國產無線充電芯片的技術和應用分析

其他|other else|

2022-06-24 17:32:54 7

自從100年前物理學家尼古拉·特斯拉提出無線電力傳輸的構想，“無線充電”技術已經取得了極大的進步，但在商業化應用方面一直進展緩慢。直到最近幾年手機無線充電*起來，“無線充電”這一技術才為大眾所熟知，在幫助手機用戶擺脫線纜糾纏的同時，開始滲透到更多應用領域，小至TWS耳機和微型IoT傳感器，大至廚房電器和電動汽車。

無線充電技術和標準

目前，實現無線電力傳輸主要有以下幾種方式：電磁感應（Inductive）、磁場共振（Resonant）、射頻微波（RF）。其中，采用電磁感應和共振技術的無線充電標準是無線充電聯盟(WPC)的Qi規范；而AirFuel聯盟則主推共振和RF技術。

電磁感應技術是目前市場上最為成熟的技術，其基本原理是電流通過發送端線圈時產生磁場，對附近的接收端線圈產生感應電動勢進而產生電流，從而實現電能從傳輸端向接收端的轉移。WPC聯盟的Qi標準就是采用電磁感應式的技術方案，這種方式轉化效率比較高，但是傳輸距離較短，僅為10mm 左右。此外，這種方式對設備的放置位置有一定要求，充電時需要對準線圈一對一進行，對用戶來說有點不太靈活方便。

在所有的無線充電產品中，基于電磁感應方式的最多，既有日用小家電比如電動牙刷、電動剃須刀、無繩電話，也包括智能終端如手機，平板電腦等。目前，基于電磁感應方式的無線充電技術面臨的主要挑戰在于充電設備擺放位置的苛刻要求、充電距離的局限性，以及線圈感應發熱等。

三星和安卓陣營的手機廠商早就在其旗艦手機型號中增加無線充電功能，而蘋果也于2017年發布iPhone 8時開始支持無線充電功能，它們都支持Qi無線充電標準，為用戶帶來了很大便利。現已為普通消費者所熟悉的無線充電板就是一個無線充電發射器，只要符合Qi規范，都可以進行無線充電。在電磁感應技術應用方面，國內公司（包括芯片供應商、無線充電器廠商，以及手機和終端廠商）已經走在了無線充電行業的前沿。Qi在中國的應用產品主要是手機，這是*個階段，以后會擴展到不同類別或更高功率的數碼產品中。

成立于2008年的無線充電聯盟（WPC）現有聯盟會員650多家，其Qi無線充電標準已經得到3000多個產品的支持，其中包括2600多個發射器和充電產品。除了手機外，目前已經有超過120款汽車型號支持Qi無線充電。

跟電磁感應技術一樣，磁場共振技術也采用線圈，但是通過諧振的方式傳輸電能。以被蘋果收購的PowerbyProxi為例，其無線充電技術原理大致如下：

主電壓轉換為高頻交流電（AC）；
電流通過發射電路傳輸到發射線圈；
流經發射線圈的電流產生磁場，引起一定距離內接收設備中接收線圈的諧振；
接收線圈產生電流；
電流被接收端電路轉換為直流（DC），然后給接收設備的電池充電。

共振技術相比感應技術的優勢在于，接收和發射設備不需要嚴格耦合和對齊，只要松散耦合即可實現無線充電，而且傳輸距離也較遠，可以達到50mm。

由A4WP和PMA合并而成的AirFuel聯盟成立于2015年，現正積極推廣共振技術和RF技術到手機之外的其它應用市場，包括物聯網、醫療設備和電動汽車等。

就目前無線充電技術標準和聯盟來看，Qi聯盟成員數量最多，包括TI、飛利浦、HTC、諾基亞、三星、索尼愛立信、百思買等知名企業都是該聯盟的成員。不同品牌的產品，只要有Qi標識，都可以用Qi無線充電器充電 —— 克服了無線充電“通用性”的技術瓶頸。在不久的將來，手機、相機、電腦等產品都可以用Qi無線充電器充電，為無線充電的大規模應用提供了可能。

由于 Qi 聯盟成立早、會員多、市場認可、兼容性強，所以Qi 協議在小功率無線充電市場上，尤其是手機無線充電市場上具有*領導地位。

無線充電市場規模和增長趨勢

據統計，2019年帶無線充電功能的手機占出貨量的比例約為20%，到2022年這一滲透率有望提高至35%。目前蘋果的iPhone、AirPods和AppleWatch均已標配無線充電，而安卓手機的無線充電則正在從旗艦機向中低端機型滲透。據Strategy Analytics統計，2021年全球有超過10億部手機帶有無線充電功能，TWS無線充電倉市場也有強勁增長。帶有Qi認證標識的無線充電接收設備（RX）約有5.15億個，而無線充電發射器（TX）約為1.97億個，這些設備包括手機、平板、可穿戴設備，以及汽車和公共場所的售后市場配件、嵌入式充電器等。

總的Qi認證設備出貨量相比2020年增長30%，預計到2025年平均增長約為24%。從地域市場市場來看，亞太地區仍然是最大的無線充電市場，占比高達39%，其中中國市場是Qi無線充電普及的主要驅動力。

手機產品仍然是無線充電行業重要的細分領域，2021年手機領域用無線充電市場規模約為68.7億元，同比增長9.6%。隨著無線充電在手機上的應用越來越普及，無線充電在其它各類終端應用中也會逐漸興起。

