开启大功率无线充电新时代

【导读】无线充电技术包括感应、磁谐振、电容、射频辐射、激光、声波和其他新兴技术。感应耦合技术处于领先地位 [1]，因此，其相关标准 Qi 在无线充电领域应用最为广泛。

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使用 WLC1115 的各种应用的可配置软件

无线充电技术包括感应、磁谐振、电容、射频辐射、激光、声波和其他新兴技术。感应耦合技术处于领先地位 [1]，因此，其相关标准 Qi 在无线充电领域应用最为广泛。

感应充电的工作原理为法拉第定律，功率发射器 (PTx) 线圈中的交流电产生交变磁场。然后，该磁场与功率接收器 (PRx) 线圈相互耦合，并转换回交流电流，为接收器侧连接的直流负载整流。

无线充电联盟 (WPC) 负责管理这项技术的相应规范发布。目前，最新发布的 Qi 规范版本为 1.3.2，通过采用增强型异物检测 (FOD)、带有私钥存储的发射器认证等功能，以及提高互 *** 作性的功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 无线充电的意图。Qi 规范的基础电源配置文件 (BPP) 将最大输出功率限制为 5 W，而扩展电源配置文件 (EPP) 支持高达 15 W 的功率传输。

然而，在强大智能手机通过 USB-C 接口快速有线充电的时代，采用 Qi 无线功率传输的用户充电速度体验仍在不断改善，为推出新解决方案铺平了道路。

本文介绍英飞凌第一代无线充电控制器，该控制器集成了最新 Qi 发射器、USB-PD/PPS 受电器件、DC/DC 控制器、栅极驱动器、检测/保护外设和可配置闪存。我们的可编程解决方案能够提高灵活性，具有集成优势，支持设计人员扩展功率级，允许 OEM 提供差异化功能，同时保持 Qi 兼容。

具有 Qi 向后兼容性的专有电源扩展

尽管感应式无线充电的标准之争可能已经结束，但 OEM 仍希望实现差异化功能并改善用户体验，从而催生了与 Qi 标准共存的专有快速充电协议。

WPC 协议规定的专有供电扩展 (PPDE) 支持制造商扩展其解决方案的功能。此外，受地区频谱法规的限制，部分智能手机 OEM 提供高达 50 W 的专有大功率感应式无线充电。随着 Qi 标准的持续发展，未来可能提供具有更高功率容量的快速充电，产品制造商寻求灵活、可编程的解决方案，可进行软件升级、维护，并在产品生命周期内改进用户体验。

WLC1115 发射器控制器 IC 的主要特性

集成降压和逆变器功率级

英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 是一款高度集成且符合 Qi 标准的无线发射器，采用集成 USB Type-C 供电 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 规范，集成了用于降压和逆变器功率级 MOSFET 的栅极驱动器。此外，还具备硬件控制保护功能。

WLC1115 利用集成降压控制器来生成所需桥电压，为全桥逆变器供电，反过来，全桥逆变器又为功率发射器 (PTx) LC 谐振回路供电，进而为功率接收器 (PRx) 供电。降压转换器支持的输入电压范围为 4.5 V 至 24 V。

WLC1115 的集成栅极驱动器旨在根据 Qi 规范类型和 *** 作场景控制全桥或半桥逆变器。图 1 所示为基于 MP-A11 线圈的发射器系统，逆变器级采用定频可变输入电压控制。

对功率级而言，在此类发射器中使用 WLC1115 具有以下优势：

●    基于 PD 的高集成方案，符合最新 USB Type-C PD 要求

●    集成栅极驱动器和固件可配置的通/断栅极驱动强度

●    可编程开关频率范围高达 600 kHz

●    使用 PD 输入，可灵活地将输入电压从 5 V 动态更改为 20 V

    ○ 这有助于通过 USB-PD 类型输入获得高效率。例如，可动态配置输入电压，使降压级输入接近输出，从而提高降压级效率。PTx 输入为 15 V，PRx 输出为 12 V 时，测得的 15 W 峰值效率大于 83% [3]。

