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Dialog引領電源技術創新揭示完備快充與無線充電方案

  • 台北訊
Dialog日前在台北盛大舉行「引領充電,掌握商機」充電技術研討會,現場吸引近350人參與,盛況空前。Dialog揭示其獨特的wall-to-battery快充方案、WattUp射頻無線充電、以及全新的GaN氮化鎵產品,充份展現其創新技術。

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隨著各類行動與物聯網裝置的普及運用,如何在兼顧效率、安全、成本與體積等設計考量下,實現快速充電並保持長久的電池續航力,已成為業者的重要挑戰。

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Dialog執行長Jalal Bagherli。

Dialog企業戰略資深總監Mark Hopgood。

Dialog系統與應用部門資深總監Yong Li。

Dialog台灣區總經理Ralf Kilguss。

在全球行動裝置快充市場居領導地位的Dialog Semiconductor,日前在台北盛大舉行「引領充電,掌握商機」充電技術研討會,揭示了獨特的wall-to-battery快充方案、WattUp射頻無線充電、以及全新的GaN氮化鎵產品,充分展現其創新技術,並能以最先進技術滿足下一代裝置不斷上升的充電需求。

Dialog執行長 Jalal Bagherli在開場致詞時指出,Dialog是智慧型手機電源管理IC的領導者,特別是在快充轉接器(Adapter)市場擁有近七成市佔率,穩居第一。公司2016年營收已達12億美元。

此外,Dialog非常重視台灣與大中華市場,目前在台員工已超過100人,布局廣泛,擁有許多合作夥伴與客戶,有超過9成的產品是在台灣生產製造。秉持著充電、電源管理、以及藍牙低功率連接技術等三大策略核心業務,Dialog將持續推動創新技術,以提供完備的電源解決方案。

全新的RF無線充電技術

針對無線充電技術,Dialog企業戰略資深總監Mark Hopgood表示,充電已從傳統的插電式電源轉接器,進展到目前以線圈為基礎的感應或共振式無線充電,未來更將進一步邁向以射頻(RF)為基礎的非耦合式(uncoupled)無線充電,可實現一面使用電子裝置、一面充電的全新體驗,他將此全新形式為「無線充電2.0」世代的開展。

此全新的RF無線充電技術稱為WattUp,是由美國一家成立三年的新創業者Energous所開發。看好它的應用潛力,Dialog已於2016年11月宣布投資Energous並展開策略合作,Dialog將成為WattUp無線充電IC的全球獨家供應商。

同時,Dialog還能將其領先的藍牙低功耗、電源管理、AC/DC電源轉換晶片與Energous方案彼此互補,打造出具成本效益、擴充性高的完整解決方案,以鎖定IoT、穿戴裝置、助聽器、耳機、智慧型手機、汽車等各種產品。

Hopgood指出,WattUp技術的最大突破點在於,它是採用射頻無線電技術,透過接收發射端的無線電波,再將其轉換為電源,因此可免除傳統耗費空間的線圈設計。再加上天線設計的彈性與體積小優點,能夠為包括助聽器或IoT感測器這類精巧裝置提供無線充電功能,而且享有更佳的放置自由度,任何角度都能輕鬆進行充電。

WattUp技術可提供近場(near field)、中場(mid field)、以及遠場(far field)三種不同版本,其充電距離分別為接觸式、相隔90公分、以及450公分。此外,依據距離的遠近,可提供不同的功率彈性,分別為數瓦、數百mW、以及數十mW。

所以,在實際應用上,若要為智慧型手機充飽電,則須採用近場的接觸式無線充電。至於中場應用,可將發射器內建於PC中,以同時為鍵盤、滑鼠等週邊裝置進行充電。由於功率僅為數百mW,這時能以滴流模式(Trickle mode)對智慧型手機充電,以維持手機電池的電力。遠場應用,則可為遠距離的各種感測器進行充電。

