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快充内卷至汽车座舱,50W车载手机无线充电方案解析

海明观察 来源:电子发烧友网 作者:李诚 2022-03-15 07:22 次阅读

电子发烧友网报道(文/李诚)随着手机无线充电技术的发展,如今的无线充电功率与有线充电功率并无太大差异。加之近年来无线充电设计、生产成本的下降,无线充电功能已成为中高端手机的标配。据无线充电联盟(WPC)数据显示,2021年每三台智能手机中,就至少有一台带Qi无线充电协议,预计2022年具备无线充电功能的智能手机将超过10亿部。

无线充电技术摆脱了线缆的束缚,相对于有线充电而言,在车载应用领域有着极为突出的优势,据高工智能汽车研究院监测数据统计,仅在去年我国新车前装手机无线充电模块的上险量为358.35万辆,同比增长120.43%,前装搭载率为17.57%,预计今年搭载量有望突破500万辆。

手机无线充电技术的快速普及,使得应用场景得到了进一步的扩大,蓬勃的汽车产业也成为了新的发展赛道。各大芯片厂商也十分看好这一市场,争相推出可搭载于汽车平台的手机无线充电解决方案。

南芯车载RTx 50W解决方案

南芯是国产主流的手机充电芯片供应商之一,其客户群体中不乏小米、OPPO、vivo、华为等国内手机头部玩家,之所以备受大厂青睐的主要原因之一是其核心团队大多来自TIADI、凌特、飞思卡尔、立锜等知名半导体大厂,在电源管理芯片领域有着十多年的经验积累。也正因这一实力先后拿到了安克、OPPO、英特尔资本等企业的多轮融资。

截至目前,南芯在手机充电领域已细分出多条产品线,如DCDC、电荷泵、协议芯片、无线充电等。随着新兴应用的层出不穷,汽车市场的机会涌现,南芯在加大技术研发的同时,不断拓展汽车领域的应用,加速渗透汽车前装市场。今年1月,南芯先后向市场推出了三款车规级的无线充电芯片SC8701Q、SC8101Q、SC5003Q,输出功率实现15W至50W的覆盖。3月南芯又推出了可应用于受电端的50W无线充电Tx芯片SC9621,与之前的发射端芯片构成完整的产品组合。

此次南芯的带来的车规级无线充电芯片分别为,同步降压转换器SC8101Q,同步升压控制器SC8701Q,以及无线发射机的模拟前端SC5003Q,通过这三款芯片的相互组合,可实现车载无线充电模块与汽车电池供电电压的相互兼容,通过SC8101Q+SC5003Q+MCU可构建出15W的无线充电解决方案,SC8701Q+50W Tx+MCU构成50W无线充电解决方案。

SC8101Q+SC5003Q+MCU 15W车载无线方案


该方案是面向最大输出功率为15W的无线充电应用,在方案参考设计方面,由于南芯没有自研的MCU,在本设计中采用的是NXP的WCT2013A作为无线充电模块的主控芯片,用于对SC8101Q进行升降压调节,再将通过调节的电压传输至无线充电的发射机为其供电。

(SC8701Q+SC5003Q+NXP WCT2013A无线充电方案Demo)


其中SC8101Q在本设计中主要负责降压输出,电压等级为32V,考虑到汽车启动时电压不稳会导致器件击穿的问题,南芯将其的最高耐压等级提高到了40V,同时器件内部还内置了导通电阻为45mΩ的上管和35mΩ下管,以此保证在功率传输过程中的转换效率。

SC5003Q是一颗支持最高功率为20W的高效无线功率发射模拟前端,在无线充电应用中,无线充电的发射与接收端之间的协议通信都是在这里完成的。同时为保证无线充电在实际应用时的安全性,在该芯片中加入了Q值检测功能,通过无线发送电路发送电磁波的过程中,检测受电端与输出端之间的Q值,在通过判断Q值确定无线发送电路的电磁波传输范围内是否存在异物,做出是否退出充电模式的操作。如果不具备此功能,当发射端与接收端存在金属异物时,极易因为不断变换地交变磁场而产生涡流发热,引发火灾。

SC8701Q+50W Tx+MCU 50W无线充电解决方案

在此设计中主要用到的是南芯的同步升压控制器SC8701Q,该控制器支持2.7V至36V超宽范围的电压输入,可满足车载电池的全电压输出范围,输出电压可通过PWM进行2V至36V的动态调整。芯片内置了4个 10V/2A的开关管驱动器,通过内部集成的方式,在降低电路设计难度的同时,为MOSFET带来更高的效率。

图源:南芯


在主控MCU和功率发射机方面,南芯并未给出具体的芯片参考。

50W无线充电接收芯片

除了无线充电功率发射端的解决方案,近日南芯还推出了应用于接收端的功率接收芯片SC9621。该芯片是一颗结合了接收与发射功能二合一的无线充电芯片,最高可支持50W的无线功率接收以及15W的反向输出功能,反向输出功能通过GUI写入Tx指令即可实现。

图源:南芯


据介绍,该芯片的内置的整流桥由4颗MOS管组成,而非传统的二极管设计,得益于MOS管导通电阻小的特点,能够有效降低功率接收时的系统功耗,提升系统转换效率,减少手机在使用无线充电时的发热量。类似的整流桥设计在苹果去年推出的140W PD快充中也有使用,不同之处在于苹果的PD快充只采用了两颗MOS管。

图源:南芯半导体


上图为基于SC9621的demo在输出功率为5W时的无线充电测试,通过观察可以看出当功率发射器为5V/1A 5W时,SC9621可以接收到4.96W的功率,转换效率竟高达99%。

图源:南芯


上图为当输出电压为18V/3.359A 60W时,基于SC9621的demo能够接收到19.81V/2.50A 49.52W的功率。通过计算得出,功率转换效率可达82.5%。

结语

自去年工信部发布的无线充电设备无线电管理暂行规定中明确指出,50W为无线充电最高上限以来,各大芯片厂商都开始走务实路线,不再寻求功率上的突破,而是在技术与转换效率方面继续深研。南芯通过4个MOS管构建的同步整流桥,很好的提高了系统的转换效率,让无线充电的发展更进一步。

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