根據市場調研機構 BCC Research 關于無線充電發射器的報告數據，2017年全球無線充電器市場規模為10.58 億美元，預計到2022年全球無線充電器市場規模將達到15.64億美元，年復合增長率約為 8.1%。另據一家國內權威市調機構預測，在2021-2027年間，全球無線充電器市場將以19.8% 的復合年增長率增長，其主要驅動因素包括*雙碳政策支持、清潔能源普及、移動通信技術的發展等，這都將為無線充電的發展提供新的機遇。

經過多年發展，無線充電行業已經形成完整的產業鏈，包括方案設計、芯片、線圈、磁性材料和模組制造等環節，其中方案設計占比30%；充電芯片占比28%；磁性材料21%；線圈14%；模組制造7%。在這些價值節點中，方案設計和芯片具備較高的技術壁壘，約占產業鏈價值量60%，主要被意法半導體、瑞薩和博通等國際芯片巨頭所壟斷。國內企業在無線充電關鍵零部件市場也開始逐漸變強，中興通訊、信維通信、美芯晟和英集芯等國產廠商在產品技術和應用設計方面都逐漸接近國際廠商。

無線充電應用場景和案例

多年來，一直都有學術和科技企業界研究無線充電的技術和應用，但因為沒有統一的標準，其應用僅限于特定領域，一直沒有進入主流商業市場。現在，技術相對成熟了，行業標準規范也比較完善了，無線充電進入消費者日常生活和商業應用場景中應該是水到渠成的事了。智能手機的無線充電只是一個爆發點，接下來物聯網和新能源汽車將會帶動無線充電更大的增長。

按照充電功率的大小，無線充電的應用大致可以分為如下類別：

a) 微功率設備（<5W）：包括智能手表、TWS耳機、可穿戴設備、智能傳感器、低功耗IoT設備和醫療設備等。AirFuel聯盟主推的RF技術標準將成為這一細分市場的主要推動力。

b) 小功率設備（5-15W）：智能手機是這一細分市場乃至整個無線充電市場的主導者，其它小功率電子產品還包括平板電腦、POS機、攝像頭和智能家居設備等。WPC Qi將繼續主導這一細分市場，但AirFuel RESONANT標準也將得到更多采用。

c) 中功率設備（30-65W，高至200W）：包括智能手機、平板電腦、筆記本電腦、機器人、無人機、掃地機、割草機、電動工具、小家電，以及工業物聯網設備等。傳統需要插入電源線充電的設備都有可能被無線充電所替代，再配合智能控制或顯示功能，將讓這個細分市場的傳統設備煥發新的活力。這一市場也將成為WPC Qi和AirFuel RESONANT標準的競爭高地。

d) 大功率設備（200W-25KW）：包括廚電、電動自行車、AGV和電動汽車等大功率電子電氣設備。WPC在發展針對廚房家電、電動自行車和AGV等大功率設備的無線充電標準規范，AirFuel RESONANT標準在這一細分市場進展更快，其中最有代表性的就是從MIT獨立出來的大功率無線充電技術公司WiTricity。

中大功率設備終端，尤其是手機端為代表的智能終端的充電功率迅速提升，從一開始的充電功率只有5W到現在可以實現100W甚至更高的充電功率，并且部分型號手機還搭配的反向無線充電的技術，可以為智能手表、TWS耳機等設備充電。手機端無線充電應用要克服機體輕薄、效率、發熱、對位、材料屬性、空間限制和置入成本等技術難點，故而手機內部的接收端芯片設計技術更為復雜且技術壁壘較高。

下面以美芯晟充電功率100W同時具備18W反向充電的無線充電接收端芯片為例，來說明智能終端高功率應用的設計方案。通過采用自創的高功率RX+2:1電荷泵雙芯片架構，該接收端芯片MT5785集成了無線充電接收功能所需的一切，可提供高達100W的輸出功率，同時具備18W反向充電功能，轉化效率達到98.5%，支持WPC最新的BPP與EPP認證，同時支持主要手機廠商的專有無線快充協議，可廣泛應用于智能手機、筆記本電腦、電動工具等領域。據了解，美芯晟已經成功研發并量產1W~100W無線充電接收端和發射端全系列芯片，部分關鍵性能指標處于行業*水平，終端產品覆蓋了小米、榮耀、傳音等知名品牌。

無線充電芯片廠商

擁有無線充電技術和芯片產品的國際廠商包括：瑞薩（收購IDT和Dialog）、ST、博通、NXP等*芯片廠商。國產無線充電芯片廠商主要包括：美芯晟、伏達半導體、易沖無線、英集芯等為代表的芯片設計商。

無線充電在手機應用上的成功將推動這一新興充電方式往可穿戴設備、家電、電動工具甚至汽車等更多應用市場滲透，這為無線充電芯片開發商提供了更大的發展空間。以美心晟為代表的國產無線充電芯片廠商憑借在手機無線充電領域積累的技術和市場經驗，將在更廣闊的無線充電市場*占更多市場份額，甚至成為全球無線充電市場的領導者。

免責聲明：本文采摘自網絡，本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。

上一篇：: 柵級驅動及工業汽車MCU

下一篇：: DC/DC的電感下方到底是否鋪銅

國產無線充電芯片的技術和應用分析

客服QQ2635709730

客服QQ
2635709730