創(chuàng)新技術(shù)助力，推動(dòng)便攜設(shè)備高效充電的發(fā)展

　　從充電器的發(fā)展歷史看，當(dāng)我們還處于功能手機(jī)時(shí)代時(shí)，線性充電器是占主導(dǎo)地位的充電器類型。在過(guò)去幾年中，智能手機(jī)，特別是大屏幕智能手機(jī)，以及平板電腦設(shè)備已經(jīng)采用大容量電池。由于電池充電器行業(yè)從線性充電器轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)關(guān)充電器的平均發(fā)展速度比預(yù)期慢（部分原因是由于高通、聯(lián)發(fā)科等核心芯片制造商在系統(tǒng)電源管理單元內(nèi)向上集成了內(nèi)置線性充電器），消費(fèi)者事實(shí)上普遍都受到充電緩慢這一問(wèn)題的困擾，并且在極端情況下會(huì)遇到散熱問(wèn)題。

　　大多數(shù)高端智能手機(jī)目前仍然配備5W適配器。各種耗電應(yīng)用和功能推升了用戶對(duì)于更大功率適配器的需求，因此在市場(chǎng)上也能見(jiàn)到標(biāo)配10W適配器的智能手機(jī)。提升電源功率是一種明顯的發(fā)展趨勢(shì)，這是因?yàn)殡姵厝萘吭絹?lái)越大，以及消費(fèi)者要求便攜式設(shè)備能夠以前所未有的速度完成充電。這種趨勢(shì)正在推升市場(chǎng)對(duì)于高功率密度解決方案的需求。

　　同時(shí)，消費(fèi)者要求得到更簡(jiǎn)單、更方便的充電體驗(yàn)，因此，人們對(duì)無(wú)線充電方案的興趣日益濃厚。無(wú)線充電是一個(gè)可提升生活品質(zhì)的技術(shù)。將人們?cè)谧杂梢苿?dòng)、安全便捷方面的體驗(yàn)提升到更高層次。因此，無(wú)論消費(fèi)者的目前認(rèn)同程度和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的情況如何，無(wú)線充電技術(shù)一定是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　先進(jìn)工藝助無(wú)線充電提高功率轉(zhuǎn)換效率

　　從掌上型便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中可以看出，無(wú)線技術(shù)融入了我們生活的方方面面，令便捷性、互動(dòng)性和監(jiān)控性能大幅提高。東芝電子（中國(guó)）有限公司技術(shù)統(tǒng)括部高級(jí)經(jīng)理呂建銘表示，盡管得益于藍(lán)牙、Wi-Fi、射頻、GPS和近距離傳輸（例如東芝的Transfer-Jet）等技術(shù)的發(fā)展，我們的生活取得了巨大進(jìn)步，但想要享受徹底的無(wú)線生活，還有最后一道障礙：電源線。

　　目前，便攜設(shè)備等產(chǎn)品的屏幕快速變大、處理器變快和其核心變多，導(dǎo)致產(chǎn)品的電池容量變大并要求延長(zhǎng)手機(jī)和平板電腦的使用時(shí)間。這就要求無(wú)線充電的輸出功率越大越好。如果將電流由1A增大到2A，那么充電時(shí)間就可以減少一半。然而由于線損等因素，電流不可能無(wú)限制地增加，因此，電源設(shè)計(jì)需要往升高電壓上轉(zhuǎn)變。

　　東芝半導(dǎo)體為無(wú)線充電的Qi標(biāo)準(zhǔn)方案提供了系列芯片（圖1）。其主要的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是：最大限度地滿足Qi無(wú)線充電聯(lián)盟的1.1規(guī)范，輸出功率達(dá)到5W，保持寬負(fù)載范圍的高效性能，并具有異物檢測(cè)功能；單芯片方案，最大限度地減少了外圍元器件，減少系統(tǒng)成本；極小的導(dǎo)通阻抗，減少無(wú)謂的發(fā)熱現(xiàn)象。

　　圖1：東芝Qi標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線充電產(chǎn)品具有極小導(dǎo)通阻抗，減少無(wú)謂的發(fā)熱現(xiàn)象。

　　同時(shí)，東芝半導(dǎo)體積極參與Qi無(wú)線充電聯(lián)盟的中功率規(guī)格的制定，并研制高電壓負(fù)載輸出等方案。計(jì)劃在今年第三季度研制出中功率規(guī)格的芯片產(chǎn)品。該公司還積極制定新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)來(lái)自市場(chǎng)不斷變化的需求。

