意法半導(dǎo)體面向可穿戴設(shè)備的無線充電解決方案

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

意法半導(dǎo)體是一家處于世界前沿的創(chuàng)新公司，同時也是個人電子產(chǎn)品、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域無線充電解決方案的主要供應(yīng)商。個人電子產(chǎn)品中的無線充電技術(shù)具有諸多顯著優(yōu)勢，例如可實現(xiàn)防水防塵設(shè)計，從而延長產(chǎn)品壽命，改善用戶體驗，實現(xiàn)無端口設(shè)計。

除給電池充電外，無線充電技術(shù)還可以直接為設(shè)備供電。在很多工業(yè)應(yīng)用中，無線供電可以增強機械臂的活動自由度。在醫(yī)療和美容設(shè)備中，無線供電可實現(xiàn)產(chǎn)品密封設(shè)計，方便在后續(xù)使用前進行消毒。

意法半導(dǎo)體可提供1W 至 100W功率的無線充電芯片。STWLC38 是一款獲得 Qi 1.3 認(rèn)證的無線電能接收器芯片，針對可穿戴設(shè)備、耳機等空間受限的產(chǎn)品設(shè)備應(yīng)用進行了優(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(nèi)可調(diào)，分辨率為 25mV。處理器內(nèi)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) 是無線充電產(chǎn)品設(shè)計過程中的一個重要環(huán)節(jié)。這個功能可以檢測發(fā)射線圈和接收線圈之間存在的異物，并及時切斷電源。當(dāng)有金屬物體放置在發(fā)射線圈的磁場中時，在金屬上會感應(yīng)出渦流，導(dǎo)致金屬溫度迅速升高。STWLC38 能夠精確測量電壓電流，并內(nèi)置多種保護措施來監(jiān)控過流、過壓和過熱等情況。

STWBC86是一款兼容 Qi1.2.4無線充電標(biāo)準(zhǔn)的電能發(fā)射器，在 Qi 標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(shè)計針對 Qi 標(biāo)準(zhǔn)A11a 拓撲進行了優(yōu)化，并采用低導(dǎo)通內(nèi)阻逆變器，以提高能效。

充電從有線變無線對于開發(fā)者來說是一個很大的挑戰(zhàn)。為了簡化開發(fā)過程，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(yīng)用無線充電整體解決方案，并配備PCB Gerber 文件、固件、軟件、設(shè)計指南和技術(shù)說明，方便用戶開發(fā)PCB電路板，當(dāng)作即插即用的設(shè)備使用。PCB 面積為 7mm*7mm（圖 1c），特別適用于空間受限的設(shè)備。

STDES-WLC38TWS（圖 2a）是已有的成熟 TWS（真無線立體聲）充電盒解決方案。定制線圈（圖 2b）針對 TWS 外殼進行了優(yōu)化，讓用戶可以輕松構(gòu)建無線充電解決方案。借助這些參考設(shè)計，開發(fā)者可以大大縮短產(chǎn)品上市時間。

圖1a：基于STWLC38的STDES-WLC38WA可穿戴設(shè)備無線充電接收板

圖 1b：基于 STWBC86 的 STDES-WBC86TX無線充電發(fā)射板

圖1c：STDES-WLC38A與一元歐元硬幣比較

圖2a：基于STWLC38RX的STDES-WLC38TWS無線充電接收器板

圖2b：STDES-WLC38TWS無線充電接收板定制線圈

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

圖 3：能效與接收器輸出功率

無線充電的用戶體驗在很大程度上取決于充電器是否便捷好用。無疑，發(fā)射器和接收器對接錯位會影響無線充電效果，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小時卻一點電都沒有充進去！

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

ST的接收器集成電路還實現(xiàn)了另一出色應(yīng)用場景 —— 反向充電。用戶可以把無線接收器變?yōu)闊o線發(fā)射器或充電器。例如，用戶可以使用有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(shè)備充電。

設(shè)計公司面臨 Qi 認(rèn)證耗時又昂貴的煩惱。ST 能提供一個預(yù)合規(guī)測試解決方案，助力創(chuàng)新者在設(shè)備與充電器交互和Qi 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證上先行一步。