不出意外,蘋果將在9月推出新一代iPhone 13系列,富士康正在加班加點量產備貨。蘋果很早干掉了iPhone的耳機孔;iPhone 13系列將干掉充電孔、喇叭孔,進入無孔機時代,無線傳輸已成大勢所趨。

電能無線傳輸技術開辟了人類能源的一個新時代,從支持無線充電的各種便攜消費產品到無線充電的電動汽車,或許未來將進入一個無需輸電線的時代。

隔空取電,歷史值得銘記

李锃說,無線充電距今已有近130年歷史。1893年,特斯拉通過兩個線圈點亮了一盞燈,用的就是無線充電技術,真是一個了不起的發明。

隔空取電就是自由無線充電技術的雛形。無線充電基本原理和變壓器一樣,都是非接觸式電氣傳輸。兩者最重要的區別是耦合度,耦合好的話,傳統變壓器效率可達0．97-0．98;無線充電有上、下兩塊磁屏蔽,發射和接收線圈夾在中間,由于受限于X軸、Y軸、Z軸的偏移自由度,耦合度通常在0．1-0．8之間。

無線充電原理

成立于2008年的無線充電聯盟(WPC)是由多家公司組成的開放合作組織,旨在創造和促進市場廣泛采用并與所有可再充電電子設備兼容的國際無線充電標準Qi。

2018年,Powermat宣布加入WPC意味著無線充電標準開始走向統一。Powermat成立于2006年,以開發Power Matters Alliance(PMA)標準聞名,其首批產品用戶包括金霸王、AT&T、通用汽車、星巴克。不過,在蘋果確定采用Qi標準后,Powermat被迫實現了與星巴克合作推出的無線充電設備對Qi的兼容。同年,WPC會員數量已達600多家。

兩條賽道,迅跑趕超

無線充電3．0時代的戰爭已經打響,能否在這場競爭中勝出,關鍵要看是否有高超的武藝和十八般兵器。

國內有一家頗為低調的無線充電芯片初創企業——伏達半導體(NuVolta Technologies),它成立于2014年,并在硅谷和上海設立了研發中心;2017年分別在合肥、深圳和北京建立了銷售機構;去年和今年,又分別在馬來西亞、美國東、西海岸及韓國建立了銷售和研發中心。

該公司無線充電事業部副總裁李锃表示,伏達一開始聚焦無線快充,充電功率從2019年的20W發展到現在的80W,為第一條賽道;去年30W和40W電荷泵芯片面世,上個月最新發布了一款高達100W的有線快充芯片,其傳輸效率高達98%,率先打破了國外芯片廠商對有線快充行業的壟斷,在第二條賽道成功超車,扭轉了核心技術受制于人的局面。

伏達發展歷程

除了無線、有線兩條賽道,公司核心業務還包括依托兩條賽道的汽車無線充電和特色定制方案。前者主要是AEC-Q100認證的汽車電源前裝發射芯片,后者是針對一些客戶特殊需求的模組定制解決方案,包括手機配件、無線充電底座整裝、無線車充和無線充電寶。

李锃說:“在快充領域,蘋果、三星并沒有布局,國外公司落后于國內廠商,快充的創新技術在國內。國內最領先的客戶有很多產品是定制的,他們提系統需求,我們給提供芯片技術,包括共同開發芯片。我們也在跟他們討論,下一代怎么突破電荷泵的局限,把充電功率做得更好,包括采用第三代半導體實現更新的產品。”

三步走,引領無線充電

李锃表示,無線充電技術有兩個技術路線:一個是如何讓無線充電速度更快,伏達已在引領無線快充行業發展;另一個是如何讓無線充電更自由。“現在的無線充電還停留在初級階段,屬于‘隨放隨充’,未來將實現‘邊走邊充’。兩個技術路線好比是伏達的兩條腿,要走穩缺一不可。同時,我們還要開闊視野,關注更廣泛的無線充電應用生態,包括家居、車載、自拍補光燈,還有鬧鐘和音響等,都可以集成無線充電功能,”他說。

他告訴記者,伏達半導體在國內已經占據了無線充電領導地位,三步走策略跨越到3．0時代。

1．0時代:什么產品都沒有,先做最流行無線電源IC的Pin to Pin產品,追平了國外技術。產品量產后證明了國產半導體產品也有實力走得更遠,發展高精尖無線充電技術。

2．0時代:采用伏達自己的專利創新充電架構,將無線充電功率提升到80W,登上業界快充效率頂峰。

3．0時代:進一步簡化架構,實現低成本、高空間自由度無線充電,不斷提升消費者體驗,讓更多機器、設備、可穿戴產品都用上無線充電,贏得更大市場。

李锃分享道,2019年做的小米手機產品,當時70分鐘可以充滿,用有線只需59分鐘。2020年,在華為P40手機量產時,65分鐘可以充滿。到了去年,在小米11上發布的產品,伏達的無線充電只需48分鐘。今年上半年,伏達發布了一款新的無線充電技術,無線和有線充滿都只需36分鐘,一直在推進無線快充技術發展。

