盧翠珍（百色學(xué)院，廣西 百色 533000）

　　摘 要：本設(shè)計(jì)是以DW540無線充電專用IC為核心的通用無線充電器，主要由主控IC模塊、電源輸入模塊、電流檢測模塊、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)模塊、解碼采集模塊五部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)待機(jī)狀態(tài)時(shí)綠、藍(lán)LED常滅，充電狀態(tài)時(shí)綠色LED常滅、藍(lán)色LED常亮；充電設(shè)備充滿電時(shí)，LED狀態(tài)指示為綠色LED常亮，藍(lán)色LED常滅的狀態(tài)指示；擁有靈敏的FOD（異物）自動(dòng)檢測、溫度檢測及狀態(tài)指示功能。同時(shí)可支持TI、IDT(注:2019年被瑞薩電子并購)、松下等Qi標(biāo)準(zhǔn)接收器，實(shí)現(xiàn)了所有Qi標(biāo)準(zhǔn)的不同品牌設(shè)備無縫適配，具有兼容性、通用性。

　　關(guān)鍵詞：無線充電；Qi標(biāo)準(zhǔn)；DW540；CEM9926；CEM4953

　　1 本無線充電器的設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo)

　　1）能給市場上采用Qi標(biāo)準(zhǔn)具備無線充電功能的通用設(shè)備充電，而且不受手機(jī)充電接口的限制（該手機(jī)支持無線充電）。

　　2）該充電器供電電流>500 mA。

　　3）具備休眠省電模式，可自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

　　4）充電距離≤1 cm。

　　5）近距離充電損耗率不超過40%。

　　2 設(shè)計(jì)方案及功能

　　本設(shè)計(jì)將以DW540無線充電專用IC為核心，通過電源輸入模塊、發(fā)射線圈驅(qū)動(dòng)模塊、解碼采集模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊的有機(jī)結(jié)合。實(shí)現(xiàn)了待機(jī)狀態(tài)時(shí)綠、藍(lán)LED常滅，充電狀態(tài)時(shí)綠色LED常滅、藍(lán)色LED常亮；充電設(shè)備充滿電時(shí)，LED狀態(tài)指示為綠色LED常亮，藍(lán)色LED常滅的狀態(tài)指示；同時(shí)還具備異物自動(dòng)檢測及溫度檢測功能。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件主要由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成，原理框圖如圖1所示，直流5 V電源為發(fā)射模塊電路供電，發(fā)射器中以DW540為核心，控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，電能由發(fā)射線圈發(fā)射出去，后經(jīng)接收線圈接收和轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換變回5 V直流電，為充電設(shè)備充電。

　　3.1 DW540主控電路設(shè)計(jì)

　　DW540主控單元電路如圖2所示。由于內(nèi)部自帶晶振，所以無須外接晶振也可正常工作。復(fù)位引腳NREST低電平有效，通過USB接口提供低電平，就可有效地重啟DW540進(jìn)行復(fù)位，亦可以直接斷電重啟復(fù)位。為了保證其不會自啟復(fù)位，在NREST引腳上外接1個(gè)104（即0.1μF）的電容，使其在正常工作狀態(tài)下為高電平，并且在提供了一個(gè)低電平進(jìn)行復(fù)位后能夠迅速恢復(fù)高電平，而不是一直處于低電平復(fù)位狀態(tài)，以至于其無法正常運(yùn)行。引腳UP_A、DOWN_B、DOWN_A和UP_B共同控制發(fā)射線圈的上拉/下拉信號，也就是調(diào)整發(fā)射線圈的發(fā)射頻率，只有不斷地調(diào)整發(fā)射頻率，使其在與接收線圈頻率共振時(shí)，效率才能達(dá)到最高，并且傳輸距離的變化也時(shí)刻影響著共振的頻率。當(dāng)系統(tǒng)溫度過高時(shí)，熱敏電阻因阻值變低，使DW540溫度檢測輸入端TEMDET為低電平，經(jīng)內(nèi)部處理后，SWITCH輸出高電平，從而使N溝道場效應(yīng)管2N7002的導(dǎo)通，采集信號被短路到地而沒有流經(jīng)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路，解碼采集無輸出，充電器停機(jī)不工作。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)及檢測電路設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)及檢測電路原理圖如圖3，由雙N溝道場效應(yīng)管的CEM4953和雙P溝道場效應(yīng)管的CEM9926組成H橋逆變電路，由于DW540輸出的上拉/下拉信號不能直接驅(qū)動(dòng)CEM4953和CEM9926，因此在它們的柵極之前各自加上Q5和Q9、Q8和Q12、Q6和Q10、Q7和Q11組成的驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)CEM4953和CEM9926的柵極無電平信號輸入時(shí)，其內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極源極不導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路也就無法正常工作，所以為了保證該電路能正常驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，需要DW540控制的DOWN_A、DOWN_B、UP_A和UP_B連續(xù)發(fā)送一定頻率的高低電平，來控制CEM4953和CEM9926的通斷，而這一開關(guān)頻率也就直接控制發(fā)射線圈的發(fā)射頻率。圖中的L1就是發(fā)射線圈，可以選用每線105股、直徑0.81 mm的雙線絞合線AWG，也可以選用0.08 mm直徑的40AWG，或參數(shù)相同的具有圓形形狀線圈。

