国产无线充电芯片的技术和应用分析

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自从100年前物理学家尼古拉·特斯拉提出无线电力传输的构想,“无线充电”技术已经取得了极大的进步,但在商业化应用方面一直进展缓慢。直到最近几年手机无线充电流行起来,“无线充电”这一技术才为大众所熟知,在帮助手机用户摆脱线缆纠缠的同时,开始渗透到更多应用领域,小至TWS耳机和微型IoT传感器,大至厨房电器和电动汽车。

无线充电技术和标准

目前,实现无线电力传输主要有以下几种方式:电磁感应(Inductive)、磁场共振(Resonant)、射频微波(RF)。其中,采用电磁感应和共振技术的无线充电标准是无线充电联盟(WPC)的Qi规范;而AirFuel联盟则主推共振和RF技术。

电磁感应技术是目前市场上最为成熟的技术,其基本原理是电流通过发送端线圈时产生磁场,对附近的接收端线圈产生感应电动势进而产生电流,从而实现电能从传输端向接收端的转移。WPC联盟的Qi标准就是采用电磁感应式的技术方案,这种方式转化效率比较高,但是传输距离较短,仅为10mm 左右。此外,这种方式对设备的放置位置有一定要求,充电时需要对准线圈一对一进行,对用户来说有点不太灵活方便。

在所有的无线充电产品中,基于电磁感应方式的最多,既有日用小家电比如电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话,也包括智能终端如手机,平板电脑等。目前,基于电磁感应方式的无线充电技术面临的主要挑战在于充电设备摆放位置的苛刻要求、充电距离的局限性,以及线圈感应发热等。

三星和安卓阵营的手机厂商早就在其旗舰手机型号中增加无线充电功能,而苹果也于2017年发布iPhone 8时开始支持无线充电功能,它们都支持Qi无线充电标准,为用户带来了很大便利。现已为普通消费者所熟悉的无线充电板就是一个无线充电发射器,只要符合Qi规范,都可以进行无线充电。在电磁感应技术应用方面,国内公司(包括芯片供应商、无线充电器厂商,以及手机和终端厂商)已经走在了无线充电行业的前沿。Qi在中国的应用产品主要是手机,这是第一个阶段,以后会扩展到不同类别或更高功率的数码产品中。

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成立于2008年的无线充电联盟(WPC)现有联盟会员650多家,其Qi无线充电标准已经得到3000多个产品的支持,其中包括2600多个发射器和充电产品。除了手机外,目前已经有超过120款汽车型号支持Qi无线充电。

跟电磁感应技术一样,磁场共振技术也采用线圈,但是通过谐振的方式传输电能。以被苹果收购的PowerbyProxi为例,其无线充电技术原理大致如下:

  1. 主电压转换为高频交流电(AC);
  2. 电流通过发射电路传输到发射线圈;
  3. 流经发射线圈的电流产生磁场,引起一定距离内接收设备中接收线圈的谐振;
  4. 接收线圈产生电流;
  5. 电流被接收端电路转换为直流(DC),然后给接收设备的电池充电。

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共振技术相比感应技术的优势在于,接收和发射设备不需要严格耦合和对齐,只要松散耦合即可实现无线充电,而且传输距离也较远,可以达到50mm。

由A4WP和PMA合并而成的AirFuel联盟成立于2015年,现正积极推广共振技术和RF技术到手机之外的其它应用市场,包括物联网、医疗设备和电动汽车等。

就目前无线充电技术标准和联盟来看,Qi联盟成员数量最多,包括TI、飞利浦、HTC、诺基亚、三星、索尼爱立信、百思买等知名企业都是该联盟的成员。不同品牌的产品,只要有Qi标识,都可以用Qi无线充电器充电 —— 克服了无线充电“通用性”的技术瓶颈。在不久的将来,手机、相机、电脑等产品都可以用Qi无线充电器充电,为无线充电的大规模应用提供了可能。

由于 Qi 联盟成立早、会员多、市场认可、兼容性强,所以Qi 协议在小功率无线充电市场上,尤其是手机无线充电市场上具有绝对领导地位。

无线充电市场规模和增长趋势

据统计,2019年带无线充电功能的手机占出货量的比例约为20%,到2022年这一渗透率有望提高至35%。目前苹果的iPhone、AirPods和AppleWatch均已标配无线充电,而安卓手机的无线充电则正在从旗舰机向中低端机型渗透。据Strategy Analytics统计,2021年全球有超过10亿部手机带有无线充电功能,TWS无线充电仓市场也有强劲增长。带有Qi认证标识的无线充电接收设备(RX)约有5.15亿个,而无线充电发射器(TX)约为1.97亿个,这些设备包括手机、平板、可穿戴设备,以及汽车和公共场所的售后市场配件、嵌入式充电器等。

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总的Qi认证设备出货量相比2020年增长30%,预计到2025年平均增长约为24%。从地域市场市场来看,亚太地区仍然是最大的无线充电市场,占比高达39%,其中中国市场是Qi无线充电普及的主要驱动力。

