PTU/PRU晶片出籠 磁共振無線充電擴展應用版圖
加速物聯網成形 無線充電潛力無窮
隨著人們生活越來越依賴可攜式電子產品，電池續航力成為一大困擾，當電量用盡時，須要尋找配對的插座並使用隨身攜帶的原廠或相容的充電器為其充電。為解決此一困擾，持續演進的工業標準無線充電技術逐漸興起，符合規範標準的無線充電技術方便人們隨時隨地為各類可攜式電子設備充電，而毋須麻煩的尋找有線連接插座和適配器。
無線充電技術於2015年開始加速發展，智慧型手機和平板電腦無疑是這一應用的領先促成者。目前各大智慧型手機廠商已紛紛於手機添加無線充電模組，以增強其產品競爭優勢。無線充電也是實現物聯網(IoT)的重要組成部分。物聯網是指將各應用領域的終端設備如感測設備、移動終端、智慧型交通系統、工業系統、安全防衛系統、智慧型樓宇系統、農業系統等通過通訊網絡連接起來進行資訊交換，實現高效、安全、可靠地互連互通，建構一個強大的全連接世界。
其中，汽車(包括先進駕駛輔助系統ADAS、感測器、照明、車聯網應用)、智慧型樓宇(包括照明、計量儀、監控、溫控、防火控煙、家電)、移動醫療(包括助聽器、病人監護、藥物輸送、植體)及無線應用(包括智慧型手機、無線充電及可穿戴設備)為物聯網的四大重點領域，基於雲端計算，通過綜合自動化系統、優化的資源消耗、基於感測器的決策分析及活動跟蹤定位，完成自動化控制和資訊分析。
克服原有局限 磁共振可望實現智慧充電
無線充電的願景，是無論何時何地，無需配對或相容的插座和線纜就可對電子設備進行充電。而第一代緊耦合或磁感應無線充電技術在實現此一願景方面有很大局限性：必須將設備置於充電墊上並對準精確的位置，其充電範圍有限且不能同時為多個設備充電，也不能在金屬附近使用。
緊耦合技術採用100k～200kHz的頻率範圍，而金屬在此範圍有最高的熱感應(圖1)，所以在有硬幣或鑰匙等金屬物體附近無法使用緊耦合方案進行無線充電，否則將構成安全隱患。而鬆耦合技術採用6.78MHz頻率，在該頻率下金屬熱感應很低，允許無線充電繼續進行。
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| 圖1 無線充電頻率 |
基於空間自由概念，以鬆耦合或磁共振為發展的下一代無線充電技術，不僅克服上述磁感應技術局限性，且透過使用現有藍牙智慧型技術，對製造商硬體要求降至最低，也令將來實現智慧型充電區成為可能(圖2)。
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| 圖2 磁共振vs.磁感應 |
磁共振技術前景可期
目前市場上有三大組織–無線充電協會(WPC)、電力事業聯盟(PMA)和無線電力聯盟(A4WP)，皆積極致力於統一無線充電標準。PMA已於2015年6月與A4WP合併，將致力整合磁感應和基於Rezence的磁共振技術。自此，A4WP/PMA擁有全球科技品牌、供應鏈和市場領導者組成的超過一百七十家公司成員，如高通、三星、聯想及安森美半導體等，其產業聲勢還在迅猛擴增。WPC也開始進軍磁共振技術並向下相容當前Qi標準。磁共振技術已於2014年底/2015年初開始被採用，預計到2017年將取代磁感應技術成為主流無線充電技術。
A4WP已發布Rezence基本系統標準(BSS)1.2.1標準，並與中國通訊標準化協會(CCSA)、日本橫須賀研究園寬頻無線論壇(BWF)和韓國電訊技術協會(TTA)簽署合作協議，旨在採納該最新標準作為各自獨立管理的國家無線電力傳輸技術標準元素。此外，藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)也已經發布包含A4WP無線充電標準的藍牙低功耗(BLE)配置檔。因此由市場的多方態勢來看，磁共振無線充電技術前景可期。
PTU/PRU為A4WP系統主要架構
A4WP系統架構主要由電力發射單元(PTU)和電力接收單元(PRU)兩大模組組成，PTU和PRU通過藍牙智慧或藍牙低功耗協議以2.4GHz頻率互相通訊。通訊後完成連接，然後電力將在6.78MHz的頻率下從PTU傳輸到PRU。在PRU或PTU的兩側需要一個藍牙低功耗晶片、一個控制器以及電源轉換和調節器。