    ○ 在空闲模式下以 5 V 运行，可降低待机功耗，通常约为 67 mW [3]，可通过系统特定的固件增强功能进一步降低到 25 mW 以下。

●    降压级输入和输出侧的保护功能：

    ○ 输入 UVP、OVP，

    ○ 输出UVP、OVP

    ○ 输出 OCP、SCP，

    ○ 特定于 PD 的保护（例如，VBUS 到 CC短路）

●    采用 WLC1115 [3] 的无线功率发射器系统

图1 采用 WLC1115 [4] 的无线功率发射器系统

通信和认证

Qi EPP 标准要求双向带内通信。从 PTx 到 PRx 的通信的通信基于由 PTx 实现的频移键控 (FSK) 方案，交替载波频率。从 PRx 到 PTx 的通信基于由调制 PRx 侧负载创建的幅移键控 (ASK) 方案，在 PTx 上出现反射，然后过滤并解码。

WLC1115 发射器控制器位于 PTx 侧，通过检测 PTx 线圈中的电压和电流变化来实现 ASK 解调和解码方案。在 FSK 中，PTx 将其工作频率从当前频率更改为备用频率，以编码信息。

Qi 1.3.x 规范要求对超过 5 W 的 EPP 供电进行认证，遵循依赖公钥和私钥对来加密和解密内容的公钥加密。这些密钥在数学上是相关的，对于由其中一个密钥加密的内容，可使用另一个密钥来解密。私钥是最敏感的安全凭证，必须安全存储。公钥通常为二进制证书的一部分，该证书通过带内通信介质传输给接收方。

根据 Qi 规范，PTx 必须将产品单元的私钥安全托管在存储子系统中，以用于数字签名。该私钥用于对来自功率发射器设备的质询验证响应进行数字签名。我们的解决方案使用OPTIGA™ Trust 充电器件来存储该私钥（图 2）[5]。

配套 REF 套件无线充电 MP A11 功率发射器 REFWLCTX15WC1 使用英飞凌WLC1115 发射器控制器 IC 和 OPTIGA™ Trust 充电 IC 认证解决方案进行无线充电，满足 Qi 认证要求。

图2 英飞凌配套 REF 套件中的主要控制器

异物检测 (FOD)

WLC1115 发射器控制器还支持符合 Qi v1.3.2 标准的增强型异物检测 (FOD)，其中包括基于 Q 因子、谐振频率、功率损耗和过温（如果使用热敏电阻）的 FOD。

Q 因子和谐振频率测量结果用于供电阶段之前的 FOD。PRx 报告使用 Qi 定义参考线圈校准的 Q 因子和谐振频率参考值。PTx 将报告值与现场测量值进行比较，确定是否存在异物。比例因子用于将 PRx 报告的 Q 因子和谐振频率值转换为与参考发射器线圈等效的值，以适应测量变化。

功率损耗法主要用于功率传输阶段。功率损耗 FOD 使用在降压输出端测得的 PTx 功率，该功率馈送到逆变器桥。通过调谐 FOD 系数来进一步调节该 PTx 功率，以考虑逆变器损耗和友好金属损耗。计算校准 PTx 功率之后，将结果与最新报告的 PRx 功率值进行比较。如果校准 PTx 功率与 PRx 功率之间的差异超过 Ploss 阈值，则会记录 FOD 事件。

为防止错误断开连接并改善用户体验，WLC1115 采用自适应算法来区分真实 Ploss FOD 与由耦合不佳 PRx 引起的 Ploss。FOD 系数和 Ploss 阈值均可配置，以满足系统设计要求。例如，图 3 所示为 PRx 对有效充电面积的影响，该 PRx 具有磁性对准辅助装置以及潜在友好金属。

图3 自适应异物检测 (FOD) – Apple iPhone 12 的有效充电面积增加了 74%

另一个示例（表 1）显示了我们的 PTx 通过自适应 FOD 算法检测不锈钢等物体的能力，Qi 规范[2] 将其定义为 FO1，在智能手机等大型平板手机充电期间引入。

