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【芯观点】是什么阻挡了无线充电颠覆性技术革命来临的步伐?

来源:爱集微

#芯观点#

#Qi#

04-11 07:18


芯观点──聚焦国内外产业大事件,汇聚中外名人专家观点,剖析行业发展动态,带你读懂未来趋势!

在好莱坞众多影视作品中,如《花木兰》、《功夫熊猫》、漫威电影《尚气》等,我们看到了西方对于中国传统哲学“气”这一概念的痴迷。在半导体和通信领域,这一点同样得到了展现。

十二年前,无线充电联盟(WPC)在北京举行新闻发布会,宣布将无线充电国际标准Qi协议引入中国,来自工信部、科技部、国家知识产权局等政府单位领导,以及中国电子、飞利浦、诺基亚等高层也参加了发布会。

电影《花木兰》截图

这个Qi就来自汉语拼音“气”,寓意以一种“气”这样一种无形、难以捕捉的能量流来主导电力的无线传输。Qi协议一开始就力图要把自身打造成一个强大开放的、协作的平台,可加速实现一个全新的、兼容的、全球化的生态系统。该协议的主旨是保证无线充电产品的兼容性,在开始阶段逐渐得到了大部分科技公司的认可,2017年苹果公司也加入到Qi协议体系中,无线充电的产业生态一度蔚为大观。

曾几何时,诺基亚在其旗舰机Lumia920等无线充电手机掀起过热销狂潮,狂潮还未退去之时,在“2012中国国际信息通信展”上, WPC更是一口气展出了超过70款支持Qi标准的无线充电产品,无线手机快充之势看起来一定会伴随着智能手机屏幕、射频前端、AP集成等一起飞速成长,甚至会发起对有线快充颠覆性技术革命。

无线充电技术,确实看上去很美。告别接触式充电,既方便也提高了安全保障,不但可以解决USB接口的统一兼容问题,还可以减少耗材的使用,契合了社会节能环保和“双碳”主题。十多年过去了,无线充电这场革命是否真的已经到来,或者即将到来?

Qi协议与无线充电类型

在有线快充领域,至今业内还面临着协议的统一问题(如SCP/FCP快充协议,高通QC协议、PD协议等等),无线快充在进入电子消费和车载领域之后,协议也同样并非一家独大,一开始除了Qi 协议以外,国际上主要还有 PMA(Power Matters Alliance)协议, A4WP(Alliance for Wireless Power)协议。PMA 与Qi 协议的无线充电类型基本相同,即均基于传统的电磁感应原理,但前者更依赖于使用外设搭配,而不是通过重新设计手机本身来实现,且多用于非通信类微型电子设备,而Qi多用于手机,且侧重于直接改进手机本身的充电设计。

上述无线充电领域的一系列的标准,背后所支撑的是三种无线电能传输的实现方式,电磁感应耦合式,磁共振式(磁耦合谐振式),和电波式无线传输(电磁辐射式)。

Qi协议即基于电磁感应耦合式,是目前三种无线传输类型中技术发展最成熟的类型。

电磁感应充电的基本原理是通过两个靠近的线圈来实现能量的传递。发射机中的初级线圈通通过交变的电流,即DC-AC 高频逆变电路可以将适配器提供的直流电转换为高频的交流电产生交变的磁场;接收机中的次级线圈过拾取交变磁场(为了使能量能够无线或者说无接触式的传播,在接收端必须有一个次级电感来接受能量),从而在线圈中产生感应电流,实现了能量从发射机到接收机的传递过程,如下图:

相比磁耦合谐振式和电磁辐射式,基于Qi协议的电磁感应式目前最为成熟(后来协议进一步整合为Qi标准和磁共振的AirFuel标准),生态也相对最为完善,是技术和市场双重驱动的结果。

首先从无线充电原理上讲,电磁感应式是目前几乎唯一能相对保持较好传输功率和效率的方式,该技术本身所具有的开发和生产优势,容易得到便携式移动设备商的反复试错实验,从而在市场上得以推广,并建立起上下游客户,其背后方案的成熟度、研发风险和成本也是重要因素。虽然磁共振和无线电波理论上可以达到更为远距离的传输,但两权相害取其轻,传输效率可以被看作是无线充电技术市场化的第一要素。

(以上制图:成都电子科技大学电磁场与微波技术专业)

与手机有线快充相比,无线快充优势目前并不明显

但传输效率恰恰是Qi进一步发展的“阿基里斯之踵”。电磁感应式的无线电能传输系统采用的是松耦合的结构,但是松耦合的状态会让整个系统的漏感较大,这样使得传输效率较低。为了改善结构和提高效率,可以采取一定的手段,比如提高原边线圈(初级线圈)上的电流变化率,可以增强电磁感应强度,提高功率传输密度,以此来降低损耗提高效率,或者通过添加功率补偿的电容,对系统的漏感进行功率补偿。

