不出意外,苹果将在9月推出新一代iPhone 13系列,富士康正在加班加点量产备货。苹果很早干掉了iPhone的耳机孔;iPhone 13系列将干掉充电孔、喇叭孔,进入无孔机时代,无线传输已成大势所趋。

电能无线传输技术开辟了人类能源的一个新时代,从支持无线充电的各种便携消费产品到无线充电的电动汽车,或许未来将进入一个无需输电线的时代。

隔空取电,历史值得铭记

李锃说,无线充电距今已有近130年历史。1893年,特斯拉通过两个线圈点亮了一盏灯,用的就是无线充电技术,真是一个了不起的发明。

隔空取电就是自由无线充电技术的雏形。无线充电基本原理和变压器一样,都是非接触式电气传输。两者最重要的区别是耦合度,耦合好的话,传统变压器效率可达0．97-0．98;无线充电有上、下两块磁屏蔽,发射和接收线圈夹在中间,由于受限于X轴、Y轴、Z轴的偏移自由度,耦合度通常在0．1-0．8之间。

无线充电原理

成立于2008年的无线充电联盟(WPC)是由多家公司组成的开放合作组织,旨在创造和促进市场广泛采用并与所有可再充电电子设备兼容的国际无线充电标准Qi。

2018年,Powermat宣布加入WPC意味着无线充电标准开始走向统一。Powermat成立于2006年,以开发Power Matters Alliance(PMA)标准闻名,其首批产品用户包括金霸王、AT&T、通用汽车、星巴克。不过,在苹果确定采用Qi标准后,Powermat被迫实现了与星巴克合作推出的无线充电设备对Qi的兼容。同年,WPC会员数量已达600多家。

两条赛道,迅跑赶超

无线充电3．0时代的战争已经打响,能否在这场竞争中胜出,关键要看是否有高超的武艺和十八般兵器。

国内有一家颇为低调的无线充电芯片初创企业——伏达半导体(NuVolta Technologies),它成立于2014年,并在硅谷和上海设立了研发中心;2017年分别在合肥、深圳和北京建立了销售机构;去年和今年,又分别在马来西亚、美国东、西海岸及韩国建立了销售和研发中心。

该公司无线充电事业部副总裁李锃表示,伏达一开始聚焦无线快充,充电功率从2019年的20W发展到现在的80W,为第一条赛道;去年30W和40W电荷泵芯片面世,上个月最新发布了一款高达100W的有线快充芯片,其传输效率高达98%,率先打破了国外芯片厂商对有线快充行业的垄断,在第二条赛道成功超车,扭转了核心技术受制于人的局面。

伏达发展历程

除了无线、有线两条赛道,公司核心业务还包括依托两条赛道的汽车无线充电和特色定制方案。前者主要是AEC-Q100认证的汽车电源前装发射芯片,后者是针对一些客户特殊需求的模组定制解决方案,包括手机配件、无线充电底座整装、无线车充和无线充电宝。

李锃说:“在快充领域,苹果、三星并没有布局,国外公司落后于国内厂商,快充的创新技术在国内。国内最领先的客户有很多产品是定制的,他们提系统需求,我们给提供芯片技术,包括共同开发芯片。我们也在跟他们讨论,下一代怎么突破电荷泵的局限,把充电功率做得更好,包括采用第三代半导体实现更新的产品。”

三步走,引领无线充电

李锃表示,无线充电技术有两个技术路线:一个是如何让无线充电速度更快,伏达已在引领无线快充行业发展;另一个是如何让无线充电更自由。“现在的无线充电还停留在初级阶段,属于‘随放随充’,未来将实现‘边走边充’。两个技术路线好比是伏达的两条腿,要走稳缺一不可。同时,我们还要开阔视野,关注更广泛的无线充电应用生态,包括家居、车载、自拍补光灯,还有闹钟和音响等,都可以集成无线充电功能,”他说。

他告诉记者,伏达半导体在国内已经占据了无线充电领导地位,三步走策略跨越到3．0时代。

1．0时代:什么产品都没有,先做最流行无线电源IC的Pin to Pin产品,追平了国外技术。产品量产后证明了国产半导体产品也有实力走得更远,发展高精尖无线充电技术。

2．0时代:采用伏达自己的专利创新充电架构,将无线充电功率提升到80W,登上业界快充效率顶峰。

3．0时代:进一步简化架构,实现低成本、高空间自由度无线充电,不断提升消费者体验,让更多机器、设备、可穿戴产品都用上无线充电,赢得更大市场。

李锃分享道,2019年做的小米手机产品,当时70分钟可以充满,用有线只需59分钟。2020年,在华为P40手机量产时,65分钟可以充满。到了去年,在小米11上发布的产品,伏达的无线充电只需48分钟。今年上半年,伏达发布了一款新的无线充电技术,无线和有线充满都只需36分钟,一直在推进无线快充技术发展。

