第一期，我們用看圖說話的方式理解了無線充電的基本原理。這一期我們來談談無線充電的速度。
我們將這一期內容分成以下4部分：
  1. 鋰電池充電原理
  2. 無線充電原理回顧
  3. 目前市面上的手機如何進入無線快充
  4. 發射端如何提高手機充電速度
閱讀提示：
  1. 第一部分和第二部分比較偏技術；
  2. 第二部分闡述了決定無線充電速度的根本原因，建議閱讀；
  3. 第三部分和第四部分更貼近實際應用，大家也可以選擇優先閱讀。
一、鋰電池充電原理
  • 鋰電池前面往往會有一個電池充電芯片（Charger），它來控制電池的充電速度。
  • 電池是什么？你可以把它看成一個大電容，流進它的電流決定了它充電的快慢。
  • 鋰電池充電分四個階段：
1. 涓流充電：在電池電量很小、接近徹底放完的狀態時，對手機進行預充電，這時候電池充電芯片會固定輸出一股很小的電流，常常為正常充電的1/10。比如正常充電電流為1A，那么涓流充電可能是100mA。
2. 恒流充電：涓流充電完畢，電池充電芯片會增加電流的輸出，并恒定該電流對電流持續充電。電池充電的大部分時間都處于恒流充電階段。
3.恒壓充電：當電池接近充滿時，電池充電芯片會恒定一個輸出電壓，充電電流的大小由電池內部電壓、內部電壓和輸出電壓之間的內阻決定。即：充電電流=（輸出電壓-內部電壓）/電池內阻。
4.停止充電：停止充電有兩種辦法：恒壓階段充電電流小于某個值則停止充電；或者從恒壓充電開始計時，兩個小時之后停止充電。
  • 電池充電的大部門時間處于恒流充電階段。如果識別為快充狀態，電池充電芯片會輸出大電流；如果識別為慢充狀態，電池充電芯片會輸出小電流。為了安全考慮，在手機內部溫度過高時，電池充電芯片也會輸出小電流來減少手機內部的功率損耗。
二、無線充電原理回顧
  • 手機端，無線充電系統會給LDO的輸出設置一個目標電壓，常見的有5V或者9V，來作為電池充電芯片的供電。
  • 發射端則是為了控制LDO的輸入電壓（VRECT），保證LDO輸入電壓比輸出電壓高一點，這樣LDO的轉化效率達到最高。
  • 電池充電芯片實際控制著電池充電的充電電流，它會主要考慮兩個因素：1. 手機是否進入快充？2.溫度是否太高？
  • 下圖為無線充電器給三星手機充電典型的充電曲線。涓流充電分辨不出，在很多情況下會被省略。溫度過高時，電池充電芯片會自動降低充電電流。
Q&A
Q：常有人問，手機端不要這么大功率，發射端硬塞給它，這樣手機充電會不會快一些？
A：不會，反而會變慢。因為當發射端硬塞給接收端功率，會抬高VRECT的電壓，但LDO的輸出電壓VOUT不變，電池充電芯片控制的恒定輸出電流不變，LDO兩側的效率變差了。等效來說硬塞給接收端的能量會消耗在LDO的損耗上，手機溫度會上升，上升到一定程度更容易引起電池充電芯片降低輸出電流。
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三、目前市面上的手機如何進入無線快充？
  • 蘋果手機：識別無線充電開關頻率是否在127.7kHz附近。如果是，則進入快充。
  • 三星手機：三星會發指令給TX請求進入快充，如果TX通過FSK通信告訴三星手機，我可以支持你的快充，則雙方握手，進入快充。弱加密，已經被破解，三星也在最近的WPC會議上公開了它的協議。
  • 小米MIX2S：強加密算法，幾乎不可能破解。支持小米快充需要小米授權License。市面上目前只有兩款小米無線充電器（99元和69元兩款）支持小米快充。
  • 華為P20保時捷版：情況和小米MIX2S一樣。目前只有華為保時捷版無線充電器支持華為無線快充。
  • LG?V30：WPC官網顯示，通過了EPP認證，支持EPP快充協議，也就是說過了EPP認證的發射端可能支持對它進行快速充電；
  • Sony?XZ2：同LG?V30。
伏達15W-EPP產品 NU1509+NU1015
伏達半導體已經推出了符合WPC EPP協議的15W解決方案，該方案采用標準的蘋果定頻調壓的快充架構，支持蘋果快充、三星快充、以及通過EPP認證的手機快充。整個方案采用第三代無線充電架構，SoC +SmartBridge，該架構的優勢不僅僅是集成度的提高和Cost的降低，更在于智能全橋能通過捕獲功率全橋中更全面的信息，來提高無線充電性能。
四、發射端如何提高手機充電速度？
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  • 滿足手機無線快充的條件；
  • 控制手機端VRECT電壓穩定在目標值；
    • 定頻調壓模式的調整更加線性，更容易滿足這個條件；
    • 變頻控制模式需要滿足頻率變化的Step足夠小，否則VRECT離目標電壓會有比較大的偏差。很多廉價MCU的方案就是因為頻率變化的精度不夠，無法過認證，也會給手機無線充電帶來風險。
    • 調占空比的方案也要滿足占空比的調節精度足夠高，否則VRECT離目標電壓也會有大的偏差和波動，這對MCU的要求比較高。同時，由于占空比方案很難將占空比調到非常低，否則可能會產生硬開關和通信問題。在低功率傳輸時，會引起發射端送出的功率大于手機的需求值，VRECT的電壓有遠大于目標值的風險。
  • 降低與手機接觸表面的溫度；
    • 線圈不要貼著發射端表面，通過空氣隔離。空氣是最好的隔熱層，可以防止線圈的熱傳到發射器外殼表面。
    • 在線圈底部隔磁材料下面增加散熱片，將線圈的熱盡快的導出。
    • 提高TX發射端的效率。
    • 增加空氣與外界的對流，加速散熱，比如在發射端內部增加電風扇。
    • 在環境溫度比較低或者有空氣對流的情況對手機進行充電，比如把車載無線充電支架夾在空調出風口。
第二期伏達學堂的內容就到此為止，任何問題可以直接在文章下方或者公眾號留言，歡迎大家相互討論。伏達希望通過伏達學堂來營造更加開放的無線充電開發環境，推動無線充電的發展。
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