無線充電發射端晶片發展

從蘋果發布帶無線充電手機開始以來，整個無線充電市場持續爆發。在iPhone使用無線充電以前，針對無線充電做電源晶片的廠商屈指可數，指標性的有IDT、TI、NXP等。從2014年有新的半導體公司進軍這個領域， 隨著蘋果加入WPC組織，一些原先做方案的公司也開始涉獵晶片設計。

這是一個新的市場，但是它的進化速度遠遠超出預期。我們先來了解一下DC-DC電源進化史，或許能更好地看清楚無線充電晶片的發展。

第一代DC-DC使用獨立零件組合而成，控制電路、類比電路、Driver和PowerMOS都是分開的；第二代DC-DC將控制電路、類比電路、Driver放在一個晶片裡，PowerMOS是分離的；隨著先進BCD工藝的發展，第三代DC-DC將類比電路、Driver、PowerMOS整合在一起，控制電路單獨放一塊；第四代DC-DC乾脆將所有東西都整合在了一起。

無線充電和DC-DC其實非常類似，也可以按此分成四代，但是在時間上卻不是一代一代地迭代。你現在幾乎可以在市場上看到四代產品同時都在，不知是否可以稱之為「四代同堂」。接下來，我們來慢慢聊聊這四代產品。

第一代無線充電方案

第一代無線充電的解決方案全部使用獨立零件組合而成。在此，正好可以用第一代產品來解釋下各個關鍵零件在無線充電中的作用。

▲ 第一代的無線充電方案

PowerMOS：是最終輸出功率的器件。

Driver：由它來開啟和關閉PowerMOS。

Buck：控制功率全橋的輸入電壓，從而來控制能量輸出的大小。

小功率DC-DC：它就是MCU、運算放大器、Driver等器官的供電源。

OP：運算放大器，負責採樣功率級全橋輸入端的平均電流。它需要在功率級電源端或者接地端串聯一個高精度電阻，透過採樣電阻兩端的電壓來得到平均通過電流。優點是：採樣較為準確。缺點是：有功率損耗；受到運算放大器參數溫度飄移影響較大。在無線充電系統中，除了平均電流，還有一個訊息會被收集，那就是諧振電容和電感之間的P電壓。它通過一組二極體、電阻和電容處理後送給ADC,這個ADC通常被內建在MCU當中。

MCU：相當於大腦，它透過處理其它器官捕獲的資訊，來分析、判斷並發出指令四肢應該做怎樣的動作。對應無線充電，它會透過類比電路給它的訊息來控制Buck的輸出電壓，也就是控制功率級全橋電路的功率輸出；也由它來告訴Driver開關PowerMOS；同時也可以控制LED的閃爍來發出資訊。

MOS For Q：這個MOS電晶體串聯在功率迴路當中，可能是用來做Q值檢測。這種做法最開始由IDT提出，是一種掃描頻率的作法。優點就是：容易實現，比較準確；缺點也比較明顯：1.會增加功率損耗；2. Q值檢測速度慢。Q值檢測是EPP認證的必要條件，可以準確地檢測異物。

綜合以上所述：由獨立零件組合的第一代無線充電方案，它都是圍繞著MCU搭配資訊採樣電路和功率全橋電路來完成整個無線充電系統。由於整合度不高，整個系統相當複雜，成本昂貴。各種資訊交換和能量傳輸都要通過PCB佈線，佈線難度大。EMI問題明顯，往往需要犧牲效率來滿足相應的要求，比如在功率級MOS的Gate端串聯電阻電容來實現。但是它在推動無線充電發展初期起著非常重要的作用，因為它讓很多做MCU的公司，以及方案公司可以很快進入無線充電市場，幫助大量的無線充電產品在第一時間送到消費者手中。

第二代無線充電方案

第二代無線充電方案將MCU、類比電路、Driver放在一個晶片裡，PowerMOS則是分離的。有些公司稱這種方案為SOC方案，這種說法並不精確，更合適地應該稱之為Mix Signal的晶片。真正的SOC，整個系統都在一個晶片裡面，所以第四代無線充電方案才是真正的SoC。第二代無線充電方案的代表當屬IDT的P9242，之後像華潤矽科、易衝無線、勁芯微等也有借鑒IDT架構的晶片出現。

