從蘋果發布帶無線充電手機開始以來，整個無線充電市場持續爆發。在iPhone上無線充電以前，針對無線充電做電源芯片的屈指可數，標桿性的外資企業有IDT、TI、NXP等。從2014年有新的半導體公司進軍這個領域，像伏達半導體、新捷半導體等。 隨著蘋果加入WPC組織，一些原先做方案的公司也開始涉獵芯片設計，像易沖無線、勁芯微等。勁芯微在無線充電耕耘很多年，傳說很早就在香港組建了芯片開發團隊，但主要應該還是以方案為主。勁芯微CEO，邵禮斌先生，是中國無線充電領域非常值得尊敬的人，這么多年堅持做無線充電，看市場起起伏伏，實屬不易。

這是一個新的市場，但是它的方案進化速度遠遠超出預期。我們先來了解一下DC-DC電源進化史，或許能更好地看清楚無線充電芯片的發展。

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放在一個芯片里，PowerMOS是分離的;

隨著先進BCD工藝的發展，第三代DC-DC將模擬電路、Driver、PowerMOS集成在了一起，控制電路單獨放一塊;

第四代DC-DC干脆將所有東西都集成在了一起。

無線充電方案和DC-DC其實非常類似，也可以按此分成四代，但是在時間上卻不是一代一代地迭代。你現在幾乎可以在市場上看到四代產品同時都在，不知是否可以稱之為“四世同堂”。接下來，我們來慢慢聊聊這四代產品。

第一代無線充電方案全部由分離器件搭建。在此，正好可以用第一代產品來解釋下各個關鍵器件在無線充電中的作用。第一代無線充電方案，如圖一所示。最近正值世界杯，不妨用足球運動員來類比。

PowerMOS：相當于足球運動員的四肢，是動力的輸出。無線充電中，它就是最終輸出功率的器件。

Driver：相當于足球運動員控制四肢肌肉伸縮的經絡，是四肢發力的最后一道觸發器官，來決定四肢是否動作。無線充電中就是由它來開啟和關閉PowerMOS。

Buck：相當于足球運動員的能量供給器官，同時控制了每一次動作的力度。無線充電中，它來控制功率全橋的輸入電壓，從而來控制能量輸出的大小。

小功率DC-DC：相當于給除了四肢之外的其他器官供給能量的器官。無線充電中，它就是MCU、運算放大器、Driver等器官的供電源。

OP：運算放大器，相當于足球運動員的眼睛、耳朵等捕獲外界信息的器官。對應無線充電就是由它來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一個高精度電阻，通過采樣電阻兩端的電壓來得到流過的平均電流。優點是：采樣較為準確。缺點是：有功率損耗;受運放參數溫飄影響大。在無線充電系統中，除了平均電流，還有一個信息會被采集，那就是諧振電容和電感之間的P電壓。它通過一組二極管、電阻和電容處理后送給ADC, 這個ADC通常被內置在MCU當中。

MCU：相當于足球運動員的大腦，它通過處理其他器官捕獲的信息，來分析，判斷并發出指令四肢應該做怎樣的動作。對應無線充電，它會通過模擬電路給它的信息來控制Buck的輸出電壓來，也就是控制功率全橋的功率輸出;也由它來告訴Driver怎樣讓PowerMOS開關;同時也可以控制LED的閃爍來發出信息。

MOS For Q：這個MOS管串聯在了功率回路當中，可能是用來做Q值檢測。這種做法最開始由IDT提出，是一種掃描頻率的辦法。優點就是：容易實現，比較準確;缺點也比較明顯：1. 會增加功率損耗;2. Q值檢測速度慢。Q值檢測是EPP認證的必要條件，可以準確地檢測異物。

綜上所述：由分離器件搭建的第一代無線充電方案，它都是圍繞著MCU搭配信息采樣電路和功率全橋電路來完成整個無線充電系統。由于集成度不高，整個系統相當復雜，成本昂貴。各種信息交換和能量傳輸都要通過PCB走線，走線難度大。EMI問題凸顯，往往需要犧牲效率來滿足相應的要求，比如在功率MOS的Gate端串聯電阻電容來實現。但是它在推動無線充電發展初期起著非常重要的作用，因為它讓很多做MCU的公司，以及方案公司可以很快進入無線充電市場，幫助大批量的無線充電產品第一時間送到了消費者手中。

 

 

無線充電發射端芯片漫說

圖一 第一代無線充電方案PCB照片

第二代無線充電方案將MCU、模擬電路、Driver放在一個芯片里，PowerMOS是分離的。有些公司稱這種方案為SOC方案，這種稱呼并不準確，更合適地應該稱之為Mix Signal的芯片。真正的SOC，整個系統都在一個芯片里面，所以第四代無線充電方案才是真正的SoC。第二代無線充電方案的代表當屬IDT的P9242，之后像華潤矽科、易沖無線、勁芯微等也有模仿IDT架構的芯片出現。P9242-G方案原理圖如圖二所示。

 

 

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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內部ADC組成。平均電流采樣 需要在功率端串聯一個采樣電阻。功率Buck仍然是外置的。Q值檢測也需要在外部增加一個功率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，相對于第一代產品似乎并沒有提升。

圖三為采用IDT的P9242的產品拆解圖，很簡潔。值得注意的是，它的Buck位是預留的，并沒有裝上，原因是它把功率Buck的調壓功能放在了適配器中，因為QC3.0本身就支持線性調壓。用適配器調壓是創新，會在功能和性能上的帶來提升，會是未來的一個趨勢。唯一阻攔它普及的因素只有一個：QC3.0或者PD適配器的普及度還沒有那么高。但這個因素遲早會被消滅。

 

 

