英飞凌高度集成的WLC1115无线充电控制器的主要功能、优点和应用示例

作者：Prasanna Vijayakumar，USB电源和无线充电应用总监，英飞凌科技

感应充电概述和Qi规范

无线充电技术的范围从感应、磁共振和电容到射频辐射、激光、声学和其他新兴技术。感应耦合技术处于领先地位[1]，因此其相关标准Qi在无线充电中最为普遍。
 
感应充电根据法拉第定律工作，功率变送器（PTx）线圈中的交流电产生交变磁场。然后，该磁场与功率接收器（PRx）线圈相互耦合，并转换回交流电，为连接在接收器侧的直流负载整流。
 
无线电源联盟（WPC）管理该技术的相应规范发布。目前，在1.3.2版本中，Qi规范的新版本通过采用增强的异物检测（FOD）、具有私钥存储的发射器认证和更好的互操作性的协议功能，清楚地表明了安全、高功率（>5W）无线充电的意图。Qi规范的基线功率分布（BPP）将最大输送功率限制为5W，而扩展功率分布（EPP）支持高达15W的功率传输。

然而，在通过USB-C接口进行快速有线充电的强大智能手机时代，使用Qi无线功率传输的用户充电速度体验仍在不断发展，为新的解决方案铺平了道路。本文介绍了英飞凌的第一代无线充电控制器，该控制器集成了最新的Qi发射器、USB-PD/PPS接收器、DC/DC控制器、栅极驱动器、传感/保护外围设备和可配置闪存。我们的可编程解决方案提供了更高级别的灵活性和集成优势，使设计师能够扩展更高的功率级别，并允许原始设备制造商提供不同的功能，同时保持Qi兼容。

具有Qi向后兼容性的专有电源扩展

虽然感应式无线充电的标准之战可能已经结束，但OEM仍然希望实现差异化功能和增强用户体验。这导致出现了与Qi标准共存的专有快速充电协议。
专用电力传输扩展（PPDE）的WPC协议规定使制造商能够扩展其解决方案的能力。此外，一些智能手机OEM提供高达50W的专有高功率感应无线充电，受地区频谱法规的限制。随着Qi标准的不断发展，未来可能会提供快速充电和更高的功率容量，产品制造商寻求灵活、可编程的解决方案，这些解决方案可以进行软件升级、维护，并在产品生命周期内提供增强的用户体验。

WLC1115发射器控制器IC的主要功能

集成降压和逆变器功率级

英飞凌的WLC1115发射器控制器IC是一款高度集成、符合Qi标准的无线发射器，具有集成的USB Type-C功率传输（PD）。它符合最新的Qi和USB-C PD规范，并具有用于降压和逆变功率级MOSFET的集成栅极驱动器。它还包括硬件控制的保护功能。
WLC1115使用集成降压控制器生成所需的桥电压，为全桥逆变器供电，全桥逆变器反过来向功率发射器（PTx）LC电路供电，以向功率接收器（PRx）供电。降压转换器支持4.5 V至24 V的输入电压范围。
WLC1115的集成栅极驱动器设计用于根据Qi规格类型和操作场景控制全桥或半桥逆变器。图1所示的基于MP-A11线圈的发射器系统对逆变器级使用固定频率可变输入电压控制。


图1：具有WLC1115的无线功率发射系统[4]
 
在这种发射器中使用WLC1115对功率级有以下好处：

1.  基于局部放电的高度集成解决方案，符合最新的USB Type-C局部放电要求
2. 集成栅极驱动器和固件可配置的开关栅极驱动器强度
3. 可编程开关频率范围高达600 kHz
4. 灵活地将输入电压从5 V动态更改为20 V，带有局部放电输入
   1. 这有助于实现USB-PD型输入的良好效率。例如，可以动态配置输入电压，使降压级输入接近输出，从而优化降压级效率。从15 V PTx输入到12 V PRx输出测得的峰值15 W效率大于83% [3]。
   2. 通过在空闲模式下以5 V电压工作来降低待机功率，通常约为67 mW [3]，并且可以通过系统特定固件增强进一步降低到25 mW以下。
5. 降压级输入和输出侧的保护：
   1. 输入UVP、OVP
   2. 输出UVP、OVP
   3. 输出OCP、SCP
   4. 局部放电专用保护（例如，V_BUS到CC短路）
   5.  