▲ P9242-G方案原理圖

可以看到，P9242純粹將獨立零件方案中MCU，OP，Driver，小功率DC-DC整合在一起。PowerMOS仍然採用獨立MOS。峰值電壓採樣電路由外部的二極體、電阻電容以及MCU內部ADC組成。平均電流偵測（採樣）需要在功率端串聯一個採樣電阻。功率Buck仍然是獨立的。Q值檢測也需要在外部增加一個功率MOS，採用掃頻的方式。相比第一代方案，這是整合度上的一個非常大的進步，它大大減少外部零組件的使用，降低方案的成本。但在功能和性能上，相對於第一代產品似乎並沒有提升。

值得注意的是，它預留Buck位置，並沒有裝上去，因為它把功率Buck的調壓功能放在了變壓器當中，因為QC3.0本身就支持線性調壓。用變壓器調壓是個創新，在功能和性能上帶來提升，會是未來的一個趨勢。唯一阻止它普及的因素只有一個：QC3.0或者PD變壓器的普及程度還沒有那麼高，但這個因素遲早會被消滅。

▲ 採用IDT的P9242的產品拆解圖。

第三代無線充電

第三代無線充電方案追溯起來最早應該是TI最先提出。但之後真正意義上推廣這種架構的應該屬於伏達半導體，伏達於2016年就推出了具備電流偵測（採樣）的智慧型功率全橋晶片NU1006（為了區分，稱之為Gen1 智慧型全橋），18年更是推出了全面升級之後的智慧型全橋，NU1015/NU1009/NU1008 （Gen2 智慧型全橋）。之後像JWT等原先做電源晶片的公司也推出了相對應的產品，但目前只跟伏達Gen1 智慧型全橋晶片類似。

第三代無線充電方案採用MCU+PowerStage的架構。所以整體方案就是兩顆晶片。圖為伏達半導體2017年推出的5W方案的架構。2017年中旬就推出這樣的高整合度方案是非常驚豔的，也幫助伏達半導體拿下了很多知名公司的訂單。 

▲ 伏達半導體2017年推出的5W方案的架構 

伏達半導體的Gen1 智慧型全橋將功率MOS和Driver整合了在一起，同時整合了電流偵測（採樣）電路。該電流偵測（採樣）電路最大的亮點在​​於，無需在功率迴路上串聯高精度電阻，提高了無線充電轉換效率。另外，PowerMOS和Driver整合在一起是非常自然的事情，這樣Driver和PowerMOS可以匹配得非常完美，開關損耗可以被最佳化到極致。

同時上下MOS電晶體的死區時間控制也在晶片內部。常見的整合Buck死區時間一般可以做到10ns～20ns，相信這顆晶片也可以做到這個等級，進而大大降低導通損耗。第一代無線充電方案和第二代無線充電方案由於外部PowerMOS都做到這無法一點，而且它們切換點的突波電壓也會因為寄生電感大而變得很高。

另外，第一代和第二代方案常見的EMI的問題往往出現在驅動和PowerMOS不匹配，以及PCB寄生電感太大。PowerMOS和驅動整合之後，寄生電感大大降低，驅動和功率MOS匹配，EMI風險可以大大降低，解決EMI也就變得非常容易，甚至有可能不需要犧牲效率。談到寄生，在多線圈應用領域，將Driver和MOS管整合在一起也可以大大簡化PCB佈線的難度。MCU控制功率電晶體開關使用數位訊號，即使功率電晶體跟MCU距離很遠也不會影響性能，很可能用一個MCU搭配N個PowerStage就可以完成N個線圈的應用。

