【導讀】無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)包括感應、磁諧振、電容、射頻輻射、激光、聲波和其他新興技術(shù)。感應耦合技術(shù)處于領(lǐng)先地位 [1]，因此，其相關(guān)標準 Qi 在無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域應用最為廣泛。
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使用 WLC1115 的各種應用的可配置軟件
無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)包括感應、磁諧振、電容、射頻輻射、激光、聲波和其他新興技術(shù)。感應耦合技術(shù)處于領(lǐng)先地位 [1]，因此，其相關(guān)標準 Qi 在無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域應用最為廣泛。
感應充電的工作原理為法拉第定律，功率發(fā)射器 (PTx) 線(xiàn)圈中的交流電產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。然后，該磁場(chǎng)與功率接收器 (PRx) 線(xiàn)圈相互耦合，并轉換回交流電流，為接收器側連接的直流負載整流。
無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟 (WPC) 負責管理這項技術(shù)的相應規范發(fā)布。目前，最新發(fā)布的 Qi 規范版本為 1.3.2，通過(guò)采用增強型異物檢測 (FOD)、帶有私鑰存儲的發(fā)射器認證等功能，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(wú)線(xiàn)充電的意圖。Qi 規范的基礎電源配置文件 (BPP) 將最大輸出功率限制為 5 W，而擴展電源配置文件 (EPP) 支持高達 15 W 的功率傳輸。
然而，在強大智能手機通過(guò) USB-C 接口快速有線(xiàn)充電的時(shí)代，采用 Qi 無(wú)線(xiàn)功率傳輸的用戶(hù)充電速度體驗仍在不斷改善，為推出新解決方案鋪平了道路。
本文介紹英飛凌第一代無(wú)線(xiàn)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、柵極驅動(dòng)器、檢測/保護外設和可配置閃存。我們的可編程解決方案能夠提高靈活性，具有集成優(yōu)勢，支持設計人員擴展功率級，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(zhuān)有電源擴展
盡管感應式無(wú)線(xiàn)充電的標準之爭可能已經(jīng)結束，但 OEM 仍希望實(shí)現差異化功能并改善用戶(hù)體驗，從而催生了與 Qi 標準共存的專(zhuān)有快速充電協(xié)議。
WPC 協(xié)議規定的專(zhuān)有供電擴展 (PPDE) 支持制造商擴展其解決方案的功能。此外，受地區頻譜法規的限制，部分智能手機 OEM 提供高達 50 W 的專(zhuān)有大功率感應式無(wú)線(xiàn)充電。隨著(zhù) Qi 標準的持續發(fā)展，未來(lái)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，并在產(chǎn)品生命周期內改進(jìn)用戶(hù)體驗。
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 標準的無(wú)線(xiàn)發(fā)射器，采用集成 USB Type-C 供電 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 規范，集成了用于降壓和逆變器功率級 MOSFET 的柵極驅動(dòng)器。此外，還具備硬件控制保護功能。
WLC1115 利用集成降壓控制器來(lái)生成所需橋電壓，為全橋逆變器供電，反過(guò)來(lái)，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 的集成柵極驅動(dòng)器旨在根據 Qi 規范類(lèi)型和操作場(chǎng)景控制全橋或半橋逆變器。圖 1 所示為基于 MP-A11 線(xiàn)圈的發(fā)射器系統，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(lèi)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
● 集成柵極驅動(dòng)器和固件可配置的通/斷柵極驅動(dòng)強度
● 可編程開(kāi)關(guān)頻率范圍高達 600 kHz
