已存在一段時間的無線充電，最近因為蘋果 (Apple) iPhone SE2、OnePlus 8 Pro 手機及真無線耳機 (TWS) 的走紅再度躍上版面。Reportlinker.com 預測，2020～2026 年全球無線充電市場規模將達 256 億美元，預測期內年復合成長率 (CAGR) 為 28.4%，索尼 (Sony)、三星電子 (Samsung)、德州儀器 (TI) 和高通 (Qualcomm) 是無線充電市場的先驅，對功率技術著力甚深的意法半導體 (ST) 和安森美 (ON Semiconductor) 亦多有表現。
無線充電可概分為＂共振式＂(Resonance，松散耦合) 和＂感應式＂(Induction，緊密耦合) 兩大主流：前者以 AirFuel 聯盟為首，可穿透數公分的厚實桌面在指定充電范圍內提供多個設備同時垂直充電，且擺放方式較不受限，惟 6.78 MHz 高頻操作，傳輸效率低、易有過熱及干擾問題，亟需氮化鎵 (GaN) 及電源管理算法 (PMA) 加持，加上無線通信功能獨立于功率模塊之故，制作成本高；后者以無線充電聯盟 (WPC) 為宗，具有低成本、高效率利基，易于大量商品化，缺點是需將兩端線圈對齊才能工作，內嵌磁鐵有助于位置擺放的對齊和定位。
圖1：無線充電技術一覽
資料來源：ST；https://www.st.com/content/dam/AME/2019/developers-conference-2019/presentations/STDevCon19_6.1_Wireless_Charging.pdf
資料來源：ST；https://www.st.com/content/dam/AME/2019/developers-conference-2019/presentations/STDevCon19_6.1_Wireless_Charging.pdf
效率、速度、熱耗、異物偵測、擺放自由度，ST 都考慮到了！
為盡可能擴大市占，更有廠商選擇兩邊押寶、同時加入兩個聯盟，ST 就是一例。ST 早在 2017 年推出首個 15W 無線充電方案——STWBC-EP 發射器 (Tx)＋STWLC33 接收器 (Rx)，就表明 STWLC33 兼容兩種電感標準。然不可否認，WPC Qi 已在市場搶得先機，多數無線充電設備采用銅制感應線圈，一在充電基座，處理交流電輸出；一在攜帶式設備，其充電線圈連接到充電插座、形成變壓器，在無線充電器 (發射端) 和充電設備 (接收端) 之間傳輸功率；而基于安全和干擾考慮，＂異物偵測＂(FOD) 是另一關注重點。
為盡可能擴大市占，更有廠商選擇兩邊押寶、同時加入兩個聯盟，ST 就是一例。ST 早在 2017 年推出首個 15W 無線充電方案——STWBC-EP 發射器 (Tx)＋STWLC33 接收器 (Rx)，就表明 STWLC33 兼容兩種電感標準。然不可否認，WPC Qi 已在市場搶得先機，多數無線充電設備采用銅制感應線圈，一在充電基座，處理交流電輸出；一在攜帶式設備，其充電線圈連接到充電插座、形成變壓器，在無線充電器 (發射端) 和充電設備 (接收端) 之間傳輸功率；而基于安全和干擾考慮，＂異物偵測＂(FOD) 是另一關注重點。
為此，ST 緊接著推出首款支持 Qi MP-A15 EPP 拓樸架構、＂可控制多個充電線圈并與充電接收器雙向通信＂的 STWBC-MC 15W 無線充電發射器，一次解決位置擺放與異物偵測問題，并支持智能手機無線快充功能。為確保讓所有類型的設備均能快速且穩定地充電，STWBC-MC 監測線圈電流和電壓通過整合數字 DC-DC 控制器，以固定頻率為線圈提供所需電能，還能最大限度減少對智能手機和平板計算機內其他系統的干擾。另有鑒于歐盟有意將無線電設備指令 (RED) 的范圍擴大至無線充電發射器，并將 H 場電磁輻射限制在 145kHz～-5dBm 以上。