▲ 伏達的一個三線圈的應用圖

伏達半導體的Gen2智慧型全橋進一步將整合度提高，將功率MOS、Driver、Q值檢測、電流偵測（採樣）、小功率DC-DC供電、數位解調整合在了一起。下圖為伏達半導體的15W-EPP、標準蘋果快充方案，非常簡潔。從系統上來看，這種整合方式有一個非常大的優勢：將」眼睛」和「耳朵」等資訊擷取器官直接安裝在「四肢」旁邊，意味著第三代方案完全有機會獲得功率全橋中電壓和電流的瞬態資訊。而無線充電的通訊變化、TX和RX的位置變化、功率損耗都時刻反應到功率全橋中的電壓和電流變化。

這些資訊的獲取可以幫助MCU更智慧型地進行功率傳輸、FOD檢測、通訊解調等功能。另外，Q值也可以透過時域檢測的辦法直接擷取，不需要在晶片外部額外增加零件，也不會帶來功率的損耗。而第一代無線充電方案和所謂的SOC第二代無線充電方案只能獲取功率全橋輸入端的平均電流和峰值電壓兩個簡單的資訊。

▲ 伏達半導體的15W-EPP

但將MOS整合也會造成一些憂慮，譬如散熱。效率雖然可能因為最佳化開關損耗，得到了相當大的提升，甚至比分離式MOS的方案還要高，但晶片單點溫度可能會比分離MOS更高，原因在於面積比較小。這就對晶片設計和封裝設計提出了挑戰。筆者特地查閱了伏達半導體NU1015的Datasheet，如下圖所示。可以看到它的溫度設計範圍為-40 ℃ ～125 ℃ 均可保證電氣性能。另外封裝也採用了特殊化的設計，保證熱量可以很快被導到PCB上。因此，溫度問題在晶片設計能力和封裝技術提升面前，只是與獨立零件比較而產生的多慮而已。

做這樣的晶片也跟伏達的團隊來源有關。伏達的晶片團隊本身就是TI的大功率通訊電源團隊出生，甚至有TI資深功率整合專家加入，面對消費級晶片設計想必信手拈來。

伏達推出的Gen2 智慧型全橋晶片對於方案公司來講倒是非常大的福音，因為如此強大智慧型全橋晶片，完全可以透過搭配一個非客製化的MCU完成無線充電系統設計。且伏達也根據輸出功率大小（5W/10W/15W）推出了三款PowerStage，方便針對不同的應用靈活使用。很多原先停留在第一代無線充電方案的公司，可能可以很快就跳躍到第三代無線充電方案。甚至很多原先不做無線充電的方案公司，也可以藉助伏達的功率全橋，推出整合度很高的無線充電方案。整個無線充電行業的整合化水準會有一個很快的進步。

還有一個點是，由於受限上游材料供應不足、其它產品線排擠8寸晶圓產能，中低壓MOSFET的價格已經開始往上走，供貨週期也不停地被加長。整合功率電晶體的PowerStage可能會越來越受方案商和產品商的青睞。

第四代無線充電

第四代無線充電方案非常少，代表有IDT9038。NXP，RICHTECH也有推出過類似的晶片。但均停留在5W的功率階段。它肯定也具備第三代無線充電的優點，但是將功率和數位MCU集合在一起所面臨的技術和成本挑戰，將會遠大於第三代無線充電。在功率等級靈活性上也會差很多，畢竟5W和10W的市場目前還不會出現明顯的分化。另外，WPC協議也在變化中往前走，沒有完全穩定下來。用一顆整合式晶片還是可能面臨標準變化帶來的一些風險。當然，能做這個事的公司也沒有幾家。NXP和IDT已經在5W上做到了。

▲ IDT的P9038的應用原理

最後做一個簡單的總結：

1. 感謝第一代無線充電方案，它保證了無線充電市場的快速普及；
2. 第二代無線充電是第一代無線充電整合度上的提升，降低了成本，但相較於第一代倒沒有架構的創新和性能的提升。
3. 第三代無線充電同樣大大提高了整合度，在性能和架構上也做了很多創新，也非常有機會帶來一些額外的使用者體驗改善，可能是未來發射端非常值得研究和挖掘的方向。
4. 第四代無線充電，目前還停留在5W的階段，有公司能做，但相對較少，[有沒有必要做]倒是很多公司思考的問題。

 本文授權轉載自充電頭

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