在无线充电联盟(WPC)与无线电力联盟(A4WP)竞相投入磁共振技术后，半导体商也陆续发布用于该技术电力发射单元(PTU)与电力接收单元(PRU)的相关晶片方案，可望加速磁共振无线充电进驻智慧型手机、笔记型电脑、无线滑鼠、显示器等中功率应用产品。

　　加速物联网成形　无线充电潜力无穷

　　随着人们生活越来越依赖可携式电子产品，电池续航力成为一大困扰，当电量用尽时，须要寻找配对的插座并使用随身携带的原厂或相容的充电器为其充电。为解决此一困扰，持续演进的工业标准无线充电技术逐渐兴起，符合规范标准的无线充电技术方便人们随时随地为各类可携式电子设备充电，而毋须麻烦的寻找有线连接插座和适配器。

　　无线充电技术于2015年开始加速发展，智慧型手机和平板电脑无疑是这一应用的领先促成者。目前各大智慧型手机厂商已纷纷于手机添加无线充电模组，以增强其产品竞争优势。无线充电也是实现物联网(IoT)的重要组成部分。物联网是指将各应用领域的终端设备如感测设备、移动终端、智慧型交通系统、工业系统、安全防卫系统、智慧型楼宇系统、农业系统等通过通讯网络连接起来进行资讯交换，实现高效、安全、可靠地互连互通，建构一个强大的全连接世界。

　　其中，汽车(包括先进驾驶辅助系统ADAS、感测器、照明、车联网应用)、智慧型楼宇(包括照明、计量仪、监控、温控、防火控烟、家电)、移动医疗(包括助听器、病人监护、药物输送、植体)及无线应用(包括智慧型手机、无线充电及可穿戴设备)为物联网的四大重点领域，基于云端计算，通过综合自动化系统、优化的资源消耗、基于感测器的决策分析及活动跟踪定位，完成自动化控制和资讯分析。

　　克服原有局限　磁共振可望实现智慧充电

　　无线充电的愿景，是无论何时何地，无需配对或相容的插座和线缆就可对电子设备进行充电。而第一代紧耦合或磁感应无线充电技术在实现此一愿景方面有很大局限性：必须将设备置于充电垫上并对准精确的位置，其充电范围有限且不能同时为多个设备充电，也不能在金属附近使用。

　　紧耦合技术采用100k～200kHz的频率范围，而金属在此范围有最高的热感应(图1)，所以在有硬币或钥匙等金属物体附近无法使用紧耦合方案进行无线充电，否则将构成安全隐患。而松耦合技术采用6.78MHz频率，在该频率下金属热感应很低，允许无线充电继续进行。

　　图1　无线充电频率

　　基于空间自由概念，以松耦合或磁共振为发展的下一代无线充电技术，不仅克服上述磁感应技术局限性，且透过使用现有蓝牙智慧型技术，对制造商硬体要求降至最低，也令将来实现智慧型充电区成为可能(图2)。

　　图2　磁共振vs.磁感应

　　磁共振技术前景可期

　　目前市场上有三大组织--无线充电协会(WPC)、电力事业联盟(PMA)和无线电力联盟(A4WP)，皆积极致力于统一无线充电标准。PMA已于2015年6月与A4WP合并，将致力整合磁感应和基于Rezence的磁共振技术。自此，A4WP/PMA拥有全球科技品牌、供应链和市场领导者组成的超过一百七十家公司成员，如高通、三星、联想及安森美半导体等，其产业声势还在迅猛扩增。WPC也开始进军磁共振技术并向下相容当前Qi标准。磁共振技术已于2014年底/2015年初开始被采用，预计到2017年将取代磁感应技术成为主流无线充电技术。

　　A4WP已发布Rezence基本系统标准(BSS)1.2.1标准，并与中国通讯标准化协会(CCSA)、日本横须贺研究园宽频无线论坛(BWF)和韩国电讯技术协会(TTA)签署合作协议，旨在采纳该最新标准作为各自独立管理的国家无线电力传输技术标准元素。此外，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)也已经发布包含A4WP无线充电标准的蓝牙低功耗(BLE)配置档。因此由市场的多方态势来看，磁共振无线充电技术前景可期。