　　東芝半導(dǎo)體采用先進(jìn)的0.13um功率半導(dǎo)體工藝。這種工藝具有最小的導(dǎo)通阻抗和柵極寄生電容，從而提高功率轉(zhuǎn)換效率。并且東芝推出了具有電源路徑管理功能的充電芯片，其主要應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備、可穿戴式設(shè)備上。在無(wú)線充電的應(yīng)用方面，東芝計(jì)劃研制Qi標(biāo)準(zhǔn)的輸出功率達(dá)到15W的芯片產(chǎn)品。

　　電場(chǎng)耦合無(wú)線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)送電功率最大化

　　在無(wú)線充電方面，村田公司采用了電力傳送發(fā)熱較少的電場(chǎng)耦合方案，抑制了大電流傳送時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題，將其控制在最小的限度范圍內(nèi)（圖2）。此外，該公司靈活采用了在其它領(lǐng)域積累的電源設(shè)計(jì)技術(shù)、模塊設(shè)計(jì)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了大功率無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了送電功率最大化。

　　圖2：電場(chǎng)耦合式無(wú)線供電模塊提供10W大功率輸出。

　　村田（中國(guó)）投資有限公司模塊產(chǎn)品技術(shù)部高級(jí)市場(chǎng)工程師土屋貴紀(jì)談道，村田的電場(chǎng)耦合式無(wú)線電力傳輸模塊，相比電感耦合式具備以下優(yōu)勢(shì)：輸出功率大（10W）；位置隨意性強(qiáng)、建立無(wú)線充電系統(tǒng)時(shí)設(shè)計(jì)空間大；采用了薄型電極作為接收天線，因此使用簡(jiǎn)便可安裝在各種電子設(shè)備中。該產(chǎn)品已在日立麥克賽爾株式會(huì)社的無(wú)線充電器“AIR VOLTAGE for iPad2”使用。在此項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，村田還將繼續(xù)研發(fā)更大功率的產(chǎn)品（輸出功率10W~50W），供平板電腦、筆記本電腦等設(shè)備充電。

　　他表示，電場(chǎng)耦合式充電技術(shù)與電磁（電感）耦合式技術(shù)相比，功率較大，位置自由度較高，動(dòng)力傳動(dòng)裝置的部分采用了可靈活設(shè)計(jì)的特征。村田10W的無(wú)線充電模塊量產(chǎn)之后，目前正在研發(fā)可對(duì)應(yīng)更大功率需求的產(chǎn)品，以及致力于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。村田將靈活運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)為平板電腦、筆記本等大功率設(shè)備提供充電的模塊。同時(shí)，該公司還在研發(fā)桌面式無(wú)線充電模式，即只要將各類便攜設(shè)備放在桌面上就可實(shí)現(xiàn)充電。

　　此外，從技術(shù)角度而言，大功率小型化的產(chǎn)品，需要考慮其損耗以及散熱設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了無(wú)線充電的安全性，村田正在考慮搭載雙向通信的功能。

　　支持Qi/PMA雙標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電產(chǎn)品

　　IDT在無(wú)線充電的接收端和發(fā)射端都有相關(guān)產(chǎn)品。IDT公司全球業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)陳曰亮介紹，對(duì)于接收端，IDT針對(duì)Qi、PMA和A4WP三種標(biāo)準(zhǔn)都有產(chǎn)品。在Qi和PMA標(biāo)準(zhǔn)（感應(yīng)式充電）方面，該公司既有面向單一標(biāo)準(zhǔn)的單模產(chǎn)品，也有針對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)的雙模產(chǎn)品，其第二代P9023產(chǎn)品就是一款對(duì)Qi和PMA標(biāo)準(zhǔn)提供雙模支持的產(chǎn)品。IDT目前正致力于第三代Qi/PMA雙模接收端產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而目前市面上很多其他產(chǎn)品都還處于第一代的階段。該公司符合A4WP標(biāo)準(zhǔn)（諧振式充電）的產(chǎn)品則主要針對(duì)高通公司的生態(tài)系統(tǒng)做推廣。

　　對(duì)于發(fā)射端，IDT今年2月份針對(duì)Qi標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布了產(chǎn)品P9038，該產(chǎn)品是一款遵從Qi標(biāo)準(zhǔn)的5V輸入（最高支持8V）單芯片無(wú)線充電發(fā)送器解決方案。它將MOS管和運(yùn)放等器件都集成到了其中，能夠使基于USB供電的無(wú)線充電減少75%的IC數(shù)量。