STWBC-MC 低電磁干擾 (EMI) 設計有助于降低充電器規格的門坎；ST 的發送器與接收器雙向通信三路調制專利技術可提升抗噪性，發射器芯片的低待機功耗在未充電時可最大限度減少電源浪費。日前，ST 再推可作為高功率接收器或電能發射器的下世代 100W 智能功率模塊 (IPM)——STWLC68 系列，即標榜具有 FOD 和多項安全 IP 技術。該系列符合 WPC Qi 1.2.4 無線充電標準，完全兼容于坊間所有 Qi 認證設備，包括＜5W 及 5～20W 的穿戴設備、智能手機、平板計算機等產品皆適用。
GUI 即插即用開發工具包，各取所需
無線充電雖方便，但速度較慢、效率不高且會產生熱耗，一直讓制造商耿耿于懷，Oppo 和 OnePlus 為此分別發布 AirVooC 和 Warp Charge 30 帶有內部風扇及冷卻功能的無線充電器標準，而 STWLC68 能從芯片根本著手改進——整合低阻抗、高壓同步整流器和低壓降線性穩壓器的完整功能，可減少外部組件、實現高效能和低耗散功率，避免多余熱量聚集。此外，它可經由 I2C 接口自定義韌體和平臺參數并儲存到內部一次性可編程 (OTP) 內存，韌體附加程序可提升 IC 的應用彈性。
無線充電雖方便，但速度較慢、效率不高且會產生熱耗，一直讓制造商耿耿于懷，Oppo 和 OnePlus 為此分別發布 AirVooC 和 Warp Charge 30 帶有內部風扇及冷卻功能的無線充電器標準，而 STWLC68 能從芯片根本著手改進——整合低阻抗、高壓同步整流器和低壓降線性穩壓器的完整功能，可減少外部組件、實現高效能和低耗散功率，避免多余熱量聚集。此外，它可經由 I2C 接口自定義韌體和平臺參數并儲存到內部一次性可編程 (OTP) 內存，韌體附加程序可提升 IC 的應用彈性。
STEVAL-ISB68RX 和 STEVAL-ISB68WA 兩種開發板，方便開發者在標準 5W 應用和顧及 PCB 面積的 2.5W 低功率應用，針對專為滿足低功率應用的 STWLC68JRH 原型進行開發和測試。面向＜2.5W 的超小體積充電器，ST 另有 STEVAL-ISB045V1 即插即用開發工具包，內含一個搭載 STWBC-WA 無線充電發射控制器的充電底座組件，底座內建一塊發射器電路板和一個已連接且可隨時使用的 20mm 線圈，同樣支持外部異物偵測和主動存在檢測等安全充電功能，并能依據數字回饋調整傳輸功率，以便在任何負載條件下保持最佳效能。
該套件還隨附一個用于運作圖形使用接口 (GUI) 的器件，配套生態系統包括經過相關機構認證的公板、軟件和詳細的文文件；使用 STSW-STWBCGUI 計算機軟件可配置 STWBC-WA 控制器并監控運作的實時信息，例如：供電功率、電橋頻率、解調質量和協議狀態。STWBC-WA 控制器芯片整合驅動器，且原生支持全橋或半橋拓樸；其中，半橋拓樸可用直徑較小的線圈提供最高 1W 的充電功率，還可設計尺寸更小的充電器。用戶可自兩個可選韌體選擇適合者或自應用程序編程接口 (API) 讀取 ADC、UART、GPIO 等外部外圍，依自己的需求配置應用。
圖3：ST 面向＜2.5W 超小體積充電器推出的即插即用開發工具包
資料來源：ST 提供
資料來源：ST 提供
WPC 納入共振架構，AirFuel 與 Qi 標準兼容
事實上，共振、感應在技術上互有長短，兩大陣營也從一開始較勁意味濃厚、轉趨握手言和——WPC Qi 規格在 1.1 版已納入共振架構，1.2 版再新增中功率產品規范。AirFuel 聯盟成員安森美半導體 (ON) 也在 2018 年推出同時符合 Qi 和 AirFuel 標準的 15W 無線充電接收器 NCP6401，可借助一個外接降壓轉換器支持磁共振，實現 87% 的端到端能效并充分降低線圈溫度，另有一款經過 Qi 認證的汽車級 15W 發射器 NCP6500；而創始成員高通 (Qualcomm) 亦于去年 2 月發表＂Quick Charge＂無線快充技術，強調將確保與 WPC Qi 標準的兼容性。
