成功的設(shè)計(jì)：不僅是性能，還需兼具工藝與良率

故事一的主人公高全喜，是上海銳靈電子科技有限公司的研發(fā)經(jīng)理。值得一提的是，銳靈的無(wú)線充電產(chǎn)品在近日獲得了蘋果MFI(made for iPhone/iPod/iPad)認(rèn)證。通過(guò)蘋果MFI認(rèn)證的條件很苛刻，必須經(jīng)過(guò)蘋果一系列嚴(yán)格的測(cè)試與論證，認(rèn)證通過(guò)率僅有2%。高全喜分享了銳靈遇到的一些設(shè)計(jì)問(wèn)題：

“前一段時(shí)間的移動(dòng)電源+無(wú)線充電項(xiàng)目，在研發(fā)過(guò)程中遇到了一連串的問(wèn)題，比如無(wú)線效率低、升壓效率低而且波動(dòng)大等。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一大堆方案。對(duì)應(yīng)無(wú)線充電效率低的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)我們項(xiàng)目組有成員建議增加布線的線寬，有成員建議更換控制IC等，經(jīng)過(guò)多次討論以及各方案的初步排除試驗(yàn)，我們最終從眾多方案中選取了兩個(gè)可行性比較大的方案：方案一：更換MOS管，選取低導(dǎo)通阻抗MOS管，這樣會(huì)使得效率少高一點(diǎn);方案二：更換MOS管驅(qū)動(dòng)IC，因?yàn)镸OS管的死區(qū)時(shí)間和靜態(tài)工作電流對(duì)整個(gè)電路的影響是很大的，更換死區(qū)時(shí)間小和靜態(tài)電流小的驅(qū)動(dòng)IC，會(huì)使得效率升高。這兩個(gè)方案的優(yōu)劣幾乎部分高下，我們很難抉擇。”

“考慮到成本、性能的權(quán)衡，在加上時(shí)間的緊迫，所以采用兩個(gè)方案同時(shí)進(jìn)行的方式，我將項(xiàng)目組分為2組，一組選取低導(dǎo)通阻抗MOS管，一組選取更換MOS管驅(qū)動(dòng)IC的方式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果出來(lái)，更換低導(dǎo)通阻抗MOS管成本會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)方式，比如一個(gè)25毫歐(VGS=4.5V)的MOS管成本能到0.4元，一個(gè)16毫歐(VGS=4.5V)的MOS管成本能到1.1到1.5元，一個(gè)12毫歐(VGS=4.5V)的MOS管成本能到1.5到2元，以此類推，成本成現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，但是性能測(cè)試下來(lái)，效果改善不大，只從70%提高到72%。”

“與此同時(shí)，我們的第二個(gè)方案的結(jié)果也出來(lái)了，由于MOS管的死區(qū)時(shí)間需要整個(gè)電路的配合，MOS死區(qū)時(shí)間短了，就必須配合高速的MOS管，所以MOS管的開關(guān)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的結(jié)電容就必須考慮，因此這個(gè)方案試驗(yàn)起來(lái)會(huì)比較繁瑣，時(shí)間比較緊迫，但我們必須要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，所以我們將力量再一次分散，最終幾乎每個(gè)成員都在試驗(yàn)。”

“由于我們能量傳輸?shù)念l率能到205K，周期4us左右，所以我們?cè)仁褂玫乃绤^(qū)時(shí)間為400-650ns的ir2104就會(huì)產(chǎn)生了一定的影響，我們最終將ir2104換掉。經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試，我們更換了死區(qū)時(shí)間為40-50ns的MOS管驅(qū)動(dòng)IC，并選取了配套的MOS管AO3420，成本差別不大，然而效率呈現(xiàn)直線上升，最高效率可以測(cè)試到77%，這個(gè)問(wèn)題得到解決。”

“關(guān)于升壓效率低而且波動(dòng)大的問(wèn)題，我們當(dāng)時(shí)有成員主張我們自主研發(fā)，依照一個(gè)成熟的方案，提高其效率;有一部分成員主張選取新的方案?？紤]到目前移動(dòng)電源方案公司相當(dāng)多，所以我們最后決定，選取大量目前現(xiàn)有的移動(dòng)電源方案，分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試不過(guò)就換，最后選取了深圳一家公司的方案，采用ME2139升壓解決了這個(gè)問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)升壓可達(dá)到2A，效率可達(dá)到90%，而且輸出紋波也在要求范圍內(nèi)。”