通信和身份验证

Qi EPP标准要求双向带内通信。从PTx到PRx的通信基于PTx实现的频移键控（FSK）方案，交替载波频率。从PRx到PTx的通信基于幅度移位键控（ASK）方案，该方案通过调制PRx侧的负载而创建，导致反射出现在PTx上，该反射被过滤和解码。
位于PTx侧的WLC1115发射器控制器通过检测PTx线圈中的电压和电流变化来实现ASK解调和解码方案。在FSK中，PTx将其工作频率从电流更改为备用频率以编码信息。
Qi 1.3.x规范要求对超过5W的EPP功率传输进行身份验证。它遵循公钥加密，依靠公钥和私钥对加密和解密内容。这些密钥在数学上是相关的，其中一个密钥加密的内容可以使用另一个密钥解密。私钥是最敏感的安全凭据，必须安全存储。公钥通常是二进制证书的一部分，该证书通过带内通信介质传输给接收方。
 
根据Qi规范，出于数字签名目的，PTx必须在存储子系统中安全地托管产品单元的私钥。该私钥用于对来自功率发射器的质询认证响应进行数字签名。我们的解决方案使用OPTIGA™ Trust Charge器件存储私钥（图2）[5]。


图2：英飞凌配套参考套件中的关键控制器

配套REF套件，无线充电MP A11电源发射器REFWLCTX15WC1，使用英飞凌的WLC1115发射器控制器IC和OPTIGA™ 用于无线充电的Trust Charge IC认证解决方案满足Qi认证的要求。

异物检测（FOD）

根据Qi v1.3.2标准，WLC1115发射器控制器还支持增强型异物检测（FOD）。这包括基于Q因数、谐振频率、功率损耗和过温（如果使用热敏电阻）的FOD。
在功率传输阶段之前，对FOD使用Q因子和谐振频率测量。PRx报告用Qi定义的参考线圈校准的Q因子和谐振频率参考值。PTx将报告值与其现场测量值进行比较，以确定是否存在异物。比例因数用于将PRx报告的Q因数和谐振频率值转换为与参考发射器线圈等效的值，并适应测量变化。
功率损耗法主要用于功率传输阶段。功率损耗FOD使用在降压输出处测量的PTx功率，该功率馈送到逆变器电桥。通过调整FOD系数来进一步调整PTx功率，以考虑逆变器损耗和友好金属损耗。计算校准的PTx功率后，将结果与最新的PRx报告功率值进行比较。如果校准的PTx功率和PRx功率之间的差值超过P_loss阈值，则记录FOD事件。
为了防止错误的断开连接并改善用户体验，WLC1115使用了一种自适应算法，该算法区分了真实P_loss FOD和由低耦合PRx引起的P_loss。FOD系数和P_loss阈值完全可配置，以适应系统设计。例如，图3显示了使用具有磁性对准辅助以及潜在友好金属的PRx改善有源充电区域。


图3：自适应异物检测（FOD），苹果iPhone 12的有效充电区域提高了74%
 
另一个示例（表1）显示了我们的PTx和自适应FOD算法检测物体的能力，如Qi规范[2]所定义的不锈钢，作为FO1，同时在像智能手机这样的大型平板电脑充电期间引入。


表1：大型智能手机异物检测（FOD），使用三星Note 20智能手机检测FO1的能力高达10 mm
 

专有扩展的可编程性

使用WLC1115无线充电控制器IC的配套参考板支持三星专有充电扩展。所含软件向堆栈库提供应用程序编程接口（API），这些应用程序编程接口提供了对各种功能的访问，可用于在Qi上进一步实现此类专有协议扩展。如图4所示，三星手机的PTx功耗约为9 W，而BPP仅为5 W。