品牌手机充电时长对比

除了无线快充技术,伏达还在研究怎么提高充电效率,从第一代产品7．5W、第二代35W到67W,效率不断提高。现在从发射到接收的无线充电效率已达90%。伏达还在开发第三代技术,加入了远距离充电模块,略微降低功率到50W,但效率会提高不少,有助于提升用户无线充电体验和价值感,同时也降低了成本。这也响应了工信部“无线充电功率最高不超过50W”征求意见稿的要求。

李锃认为,征求意见稿是希望大家能在50W范围内把体验做好。伏达会在提升用户体验的同时,优化产品成本及性能,让终端客户在更多设备和更多机型上使用。

“我们希望跟客户一起做一些探索和尝试,开发一些相应应用,推动法规往前走,满足用户对自由充电的需求,”他表示。

有线快充,攻占功率制高点

伏达移动电源事业部副总裁吴苗松介绍说,除了无线充电,公司还是唯一一家同时提供无线充电和有线快充成熟方案的国产半导体公司。这样做不会互相影响吗?答案是否定的。例如无线接收芯片NU16xx正是借助电荷泵架构,才实现了无线快充,帮助终端用户实现了高功耗应用。

他说:“我们除了做有线、无线方案,在放电中采用了电荷泵方式。未来给客户提供的手机解决方案中,不光充电更快,而且放电更慢。这样的技术除了用在手机、PC中,还可以用在服务器上,所以电荷泵是未来高效率DC-DC转换芯片的必由之路。”

无线充电与有线快充结合实现高功耗应用

7月初,伏达半导体推出第二代双电芯200W快充芯片,它和120W无线充电一起搭载于小米11 Pro魔改版,打破了两项充电纪录。其中有线充电可在8分钟充满4000mAh电池,首度破了10分钟大关;而120W无线充电可在15分钟充到100%电量。

这款名为NU2205的产品是目前业界功率最高(100W)的单芯片电荷泵快充芯片,也是目前国产唯一支持双电芯4:2电荷泵快充架构的芯片,能为手机提供高达200W的双芯快充方案,打破了国外厂商双电芯快充领域的垄断。伏达也成为了国内唯一能提供100W成熟快充方案的半导体公司,攻占了快充功率制高点。NU2205还支持2:2双电芯直充模式,在高功率充电发热持续增加的应用环境,提供脉冲切换4:2和2:2两种模式,以降低系统可能的发热。设计上的创新使NU2205同时支持2:1和1:1单电芯快充模式。

NU2205电荷泵芯片的效率

据吴苗松介绍,NU2205内部结构的创新提高了工作效率,同时可以调节工作频率。在4:2工作模式下,最高效率可达98%,在10V适配器输入下,2:2模式2节电池充电效率最高可达99．2%。

在25℃环境温度16V输入条件下,2节电池在10A和20A大电流下充电,温升分别为44．9℃和46．8℃。

NU2205充电电流下温升测试

那么,为什么要采用双电芯架构呢?吴苗松解释说,2014年OPPO推出第一代低电压大电流快充,2017年,单节电池电荷泵方案商用,快充分别突破了40W、50W和60W。单节电池充电电流也从开始的5A增大到12A。这意味着电芯内部阻抗即使只有5mΩ,其功率损耗也超过了0．7W。超大电流和超高发热对电池保护板设计和电芯内部阻抗带来了巨大挑战。

以电池保护MOSFET为例,为了满足快充大电流应用,MOSFET阻抗已经从5mΩ降低到了1．1mΩ。这意味着电池保护MOSFET性能已接近了极限,单节电池功率的提升要付出更高代价。

第一代和第二代快充方案对比

双电芯快充方案的充电输出端电池电压提高了一倍,在相同充电功率下进入电芯的电流减小一半,电芯发热减小到25%。同样,在60W充电功率,进入电芯的电流降到6A;在电池包5mΩ内阻不变情况下,电芯功率损耗降低到180mW;保持同样电芯电流,双电芯快充可以突破单电芯功率限制达到120W,甚至200W。

采用4:2电荷泵架构的NU2205集成了FET,可实现50%占空比,使线缆电流仅为传输到电池电流的一半,从而减少了充电线缆损耗并限制了温升。双相架构还降低了输入电容要求及输出电压纹波。

吴苗松说:“这样既提升了功率,又能把效率潜力挖掘出来。比如一节65W电池,充电时间在35分钟左右,100W可能就28分钟。第二代OPPO是120W,20分钟内可以充满,还有很大提升空间。”

“从整体来说,手机200W基本上就差不多了,我们的电荷泵考虑的不仅是手机端,因为它效率可以做到98%,有机会把它用到更大功率的应用,借助电荷泵的高效率可以将整个功耗大幅降低,”他补充说。

双电芯架构优势

总之,将输入端20V电压降低50%传到电池端,而电池端获得了2倍输入端电流的12A充电电流,在输入端电流被限定在6A内的同时,实现了高功率传输,又无需升级充电线缆。

更重要的是,NU2205可支持多芯片并联,两颗并联可实现120W充电功率;三颗并联,充电功率将突破200W,这种技术是单电芯方案无法比拟的。

为保证高功率充电应用的安全,伏达在NU2205中集成了多达34重保护,包括充电温度、充电电压、充电电流等充电协议四个维度的全方位保护,防止异常情况对电池和系统造成损坏。

高效无线充电,怎么做到?