故事二的主人翁蔡焱，是無(wú)線聯(lián)電科技有限公司中國(guó)業(yè)務(wù)發(fā)展負(fù)責(zé)人，目前同時(shí)參與和承擔(dān)產(chǎn)品策劃和定義的工作。和其他公司一樣，無(wú)線聯(lián)電的發(fā)展壯大，途中也遇到多種挑戰(zhàn)，比如2012年初，當(dāng)時(shí)公司決定開發(fā)一款家用型的超薄無(wú)線充電器，需符合Qi 1.0標(biāo)準(zhǔn)，采用多線圈方式以使手機(jī)可“自由擺放”進(jìn)行無(wú)線充電，主要針對(duì)日本和歐美市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)這個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的主要的困難包括：

A. 此前的多線圈方式無(wú)線充電器通常都是采用絞合式的銅線圈(Litz Coil), 成本高，工藝復(fù)雜，良率比較低;

B.日本客戶提出需要具備“金屬異物探測(cè)功能(FOD)”，即可以識(shí)別出手機(jī)與無(wú)線充電座之間類似5毛硬幣大小的金屬物質(zhì);

C. 在不犧牲產(chǎn)品性能的前提下，要做出體積小巧的無(wú)線充電座，符合亞洲客戶的審美要求。
【導(dǎo)讀】無(wú)線充電從誕生之日就飽受爭(zhēng)議，而實(shí)現(xiàn)之路也是困難重重，我們尋找了兩家涉足無(wú)線充電領(lǐng)域的公司，試圖從他們的現(xiàn)狀來(lái)一窺無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)的最新動(dòng)態(tài)。

成功的設(shè)計(jì)：不僅是性能，還需兼具工藝與良率

故事一的主人公高全喜，是上海銳靈電子科技有限公司的研發(fā)經(jīng)理。值得一提的是，銳靈的無(wú)線充電產(chǎn)品在近日獲得了蘋果MFI(made for iPhone/iPod/iPad)認(rèn)證。通過(guò)蘋果MFI認(rèn)證的條件很苛刻，必須經(jīng)過(guò)蘋果一系列嚴(yán)格的測(cè)試與論證，認(rèn)證通過(guò)率僅有2%。高全喜分享了銳靈遇到的一些設(shè)計(jì)問(wèn)題：

“前一段時(shí)間的移動(dòng)電源+無(wú)線充電項(xiàng)目，在研發(fā)過(guò)程中遇到了一連串的問(wèn)題，比如無(wú)線效率低、升壓效率低而且波動(dòng)大等。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一大堆方案。對(duì)應(yīng)無(wú)線充電效率低的問(wèn)題，當(dāng)時(shí)我們項(xiàng)目組有成員建議增加布線的線寬，有成員建議更換控制IC等，經(jīng)過(guò)多次討論以及各方案的初步排除試驗(yàn)，我們最終從眾多方案中選取了兩個(gè)可行性比較大的方案：方案一：更換MOS管，選取低導(dǎo)通阻抗MOS管，這樣會(huì)使得效率少高一點(diǎn);方案二：更換MOS管驅(qū)動(dòng)IC，因?yàn)镸OS管的死區(qū)時(shí)間和靜態(tài)工作電流對(duì)整個(gè)電路的影響是很大的，更換死區(qū)時(shí)間小和靜態(tài)電流小的驅(qū)動(dòng)IC，會(huì)使得效率升高。這兩個(gè)方案的優(yōu)劣幾乎部分高下，我們很難抉擇。”

“考慮到成本、性能的權(quán)衡，在加上時(shí)間的緊迫，所以采用兩個(gè)方案同時(shí)進(jìn)行的方式，我將項(xiàng)目組分為2組，一組選取低導(dǎo)通阻抗MOS管，一組選取更換MOS管驅(qū)動(dòng)IC的方式進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果出來(lái)，更換低導(dǎo)通阻抗MOS管成本會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)方式，比如一個(gè)25毫歐(VGS=4.5V)的MOS管成本能到0.4元，一個(gè)16毫歐(VGS=4.5V)的MOS管成本能到1.1到1.5元，一個(gè)12毫歐(VGS=4.5V)的MOS管成本能到1.5到2元，以此類推，成本成現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，但是性能測(cè)試下來(lái)，效果改善不大，只從70%提高到72%。”

