IT動(dòng)態(tài)：無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端芯片漫說(shuō)

5G已經(jīng)片區(qū)使用，很多小伙伴對(duì)通信這塊還不熟系！越來(lái)越多的人開(kāi)始對(duì)IT、5G信息方面產(chǎn)生興趣，近來(lái)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端芯片漫說(shuō)的話(huà)題也是引起了很多人的關(guān)注，那么既然現(xiàn)在大家都想要知道無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端芯片漫說(shuō)，小編今天就來(lái)給大家針對(duì)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端芯片漫說(shuō)做個(gè)詳細(xì)介紹。

從蘋(píng)果發(fā)布帶無(wú)線(xiàn)充電手機(jī)開(kāi)始以來(lái)，整個(gè)無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)持續(xù)爆發(fā)。在iPhone上無(wú)線(xiàn)充電以前，針對(duì)無(wú)線(xiàn)充電做電源芯片的屈指可數(shù)，標(biāo)桿性的外資企業(yè)有IDT、TI、NXP等。從2014年有新的半導(dǎo)體公司進(jìn)軍這個(gè)領(lǐng)域，隨著蘋(píng)果加入WPC組織，一些原先做方案的公司也開(kāi)始涉獵芯片設(shè)計(jì)。

這是一個(gè)新的市場(chǎng)，但是它的方案進(jìn)化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。我們先來(lái)了解一下DC-DC電源進(jìn)化史，或許能更好地看清楚無(wú)線(xiàn)充電芯片的發(fā)展。

第一代DC-DC用分離器件搭建，控制電路、模擬電路、Driver和PowerMOS都是分離的；

第二代DC-DC將控制電路、模擬電路、Driver放在一個(gè)芯片里，PowerMOS是分離的；

隨著先進(jìn)BCD工藝的發(fā)展，第三代DC-DC將模擬電路、Driver、PowerMOS集成在了一起，控制電路單獨(dú)放一塊；

第四代DC-DC干脆將所有東西都集成在了一起。

無(wú)線(xiàn)充電方案和DC-DC其實(shí)非常類(lèi)似，也可以按此分成四代，但是在時(shí)間上卻不是一代一代地迭代。你現(xiàn)在幾乎可以在市場(chǎng)上看到四代產(chǎn)品同時(shí)都在，不知是否可以稱(chēng)之為“四世同堂”。接下來(lái)，我們來(lái)慢慢聊聊這四代產(chǎn)品。

圖一第一代無(wú)線(xiàn)充電方案PCB照片

第一代無(wú)線(xiàn)充電方案全部由分離器件搭建。在此，正好可以用第一代產(chǎn)品來(lái)解釋下各個(gè)關(guān)鍵器件在無(wú)線(xiàn)充電中的作用。第一代無(wú)線(xiàn)充電方案，如圖一所示。最近正值世界杯，不妨用足球運(yùn)動(dòng)員來(lái)類(lèi)比。

PowerMOS：相當(dāng)于足球運(yùn)動(dòng)員的四肢，是動(dòng)力的輸出。無(wú)線(xiàn)充電中，它就是最終輸出功率的器件。

Driver：相當(dāng)于足球運(yùn)動(dòng)員控制四肢肌肉伸縮的經(jīng)絡(luò)，是四肢發(fā)力的最后一道觸發(fā)器官，來(lái)決定四肢是否動(dòng)作。無(wú)線(xiàn)充電中就是由它來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉PowerMOS。

Buck：相當(dāng)于足球運(yùn)動(dòng)員的能量供給器官，同時(shí)控制了每一次動(dòng)作的力度。無(wú)線(xiàn)充電中，它來(lái)控制功率全橋的輸入電壓，從而來(lái)控制能量輸出的大小。

小功率DC-DC：相當(dāng)于給除了四肢之外的其他器官供給能量的器官。無(wú)線(xiàn)充電中，它就是MCU、運(yùn)算放大器、Driver等器官的供電源。

OP：運(yùn)算放大器，相當(dāng)于足球運(yùn)動(dòng)員的眼睛、耳朵等捕獲外界信息的器官。對(duì)應(yīng)無(wú)線(xiàn)充電就是由它來(lái)采樣功率全橋輸入端的平均電流。它需要在功率電源端或者地端串聯(lián)一個(gè)高精度電阻，通過(guò)采樣電阻兩端的電壓來(lái)得到流過(guò)的平均電流。優(yōu)點(diǎn)是：采樣較為準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是：有功率損耗；受運(yùn)放參數(shù)溫飄影響大。在無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)中，除了平均電流，還有一個(gè)信息會(huì)被采集，那就是諧振電容和電感之間的P電壓。它通過(guò)一組二極管、電阻和電容處理后送給ADC,這個(gè)ADC通常被內(nèi)置在MCU當(dāng)中。

