開啟大功率無線充電新时代
英飛凌高度集成 WLC1115 無線充電控制器的主要特性、優勢和應用
作者:
Prasanna Vijayakumar，英飛凌科技 USB 電源和無線充電應用總監。
感應充電和 Qi 規範概述
無線充電技術包括感應、磁諧振、電容、射頻輻射、激光、聲波和其他新興技術。感應耦合技術處於領先地位 [1]，因此，其相關標準 Qi 在無線充電領域應用最為廣泛。感應充電的工作原理為法拉第定律，功率發射器 (PTx) 線圈中的交流電產生交變磁場。然後，該磁場與功率接收器 (PRx) 線圈相互耦合，並轉換回交流電流，為接收器側連接的直流負載整流。
無線充電聯盟 (WPC) 負責管理這項技術的相應規範發布。目前，最新發布的 Qi 規範版本為1.3.2，通過採用增強型異物檢測 (FOD)、帶有私鑰存儲的發射器認證等功能，以及提高互操作性的功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 無線充電的意圖。 Qi 規範的基礎電源配置文件(BPP) 將最大輸出功率限制為 5 W，而擴展電源配置文件 (EPP) 支持高達 15 W 的功率傳輸。然而，在強大智能手機通過 USB-C 接口快速有線充電的時代，採用 Qi 無線功率傳輸的用戶充電速度體驗仍在不斷改善，為推出新解決方案鋪平了道路。
本文介紹英飛凌第一代無線充電控制器，該控制器集成了最新 Qi 發射器、USB-PD/PPS 受電器件、DC/DC 控制器、柵極驅動器、檢測/保護外設和可配置閃存。我們的可編程解決方案能夠提高靈活性，具有集成優勢，支持設計人員擴展功率級，允許 OEM 提供差異化功能，同時保持 Qi 兼容。
具有 Qi 向後兼容性的專有電源擴展
儘管感應式無線充電的標準之爭可能已經結束，但 OEM 仍希望實現差異化功能並改善用戶體驗，從而催生了與 Qi 標準共存的專有快速充電協議。WPC 協議規定的專有供電擴展 (PPDE) 支持製造商擴展其解決方案的功能。此外，受地區頻譜法規的限制，部分智能手機 OEM 提供高達 50 W 的專有大功率感應式無線充電。隨著 Qi 標準的持續發展，未來可能提供具有更高功率容量的快速充電，產品製造商尋求靈活、可編程的解決方案，可進行軟件升級、維護，並在產品生命週期內改進用戶體驗。
WLC1115 發射器控制器 IC 的主要特性
集成降壓和逆變器功率級
英飛凌 WLC1115 發射器控制器 IC 是一款高度集成且符合 Qi 標準的無線發射器，採用集成USB Type-C 供電 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 規範，集成了用於降壓和逆變器功率級MOSFET 的柵極驅動器。此外，還具備硬件控制保護功能。WLC1115 利用集成降壓控制器來生成所需橋電壓，為全橋逆變器供電，反過來，全橋逆變器又為功率發射器 (PTx) LC 諧振迴路供電，進而為功率接收器 (PRx) 供電。降壓轉換器支持的輸入電壓範圍為 4.5 V 至 24 V。WLC1115 的集成柵極驅動器旨在根據 Qi 規範類型和操作場景控制全橋或半橋逆變器。圖 1 所示為基於 MP-A11 線圈的發射器系統，逆變器級採用定頻可變輸入電壓控制。
對功率級而言，在此類發射器中使用 WLC1115 具有以下優勢：
1. 基於 PD 的高集成方案，符合最新 USB Type-C PD 要求
2. 集成柵極驅動器和固件可配置的通/斷柵極驅動強度
3. 可編程開關頻率範圍高達 600 kHz
4. 使用 PD 輸入，可靈活地將輸入電壓從 5 V 動態更改為 20 V
a. 這有助於通過 USB-PD 類型輸入獲得高效率。例如，可動態配置輸入電壓，使降壓級輸入接近輸出，從而提高降壓級效率。 PTx 輸入為 15 V，PRx 輸出為 12V 時，測得的 15 W 峰值效率大於 83[3]。b. 在空閒模式下以 5 V 運行，可降低待機功耗，通常約為 67 mW [3]，可通過系統特定的固件增強功能進一步降低到 25 mW 以下。
5. 降壓級輸入和輸出側的保護功能：
a. 輸入 UVP、OVP，
b. 輸出 UVP、OVP，
c. 輸出 OCP、SCP，
d. 特定於 PD 的保護（例如，V BUS 到 CC 短路）
