【導(dǎo)讀】無線充電技術(shù)包括感應(yīng)、磁諧振、電容、射頻輻射、激光、聲波和其他新興技術(shù)。感應(yīng)耦合技術(shù)處于領(lǐng)先地位 [1]，因此，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) Qi 在無線充電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。
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使用 WLC1115 的各種應(yīng)用的可配置軟件
無線充電技術(shù)包括感應(yīng)、磁諧振、電容、射頻輻射、激光、聲波和其他新興技術(shù)。感應(yīng)耦合技術(shù)處于領(lǐng)先地位 [1]，因此，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) Qi 在無線充電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。
感應(yīng)充電的工作原理為法拉第定律，功率發(fā)射器 (PTx) 線圈中的交流電產(chǎn)生交變磁場。然后，該磁場與功率接收器 (PRx) 線圈相互耦合，并轉(zhuǎn)換回交流電流，為接收器側(cè)連接的直流負(fù)載整流。
無線充電聯(lián)盟 (WPC) 負(fù)責(zé)管理這項(xiàng)技術(shù)的相應(yīng)規(guī)范發(fā)布。目前，最新發(fā)布的 Qi 規(guī)范版本為 1.3.2，通過采用增強(qiáng)型異物檢測 (FOD)、帶有私鑰存儲的發(fā)射器認(rèn)證等功能，以及提高互操作性的功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 無線充電的意圖。Qi 規(guī)范的基礎(chǔ)電源配置文件 (BPP) 將最大輸出功率限制為 5 W，而擴(kuò)展電源配置文件 (EPP) 支持高達(dá) 15 W 的功率傳輸。
然而，在強(qiáng)大智能手機(jī)通過 USB-C 接口快速有線充電的時(shí)代，采用 Qi 無線功率傳輸?shù)挠脩舫潆娝俣润w驗(yàn)仍在不斷改善，為推出新解決方案鋪平了道路。
本文介紹英飛凌第一代無線充電控制器，該控制器集成了最新 Qi 發(fā)射器、USB-PD/PPS 受電器件、DC/DC 控制器、柵極驅(qū)動器、檢測/保護(hù)外設(shè)和可配置閃存。我們的可編程解決方案能夠提高靈活性，具有集成優(yōu)勢，支持設(shè)計(jì)人員擴(kuò)展功率級，允許 OEM 提供差異化功能，同時(shí)保持 Qi 兼容。
具有 Qi 向后兼容性的專有電源擴(kuò)展
盡管感應(yīng)式無線充電的標(biāo)準(zhǔn)之爭可能已經(jīng)結(jié)束，但 OEM 仍希望實(shí)現(xiàn)差異化功能并改善用戶體驗(yàn)，從而催生了與 Qi 標(biāo)準(zhǔn)共存的專有快速充電協(xié)議。
WPC 協(xié)議規(guī)定的專有供電擴(kuò)展 (PPDE) 支持制造商擴(kuò)展其解決方案的功能。此外，受地區(qū)頻譜法規(guī)的限制，部分智能手機(jī) OEM 提供高達(dá) 50 W 的專有大功率感應(yīng)式無線充電。隨著 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的持續(xù)發(fā)展，未來可能提供具有更高功率容量的快速充電，產(chǎn)品制造商尋求靈活、可編程的解決方案，可進(jìn)行軟件升級、維護(hù)，并在產(chǎn)品生命周期內(nèi)改進(jìn)用戶體驗(yàn)。
WLC1115 發(fā)射器控制器 IC 的主要特性
集成降壓和逆變器功率級
