各種優勢推動了無線充電市場的發展：易于使用且無需線纜，提供高度便利和出色的用戶體驗；無端口開口可實現美觀設計和密封，可在惡劣環境中運行；標準化可實現跨品牌的互操作性和靈活性。從邏輯上講，無線充電市場正在強勁增長，2019-2025 年期間的復合年增長率約為 30%，到 2025 年將達到 270 億美元。越來越多的應用程序正在應用無線充電以利用這些優勢（圖 1）。英飛凌與 Spark Connected 合作，通過專用無線電源控制器提供完整的無線充電解決方案，包括軟件 IP、MOSFET、驅動器、安全 IC 和應用優化參考設計。

無線充電給設計人員帶來了重大挑戰。無線電力傳輸的效率取決于磁性元件（線圈）和電子元件的設計。在平衡不同系統參數時，從線圈電感超過電壓和電流水平到機械封裝和電磁干擾 (EMI)，還需要深厚的系統知識和專業知識。此外，金屬異物（例如鑰匙和硬幣）在充電過程中可能構成安全隱患，必須通過稱為異物檢測 (FOD) 的過程進行可靠檢測。但是，通過優化組件以及對磁性、電子和終端應用的高度關注，可以實現接近有線充電效率水平的高效無線電源系統。

無線充電的工作原理

無線充電使用交變磁場將能量從發射器線圈傳輸到接收器線圈。線圈之間的能量傳輸效率稱為“耦合”，取決于多個參數，包括線圈的機械設計、間距和對齊。在發射器側，基于 MOSFET 的逆變器將進入無線電力發射器的直流電源轉換為交流波形，以驅動線圈并產生交變磁場。無線電源控制器實時測量和控制線圈中的電壓和電流，并實現與接收器的通信。為了保證安全的無線電力傳輸，OPTIGA? Trust Charge SLS32AIA等硬件認證IC可用于向接收器驗證發射器。一些發射器設計在一個發射器中使用多個線圈，以實現更舒適的接收器設備定位。然后使用 MOSFET 和驅動器架構來接通與接收器具有最佳耦合的線圈，以優化系統效率。

發射器的磁場在接收器側感應出交流電壓波形，使用二極管或橋式整流器將其整流為直流電壓。接收器側的調節級調節電壓，使其滿足負載要求（例如電池）。接收器通常還包含用于通信和系統管理的無線電源控制器。英飛凌為無線電源系統提供全系列半導體，從 MOSFET 和驅動器、MCU 和硬件認證，到 BT/BLE 和 USB-PD 控制器。如需更多信息，請瀏覽申請手冊。

圖 2：無線充電發射器和接收器系統的一般框圖

Qi標準是無線充電的主導標準，適用于具有無線充電功能的智能手機。為了確保安全的無線充電操作以及跨 OEM 的發射器和接收器之間的互操作性，一個由主要消費電子和半導體公司支持的標準機構正在定義感應式無線充電的標準：無線充電聯盟 (WPC)。Infineon 和 Spark Connected 都是 WPC 的一部分，并積極為下一代無線電源技術做出貢獻，尤其是在更高功率領域。

更高功率無線充電的挑戰

在更高功率的設計中，由于更高的功率水平，與低功率無線充電相比，一些設計挑戰被放大。

溝通

在 WPC Qi 標準中，發射器和接收器之間的通信是通過帶內通信實現的。然而，當進入更高的功率電平時，交流信號的諧波失真會導致封裝丟失以及發射器和接收器之間的通信越來越困難。需要解決這個問題，以實現可靠的大功率無線充電操作。

FOD

FOD 是實現安全無線電源操作的關鍵特性。WPC Qi 標準定義了必須超過的特定功率閾值，才能準確激活異物檢測，避免不必要地停止無線電力傳輸。然而，在更高的功率水平下，在低功率（例如 5 W）下可能不會顯著加熱的同一個小異物會加熱得更多（例如在 45 W 時），因此會造成安全隱患。因此，FOD 需要更準確，并且能夠以更高的功率水平檢測更小的物體。

熱量

為了使系統安全運行，發射器和接收器側需要滿足某些溫度限制。在 WPC Qi 標準中，操作期間必須滿足某些溫度閾值。在較低的功率水平下，稍微降低的效率并不那么重要，因為損耗不會顯著加熱周圍環境。然而，在更高的功率水平下，之前的小損耗將導致大量散熱和操作停止。因此，更高功率的無線充電需要更高的效率數據。