品牌手機充電時長對比

除了無線快充技術,伏達還在研究怎么提高充電效率,從第一代產品7．5W、第二代35W到67W,效率不斷提高。現在從發射到接收的無線充電效率已達90%。伏達還在開發第三代技術,加入了遠距離充電模塊,略微降低功率到50W,但效率會提高不少,有助于提升用戶無線充電體驗和價值感,同時也降低了成本。這也響應了工信部“無線充電功率最高不超過50W”征求意見稿的要求。

李锃認為,征求意見稿是希望大家能在50W范圍內把體驗做好。伏達會在提升用戶體驗的同時,優化產品成本及性能,讓終端客戶在更多設備和更多機型上使用。

“我們希望跟客戶一起做一些探索和嘗試,開發一些相應應用,推動法規往前走,滿足用戶對自由充電的需求,”他表示。

有線快充,攻占功率制高點

伏達移動電源事業部副總裁吳苗松介紹說,除了無線充電,公司還是唯一一家同時提供無線充電和有線快充成熟方案的國產半導體公司。這樣做不會互相影響嗎?答案是否定的。例如無線接收芯片NU16xx正是借助電荷泵架構,才實現了無線快充,幫助終端用戶實現了高功耗應用。

他說:“我們除了做有線、無線方案,在放電中采用了電荷泵方式。未來給客戶提供的手機解決方案中,不光充電更快,而且放電更慢。這樣的技術除了用在手機、PC中,還可以用在服務器上,所以電荷泵是未來高效率DC-DC轉換芯片的必由之路。”

無線充電與有線快充結合實現高功耗應用

7月初,伏達半導體推出第二代雙電芯200W快充芯片,它和120W無線充電一起搭載于小米11 Pro魔改版,打破了兩項充電紀錄。其中有線充電可在8分鐘充滿4000mAh電池,首度破了10分鐘大關;而120W無線充電可在15分鐘充到100%電量。

這款名為NU2205的產品是目前業界功率最高(100W)的單芯片電荷泵快充芯片,也是目前國產唯一支持雙電芯4:2電荷泵快充架構的芯片,能為手機提供高達200W的雙芯快充方案,打破了國外廠商雙電芯快充領域的壟斷。伏達也成為了國內唯一能提供100W成熟快充方案的半導體公司,攻占了快充功率制高點。NU2205還支持2:2雙電芯直充模式,在高功率充電發熱持續增加的應用環境,提供脈沖切換4:2和2:2兩種模式,以降低系統可能的發熱。設計上的創新使NU2205同時支持2:1和1:1單電芯快充模式。

NU2205電荷泵芯片的效率

據吳苗松介紹,NU2205內部結構的創新提高了工作效率,同時可以調節工作頻率。在4:2工作模式下,最高效率可達98%,在10V適配器輸入下,2:2模式2節電池充電效率最高可達99．2%。

在25℃環境溫度16V輸入條件下,2節電池在10A和20A大電流下充電,溫升分別為44．9℃和46．8℃。

NU2205充電電流下溫升測試

那么,為什么要采用雙電芯架構呢?吳苗松解釋說,2014年OPPO推出第一代低電壓大電流快充,2017年,單節電池電荷泵方案商用,快充分別突破了40W、50W和60W。單節電池充電電流也從開始的5A增大到12A。這意味著電芯內部阻抗即使只有5mΩ,其功率損耗也超過了0．7W。超大電流和超高發熱對電池保護板設計和電芯內部阻抗帶來了巨大挑戰。

以電池保護MOSFET為例,為了滿足快充大電流應用,MOSFET阻抗已經從5mΩ降低到了1．1mΩ。這意味著電池保護MOSFET性能已接近了極限,單節電池功率的提升要付出更高代價。

第一代和第二代快充方案對比

雙電芯快充方案的充電輸出端電池電壓提高了一倍,在相同充電功率下進入電芯的電流減小一半,電芯發熱減小到25%。同樣,在60W充電功率,進入電芯的電流降到6A;在電池包5mΩ內阻不變情況下,電芯功率損耗降低到180mW;保持同樣電芯電流,雙電芯快充可以突破單電芯功率限制達到120W,甚至200W。

采用4:2電荷泵架構的NU2205集成了FET,可實現50%占空比,使線纜電流僅為傳輸到電池電流的一半,從而減少了充電線纜損耗并限制了溫升。雙相架構還降低了輸入電容要求及輸出電壓紋波。

吳苗松說:“這樣既提升了功率,又能把效率潛力挖掘出來。比如一節65W電池,充電時間在35分鐘左右,100W可能就28分鐘。第二代OPPO是120W,20分鐘內可以充滿,還有很大提升空間。”

“從整體來說,手機200W基本上就差不多了,我們的電荷泵考慮的不僅是手機端,因為它效率可以做到98%,有機會把它用到更大功率的應用,借助電荷泵的高效率可以將整個功耗大幅降低,”他補充說。

