無線充電市場規(guī)?？焖贁U(kuò)張，無線充電IC向充電和轉(zhuǎn)換效率發(fā)力
2022-9-24 21:58:50??????點(diǎn)擊：
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）無線充電技術(shù)，已經(jīng)走向市場并應(yīng)用一段時(shí)間了，尤其是移動(dòng)設(shè)備廠商，在這一領(lǐng)域發(fā)展得十分迅速，不少廠商都推出了自己的無線充電方案，為人熟知的如蘋果的Magsafe、小米的小感量＋磁吸、OPPO的AirVOOC等等。
無線充電技術(shù)對比
這種非接觸式充電利用了近場感應(yīng)，目前常見的無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式、電場耦合式以及無線電波式。當(dāng)前幾乎所有手機(jī)無線充電采用的都是電磁感應(yīng)式技術(shù)，發(fā)射線圈安裝在充電座上，接收線圈安裝在手機(jī)背面，當(dāng)手機(jī)靠近充電座的發(fā)射線圈磁場讓接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。這一技術(shù)較為成熟，需要的空間不大，成本也不高，很適合小型移動(dòng)設(shè)備的無線充電應(yīng)用。不過基于該技術(shù)目前的局限也不少，電磁感應(yīng)式技術(shù)的供電距離是這幾種技術(shù)中最近的，而且同時(shí)可充電設(shè)備數(shù)量較少，供電效率在幾W至幾十W。
磁共振式無線充電技術(shù)原理是當(dāng)發(fā)送端遇到共振頻率相同的接收端后通過共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。同樣的共振頻率是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的必要條件，該技術(shù)是一種相對電磁感應(yīng)式技術(shù)供電距離更遠(yuǎn)、供電效率更高的一對多充電技術(shù)，供電距離理論上可覆蓋幾cm至幾m，供電效率理論上可以達(dá)到很高。實(shí)際的手機(jī)充電應(yīng)用中，該技術(shù)的充電距離最遠(yuǎn)大概在10cm，供電效率受損耗限制也只能稍稍高出電磁感應(yīng)式一些。嚴(yán)格來說，雖然技術(shù)層面上共振式能提升的地方不少，但在實(shí)際應(yīng)用中還沒有體現(xiàn)出“質(zhì)”的提升。
電場耦合式技術(shù)通過在充電座和充電設(shè)備間形成高頻電場，利用耦合非對稱偶極子來傳輸電力。雖然這種技術(shù)成本低而且對設(shè)備對準(zhǔn)要求也不嚴(yán)苛，但是很少看到基于該技術(shù)的無線充電方案。
還剩下無線電波式技術(shù)，這也是目前最具魅力的一種無線充電實(shí)現(xiàn)方案，該技術(shù)能真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離充電（＞10m）。雖然目前該技術(shù)供電效率不高，但是充電距離遠(yuǎn)帶來的靈活性可以窺見未來無線充電帶來的隔空取電的便捷。這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方式有通過LDS技術(shù)在手機(jī)塑膠外殼上增加天線，或者采用FPC配置天線組件等等。很多此前做電磁感應(yīng)、磁共振無線充電的廠商均開始布局無線電波技術(shù)。
上述的三個(gè)最常見的無線充電技術(shù)，對應(yīng)了兩個(gè)無線充電標(biāo)準(zhǔn)，即WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)與AirFuel聯(lián)盟的AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。電磁感應(yīng)技術(shù)對應(yīng)的是Qi標(biāo)準(zhǔn)，磁共振與無線電波對應(yīng)AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。從目前各個(gè)技術(shù)的表現(xiàn)來說，優(yōu)劣各異，都有不少問題需要隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展去解決。