Minotaur – 突破性的 45 W 發射器和接收器解決方案

Spark Connected 和英飛凌在其名為“The Minotaur”的 45 W 無線充電解決方案中解決了這些挑戰。通過仔細選擇組件和構建解決方案，Minotaur 可以高效無線傳輸高達 45 W 的功率。它可以與當前的 WPC Qi 標準完全互操作，滿足通信、散熱和 FOD 要求。因此，Minotaur 接收器可以在 WPC Qi 發射器上充電，WPC Qi 接收器可以在 Minotaur 發射器上充電。

通過藍牙進行帶外通信

WPC Qi 標準中的通信通過頻率為 80-200 kHz 的帶內通信進行。從發射器到接收器側的通信是通過無線電源控制器通過頻移鍵控 (FSK) 實現的，稍微調整 MOSFET 的開關頻率，從而改變交流波形。從接收器到發射器側的幅移鍵控 (ASK) 是通過切換一個電阻來改變接收器側電路的阻抗。通過檢測發射器側的線圈電壓和電流，可以監測接收器側的負載變化并將其轉換為通信信號。

Spark Connected和英飛凌的Minotaur解決方案采用符合WPC Qi通信協議的帶內通信，適用于低功耗無線充電場景。此外，Minotaur 解決方案能夠在更高功率的工作模式下通過藍牙切換到帶外通信，以保證穩定的通信通道。高帶寬數據吞吐量還支持發射器和接收器之間的快速身份驗證。英飛凌 CYW20719等藍牙 IC提供不同的封裝，并通過易于集成的軟件環境 ModusToolbox? 提供低功耗和穩健的藍牙通信。

堅固可靠的 FOD

標準異物檢測 (FOD) 方法依賴于大型初級線圈繞組來檢測異物，這會降低靈敏度和信噪比。較小的物體很難檢測到，因為它們對大得多的初級線圈的磁場影響很小。現有的變送器解決方案測量逆變器直流電源的功率損耗計算（電壓和電流）所需的參數。與線圈上的實際值相比，這會使測量結果失真，從而導致發射機損耗計算不準確。

Minotaur 解決方案已通過 Qi 認證，完全滿足 Qi FOD 功能和性能要求。該解決方案采用精確的測量技術來提高標準 Qi FOD 方法的性能：計算中使用實際電壓和電流，而不是逆變器直流功率。該解決方案更準確，可以檢測更小的異物。它可以防止過度（未檢測到外來物體）或低估損失（FOD 失敗且沒有物體存在）。發射器采用人工智能和機器學習來確定存在金屬物體時充電環境是否安全。所有這些都在XMC?-SC 電源控制器系列的微控制器上運行，這是英飛凌專用于無線充電的微控制器系列。

最高系統效率高達 95%

為了管理熱限制以保證安全的系統運行，需要在更高的功率水平下達到最高的系統效率。在運行過程中，Minotaur 解決方案完全滿足 WPC Qi 熱限制并符合 WPC Qi 標準。

圖 3：以 45 W 的無線電源運行 45 分鐘后，發射器和接收器側的溫度測量值（來源：Spark Connected）

由于高度優化的電源系統架構，這是可能的。發射器側的逆變器由無線充電驅動器WCDSC006驅動，并由英飛凌具有低 R DS(on)的高性能 OptiMOS? MOSFET 技術供電。廣泛的MOSFET 產品組合可滿足廣泛的系統要求。在接收器側，使用有源橋式整流器來優化效率。Minotaur 解決方案在 45 W 無線功率傳輸時達到了約 95% 的 DC-DC 效率的峰值效率水平。它還在高達 45 W 的整個功率范圍內保持出色的效率。

圖 4：45 W 筆記本電腦發射器和接收器解決方案的高峰值效率（95% 測試和測量），發射器和接收器之間的距離為 6 毫米（來源：Spark Connected）

英飛凌與其高級合作伙伴 Spark Connected 一起提供廣泛的無線充電解決方案

Spark Connected 和英飛凌如今已經提供了廣泛的參考解決方案（見圖 5）。解決方案組合包括用于低功耗物聯網設備 ( The Pegasus ) 的 2 W 電感式解決方案、用于地下智能手機充電 ( The Kraken ) 的 10 W 電感式解決方案，以及用于機器人和工業應用 ( The Ogre )的 100 W 電感式解決方案。它還具有諧振解決方案，可實現更大的定位靈活性。

圖 5：英飛凌/Spark Connected 無線充電參考設計路線圖。

審核編輯：劉清