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一种基于低成本MCU的无线充电发射端设计

2020-03-09 22:03rf射频/无线 人已围观

简介前无线充电的主流技术可分为电磁感应式、无线电波式、磁共振式。主流的充电协议标准可分为 Qi 标准、PMA 标准、A4WP 标准。Qi 是全球首个推动无线充电技术的标准化组织无线充电联盟...

  前无线充电的主流技术可分为电磁感应式、无线电波式、磁共振式。主流的充电协议标准可分为 Qi 标准、PMA 标准、A4WP 标准。Qi 是全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟(WPC)所推出的无线充电标准,具备便捷性和通用性两大特征,并且采用了目前最主流的电磁感应技术。加入 Qi 协议的厂商非常多,只要设备有 Qi 标识,都可以用 Qi 无线充电器充电。因此本文选择采用的技术原理是电磁感应式,协议标准为 Qi 标准
  

  1 无线充电原理与基本结构

  
  无线充电技术是指不通过物理连接,而是通过空间中的电磁场变化来将供电端的电能传输给用电端的技术。根据法拉第电磁感应理论可知,导体在磁通量变化的磁场中产生感应电动势,如果导体是闭合回路的一部分,则会产生感应电流。电磁感应式充电技术根据这个原理,在供电端线圈接通方向产生交变电流,由于变化的电场产生变化的磁场,而用电端的线圈也处于该磁场中,并且两个线圈近距离平行放置, 即可在用电端的线圈产生方向变化的电流,从而达到给用电设备充电的目的。
  
  无线充电结构主要分为发射端(供电端)与接收端(用电端)两部分,如图 1 所示。
  
  (1)发射端 220 V、50 Hz 的交流电经过整流滤波,在经过稳压后转变为 5 V 电压。通过逆变电路,将 5 V的直流电变成 100~200 kHz 的交流电,交流电通过电感与电容组成的谐振网络产生交变磁场。
  
  (2)接收端也是由电感和电容组成的谐振网络。该谐振网络中的电感可以在交变磁场中拾取电能,电能经过整流滤波后给用电设备供电。接收端还可通过开关 MOS 管控制电阻并联,从而使线圈电流幅值发生变化来进行通信。MOS 管关断时,谐振曲线如图 2的曲线 1 所示;MOS 管闭合时,谐振曲线如图 2 的曲线 2 所示。
  
  本文主要讨论无线充电发射端的电路结构。
  图 1 无线充电基本结构
  图 1 无线充电基本结构
  图 2  谐振曲线
  图 2  谐振曲线
  

  2 电路原理分析

  
  本方案采用低成本的 MCU 进行无线充电发射端的电路设计,并且实现了 5 W 电能传输、异物检测、协议解码等功能。无线充电发射端电路分为 3 个部分: 逆变电路、信号解调电路以及供电电源和 MCU 功能电路和提示灯电路。
  
  2.1主控MCU 及提示灯模块
  图 3 主控 MCU 及提示灯
  图 3 主控 MCU 及提示灯
  
  主控 MCU 具有 14 个引脚,包含 2 路 PWM 输出,5 路 AD 采样加 1 路电压检测,1 kb 的程序空间,内部时钟可达 16 MHz。该 MCU 具有体积小、价格低廉、功能全等特点。
  
  主控 MCU 的 P54 和 P53 引脚产生两路 PWM 输出,分别控制 Q2(P)和 Q6(N)的开关。P02 引脚接收协议,并通过端口扫描的方式解码。P03 控制两个 LED 灯,不充电时 P03 为低电平,亮 LED2,充电时为高电平,亮 LED1。线圈上有异物时,LED1 和LED2 会交替闪烁。P44 引脚有ADC 功能,可以检测出线圈上的电流, 实现FOD 和OCP。P42 引脚也有ADC 功能,检测线圈上的电压,防止电压过大,实现过压保护(OVP)功能。
  
  2.2逆变电路模块
  图 4 逆变电路
  图 4 逆变电路
  
  此模块的作用是将 5 V 直流电转换成交流电。Q2 (PMOS 管)和 Q6(NMOS 管)的栅极分别由 MCU 的 2 个引脚输出的 2 路硬件 PWM 来控制导通和关断。4 个MOS 管的导通状态共有 4 种情况:
  
  ① 2 路 PWM 同时为低电平时,Q2(P)和 Q5(N)导通,Q6(N)和 Q4(P)不导通,电流方向先流过 4 个电容再流过电感线圈。
  
  ② 2 路 PWM 同时为高电平时,Q4(P)和 Q6(N)导通,Q2(P)和 Q5(N)不导通,电流方向先流过电感线圈再流过 4 个电容。
  
  ③ PWM1 为高电平、PWM2 为低电平时,Q2(P)和Q6(N)都不导通,线圈上没有电流,无法传输电能。
  
  ④ PWM1 为低电平、PWM2 为高电平时,Q2(P)和 Q6(N)都导通,VCC  与 GND 相当于直接相连,电流过大,电路需产生保护,否则会损坏电源,这种情况需要避免。
  
  2 路 PWM 的频率相同,但是由于 MOS 管的开关不是瞬间完成,为了避免第 4 种情况的出现,PWM 的占空比不能设置为相同的。本方案将 PWM1 的占空比设置为 59%,PWM2 的占空比设置为 50%,以此设置死区保护时间,避免 Q2 和Q4 同时导通。
  
