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克服車載無線充電設計挑戰

上網時間: 2015年02月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:無線充電  NFC  WCT-5WTXAUTONFC  MLX90132  收發器 

作者:Denis Ruffieux,邁來芯RFID部門應用工程師

隨著可攜式消費電子產品的複雜程度持續提高,不斷帶來更先進的功能和更擴展的特性,但它們耗電速度也再次成為影響其發展的限制因素。在90年代中期出現的早期手機只有短短幾小時的電池壽命,但隨著產業的成熟,後來推出的手機和其它小型可攜式裝置的電池已經能夠持續數天而無需充電了。如今產業已經發展到3G和4G行動通訊時代,意味著利用手機可做的事情範圍也發生了巨大變化,它讓我們悠遊於網路遊戲世界、觀看視訊內容以及利用社交媒體等等。

最近由Ofcom完成的一項研究報告顯示,18-24歲的年輕世代平均每天有近2個小時花在使用智慧型手機上。這種生活方式的變化意味著手持裝置在兩次充電之間的時間顯著縮短,因而明顯需要一種方式使得手持裝置的電量也能在白天進行補充。

無線充電技術的出現可望徹底改變我們每天使用手持電子裝置的方式。這種技術將提升用戶體驗並帶來更多的便利,因為可攜式裝置的功率預算會減少很多的限制,使用者也不需要針對各個電子裝置隨身攜帶不同的專用線纜。在家庭、辦公室和公共場所實現無線充電看起來當然是一個非常誘人的發展前景,但無線充電還有一個可能更有優勢的應用場合:汽車。

車載無線充電技術已經討論多年了,如今才開始看到這項技術正加速佈署。雖然汽車與其它應用場合的無線充電基礎設施採用相同的基本設置,但也有一些細微的差別需要加以考慮,而且這些差別也使得車載無線充電技術的建置有所不同。

通用的無線充電標準已經內建‘交握’(handshaking)功能了,透過該功能可偵測彼此相容的手持裝置,然後開始充電。導入輪循序列機制將會消耗相當多的能量,從而不斷消耗汽車電池能量,並使汽車在停了幾個星期後無法再度發動。同時,如果儘量降低車內的RF發射訊號強度還可能引發其他問題,尤其是考慮到車內越來越多的無線訊號存在,無線充電RF發射訊號不僅必須與Wi-Fi熱點、手機訊號等競爭,還得考慮汽車環境固有的電磁干擾影響。

近場通訊(NFC)可望成為在汽車內有效實施無線充電的關鍵。這種超低功耗、安全的短距離無線通訊標準正佈署於廣泛應用中,包括購物點和存取控制等。在手持裝置市場,NFC正變得無處不在,幾乎所有流行的智慧型手機品牌都已經採用或即將納入設計,如諾基亞(Nokia) Lumia、三星(Samsung) Galaxy、LG Nexus以及新發佈的iPhone 6都採用了這一技術。同樣地,NFC註定將會在汽車中得到廣泛採納,執行免鑰匙進入系統(PKE)、無鑰匙進入啟動(Entry-and-Go),以及為行動裝置與汽車媒體中心(如Wi-Fi或藍牙技術)進行自動配對等任務。

在汽車應用中,NFC技術可用於存取與啟動控制,讓NFC實現以手機作為安全進入汽車與啟動駕駛的關鍵。但這僅僅是個開始,因為這種近場通訊能夠為汽車製造商提供一種實現更高度車輛個性化的技術途徑。當汽車乘客的行動裝置對接到儀錶板後,就可以存取利用所儲存的偏好設定等資料;一旦完成使用者的自動辨識後,可以下載其個人設定,並自動調整車內照明或座位位置等,以便滿足乘客的喜好。

鑒於NFC可被用於執行上述任務,自然而然地也可以作為啟動無線充電的技術途徑。它可以提供一種非常低功耗的RF鏈路,在車內保持隨時開啟執行,因而可讓汽車檢測是否有智慧型手機或其它手持裝置存在,然後進行與這些裝置的訊號交換並開始無線充電過程。NFC具有非常低的功耗,不會對車內的射頻訊號產生任何影響。

例如,邁來芯公司(Melexis)和飛思卡爾半導體(Freescale Semiconductor)結合彼此的汽車級NFC收發器和無線充電專業技術,推出了共同開發的WCT-5WTXAUTO參考設計。如圖1的參考設計,它包括使無線充電子系統完全自主執行必備的所有硬體和相關軟體驅動程式,並由一個符合標準的NFC控制器介面(NCI)進行控制,以及由一個符合標準的NFC上層軟體堆疊(例如Stollmann的NFCStack+)所驅動,並克服了無線充電發射器(WCT)和NFC技術二者共同存在於一個簡單易用模組時的問題。

WCT-5WTXAUTONFC/無線充電參考設計
WCT-5WTXAUTONFC/無線充電參考設計

為了躋身汽車領域NFC技術前端,邁來芯推出了MLX90132多協定收發器IC,可作業於13.56MHz,並且完全符合汽車級的AEC-Q100標準認證。NFC類比部份嵌入了以MLX90132為核心的最少量元件,使其得以作為NFCIP-2讀取器,支援以下標準:讀取器(讀取/寫入)、對等網路(P2P)被動通訊(發起/目標設備)以及TAG模擬(TAG Emulation)。MLX90132可使發射器提供高達300mW的RF功率到適當的天線負載,其雙重驅動器架構意味著只需要極少數量的外部元件。在參考設計中,MLX90132與飛思卡爾MWCT1003AVLH微控制器(MCU)實現了相輔相成。

該款MWCT1003AVLH微控制器支援NFC底層協定堆疊,並整合了飛思卡爾自有的獨特無線充電機制。該系統既可以完全自主的方式執行,也可以由符合標準的上層NFC軟體堆疊驅動。由於採用專有的PCB上印製NFC天線設計與最佳化匹配網路,以及將無線充電線圈可能引起的失諧效應納入考慮,因而克服了硬體方面的共存性問題,並使得系統性能最大化。

該參考設計可由UART至USB介面連接到電腦。參考設計的嵌入式磁場和標籤偵測器意味著它具有極低的功耗,可使終端應用的功耗降到最低限度。其電磁干擾(EMD)演算法也提高了系統在讀取器和對等網路模式下的性能。

透過在單一通用MCU中包括NFC與無線充電協定架構,讓專用的軟體交握機制增強了兩種技術的共存性。最初的軟體版本可讓NFC與無線充電作業依序進行,後續的版本則可望進一步實現透明且同步的作業。

汽車製造商正試圖在新車款中整合NFC技術,以便實施多種不同的功能任務。NFC技術可說是手機和汽車的一個組成部份,它利用極低功耗的無線通訊標準取代了需要更高功率的其他技術,從而為汽車工程師提供一種可實現無線充電啟動等多種功能的有效技術途徑。





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