英飛凌 WLC1115 發(fā)射器控制器 IC 是一款高度集成且符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的無線發(fā)射器，采用集成 USB Type-C 供電 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 規(guī)范，集成了用于降壓和逆變器功率級 MOSFET 的柵極驅(qū)動器。此外，還具備硬件控制保護(hù)功能。
WLC1115 利用集成降壓控制器來生成所需橋電壓，為全橋逆變器供電，反過來，全橋逆變器又為功率發(fā)射器 (PTx) LC 諧振回路供電，進(jìn)而為功率接收器 (PRx) 供電。降壓轉(zhuǎn)換器支持的輸入電壓范圍為 4.5 V 至 24 V。
WLC1115 的集成柵極驅(qū)動器旨在根據(jù) Qi 規(guī)范類型和操作場景控制全橋或半橋逆變器。圖 1 所示為基于 MP-A11 線圈的發(fā)射器系統(tǒng)，逆變器級采用定頻可變輸入電壓控制。
對功率級而言，在此類發(fā)射器中使用 WLC1115 具有以下優(yōu)勢：
● 基于 PD 的高集成方案，符合最新 USB Type-C PD 要求
● 集成柵極驅(qū)動器和固件可配置的通/斷柵極驅(qū)動強(qiáng)度
● 可編程開關(guān)頻率范圍高達(dá) 600 kHz
● 使用 PD 輸入，可靈活地將輸入電壓從 5 V 動態(tài)更改為 20 V
○ 這有助于通過 USB-PD 類型輸入獲得高效率。例如，可動態(tài)配置輸入電壓，使降壓級輸入接近輸出，從而提高降壓級效率。PTx 輸入為 15 V，PRx 輸出為 12 V 時(shí)，測得的 15 W 峰值效率大于 83% [3]。
○ 在空閑模式下以 5 V 運(yùn)行，可降低待機(jī)功耗，通常約為 67 mW [3]，可通過系統(tǒng)特定的固件增強(qiáng)功能進(jìn)一步降低到 25 mW 以下。
● 降壓級輸入和輸出側(cè)的保護(hù)功能：
○ 輸入 UVP、OVP，
○ 輸出UVP、OVP
○ 輸出 OCP、SCP，
○ 特定于 PD 的保護(hù)（例如，VBUS 到 CC短路）
● 采用 WLC1115 [3] 的無線功率發(fā)射器系統(tǒng)
圖1 采用 WLC1115 [4] 的無線功率發(fā)射器系統(tǒng)
通信和認(rèn)證
Qi EPP 標(biāo)準(zhǔn)要求雙向帶內(nèi)通信。從 PTx 到 PRx 的通信的通信基于由 PTx 實(shí)現(xiàn)的頻移鍵控 (FSK) 方案，交替載波頻率。從 PRx 到 PTx 的通信基于由調(diào)制 PRx 側(cè)負(fù)載創(chuàng)建的幅移鍵控 (ASK) 方案，在 PTx 上出現(xiàn)反射，然后過濾并解碼。
WLC1115 發(fā)射器控制器位于 PTx 側(cè)，通過檢測 PTx 線圈中的電壓和電流變化來實(shí)現(xiàn) ASK 解調(diào)和解碼方案。在 FSK 中，PTx 將其工作頻率從當(dāng)前頻率更改為備用頻率，以編碼信息。
Qi 1.3.x 規(guī)范要求對超過 5 W 的 EPP 供電進(jìn)行認(rèn)證，遵循依賴公鑰和私鑰對來加密和解密內(nèi)容的公鑰加密。這些密鑰在數(shù)學(xué)上是相關(guān)的，對于由其中一個(gè)密鑰加密的內(nèi)容，可使用另一個(gè)密鑰來解密。私鑰是最敏感的安全憑證，必須安全存儲。公鑰通常為二進(jìn)制證書的一部分，該證書通過帶內(nèi)通信介質(zhì)傳輸給接收方。
根據(jù) Qi 規(guī)范，PTx 必須將產(chǎn)品單元的私鑰安全托管在存儲子系統(tǒng)中，以用于數(shù)字簽名。該私鑰用于對來自功率發(fā)射器設(shè)備的質(zhì)詢驗(yàn)證響應(yīng)進(jìn)行數(shù)字簽名。我們的解決方案使用OPTIGA? Trust 充電器件來存儲該私鑰（圖 2）[5]。
