開啟多元應用無「線」想像　高整合安全無線充電方案齊發

無線充電產品設計充滿挑戰，需要高度的系統知識和專業技術。除了充電線圈和與周圍結構間互動的相關問題，設計人員也必須克服效率、機械封裝和電磁干擾(EMI)。不過，一旦建置了最佳化的元件，並且充分注意充電器與裝置的對準、線圈尺寸以及線圈間距等，就能達成良好的耦合因數，進而實現高效率的電力傳輸。此外，金屬異物(例如硬幣和鑰匙)會在充電過程中危害安全，因此必須透過異物偵測(FOD)的方式有效偵測。

無線充電如何運作

無線充電透過線圈，在兩個物體間以變動磁場的方式傳輸能量。線圈之間傳輸能量的效率稱為「耦合」，根據多個參數決定，包括線圈的機械設計、間距和一致性。線圈對齊且距離緊密時，其電力傳輸效率與有線充電相當。

無線充電解決方案有兩個要件：發射器和接收器。發射器含有功率金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)變頻器，可將直流電源轉換為交流波形驅動線圈，進而產生交變磁場。為了提供所需的彈性和功能，變頻器主要透過無線電力控制器及相關的MOSFET驅動器元件來進行即時控制。接收器包含一個整流器，將傳入的交流波形轉換為直流電源，和一個調節階段，依條件提供電力至負載。多數的接收器也包含一個無線電力控制器，負責整體的系統管理和通訊。

無線充電大規模使用兩種技術，透過交變磁場傳輸電力：感應與諧振。兩種技術分別反映出不同的優勢，而無線充電市場中也有兩個較為活躍的標準體系：無線充電聯盟(WPC)和AirFuel(Airfuel Alliance)，兩種標準之間主要的差異，簡述於圖2。

WPC支持無線充電的Qi標準，為市場中的領先標準。Qi使用電磁感應技術，支援高效率和緊耦合充電。此外，即將公布的WPC Qi標準版本，包含建立認證標準的條款。現已有廠商如英飛凌提供統包IoT安全解決方案OPTIGA Trust Qi，專為克服Qi標準中安全無線充電的挑戰設計。

單線圈電感方法是市場上最普及的解決方案，由單一發射器線圈構成，操作頻率介於80~205kHz之間。這項方法需要將待充裝置與發射器線圈置中擺放，而且一次只能進行單一接收器裝置的充電。只要具備良好的設計和高品質的功率轉換電子元件，此方法的充電效率，可媲美有線充電。使用多重線圈陣列來擴展此方法，可獲得額外優勢。裝置擺放位置的精準度要求大幅降低，而智慧系統可以偵測最接近待充裝置的線圈，並將電力導向該處。

AirFuel擁有廣泛的技術平台，涵蓋諧振與非耦合技術。如果使用諧振式充電器，6.78MHz頻率的磁諧振即可實現大上許多的垂直充電範圍(50mm以上)。多個裝置可使用單一、尺寸較大的發射器線圈進行充電，也可提供更大的主動式充電區域，或稱為「甜蜜點」。AirFuel的諧振技術可實現更彈性的近場充電，提供相較於電感解決方案更自由的擺放位置。這項技術適合含有大量金屬、具有複合形狀(與智慧型手機不同)，或是能夠受惠於多裝置充電的裝置。

然而諧振充電仍有些許挑戰。電力需要迅速交換，代表MOSFET的閘極特性必須符合150ns週期的需求。另一方面，寄生電容效應必須降至最低，並提供高效率的電壓調節以控制輸出功率。

英飛凌與Spark合作，是唯一同時提供感應與諧振技術的公司，並可開發滿足各種獨特應用需求的客製化解決方案(圖3a和b)。感應與諧振兩種解決方案，皆可依據市場需求符合標準或提供專屬應用。

異物偵測

標準的異物偵測(FOD)方法是使用大型的初級線圈繞組來偵測異物，也因此降低了靈敏度和訊噪比。由於大上許多的初級線圈對於磁場的影響很小，因此難以偵測較小型的物體。現有的發射器解決方案會在變頻器的直流供應端，測量計算功率耗損(電壓和電源)時所需的參數。相較於線圈上的實際值，這種做法會讓測量值失真，造成發射器損耗的計算不正確。

英飛凌/Spark合作的解決方案經過Qi認證，且完全符合Qi FOD功能與效能。此解決方案採用更精準的測量技術，改善標準Qi FOD方法的效能：實際電壓和電流用於計算，而非變頻器直流電源。這項解決方案更加精準，且可以偵測更小的異物，預防感測不足(偵測不到異物)或過於敏感(沒有異物時FOD作動)。發射器採用人工智慧和機器學習技術，判斷充電環境出現金屬異物時是否安全。

軟體式架構

在通訊協定和電力輸送方面，英飛凌/Spark合作的無線充電解決方案並未仰賴應用特定的IC，其優勢在於模組化的軟體式架構。隨著標準的成熟，以及新的產品和應用在市場中推出，無線充電技術正持續不斷演進。這項解決方案的高比例軟體內容，容許多項參考設計一併使用共同的硬體架構，而每項參考設計皆具備足夠的彈性，支援多種類型的應用。此外，可透過軟體升級的方式支援未來對無線充電標準的更新。