　　電流檢測部分由R11、R15、R16、C17、C9、LM358組成，當(dāng)發(fā)射線圈的電流流過0.033 Ω的采樣電阻R11時(shí)，在R11上將產(chǎn)生0.1~0.5 V的電壓差，后經(jīng)過LM358同相放大后，送至DW540主控IC處理。

　　由C7、C8、R7、C11、R9、D1、R14、R12、C11、R18、LM358組成解碼采集電路，通過采集電容C7把采集到的頻率信號送往LM358進(jìn)行同相放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號，同時(shí)將這一信號交由主控IC DW540處理，因此，解碼采集電路使主機(jī)（發(fā)射端）和從機(jī)（接收端）建立了通信，還可以實(shí)時(shí)知道當(dāng)前驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際發(fā)射頻率，以便及時(shí)調(diào)整達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

　　4 無線通信及控制過程

　　4.1 上電識別

　　發(fā)射器以一定周期來發(fā)出掃描信號，接收器收到信號后根據(jù)輸入功率大小轉(zhuǎn)換成頻率信號發(fā)送出去，接收器至少在50 ms內(nèi)要完成一次電壓、頻率的轉(zhuǎn)換。當(dāng)發(fā)射器收到接收器反饋的頻率后，調(diào)整發(fā)射功率，發(fā)射器的信號也相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，發(fā)射器還可識別傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號，每個(gè)數(shù)據(jù)位對齊在1個(gè)完整周期為0.5 ms或2 kHz上。具體的編碼如圖4。每個(gè)字節(jié)有11位，其中包括了1個(gè)開始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)校驗(yàn)位和1個(gè)停止位，當(dāng)收到正常的數(shù)據(jù)信號時(shí)，則上電識別成功。

　　4.2 無線充電系統(tǒng)控制流程圖

　　DW540接收并處理各模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，并給相應(yīng)模塊發(fā)送控制信號；解調(diào)模塊負(fù)責(zé)解調(diào)接收端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將解調(diào)出來的信息傳送給控制模塊；LED模塊收到控制模塊發(fā)出的控制信號后，點(diǎn)亮或熄滅相應(yīng)的指示燈；驅(qū)動(dòng)電路模塊根據(jù)控制模塊發(fā)出的控制信號對驅(qū)動(dòng)電路（高頻逆變電路）的開關(guān)管進(jìn)行控制，以改變發(fā)射線圈的工作頻率；LM358用來將檢測到的電流、頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并將這些電壓信號傳送給控制模塊。DW540自帶控制程序，在此將不對程序作分析，而且本設(shè)計(jì)不涉及接收器，所以接收部分的控制流程圖在此不做介紹。

　　工作流程：當(dāng)發(fā)射端上電后首先不斷地進(jìn)行異物檢測（FOD），如果檢測到有物體不管是否為合法接收端都執(zhí)行下一步，如果沒有檢測到異物或者是檢測到的異物為非法接收端，例如一枚硬幣，則發(fā)送報(bào)警信號給LED做出警示，并且重新返回待機(jī)狀態(tài)。如果該物體為合法的接收端，則執(zhí)行下一步獲取該接收端的身份信息和控制信息。如果接收到的控制信息為終止發(fā)送信號，則發(fā)射端返回待機(jī)狀態(tài)并且不斷地進(jìn)行初始的異物檢測，如果接收到的控制信息為調(diào)整發(fā)射頻率信號，則發(fā)射端根據(jù)該信號調(diào)節(jié)發(fā)射端的工作頻率，以調(diào)節(jié)傳輸功率的大小。程序不斷地重復(fù)運(yùn)行此流程，便構(gòu)成了無線充電發(fā)射端的控制系統(tǒng)。