通信和認證
Qi EPP 標準要求雙向帶內通信。從 PTx 到 PRx 的通信的通信基於由 PTx 實現的頻移鍵控 (FSK)方案，交替載波頻率。從 PRx 到 PTx 的通信基於由調製 PRx 側負載創建的幅移鍵控 (ASK) 方
案，在 PTx 上出現反射，然後過濾並解碼。
WLC1115 發射器控制器位於 PTx 側，通過檢測 PTx 線圈中的電壓和電流變化來實現 ASK 解調和解碼方案。在 FSK 中，PTx 將其工作頻率從當前頻率更改為備用頻率，以編碼信息。Qi 1.3.x 規範要求對超過 5 W 的 EPP 供電 進行認證，遵循依賴公鑰和私鑰對來加密和解密內容的公鑰加密。這些密鑰在數學上是相關的，對於由其中一個密鑰加密的內容，可使用另一個密鑰來解密。私鑰是最敏感的安全憑證，必須安全存儲。公鑰通常為二進制證書的一部分，該證書通過帶內通信介質傳輸給接收方。根據 Qi 規範，PTx 必須將產品單元的私鑰安全託管在存儲子系統中，以用於數字簽名。該私
鑰用於對來自功率發射器設備的質詢驗證響應進行數字簽名。我們的解決方案使用 OPTIGA™Trust 充電器件來存儲該私鑰（圖 2）[5]。
配套 REF 套件無線充電 MP A11 功率發射器 REFWLCTX15WC1 使用英飛凌 WLC1115 發射器控制器 IC 和 OPTIGA™ Trust 充電 IC 認證解決方案進行無線充電，滿足 Qi 認證要求。
異物檢測 (FOD)
WLC1115 發射器控制器還支持符合 Qi v1.3.2 標準的增強型異物檢測 (FOD)，其中包括基於 Q因子、諧振頻率、功率損耗和過溫（如果使用熱敏電阻）的 FOD。
英飛凌高度集成 WLC1115 無線充電控制器的主要特性、優勢和應用
作者:
Prasanna Vijayakumar，英飛凌科技 USB 電源和無線充電應用總監。
感應充電和 Qi 規範概述
無線充電技術包括感應、磁諧振、電容、射頻輻射、激光、聲波和其他新興技術。感應耦合技術處於領先地位 [1]，因此，其相關標準 Qi 在無線充電領域應用最為廣泛。感應充電的工作原理為法拉第定律，功率發射器 (PTx) 線圈中的交流電產生交變磁場。然後，該磁場與功率接收器 (PRx) 線圈相互耦合，並轉換回交流電流，為接收器側連接的直流負載整流。
無線充電聯盟 (WPC) 負責管理這項技術的相應規範發布。目前，最新發布的 Qi 規範版本為1.3.2，通過採用增強型異物檢測 (FOD)、帶有私鑰存儲的發射器認證等功能，以及提高互操作性的功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 無線充電的意圖。 Qi 規範的基礎電源配置文件(BPP) 將最大輸出功率限制為 5 W，而擴展電源配置文件 (EPP) 支持高達 15 W 的功率傳輸。然而，在強大智能手機通過 USB-C 接口快速有線充電的時代，採用 Qi 無線功率傳輸的用戶充電速度體驗仍在不斷改善，為推出新解決方案鋪平了道路。
本文介紹英飛凌第一代無線充電控制器，該控制器集成了最新 Qi 發射器、USB-PD/PPS 受電器件、DC/DC 控制器、柵極驅動器、檢測/保護外設和可配置閃存。我們的可編程解決方案能夠提高靈活性，具有集成優勢，支持設計人員擴展功率級，允許 OEM 提供差異化功能，同時保持 Qi 兼容。
具有 Qi 向後兼容性的專有電源擴展
儘管感應式無線充電的標準之爭可能已經結束，但 OEM 仍希望實現差異化功能並改善用戶體驗，從而催生了與 Qi 標準共存的專有快速充電協議。WPC 協議規定的專有供電擴展 (PPDE) 支持製造商擴展其解決方案的功能。此外，受地區頻譜法規的限制，部分智能手機 OEM 提供高達 50 W 的專有大功率感應式無線充電。隨著 Qi 標準的持續發展，未來可能提供具有更高功率容量的快速充電，產品製造商尋求靈活、可編程的解決方案，可進行軟件升級、維護，並在產品生命週期內改進用戶體驗。
WLC1115 發射器控制器 IC 的主要特性
集成降壓和逆變器功率級