與現行的共振式(A4WP標準)、以及感應式(Qi標準)無線充電相比,這三種技術在成本、擴充性、功率、效率、尺寸、距離等方面各有強項,因此Hopgood表示,它們的應用需求並不相同,將共存於市場。但是WattUP技術的特性,使其成為低功耗穿戴式與IoT裝置的理想選擇。

Hopgood強調,WattUP近場無線充電技術是美國FCC第一個核准的RF無線充電解決方案,它是在ISM頻段的5.8GHz附近運作,不會與既有的Wi-Fi或其他無線通訊技術干擾,而且安全無虞。中場與遠場方案預計將陸續於2017年第3季與2018年正式推出。

目前,Dialog已推出近場的發射器DA4100與接收器DA2200/2210晶片,並已結合其藍牙低功耗晶片建構出從交流電源到電池的端到端無線充電解決方案。此外,輸出功率為1W的評估套件現已送樣,相關晶片組已可進入量產。

AC/DC快充設計實現極致效能

在手機快充轉接器方面,Dialog系統與應用部門資深總監Yong Li表示,手機轉接器已從功能型手機的3∼5W規格逐漸演進,先是進展到採用USB Type-A接口的7.5∼10W轉接器,一直到2∼3年前,市場上才出現15W以上、甚至25W的USB Type-A快速轉接器,這也已成為高階智慧型手機的重要功能指標。

隨著需求的逐漸升高,近來轉接器的最新趨勢包括USB Type-C接口、USB-PD、直接充電(Direct Charge)以及高功率密度等新議題。

目前的主要的快充技術有兩種:第一是傳統的高電壓、低電流方式。第二種是直接充電,但又分為低電壓/高電流,以及高電壓/中電流,再搭配行動裝置中的分壓器(voltage divider)兩種型態。此外,各家手機業者都有其專屬的協定來實現直充功能。

Yong Li指出,傳統的高壓/低電流直充方式,須隨著功率升高對手機內部的切換充電器(switching charger)進行最佳化設計,否則會有過熱的問題,這也是業者目前最關心的問題。

而低電壓/高電流的直充方式,則是免除了手機內部的切換充電器,直接對電池充電。雖然可藉此解決手機過熱的問題,但是由於電流較高,因此需要特殊的電纜與接頭,會使成本增加。而且,手機內部需要更精確的電壓與電流控制設計,才能提供適切的保護。

Dialog的直充設計則是採用高電壓/中電流的概念,並利用新推出的DA9318分壓器,將轉接器的輸出電流降低一半,因而解決了電纜/接頭需特殊設計的成本問題,並減少手機發熱。

他強調,Dialog擁有豐富的手機充電開發經驗,Dialog的RapidCharge解決方案在AC/AD電源轉換器中透過結合初級側(Primary side)的電源管理控制器以及次級側(Secondary side)的介面控制器,能夠支援任何一種的電壓與電流,並協助業者解決效率、散熱、動態負載響應、安全性、以及成本等所有的重要挑戰。

在USB PD充電解決方案方面,Dialog已推出由iW1781初級側控制器、iW676同步整流器、以及iW656最佳化USB-PD介面IC組成的三IC設計。此電源轉換系統架構採取返馳式拓樸設計,利用數位通訊方式來連接次級側至初級側,可減少二次損耗。

其中,iW656是Dialog最新發表的最佳化USB-PD介面IC,符合USB Type-C 1.2版標準,可放在轉接器中作為次級側控制器,支援3∼20V的寬廣操作範圍,尺寸精巧,採12接腳、TDFN 3x3mm封裝形式。

iW676則是專為USB PD及快充進行最佳化設計的同步整流控制器。待機功耗小於20mW,支援12~3V工作電壓,內建數位適配關閉(turn-off)控制,可最小化死區時間(deadtime),不僅功耗降低,並可免除外部的蕭特基二極體,進一步降低成本清單。

此外,在系統的安全性與保護方面,Dialog已針對轉接器、裝置、電池都提供了全方位的保護設計。未來,此架構還將支援USB PD 3.0的PPS(可編程電源供應)功能。Dialog目前正在開發支援PPS規格的新一代次級側USB PD控制器,結合初級側控制器,將能提供完整的USB PD 3.0解決方案。