　　5 系統(tǒng)調(diào)試與測試

　　系統(tǒng)調(diào)試與測試是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)能否達(dá)到目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。前期的上電調(diào)試可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路硬件部分的缺陷。后期的上電測試可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能，以及一些細(xì)節(jié)參數(shù)的調(diào)整。

　　5.1 硬件調(diào)試

　　1)靜電調(diào)試

　　在電路焊接完成之前，首先對主控IC以及其他主要芯片進(jìn)行檢測，因?yàn)檫@些芯片是最容易出現(xiàn)空焊、漏焊以及短路的，只有檢測合格后才能進(jìn)行下一步的焊接，否則將影響整個(gè)電路的成功與否。

　　2)上電檢查

　　焊接完畢并且確認(rèn)硬件電路沒有出現(xiàn)人為錯(cuò)誤之后，便可上電檢測，先給相關(guān)模塊提供一個(gè)工作電壓，看是否能夠正常工作，工作后各個(gè)引腳輸出的參數(shù)是否合格。如果都能夠正常工作并且參數(shù)無誤，則進(jìn)行下一步開機(jī)運(yùn)行。

　　3)開機(jī)運(yùn)行

　　在過上述2個(gè)步驟后，確認(rèn)各個(gè)元件焊接無誤，便可上電使整個(gè)系統(tǒng)試運(yùn)行，并且用萬用表檢測這個(gè)模塊的運(yùn)行參數(shù)，在運(yùn)行過程中還要注意元件是否有不正常的發(fā)熱情況，如果需要及時(shí)斷電，則重復(fù)上述的2個(gè)步驟，以及檢查原理圖和PCB是否有原理上的錯(cuò)誤。

　　5.2 系統(tǒng)測試

　　1)效率測試

　　在兩線圈中心間隔3 mm有機(jī)玻璃，采用測量精度0.8%以上萬用表分別測量輸入/輸出電壓和電流，接收端采用BQ500210為主控芯片的接收器，可調(diào)電阻負(fù)載測試，測量數(shù)據(jù)如表1。

　　2)空載測試

　　空載功率小于0.1 W則為測試合格（如表2）。

　　3)異物檢測測試

　　在輸入5 V/2 A、輸出空載、環(huán)境溫度為25 ℃，相對濕度55%的測試條件下，首先讓無線充電器處于待機(jī)狀態(tài)，將1元硬幣放在無線充電器上，然后在硬幣上放無線接收設(shè)備，無線充電器仍然處于待機(jī)狀態(tài)不工作；其次在無線充電器和接收器正常工作時(shí)，再在它們之間放入1元硬幣，無線充電器在29 s后進(jìn)入關(guān)機(jī)自我保護(hù)狀態(tài)，說明無線充電器實(shí)現(xiàn)了異物檢測功能。

　　6 總結(jié)

　　上述測試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的，可為市場上具有Qi標(biāo)準(zhǔn)的自帶無線充電手機(jī)充電。

　　但不足之處是工作時(shí)發(fā)熱量大，散熱不樂觀，充電距離過近等問題。如果能將以上幾個(gè)問題突破，無線充電領(lǐng)域?qū)归_一個(gè)新的篇章。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 周婭娜,2014.一種用于手機(jī)的無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D],重慶:重慶大學(xué).

　　[2] 孟慶奎,2012.手機(jī)無線充電技術(shù)的研究[D].北京:北京郵電大學(xué).

　　[3] 孫躍,夏晨陽,戴欣,等.感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)互感耦合參數(shù)的分析與優(yōu)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010(33).

　　[4] 周曉明,2015.無線充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].天津:天津理工大學(xué).

　　[5] 李陽,楊慶新,閆卓,等.能有效傳輸距離及其影響因素分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013(01).

　　[6] 朱美杰,2012.感應(yīng)線充電技術(shù)的研究[D].南京:南京信息工程大學(xué).

　　[7] 嚴(yán)沁,2010.感應(yīng)耦合能量傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].上海:東華大學(xué).

　　[8] 楊國明,2013.電磁諧振耦合無線電能傳輸技術(shù)的研究[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué).

　　[9] 周詩杰,2012.無線電能傳輸系統(tǒng)能量建模及其應(yīng)用[D].重慶:重慶大學(xué).

　　[10] 劉剛,鄭青玉,王德釗.一種基于電磁感應(yīng)的無線充電方法[J].北京:北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013(02)．

　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第07期第77頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）