回到无线充电,其效率怎样才算高,标的还是有线充电,如果充电功率能与有线快充比肩,那肯定是“高香”了。伏达的第二代无线充电技术效率已达90%,是不是很高呢?又是怎么实现的呢?

更高效率的无线充电

李锃从无线充电接收芯片开始解读。接收芯片(Rx)是一个比较复杂的系统,一个芯片要同时处理功率、协议和算法。为了给客户提供更好体验,软件算法需要兼容市面上WPC认证的发射端;此外,还要考虑现在流行的技术,手机既可作为无线接收端,还可作为给其他电子设备的反向充电端,如手表、耳机没电了,打开手机反向充电即可补电。这已在红米、小米耳机等产品上实现。

无线充电接收芯片特点

实现高效率无线充电还需要发射芯片(Tx),与接收芯片最大的不同是更高的EMI噪声要求,需要降低寄生参数,调整驱动速度和时间,以保证对其他电子设备非常友好。同时,每个发射端都要兼容市面上所有手机和可穿戴设备,这样才能为这些设备充电。

伏达还有一个专利叫“一触即发”,通常市面上一些无线充电电源需要按纽开启无线充电功能,再把设备放上去。伏达开发的这个功能是将手机等往上一贴,就立刻开始充电,待机功耗跟原来一样。

无线充电发射芯片特点

架构多样,应用灵活

李锃特地比较了伏达的几种无线充电发射端架构,根据需求不同,客户可以在高效率、高功率、散热能力;高度集成PD与MTP、外部器件少、易于使用之间进行权衡。

他解释说,第一种发射架构实际上是主芯片控制分立元件,构成一个整体无线充电发射方案;第二种是双芯片发射方案,是伏达在业界推出的第一个SmartBridgeTM架构,它具有高可靠性,非常适合高EMI场合使用;第三个架构是精简的单芯片发射方案,所有无线充电功能集成在一颗芯片内,更加简单易用。这三套方案伏达都有产品,可以满足不同的应用场景。

无线充电发射端架构比较

利用无线充电发射架构客户做出了很多案例,如结合插线板、移动电源、音响等设备提供无线充电功能,还可以实现自动追踪无线充电,或同时给两三台设备充电,包括手机、手表、耳机等。

无线车充,值得期待

李锃透露,搭载伏达无线充电产品的首款国产车载无线充电方案即将发布,它是业界最高输出功率的50W无线充电发射盘,效率达80%,符合车载AEC-Q100认证要求。其使用的架构就是SmartBridgeTM。理由是它可以提供更好的EMI和更安全可靠的系统。它由一个控制芯片加上四个功率级芯片组成,可以为两台设备充电。

首款国产车载无线充电解决方案

他表示,今年很多电动汽车都开始在主控平台标配无线充电发射器,因为用户希望开车时随意快充。这就是用户对充电更自由的追求。今年年底,伏达就会推出这样的产品。

他也指出,汽车对所搭载电子产品的要求很高,在传输路径上有很多保护和限制,这影响了车载无线充电效率。另外,车载无线充电环境是移动的,需要多个线圈,相互之间会有磁场耦合,也会降低效率。目前,伏达汽车无线充电已经做到80%效率,而已量产的产品都是70%多。

追求自由,舍我其谁

伏达在无线充电领域已深耕多年,助力客户打造了业界功率最高的无线充电产品,加上新推出的高功率有线快充方案,形成了具有竞争力的无线加有线的快充市场闭环布局。依托突破性的模拟集成技术,车载双充方案将加速车载无线快充的普及,极大地改善用户充电体验。

李锃强调:“从行业发展看,确实需要一些远距离充电产品。不过,可能一到两年还不会发生。主要原因是效率较低,充电比较慢,充电距离还不足以让客户体验到自由性。而这正是对我们做无线充电技术的人提出的更高要求,也是我们的努力追求的方向。”

“未来,我们希望把更多高性能电源带给更多应用,汽车已经成功导入设计,数据中心是未来很重要的方向。未来我们将更加专注于电源,让我们的各种电源产品领先业界,”他补充说。