配套 REF 套件無線充電 MP A11 功率發(fā)射器 REFWLCTX15WC1 使用英飛凌WLC1115 發(fā)射器控制器 IC 和 OPTIGA? Trust 充電 IC 認(rèn)證解決方案進(jìn)行無線充電，滿足 Qi 認(rèn)證要求。
圖2 英飛凌配套 REF 套件中的主要控制器
異物檢測 (FOD)
WLC1115 發(fā)射器控制器還支持符合 Qi v1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型異物檢測 (FOD)，其中包括基于 Q 因子、諧振頻率、功率損耗和過溫（如果使用熱敏電阻）的 FOD。
Q 因子和諧振頻率測量結(jié)果用于供電階段之前的 FOD。PRx 報(bào)告使用 Qi 定義參考線圈校準(zhǔn)的 Q 因子和諧振頻率參考值。PTx 將報(bào)告值與現(xiàn)場測量值進(jìn)行比較，確定是否存在異物。比例因子用于將 PRx 報(bào)告的 Q 因子和諧振頻率值轉(zhuǎn)換為與參考發(fā)射器線圈等效的值，以適應(yīng)測量變化。
功率損耗法主要用于功率傳輸階段。功率損耗 FOD 使用在降壓輸出端測得的 PTx 功率，該功率饋送到逆變器橋。通過調(diào)諧 FOD 系數(shù)來進(jìn)一步調(diào)節(jié)該 PTx 功率，以考慮逆變器損耗和友好金屬損耗。計(jì)算校準(zhǔn) PTx 功率之后，將結(jié)果與最新報(bào)告的 PRx 功率值進(jìn)行比較。如果校準(zhǔn) PTx 功率與 PRx 功率之間的差異超過 Ploss 閾值，則會記錄 FOD 事件。
為防止錯(cuò)誤斷開連接并改善用戶體驗(yàn)，WLC1115 采用自適應(yīng)算法來區(qū)分真實(shí) Ploss FOD 與由耦合不佳 PRx 引起的 Ploss。FOD 系數(shù)和 Ploss 閾值均可配置，以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。例如，圖 3 所示為 PRx 對有效充電面積的影響，該 PRx 具有磁性對準(zhǔn)輔助裝置以及潛在友好金屬。
圖3 自適應(yīng)異物檢測 (FOD) – Apple iPhone 12 的有效充電面積增加了 74%
另一個(gè)示例（表 1）顯示了我們的 PTx 通過自適應(yīng) FOD 算法檢測不銹鋼等物體的能力，Qi 規(guī)范[2] 將其定義為 FO1，在智能手機(jī)等大型平板手機(jī)充電期間引入。
表1 大型智能手機(jī)異物檢測 (FOD) –三星 Note 20 智能手機(jī)檢測 FO1 的能力高達(dá) 10 mm
專有擴(kuò)展的可編程性
配套參考板使用 WLC1115 無線充電控制器 IC，支持三星專有充電擴(kuò)展。所含軟件為堆棧庫提供應(yīng)用程序編程接口 (API)，支持訪問各種功能，這些功能可用于進(jìn)一步實(shí)施專有協(xié)議擴(kuò)展等 Qi 協(xié)議。如下頁圖 4 所示，三星手機(jī)消耗的 PTx 功率約為 9 W，而 BPP 僅為 5 W。
圖4 三星 Galaxy S21 智能手機(jī)的充電周期結(jié)果（帶三星專有擴(kuò)展）
使用 WLC1115 的各種應(yīng)用的可配置軟件
英飛凌 WLC1115 發(fā)射器控制器 IC 帶有 Qi v1.3.2 認(rèn)證的 MP A11 電源發(fā)射器參考解決方案，適用于各種應(yīng)用，包括智能手機(jī)、智能揚(yáng)聲器、擴(kuò)展塢、監(jiān)視器，以及工業(yè)或醫(yī)療保健附件（圖 5）。
圖5 Qi v1.3.2 認(rèn)證 MP A11 發(fā)射器
具有業(yè)界領(lǐng)先的集成功能，最高輸出功率為 15 W