　　PTU/PRU为A4WP系统主要架构

　　A4WP系统架构主要由电力发射单元(PTU)和电力接收单元(PRU)两大模组组成，PTU和PRU通过蓝牙智慧或蓝牙低功耗协议以2.4GHz频率互相通讯。通讯后完成连接，然后电力将在6.78MHz的频率下从PTU传输到PRU。在PRU或PTU的两侧需要一个蓝牙低功耗晶片、一个控制器以及电源转换和调节器。

　　PTU通过功率放大管控制由TX共振器传输的电力。功率放大管须要根据单个PTU上同时出现的PRU数量控制不同的传输功率。PRU接收该电力作为交流讯号，需要整流电路将其转换为直流，然后调节这直流讯号用之为电池充电(图3)。

　　图3　A4WP系统方块图

　　A4WP将涵盖各种功率的可携式设备，从低功率蓝牙耳机到更高功率的笔记型电脑、无线滑鼠、键盘和显示器等。在BSS 1.2.1版中，允许单个PTU提供多个设备达22瓦(W)的电力输出，PRU则定义为两个等级(Class)，包含3.5～6.5W，可用于功能手机或智慧型手机。该版本将继续扩展功率范围，将来输出功率可延伸高达50W。

　　磁共振无线充电方案纷出笼

　　业界从2013年陆续开发一系列产品和方案以支援磁共振无线充电应用，包括用于智慧型手机PRU的双输入电池充电器、应用处理器、功率调节和转换器、整流器、功率放大管、射频(RF)调谐模组，以及为近场通讯(NFC)功能而备的滤波器等。

　　为实现A4WP无线充电低能耗，以安森美半导体为例，该公司推出电源管理晶片(PMIC)--NCP17xx，整合数位类比转换器(ADC)、电池充电器、DC-DC转换器/低压降稳压器(LDO)及过压/过流/过温保护(OVP/OCP/OTP)并提供I2C介面。该系列元件通过降低轻载切换频率，将动态切换损耗降至最低，提供可编程频率和自适应偏移闸极驱动器，提升轻载效能；透过时脉控制技术优化且用于数位模组的时脉分频，具有更低瞬态电流；降低单晶片能耗和输入电流，并通过启动蓝牙提升效能；频率抖动抑制功能将适用于大功率应用(图4)。

　　图4　业界为A4WP系统提供的元件(深色方框)

　　为使应用中所有晶片组/电源管理单元能支援无线充电，该公司也开发出2:1电源多路切换开关--NCP3901，采用小型CSP封装(1.6×2.4mm)，提供50毫欧电源通道，支援OTG反向充电，并整合背对背(Back to Back)保护、100伏特(V)高压冲击保护及28V直流保护功能。在全桥整流器方面，目前业界提供萧特基二极体NSR1030QMU和NSR2030QMU的样品，关键功能包括：具超低正向导通压降Vf，采用DFN封装适用于空间受限的产品应用(图5)。

　　图5　半导体厂商DSN2萧特基二极体系列

　　由于无线充电未有统一标准，因此有些半导体商也提供同时支援Qi标准和PMA标准的MOSFET，如用于发射端DC-AC电源转换的全/半桥整流器NTTFS4C10N和NTTFS4C08N、用于接收端AC-DC电源转换的全桥整流器NMLU1210、用于电源开关实现USB/无线切换的NTLUS3A18PZ(单P沟道，采用UDFN封装)及用于保护的NTLUD3A50PZ(双P沟道，采用UDFN封装)等，这些元件采用低导通电阻和小型封装，提供较佳散热性能，系统效能高，适用于空间受限的应用(表1)。

　　此外，针对目前市场上符合Qi标准的应用，业界也提供电流检测放大器--NCS214，该元件静态电流65微安培( μA)，单位增益频宽(GBW)14kHz，增益误差0.2%，共模抑制比(CMRR)140分贝，且通过AEC Q100一级认证。

　　无线充电市场拥有高度潜力，基于Rezence的磁共振技术将有望赢得大部分产品市占。而业界正积极配合市场趋势，不断开发高效能关键元件用于磁共振无线充电应用及解决方案，同时提供相容Qi标准的产品以满足市场需求。