MCU：相當(dāng)于足球運(yùn)動(dòng)員的大腦，它通過(guò)處理其他器官捕獲的信息，來(lái)分析，判斷并發(fā)出指令四肢應(yīng)該做怎樣的動(dòng)作。對(duì)應(yīng)無(wú)線(xiàn)充電，它會(huì)通過(guò)模擬電路給它的信息來(lái)控制Buck的輸出電壓來(lái)，也就是控制功率全橋的功率輸出；也由它來(lái)告訴Driver怎樣讓PowerMOS開(kāi)關(guān)；同時(shí)也可以控制LED的閃爍來(lái)發(fā)出信息。

MOS For Q：這個(gè)MOS管串聯(lián)在了功率回路當(dāng)中，可能是用來(lái)做Q值檢測(cè)。這種做法最開(kāi)始由IDT提出，是一種掃描頻率的辦法。優(yōu)點(diǎn)就是：容易實(shí)現(xiàn)，比較準(zhǔn)確；缺點(diǎn)也比較明顯：1.會(huì)增加功率損耗；2. Q值檢測(cè)速度慢。Q值檢測(cè)是EPP認(rèn)證的必要條件，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)異物。

綜上所述：由分離器件搭建的第一代無(wú)線(xiàn)充電方案，它都是圍繞著MCU搭配信息采樣電路和功率全橋電路來(lái)完成整個(gè)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)。由于集成度不高，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，成本昂貴。各種信息交換和能量傳輸都要通過(guò)PCB走線(xiàn)，走線(xiàn)難度大。EMI問(wèn)題凸顯，往往需要犧牲效率來(lái)滿(mǎn)足相應(yīng)的要求，比如在功率MOS的Gate端串聯(lián)電阻電容來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是它在推動(dòng)無(wú)線(xiàn)充電發(fā)展初期起著非常重要的作用，因?yàn)樗尯芏嘧鯩CU的公司，以及方案公司可以很快進(jìn)入無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)，幫助大批量的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品第一時(shí)間送到了消費(fèi)者手中。

第二代無(wú)線(xiàn)充電方案將MCU、模擬電路、Driver放在一個(gè)芯片里，PowerMOS是分離的。有些公司稱(chēng)這種方案為SOC方案，這種稱(chēng)呼并不準(zhǔn)確，更合適地應(yīng)該稱(chēng)之為Mix Signal的芯片。真正的SOC，整個(gè)系統(tǒng)都在一個(gè)芯片里面，所以第四代無(wú)線(xiàn)充電方案才是真正的SoC。第二代無(wú)線(xiàn)充電方案的代表當(dāng)屬I(mǎi)DT的P9242，之后像華潤(rùn)矽科、易沖無(wú)線(xiàn)、勁芯微等也有借鑒IDT架構(gòu)的芯片出現(xiàn)。P9242-G方案原理圖如圖二所示。

圖二IDT9242原理圖

可以看到，P9242純粹將分離器件方案中MCU，OP，Driver，小功率DC-DC集成在了一起。PowerMOS仍然采用分離MOS。Peak電壓采樣電路由外部的二極管、電阻電容以及MCU內(nèi)部ADC組成。平均電流采樣需要在功率端串聯(lián)一個(gè)采樣電阻。功率Buck仍然是外置的。Q值檢測(cè)也需要在外部增加一個(gè)功率MOS，采用掃頻的方式。相比第一代方案，這是集成度上的一個(gè)非常大的跨越，它大大減少外部元器件的使用，降低方案的成本。但在功能和性能上，相對(duì)于第一代產(chǎn)品似乎并沒(méi)有提升。

圖三為采用IDT的P9242的產(chǎn)品拆解圖，很簡(jiǎn)潔。值得注意的是，它的Buck位是預(yù)留的，并沒(méi)有裝上，原因是它把功率Buck的調(diào)壓功能放在了適配器中，因?yàn)镼C3.0本身就支持線(xiàn)性調(diào)壓。用適配器調(diào)壓是創(chuàng)新，會(huì)在功能和性能上的帶來(lái)提升，會(huì)是未來(lái)的一個(gè)趨勢(shì)。唯一阻攔它普及的因素只有一個(gè)：QC3.0或者PD適配器的普及度還沒(méi)有那么高。但這個(gè)因素遲早會(huì)被消滅。