● 使用 PD 輸入，可靈活地將輸入電壓從 5 V 動(dòng)態(tài)更改為 20 V
○ 這有助于通過(guò) USB-PD 類(lèi)型輸入獲得高效率。例如，可動(dòng)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 運行，可降低待機功耗，通常約為 67 mW [3]，可通過(guò)系統特定的固件增強功能進(jìn)一步降低到 25 mW 以下。
● 降壓級輸入和輸出側的保護功能：
○ 輸入 UVP、OVP，
○ 輸出UVP、OVP
○ 輸出 OCP、SCP，
○ 特定于 PD 的保護（例如，VBUS 到 CC短路）
● 采用 WLC1115 [3] 的無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器系統
圖1 采用 WLC1115 [4] 的無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器系統
通信和認證
Qi EPP 標準要求雙向帶內通信。從 PTx 到 PRx 的通信的通信基于由 PTx 實(shí)現的頻移鍵控 (FSK) 方案，交替載波頻率。從 PRx 到 PTx 的通信基于由調制 PRx 側負載創(chuàng )建的幅移鍵控 (ASK) 方案，在 PTx 上出現反射，然后過(guò)濾并解碼。
WLC1115 發(fā)射器控制器位于 PTx 側，通過(guò)檢測 PTx 線(xiàn)圈中的電壓和電流變化來(lái)實(shí)現 ASK 解調和解碼方案。在 FSK 中，PTx 將其工作頻率從當前頻率更改為備用頻率，以編碼信息。
Qi 1.3.x 規范要求對超過(guò) 5 W 的 EPP 供電進(jìn)行認證，遵循依賴(lài)公鑰和私鑰對來(lái)加密和解密內容的公鑰加密。這些密鑰在數學(xué)上是相關(guān)的，對于由其中一個(gè)密鑰加密的內容，可使用另一個(gè)密鑰來(lái)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(shū)的一部分，該證書(shū)通過(guò)帶內通信介質(zhì)傳輸給接收方。
根據 Qi 規范，PTx 必須將產(chǎn)品單元的私鑰安全托管在存儲子系統中，以用于數字簽名。該私鑰用于對來(lái)自功率發(fā)射器設備的質(zhì)詢(xún)驗證響應進(jìn)行數字簽名。我們的解決方案使用OPTIGA? Trust 充電器件來(lái)存儲該私鑰（圖 2）[5]。
配套 REF 套件無(wú)線(xiàn)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 認證解決方案進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，滿(mǎn)足 Qi 認證要求。
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 標準的增強型異物檢測 (FOD)，其中包括基于 Q 因子、諧振頻率、功率損耗和過(guò)溫（如果使用熱敏電阻）的 FOD。
Q 因子和諧振頻率測量結果用于供電階段之前的 FOD。PRx 報告使用 Qi 定義參考線(xiàn)圈校準的 Q 因子和諧振頻率參考值。PTx 將報告值與現場(chǎng)測量值進(jìn)行比較，確定是否存在異物。比例因子用于將 PRx 報告的 Q 因子和諧振頻率值轉換為與參考發(fā)射器線(xiàn)圈等效的值，以適應測量變化。
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(guò)調諧 FOD 系數來(lái)進(jìn)一步調節該 PTx 功率，以考慮逆變器損耗和友好金屬損耗。計算校準 PTx 功率之后，將結果與最新報告的 PRx 功率值進(jìn)行比較。如果校準 PTx 功率與 PRx 功率之間的差異超過(guò) Ploss 閾值，則會(huì )記錄 FOD 事件。
為防止錯誤斷開(kāi)連接并改善用戶(hù)體驗，WLC1115 采用自適應算法來(lái)區分真實(shí) Ploss FOD 與由耦合不佳 PRx 引起的 Ploss。FOD 系數和 Ploss 閾值均可配置，以滿(mǎn)足系統設計要求。例如，圖 3 所示為 PRx 對有效充電面積的影響，該 PRx 具有磁性對準輔助裝置以及潛在友好金屬。
圖3 自適應異物檢測 (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(guò)自適應 FOD 算法檢測不銹鋼等物體的能力，Qi 規范[2] 將其定義為 FO1，在智能手機等大型平板手機充電期間引入。
表1 大型智能手機異物檢測 (FOD) –三星 Note 20 智能手機檢測 FO1 的能力高達 10 mm
專(zhuān)有擴展的可編程性
