已存在一段时间的无线充电，最近因为苹果 (Apple) iPhone SE2、OnePlus 8 Pro 手机及真无线耳机 (TWS) 的走红再度跃上版面。Reportlinker.com 预测，2020～2026 年全球无线充电市场规模将达 256 亿美元，预测期内年复合成长率 (CAGR) 为 28.4%，索尼 (Sony)、三星电子 (Samsung)、德州仪器 (TI) 和高通 (Qualcomm) 是无线充电市场的先驱，对功率技术着力甚深的意法半导体 (ST) 和安森美 (ON Semiconductor) 亦多有表现。
无线充电可概分为＂共振式＂(Resonance，松散耦合) 和＂感应式＂(Induction，紧密耦合) 两大主流：前者以 AirFuel 联盟为首，可穿透数公分的厚实桌面在指定充电范围内提供多个设备同时垂直充电，且摆放方式较不受限，惟 6.78 MHz 高频操作，传输效率低、易有过热及干扰问题，亟需氮化镓 (GaN) 及电源管理算法 (PMA) 加持，加上无线通信功能独立于功率模块之故，制作成本高；后者以无线充电联盟 (WPC) 为宗，具有低成本、高效率利基，易于大量商品化，缺点是需将两端线圈对齐才能工作，内嵌磁铁有助于位置摆放的对齐和定位。
图1：无线充电技术一览
资料来源：ST；https://www.st.com/content/dam/AME/2019/developers-conference-2019/presentations/STDevCon19_6.1_Wireless_Charging.pdf
资料来源：ST；https://www.st.com/content/dam/AME/2019/developers-conference-2019/presentations/STDevCon19_6.1_Wireless_Charging.pdf
效率、速度、热耗、异物侦测、摆放自由度，ST 都考虑到了！
为尽可能扩大市占，更有厂商选择两边押宝、同时加入两个联盟，ST 就是一例。ST 早在 2017 年推出首个 15W 无线充电方案——STWBC-EP 发射器 (Tx)＋STWLC33 接收器 (Rx)，就表明 STWLC33 兼容两种电感标准。然不可否认，WPC Qi 已在市场抢得先机，多数无线充电设备采用铜制感应线圈，一在充电基座，处理交流电输出；一在携带式设备，其充电线圈连接到充电插座、形成变压器，在无线充电器 (发射端) 和充电设备 (接收端) 之间传输功率；而基于安全和干扰考虑，＂异物侦测＂(FOD) 是另一关注重点。
为尽可能扩大市占，更有厂商选择两边押宝、同时加入两个联盟，ST 就是一例。ST 早在 2017 年推出首个 15W 无线充电方案——STWBC-EP 发射器 (Tx)＋STWLC33 接收器 (Rx)，就表明 STWLC33 兼容两种电感标准。然不可否认，WPC Qi 已在市场抢得先机，多数无线充电设备采用铜制感应线圈，一在充电基座，处理交流电输出；一在携带式设备，其充电线圈连接到充电插座、形成变压器，在无线充电器 (发射端) 和充电设备 (接收端) 之间传输功率；而基于安全和干扰考虑，＂异物侦测＂(FOD) 是另一关注重点。
为此，ST 紧接着推出首款支持 Qi MP-A15 EPP 拓朴架构、＂可控制多个充电线圈并与充电接收器双向通信＂的 STWBC-MC 15W 无线充电发射器，一次解决位置摆放与异物侦测问题，并支持智能手机无线快充功能。为确保让所有类型的设备均能快速且稳定地充电，STWBC-MC 监测线圈电流和电压通过整合数字 DC-DC 控制器，以固定频率为线圈提供所需电能，还能最大限度减少对智能手机和平板计算机内其他系统的干扰。另有鉴于欧盟有意将无线电设备指令 (RED) 的范围扩大至无线充电发射器，并将 H 场电磁辐射限制在 145kHz～-5dBm 以上。
STWBC-MC 低电磁干扰 (EMI) 设计有助于降低充电器规格的门坎；ST 的发送器与接收器双向通信三路调制专利技术可提升抗噪性，发射器芯片的低待机功耗在未充电时可最大限度减少电源浪费。日前，ST 再推可作为高功率接收器或电能发射器的下世代 100W 智能功率模块 (IPM)——STWLC68 系列，即标榜具有 FOD 和多项安全 IP 技术。该系列符合 WPC Qi 1.2.4 无线充电标准，完全兼容于坊间所有 Qi 认证设备，包括＜5W 及 5～20W 的穿戴设备、智能手机、平板计算机等产品皆适用。
GUI 即插即用开发工具包，各取所需