圖三采用IDT9242產(chǎn)品的拆解圖

第三代無(wú)線(xiàn)充電方案追溯起來(lái)最早應(yīng)該是TI最先提出。但之后真正意義上推廣這種架構(gòu)的應(yīng)該屬于伏達(dá)半導(dǎo)體，伏達(dá)于2016年就推出了帶電流采樣的智能功率全橋芯片NU1006（為了區(qū)分，稱(chēng)之為Gen1智能全橋），18年更是推出了全面升級(jí)之后的智能全橋，NU1015/NU1009/NU1008（Gen2智能全橋）。之后像JWT等原先做電源芯片的公司也推出了相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，但目前只跟伏達(dá)Gen1智能全橋芯片類(lèi)似。

第三代無(wú)線(xiàn)充電方案采用MCU+PowerStage的架構(gòu)。所以整體方案就是兩顆芯片。圖為伏達(dá)半導(dǎo)體2017年推出的5W方案的架構(gòu)。2017年中旬就推出這樣的高集成度方案是非常驚艷的，也幫助伏達(dá)半導(dǎo)體拿下了很多知名公司的訂單。

圖四伏達(dá)半導(dǎo)體第一代5W方案

伏達(dá)半導(dǎo)體的Gen1智能全橋?qū)⒐β蔒OS和Driver集成了在一起，同時(shí)集成了電流采樣電路。該電流采樣電路最大的亮點(diǎn)在于，無(wú)需在功率回路上串聯(lián)高精度電阻，提高了無(wú)線(xiàn)充電轉(zhuǎn)化效率。另外，PowerMOS和Driver集成在一起是非常自然的事情，這樣Driver和PowerMOS可以匹配得非常完美，開(kāi)關(guān)損耗可以被優(yōu)化到極致。同時(shí)上下MOS管的死區(qū)時(shí)間控制也在芯片內(nèi)部。常見(jiàn)的集成Buck死區(qū)時(shí)間一般可以做到10ns～20ns，相信這顆芯片也可以做到這個(gè)量級(jí)，從而大大降低導(dǎo)通損耗。第一代無(wú)線(xiàn)充電方案和第二代無(wú)線(xiàn)充電方案由于外置PowerMOS都做到這無(wú)法一點(diǎn)，而且它們SW點(diǎn)的毛刺電壓也會(huì)因?yàn)榧纳姼写蠖兊煤芨?。另外，第一代和第二代方案常?jiàn)的EMI的問(wèn)題往往出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)和PowerMOS不匹配，以及PCB寄生電感太大。PowerMOS和驅(qū)動(dòng)集成之后，寄生電感大大降低，驅(qū)動(dòng)和功率MOS匹配，EMI風(fēng)險(xiǎn)可以大大降低，解EMI也就變得非常容易，甚至有可能不需要犧牲效率。談到寄生，在多線(xiàn)圈應(yīng)用領(lǐng)域，將Driver和MOS管集成在一起也可以大大簡(jiǎn)化PCB走線(xiàn)的難度。MCU控制功率管開(kāi)關(guān)的信號(hào)只有數(shù)字走線(xiàn)，即使功率管跟MCU距離很遠(yuǎn)也不會(huì)影響性能。很可能用一個(gè)MCU搭配N(xiāo)個(gè)PowerStage就可以完成N個(gè)線(xiàn)圈的應(yīng)用。圖五為伏達(dá)的一個(gè)三線(xiàn)圈的應(yīng)用圖。

圖五伏達(dá)半導(dǎo)體三線(xiàn)圈應(yīng)用

伏達(dá)半導(dǎo)體的Gen2智能全橋進(jìn)一步將集成度提高，將功率MOS、Driver、Q值檢測(cè)、電流采樣、小功率DC-DC供電、數(shù)字解調(diào)集成在了一起。圖三為伏達(dá)半導(dǎo)體的15W-EPP、標(biāo)準(zhǔn)蘋(píng)果快充方案，非常簡(jiǎn)潔。從系統(tǒng)上來(lái)看，這種集成方式有一個(gè)非常大的優(yōu)勢(shì)：將“眼睛”和“耳朵”等信息獲取器官直接安在了”四肢“旁邊，意味著第三代方案完全有機(jī)會(huì)獲得功率全橋中電壓和電流的瞬態(tài)信息。而無(wú)線(xiàn)充電的通信變化、TX和RX的位置變化、功率損耗都時(shí)刻反應(yīng)到功率全橋中的電壓和電流變化。這些信息的獲取可以幫助MCU更智能地進(jìn)行功率傳輸、FOD檢測(cè)、通信解調(diào)等功能。另外，Q值也可以通過(guò)時(shí)域檢測(cè)的辦法在內(nèi)部獲得，不需要在芯片外面額外增加器件，也不會(huì)帶來(lái)功率的損耗。而第一代無(wú)線(xiàn)充電方案和所謂的SOC第二代無(wú)線(xiàn)充電方案只能獲取功率全橋輸入端的平均電流和峰值電壓兩個(gè)簡(jiǎn)單的信息。