配套參考板使用 WLC1115 無(wú)線(xiàn)充電控制器 IC，支持三星專(zhuān)有充電擴展。所含軟件為堆棧庫提供應用程序編程接口 (API)，支持訪(fǎng)問(wèn)各種功能，這些功能可用于進(jìn)一步實(shí)施專(zhuān)有協(xié)議擴展等 Qi 協(xié)議。如下頁(yè)圖 4 所示，三星手機消耗的 PTx 功率約為 9 W，而 BPP 僅為 5 W。
圖4 三星 Galaxy S21 智能手機的充電周期結果（帶三星專(zhuān)有擴展）
使用 WLC1115 的各種應用的可配置軟件
英飛凌 WLC1115 發(fā)射器控制器 IC 帶有 Qi v1.3.2 認證的 MP A11 電源發(fā)射器參考解決方案，適用于各種應用，包括智能手機、智能揚聲器、擴展塢、監視器，以及工業(yè)或醫療保健附件（圖 5）。
圖5 Qi v1.3.2 認證 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(guò)英飛凌 ModusToolbox? 軟件 提供的固件庫?！癱onfiguration utility” 是一款 Microsoft Windows 應用程序，可指導 WLC1x 用戶(hù)完成配置和編程芯片的過(guò)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(hù)界面 (GUI) 支持用戶(hù)直觀(guān)選擇和配置應用參數。應用說(shuō)明 [6] 也進(jìn)一步解釋了部分參數，比如 FOD 調諧。除無(wú)線(xiàn)充電參數外，該實(shí)用程序還提供支持配置 USB-PD 輸入和保護（例如 OVP、OCP 和 OTP）的參數。
例如，通過(guò)遵循英飛凌社區知識庫文章 [7]中詳細介紹的簡(jiǎn)單配置過(guò)程，REF 解決方案可啟用基于直流輸入電源的無(wú)線(xiàn)充電操作。這非常適合具有固定電壓軌的應用，比如工業(yè)機器人、擴展塢和售后附件。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)品設計師充分展現自身才能。
結論
最近幾年，智能充電技術(shù)的組件和應用發(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準化有線(xiàn)充電 USB-C [8]，但對于眾多用戶(hù)群體而言，越來(lái)越需要隨時(shí)可用且方便的充電器件，這也是無(wú)線(xiàn)充電的主要推動(dòng)力。
我們使用集成 USB-C PD 的無(wú)線(xiàn)充電解決方案，結合英飛凌 OPTIGA? Trust 充電認證，為 OEM 提供吸引力十足的 BOM 價(jià)值主張，幫助他們開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足 Qi v1.3.2 要求的發(fā)射器。我們的平臺具有自適應 FOD 等主要特性，支持專(zhuān)有協(xié)議、DC/DC 控制器集成以及軟件庫，非常特殊，可滿(mǎn)足專(zhuān)有及新興感應無(wú)線(xiàn)充電的 Qi 標準要求。
請訪(fǎng)問(wèn)我們的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電現狀的技術(shù)支持研究”，歐洲委員會(huì )，Fraunhofer IZM，2021-09-07
2. 無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟 Qi 規范
3. 英飛凌科技，“WLC1115 15-W MP-A11 無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器參考板 (REF_WLC_TX15W_C1) 測試報告”，用戶(hù)指南，002-35395 Rev. A，2022-05-25
4. Smith、Kedilaya，“WLC 發(fā)射器硬件設計指南”，應用說(shuō)明，AN235387，2022-05-12。
5. Ramanujam，“為 WLC 發(fā)射器提供 OPTIGA? Trust 充電”，應用說(shuō)明，AN235196，2022-05-02
6. Ramanujam、Chelluri，“無(wú)線(xiàn)功率發(fā)射器的異物檢測調諧指南”，應用說(shuō)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(wú)線(xiàn)充電操作”，知識庫文章，KBA235366
8. 歐洲委員會(huì )，“關(guān)于協(xié)調成員國無(wú)線(xiàn)電設備上市相關(guān)法律的指令 2014/53/EU 修訂建議”，在線(xiàn)文檔，2021-09-23
作者：Prasanna Vijayakumar，英飛凌科技 USB 電源和無(wú)線(xiàn)充電應用總監
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