雙電芯架構優勢

總之,將輸入端20V電壓降低50%傳到電池端,而電池端獲得了2倍輸入端電流的12A充電電流,在輸入端電流被限定在6A內的同時,實現了高功率傳輸,又無需升級充電線纜。

更重要的是,NU2205可支持多芯片并聯,兩顆并聯可實現120W充電功率;三顆并聯,充電功率將突破200W,這種技術是單電芯方案無法比擬的。

為保證高功率充電應用的安全,伏達在NU2205中集成了多達34重保護,包括充電溫度、充電電壓、充電電流等充電協議四個維度的全方位保護,防止異常情況對電池和系統造成損壞。

高效無線充電,怎么做到?

回到無線充電,其效率怎樣才算高,標的還是有線充電,如果充電功率能與有線快充比肩,那肯定是“高香”了。伏達的第二代無線充電技術效率已達90%,是不是很高呢?又是怎么實現的呢?

更高效率的無線充電

李锃從無線充電接收芯片開始解讀。接收芯片(Rx)是一個比較復雜的系統,一個芯片要同時處理功率、協議和算法。為了給客戶提供更好體驗,軟件算法需要兼容市面上WPC認證的發射端;此外,還要考慮現在流行的技術,手機既可作為無線接收端,還可作為給其他電子設備的反向充電端,如手表、耳機沒電了,打開手機反向充電即可補電。這已在紅米、小米耳機等產品上實現。

無線充電接收芯片特點

實現高效率無線充電還需要發射芯片(Tx),與接收芯片最大的不同是更高的EMI噪聲要求,需要降低寄生參數,調整驅動速度和時間,以保證對其他電子設備非常友好。同時,每個發射端都要兼容市面上所有手機和可穿戴設備,這樣才能為這些設備充電。

伏達還有一個專利叫“一觸即發”,通常市面上一些無線充電電源需要按紐開啟無線充電功能,再把設備放上去。伏達開發的這個功能是將手機等往上一貼,就立刻開始充電,待機功耗跟原來一樣。

無線充電發射芯片特點

架構多樣,應用靈活

李锃特地比較了伏達的幾種無線充電發射端架構,根據需求不同,客戶可以在高效率、高功率、散熱能力;高度集成PD與MTP、外部器件少、易于使用之間進行權衡。

他解釋說,第一種發射架構實際上是主芯片控制分立元件,構成一個整體無線充電發射方案;第二種是雙芯片發射方案,是伏達在業界推出的第一個SmartBridgeTM架構,它具有高可靠性,非常適合高EMI場合使用;第三個架構是精簡的單芯片發射方案,所有無線充電功能集成在一顆芯片內,更加簡單易用。這三套方案伏達都有產品,可以滿足不同的應用場景。

無線充電發射端架構比較

利用無線充電發射架構客戶做出了很多案例,如結合插線板、移動電源、音響等設備提供無線充電功能,還可以實現自動追蹤無線充電,或同時給兩三臺設備充電,包括手機、手表、耳機等。

無線車充,值得期待

李锃透露,搭載伏達無線充電產品的首款國產車載無線充電方案即將發布,它是業界最高輸出功率的50W無線充電發射盤,效率達80%,符合車載AEC-Q100認證要求。其使用的架構就是SmartBridgeTM。理由是它可以提供更好的EMI和更安全可靠的系統。它由一個控制芯片加上四個功率級芯片組成,可以為兩臺設備充電。

首款國產車載無線充電解決方案

他表示,今年很多電動汽車都開始在主控平臺標配無線充電發射器,因為用戶希望開車時隨意快充。這就是用戶對充電更自由的追求。今年年底,伏達就會推出這樣的產品。

他也指出,汽車對所搭載電子產品的要求很高,在傳輸路徑上有很多保護和限制,這影響了車載無線充電效率。另外,車載無線充電環境是移動的,需要多個線圈,相互之間會有磁場耦合,也會降低效率。目前,伏達汽車無線充電已經做到80%效率,而已量產的產品都是70%多。

追求自由,舍我其誰

伏達在無線充電領域已深耕多年,助力客戶打造了業界功率最高的無線充電產品,加上新推出的高功率有線快充方案,形成了具有競爭力的無線加有線的快充市場閉環布局。依托突破性的模擬集成技術,車載雙充方案將加速車載無線快充的普及,極大地改善用戶充電體驗。

李锃強調:“從行業發展看,確實需要一些遠距離充電產品。不過,可能一到兩年還不會發生。主要原因是效率較低,充電比較慢,充電距離還不足以讓客戶體驗到自由性。而這正是對我們做無線充電技術的人提出的更高要求,也是我們的努力追求的方向。”

“未來,我們希望把更多高性能電源帶給更多應用,汽車已經成功導入設計,數據中心是未來很重要的方向。未來我們將更加專注于電源,讓我們的各種電源產品領先業界,”他補充說。