第一期，我們用看圖說(shuō)話的方式理解了無(wú)線充電的基本原理。這一期我們來(lái)談?wù)劅o(wú)線充電的速度。
我們將這一期內(nèi)容分成以下4部分：
  1. 鋰電池充電原理
  2. 無(wú)線充電原理回顧
  3. 目前市面上的手機(jī)如何進(jìn)入無(wú)線快充
  4. 發(fā)射端如何提高手機(jī)充電速度
閱讀提示：
  1. 第一部分和第二部分比較偏技術(shù)；
  2. 第二部分闡述了決定無(wú)線充電速度的根本原因，建議閱讀；
  3. 第三部分和第四部分更貼近實(shí)際應(yīng)用，大家也可以選擇優(yōu)先閱讀。
一、鋰電池充電原理
  • 鋰電池前面往往會(huì)有一個(gè)電池充電芯片（Charger），它來(lái)控制電池的充電速度。
  • 電池是什么？你可以把它看成一個(gè)大電容，流進(jìn)它的電流決定了它充電的快慢。
  • 鋰電池充電分四個(gè)階段：
1. 涓流充電：在電池電量很小、接近徹底放完的狀態(tài)時(shí)，對(duì)手機(jī)進(jìn)行預(yù)充電，這時(shí)候電池充電芯片會(huì)固定輸出一股很小的電流，常常為正常充電的1/10。比如正常充電電流為1A，那么涓流充電可能是100mA。
2. 恒流充電：涓流充電完畢，電池充電芯片會(huì)增加電流的輸出，并恒定該電流對(duì)電流持續(xù)充電。電池充電的大部分時(shí)間都處于恒流充電階段。
3.恒壓充電：當(dāng)電池接近充滿時(shí)，電池充電芯片會(huì)恒定一個(gè)輸出電壓，充電電流的大小由電池內(nèi)部電壓、內(nèi)部電壓和輸出電壓之間的內(nèi)阻決定。即：充電電流=（輸出電壓-內(nèi)部電壓）/電池內(nèi)阻。
4.停止充電：停止充電有兩種辦法：恒壓階段充電電流小于某個(gè)值則停止充電；或者從恒壓充電開始計(jì)時(shí)，兩個(gè)小時(shí)之后停止充電。
  • 電池充電的大部門時(shí)間處于恒流充電階段。如果識(shí)別為快充狀態(tài)，電池充電芯片會(huì)輸出大電流；如果識(shí)別為慢充狀態(tài)，電池充電芯片會(huì)輸出小電流。為了安全考慮，在手機(jī)內(nèi)部溫度過高時(shí)，電池充電芯片也會(huì)輸出小電流來(lái)減少手機(jī)內(nèi)部的功率損耗。
二、無(wú)線充電原理回顧
  • 手機(jī)端，無(wú)線充電系統(tǒng)會(huì)給LDO的輸出設(shè)置一個(gè)目標(biāo)電壓，常見的有5V或者9V，來(lái)作為電池充電芯片的供電。
  • 發(fā)射端則是為了控制LDO的輸入電壓（VRECT），保證LDO輸入電壓比輸出電壓高一點(diǎn)，這樣LDO的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最高。
  • 電池充電芯片實(shí)際控制著電池充電的充電電流，它會(huì)主要考慮兩個(gè)因素：1. 手機(jī)是否進(jìn)入快充？2.溫度是否太高？
  • 下圖為無(wú)線充電器給三星手機(jī)充電典型的充電曲線。涓流充電分辨不出，在很多情況下會(huì)被省略。溫度過高時(shí)，電池充電芯片會(huì)自動(dòng)降低充電電流。
Q&A
Q：常有人問，手機(jī)端不要這么大功率，發(fā)射端硬塞給它，這樣手機(jī)充電會(huì)不會(huì)快一些？
A：不會(huì)，反而會(huì)變慢。因?yàn)楫?dāng)發(fā)射端硬塞給接收端功率，會(huì)抬高VRECT的電壓，但LDO的輸出電壓VOUT不變，電池充電芯片控制的恒定輸出電流不變，LDO兩側(cè)的效率變差了。等效來(lái)說(shuō)硬塞給接收端的能量會(huì)消耗在LDO的損耗上，手機(jī)溫度會(huì)上升，上升到一定程度更容易引起電池充電芯片降低輸出電流。
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三、目前市面上的手機(jī)如何進(jìn)入無(wú)線快充？
  • 蘋果手機(jī)：識(shí)別無(wú)線充電開關(guān)頻率是否在127.7kHz附近。如果是，則進(jìn)入快充。