无线充电虽方便，但速度较慢、效率不高且会产生热耗，一直让制造商耿耿于怀，Oppo 和 OnePlus 为此分别发布 AirVooC 和 Warp Charge 30 带有内部风扇及冷却功能的无线充电器标准，而 STWLC68 能从芯片根本着手改进——整合低阻抗、高压同步整流器和低压降线性稳压器的完整功能，可减少外部组件、实现高效能和低耗散功率，避免多余热量聚集。此外，它可经由 I2C 接口自定义韧体和平台参数并储存到内部一次性可编程 (OTP) 内存，韧体附加程序可提升 IC 的应用弹性。
无线充电虽方便，但速度较慢、效率不高且会产生热耗，一直让制造商耿耿于怀，Oppo 和 OnePlus 为此分别发布 AirVooC 和 Warp Charge 30 带有内部风扇及冷却功能的无线充电器标准，而 STWLC68 能从芯片根本着手改进——整合低阻抗、高压同步整流器和低压降线性稳压器的完整功能，可减少外部组件、实现高效能和低耗散功率，避免多余热量聚集。此外，它可经由 I2C 接口自定义韧体和平台参数并储存到内部一次性可编程 (OTP) 内存，韧体附加程序可提升 IC 的应用弹性。
STEVAL-ISB68RX 和 STEVAL-ISB68WA 两种开发板，方便开发者在标准 5W 应用和顾及 PCB 面积的 2.5W 低功率应用，针对专为满足低功率应用的 STWLC68JRH 原型进行开发和测试。面向＜2.5W 的超小体积充电器，ST 另有 STEVAL-ISB045V1 即插即用开发工具包，内含一个搭载 STWBC-WA 无线充电发射控制器的充电底座组件，底座内建一块发射器电路板和一个已连接且可随时使用的 20mm 线圈，同样支持外部异物侦测和主动存在检测等安全充电功能，并能依据数字回馈调整传输功率，以便在任何负载条件下保持最佳效能。
该套件还随附一个用于运作图形使用接口 (GUI) 的器件，配套生态系统包括经过相关机构认证的公板、软件和详细的文文件；使用 STSW-STWBCGUI 计算机软件可配置 STWBC-WA 控制器并监控运作的实时信息，例如：供电功率、电桥频率、解调质量和协议状态。STWBC-WA 控制器芯片整合驱动器，且原生支持全桥或半桥拓朴；其中，半桥拓朴可用直径较小的线圈提供最高 1W 的充电功率，还可设计尺寸更小的充电器。用户可自两个可选韧体选择适合者或自应用程序编程接口 (API) 读取 ADC、UART、GPIO 等外部外围，依自己的需求配置应用。
图3：ST 面向＜2.5W 超小体积充电器推出的即插即用开发工具包
资料来源：ST 提供
资料来源：ST 提供
WPC 纳入共振架构，AirFuel 与 Qi 标准兼容
事实上，共振、感应在技术上互有长短，两大阵营也从一开始较劲意味浓厚、转趋握手言和——WPC Qi 规格在 1.1 版已纳入共振架构，1.2 版再新增中功率产品规范。AirFuel 联盟成员安森美半导体 (ON) 也在 2018 年推出同时符合 Qi 和 AirFuel 标准的 15W 无线充电接收器 NCP6401，可借助一个外接降压转换器支持磁共振，实现 87% 的端到端能效并充分降低线圈温度，另有一款经过 Qi 认证的汽车级 15W 发射器 NCP6500；而创始成员高通 (Qualcomm) 亦于去年 2 月发表＂Quick Charge＂无线快充技术，强调将确保与 WPC Qi 标准的兼容性。
事实上，共振、感应在技术上互有长短，两大阵营也从一开始较劲意味浓厚、转趋握手言和——WPC Qi 规格在 1.1 版已纳入共振架构，1.2 版再新增中功率产品规范。AirFuel 联盟成员安森美半导体 (ON) 也在 2018 年推出同时符合 Qi 和 AirFuel 标准的 15W 无线充电接收器 NCP6401，可借助一个外接降压转换器支持磁共振，实现 87% 的端到端能效并充分降低线圈温度，另有一款经过 Qi 认证的汽车级 15W 发射器 NCP6500；而创始成员高通 (Qualcomm) 亦于去年 2 月发表＂Quick Charge＂无线快充技术，强调将确保与 WPC Qi 标准的兼容性。
特别一提，Qi 是现今唯一能向后兼容的＂谐振感应耦合＂(Resonant inductive coupling) 标准 (参阅：《WPC 趁胜追击电磁谐振与中高功率》一文http://www.compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2016/0719/53104.html)。不同于单纯感应耦合，谐振感应耦合利用 LC 谐振电路与磁场产生共振，以变动的电磁场作为传输介质建立高效率能量的传输通道，改善感应耦合磁场射程，以扩展能量传输距离、减少损耗并实现一对多充电。着眼于兼容性，WPC 对发送端有较多的规范和设计要求，涵盖：线圈规格、电力控制方式、操作频率范围和通信规范。