無線充電市場迅速發(fā)展
無線充電的靈活與便捷是毋庸置疑的，不論基于何種技術(shù)方式，隨著技術(shù)瓶頸的不斷突破，無線充電市場規(guī)模也在逐年增加，在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域開拓了更多的市場。根據(jù)國際市場研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets的報(bào)告預(yù)測，全球無線充電市場規(guī)模將從2021年的45億美元增長到2026年的134億美元，期間年復(fù)合增長率為24.6%。
按照市場劃分，電動(dòng)汽車無線充電市場將是細(xì)分市場中增速最快的領(lǐng)域。根據(jù)Markets and Markets報(bào)告預(yù)測，全球電動(dòng)汽車無線充電市場預(yù)計(jì)將從2022年的1500萬美元增長到2027年的3.77億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)88.4%。
圖源：Markets and Markets
另外根據(jù)智研咨詢整理的數(shù)據(jù)，2021年中國無線充電市場規(guī)模達(dá)為85.5億元。智能手機(jī)仍是目前無線充電行業(yè)最大細(xì)分領(lǐng)域，2021年國內(nèi)手機(jī)領(lǐng)域用無線充電市場規(guī)模為68.7億元，同比增長9.6%。
各主流廠商無線充電IC
無線充電包括發(fā)射端、接收端兩部分，上下游產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋芯片、磁性材料、傳輸線圈、模組制造、系統(tǒng)集成。這里我們重點(diǎn)關(guān)注無線充電IC，即發(fā)射器IC與接收器IC，它對無線充電的高效率和低功耗有顯著影響。
ST無線充電IC
ST的無線電池充電器IC覆蓋了完整的發(fā)射器和接收器芯片組產(chǎn)品組合在內(nèi)的所有主要標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。目前批量生產(chǎn)中的料號有接收端IC的STWLC38、STWLC98，發(fā)射端的STWBC2-HP、STWBC86。
接收端STWLC38面向15W應(yīng)用，STWLC98面向70W大功率應(yīng)用，發(fā)射端STWBC86面向5W小功率應(yīng)用，STWBC2-HP最大功率15W，不過STWBC2-HP有用于大功率充電的專有ST Super Charge擴(kuò)展。接收端70W功率等級的STWLC98是高度集成的無線充電IC，支持Qi規(guī)范1.2.4和1.3，通過集成低損耗同步整流器和低壓差線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)了高效率和低功耗。
ST的接收端IC有著高的效率和增強(qiáng)的安全性，適用于更廣泛的應(yīng)用，發(fā)射端IC確保為2.5 - 70 W應(yīng)用提供快速和穩(wěn)定的單/多線圈無線充電。
瑞薩無線充電IC（IDT無線充電IC）
在被瑞薩收購之前，作為WPC的核心成員（超級會(huì)員）的IDT在無線充電IC市場取得的成績可謂十分出彩?，F(xiàn)在在瑞薩的無線充電IC器件列表中，共12個(gè)料號，接收端與發(fā)射端各占一半。
接收端功率等級最高為60W，來自支持WPC 1.2的P9418，P9418作為接收端集成了一個(gè)高效同步全橋整流器和控制電路來調(diào)制負(fù)載以將消息包發(fā)送到發(fā)射器Tx以優(yōu)化功率傳輸，同時(shí)P9418還能作為發(fā)射端使用片上全橋/半橋逆變器、PWM發(fā)生器、用于通信的調(diào)制器/解調(diào)器和微控制器產(chǎn)生交流電源信號以驅(qū)動(dòng)外部LC諧振回路。
發(fā)射端功率等級最高的是P9247，在符合WPC-1.2.4規(guī)范的情況下支持15W的功率，在專有應(yīng)用中支持高達(dá)30W的功率，兼容所有流行的無線充電協(xié)議（BPP、EPP、iPhone充電和Android專有的快速充電）。P9247能夠提供高級別的可編程性和極低的待機(jī)功耗。
TI無線充電IC