但Qi的充电效率虽然在十多年前就已经做到与有线充电效率相近的70%以上,充电器待机功耗降到微瓦水平,但各国在电磁兼容管理和频率管理方面却进步缓慢,在保证80%的传输效率前提下,传输距离过去八年差不多只进步了2.5厘米左右(从2.5厘米到5厘米)。

从市场上看,2015年,尚未被恩智浦收购的飞思卡尔半导体推出15w Qi兼容的无线充电解决方案,能够为配有大容量电池的大型设备提供快速充电,同时还能够利用更高的功率提高小型设备如4000mAh电池的平板电脑充电;2016年德州仪器(TI)推出业内首款符合无线充电联盟(WPC) v1.2标准,并通过Qi认证的15W无线电源发射器bq501210。该发射器可实现84%的系统效率,相较于传统无线电源设备,其热耗散显著降低,并采用9mm乘以9mm的VQFN封装。TI当年的公告显示,该新型15w发射器加入了TI成熟的可扩展无线电源解决方案产品组合,该组合中还包括2.5W、 5W和10W的产品。

但在三年后,iPhone 11的无线充电最高支持功率依然为7.5W。iPhone 11通过自带的Lightning充电线是可以实现12W快充,如果使用PD转接线的话可以达到18W快充的充电功率。很显然,无线充电传输功率至少落后了有线传输四年,而其潜在的便利性不但被抹平,且无法形成最基本的用户痛点边际效应。

传输连续性(断电问题)

由于Qi无线充电的通讯原理是一种“单工通讯”,只支持信号在一个方向上传输,任何时候不能改变信号的传输方向,即一直由接收端发给发射端。正常充电后,发射的数据包括“调整供电大小”和“接收功率”,接收端的调制信号是调制在电力载波上面,通过电容将信号耦合到线圈两端,接收端输出的电压是通过线圈上面的交流电压整流成直流电压。如接收端的输出电压连接负载手机端,通过充电管理芯片连接到手机电池,由于电池充电过程不同的充电阶段有着不同的充电电流,特别在各阶段相互切换时,电流的波动造成电压的波动,从而体现在线圈两端电压的波动,造成无线充电过程由于电流波动造成的无线充电充断问题。这个问题可以归结于“涓流效应危害”,相对来说,有线传输的稳定性和抗压性可以得到绝对保障。

成本与市场

全球知名半导体分析机构某资深分析师在谈到基于Qi的无线充电技术时,告诉集微网:“2015 年,Qi 标准得到了扩展,将谐振充电和感应技术结合在一起。这意味着使用 Qi 标准的产品可以更灵活地放置,并将充电范围从毫米增加到厘米,从而更容易在家具内部或下方安装充电点。然而,无线联盟报告说,很少有制造商(端点或充电基础设施)对如此小的范围增加感兴趣,因为它增加的实用程序与其带来的额外复杂性和成本不相称。”

摩托车手机无线充支架套件,对手机充电的位置有一定要求

该分析师还提到,远程充电是一个具有巨大潜力的领域,但仍然存在巨大的市场采用障碍。许多公司都在研究用于智能手机充电的射频能量传输。但这依赖更小的电池并彻底改变智能手机的设计,其前提是需要大功率传输(为电池快速充电)到可能快速移动且摆脱一定的手机放置姿势。

结语作为第二增长曲线的无线快充

大约在2012年左右,业界出现过较为强有力的“Qi无线充电将在未来三到五年内形成颠覆性革命”的判断,但智能手机发展路线图的电池、射频前端以及功耗设计方面并未契合无线快充的实现逻辑,反而促进了有线快充技术的迅猛发展。在越来越碎片化的充电场景中,无线充电本身的发送和接收装置的配备抵消了“无线”本身的理想设定模型,再加上传输距离和传输功率和效率的原地逡巡,未能真正迎合市场发展节奏。在大功率无线快充方面,磁耦合谐振式和电磁辐射式也未能形成对Qi电磁感应式的鲶鱼效应,至少从目前全球市场的情况来看,Qi协议仍仅限于高级酒店、机场等有限的场所应用空间。

不少国内的券商和调研机构数据显示我国大陆无线充电规模可达80亿人民币之上,且今年3月份工信部现已发布了《无线充电(电力传输)设备无线电管理暂行规定》的征求意见稿,规定了无线充电设备的额定传输功率不超过50W。市场拓展辅以顶层设计,大陆很多PMIC龙头企业如南芯半导体已经推出了高效率/高集成度的无线充电RTX芯片,除了作为 50W 无线充电接收芯片之外,还可以通过在其输出端加上电源,从而作为一个无线充电发射端来使用。国产手机快充芯片厂商很多都把无线快充当做商机的满满第二增长曲线,在这一点上,电磁感应技术路线的升级、Qi协议的二度优化和自身内功的修炼,三个要素缺一不可。(校对/Aaron)

责编: Aki

隐德来希

作者

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