经 WPC 认可的低功耗发送端设计有单线圈 (Type A) 和多线圈 (Type B) 两大类；为实现更好的覆盖，配件制造商已开始设计多线圈充电器，且一次可为多个设备充电，同时宣示挺进中高功率。AirFuel 也不落人后，2019 年底，高通与瑞萨电子 (Renesas) 全资子公司 IDT 合作开发 30W 的高度集成无线充电方案，拟用于高通骁龙 (Snapdragon) 5G 移动平台的旗舰智慧手机。近日，高通新问市的平价版 Quick Charge 3+ 快充技术，支持 USB Type-A 到 Type-C 电缆和配件，Quick Charge 4 的 20mV 步进更可扩展电压，将率先用于 Snapdragon 765 和 765G。
图4：Qualcomm Quick Charge 3+ 充电效率更佳，0～50% 只需 15 分钟，相较于前一代产品速度提升 35%、且温度下降 9℃
资料来源：Qualcomm；https://www.qualcomm.com/news/onq/2020/04/27/introducing-quick-charge-3-fast-and-efficient-charging-masses
资料来源：Qualcomm；https://www.qualcomm.com/news/onq/2020/04/27/introducing-quick-charge-3-fast-and-efficient-charging-masses
NFC 新增无线充电标准＂WLC＂，作为补充技术
值得留意的是，无线充电与 NFC (近场通信) 的共存一度曾是 WPC 与 AirFuel 相互攻防焦点之一，如今又起变化。过去，因为 NFC 操作频率刚好是 AirFuel 标准的两倍，恐引发＂倍频＂谐波、难以共存而让 AirFuel 饱受质疑——即使 AirFuel 多次解释无线通信功能并非内建在功率模块中，可借助嵌入式调谐器解决；但就在最近，NFC 论坛本身也自定义无线充电标准＂WLC＂(Wireless Charging)，再吹起阵阵涟漪。NFC 允许使用单个天线管理设备的通信和充电，使用位于 13.53MHz 频带上的相同天线来收、发数据和能量是其一大优势，但速度最高仅有 1W。
值得留意的是，无线充电与 NFC (近场通信) 的共存一度曾是 WPC 与 AirFuel 相互攻防焦点之一，如今又起变化。过去，因为 NFC 操作频率刚好是 AirFuel 标准的两倍，恐引发＂倍频＂谐波、难以共存而让 AirFuel 饱受质疑——即使 AirFuel 多次解释无线通信功能并非内建在功率模块中，可借助嵌入式调谐器解决；但就在最近，NFC 论坛本身也自定义无线充电标准＂WLC＂(Wireless Charging)，再吹起阵阵涟漪。NFC 允许使用单个天线管理设备的通信和充电，使用位于 13.53MHz 频带上的相同天线来收、发数据和能量是其一大优势，但速度最高仅有 1W。
这比 Qi 充电至少 5W 起跳要慢得多 (1.2 版已达 15W)，且不像 Qi 线圈较大、在设备之间可有不同传输功率。那么，NFC 为何要发展无线充电？答案是：作为补充技术，更适合为＂低功耗 IoT 设备＂充电；今年 2 月，瑞萨即宣布与无晶圆厂半导体公司 Panthronics AG 共同整合 Qi 与 NFC。由于无线耳机、健身追踪器或智能手表／手环通常已配备 NFC 天线，利用 NFC 智能手机中的线圈作为发射器，为无线耳机或穿戴设备做＂反向充电＂。初期，WLC 仅支持 250、500、750、1000mW 四种功率。
图5：NFC 论坛标准协调并扩展了现有的非接触式标准，在原有点对点 (P2P)、读写、卡片仿真 (Card Emulation) 模式之外，新增无线充电功能
资料来源：NFC；https://nfc-forum.org/our-work/specification-releases/specifications/#specs
资料来源：NFC；https://nfc-forum.org/our-work/specification-releases/specifications/#specs