專用無線電力控制器

AURIX和XMC產品系列的無線充電具有專用的無線電力控制器。SAK-TC212S-8F133SC等AURIX無線電力特殊應用積體電路(ASIC)，可協助下一代的車內無線充電系統滿足嚴格的汽車安全、環保與法規要求，同時也能實現領先業界的充電效能與效率。這種控制器還能與英飛凌的電源與介面裝置無縫搭配運作，針對智慧型手機和其他互連的裝置，提供完整的充電解決方案。此控制器支援15W充電，適用於現今Qi和智慧型手機快速充電標準，也支援針對未來標準的軟體升級。本解決方案其他的重要功能為：特殊的功率驅動級階級，相較於現有解決方案，EMI效能提升10到15dB；更精準彈性的FOD，能夠偵測更小的物體；支援自訂線圈和多線圈；使用單一控制器即可對兩個裝置充電；使用6~19V輸入電力全速充電，以及內建安全功能，滿足最新的汽車需求。

無線功率控制器XMC6521SC-Q040X和此系列其他產品，採用ARM Cortex-M0核心，能夠透過可擴充、具成本效益的架構，和英飛凌的電源裝置無縫搭配運作，提供完整的充電解決方案，涵蓋快速充電的智慧型手機、45W筆記型電腦乃至於80W無人機及其他多種應用。其他重要功能有：支援目前的標準和快速充電裝置、不需特殊熱處理的全速充電、相當於有線充電的高效率、相同硬體可支援客製化充電模式和工業標準、更精準的彈性FOD、支援自訂線圈和多線圈架構等。

支援次世代應用無線充電參考設計上陣

英飛凌與Spark Connected共同合作，針對感應與諧振無線充電解決方案，提供完整的參考設計發展藍圖(參閱圖3)，可支援目前和下一代的無線充電電力應用：適用在車內、家中或公共場所的行動充電。這些參考設計包含了硬體設計、物料清單、PCB配置範例，以及在客戶產品中整合無線充電需要的所有文件和支援。

「The Pegasus」是低功率的感應式發射器和接收器解決方案，支援輸入電壓5V的單一裝置充電，最高可至2W，主要應用於低功率產品，像是穿戴裝置、電動牙刷、耳機、助聽器、智慧眼鏡、智慧手表、健身手環、智慧服飾、智慧運動器材、智慧手寫筆和IoT。

以XMC為基礎的2.5W低功率「The Hydra」解決方案，是業界成本最低的諧振無線充電器，使用6.78MHz頻率、極小的線圈，就能在各種外型尺寸中使用而不會受到鄰近的金屬物體影響。前述的優點使得這項技術非常適合針對穿戴式裝置、耳機、智慧服飾及其他聯網的IoT應用等，提供所需的充電功能。這套發射器和接收器解決方案使用諧振技術，支援一對一或多裝置充電，輸入電壓為5~19V。

「The Valkyrie」是經Qi認證的發射器，支援最新的15W電力傳輸規格，適用於所有具備快速充電功能的智慧型手機。解決方案提供方便使用的無線電力設計套件和高效率(經測試高於80%)，並結合先進的FOD功能。此外，解決方案元件數少，降低系統設計成本(圖4)。此方案可達到接近有線充電的充電速率，並且能在同一個硬體上支援自訂充電模式和產業標準。

英飛凌也提供15W三線圈式的「The Beast」參考設計，適用於車室內無線充電(圖5)，符合Qi和汽車標準，此外該參考設計也是業界首度經過CISPR-25 Class 4認證，在市場中展現EMI效能。以AURIX為基礎的設計使用單一CPU，支援無線充電、CAN和外部NFC介面。內建的安全功能(HSM)符合最新的汽車需求。此解決方案能高度靈活擴充，提供非常強效的FOD能力。

AURIX也支援使用單一控制器對兩個裝置進行充電，進而降低系統成本和縮小尺寸。適用於像是5G用戶終端設備(CPE)、室外監控攝影機、電信基礎設施和工廠自動化的「The Gorgon」解決方案，提供高效率的無線電力傳輸。系統使用專屬諧振式發射器和接收器解決方案，可持續提供30W的功率，且可穿透30mm厚的玻璃(包括低輻射(low-E)塗層玻璃)或其他非金屬建材。

「The Minotaur」是唯一的45W完整無線充電系統，適用於下一代的平板和筆記型電腦。此解決方案提供高效率充電(經測試95%)，可以輕鬆整合並降低熱能影響(圖6)，並擴展目前智慧型手機充電的生態系統，提供真正的向上和向下互通性，讓使用者享有發展中Qi基礎設施的優勢。英飛凌與Spark Connected正推動著下一代無線充電標準，透過此領域的關鍵OEM市場建立者，成為無線充電聯盟的一員。

功率80W的「The Ogre」高功率感應式無線充電解決方案使用不需特殊熱管理的輕巧線圈，提供高效率充電。典型的應用為電動工具、機器人、小家電、無人機、手持式終端、醫療器材和工業自動化。

無線電力普遍整合至手機和聯網生活，從手機上開始的應用，將快速由平板、筆記型電腦、掌上型遊戲機、醫療器材、汽車、基礎設施和工業4.0取代。未來部分應用將需要相當高的功率或頻率，以提供特定的使用者充電體驗。這些應用將受惠於改善電力/效能的解決方案，例如GaN。在許多使用案例中，效率極為關鍵。GaN e-mode HEMT以可接受的熱能影響提供高功率充電解決方案。由於高頻率效能表現更佳，GaN也提供最佳化解決方案，適用於E類功率放大器諧振無線充電。

(本文作者為英飛凌汽車和工業微控制器部門產品行銷協理、Spark Connected執行長)