“與此同時(shí)，我們的第二個(gè)方案的結(jié)果也出來(lái)了，由于MOS管的死區(qū)時(shí)間需要整個(gè)電路的配合，MOS死區(qū)時(shí)間短了，就必須配合高速的MOS管，所以MOS管的開關(guān)時(shí)間以及對(duì)應(yīng)的結(jié)電容就必須考慮，因此這個(gè)方案試驗(yàn)起來(lái)會(huì)比較繁瑣，時(shí)間比較緊迫，但我們必須要經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，所以我們將力量再一次分散，最終幾乎每個(gè)成員都在試驗(yàn)。”[!--empirenews.page--]

“由于我們能量傳輸?shù)念l率能到205K，周期4us左右，所以我們?cè)仁褂玫乃绤^(qū)時(shí)間為400-650ns的ir2104就會(huì)產(chǎn)生了一定的影響，我們最終將ir2104換掉。經(jīng)過(guò)不斷測(cè)試，我們更換了死區(qū)時(shí)間為40-50ns的MOS管驅(qū)動(dòng)IC，并選取了配套的MOS管AO3420，成本差別不大，然而效率呈現(xiàn)直線上升，最高效率可以測(cè)試到77%，這個(gè)問(wèn)題得到解決。”

“關(guān)于升壓效率低而且波動(dòng)大的問(wèn)題，我們當(dāng)時(shí)有成員主張我們自主研發(fā)，依照一個(gè)成熟的方案，提高其效率;有一部分成員主張選取新的方案?？紤]到目前移動(dòng)電源方案公司相當(dāng)多，所以我們最后決定，選取大量目前現(xiàn)有的移動(dòng)電源方案，分別進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試不過(guò)就換，最后選取了深圳一家公司的方案，采用ME2139升壓解決了這個(gè)問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)升壓可達(dá)到2A，效率可達(dá)到90%，而且輸出紋波也在要求范圍內(nèi)。”

故事二的主人翁蔡焱，是無(wú)線聯(lián)電科技有限公司中國(guó)業(yè)務(wù)發(fā)展負(fù)責(zé)人，目前同時(shí)參與和承擔(dān)產(chǎn)品策劃和定義的工作。和其他公司一樣，無(wú)線聯(lián)電的發(fā)展壯大，途中也遇到多種挑戰(zhàn)，比如2012年初，當(dāng)時(shí)公司決定開發(fā)一款家用型的超薄無(wú)線充電器，需符合Qi 1.0標(biāo)準(zhǔn)，采用多線圈方式以使手機(jī)可“自由擺放”進(jìn)行無(wú)線充電，主要針對(duì)日本和歐美市場(chǎng)。當(dāng)時(shí)這個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的主要的困難包括：

A. 此前的多線圈方式無(wú)線充電器通常都是采用絞合式的銅線圈(Litz Coil), 成本高，工藝復(fù)雜，良率比較低;

B.日本客戶提出需要具備“金屬異物探測(cè)功能(FOD)”，即可以識(shí)別出手機(jī)與無(wú)線充電座之間類似5毛硬幣大小的金屬物質(zhì);

C. 在不犧牲產(chǎn)品性能的前提下，要做出體積小巧的無(wú)線充電座，符合亞洲客戶的審美要求。
【導(dǎo)讀】無(wú)線充電從誕生之日就飽受爭(zhēng)議，而實(shí)現(xiàn)之路也是困難重重，我們尋找了兩家涉足無(wú)線充電領(lǐng)域的公司，試圖從他們的現(xiàn)狀來(lái)一窺無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)的最新動(dòng)態(tài)。

通過(guò)根據(jù)實(shí)際情況，他們提出了性價(jià)比合適的解決方案：

A. 采用創(chuàng)新的PCB線圈，8層線路板的設(shè)計(jì)。這樣可以使主線圈和“金屬異物探測(cè)”線圈(輔助線圈)以上下疊加的方式來(lái)布置，既保持了多線圈的“自由擺放”特點(diǎn)，又增加了“金屬異物探側(cè)”功能。——由于這部分的工作可以在線路板工廠以自動(dòng)化產(chǎn)線生產(chǎn)，所以同時(shí)還達(dá)成了工藝簡(jiǎn)單和良率提高的目標(biāo);