由于速度慢、效率低且无法通过更新固件取得，需另行添购新硬件，WLC 商机尚待时间发酵。另一方面，＂可用空间有限＂是手机放弃无线充电的主要原因之一，将这两种技术集成到单个组件还有一个好处：可释放更大的电池空间、制造更轻薄的手机，且可减少潜在故障点、让设备更可靠。其实，NFC 与无线充电的渊源早就以另一种形式存在。近年来，NFC 已广泛用于智能手机的移动支付等功能，且已从移动设备迅速拓展到工业设备、连网设备甚至汽车系统，ST 就与罗姆半导体 (ROHM) 推出 15W Qi 标准之车载无线充电器参考设计。
ROHM＆ST：NFC 读写器＋MCU，建构车载无线充电器
ROHM 此款型号为 BD57121MUF-M 的无线充电器IC，主要用于汽车中控台无线充电应用，其参考设计是采用 ST 车用 NFC 读写器 IC——ST25R3914，以及 8 位微控制器 (MCU)——STM8AF 所建构，旨在实现复杂的充电控制功能；例如，一旦检测到充电系统附近的非接触式智能卡会立即停止充电，以防止因 Qi 发射器的强磁场而导致的车用智能卡故障，业界深获好评。ST25R3914 之所以能脱颖而出，除了优异的射频 (RF) 性能外，其最大卖点是：具备独特的自动天线调谐功能，可根据不断变化的金属环境动态调谐天线。
ROHM 此款型号为 BD57121MUF-M 的无线充电器IC，主要用于汽车中控台无线充电应用，其参考设计是采用 ST 车用 NFC 读写器 IC——ST25R3914，以及 8 位微控制器 (MCU)——STM8AF 所建构，旨在实现复杂的充电控制功能；例如，一旦检测到充电系统附近的非接触式智能卡会立即停止充电，以防止因 Qi 发射器的强磁场而导致的车用智能卡故障，业界深获好评。ST25R3914 之所以能脱颖而出，除了优异的射频 (RF) 性能外，其最大卖点是：具备独特的自动天线调谐功能，可根据不断变化的金属环境动态调谐天线。
该读写器支持 ISO14443A/B、ISO15693、FeliCa 和主动式点对点 (P2P) 传输等非接触式 IC 卡标准，且配备符合 MISRA-C：2012 标准的 RF 中间件，有助于缩短软件开发时间。当然，内置符合 AEC-Q100 的 NFC 模拟前端 (AFE) 组件是基本要求。至于 STM8AF MCU，整合硬件数据 EEPROM、CAN 和 LIN 总线，最高工作温度可达 150°C。与 NFC 功能搭配使用时，STM8AF 还可用于管控新型汽车的 NFC 应用，例如，协助智能手机与汽车系统的蓝牙／Wi-Fi 配对，或作为信息娱乐系统 (infotainment) 的 NFC 验证和引擎发动器。
图6：多线圈设计实现宽阔的充电区域，为车辆应用提供一定的空间自由度，消费者亦无需在意手机与充电区域是否精确对准，即可进行无线充电
资料来源：ROHM；https://www.rohm.com/news-detail?news-title=new-automotive-wireless-charging-solution-with-nfc-communication&defaultGroupId=false
资料来源：ROHM；https://www.rohm.com/news-detail?news-title=new-automotive-wireless-charging-solution-with-nfc-communication&defaultGroupId=false
Qi 充电器在 5W 及更高的功率下运行时，充电效率向来是业者努力优化的目标；相较于传统的有线充电器，它以热量形式损失的能量更多。浪费金钱事小，却可能因此损害电池寿命！且新的 NFC 规范仅可承受 1W 的功率 (或 0.2Amp@5V 电压)，效率更高、不会造成过多的电池消耗和发热问题，足以为 AirPods 或 Apple Watch 等小型配件充电，这与 Apple Watch 充电器提供的电量几乎相同。身为 NFC 论坛成员的苹果亦积极参与新 NFC 规范的批准。为让 Qi＋NFC 协作顺畅，量测仪器厂商早已准备好了！
Micropross＆NI：可同时量测 WPC 无线充电＋NFC
以 RFID/NFC、无线支付和功率量测起家，手握七成＂一致性认证＂(Compliance) 市场的 Micropross (参阅：《Micropross ＆ 筑波科技：测试规范细节多，一致性认证不容轻忽》一文http://www.compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2016/1114/53945.html)，可提供符合 WPC 测试程序和框架的全套测试方案，涵盖基准功率 (5W，BPP) 及扩展功率 (15W，EPP) 配置文件的接收器和发射器测试。MP500 TCL3 测试仪和专用 WPC 套件——MPManager 测试平台、Qi 扩展电源方案文件接收器测试套件及 Qi 配件，是特别针对扩展功率的接收器测试，可基于相同硬件测试无线充电和 NFC。