TI的bq5105x系列是符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的高效無線電源接收器，具有集成的鋰離子/鋰聚合物電池充電控制器。bq5105x為了穩(wěn)定電能傳輸過程，使用Qi v1.2通信協(xié)議建立了接收器到發(fā)送器的全局反饋機(jī)制。其中bq5105xB系列在單個(gè)封裝內(nèi)集成了低阻抗同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、數(shù)字控制、充電器控制器及精準(zhǔn)電壓和電流環(huán)路。整個(gè)功率級均使用低阻抗N-MOSFET以確保高效率與低功耗。
發(fā)射端的bq501210系列集成了符合WPC的接收器無線傳輸功率所需的邏輯功能，最高能夠傳輸15W功率。發(fā)射端通過與高電壓專用充電端口適配器進(jìn)行協(xié)商，可選擇提供5W WPC低功率或15W中等功率，也可以憑借快速充電支持為兼容的接收器提供更高功率。
NXP無線充電IC
NXP的無線充電IC共24個(gè)料號，發(fā)射端15W無線充電IC可提供所需的全部控制器功能，功率傳輸效率超過75%，還配置了優(yōu)化的異物檢測算法。接收端65W的功率等級效率高達(dá)80-90%。這些高性價(jià)比的5 W和15 W發(fā)射器和接收器控制器IC同時(shí)兼顧了高性能和可靠性。
這里列舉了一些市面上應(yīng)用偏多的歐美主流大廠無線充電IC，還有不少廠商也在無線充電IC市場耕耘已久，出貨量也十分可觀，國際廠商如Vishay、ROHM、安森美半導(dǎo)體等，國內(nèi)廠商如南芯、貝蘭德、英集芯、矽力杰等，這里不再一一列舉各器件性能。
從這些主流廠商的主流IC中可以看到，提高無線充電效率和轉(zhuǎn)換效率成了廠商發(fā)力的方向。在功率確定的情況下，充電效率和轉(zhuǎn)換效率是制約無線充電速度的關(guān)鍵。
寫在最后
作為一種不需要通過連接器傳輸能量的充電技術(shù)，沒有了充電器、電源線的束縛，無線充電的靈活性自是不必多說的。與有線充電相比，除了靈活性，無線充電不僅在安全性、通用性等方面也有著不少優(yōu)勢，還可以減少頻繁的充電對設(shè)備充電接口的損耗。
無線充電逐年增加的市場規(guī)模也吸引了眾多廠商入局，在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域開拓更多的市場。隨著各無線充電技術(shù)的發(fā)展以及無線充電IC在效率和損耗上的進(jìn)步，更靈活更高效率的無線充電將進(jìn)一步普及。
無線充電技術(shù)對比
這種非接觸式充電利用了近場感應(yīng)，目前常見的無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)式、電磁共振式、電場耦合式以及無線電波式。當(dāng)前幾乎所有手機(jī)無線充電采用的都是電磁感應(yīng)式技術(shù)，發(fā)射線圈安裝在充電座上，接收線圈安裝在手機(jī)背面，當(dāng)手機(jī)靠近充電座的發(fā)射線圈磁場讓接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流。這一技術(shù)較為成熟，需要的空間不大，成本也不高，很適合小型移動(dòng)設(shè)備的無線充電應(yīng)用。不過基于該技術(shù)目前的局限也不少，電磁感應(yīng)式技術(shù)的供電距離是這幾種技術(shù)中最近的，而且同時(shí)可充電設(shè)備數(shù)量較少，供電效率在幾W至幾十W。
磁共振式無線充電技術(shù)原理是當(dāng)發(fā)送端遇到共振頻率相同的接收端后通過共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。同樣的共振頻率是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的必要條件，該技術(shù)是一種相對電磁感應(yīng)式技術(shù)供電距離更遠(yuǎn)、供電效率更高的一對多充電技術(shù)，供電距離理論上可覆蓋幾cm至幾m，供電效率理論上可以達(dá)到很高。實(shí)際的手機(jī)充電應(yīng)用中，該技術(shù)的充電距離最遠(yuǎn)大概在10cm，供電效率受損耗限制也只能稍稍高出電磁感應(yīng)式一些。嚴(yán)格來說，雖然技術(shù)層面上共振式能提升的地方不少，但在實(shí)際應(yīng)用中還沒有體現(xiàn)出“質(zhì)”的提升。