  当发射端传输电能时,4 个 MOS 管交替工作在①和②的情况下。电路中产生方向变化的电流,从而在线圈上产生交替变化的磁场,接收端线圈也处于这个磁场中,以达到传输电能的目的。Qi 协议明确规定了线圈电感值为 6.3 ~ 6.5 μH,与之对应的串联电容为0.4 μF,根据公式:
  
  公式1
  
  得到串联谐振的谐振频率 f=98.75 kHz。由此可知当两路 PWM 的周期约为 10 μs 时,串联谐振网络阻抗最小,电流最大。此时对 MOS 管的要求比较高,热损耗很大,可能会烧毁 MOS 管,并且会降低电能传输的效率。通常情况下通过提高 PWM 频率来偏离谐振点,以此降低电流,降低 MOS 管发热导致的热损耗, 从而保护MOS 管,提高电能传输效率。
  
  2.3 信号解调电路模块
  
  信号解调电路由 3 个部分构成:
  
  ① 包络检波电路;
  
  ② 滤波电路;
  
  ③ 电流检测电路。
  
  在无线充电发射端中,线圈不仅可以传输电能,还可以接受由用电端发送过来的Qi 协议信息。由于用电端发送的协议信号频率为 2 kHz, 而电能信号为100~200 kHz,所以发射端线圈上接收到的协议信号为调幅信号,如图 6 所示。信号经过包络检波电路,将高频载波滤除,得到低频调制信号,如图 7 所示。
  图 5 信号解调电路
  图 5 信号解调电路
  图 6 检波前线圈上的调幅信号
  图 6 检波前线圈上的调幅信号
  图 7 检波后的协议信号
  图 7 检波后的协议信号
  
  由图 7 可知,检波后的信号幅度很小,并不能达到MCU 可以识别的电平标准,所以信号通过检波后还需经过LM358 的其中一个运算放大器,从而构成一个滤波器。
  
  滤波器的传递函数为:
  
  公式2-3
公式4
  
  由公式(4)可知,这个滤波器是一个高通滤波放大器,截止频率为 1.59 kHz。f 越大,Au 也越大,当 f=∞时,Au  最大。信号通过高通滤波器后再经过一个由 R16=10 kΩ 和 C16=4.7 nF 组成的一阶段 RC 滤波,截止频率 fH=3.387 kHz,从而和前面的运放组成一个通频带为 1.59~3.387 kHz 的带通滤波器,可将所需要的 2 kHz 协议信号滤出并且放大,如图 8 所示。
  
  图 8 放大后的信号
  
  LM358 还有一个独立运算放大器,在此电路中用作同相放大器来放大线圈上的电流。根据公式:
  
  公式5
  
  输出电压与输入电压的关系为:
  
  公式6
  
  采样电流被放大 22 倍,这样 MCU 就可以通过ADC 功能得到线圈上电流的大小,从而实现异物检测(FOD)功能以及过流保护(OCP)功能。当线圈上有金属异物时,线圈上的电流会比无异物时大,所以可以设定一个电流值来判断是否有金属异物。电流对比如图 9、图 10 所示。
  图 9 无异物时的电流
  图 9 无异物时的电流
  图 10 有异物时的电流
  图 10 有异物时的电流
  

  3 协议简介

  
  3.1 Qi 协议编码规则
  
  Qi 协议采用差分双相编码的方法,其规定时钟频率为 2 kHz,位信号的编码规则为一个时钟周期内有跳变的代表“1”,没有跳变的代表“0”,如图 11 所示。
  图 11  位编码规则
  图 11  位编码规则
  
  Qi 协议规定一个字节由 11 位组成,其中包括 1个起始位、8 个数据位、1 个校验位和 1 个截止位。起始位规定为“0”,数据位的排列低位在前,高位在后。奇偶校验位由数据位中“1”的个数确定,如果数据位中 “1”的个数为偶数,则校验位为“1”,反之为“0”。截止位规定为“1”。字节的编码如图 12 所示。
  图 12 字节编码规则
  图 12 字节编码规则
  
  Qi 协议的通信是通过数据包来传递的。一个数据包由 4 个部分组成:前导、报头、信息、校验和。其中前导由 11~25 个“1”组成,其作用是使发射端能与数据包同步,并准确检测到报头的起始位。报头由一个字节组成,其作用是定义数据包的类型。信息指的是数据包要传递的信息,由 1 个或者多个字节组成。校验和由 1 个字节组成,其作用是检验传输差错,数据包格式如图 13 所示。
 
  图 13 数据包组成
  图 13 数据包组成
  
  4.2 Qi 协议控制系统流程
  
  从系统控制来讲,Qi 协议将系统分为 4 个阶段:
  
  (1)Select 阶段:在该阶段,无线充发射端主要检测物体放置和移除。另外,发射端还要尝试区别接收端和金属异物,如果线圈上是金属异物,那么系统将无法进入下个阶段。
  
  (2)Ping 阶段:发射端发现了用电端,发射端会维持PWM 输出,并接收电能信号强度数据包。
  
  (3)ID 识别和 Configuration 阶段:发射端识别用电端的身份信息和配置。
  
  (4)Power 传输阶段:传输的数据包主要为控制误差包。用电端通过误差控制包将误差信息反馈给发射端,以便发射端进行调整。
  
  发射端系统控制大致流程如图 14 所示。
  图 14 发射端系统控制流程
  图 14 发射端系统控制流程

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