手机产品仍然是无线充电行业重要的细分领域,2021年手机领域用无线充电市场规模约为68.7亿元,同比增长9.6%。随着无线充电在手机上的应用越来越普及,无线充电在其它各类终端应用中也会逐渐兴起。

根据市场调研机构 BCC Research 关于无线充电发射器的报告数据,2017年全球无线充电器市场规模为10.58 亿美元,预计到2022年全球无线充电器市场规模将达到15.64亿美元,年复合增长率约为 8.1%。另据一家国内权威市调机构预测,在2021-2027年间,全球无线充电器市场将以19.8% 的复合年增长率增长,其主要驱动因素包括国家双碳政策支持、清洁能源普及、移动通信技术的发展等,这都将为无线充电的发展提供新的机遇。

经过多年发展,无线充电行业已经形成完整的产业链,包括方案设计、芯片、线圈、磁性材料和模组制造等环节,其中方案设计占比30%;充电芯片占比28%;磁性材料21%;线圈14%;模组制造7%。在这些价值节点中,方案设计和芯片具备较高的技术壁垒,约占产业链价值量60%,主要被意法半导体、瑞萨和博通等国际芯片巨头所垄断。国内企业在无线充电关键零部件市场也开始逐渐变强,中兴通讯、信维通信、美芯晟和英集芯等国产厂商在产品技术和应用设计方面都逐渐接近国际厂商。

无线充电应用场景和案例

多年来,一直都有学术和科技企业界研究无线充电的技术和应用,但因为没有统一的标准,其应用仅限于特定领域,一直没有进入主流商业市场。现在,技术相对成熟了,行业标准规范也比较完善了,无线充电进入消费者日常生活和商业应用场景中应该是水到渠成的事了。智能手机的无线充电只是一个爆发点,接下来物联网和新能源汽车将会带动无线充电更大的增长。

按照充电功率的大小,无线充电的应用大致可以分为如下类别:

a) 微功率设备(<5W):包括智能手表、TWS耳机、可穿戴设备、智能传感器、低功耗IoT设备和医疗设备等。AirFuel联盟主推的RF技术标准将成为这一细分市场的主要推动力。

b) 小功率设备(5-15W):智能手机是这一细分市场乃至整个无线充电市场的主导者,其它小功率电子产品还包括平板电脑、POS机、摄像头和智能家居设备等。WPC Qi将继续主导这一细分市场,但AirFuel RESONANT标准也将得到更多采用。

c) 中功率设备(30-65W,高至200W):包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑、机器人、无人机、扫地机、割草机、电动工具、小家电,以及工业物联网设备等。传统需要插入电源线充电的设备都有可能被无线充电所替代,再配合智能控制或显示功能,将让这个细分市场的传统设备焕发新的活力。这一市场也将成为WPC Qi和AirFuel RESONANT标准的竞争高地。

d) 大功率设备(200W-25KW):包括厨电、电动自行车、AGV和电动汽车等大功率电子电气设备。WPC在发展针对厨房家电、电动自行车和AGV等大功率设备的无线充电标准规范,AirFuel RESONANT标准在这一细分市场进展更快,其中最有代表性的就是从MIT独立出来的大功率无线充电技术公司WiTricity。

中大功率设备终端,尤其是手机端为代表的智能终端的充电功率迅速提升,从一开始的充电功率只有5W到现在可以实现100W甚至更高的充电功率,并且部分型号手机还搭配的反向无线充电的技术,可以为智能手表、TWS耳机等设备充电。手机端无线充电应用要克服机体轻薄、效率、发热、对位、材料属性、空间限制和置入成本等技术难点,故而手机内部的接收端芯片设计技术更为复杂且技术壁垒较高。

下面以美芯晟充电功率100W同时具备18W反向充电的无线充电接收端芯片为例,来说明智能终端高功率应用的设计方案。通过采用自创的高功率RX+2:1电荷泵双芯片架构,该接收端芯片MT5785集成了无线充电接收功能所需的一切,可提供高达100W的输出功率,同时具备18W反向充电功能,转化效率达到98.5%,支持WPC最新的BPP与EPP认证,同时支持主要手机厂商的专有无线快充协议,可广泛应用于智能手机、笔记本电脑、电动工具等领域。据了解,美芯晟已经成功研发并量产1W~100W无线充电接收端和发射端全系列芯片,部分关键性能指标处于行业领先水平,终端产品覆盖了小米、荣耀、传音等知名品牌。

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无线充电芯片厂商

拥有无线充电技术和芯片产品的国际厂商包括:瑞萨(收购IDT和Dialog)、ST、博通、NXP等一流芯片厂商。国产无线充电芯片厂商主要包括:美芯晟、伏达半导体、易冲无线、英集芯等为代表的芯片设计商。

无线充电在手机应用上的成功将推动这一新兴充电方式往可穿戴设备、家电、电动工具甚至汽车等更多应用市场渗透,这为无线充电芯片开发商提供了更大的发展空间。以美心晟为代表的国产无线充电芯片厂商凭借在手机无线充电领域积累的技术和市场经验,将在更广阔的无线充电市场抢占更多市场份额,甚至成为全球无线充电市场的领导者。

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