創(chuàng)新技術助力，推動便攜設備高效充電的發(fā)展

　　從充電器的發(fā)展歷史看，當我們還處于功能手機時代時，線性充電器是占主導地位的充電器類型。在過去幾年中，智能手機，特別是大屏幕智能手機，以及平板電腦設備已經采用大容量電池。由于電池充電器行業(yè)從線性充電器轉變?yōu)殚_關充電器的平均發(fā)展速度比預期慢（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)電源管理單元內向上集成了內置線性充電器），消費者事實上普遍都受到充電緩慢這一問題的困擾，并且在極端情況下會遇到散熱問題。

　　大多數高端智能手機目前仍然配備5W適配器。各種耗電應用和功能推升了用戶對于更大功率適配器的需求，因此在市場上也能見到標配10W適配器的智能手機。提升電源功率是一種明顯的發(fā)展趨勢，這是因為電池容量越來越大，以及消費者要求便攜式設備能夠以前所未有的速度完成充電。這種趨勢正在推升市場對于高功率密度解決方案的需求。

　　同時，消費者要求得到更簡單、更方便的充電體驗，因此，人們對無線充電方案的興趣日益濃厚。無線充電是一個可提升生活品質的技術。將人們在自由移動、安全便捷方面的體驗提升到更高層次。因此，無論消費者的目前認同程度和基礎設施建設的情況如何，無線充電技術一定是未來的發(fā)展趨勢。

　　先進工藝助無線充電提高功率轉換效率

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

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

　　東芝半導體為無線充電的Qi標準方案提供了系列芯片（圖1）。其主要的技術優(yōu)勢是：最大限度地滿足Qi無線充電聯(lián)盟的1.1規(guī)范，輸出功率達到5W，保持寬負載范圍的高效性能，并具有異物檢測功能；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；極小的導通阻抗，減少無謂的發(fā)熱現象。

　　圖1：東芝Qi標準無線充電產品具有極小導通阻抗，減少無謂的發(fā)熱現象。

　　同時，東芝半導體積極參與Qi無線充電聯(lián)盟的中功率規(guī)格的制定，并研制高電壓負載輸出等方案。計劃在今年第三季度研制出中功率規(guī)格的芯片產品。該公司還積極制定新產品開發(fā)計劃，以應對來自市場不斷變化的需求。

　　東芝半導體采用先進的0.13um功率半導體工藝。這種工藝具有最小的導通阻抗和柵極寄生電容，從而提高功率轉換效率。并且東芝推出了具有電源路徑管理功能的充電芯片，其主要應用在移動設備、可穿戴式設備上。在無線充電的應用方面，東芝計劃研制Qi標準的輸出功率達到15W的芯片產品。

　　電場耦合無線充電技術實現送電功率最大化

　　在無線充電方面，村田公司采用了電力傳送發(fā)熱較少的電場耦合方案，抑制了大電流傳送時的發(fā)熱問題，將其控制在最小的限度范圍內（圖2）。此外，該公司靈活采用了在其它領域積累的電源設計技術、模塊設計技術，開發(fā)出了大功率無線電力傳輸系統(tǒng)，實現了送電功率最大化。

　　圖2：電場耦合式無線供電模塊提供10W大功率輸出。

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

　　他表示，電場耦合式充電技術與電磁（電感）耦合式技術相比，功率較大，位置自由度較高，動力傳動裝置的部分采用了可靈活設計的特征。村田10W的無線充電模塊量產之后，目前正在研發(fā)可對應更大功率需求的產品，以及致力于實現產品的小型化。村田將靈活運用現有技術優(yōu)勢，繼續(xù)為平板電腦、筆記本等大功率設備提供充電的模塊。同時，該公司還在研發(fā)桌面式無線充電模式，即只要將各類便攜設備放在桌面上就可實現充電。