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圖三 采用IDT9242產品的拆解圖

第三代無線充電方案追溯起來最早應該是TI最先提出。但之后真正意義上推廣這種架構的應該屬于伏達半導體，伏達于2016年就推出了帶電流采樣的智能功率全橋芯片NU1006(為了區分，稱之為Gen1 智能全橋)，18年更是推出了全面升級之后的智能全橋，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應的產品，但目前只跟伏達 Gen1 智能全橋芯片類似。

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

 

 

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圖四 伏達半導體第一代5W方案

伏達半導體的Gen1 智能全橋將功率MOS和Driver集成了在一起，同時集成了電流采樣電路。該電流采樣電路最大的亮點在于，無需在功率回路上串聯高精度電阻，提高了無線充電轉化效率。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，開關損耗可以被優化到極致。同時上下MOS管的死區時間控制也在芯片內部。常見的集成Buck死區時間一般可以做到10ns～20ns，相信這顆芯片也可以做到這個量級，從而大大降低導通損耗。第一代無線充電方案和第二代無線充電方案由于外置PowerMOS都做到這無法 一點，而且它們SW點的毛刺電壓也會因為寄生電感大而變得很高。另外，第一代和第二代方案常見的EMI的問題往往出現在驅動和PowerMOS不匹配，以及PCB寄生電感太大。PowerMOS和驅動集成之后，寄生電感大大降低，驅動和功率MOS匹配，EMI風險可以大大降低，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，在多線圈應用領域，將Driver和MOS管集成在一起也可以大大簡化PCB走線的難度。MCU控制功率管開關的信號只有數字走線，即使功率管跟MCU距離很遠也不會影響性能。很可能用一個MCU搭配N個PowerStage就可以完成N個線圈的應用。圖五為伏達的一個三線圈的應用圖。

 

 

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圖五 伏達半導體三線圈應用

伏達半導體的Gen2 智能全橋進一步將集成度提高，將功率MOS、Driver、Q值檢測、電流采樣、小功率DC-DC供電、數字解調集成在了一起。圖三為伏達半導體的15W-EPP、標準蘋果快充方案，非常簡潔。從系統上來看，這種集成方式有一個非常大的優勢：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會獲得功率全橋中電壓和電流的瞬態信息。而無線充電的通信變化、TX和RX的位置變化、功率損耗都時刻反應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更智能地進行功率傳輸、FOD檢測、通信解調等功能。另外，Q值也可以通過時域檢測的辦法在內部獲得，不需要在芯片外面額外增加器件，也不會帶來功率的損耗。而第一代無線充電方案和所謂的SOC第二代無線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簡單的信息。

 

 

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但將MOS集成也會造成一些憂慮。比如散熱。效率雖然可能因為優化開關損耗，得到了非常大的提升，甚至比分離MOS的方案還要高，但芯片單點溫度可能會比分離MOS的高，原因在于面積比較小。這就對芯片設計和封裝設計提出了挑戰。筆者特地查閱了伏達半導體的NU1015的Datasheet，如下圖所示。可以看到它的溫度設計范圍為-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話的設計，以保證熱量可以很快被導到PCB上。因此，溫度問題在芯片設計能力和封裝技術提升面前，只是與分離器件比較而產生的多慮而已。

 

 

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做這樣的芯片也跟伏達的團隊來源有關。伏達的芯片團隊本身就是TI的大功率通信電源團隊出生，甚至有TI資深功率集成工藝專家加入，面對消費級芯片設計想必信手拈來。

伏達推出的Gen2 智能全橋芯片對于方案公司來講倒是非常大的福音，因為如此強大智能全橋芯片完全可以通過搭配一個無需定制化的MCU完成無線充電系統的設計。且伏達也根據輸出功率大小(5W/10W/15W)推出了三款PowerStage, 方便針對不同的應用靈活使用。很多原先停留在第一代無線充電方案的公司，可能可以很快跳躍到第三代無線充電方案。甚至很多原先不做無線充電的方案公司，也可以借助伏達的功率全橋，推出集成度很高的無線充電方案。整個無線充電行業的集成化水平會有一個很快的飛躍。

還有一個點是，由于受上游材料供應不足、其他產品線排擠8寸晶圓產能，中低壓MOSFET的價格已經開始往上走，供貨周期也不停地被加長。集成了功率管的PowerStage可能會越來越受方案商和產品商的青睞。

第四代無線充電方案非常少，代表有IDT9038。NXP，RICHTECH也有推出過類似的芯片。但均停留在5W的功率階段。

IDT的P9038的應用原理如下圖所示，非常簡潔。它肯定也具備第三代無線充電的優點，但是將功率和數字MCU集合在一起所面臨的技術和成本挑戰會遠大于第三代無線充電。在功率等級靈活性上也會差很多，畢竟5W和10W的市場目前還不會出現明顯的分化。另外，WPC協議也在變化中往前走，沒有完全穩定下來。用一顆芯片全集成還是可能面臨標準變化帶來的一些風險。當然，能做這個事的公司也沒有幾家。NXP和IDT已經在5W上做了這個事了。

 

 

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最后做一個簡單的總結：

1. 感謝第一代無線充電方案，它保證了無線充電市場的快速起量;

2. 第二代無線充電是第一代無線充電集成度上的提升，降低了Cost，但相較于第一代倒沒有架構的創新和性能的提升;

3. 第三代無線充電同樣大大提高了集成度，在性能和架構上也做了很多創新，也非常有機會帶來一些額外的用戶體驗改善，可能是未來發射端非常值得研究和挖掘的方向。

4. 第四代無線充電，目前還停留在5W的階段，有公司能做，但相對較少。有沒有必要做倒是很多公司思考的問題。