无线充电芯片行业技术水平、特点以及进入本行业的主要壁垒
思瀚产业研究院 美芯晟    2023-05-17

无线充电芯片领域的行业壁垒包括：提高充电效率，通过高精确度的异物检测保证充电的安全性，高功率条件下的系统可靠性设计以及提升无线充电产品的实用性等。

（1）提高充电效率

无线充电效率相对较低，主要是因为无线充电相比有线充电多了线圈和整流滤波电路等，因线圈和整流滤波电路的损耗，加上周围磁场干扰，对转换效率影响较大，充电时温度升高，进一步影响充电转换效率。因此，如何提高充电效率是无线充电技术目前面临的主要技术瓶颈。

为提升充电效率，行业的一般做法是通过减小整流桥MOS管的导通电阻来提高效率、减少发热。该种方式对于整流器检测精度提出了较高的技术要求。

此外，为了将无线充电功率从50W功率段进一步抬升到100W功率段，单纯的减小芯片中整流桥MOS管的导通电阻已经不再适用。接收线圈的串联电阻对大功率传输下效率的影响成为了主要因素，但是在有限的线圈形状及尺寸的限制下，减小接收线圈的串联电阻只能通过减少线圈匝数的方式实现，这样就会同时带来接收线圈电感值也减小的情况。

在无线充电系统中，如果接收线圈电感减小，就会影响耦合系数，从而使无线充电的兼容性变差。为了解决上述矛盾，发行人通过自主研发掌握了半桥启动电路技术。该项技术实现了整流器的一端用内部功率MOS接地，另外一端做整流功能的结构，这样的结构会使耦合系数倍增，保证了小电感时的启动耦合系数。解决了更大电流应用时，手机等便携设备为了提高效率而减小电感量带来的耦合系数较低的问题。

（2）通过高精确度的异物检测保证充电的安全性

无线充电正常工作时，发射端发射出的交变电磁场不仅可以被接收端接收，还有可能被附近任意金属异物接收，导致其发热并产生安全隐患。如何快速、准确地判断出金属异物是否存在，也是无线充电技术面临的技术瓶颈。

在功率传输阶段之前，Q值检测是目前较为先进的一种异物检测方法，当发射线圈上存在金属异物时，Q值会急剧减小，通过这种方法可以快速、准确地判断出金属异物是否存在。行业一般采用电阻耦合技术进行Q值检测，但在LC谐振腔自由震荡时会由于电阻消耗电流损失检测精度。公司通过电容耦合进行Q值检测，保证LC谐振腔在自由震荡时没有能量损失，因此可以达到较高的检测精度。

在功率传输阶段，接收端芯片需要对其输入电压、输入电流进行检测，并且据此计算出接收功率，实时的通知发射端芯片。发射端芯片也需要对输入电压、输出电流进行检测并且据此计算出发射功率，与接收端芯片汇报的接收功率做实时的对比，如果接收功率大于发射功率，那么就说明在发射、接收线圈附近有金属异物。而接收端芯片、发射端芯片的电压、电流检测精度就决定了上述功率对比时的误差容限，误差越低异物检测越精确，异物被加热的风险也就越低。

在小功率（5W）传输的应用条件下，5%的电流误差只会带来25mW的功率误差，因此这是可以接受的；在大功率（100W）传输的应用条件下，2%的电流误差就可以造成2W的功率误差，这会带来较大的安全风险。因此，高精度的电流检测成为了大功率无线充电传输的一大技术指标。发行人通过在芯片中集成高精度、低噪声的运算放大器与软件算法相结合，实现了5A电流下，小于0.4%的电流检测精度，从而保证了异物检测的精度要求。

（3）高功率条件下的系统可靠性设计

随着无线充电技术在近年来的快速发展，无线充电的功率也快速提升，如何突破无线充电功率的限制，在大功率充电过程中如何保证系统的可靠性，是无线充电技术面临的另一个技术瓶颈。

1）突破无线充电功率的限制

在传统低功率单级架构的约束下，想要提高无线充电的效率只能在无线充电芯片输出电压维持在12V以内的条件下不断增加输出电流。但是，输出电流的增加会使无线充电芯片以及线圈的导通损耗成平方关系增加，因此无线充电能达到的最大输出电流为1.2A，最大输出功率在15W以下。

