NXP NFC 无线充电方案介绍

        无线充电技术（Wireless Charging Technology）源于无线电能传输技术，可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。小功率无线充电常采用电磁感应式，大功率无线充电常采用谐振式，如对电动汽车的充电。由于供电设备与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接，因此供电设备及用电装置都可以做到无导电接点外露，其在安全性及灵活性都有了显著的提高。在如今科学技术飞速发展的今天，无线充电显示出了广阔的发展前景。

        针对小功率电池设备的无线充电，大家往往听到的都是 Qi 标准，故今天就由我来给大家介绍另外一种适合小功率电池设备的充电技术 -- NFC Wireless Charging Technology（WLC）。同时我也会向大家展示 NXP NFC WLC Solution，看看 NXP 在 NFC WLC 上的技术底蕴。



2. 无线充电技术介绍

        2.1 WPC Qi 标准简介

        目前市场上主流的无线充电标准有三种：Qi 标准、A4WP 标准、PMA 标准，而 Qi 标准则由于在手机无线充电上的广泛应用而被众多的消费者所熟知，它是由全球首个推动无线充电技术的标准化组织 -- Wireless Power Consortium（WPC）推出的无线充电标准。其采用了目前最为主流的电磁感应技术，具备兼容性以及通用性两大特点，即只要是拥有 Qi 标识的产品都可以用 Qi 无线充电器充电。Qi 标准使用的工作频率为 110 ~ 205 kHz，有三种协议，分别是 Basic Power Profile、Extender Power Profile 和 Qi PDDE。其中 BPP 协议的充电功率可以达到 5 W、EPP 协议的充电功率可以达到 15 W、Qi PDDE 则是三星的私有协议，利用私有协议可以达到更高的充电功率。2017 年 2 月，苹果加入 WPC，目前 WPC 的主要成员有 Phillip、TI、Nokia、IKEA、Samsung、Apple 等。

        2.2 NFC WLC 技术简介

        NFC 标准官方组织 NFC Forum 于 2020 年 5 月 6 日宣布，新的无线充电规范 Wireless Charging Specification（WLC）已经获得批准，这代表着 NFC 除了支持读卡器模式 Reader/Writer Mode、卡模拟模式 Card Emulation Mode、点对点模式 P2P Mode 这三种工作模式外，还可以支持第四种工作模式 -- 充电模式。

        该 NFC WLC 技术使用了 13.56 MHz 的基准频率，利用 NFC 通信链路来控制功率传输，通过发送持续的载波信号，实现向 NFC 标签的电力传输，进而建立通信通道，其支持 250、500、750 和 1000 mW 四种功率传输等级。故 NFC WLC 技术十分适合小功率电池设备，如智能手环、TWS 耳机、电子笔、智能眼镜等小功率 IoT产品。

        2.3 Qi 标准 & NFC WLC 技术性能

        下图是 Qi 标准 & NFC WLC 技术的具体性能参数对照：

        由上图可以看出，相较于 Qi 标准，NFC WLC技术较适合小功率 IoT产品，类似智能手环、TWS 耳机、电子笔、智能眼镜等。在这种小功率电池设备中，其充电效率会比 Qi 标准的更佳，故 NFC WLC 技术是 Qi 标准的一个有益补充，填补了 Qi 标准在小功率电池设备充电上的不足。同时相信未来可以利用手机的 NFC 模块，就可以直接对带有 NFC WLC 接收端的设备进行充电了。



3. NXP NFC WLC Solution

        3.1 NXP NFC WLC Solution 框图

        下图是 NXP NFC WLC Solution 的框图，主要分成两部分，分别是 WLC Poller 和 WLC Listener。


        左边 WLC Poller是系统的发射端，其可以只用 CTN730 这颗 NFC 控制器芯片，其内置 M0 MCU 用于电源控制，它处于低功耗设备检测模式下功耗小于 1 mW。WLC Poller 亦可以增加一个主控芯片用于额外的控制。

        右边 WLC Listener 是系统的接收端，其使用 CRN120 NTAG + PCA943X PMIC + 主控的架构，CRN120 是 NFC 标准的 Type2 标签，负责与 CTN730的 NFC 通信。PCA943X 是功率接收芯片，内置过压保护和过热保护，CRN120 与 PCA943X 可以通过 I2C 与主控连接。主控的功能主要是控制 PCA943X 的输出和控制功率调节的相关参数，并与 CRN120 进行数据交换，主控可以由客户自由选择，NXP 负责提供可移植的固件库，也可以直接使用 NXP Demo 板上使用的 LPC804 MCU，加快开发进程。

        3.2 NXP NFC WLC Solution 芯片规格

        ① CTN730 芯片规格 – NFC 充电控制器

        ② CRN120 芯片规格 – NFC 充电通讯接收器

        ③ PCA943X 芯片规格 -- NFC 充电电力接收器

        3.3 NXP NFC WLC Solution 性能

        ① NFC WLC的功率可达 500 mW（5 V / 100 mA)，其 Roadmap 将超过 1 W

        ② 现在 e2e 效率高达 50 %，Roadmap 将超过 60 %。其待机消耗可降至 1 mW

        ③ 在小型化上十分有优势，其天线宽度可降至 3.5 mm

        ④ 其 PCB 空间可小于 40 mm²

        ⑤ 可以利用其进行 NFC 数据通信，通讯速率达 106 kbit/s

        3.4 NXP NFC WLC Solution 技术服务

        在 NFC WLC 项目上，NXP 可以提供原理图、开发文档、开发板，NFC WLC GUI、Antenna Matching Calculation Tool 等开发工具、SDK 等。

4. 参考资料

• 主流的无线充电标准：http://www.elecfans.com/d/648655.html
• 一篇读懂无线充电技术（附方案选型及原理分析）：https://blog.csdn.net/HowieXue/article/details/77799262
• NFC WIRELESS CHARGING，NXP semiconductor；
• NFC正式支持无线充电：https://news.mydrivers.com/1/687/687483.html
• NFC Forum Approves Global Wireless Charging Specification：https://nfc-forum.org/nfc-forum-approves-global-wireless-charging-specification/

        通过《无线充电技术 & NXP NFC WLC Solution》这篇博文，相信大家可以初步了解 NFC WLC 技术和 NXP NFC WLC Solution ，后面我会继续深入向大家介绍 NFC WLC技术或方案，大家多多关注我吧。