事實上，共振、感應在技術上互有長短，兩大陣營也從一開始較勁意味濃厚、轉趨握手言和——WPC Qi 規格在 1.1 版已納入共振架構，1.2 版再新增中功率產品規范。AirFuel 聯盟成員安森美半導體 (ON) 也在 2018 年推出同時符合 Qi 和 AirFuel 標準的 15W 無線充電接收器 NCP6401，可借助一個外接降壓轉換器支持磁共振，實現 87% 的端到端能效并充分降低線圈溫度，另有一款經過 Qi 認證的汽車級 15W 發射器 NCP6500；而創始成員高通 (Qualcomm) 亦于去年 2 月發表＂Quick Charge＂無線快充技術，強調將確保與 WPC Qi 標準的兼容性。
特別一提，Qi 是現今唯一能向后兼容的＂諧振感應耦合＂(Resonant inductive coupling) 標準 (參閱：《WPC 趁勝追擊電磁諧振與中高功率》一文http://www.like2twn.com/a/feature/catalog_feature/2016/0719/53104.html)。不同于單純感應耦合，諧振感應耦合利用 LC 諧振電路與磁場產生共振，以變動的電磁場作為傳輸介質建立高效率能量的傳輸通道，改善感應耦合磁場射程，以擴展能量傳輸距離、減少損耗并實現一對多充電。著眼于兼容性，WPC 對發送端有較多的規范和設計要求，涵蓋：線圈規格、電力控制方式、操作頻率范圍和通信規范。
經 WPC 認可的低功耗發送端設計有單線圈 (Type A) 和多線圈 (Type B) 兩大類；為實現更好的覆蓋，配件制造商已開始設計多線圈充電器，且一次可為多個設備充電，同時宣示挺進中高功率。AirFuel 也不落人后，2019 年底，高通與瑞薩電子 (Renesas) 全資子公司 IDT 合作開發 30W 的高度集成無線充電方案，擬用于高通驍龍 (Snapdragon) 5G 移動平臺的旗艦智慧手機。近日，高通新問市的平價版 Quick Charge 3+ 快充技術，支持 USB Type-A 到 Type-C 電纜和配件，Quick Charge 4 的 20mV 步進更可擴展電壓，將率先用于 Snapdragon 765 和 765G。
圖4：Qualcomm Quick Charge 3+ 充電效率更佳，0～50% 只需 15 分鐘，相較于前一代產品速度提升 35%、且溫度下降 9℃
資料來源：Qualcomm；https://www.qualcomm.com/news/onq/2020/04/27/introducing-quick-charge-3-fast-and-efficient-charging-masses
資料來源：Qualcomm；https://www.qualcomm.com/news/onq/2020/04/27/introducing-quick-charge-3-fast-and-efficient-charging-masses
NFC 新增無線充電標準＂WLC＂，作為補充技術
值得留意的是，無線充電與 NFC (近場通信) 的共存一度曾是 WPC 與 AirFuel 相互攻防焦點之一，如今又起變化。過去，因為 NFC 操作頻率剛好是 AirFuel 標準的兩倍，恐引發＂倍頻＂諧波、難以共存而讓 AirFuel 飽受質疑——即使 AirFuel 多次解釋無線通信功能并非內建在功率模塊中，可借助嵌入式調諧器解決；但就在最近，NFC 論壇本身也自定義無線充電標準＂WLC＂(Wireless Charging)，再吹起陣陣漣漪。NFC 允許使用單個天線管理設備的通信和充電，使用位于 13.53MHz 頻帶上的相同天線來收、發數據和能量是其一大優勢，但速度最高僅有 1W。