PTU通過功率放大管控制由TX共振器傳輸的電力。功率放大管須要根據單個PTU上同時出現的PRU數量控制不同的傳輸功率。PRU接收該電力作為交流訊號，需要整流電路將其轉換為直流，然後調節這直流訊號用之為電池充電(圖3)。
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| 圖3 A4WP系統方塊圖 |
A4WP將涵蓋各種功率的可攜式設備，從低功率藍牙耳機到更高功率的筆記型電腦、無線滑鼠、鍵盤和顯示器等。在BSS 1.2.1版中，允許單個PTU提供多個設備達22瓦(W)的電力輸出，PRU則定義為兩個等級(Class)，包含3.5～6.5W，可用於功能手機或智慧型手機。該版本將繼續擴展功率範圍，將來輸出功率可延伸高達50W。
磁共振無線充電方案紛出籠
磁共振無線充電方案紛出籠
業界從2013年陸續開發一系列產品和方案以支援磁共振無線充電應用，包括用於智慧型手機PRU的雙輸入電池充電器、應用處理器、功率調節和轉換器、整流器、功率放大管、射頻(RF)調諧模組，以及為近場通訊(NFC)功能而備的濾波器等。
為實現A4WP無線充電低能耗，以安森美半導體為例，該公司推出電源管理晶片(PMIC)–NCP17xx，整合數位類比轉換器(ADC)、電池充電器、DC-DC轉換器/低壓降穩壓器(LDO)及過壓/過流/過溫保護(OVP/OCP/OTP)並提供I2C介面。該系列元件通過降低輕載切換頻率，將動態切換損耗降至最低，提供可編程頻率和自適應偏移閘極驅動器，提升輕載效能；透過時脈控制技術優化且用於數位模組的時脈分頻，具有更低瞬態電流；降低單晶片能耗和輸入電流，並通過啟動藍牙提升效能；頻率抖動抑制功能將適用於大功率應用(圖4)。
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| 圖4 業界為A4WP系統提供的元件(深色方框) |
為使應用中所有晶片組/電源管理單元能支援無線充電，該公司也開發出2:1電源多路切換開關–NCP3901，採用小型CSP封裝(1.6×2.4mm)，提供50毫歐電源通道，支援OTG反向充電，並整合背對背(Back to Back)保護、100伏特(V)高壓衝擊保護及28V直流保護功能。在全橋整流器方面，目前業界提供蕭特基二極體NSR1030QMU和NSR2030QMU的樣品，關鍵功能包括：具超低正向導通壓降Vf，採用DFN封裝適用於空間受限的產品應用(圖5)。
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| 圖5 半導體廠商DSN2蕭特基二極體系列 |
由於無線充電未有統一標準，因此有些半導體商也提供同時支援Qi標準和PMA標準的MOSFET，如用於發射端DC-AC電源轉換的全/半橋整流器NTTFS4C10N和NTTFS4C08N、用於接收端AC-DC電源轉換的全橋整流器NMLU1210、用於電源開關實現USB/無線切換的NTLUS3A18PZ(單P溝道，採用UDFN封裝)及用於保護的NTLUD3A50PZ(雙P溝道，採用UDFN封裝)等，這些元件採用低導通電阻和小型封裝，提供較佳散熱性能，系統效能高，適用於空間受限的應用(表1)。
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此外，針對目前市場上符合Qi標準的應用，業界也提供電流檢測放大器–NCS214，該元件靜態電流65微安培( μA)，單位增益頻寬(GBW)14kHz，增益誤差0.2%，共模抑制比(CMRR)140分貝，且通過AEC Q100一級認證。
無線充電市場擁有高度潛力，基於Rezence的磁共振技術將有望贏得大部分產品市占。而業界正積極配合市場趨勢，不斷開發高效能關鍵元件用於磁共振無線充電應用及解決方案，同時提供相容Qi標準的產品以滿足市場需求。
