意法半導體面向可穿戴設備的無(wú)線(xiàn)充電解決方案

創(chuàng )新將成為產(chǎn)品成功的關(guān)鍵。無(wú)線(xiàn)充電是發(fā)展勢頭迅猛的新興技術(shù)之一。電磁感應式充電是目前最主流的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，緊隨其后的是諧振式無(wú)線(xiàn)充電。無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟負責維護和制定各種無(wú)線(xiàn)充電應用標準，其中包括功率高達 15W 的智能手機和便攜式設備無(wú)線(xiàn)充電的Qi標準。該聯(lián)盟有 350 多家成員公司，半導體巨頭意法半導體也是其中之一。

意法半導體是一家處于世界前沿的創(chuàng )新公司，同時(shí)也是個(gè)人電子產(chǎn)品、醫療和工業(yè)應用領(lǐng)域無(wú)線(xiàn)充電解決方案的主要供應商。個(gè)人電子產(chǎn)品中的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)具有諸多顯著(zhù)優(yōu)勢，例如可實(shí)現防水防塵設計，從而延長(cháng)產(chǎn)品壽命，改善用戶(hù)體驗，實(shí)現無(wú)端口設計。

除給電池充電外，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)還可以直接為設備供電。在很多工業(yè)應用中，無(wú)線(xiàn)供電可以增強機械臂的活動(dòng)自由度。在醫療和美容設備中，無(wú)線(xiàn)供電可實(shí)現產(chǎn)品密封設計，方便在后續使用前進(jìn)行消毒。

意法半導體可提供1W 至 100W功率的無(wú)線(xiàn)充電芯片。STWLC38 是一款獲得 Qi 1.3 認證的無(wú)線(xiàn)電能接收器芯片，針對可穿戴設備、耳機等空間受限的產(chǎn)品設備應用進(jìn)行了優(yōu)化，最大功率可達15w，而總體面積（包括外圍元件）僅為 7mm x 7mm。STWLC38 可以與STWBC86發(fā)射器芯片配套使用。

STWLC38 采用 2.1mm x 3.3mm的 WLCSP40 封裝（晶圓級芯片尺寸封裝），輸出電壓在 4v至 12v范圍內可調，分辨率為 25mV。處理器內核是 ARM 32 位 Cortex?-M0+，主頻最高64MHz，存儲器包括64KB ROM、16kB RAM，以及可以像閃存一樣保存固件補丁的32kB RRAM。

異物檢測 (FOD) 是無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品設計過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節。這個(gè)功能可以檢測發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間存在的異物，并及時(shí)切斷電源。當有金屬物體放置在發(fā)射線(xiàn)圈的磁場(chǎng)中時(shí)，在金屬上會(huì )感應出渦流，導致金屬溫度迅速升高。STWLC38 能夠精確測量電壓電流，并內置多種保護措施來(lái)監控過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱等情況。

STWBC86是一款兼容 Qi1.2.4無(wú)線(xiàn)充電標準的電能發(fā)射器，在 Qi 標準協(xié)議下最高發(fā)射功率為5W 。它是一款集成全橋逆變器的單芯片解決方案，還配備了主頻64MHz 的 ARM 32 位 Cortex?-M0+ 內核和 8 kB RAM，以及用于安裝固件補丁的8 kB FTP（多次可編程存儲器）。該設計針對 Qi 標準A11a 拓撲進(jìn)行了優(yōu)化，并采用低導通內阻逆變器，以提高能效。

充電從有線(xiàn)變無(wú)線(xiàn)對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰。為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，ST 推出了兩種成熟的解決方案。STDES-WLC38WA（圖1a）和 STDES-WBC86TX（圖 1b）組成一套可穿戴應用無(wú)線(xiàn)充電整體解決方案，并配備PCB Gerber 文件、固件、軟件、設計指南和技術(shù)說(shuō)明，方便用戶(hù)開(kāi)發(fā)PCB電路板，當作即插即用的設備使用。PCB 面積為 7mm*7mm（圖 1c），特別適用于空間受限的設備。

STDES-WLC38TWS（圖 2a）是已有的成熟 TWS（真無(wú)線(xiàn)立體聲）充電盒解決方案。定制線(xiàn)圈（圖 2b）針對 TWS 外殼進(jìn)行了優(yōu)化，讓用戶(hù)可以輕松構建無(wú)線(xiàn)充電解決方案。借助這些參考設計，開(kāi)發(fā)者可以大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖1a：基于STWLC38的STDES-WLC38WA可穿戴設備無(wú)線(xiàn)充電接收板

圖 1b：基于 STWBC86 的 STDES-WBC86TX無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射板

圖1c：STDES-WLC38A與一元歐元硬幣比較

圖2a：基于STWLC38RX的STDES-WLC38TWS無(wú)線(xiàn)充電接收器板

圖2b：STDES-WLC38TWS無(wú)線(xiàn)充電接收板定制線(xiàn)圈

在 5W 至 15W 的功率范圍內，STWLC38能效在同類(lèi)產(chǎn)品中表現出眾（圖 3）。

圖 3：能效與接收器輸出功率

無(wú)線(xiàn)充電的用戶(hù)體驗在很大程度上取決于充電器是否便捷好用。無(wú)疑，發(fā)射器和接收器對接錯位會(huì )影響無(wú)線(xiàn)充電效果，我們最不想看到的情況是，手機或耳機在充電器上放了兩個(gè)小時(shí)卻一點(diǎn)電都沒(méi)有充進(jìn)去！

ST推出了一項叫做“ARC，即自適應整流器配置”的專(zhuān)利技術(shù)，即使接收器與發(fā)射器錯位幅度高達 50%，設備也能照常充電。這大大提升了用戶(hù)體驗，用戶(hù)只要將智能手表隨意放在充電器上，無(wú)需太在意手表對齊充電線(xiàn)圈，即可完成充電。

ST的接收器集成電路還實(shí)現了另一出色應用場(chǎng)景 —— 反向充電。用戶(hù)可以把無(wú)線(xiàn)接收器變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)發(fā)射器或充電器。例如，用戶(hù)可以使用有ST 接收器芯片的智能手機給智能手表或另一部智能手機等設備充電。

設計公司面臨 Qi 認證耗時(shí)又昂貴的煩惱。ST 能提供一個(gè)預合規測試解決方案，助力創(chuàng )新者在設備與充電器交互和Qi 標準認證上先行一步。

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（作者：Siddharth GHOSH, 意法半導體功率分立與子模擬產(chǎn)品 高級技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理）