2）大功率应用中提供可靠的过压保护

无线充电系统的能量控制环路是离散的，并且时间间隔在几十到几百毫秒的范围内，因此在无线充电的过程中，可能存在因输入电压或输出负载的跳变，导致无线充电系统无法及时响应，充电系统过热，甚至导致燃烧、爆炸以及其它电路损坏的现象。

当充电功率较低时，电压跳变程度相对较小，一般通过泄放电阻抑制电压上升即可实现对充电系统的过压保护。但随着充电功率的不断提高，传统的过压保护技术已经无法在大功率段（>50W）对充电系统进行有效的保护。

发行人通过自主研发，掌握了可靠的过压保护技术，通过芯片内部电压/电流传感器预先对可能造成过压的异常情况进行检测和区分，并且根据不同的异常情况做出最合理的响应。发行人的过压保护分为两种模式：在电压跳变较小时通过泄放电阻抑制电压上升；电压跳变较大时，通过整流桥模式转换，控制能量不向整流桥后级传输，保证VRECT电压不再上升。上述模式能够实现1~100W的全功率段保护，为大功率应用提供可靠的过压保护。

（4）提升无线充电产品的实用性

在无线充电技术的发展历程中，其技术迭代方向朝着提升用户体验、降低技术成本的方向迭代和发展。使无线充电技术在更加实用的基础上，能够普及到每一个消费者的手中。

1）解决线圈对准问题

在用户将无线充电接收端设备放到发射端设备上时，如果发射、接收线圈没有对准，那么可能导致磁耦合效率降低，充电功率无法达到产品预设的上线，甚至可能导致无法充电。行业中，一般采用磁吸技术进行发射、接收线圈的对准。该技术应用于充、放电设备本身，通过无线充电器内部带有磁体与用电设备内部磁体互相吸引，靠近后可以自动对准发射线圈与接受线圈，进行牢固的吸附后进行传输能量，尽可能地提高磁耦合效率高进而提高无线充电效率。目前，苹果推出的MagSafe磁吸无线充电技术是该领域较有代表性的技术应用，其无线充电功率在20W以内。

但是，在无线充电过程中，磁吸技术的运用会使得充、用电设备含有的金属物质增加，造成了更多的能量损失，反而又影响了充电效率。为解决上述问题，需要应用高频技术，通过提高充电频率来降低充电过程中的能量损失。目前无线

充电技术能达到的充电频率大约在80KHz~205KHz，在该等功率下进行无线充电产生的能量损失相对较大。高频技术使得充电频率达到1MHz~2MHz，能够大幅降低无线充电过程中的涡流损耗以提高充电效率。但是，因提高充电频率而产生的电压、电流之间不可忽视的相位差同样会影响无线充电效率。因此，如何接收线圈的电压、电流存在较大相位差的前提下，整流桥依旧能够高效率、可靠的进行交流-直流转换，是高频技术未来需要进一步攻克的难题。

2）提高反向充电效率

反向充电技术使得智能手机等原本只能接收无线充电的终端产品，可以给其他支持无线充电的终端产品充电。具备反向充电功能的产品可以给用户带来更好的使用体验，反向充电输出功率越高，产品的实用性越强。

从2014年至今，反向充电技术经历了从无到有，功率从小到大的过程。反向充电功率从5W以内，只能给TWS耳机等小型设备充电；到10W、18W，实现了手机对手机充电。发行人通过自主研发，在接收端芯片的Power LDO中集成了正反向、高精度电流检测电路，在不断提高电流检测精度时也保证了正、反向无线充电的效率。并且，在接收端芯片内部也集成了发射端芯片所需的多通道ASK数字解调模块，大大节省了外围元器件，降低了成本。在解决上述技术问题后，发行人在业界第一个提出了RTx全集成SoC芯片，将Power Sharing的概念带入业界。

3）降低成本

无线充电芯片是将功率器件、高速/高精度模拟电路和大规模数字电路集成到一起的芯片，因此芯片的制造成本高也成为了无线充电技术进一步普及向所有消费者的障碍之一。同时，随着无线充电技术在功能上日益丰富，数字电路占比越来越大，对无线充电芯片的集成度的要求也越来越高。

目前，业界普遍采用0.18μm工艺设计无线充电芯片，数字电路占用了越来越大的芯片面积。为了降低成本，业界在向着更小尺寸的工艺平台（如90nm）方向演进。发行人将紧跟这一行业趋势，在90nm工艺平台上进行芯片研发，进一步降低无线充电芯片的生产成本。