国产无线充电芯片的技术和应用剖析

自从100年前物理学家尼古拉·特斯拉提出无线电力传输的想象，“无线充电”技术曾经取得了极大的进步，但在商业化应用方面不时进展迟缓。直到最近几年手机无线充电盛行起来，“无线充电”这一技术才为大众所熟知，在辅佐手机用户解脱线缆纠缠的同时，开端渗透到更多应用范畴，小至TWS耳机和微型IoT传感器，大至厨房电器和电动汽车。

无线充电技术和规范

目前，完成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规范是无线充电联盟(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，其基本原理是电流经过发送端线圈时产生磁场，对左近的接纳端线圈产生感应电动势进而产生电流，从而完成电能从传输端向接纳端的转移。WPC联盟的Qi规范就是采用电磁感应式的技术计划，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请求，充电时需求对准线圈一对一进行，对用户来说有点不太灵活方便。

在一切的无线充电产品中，基于电磁感应方式的最多，既有日用小家电好比电动牙刷、电动剃须刀、无绳电话，也包含智能终端如手机，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应战在于充电设备摆放位置的苛刻请求、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用，而苹果也于2017年发布iPhone 8时开端支持无线充电功用，它们都支持Qi无线充电规范，为用户带来了很大方便。现已为普通消费者所熟习的无线充电板就是一个无线充电发射器，只需契合Qi规范，都能够进行无线充电。在电磁感应技术应用方面，国内公司（包含芯片供给商、无线充电器厂商，以及手机和终端厂商）曾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。

成立于2008年的无线充电联盟（WPC）现有联盟会员650多家，其Qi无线充电规范曾经得到3000多个产品的支持，其中包含2600多个发射器和充电产品。除了手机外，目前曾经有超越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，但是经过谐振的方式传输电能。以被苹果收买的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、电流经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，惹起一定距离内接纳设备中接纳线圈的谐振；

4、接纳线圈产生电流；

5、电流被接纳端电路转换为直流（DC），然后给接纳设备的电池充电。

共振技术相比感应技术的优势在于，接纳和发射设备不需求严厉耦合和对齐，只需涣散耦合即可完成无线充电，而且传输距离也较远，能够抵达50mm。

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

就目前无线充电技术规范和联盟来看，Qi联盟成员数量最多，包含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，只需有Qi标识，都能够用Qi无线充电器充电 —— 抑止了无线充电“通用性”的技术瓶颈。在不久的未来，手机、相机、电脑等产品都能够用Qi无线充电器充电，为无线充电的大范围应用提供了可能。

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，特别是手机无线充电市场上具有绝对领导位置。

无线充电市场范围和增长趋向

据统计，2019年带无线充电功用的手机占出货量的比例约为20%，到2022年这一渗透率有望进步至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年全球有超越10亿部手机带有无线充电功用，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纳设备（RX）约有5.15亿个，而无线充电发射器（TX）约为1.97亿个，这些设备包含手机、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。

总的Qi认证设备出货量相比2020年增长30%，估量到2025年平均增长约为24%。从地域市场市场来看，亚太地域依旧是最大的无线充电市场，占比高达39%，其中中国市场是Qi无线充电提高的主要驱动力。

手机产品依旧是无线充电行业重要的细分范畴，2021年手机范畴用无线充电市场范围约为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提高，无线充电在其它各类终端应用中也会逐步兴起。

依据市场调研机构 BCC Research 关于无线充电发射器的讲演数据，2017年全球无线充电器市场范围为10.58 亿美圆，估量到2022年全球无线充电器市场范围将抵达15.64亿美圆，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，其主要驱动要素包含国度双碳政策支持、清洁能源提高、移动通讯技术的延展等，这都将为无线充电的延展提供新的机遇。

经过多年延展，无线充电行业曾经构成完好的产业链，包含计划设计、芯片、线圈、磁性资料和模组制造等环节，其中计划设计占比30%；充电芯片占比28%；磁性资料21%；线圈14%；模组制造7%。在这些价值节点中，计划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端逐步变强，中兴通讯、信维通讯、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步接近国际厂商。

无线充电应用场景和案例

多年来，不时都有学术和科技企业界研讨无线充电的技术和应用，但由于没有统一的规范，其应用仅限于特定范畴，不时没有进入主流商业市场。往常，技术相对成熟了，行业规范规范也比较完善了，无线充电进入消费者日常生活和商业应用场景中应该是瓜熟蒂落的事了。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。

依照充电功率的大小，无线充电的应用大致能够分为如下类别：

a) 微功率设备（<5W）：包含智能手表、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技术规范将成为这一细分市场的主要推进力。

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含平板电脑、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规范也将得到更多采用。

c) 中功率设备（30-65W，高至200W）：包含智能手机、平板电脑、笔记本电脑、机器人、无人机、扫地机、割草机、电开工具、小家电，以及工业物联网设备等。传统需求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现功用，将让这个细分市场的传统设备焕发新的生机。这一市场也将成为WPC Qi和AirFuel RESONANT规范的竞争高地。

d) 大功率设备（200W-25KW）：包含厨电、电动自行车、AGV和电动汽车等大功率电子电气设备。WPC在延展针对厨房家电、电动自行车和AGV等大功率设备的无线充电规范规范，AirFuel RESONANT规范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，特别是手机端为代表的智能终端的充电功率疾速提升，从一开端的充电功率只需5W到往常能够完成100W以至更高的充电功率，并且部分型号手机还搭配的反向无线充电的技术，能够为智能手表、TWS耳机等设备充电。手机端无线充电应用要抑止机体轻薄、效率、发热、对位、资料属性、空间限制和置入成本等技术难点，故而手机内部的接纳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纳端芯片为例，来阐明智能终端高功率应用的设计计划。经过采用自创的高功率RX+2:1电荷泵双芯片架构，该接纳端芯片MT5785集成了无线充电接纳功用所需的一切，可提供高达100W的输出功率，同时具备18W反向充电功用，转化效率抵达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，可普遍应用于智能手机、笔记本电脑、电开工具等范畴。据了解，美芯晟曾经胜利研发并量产1W~100W无线充电接纳端和发射端全系列芯片，部分关键性能指标处于行业抢先水平，终端产品掩盖了小米、光彩、传音等知名品牌。

无线充电芯片厂商

具有无线充电技术和芯片产品的国际厂商包含：瑞萨（收买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含：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胜利将推进这一新兴充电方式往可穿戴设备、家电、电开工具以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延展空间。以美心晟为代表的国产无线充电芯片厂商仰仗在手机无线充电范畴积聚的技术和市场经验，将在更宽广的无线充电市场抢占更多市场份额，以至成为全球无线充电市场的领导者。