英飛凌 WLC1115 發射器控制器 IC 是一款高度集成且符合 Qi 標準的無線發射器，採用集成USB Type-C 供電 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 規範，集成了用於降壓和逆變器功率級MOSFET 的柵極驅動器。此外，還具備硬件控制保護功能。WLC1115 利用集成降壓控制器來生成所需橋電壓，為全橋逆變器供電，反過來，全橋逆變器又為功率發射器 (PTx) LC 諧振迴路供電，進而為功率接收器 (PRx) 供電。降壓轉換器支持的輸入電壓範圍為 4.5 V 至 24 V。WLC1115 的集成柵極驅動器旨在根據 Qi 規範類型和操作場景控制全橋或半橋逆變器。圖 1 所示為基於 MP-A11 線圈的發射器系統，逆變器級採用定頻可變輸入電壓控制。
對功率級而言，在此類發射器中使用 WLC1115 具有以下優勢：
1. 基於 PD 的高集成方案，符合最新 USB Type-C PD 要求
2. 集成柵極驅動器和固件可配置的通/斷柵極驅動強度
3. 可編程開關頻率範圍高達 600 kHz
4. 使用 PD 輸入，可靈活地將輸入電壓從 5 V 動態更改為 20 V
a. 這有助於通過 USB-PD 類型輸入獲得高效率。例如，可動態配置輸入電壓，使降壓級輸入接近輸出，從而提高降壓級效率。 PTx 輸入為 15 V，PRx 輸出為 12V 時，測得的 15 W 峰值效率大於 83[3]。b. 在空閒模式下以 5 V 運行，可降低待機功耗，通常約為 67 mW [3]，可通過系統特定的固件增強功能進一步降低到 25 mW 以下。
5. 降壓級輸入和輸出側的保護功能：
a. 輸入 UVP、OVP，
b. 輸出 UVP、OVP，
c. 輸出 OCP、SCP，
d. 特定於 PD 的保護（例如，V BUS 到 CC 短路）
通信和認證
Qi EPP 標準要求雙向帶內通信。從 PTx 到 PRx 的通信的通信基於由 PTx 實現的頻移鍵控 (FSK)方案，交替載波頻率。從 PRx 到 PTx 的通信基於由調製 PRx 側負載創建的幅移鍵控 (ASK) 方
案，在 PTx 上出現反射，然後過濾並解碼。
WLC1115 發射器控制器位於 PTx 側，通過檢測 PTx 線圈中的電壓和電流變化來實現 ASK 解調和解碼方案。在 FSK 中，PTx 將其工作頻率從當前頻率更改為備用頻率，以編碼信息。Qi 1.3.x 規範要求對超過 5 W 的 EPP 供電 進行認證，遵循依賴公鑰和私鑰對來加密和解密內容的公鑰加密。這些密鑰在數學上是相關的，對於由其中一個密鑰加密的內容，可使用另一個密鑰來解密。私鑰是最敏感的安全憑證，必須安全存儲。公鑰通常為二進制證書的一部分，該證書通過帶內通信介質傳輸給接收方。根據 Qi 規範，PTx 必須將產品單元的私鑰安全託管在存儲子系統中，以用於數字簽名。該私
鑰用於對來自功率發射器設備的質詢驗證響應進行數字簽名。我們的解決方案使用 OPTIGA™Trust 充電器件來存儲該私鑰（圖 2）[5]。
配套 REF 套件無線充電 MP A11 功率發射器 REFWLCTX15WC1 使用英飛凌 WLC1115 發射器控制器 IC 和 OPTIGA™ Trust 充電 IC 認證解決方案進行無線充電，滿足 Qi 認證要求。
異物檢測 (FOD)
WLC1115 發射器控制器還支持符合 Qi v1.3.2 標準的增強型異物檢測 (FOD)，其中包括基於 Q因子、諧振頻率、功率損耗和過溫（如果使用熱敏電阻）的 FOD。
Q 因子和諧振頻率測量結果用於供電階段之前的 FOD。 PRx 報告使用 Qi 定義參考線圈校準的Q 因子和諧振頻率參考值。 PTx 將報告值與現場測量值進行比較，確定是否存在異物。比例因子用於將 PRx 報告的 Q 因子和諧振頻率值轉換為與參考發射器線圈等效的值，以適應測量變化。
功率損耗法主要用於功率傳輸階段。功率損耗 FOD 使用在降壓輸出端測得的 PTx 功率，該功率饋送到逆變器橋。通過調諧 FOD 係數來進一步調節該 PTx 功率，以考慮逆變器損耗和友好金屬損耗。計算校準 PTx 功率之後，將結果與最新報告的 PRx 功率值進行比較。如果校準 PTx功率與 PRx 功率之間的差異超過 P loss 閾值，則會記錄 FOD 事件。
為防止錯誤斷開連接並改善用戶體驗，WLC1115 採用自適應算法來區分真實 P loss FOD 與由耦合不佳 PRx 引起的 P loss 。 FOD 係數和 P loss 閾值均可配置，以滿足系統設計要求。例如，圖 3 所示為 PRx 對有效充電面積的影響，該 PRx 具有磁性對準輔助裝置以及潛在友好金屬。