B. 主線圈的設(shè)計(jì)是整個(gè)磁路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，對(duì)于效率以及Qi標(biāo)準(zhǔn)中最難做好的通訊部分，至為關(guān)鍵。由于選用了尺寸較大/股數(shù)較少的線圈組合，使得無(wú)線充電的“有效區(qū)域”顯著增加，而且在“有效區(qū)域”內(nèi)的工作時(shí)，也達(dá)到了既無(wú)工作盲點(diǎn)，又非常的高效。整套設(shè)計(jì)在Qi標(biāo)準(zhǔn)最新規(guī)范(1.12)中，被定名為“B4”號(hào)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案;

C.在小巧輕薄方面，用該方案做的首臺(tái)家用型無(wú)線充電器就做到7.9毫米的厚度，在2012年末該產(chǎn)品上市時(shí)，是全世界最薄的無(wú)線充電器;

D.方案的主控芯片是由公司自行開發(fā)，從規(guī)劃到完成僅用不到8個(gè)月的時(shí)間。而且在設(shè)計(jì)時(shí)就以車規(guī)為要求，以滿足在各種復(fù)雜環(huán)境中使用的要求，之后在北美和日本的車載無(wú)線充電裝置中被采用。

他們眼中無(wú)線充電的未來(lái)

蔡焱指出，由于智能手機(jī)(包括所謂的Phablet)內(nèi)置電池容量加大，對(duì)無(wú)線充電的功率提出更高要求，5W(5V/1A)將成主流，甚至7.5W/10W(5V/1.5A和5V/2A)不久也會(huì)出現(xiàn)。這對(duì)無(wú)線充電的效率提出了更高的要求。 另外一個(gè)方向就是對(duì)多個(gè)移動(dòng)終端同時(shí)進(jìn)行無(wú)線充電，這在2014年也會(huì)開始流行，因?yàn)樵絹?lái)越多的消費(fèi)者有數(shù)臺(tái)移動(dòng)終端同時(shí)使用，其中包括LTE這樣的耗電大戶。“從日本和美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，一旦上了4G，隨時(shí)隨地充電變成了‘必須’。” 他表示。“而高通打算在應(yīng)用處理器中整合Rx, 目前來(lái)看不會(huì)在近期達(dá)成，因?yàn)槭紫刃枰獙⒛壳暗膸追N無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)作一個(gè)整合。其中的差異性實(shí)在太大，而手機(jī)廠家對(duì)高通這種‘大集成’方式，有越來(lái)越多的擔(dān)心。”

高全喜指出，從技術(shù)角度看來(lái)，無(wú)線充電下一步的發(fā)展方向是大功率、遠(yuǎn)距離無(wú)線充電。除了目前應(yīng)用在消費(fèi)電子的手機(jī)、平板、筆記本等無(wú)線充電，將來(lái)還會(huì)發(fā)展到廚房電器、醫(yī)療器械、軍工設(shè)備等非接觸式供電電器，比如，在軍工方面的一些水下探燈，或者一些容易爆照的、不能有明火的場(chǎng)所，這些場(chǎng)所的照明等供電設(shè)備最好是用塑料整體包裝，盡量不要有縫隙，這就給無(wú)線充電帶來(lái)的很大的發(fā)展前景。而無(wú)線充電中對(duì)半導(dǎo)體芯片的要求大多集中在發(fā)熱量上，一般發(fā)熱低，效率就會(huì)高點(diǎn)，而且溫度稍低，性能就會(huì)可靠，“所以在產(chǎn)品驗(yàn)證測(cè)試中，我們重點(diǎn)解決的是效率和發(fā)熱量的問(wèn)題。”

2014年來(lái)看，中國(guó)市場(chǎng)是很關(guān)鍵的，因?yàn)?G開始在中國(guó)推廣，而且中國(guó)已經(jīng)成為全球最大的智能移動(dòng)終端市場(chǎng)。如果中華酷聯(lián)，以及小米OPPO等也發(fā)力這塊市場(chǎng)的話，那么無(wú)線充電的市場(chǎng)會(huì)迅速放大。“中興和TCL已經(jīng)在2013年發(fā)布了其支持Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線充電產(chǎn)品，市場(chǎng)反響也不錯(cuò)。三大運(yùn)營(yíng)商剛剛解決4G牌照和標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，下一步是布置基站和布網(wǎng)，估計(jì)2015年他們將會(huì)成為推動(dòng)無(wú)線充電的主力，因?yàn)?G手機(jī)屆時(shí)將會(huì)普及起來(lái)。3G智能手機(jī)帶旺了移動(dòng)電源產(chǎn)業(yè)，4G將帶旺無(wú)線充電產(chǎn)業(yè)!”蔡焱充滿信心地表示。

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