以 RFID/NFC、无线支付和功率量测起家，手握七成＂一致性认证＂(Compliance) 市场的 Micropross (参阅：《Micropross ＆ 筑波科技：测试规范细节多，一致性认证不容轻忽》一文http://www.compotech.com.cn/a/feature/catalog_feature/2016/1114/53945.html)，可提供符合 WPC 测试程序和框架的全套测试方案，涵盖基准功率 (5W，BPP) 及扩展功率 (15W，EPP) 配置文件的接收器和发射器测试。MP500 TCL3 测试仪和专用 WPC 套件——MPManager 测试平台、Qi 扩展电源方案文件接收器测试套件及 Qi 配件，是特别针对扩展功率的接收器测试，可基于相同硬件测试无线充电和 NFC。
遵照《系统说明无线电源传输第二卷：扩展电源方案文件第三部分：一致性测试》中所定义的 100% 要求，该解决方案的主要特征包括：
● 一种紧凑的测试工具，嵌入所有必要的生成和测量功能；
● 所有规范性附件的可用性；
● 全自动操作模式，减少测量错误；
● 自动生成测试报告；
● 轻松迁移到 Basline Power Profile 测试及变送器测试。
● 一种紧凑的测试工具，嵌入所有必要的生成和测量功能；
● 所有规范性附件的可用性；
● 全自动操作模式，减少测量错误；
● 自动生成测试报告；
● 轻松迁移到 Basline Power Profile 测试及变送器测试。
图7：MP500 TCL3 测试仪和专用 WPC 套件
资料来源：Micropross；https://www.micropross.com/RandD-Qi-mobile-device-wpc-qi-base-station-charger-tester-MP500-TCL3-36-p
资料来源：Micropross；https://www.micropross.com/RandD-Qi-mobile-device-wpc-qi-base-station-charger-tester-MP500-TCL3-36-p
其中，基准功率曲线测试的覆盖率为 100%，包括：负载调变幅度、频率解调选择和 ping 阶段。MP500 TCL3 会自动进行物理测量，再由测试平台 MPManager 根据 WPC 要求执行对话测试，然后给出明确结论并显示测试用例通过或失败的原因。Micropross 在被并入 NI 后，为 NI 补强了＂制造端＂的测试优势：1.使用相同的硬件系统结构覆盖基准功率配置文件 (5W) 和扩展功率配置文件 (15W)；2.易于升级，可在同一工作台上测试 NFC 技术；3.全自动测试套件带来友善的可用性；4.交互式脚本模式，让用户可＂关闭脚本＂并自定义测试过程。
这种非常灵活的测试解决方案还允许测试非标准形状因子，例如，在 1W 低功率范围下运行。天线效率测量工具能表征线圈将电压转换为发射的无线电力，将接收到的无线电力转换成电压 (用于接收器)——MP300 CL3 是用于无线电源制造测试的推荐测试工具，具有根据无线发射器制造商的要求专门设计的测试天线，可测试发射功率、Vr 和 Ir 值并执行协议测试。MP300 CL3 带有另一个专用测试天线供测试双 NFC 和无线电源模块之用，同时嵌入 NFC 和无线电源，可在同一工作台上测试两个接口，可在较大的功率和频率范围内执行线圈效率测量。
NI 已成功与电力发射器制造商一起进行了无线电源模块的制造测试，并将这些合作伙伴关系获得的经验转化为一系列制造测试解决方案：功率变送器测试——保证功率、异物侦测、调变深度、所有数字定时测量；电力接收器测试——分组定时／分组内容、负载调变测试、接收重置和频率解调。NI 解决方案随附了所有必需的 WPC 定义附件：
所有标准线圈：测试功率接收器 (TPR) 和测试功率发射器 (TPT)；
异物侦测所需的所有异物 (FO)；
功率变送器的热电偶和测试夹具 (PTx)；
除了物理附件外，我们还提供测试用例的全自动库。它们直接对应于 WPC 定义的用于 Tx 和 Rx 一致性测试的设备。
所有标准线圈：测试功率接收器 (TPR) 和测试功率发射器 (TPT)；
异物侦测所需的所有异物 (FO)；
功率变送器的热电偶和测试夹具 (PTx)；
除了物理附件外，我们还提供测试用例的全自动库。它们直接对应于 WPC 定义的用于 Tx 和 Rx 一致性测试的设备。