　　突破五大難題實(shí)現(xiàn)大功率快速充電設(shè)計(jì)

　　德州儀器（TI）公司電池管理方案市場(chǎng)拓展經(jīng)理文司華認(rèn)為，充電對(duì)用戶體驗(yàn)產(chǎn)生最直接影響的是電池性能——續(xù)航時(shí)間有多久、多長(zhǎng)時(shí)間能充滿電，以及充電期間，手機(jī)溫度能夠比其他手機(jī)的溫度低多少等等。越來(lái)越多的公司采用快充解決方案。由于電源管理電路所處理的功率較大，具有集成充電器的電源管理單元（PMU）將會(huì)過(guò)熱。離散充電器脫穎而出，成為適合于此類應(yīng)用的更佳選擇。

　　除智能手機(jī)和平板電腦之外，可穿戴設(shè)備正引起廣泛關(guān)注。在某種程度上，為這些設(shè)備設(shè)計(jì)電源管理更具挑戰(zhàn)性。由于電池體積不能太大，通常使用最多的還是容量為幾十mAh到200mAh的聚合物電池。充電器集成電路，以及設(shè)計(jì)中所使用的任何其他芯片，必須足夠小，以適合在有限空間內(nèi)使用。防水及耐候設(shè)備上的接頭會(huì)是一個(gè)難題。早期的可穿戴設(shè)備使用的是接線式充電器；最新的可穿戴設(shè)備將使用專門(mén)為可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)所設(shè)計(jì)的線性充電器，并且采用無(wú)線充電技術(shù)。

　　文司華表示，快速充電的挑戰(zhàn)來(lái)自于以下幾個(gè)方面：

　　1.電池。電池充電的充電倍率（C-rat）：總的來(lái)說(shuō)，電池的充電倍率不應(yīng)超過(guò)0.7C。這個(gè)值限制了任何鋰電池充電的速度。幸運(yùn)的是，電池技術(shù)已經(jīng)推動(dòng)了高充電倍率電池的發(fā)展。目前，這種電池已大批量生產(chǎn)。為了給高充電倍率電池充電，TI高強(qiáng)度電流充電器bq2419x在具有出色熱性能的單個(gè)封裝內(nèi)支持電流高達(dá)4.5A的充電（圖3）。

　　圖3：4.5A鋰離子充電器bq24190將充電時(shí)間減半。

　　電池使用壽命：這在傳統(tǒng)充電設(shè)計(jì)中通常不是一個(gè)主要設(shè)計(jì)因素，而在快充中，這變得十分重要，因?yàn)榧词闺姵氐脑O(shè)計(jì)能夠在快充條件下滿足特定充電循環(huán)壽命，電池個(gè)體之間的差異仍然可能會(huì)導(dǎo)致電池使用壽命的變化，而且這與安全性相關(guān)。德州儀器智能化的充電方案在不損傷電池的條件下，最大限度提高充電電流。MaxLife把電量計(jì)和充電IC結(jié)合起來(lái)，用電量計(jì)來(lái)控制充電IC，因?yàn)殡娏坑?jì)是對(duì)電池最了解的芯片，特別是德州儀器具有阻抗跟蹤的技術(shù)，能夠更準(zhǔn)了解電池老化程度、內(nèi)部溫度和各種滿充狀況。它的充電控制是一個(gè)智能化動(dòng)態(tài)控制，能夠調(diào)整充電IC里面的電壓和電流，保證電流不超過(guò)安全區(qū)，控制電池不會(huì)由于充放電造成的老化。從這個(gè)角度來(lái)講，MaxLife的理念是在保證電池不受到損傷的前提下進(jìn)行快充，而不是單純從一個(gè)時(shí)間角度考慮快充。

2.熱性能?？斐鋾?huì)引起電源管理IC和充電器的散熱問(wèn)題，因?yàn)榇蠊β食潆姷某潆娦饰唇?jīng)優(yōu)化。散熱設(shè)計(jì)是TI充電器設(shè)計(jì)中最優(yōu)先考慮的問(wèn)題。bq2419x充電器有兩個(gè)熱敏電阻輸入，以滿足智能手機(jī)/平板電腦中大容量電池的大量熱監(jiān)控需要。此外，在不違反熱性能設(shè)計(jì)原則的情況下，可