電場耦合式技術(shù)通過在充電座和充電設(shè)備間形成高頻電場，利用耦合非對稱偶極子來傳輸電力。雖然這種技術(shù)成本低而且對設(shè)備對準(zhǔn)要求也不嚴(yán)苛，但是很少看到基于該技術(shù)的無線充電方案。
還剩下無線電波式技術(shù)，這也是目前最具魅力的一種無線充電實(shí)現(xiàn)方案，該技術(shù)能真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離充電（＞10m）。雖然目前該技術(shù)供電效率不高，但是充電距離遠(yuǎn)帶來的靈活性可以窺見未來無線充電帶來的隔空取電的便捷。這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方式有通過LDS技術(shù)在手機(jī)塑膠外殼上增加天線，或者采用FPC配置天線組件等等。很多此前做電磁感應(yīng)、磁共振無線充電的廠商均開始布局無線電波技術(shù)。
上述的三個(gè)最常見的無線充電技術(shù)，對應(yīng)了兩個(gè)無線充電標(biāo)準(zhǔn)，即WPC的Qi標(biāo)準(zhǔn)與AirFuel聯(lián)盟的AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。電磁感應(yīng)技術(shù)對應(yīng)的是Qi標(biāo)準(zhǔn)，磁共振與無線電波對應(yīng)AirFuel標(biāo)準(zhǔn)。從目前各個(gè)技術(shù)的表現(xiàn)來說，優(yōu)劣各異，都有不少問題需要隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展去解決。
無線充電市場迅速發(fā)展
無線充電的靈活與便捷是毋庸置疑的，不論基于何種技術(shù)方式，隨著技術(shù)瓶頸的不斷突破，無線充電市場規(guī)模也在逐年增加，在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域開拓了更多的市場。根據(jù)國際市場研究機(jī)構(gòu)Markets and Markets的報(bào)告預(yù)測，全球無線充電市場規(guī)模將從2021年的45億美元增長到2026年的134億美元，期間年復(fù)合增長率為24.6%。
按照市場劃分，電動(dòng)汽車無線充電市場將是細(xì)分市場中增速最快的領(lǐng)域。根據(jù)Markets and Markets報(bào)告預(yù)測，全球電動(dòng)汽車無線充電市場預(yù)計(jì)將從2022年的1500萬美元增長到2027年的3.77億美元，復(fù)合年增長率高達(dá)88.4%。
圖源：Markets and Markets
另外根據(jù)智研咨詢整理的數(shù)據(jù)，2021年中國無線充電市場規(guī)模達(dá)為85.5億元。智能手機(jī)仍是目前無線充電行業(yè)最大細(xì)分領(lǐng)域，2021年國內(nèi)手機(jī)領(lǐng)域用無線充電市場規(guī)模為68.7億元，同比增長9.6%。
各主流廠商無線充電IC
無線充電包括發(fā)射端、接收端兩部分，上下游產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋芯片、磁性材料、傳輸線圈、模組制造、系統(tǒng)集成。這里我們重點(diǎn)關(guān)注無線充電IC，即發(fā)射器IC與接收器IC，它對無線充電的高效率和低功耗有顯著影響。
ST無線充電IC
ST的無線電池充電器IC覆蓋了完整的發(fā)射器和接收器芯片組產(chǎn)品組合在內(nèi)的所有主要標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)。目前批量生產(chǎn)中的料號有接收端IC的STWLC38、STWLC98，發(fā)射端的STWBC2-HP、STWBC86。