　　此外，從技術角度而言，大功率小型化的產品，需要考慮其損耗以及散熱設計。同時，為了無線充電的安全性，村田正在考慮搭載雙向通信的功能。

　　支持Qi/PMA雙標準的無線充電產品

　　IDT在無線充電的接收端和發(fā)射端都有相關產品。IDT公司全球業(yè)務發(fā)展總監(jiān)陳曰亮介紹，對于接收端，IDT針對Qi、PMA和A4WP三種標準都有產品。在Qi和PMA標準（感應式充電）方面，該公司既有面向單一標準的單模產品，也有針對兩種標準的雙模產品，其第二代P9023產品就是一款對Qi和PMA標準提供雙模支持的產品。IDT目前正致力于第三代Qi/PMA雙模接收端產品設計，而目前市面上很多其他產品都還處于第一代的階段。該公司符合A4WP標準（諧振式充電）的產品則主要針對高通公司的生態(tài)系統(tǒng)做推廣。

　　對于發(fā)射端，IDT今年2月份針對Qi標準發(fā)布了產品P9038，該產品是一款遵從Qi標準的5V輸入（最高支持8V）單芯片無線充電發(fā)送器解決方案。它將MOS管和運放等器件都集成到了其中，能夠使基于USB供電的無線充電減少75%的IC數量。

　　突破五大難題實現大功率快速充電設計

　　德州儀器（TI）公司電池管理方案市場拓展經理文司華認為，充電對用戶體驗產生最直接影響的是電池性能——續(xù)航時間有多久、多長時間能充滿電，以及充電期間，手機溫度能夠比其他手機的溫度低多少等等。越來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）將會過熱。離散充電器脫穎而出，成為適合于此類應用的更佳選擇。

　　除智能手機和平板電腦之外，可穿戴設備正引起廣泛關注。在某種程度上，為這些設備設計電源管理更具挑戰(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，以及設計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使用。防水及耐候設備上的接頭會是一個難題。早期的可穿戴設備使用的是接線式充電器；最新的可穿戴設備將使用專門為可穿戴產品市場所設計的線性充電器，并且采用無線充電技術。

　　文司華表示，快速充電的挑戰(zhàn)來自于以下幾個方面：

　　1.電池。電池充電的充電倍率（C-rat）：總的來說，電池的充電倍率不應超過0.7C。這個值限制了任何鋰電池充電的速度。幸運的是，電池技術已經推動了高充電倍率電池的發(fā)展。目前，這種電池已大批量生產。為了給高充電倍率電池充電，TI高強度電流充電器bq2419x在具有出色熱性能的單個封裝內支持電流高達4.5A的充電（圖3）。

　　圖3：4.5A鋰離子充電器bq24190將充電時間減半。

　　電池使用壽命：這在傳統(tǒng)充電設計中通常不是一個主要設計因素，而在快充中，這變得十分重要，因為即使電池的設計能夠在快充條件下滿足特定充電循環(huán)壽命，電池個體之間的差異仍然可能會導致電池使用壽命的變化，而且這與安全性相關。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把電量計和充電IC結合起來，用電量計來控制充電IC，因為電量計是對電池最了解的芯片，特別是德州儀器具有阻抗跟蹤的技術，能夠更準了解電池老化程度、內部溫度和各種滿充狀況。它的充電控制是一個智能化動態(tài)控制，能夠調整充電IC里面的電壓和電流，保證電流不超過安全區(qū)，控制電池不會由于充放電造成的老化。從這個角度來講，MaxLife的理念是在保證電池不受到損傷的前提下進行快充，而不是單純從一個時間角度考慮快充。

2.熱性能?？斐鋾痣娫垂芾鞩C和充電器的散熱問題，因為大功率充電的充電效率未經優(yōu)化。散熱設計是TI充電器設計中最優(yōu)先考慮的問題。bq2419x充電器有兩個熱敏電阻輸入，以滿足智能手機/平板電腦中大容量電池的大量熱監(jiān)控需要。此外，在不違反熱性能設計原則的情況下，可