表1 大型智能手机异物检测 (FOD) –三星 Note 20 智能手机检测 FO1 的能力高达 10 mm

专有扩展的可编程性

配套参考板使用 WLC1115 无线充电控制器 IC，支持三星专有充电扩展。所含软件为堆栈库提供应用程序编程接口 (API)，支持访问各种功能，这些功能可用于进一步实施专有协议扩展等 Qi 协议。如下页图 4 所示，三星手机消耗的 PTx 功率约为 9 W，而 BPP 仅为 5 W。

图4 三星 Galaxy S21 智能手机的充电周期结果（带三星专有扩展）

使用 WLC1115 的各种应用的可配置软件

英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 带有 Qi v1.3.2 认证的 MP A11 电源发射器参考解决方案，适用于各种应用，包括智能手机、智能扬声器、扩展坞、监视器，以及工业或医疗保健附件（图 5）。

图5 Qi v1.3.2 认证 MP A11 发射器

具有业界领先的集成功能，最高输出功率为 15 W

除参考解决方案外，WLC1115 还支持 Configuration Utility（可下载），以及通过英飞凌 ModusToolbox™ 软件 提供的固件库。“configuration utility” 是一款 Microsoft Windows 应用程序，可指导 WLC1x 用户完成配置和编程芯片的过程。该实用程序与所提供的硬件协同工作，硬件托管 WLC1x 控制器 IC 以及 USB 接口。图形用户界面 (GUI) 支持用户直观选择和配置应用参数。应用说明 [6] 也进一步解释了部分参数，比如 FOD 调谐。除无线充电参数外，该实用程序还提供支持配置 USB-PD 输入和保护（例如 OVP、OCP 和 OTP）的参数。

例如，通过遵循英飞凌社区知识库文章 [7]中详细介绍的简单配置过程，REF 解决方案可启用基于直流输入电源的无线充电 *** 作。这非常适合具有固定电压轨的应用，比如工业机器人、扩展坞和售后附件。软件配置非常灵活，从概念到批量生产阶段，都支持最终产品设计师充分展现自身才能。

结论

最近几年，智能充电技术的组件和应用发展非常迅速。虽然关注的焦点是支持通用连接器的标准化有线充电 USB-C [8]，但对于众多用户群体而言，越来越需要随时可用且方便的充电器件，这也是无线充电的主要推动力。

我们使用集成 USB-C PD 的无线充电解决方案，结合英飞凌 OPTIGA™ Trust 充电认证，为 OEM 提供吸引力十足的 BOM 价值主张，帮助他们开发满足 Qi v1.3.2 要求的发射器。我们的平台具有自适应 FOD 等主要特性，支持专有协议、DC/DC 控制器集成以及软件库，非常特殊，可满足专有及新兴感应无线充电的 Qi 标准要求。

请访问我们的无线充电 IC 网站，了解英飞凌 WLC 可编程解决方案如何能够提供所需的灵活性，以扩展到更高功率级，同时保持 Qi 兼容。

参考资料

1. Sánchez 等人，“评估无线充电现状的技术支持研究”，欧洲委员会，Fraunhofer IZM，2021-09-07

2. 无线充电联盟 Qi 规范

3. 英飞凌科技，“WLC1115 15-W MP-A11 无线功率发射器参考板 (REF_WLC_TX15W_C1) 测试报告”，用户指南，002-35395 Rev. A，2022-05-25

4. Smith、Kedilaya，“WLC 发射器硬件设计指南”，应用说明，AN235387，2022-05-12。

5. Ramanujam，“为 WLC 发射器提供 OPTIGA™ Trust 充电”，应用说明，AN235196，2022-05-02

6. Ramanujam、Chelluri，“无线功率发射器的异物检测调谐指南”，应用说明，AN234970，2022-05-03。

7. 英飞凌科技，“在 REF_WLC_TX15W_C1 参考板上启用基于直流输入的无线充电 *** 作”，知识库文章，KBA235366

8. 欧洲委员会，“关于协调成员国无线电设备上市相关法律的指令 2014/53/EU 修订建议”，在线文档，2021-09-23

作者：Prasanna Vijayakumar，英飞凌科技 USB 电源和无线充电应用总监 

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