图4：三星Galaxy S21智能手机的充电周期结果（具有三星专有扩展）

使用WLC1115的各种应用可配置软件

英飞凌的WLC1115发射器控制器IC配备了Qi v1.3.2认证的MP A11功率发射器参考解决方案，针对各种应用，包括智能手机、智能扬声器、扩展底座、显示器支架以及工业或医疗保健配件（图5）。


图5：Qi v1.3.2认证MP A11发射器，具有业界领先的集成功能，最大输出功率为15 W
 
除了参考解决方案外，通过Infineon的ModusToolbox™固件库软件WLC1115还支持可用于下载的配置实用程序和固件库。该实用配置是一个Microsoft Windows应用程序，引导WLC1x用户完成芯片的配置和编程过程。该实用程序与提供的硬件协同工作，硬件将WLC1x控制器IC与USB接口托管在一起。图形用户界面（GUI）允许用户直观地选择和配置应用程序参数。其中一些参数（如FOD调谐）也在应用说明[6]中作了进一步解释。除了无线充电参数外，该实用程序还提供了能够配置USB-PD输入和保护的参数（例如OVP、OCP和OTP）。

例如，根据英飞凌的开发者社区知识库文章[7]，REF解决方案可以实现基于DC输入功率的无线充电操作。这非常适合具有固定电压轨的应用，例如工业机器人、扩展底座和售后配件。软件配置的灵活性为最终产品设计师提供了从概念到大规模生产阶段的高度自由。

结论

过去几年，智能充电技术的组件和应用发展非常迅速。虽然人们一直在将有线充电标准化为USB-C[8]，以实现通用连接器，但也有一种日益增长的趋势，即使充电更普及，更方便各种用户群体是无线充电的原动力。
我们的无线充电解决方案具有集成USB-C PD，结合英飞凌的OPTIGA™ Trust Charge 认证，为希望开发符合Qi v1.3.2标准的发射器的OEM提供引人注目的BOM价值主张。关键功能，如自适应FOD、支持专有协议、DC/DC控制器集成和软件库，使我们的平台独特且定位良好，以满足感应无线充电的专有和新兴Qi标准。
请访问我们的无线充电IC网站，了解英飞凌的WLC可编程解决方案如何能够提供所需的灵活性，以扩展到更高的功率水平，同时保持Qi兼容。
 
英飞凌 Technologies

参考文献

[1] Sánchez et al., “Technical Supporting Study to Assess The status of Wireless Charging, ” European Commission, Fraunhofer IZM, 2021-09-07
[2] Wireless Power Consortium Qi Specification
[3] Infineon Technologies, “WLC1115 15-W MP-A11 wireless power transmitter reference board (REF_WLC_TX15W_C1) test report,” User Guide, 002-35395 Rev. A, 2022-05-25
[4] Smith, Kedilaya, “Hardware design guidelines for WLC transmitter,” Application Note, AN235387, 2022-05-12.
[5] Ramanujam, “Provisioning OPTIGA™ Trust Charge for WLC transmitters,” Application Note, AN235196, 2022-05-02
[6] Ramanujam, Chelluri, “Foreign object detection tuning guide for wireless power transmitters,” Application Note, AN234970, 2022-05-03.
[7] Infineon Technologies, “Enabling DC input power-based wireless charging operation on the REF_WLC_TX15W_C1 reference board,” Knowledge Base Article, KBA235366
[8] European Commission, “Proposal for a Directive amending Directive 2014/53/EU on the harmonization of the laws of the Member States relating to the making available on the market of radio equipment,” Online Document, 2021-09-23
 

作者简介

Prasanna Vijayakumar是英飞凌科技应用总监，负责USB电源和无线充电。他拥有印度皮拉尼BITS学士学位和英国剑桥阿鲁MBA学位。作为半导体和系统工程领域经验丰富的领导者，他建立并领导了高性能产品团队，为无线充电、汽车控制器、高密度USB-PD适配器和工业大功率照明（包括有线和无线连接）提供不同的价值。此外，在职业生涯中，他在自己的领域申请了6项专利。