另一個示例（表 1）顯示了我們的 PTx 通過自適應 FOD 算法檢測不銹鋼等物體的能力，Qi 規範 [2] 將其定義為 FO1，在智能手機等大型平板手機充電期間引入。
專有擴展的可编程性
配套參考板使用 WLC1115 無線充電控制器 IC，支持三星專有充電擴展。所含軟件為堆棧庫提供應用程序編程接口 (API)，支持訪問各種功能，這些功能可用於進一步實施專有協議擴展等Qi 協議。如下頁圖 4 所示，三星手機消耗的 PTx 功率約為 9 W，而 BPP 僅為 5 W。
使用 WLC1115 的各種應用的可配置軟件
英飛凌 WLC1115 發射器控制器 IC 帶有 Qi v1.3.2 認證的 MP A11 電源發射器參考解決方案，適用於各種應用，包括智能手機、智能揚聲器、擴展塢、監視器，以及工業或醫療保健附件（圖 5）。
除參考解決方案外，WLC1115 還支持 Configuration Utility（可下載），以及通過英飛凌 ModusToolbox™ 軟件 提供的固件庫。 “configuration utility” 是一款 Microsoft Windows 應用程序，可指導 WLC1x 用戶完成配置和編程芯片的過程。該實用程序與所提供的硬件協同工作，硬件託管 WLC1x 控制器 IC 以及 USB 接口。圖形用戶界面 (GUI) 支持用戶直觀選擇和配置應用參數。應用說明 [6] 也進一步解釋了部分參數，比如 FOD 調諧。除無線充電參數外，該實用程序還提供支持配置 USB-PD 輸入和保護（例如 OVP、OCP 和 OTP）的參數。
例如，通過遵循英飛凌社區知識庫文章 [7] 中詳細介紹的簡單配置過程，REF 解決方案可啟用基於直流輸入電源的無線充電操作。這非常適合具有固定電壓軌的應用，比如工業機器人、擴展塢和售後附件。軟件配置非常靈活，從概念到批量生產階段，都支持最終產品設計師充分展現自身才能。
結論：
最近幾年，智能充電技術的組件和應用發展非常迅速。雖然關注的焦點是支持通用連接器的標準化有線充電 USB-C [8]，但對於眾多用戶群體而言，越來越需要隨時可用且方便的充電器件，這也是無線充電的主要推動力。
我們使用集成 USB-C PD 的無線充電解決方案，結合英飛凌 OPTIGA™ Trust 充電認證，為OEM 提供吸引力十足的 BOM 價值主張，幫助他們開發滿足 Qi v1.3.2 要求的發射器。我們的平台具有自適應 FOD 等主要特性，支持專有協議、DC/DC 控制器集成以及軟件庫，非常特殊，可滿足專有及新興感應無線充電的 Qi 標準要求。
請訪問我們的無線充電 IC 網站，了解英飛凌 WLC 可編程解決方案如何能夠提供所需的靈活性，以擴展到更高功率級，同時保持 Qi 兼容。
+ + + 結束 + + +
參考資料
[1] Sánchez 等人，“評估無線充電現狀的技術支持研究”，歐洲委員會，Fraunhofer IZM，2021-
09-07
[2] 無線充電聯盟 Qi 規範
[3] 英飛凌科技，“WLC1115 15-W MP-A11 無線功率發射器參考板 (REF_WLC_TX15W_C1) 測試報告”，用戶指南，002-35395 Rev. A，2022-05-25
[4] Smith、Kedilaya，“WLC 發射器硬件設計指南”，應用說明，AN235387，2022-05-12。
[5] Ramanujam，“為 WLC 發射器提供 OPTIGA™ Trust 充電”，應用說明，AN235196，2022-05-02
[6] Ramanujam、Chelluri，“無線功率發射器的異物檢測調諧指南”，應用說明，AN234970，2022-05-03。
[7] 英飛凌科技，“在 REF_WLC_TX15W_C1 參考板上啟用基於直流輸入的無線充電操作”，知識庫文章，KBA235366
[8] 歐洲委員會，“關於協調成員國無線電設備上市相關法律的指令 2014/53/EU 修訂建議”，在線文檔，2021-09-23
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