值得留意的是，無線充電與 NFC (近場通信) 的共存一度曾是 WPC 與 AirFuel 相互攻防焦點之一，如今又起變化。過去，因為 NFC 操作頻率剛好是 AirFuel 標準的兩倍，恐引發＂倍頻＂諧波、難以共存而讓 AirFuel 飽受質疑——即使 AirFuel 多次解釋無線通信功能并非內建在功率模塊中，可借助嵌入式調諧器解決；但就在最近，NFC 論壇本身也自定義無線充電標準＂WLC＂(Wireless Charging)，再吹起陣陣漣漪。NFC 允許使用單個天線管理設備的通信和充電，使用位于 13.53MHz 頻帶上的相同天線來收、發數據和能量是其一大優勢，但速度最高僅有 1W。
這比 Qi 充電至少 5W 起跳要慢得多 (1.2 版已達 15W)，且不像 Qi 線圈較大、在設備之間可有不同傳輸功率。那么，NFC 為何要發展無線充電？答案是：作為補充技術，更適合為＂低功耗 IoT 設備＂充電；今年 2 月，瑞薩即宣布與無晶圓廠半導體公司 Panthronics AG 共同整合 Qi 與 NFC。由于無線耳機、健身追蹤器或智能手表／手環通常已配備 NFC 天線，利用 NFC 智能手機中的線圈作為發射器，為無線耳機或穿戴設備做＂反向充電＂。初期，WLC 僅支持 250、500、750、1000mW 四種功率。
圖5：NFC 論壇標準協調并擴展了現有的非接觸式標準，在原有點對點 (P2P)、讀寫、卡片仿真 (Card Emulation) 模式之外，新增無線充電功能
資料來源：NFC；https://nfc-forum.org/our-work/specification-releases/specifications/#specs
資料來源：NFC；https://nfc-forum.org/our-work/specification-releases/specifications/#specs
由于速度慢、效率低且無法通過更新固件取得，需另行添購新硬件，WLC 商機尚待時間發酵。另一方面，＂可用空間有限＂是手機放棄無線充電的主要原因之一，將這兩種技術集成到單個組件還有一個好處：可釋放更大的電池空間、制造更輕薄的手機，且可減少潛在故障點、讓設備更可靠。其實，NFC 與無線充電的淵源早就以另一種形式存在。近年來，NFC 已廣泛用于智能手機的移動支付等功能，且已從移動設備迅速拓展到工業設備、連網設備甚至汽車系統，ST 就與羅姆半導體 (ROHM) 推出 15W Qi 標準之車載無線充電器參考設計。
ROHM＆ST：NFC 讀寫器＋MCU，建構車載無線充電器
ROHM 此款型號為 BD57121MUF-M 的無線充電器IC，主要用于汽車中控臺無線充電應用，其參考設計是采用 ST 車用 NFC 讀寫器 IC——ST25R3914，以及 8 位微控制器 (MCU)——STM8AF 所建構，旨在實現復雜的充電控制功能；例如，一旦檢測到充電系統附近的非接觸式智能卡會立即停止充電，以防止因 Qi 發射器的強磁場而導致的車用智能卡故障，業界深獲好評。ST25R3914 之所以能脫穎而出，除了優異的射頻 (RF) 性能外，其最大賣點是：具備獨特的自動天線調諧功能，可根據不斷變化的金屬環境動態調諧天線。
ROHM 此款型號為 BD57121MUF-M 的無線充電器IC，主要用于汽車中控臺無線充電應用，其參考設計是采用 ST 車用 NFC 讀寫器 IC——ST25R3914，以及 8 位微控制器 (MCU)——STM8AF 所建構，旨在實現復雜的充電控制功能；例如，一旦檢測到充電系統附近的非接觸式智能卡會立即停止充電，以防止因 Qi 發射器的強磁場而導致的車用智能卡故障，業界深獲好評。ST25R3914 之所以能脫穎而出，除了優異的射頻 (RF) 性能外，其最大賣點是：具備獨特的自動天線調諧功能，可根據不斷變化的金屬環境動態調諧天線。
