超小尺寸1W无线供电芯片组令可穿戴设备一举多得

 

 
近年来，对提高小型电子设备（尤其是小型医疗设备）防触电安全性的需求越来越多。通常，无线供电没有电源连接器，其密封外壳可以提高防水、防尘性能，因此可大幅提高充电和人体出汗时的防触电安全性。虽然目前无线供电领域已有非常普及的Qi标准产品，供电量最高可达15W，但其包括天线尺寸和芯片组在内的系统尺寸很大，因此很难安装在可穿戴设备中，所以不适用。
针对上述难题，全球知名半导体制造商ROHM集团旗下的蓝碧石科技株式会社（简称“蓝碧石科技”）开发出高达1W的无线供电芯片组“ML7661”（发射端）和“ML7660”（接收端），令可穿戴设备的无线供电难题迎刃而解。
 
小体积、高供电量的挑战
在推出体积小巧、供电量高达1W的新产品之前，蓝碧石科技就采用13.56MHz作为无线供电频段开发出了内置无线供电功能和非接触式通信功能，且供电量为200mW的无线供电芯片组“ML763x”，并于2020年6月投入量产。投入市场以来，该产品获得了用户的高度好评，与此同时，用户也希望芯片组能够进一步提高供电量，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。
所谓“无线供电”是利用电磁感应原理为可穿戴设备等提供小型化、充电便利性，仅需放置即可充电的供电模式；同时可以保证更高的防水性、防尘性，降低触电风险。电磁感应供电模式包括两个部分组成，一个是发射端，另一个是接收端。当发射端通上交流电时，线圈中就会产生变化的感应磁场；接收端接收到变化的磁场就可转化为电流。
 

 
在以无线供电供电量区分的典型应用中，蓝碧石科技的无线供电产品支持供电量3W以下的各种小型电子设备。
 

 
不过，面对的挑战在于，实现高达1W的供电量仍比较困难，因为TWS（真无线立体声）耳机完全无线，仅在听音乐时工作，其电池容量小，一般为40mAh；助听器始终工作，但需要大电池容量，一般为60～100mAh，所以电池容量是大型可穿戴设备面临的难题，而200mW供电量所需充电时间较长；按照Qi标准（650mm²）其尺寸也较大。所谓Qi标准是由无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）制定的无线供电国际标准，适用于智能手机的无线供电。
所以，虽然看起来都是可穿戴设备（智能耳戴式设备），但是电池容量较大的可穿戴设备迫切需要小型且供电量500mW以上的产品。
 

 
鱼与熊掌如何兼得？
据介绍，新产品无线供电芯片组“ML766x”采用磁场共振方式供电方式，以业界超小系统尺寸使可穿戴设备同时具备了无线供电和非接触通信两种功能，进一步扩大了可配备无线电源的应用范围。
新产品的特点之一是实现高达1W的供电量，从无线供电产品对比来看，对于小型电子设备来说，15W供电量超出规格且面积过大。新产品根据所需供电量优化控制发射功率，则可以抑制LSI主体的发热量，实现高达1W的无线供电。
另外，由于采用13.56MHz高频段供电，天线尺寸可以更小，与普通产品相比，系统尺寸可以缩小30%，因此非常适用于腕式血压计、智能手表以及助听器等小型电子设备。
此外，内置支持I²C接口和SPI接口通信协议，除高速通信，还可以连接多个从机；内置电力传输和接收所需的控制电路，无需微控制器即可控制搭载了这些功能的数字传感器等。这样就可以削减微控制器的安装空间，即使与同为1W级供电量的普通产品相比，新产品在业内的系统尺寸也是超小的。
 

 
第二个特点是兼具无线供电和非接触通信两种功能。普通产品的供电和通信都需要使用天线，无线供电频率采用13.56MHz；新产品只用一根天线，使用13.56MHz频率的近场通信（Near Field Communication，NFC）技术，可以在短距离内进行通信。其标准规范是由行业标准组织“NFC论坛”制定的，ROHM是NFC论坛的准会员。
NFC的典型模式包括：读卡器模式（非接触式读卡器）、卡模拟模式（非接触式卡片）、点对点模式（非接触式通信）、无线供电模式（无线供电），这样，一组新产品可同时实现无线供电和非接触通信两种功能。
 

 
第三个特点是可构建无微控制器系统，有助于缩短开发工时。使用新产品只需调整电力传输量以提高供电效率，并根据二次电池的规格设置温度阈值等参数，即可轻松构建系统。这样就无需系统控制用的微控制器及其程序开发，缩短产品开发时间。此外，新产品还有低功耗模式，大大降低了系统待机时的功耗。
 
适合哪些应用？
关于应用，由于兼具无线供电和非接触式通信两种功能，新产品非常适用于需要长时间佩戴、电池容量较大的可穿戴设备，例如腕式血压计、智能手表、助听器等。此外，由于新产品使用了13.56MHz的高频段，因此也支持频率相同的近场通信标准NFC非接触式通信。
由于只用1个芯片组即可进行无线供电和通信，因此在具有旋转机构（在有线供电系统中会限制设计的灵活性）的设备中，比如工业设备、电脑冷却风扇和电动自行车的转矩传感器等应用，有助于提高产品的可设计性和设计灵活性。
此外，通过采用蓝碧石科技自有的通信格式，将数据通信间隔由ML763x中的4ms缩短至ML766x中的1ms，可以实现更实时的转速控制和监测。
例如，在游戏PC应用中，新产品可以增加电脑等设计的灵活性。之前冷却风扇要用导线连接，受到与元器件之间位置关系等影响，安装位置受到很大限制，现在，通过同时兼顾风扇供电和风扇转速反馈功能，实现了风扇的灵活配置，提高了设计灵活性。
新产品的另一个应用是电动自行车转矩传感器，它可以将旋转过程中力的大小（转矩）转换为电信号。之前要用导线连接旋转部分的传感器，需要处理导线缠绕的问题，还要花费大量的时间来设计外壳。现在，用新产品以无线方式向传感器供电并与传感器进行通信，提高了设计灵活性和可靠性。
 

 
据介绍，新产品已于2021年9月开始出售样品，计划从2022年4月开始暂以月产10万个的规模投入量产。
 

 
未来如何？
为了帮助可穿戴设备开发工程师评估新产品，芯片组备有“ML766x”评估套件，可轻松对13.56MHz无线供电进行评估。利用评估板的天线只需向发射板供电即可确认工作情况；将充电IC和电池连接到接收板，即可轻松评估电池的充电情况，还可以使用软件（配置工具，即Configuration Tool）根据用户的系统更改LSI设置。所提供的配置工具、天线设计和天线调整相关的文档，可以帮助用户通过电脑进行单独设置，根据客户需求构建各种供电系统。
 

 
在终端用户方面，蓝碧石科技的无线供电产品也考虑了未来的使用要求，例如，中国《无线电管理规定》修订版可能对部分频段的使用进行管制，以防止无线供电的频段乱用导致的电波干扰，管制后仍可连续使用的频段有两个：一是移动和便携式无线充电设备（～50W），蓝碧石科技不同产品的无线供电为13,553kHz～13,567kHz（13.56MHz）、6,765kHz～6,795kHz和100kHz～148.5kHz；二是电动汽车用无线充电设备19kHz～21kHz和79kHz～90kHz。蓝碧石科技无线供电产品采用频段13.56MHz，可以放心使用。
 


当然，蓝碧石科技还在不遗余力地开发主要面向小型化、薄型化的LSI，将无线供电扩大到各种产品应用中，为打造人类宜居的智慧社会贡献力量。
 
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