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罗姆超小尺寸1W无线供电芯片组为可穿戴设备提供更强续航能力

《名企发布会动态》
2021-12-03 10:16 来源:电源网原创 编辑:邢

无线充电技术具有小型化、充电便利性高、防水性/防尘性更高等特点,可以让智能移动设备实现安全舒适地充电,甚至可以支持可穿戴设备不用摘下充电,这是未来充电技术升级的必然方向。目前应用在智能手机、平板电脑、便携游戏机和消费级无线充电器上的主流的无线充技术是以Qi标准为代表的磁场感应技术,它需要对准线圈位置,并且始终保持10mm以内的有效充电距离。这显然无法满足我们对可穿戴设备的充电便利性的要求。ROHM集团旗下的蓝碧石科技株式会社开发出的无线供电芯片组,为可穿戴设备的无线充电提供了另一种可行性。

蓝碧石科技新产品无线供电芯片组“ML766x”采用磁场共振的供电方式(其实是电磁感应的一种,它是通过调整耦合电容来减少回波反射,从而提高效率)。相比于磁场感应供电,传输距离更长、供电效率更高,并且支持一对多的供电方式。它的设计挑战在于如何使两个电路获得相同的频率,调频是这项技术中的核心一步。“ML766x采用13.5MHz的高频段,可同时实现无线供电和非接触通信两种功能,”罗姆半导体(上海)有限公司技术中心主管吴娟表示,“ML766x还兼具可实现高达1W的供电量,无需微控制器即可构建系统,相较于Qi规格可实现天线小型化等主要特点。”

小身材也有大能量

与第一代无线供电芯片组“ML763x”相比,第二代“ML766x”的电池容量更大,可实现高达1W的供电功率,主要应用于腕式血压计、智能手表和助听器等电池容量较大的可穿戴设备,同时也涵盖第一代产品的真无线立体声耳机、鼠标、键盘等应用。新产品ML766x的推出进一步扩大了蓝碧石科技可配备无线电源的应用范围。

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我们可以看到,以Qi标准进行无线供电的产品的使用频率是110KHz到205KHz,最大供电量是15W,相对应的系统尺寸包括天线、外围元器件的尺寸达到650平方毫米。普通产品最大供电量是0.5W,系统尺寸是Qi的一半,即330平方毫米。而新产品ML766x最大功率达到了普通产品的最大供电量的两倍,即1W,系统尺寸再减小30%,达到230平方毫米。吴娟坦言,要同时做到高功率和小尺寸很不容易,比如在设计时团队遇到了1W供电对应的芯片发热的难题,后来是通过优化控制发射功率抑制了LSI的发热,从而实现了高功率无线供电。

ML766x搭载了包括发射端LSI“ML7661”和接收端LSI“ML7660”。在谈及如何使ML7660的系统尺寸比普通产品减少30%时,吴娟解释说:“因为普通产品的系统构成主要有天线、分离元器件以及微控制。我们主要通过两个方式把系统尺寸总体减少,一是减小了天线,天线尺寸跟共振频率是成反比关系,可以看到普通产品和Qi规格产品用的都是几百KHz的通信频率,我们通过把频率提高到13.56MHz,使天线比其他产品的天线减小了很多,实现了小型化;二是系统无微控制器实现通信,我们通过内置SPI/I2C通信协议,使得系统即便没有MCU也可以进行相互通信。通过以上两种手段实现了超小化的系统尺寸,可以看到尺寸大概是Qi的三分之一。”

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无线充电和NFC功能二合一

通过无线充电跟无线通信复用一个13.5MHz频率,新产品可实现用一根天线同时进行无线供电和无线通信两种功能。同时非接触通信NFC的典型模式也由三种通信模式——读卡器模式、卡模拟模式、点对点模式,新增一个无线供电模式,变为四种通信模式。

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我们可以看到,发射端ML7661内置了一个SPI/I²C的串口,接收端ML7660也内置了SPI/I²C的串口,490Byte闪存和10位A/D转换器,同时内置的NFC Forum Type 3 Tag功能,能够使新产品与符合NFC通信功能的一些读写器进行通信。

针对无线供电的这两种功能,吴娟分享了两个用于旋转产品上的应用例子,这两个例子都是目前为止有线无法实现的。首先是游戏电脑上冷却风扇的应用。游戏厂家会把LED灯装在电脑的旋转风扇上以追求酷炫的感觉,而有线充电容易造成线缠绕,所以只能通过无线供电/通信方案解决这个问题。此方案一方面可以通过无线供电从主板那边给我们的LED供电,另一方面由于LED板上带有位置传感器,通过位置传感器获得的位置信息又可以通过无线通信传递给主板,让主板控制风扇的转速。此方案可以实现有线难以实现的功能,大大提高了设计的灵活性。

另外一个案例也同样是旋转的产品。通过扭矩传感器检测使用者对踏板的用力程度来改变它的速度。如果踏板上的扭矩传感器与主板之间是有线通信的话,同样也会存在线缠绕的问题,所以采用无线供电/通信方案。通过无线充电的方式,从主板上获得电能给扭矩传感器,扭矩信号再通过无线通信传递给主板,此应用也是通过我们的无线方案提高客户设计灵活性和可靠性的案例。

值得一提的是,ML766x搭载的发射端和接收端两个LSI,其中发射端LSI“ML7661”是40pin WQFN的封装,接收端LSI“ML7660”有两种封装,一个是30pin WL-CSP,另一个是32pin WQFN。如果充电目标的尺寸较小,同时对充电系统的小尺寸要求较高,则推荐使用30pin WL-CSP,这种封装的优点是能够在最大程度上做到小且薄,更适用于小型设备。

目前,蓝碧石科技正开发适用于250mW电子笔应用的无线供电产品,并计划开发适用于3W耳机、电子烟、便携音箱等的更多产品,一步一个脚印向着“将无线供电扩大应用到各种应用产品”的目标前进!

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