該讀寫器支持 ISO14443A/B、ISO15693、FeliCa 和主動式點對點 (P2P) 傳輸等非接觸式 IC 卡標準，且配備符合 MISRA-C：2012 標準的 RF 中間件，有助于縮短軟件開發時間。當然，內置符合 AEC-Q100 的 NFC 模擬前端 (AFE) 組件是基本要求。至于 STM8AF MCU，整合硬件數據 EEPROM、CAN 和 LIN 總線，最高工作溫度可達 150°C。與 NFC 功能搭配使用時，STM8AF 還可用于管控新型汽車的 NFC 應用，例如，協助智能手機與汽車系統的藍牙／Wi-Fi 配對，或作為信息娛樂系統 (infotainment) 的 NFC 驗證和引擎發動器。
圖6：多線圈設計實現寬闊的充電區域，為車輛應用提供一定的空間自由度，消費者亦無需在意手機與充電區域是否精確對準，即可進行無線充電
資料來源：ROHM；https://www.rohm.com/news-detail?news-title=new-automotive-wireless-charging-solution-with-nfc-communication&defaultGroupId=false
資料來源：ROHM；https://www.rohm.com/news-detail?news-title=new-automotive-wireless-charging-solution-with-nfc-communication&defaultGroupId=false
Qi 充電器在 5W 及更高的功率下運行時，充電效率向來是業者努力優化的目標；相較于傳統的有線充電器，它以熱量形式損失的能量更多。浪費金錢事小，卻可能因此損害電池壽命！且新的 NFC 規范僅可承受 1W 的功率 (或 0.2Amp@5V 電壓)，效率更高、不會造成過多的電池消耗和發熱問題，足以為 AirPods 或 Apple Watch 等小型配件充電，這與 Apple Watch 充電器提供的電量幾乎相同。身為 NFC 論壇成員的蘋果亦積極參與新 NFC 規范的批準。為讓 Qi＋NFC 協作順暢，量測儀器廠商早已準備好了！
Micropross＆NI：可同時量測 WPC 無線充電＋NFC
以 RFID/NFC、無線支付和功率量測起家，手握七成＂一致性認證＂(Compliance) 市場的 Micropross (參閱：《Micropross ＆ 筑波科技：測試規范細節多，一致性認證不容輕忽》一文http://www.like2twn.com/a/feature/catalog_feature/2016/1114/53945.html)，可提供符合 WPC 測試程序和框架的全套測試方案，涵蓋基準功率 (5W，BPP) 及擴展功率 (15W，EPP) 配置文件的接收器和發射器測試。MP500 TCL3 測試儀和專用 WPC 套件——MPManager 測試平臺、Qi 擴展電源方案文件接收器測試套件及 Qi 配件，是特別針對擴展功率的接收器測試，可基于相同硬件測試無線充電和 NFC。
以 RFID/NFC、無線支付和功率量測起家，手握七成＂一致性認證＂(Compliance) 市場的 Micropross (參閱：《Micropross ＆ 筑波科技：測試規范細節多，一致性認證不容輕忽》一文http://www.like2twn.com/a/feature/catalog_feature/2016/1114/53945.html)，可提供符合 WPC 測試程序和框架的全套測試方案，涵蓋基準功率 (5W，BPP) 及擴展功率 (15W，EPP) 配置文件的接收器和發射器測試。MP500 TCL3 測試儀和專用 WPC 套件——MPManager 測試平臺、Qi 擴展電源方案文件接收器測試套件及 Qi 配件，是特別針對擴展功率的接收器測試，可基于相同硬件測試無線充電和 NFC。