除參考解決方案外，WLC1115 還支持 Configuration Utility（可下載），以及通過英飛凌 ModusToolbox? 軟件 提供的固件庫。“configuration utility” 是一款 Microsoft Windows 應(yīng)用程序，可指導(dǎo) WLC1x 用戶完成配置和編程芯片的過程。該實(shí)用程序與所提供的硬件協(xié)同工作，硬件托管 WLC1x 控制器 IC 以及 USB 接口。圖形用戶界面 (GUI) 支持用戶直觀選擇和配置應(yīng)用參數(shù)。應(yīng)用說明 [6] 也進(jìn)一步解釋了部分參數(shù)，比如 FOD 調(diào)諧。除無線充電參數(shù)外，該實(shí)用程序還提供支持配置 USB-PD 輸入和保護(hù)（例如 OVP、OCP 和 OTP）的參數(shù)。
例如，通過遵循英飛凌社區(qū)知識庫文章 [7]中詳細(xì)介紹的簡單配置過程，REF 解決方案可啟用基于直流輸入電源的無線充電操作。這非常適合具有固定電壓軌的應(yīng)用，比如工業(yè)機(jī)器人、擴(kuò)展塢和售后附件。軟件配置非常靈活，從概念到批量生產(chǎn)階段，都支持最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)師充分展現(xiàn)自身才能。
結(jié)論
最近幾年，智能充電技術(shù)的組件和應(yīng)用發(fā)展非常迅速。雖然關(guān)注的焦點(diǎn)是支持通用連接器的標(biāo)準(zhǔn)化有線充電 USB-C [8]，但對于眾多用戶群體而言，越來越需要隨時(shí)可用且方便的充電器件，這也是無線充電的主要推動力。
我們使用集成 USB-C PD 的無線充電解決方案，結(jié)合英飛凌 OPTIGA? Trust 充電認(rèn)證，為 OEM 提供吸引力十足的 BOM 價(jià)值主張，幫助他們開發(fā)滿足 Qi v1.3.2 要求的發(fā)射器。我們的平臺具有自適應(yīng) FOD 等主要特性，支持專有協(xié)議、DC/DC 控制器集成以及軟件庫，非常特殊，可滿足專有及新興感應(yīng)無線充電的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)要求。
請?jiān)L問我們的無線充電 IC 網(wǎng)站，了解英飛凌 WLC 可編程解決方案如何能夠提供所需的靈活性，以擴(kuò)展到更高功率級，同時(shí)保持 Qi 兼容。
參考資料
1. Sánchez 等人，“評估無線充電現(xiàn)狀的技術(shù)支持研究”，歐洲委員會，F(xiàn)raunhofer IZM，2021-09-07
2. 無線充電聯(lián)盟 Qi 規(guī)范
3. 英飛凌科技，“WLC1115 15-W MP-A11 無線功率發(fā)射器參考板 (REF_WLC_TX15W_C1) 測試報(bào)告”，用戶指南，002-35395 Rev. A，2022-05-25
4. Smith、Kedilaya，“WLC 發(fā)射器硬件設(shè)計(jì)指南”，應(yīng)用說明，AN235387，2022-05-12。
5. Ramanujam，“為 WLC 發(fā)射器提供 OPTIGA? Trust 充電”，應(yīng)用說明，AN235196，2022-05-02
6. Ramanujam、Chelluri，“無線功率發(fā)射器的異物檢測調(diào)諧指南”，應(yīng)用說明，AN234970，2022-05-03。
7. 英飛凌科技，“在 REF_WLC_TX15W_C1 參考板上啟用基于直流輸入的無線充電操作”，知識庫文章，KBA235366
8. 歐洲委員會，“關(guān)于協(xié)調(diào)成員國無線電設(shè)備上市相關(guān)法律的指令 2014/53/EU 修訂建議”，在線文檔，2021-09-23
作者：Prasanna Vijayakumar，英飛凌科技 USB 電源和無線充電應(yīng)用總監(jiān)
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