GaN氮化鎵與高功率密度解決方案

隨著電源功率的上升,若仍要維持精巧的轉接器設計,勢必得朝高功率密度設計移轉。要實現高功率密度必須滿足效率、散熱、EMI與尺寸等各項條件,而解決之道在於如何提升切換元件的頻率與拓樸設計。

Yong Li 表示,Dialog看好氮化鎵材料具備的寬能隙與電子遷移率高等特性,是快速電源切換器的理想選擇。因此,已採用台積電GaN-on-Si製程,首度進軍GaN市場,推出全新SmartGaN系列產品,將驅動器、邏輯、電平轉換(level shifting)與保護功能整合在一起,DA 8801半橋式單晶片便是此系列的首款產品。

DA 8801是全球第一款GaN電源IC,可支援650V電源開關,電源效率達94%,可提供電源損失降低50%、體積縮小50%、以及較低的外部成本等優點,適用於太陽能逆變器、汽車、功率因素校正(PFC)等應用。

目前,Dialog正在開發以GaN技術為基礎的高功率密度AC/DC電源轉換器,採用零電壓切換(ZVS)的主動箝位馳返式拓樸,轉換效率高於92%,輸出電壓為5∼20V,可支援25∼65W的電源切換器,並相容於USB PD與USB Type-C接口。

最後,他強調,Dialog將以更低的BOM成本、更高功率密度、以及支援所有的快充協定等三大方向,持續開發更具優異效能的電源晶片,以滿足市場的多樣化需求。

手機端的DC/DC高電壓充電方案

介紹了電源轉接器的設計,Dialog台灣區總經理Ralf Kilguss則聚焦於介紹手機端的高電壓充電器解決方案。他指出,溫度、成本與安全性是目前智慧型手機快充應用主要有三個挑戰。為了解決這些問題,在手機端,Dialog提出了兩種設計方式:高壓直充以及主從式(Master+Slave)充電。

在高壓直充方面,Dialog新推出的DA9318晶片可達到98%的優異效率,以將功耗及散熱降至最低,並讓體積精簡的消費性應用更加安全。重要的是,此晶片可支援以標準的3A USB電纜提供6A充電電流,能讓功率增加1倍,且快充應用成本大幅減少35%。此外,藉由提高的效率和18項以上的整合型安全特性,能降低散熱,實現更安全的消費性應用。

根據實際測試的結果,採用DA9318方案,因為效率傑出,即使在8A/34W的條件下,手機溫度仍低於攝氏50度。而競爭對手的BQ25896方案,在電流達3A時,溫度就已上升至76度,更是完全無法支援6A以上的電流。

在主從式充電方面,Dialog則是已推出DA9155M晶片,主要用來與主充電器(main charger)搭配運用,作為高電壓輔助充電器IC(Slave charger)。它可接受4.3∼13.2V的輸入電壓,提供2.5A輸出電流,電流調節精度為±5%。

Kilguss表示,DA9155M不是用來取代主充電器,透過I2C由應用處理器控制,能搭配任何一款主充電器,而且尺寸僅有2.6x2.2mm。

DA9155M的轉換效率為93%,這個輔助充電器的設計,能讓來自電源的充電電流在主充電器和DA9155M之間傳輸。而且經測試,在2.5A電流條件下,晶片溫度為44度,不會有過熱問題,可向電池注入更多電能而不會使其燒毀。此外,DA9155M還具備可選擇的開關頻率、輸入和輸出故障檢測、安全定時器和結溫監測等特性。

最後,Kilguss總結說,Dialog可提供端到端的快充解決方案,並支援標準的3A USB電纜,可顯著降低成本,再加上具備業界領先的安全保護,可解決手機過熱問題,進一步帶動快充的廣泛應用。關於Dialog快充以及無線充電方案詳細,歡迎造訪Dialog官網。(本文由李佳玲整理報導)