快充内卷至汽车座舱，50W车载手机无线充电方案解析

电子发烧友网报道（文/李诚）随着手机无线充电技术的发展，如今的无线充电功率与有线充电功率并无太大差异。加之近年来无线充电设计、生产成本的下降，无线充电功能已成为中高端手机的标配。据无线充电联盟（WPC）数据显示，2021年每三台智能手机中，就至少有一台带Qi无线充电协议，预计2022年具备无线充电功能的智能手机将超过10亿部。
 
无线充电技术摆脱了线缆的束缚，相对于有线充电而言，在车载应用领域有着极为突出的优势，据高工智能汽车研究院监测数据统计，仅在去年我国新车前装手机无线充电模块的上险量为358.35万辆，同比增长120.43%，前装搭载率为17.57%，预计今年搭载量有望突破500万辆。
 
手机无线充电技术的快速普及，使得应用场景得到了进一步的扩大，蓬勃的汽车产业也成为了新的发展赛道。各大芯片厂商也十分看好这一市场，争相推出可搭载于汽车平台的手机无线充电解决方案。
 
南芯车载RTx 50W解决方案
 
南芯是国产主流的手机充电芯片供应商之一，其客户群体中不乏小米、OPPO、vivo、华为等国内手机头部玩家，之所以备受大厂青睐的主要原因之一是其核心团队大多来自TI、ADI、凌特、飞思卡尔、立锜等知名半导体大厂，在电源管理芯片领域有着十多年的经验积累。也正因这一实力先后拿到了安克、OPPO、英特尔资本等企业的多轮融资。
 
截至目前，南芯在手机充电领域已细分出多条产品线，如DCDC、电荷泵、协议芯片、无线充电等。随着新兴应用的层出不穷，汽车市场的机会涌现，南芯在加大技术研发的同时，不断拓展汽车领域的应用，加速渗透汽车前装市场。今年1月，南芯先后向市场推出了三款车规级的无线充电芯片SC8701Q、SC8101Q、SC5003Q，输出功率实现15W至50W的覆盖。3月南芯又推出了可应用于受电端的50W无线充电Tx芯片SC9621，与之前的发射端芯片构成完整的产品组合。
 
此次南芯的带来的车规级无线充电芯片分别为，同步降压转换器SC8101Q，同步升压控制器SC8701Q，以及无线发射机的模拟前端SC5003Q，通过这三款芯片的相互组合，可实现车载无线充电模块与汽车电池供电电压的相互兼容，通过SC8101Q+SC5003Q+MCU可构建出15W的无线充电解决方案，SC8701Q+50W Tx+MCU构成50W无线充电解决方案。
 
SC8101Q+SC5003Q+MCU 15W车载无线方案
 
该方案是面向最大输出功率为15W的无线充电应用，在方案参考设计方面，由于南芯没有自研的MCU，在本设计中采用的是NXP的WCT2013A作为无线充电模块的主控芯片，用于对SC8101Q进行升降压调节，再将通过调节的电压传输至无线充电的发射机为其供电。
 

(SC8701Q+SC5003Q+NXP WCT2013A无线充电方案Demo)

 
其中SC8101Q在本设计中主要负责降压输出，电压等级为32V，考虑到汽车启动时电压不稳会导致器件击穿的问题，南芯将其的最高耐压等级提高到了40V，同时器件内部还内置了导通电阻为45mΩ的上管和35mΩ下管，以此保证在功率传输过程中的转换效率。
 
SC5003Q是一颗支持最高功率为20W的高效无线功率发射模拟前端，在无线充电应用中，无线充电的发射与接收端之间的协议通信都是在这里完成的。同时为保证无线充电在实际应用时的安全性，在该芯片中加入了Q值检测功能，通过无线发送威廉希尔官方网站 发送电磁波的过程中，检测受电端与输出端之间的Q值，在通过判断Q值确定无线发送威廉希尔官方网站 的电磁波传输范围内是否存在异物，做出是否退出充电模式的操作。如果不具备此功能，当发射端与接收端存在金属异物时，极易因为不断变换地交变磁场而产生涡流发热，引发火灾。
 
SC8701Q+50W Tx+MCU 50W无线充电解决方案
 
在此设计中主要用到的是南芯的同步升压控制器SC8701Q，该控制器支持2.7V至36V超宽范围的电压输入，可满足车载电池的全电压输出范围，输出电压可通过PWM进行2V至36V的动态调整。芯片内置了4个 10V/2A的开关管驱动器，通过内部集成的方式，在降低威廉希尔官方网站 设计难度的同时，为MOSFET带来更高的效率。
 

图源：南芯

 
在主控MCU和功率发射机方面，南芯并未给出具体的芯片参考。
 
50W无线充电接收芯片
 
除了无线充电功率发射端的解决方案，近日南芯还推出了应用于接收端的功率接收芯片SC9621。该芯片是一颗结合了接收与发射功能二合一的无线充电芯片，最高可支持50W的无线功率接收以及15W的反向输出功能，反向输出功能通过GUI写入Tx指令即可实现。
 

图源：南芯

 
据介绍，该芯片的内置的整流桥由4颗MOS管组成，而非传统的二极管设计，得益于MOS管导通电阻小的特点，能够有效降低功率接收时的系统功耗，提升系统转换效率，减少手机在使用无线充电时的发热量。类似的整流桥设计在苹果去年推出的140W PD快充中也有使用，不同之处在于苹果的PD快充只采用了两颗MOS管。
 

图源：南芯半导体

 
上图为基于SC9621的demo在输出功率为5W时的无线充电测试，通过观察可以看出当功率发射器为5V/1A 5W时，SC9621可以接收到4.96W的功率，转换效率竟高达99%。
 

图源：南芯

 
上图为当输出电压为18V/3.359A 60W时，基于SC9621的demo能够接收到19.81V/2.50A 49.52W的功率。通过计算得出，功率转换效率可达82.5%。
 
结语
 
自去年工信部发布的无线充电设备无线电管理暂行规定中明确指出，50W为无线充电最高上限以来，各大芯片厂商都开始走务实路线，不再寻求功率上的突破，而是在技术与转换效率方面继续深研。南芯通过4个MOS管构建的同步整流桥，很好的提高了系统的转换效率，让无线充电的发展更进一步。