和區(qū)分，并且根據(jù)不同的異常情況做出最合理的響應(yīng)。發(fā)行人的過壓保護分為兩種模式：在電壓跳變較小時通過泄放電阻抑制電壓上升；電壓跳變較大時，通過整流橋模式轉(zhuǎn)換，控制能量不向整流橋后級傳輸，保證VRECT電壓不再上升。上述模式能夠?qū)崿F(xiàn)1~100W的全功率段保護，為大功率應(yīng)用提供可靠的過壓保護。

（4）提升無線充電產(chǎn)品的實用性

在無線充電技術(shù)的發(fā)展歷程中，其技術(shù)迭代方向朝著提升用戶體驗、降低技術(shù)成本的方向迭代和發(fā)展。使無線充電技術(shù)在更加實用的基礎(chǔ)上，能夠普及到每一個消費者的手中。

1）解決線圈對準(zhǔn)問題

在用戶將無線充電接收端設(shè)備放到發(fā)射端設(shè)備上時，如果發(fā)射、接收線圈沒有對準(zhǔn)，那么可能導(dǎo)致磁耦合效率降低，充電功率無法達到產(chǎn)品預(yù)設(shè)的上線，甚至可能導(dǎo)致無法充電。行業(yè)中，一般采用磁吸技術(shù)進行發(fā)射、接收線圈的對準(zhǔn)。該技術(shù)應(yīng)用于充、放電設(shè)備本身，通過無線充電器內(nèi)部帶有磁體與用電設(shè)備內(nèi)部磁體互相吸引，靠近后可以自動對準(zhǔn)發(fā)射線圈與接受線圈，進行牢固的吸附后進行傳輸能量，盡可能地提高磁耦合效率高進而提高無線充電效率。目前，蘋果推出的MagSafe磁吸無線充電技術(shù)是該領(lǐng)域較有代表性的技術(shù)應(yīng)用，其無線充電功率在20W以內(nèi)。

但是，在無線充電過程中，磁吸技術(shù)的運用會使得充、用電設(shè)備含有的金屬物質(zhì)增加，造成了更多的能量損失，反而又影響了充電效率。為解決上述問題，需要應(yīng)用高頻技術(shù)，通過提高充電頻率來降低充電過程中的能量損失。目前無線

充電技術(shù)能達到的充電頻率大約在80KHz~205KHz，在該等功率下進行無線充電產(chǎn)生的能量損失相對較大。高頻技術(shù)使得充電頻率達到1MHz~2MHz，能夠大幅降低無線充電過程中的渦流損耗以提高充電效率。但是，因提高充電頻率而產(chǎn)生的電壓、電流之間不可忽視的相位差同樣會影響無線充電效率。因此，如何接收線圈的電壓、電流存在較大相位差的前提下，整流橋依舊能夠高效率、可靠的進行交流-直流轉(zhuǎn)換，是高頻技術(shù)未來需要進一步攻克的難題。

2）提高反向充電效率

反向充電技術(shù)使得智能手機等原本只能接收無線充電的終端產(chǎn)品，可以給其他支持無線充電的終端產(chǎn)品充電。具備反向充電功能的產(chǎn)品可以給用戶帶來更好的使用體驗，反向充電輸出功率越高，產(chǎn)品的實用性越強。

從2014年至今，反向充電技術(shù)經(jīng)歷了從無到有，功率從小到大的過程。反向充電功率從5W以內(nèi)，只能給TWS耳機等小型設(shè)備充電；到10W、18W，實現(xiàn)了手機對手機充電。發(fā)行人通過自主研發(fā)，在接收端芯片的Power LDO中集成了正反向、高精度電流檢測電路，在不斷提高電流檢測精度時也保證了正、反向無線充電的效率。并且，在接收端芯片內(nèi)部也集成了發(fā)射端芯片所需的多通道ASK數(shù)字解調(diào)模塊，大大節(jié)省了外圍元器件，降低了成本。在解決上述技術(shù)問題后，發(fā)行人在業(yè)界第一個提出了RTx全集成SoC芯片，將Power Sharing的概念帶入業(yè)界。

3）降低成本

無線充電芯片是將功率器件、高速/高精度模擬電路和大規(guī)模數(shù)字電路集成到一起的芯片，因此芯片的制造成本高也成為了無線充電技術(shù)進一步普及向所有消費者的障礙之一。同時，隨著無線充電技術(shù)在功能上日益豐富，數(shù)字電路占比越來越大，對無線充電芯片的集成度的要求也越來越高。

目前，業(yè)界普遍采用0.18μm工藝設(shè)計無線充電芯片，數(shù)字電路占用了越來越大的芯片面積。為了降低成本，業(yè)界在向著更小尺寸的工藝平臺（如90nm）方向演進。發(fā)行人將緊跟這一行業(yè)趨勢，在90nm工藝平臺上進行芯片研發(fā)，進一步降低無線充電芯片的生產(chǎn)成本。