  • 三星手機(jī)：三星會(huì)發(fā)指令給TX請(qǐng)求進(jìn)入快充，如果TX通過FSK通信告訴三星手機(jī)，我可以支持你的快充，則雙方握手，進(jìn)入快充。弱加密，已經(jīng)被破解，三星也在最近的WPC會(huì)議上公開了它的協(xié)議。
  • 小米MIX2S：強(qiáng)加密算法，幾乎不可能破解。支持小米快充需要小米授權(quán)License。市面上目前只有兩款小米無(wú)線充電器（99元和69元兩款）支持小米快充。
  • 華為P20保時(shí)捷版：情況和小米MIX2S一樣。目前只有華為保時(shí)捷版無(wú)線充電器支持華為無(wú)線快充。
  • LG?V30：WPC官網(wǎng)顯示，通過了EPP認(rèn)證，支持EPP快充協(xié)議，也就是說(shuō)過了EPP認(rèn)證的發(fā)射端可能支持對(duì)它進(jìn)行快速充電；
  • Sony?XZ2：同LG?V30。
伏達(dá)15W-EPP產(chǎn)品 NU1509+NU1015
伏達(dá)半導(dǎo)體已經(jīng)推出了符合WPC EPP協(xié)議的15W解決方案，該方案采用標(biāo)準(zhǔn)的蘋果定頻調(diào)壓的快充架構(gòu)，支持蘋果快充、三星快充、以及通過EPP認(rèn)證的手機(jī)快充。整個(gè)方案采用第三代無(wú)線充電架構(gòu)，SoC +SmartBridge，該架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)不僅僅是集成度的提高和Cost的降低，更在于智能全橋能通過捕獲功率全橋中更全面的信息，來(lái)提高無(wú)線充電性能。
四、發(fā)射端如何提高手機(jī)充電速度？
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  • 滿足手機(jī)無(wú)線快充的條件；
  • 控制手機(jī)端VRECT電壓穩(wěn)定在目標(biāo)值；
    • 定頻調(diào)壓模式的調(diào)整更加線性，更容易滿足這個(gè)條件；
    • 變頻控制模式需要滿足頻率變化的Step足夠小，否則VRECT離目標(biāo)電壓會(huì)有比較大的偏差。很多廉價(jià)MCU的方案就是因?yàn)轭l率變化的精度不夠，無(wú)法過認(rèn)證，也會(huì)給手機(jī)無(wú)線充電帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。
    • 調(diào)占空比的方案也要滿足占空比的調(diào)節(jié)精度足夠高，否則VRECT離目標(biāo)電壓也會(huì)有大的偏差和波動(dòng)，這對(duì)MCU的要求比較高。同時(shí)，由于占空比方案很難將占空比調(diào)到非常低，否則可能會(huì)產(chǎn)生硬開關(guān)和通信問題。在低功率傳輸時(shí)，會(huì)引起發(fā)射端送出的功率大于手機(jī)的需求值，VRECT的電壓有遠(yuǎn)大于目標(biāo)值的風(fēng)險(xiǎn)。
  • 降低與手機(jī)接觸表面的溫度；
    • 線圈不要貼著發(fā)射端表面，通過空氣隔離。空氣是最好的隔熱層，可以防止線圈的熱傳到發(fā)射器外殼表面。
    • 在線圈底部隔磁材料下面增加散熱片，將線圈的熱盡快的導(dǎo)出。
    • 提高TX發(fā)射端的效率。
    • 增加空氣與外界的對(duì)流，加速散熱，比如在發(fā)射端內(nèi)部增加電風(fēng)扇。
    • 在環(huán)境溫度比較低或者有空氣對(duì)流的情況對(duì)手機(jī)進(jìn)行充電，比如把車載無(wú)線充電支架夾在空調(diào)出風(fēng)口。
第二期伏達(dá)學(xué)堂的內(nèi)容就到此為止，任何問題可以直接在文章下方或者公眾號(hào)留言，歡迎大家相互討論。伏達(dá)希望通過伏達(dá)學(xué)堂來(lái)營(yíng)造更加開放的無(wú)線充電開發(fā)環(huán)境，推動(dòng)無(wú)線充電的發(fā)展。
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