遵照《系統說明無線電源傳輸第二卷：擴展電源方案文件第三部分：一致性測試》中所定義的 100% 要求，該解決方案的主要特征包括：
● 一種緊湊的測試工具，嵌入所有必要的生成和測量功能；
● 所有規范性附件的可用性；
● 全自動操作模式，減少測量錯誤；
● 自動生成測試報告；
● 輕松遷移到 Basline Power Profile 測試及變送器測試。
● 一種緊湊的測試工具，嵌入所有必要的生成和測量功能；
● 所有規范性附件的可用性；
● 全自動操作模式，減少測量錯誤；
● 自動生成測試報告；
● 輕松遷移到 Basline Power Profile 測試及變送器測試。
圖7：MP500 TCL3 測試儀和專用 WPC 套件
資料來源：Micropross；https://www.micropross.com/RandD-Qi-mobile-device-wpc-qi-base-station-charger-tester-MP500-TCL3-36-p
資料來源：Micropross；https://www.micropross.com/RandD-Qi-mobile-device-wpc-qi-base-station-charger-tester-MP500-TCL3-36-p
其中，基準功率曲線測試的覆蓋率為 100%，包括：負載調變幅度、頻率解調選擇和 ping 階段。MP500 TCL3 會自動進行物理測量，再由測試平臺 MPManager 根據 WPC 要求執行對話測試，然后給出明確結論并顯示測試用例通過或失敗的原因。Micropross 在被并入 NI 后，為 NI 補強了＂制造端＂的測試優勢：1.使用相同的硬件系統結構覆蓋基準功率配置文件 (5W) 和擴展功率配置文件 (15W)；2.易于升級，可在同一工作臺上測試 NFC 技術；3.全自動測試套件帶來友善的可用性；4.交互式腳本模式，讓用戶可＂關閉腳本＂并自定義測試過程。
這種非常靈活的測試解決方案還允許測試非標準形狀因子，例如，在 1W 低功率范圍下運行。天線效率測量工具能表征線圈將電壓轉換為發射的無線電力，將接收到的無線電力轉換成電壓 (用于接收器)——MP300 CL3 是用于無線電源制造測試的推薦測試工具，具有根據無線發射器制造商的要求專門設計的測試天線，可測試發射功率、Vr 和 Ir 值并執行協議測試。MP300 CL3 帶有另一個專用測試天線供測試雙 NFC 和無線電源模塊之用，同時嵌入 NFC 和無線電源，可在同一工作臺上測試兩個接口，可在較大的功率和頻率范圍內執行線圈效率測量。
NI 已成功與電力發射器制造商一起進行了無線電源模塊的制造測試，并將這些合作伙伴關系獲得的經驗轉化為一系列制造測試解決方案：功率變送器測試——保證功率、異物偵測、調變深度、所有數字定時測量；電力接收器測試——分組定時／分組內容、負載調變測試、接收重置和頻率解調。NI 解決方案隨附了所有必需的 WPC 定義附件：
? 所有標準線圈：測試功率接收器 (TPR) 和測試功率發射器 (TPT)；
? 異物偵測所需的所有異物 (FO)；
? 功率變送器的熱電偶和測試夾具 (PTx)；
? 除了物理附件外，我們還提供測試用例的全自動庫。它們直接對應于 WPC 定義的用于 Tx 和 Rx 一致性測試的設備。
? 所有標準線圈：測試功率接收器 (TPR) 和測試功率發射器 (TPT)；
? 異物偵測所需的所有異物 (FO)；
? 功率變送器的熱電偶和測試夾具 (PTx)；
? 除了物理附件外，我們還提供測試用例的全自動庫。它們直接對應于 WPC 定義的用于 Tx 和 Rx 一致性測試的設備。