但將MOS集成也會(huì)造成一些憂(yōu)慮。比如散熱。效率雖然可能因?yàn)閮?yōu)化開(kāi)關(guān)損耗，得到了非常大的提升，甚至比分離MOS的方案還要高，但芯片單點(diǎn)溫度可能會(huì)比分離MOS的高，原因在于面積比較小。這就對(duì)芯片設(shè)計(jì)和封裝設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。筆者特地查閱了伏達(dá)半導(dǎo)體的NU1015的Datasheet，如下圖所示?？梢钥吹剿臏囟仍O(shè)計(jì)范圍為-40攝氏度～125攝氏度保證電氣性能。另外它封裝也采用了特質(zhì)話(huà)的設(shè)計(jì)，以保證熱量可以很快被導(dǎo)到PCB上。因此，溫度問(wèn)題在芯片設(shè)計(jì)能力和封裝技術(shù)提升面前，只是與分離器件比較而產(chǎn)生的多慮而已。

做這樣的芯片也跟伏達(dá)的團(tuán)隊(duì)來(lái)源有關(guān)。伏達(dá)的芯片團(tuán)隊(duì)本身就是TI的大功率通信電源團(tuán)隊(duì)出生，甚至有TI資深功率集成工藝專(zhuān)家加入，面對(duì)消費(fèi)級(jí)芯片設(shè)計(jì)想必信手拈來(lái)。

伏達(dá)推出的Gen2智能全橋芯片對(duì)于方案公司來(lái)講倒是非常大的福音，因?yàn)槿绱藦?qiáng)大智能全橋芯片完全可以通過(guò)搭配一個(gè)無(wú)需定制化的MCU完成無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。且伏達(dá)也根據(jù)輸出功率大?。?W/10W/15W）推出了三款PowerStage,方便針對(duì)不同的應(yīng)用靈活使用。很多原先停留在第一代無(wú)線(xiàn)充電方案的公司，可能可以很快跳躍到第三代無(wú)線(xiàn)充電方案。甚至很多原先不做無(wú)線(xiàn)充電的方案公司，也可以借助伏達(dá)的功率全橋，推出集成度很高的無(wú)線(xiàn)充電方案。整個(gè)無(wú)線(xiàn)充電行業(yè)的集成化水平會(huì)有一個(gè)很快的飛躍。

還有一個(gè)點(diǎn)是，由于受上游材料供應(yīng)不足、其他產(chǎn)品線(xiàn)排擠8寸晶圓產(chǎn)能，中低壓MOSFET的價(jià)格已經(jīng)開(kāi)始往上走，供貨周期也不停地被加長(zhǎng)。集成了功率管的PowerStage可能會(huì)越來(lái)越受方案商和產(chǎn)品商的青睞。

第四代無(wú)線(xiàn)充電方案非常少，代表有IDT9038。NXP，RICHTECH也有推出過(guò)類(lèi)似的芯片。但均停留在5W的功率階段。

IDT的P9038的應(yīng)用原理如下圖所示，非常簡(jiǎn)潔。它肯定也具備第三代無(wú)線(xiàn)充電的優(yōu)點(diǎn)，但是將功率和數(shù)字MCU集合在一起所面臨的技術(shù)和成本挑戰(zhàn)會(huì)遠(yuǎn)大于第三代無(wú)線(xiàn)充電。在功率等級(jí)靈活性上也會(huì)差很多，畢竟5W和10W的市場(chǎng)目前還不會(huì)出現(xiàn)明顯的分化。另外，WPC協(xié)議也在變化中往前走，沒(méi)有完全穩(wěn)定下來(lái)。用一顆芯片全集成還是可能面臨標(biāo)準(zhǔn)變化帶來(lái)的一些風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，能做這個(gè)事的公司也沒(méi)有幾家。NXP和IDT已經(jīng)在5W上做了這個(gè)事了。

最后做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)：

1.感謝第一代無(wú)線(xiàn)充電方案，它保證了無(wú)線(xiàn)充電市場(chǎng)的快速起量；

2.第二代無(wú)線(xiàn)充電是第一代無(wú)線(xiàn)充電集成度上的提升，降低了Cost，但相較于第一代倒沒(méi)有架構(gòu)的創(chuàng)新和性能的提升；

3.第三代無(wú)線(xiàn)充電同樣大大提高了集成度，在性能和架構(gòu)上也做了很多創(chuàng)新，也非常有機(jī)會(huì)帶來(lái)一些額外的用戶(hù)體驗(yàn)改善，可能是未來(lái)發(fā)射端非常值得研究和挖掘的方向。

4.第四代無(wú)線(xiàn)充電，目前還停留在5W的階段，有公司能做，但相對(duì)較少。有沒(méi)有必要做倒是很多公司思考的問(wèn)題。