接收端STWLC38面向15W應(yīng)用，STWLC98面向70W大功率應(yīng)用，發(fā)射端STWBC86面向5W小功率應(yīng)用，STWBC2-HP最大功率15W，不過STWBC2-HP有用于大功率充電的專有ST Super Charge擴(kuò)展。接收端70W功率等級的STWLC98是高度集成的無線充電IC，支持Qi規(guī)范1.2.4和1.3，通過集成低損耗同步整流器和低壓差線性穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)了高效率和低功耗。
ST的接收端IC有著高的效率和增強(qiáng)的安全性，適用于更廣泛的應(yīng)用，發(fā)射端IC確保為2.5 - 70 W應(yīng)用提供快速和穩(wěn)定的單/多線圈無線充電。
瑞薩無線充電IC（IDT無線充電IC）
在被瑞薩收購之前，作為WPC的核心成員（超級會(huì)員）的IDT在無線充電IC市場取得的成績可謂十分出彩?，F(xiàn)在在瑞薩的無線充電IC器件列表中，共12個(gè)料號，接收端與發(fā)射端各占一半。
接收端功率等級最高為60W，來自支持WPC 1.2的P9418，P9418作為接收端集成了一個(gè)高效同步全橋整流器和控制電路來調(diào)制負(fù)載以將消息包發(fā)送到發(fā)射器Tx以優(yōu)化功率傳輸，同時(shí)P9418還能作為發(fā)射端使用片上全橋/半橋逆變器、PWM發(fā)生器、用于通信的調(diào)制器/解調(diào)器和微控制器產(chǎn)生交流電源信號以驅(qū)動(dòng)外部LC諧振回路。
發(fā)射端功率等級最高的是P9247，在符合WPC-1.2.4規(guī)范的情況下支持15W的功率，在專有應(yīng)用中支持高達(dá)30W的功率，兼容所有流行的無線充電協(xié)議（BPP、EPP、iPhone充電和Android專有的快速充電）。P9247能夠提供高級別的可編程性和極低的待機(jī)功耗。
TI無線充電IC
TI的bq5105x系列是符合Qi標(biāo)準(zhǔn)的高效無線電源接收器，具有集成的鋰離子/鋰聚合物電池充電控制器。bq5105x為了穩(wěn)定電能傳輸過程，使用Qi v1.2通信協(xié)議建立了接收器到發(fā)送器的全局反饋機(jī)制。其中bq5105xB系列在單個(gè)封裝內(nèi)集成了低阻抗同步整流器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、數(shù)字控制、充電器控制器及精準(zhǔn)電壓和電流環(huán)路。整個(gè)功率級均使用低阻抗N-MOSFET以確保高效率與低功耗。
發(fā)射端的bq501210系列集成了符合WPC的接收器無線傳輸功率所需的邏輯功能，最高能夠傳輸15W功率。發(fā)射端通過與高電壓專用充電端口適配器進(jìn)行協(xié)商，可選擇提供5W WPC低功率或15W中等功率，也可以憑借快速充電支持為兼容的接收器提供更高功率。
NXP無線充電IC
NXP的無線充電IC共24個(gè)料號，發(fā)射端15W無線充電IC可提供所需的全部控制器功能，功率傳輸效率超過75%，還配置了優(yōu)化的異物檢測算法。接收端65W的功率等級效率高達(dá)80-90%。這些高性價(jià)比的5 W和15 W發(fā)射器和接收器控制器IC同時(shí)兼顧了高性能和可靠性。
這里列舉了一些市面上應(yīng)用偏多的歐美主流大廠無線充電IC，還有不少廠商也在無線充電IC市場耕耘已久，出貨量也十分可觀，國際廠商如Vishay、ROHM、安森美半導(dǎo)體等，國內(nèi)廠商如南芯、貝蘭德、英集芯、矽力杰等，這里不再一一列舉各器件性能。
從這些主流廠商的主流IC中可以看到，提高無線充電效率和轉(zhuǎn)換效率成了廠商發(fā)力的方向。在功率確定的情況下，充電效率和轉(zhuǎn)換效率是制約無線充電速度的關(guān)鍵。
寫在最后
作為一種不需要通過連接器傳輸能量的充電技術(shù)，沒有了充電器、電源線的束縛，無線充電的靈活性自是不必多說的。與有線充電相比，除了靈活性，無線充電不僅在安全性、通用性等方面也有著不少優(yōu)勢，還可以減少頻繁的充電對設(shè)備充電接口的損耗。
無線充電逐年增加的市場規(guī)模也吸引了眾多廠商入局，在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車電子、家用電器等領(lǐng)域開拓更多的市場。隨著各無線充電技術(shù)的發(fā)展以及無線充電IC在效率和損耗上的進(jìn)步，更靈活更高效率的無線充電將進(jìn)一步普及。
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