前言
无线充电已经成为手机、耳机、手表的标配功能。但你知道：
- 电能是怎么"隔空传输"的？
- Qi标准是如何工作的？
- 发射端和接收端电路怎么设计？
今天从物理原理 到电路设计 到完整代码，彻底搞懂无线充电。
一、无线充电基本原理
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 无线充电技术分类 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【1. 电磁感应式】 ⭐ Qi标准采用 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 原理: 变压器原理，初级线圈产生交变磁场，次级线圈感应出电动势 │
│ │
│ 发射端 (TX) 接收端 (RX) │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ ┌────┐ │ 磁场线 │ ┌────┐ │ │
│ │ │ │ ))) │ ~~~~~~~~~~→ │ ((( │ │ │ │
│ │ │ L1 │ ))) │ ~~~~~~~~~~→ │ ((( │ L2 │ │ │
│ │ │ │ ))) │ ~~~~~~~~~~→ │ ((( │ │ │ │
│ │ └────┘ │ │ └────┘ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ 交流电 │ │ 感应电流 │ │
│ └──────────────┘ └──────────────┘ │
│ │
│ 特点: │
│ • 频率: 100-205 kHz (Qi标准) │
│ • 距离: <10mm (紧密耦合) │
│ • 效率: 70-85% │
│ • 功率: 5W-15W (手机), 最高50W+ │
│ │
│ 【2. 磁共振式】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 原理: 发射和接收线圈调谐到相同谐振频率，通过共振传输能量 │
│ │
│ TX线圈 中继线圈(可选) RX线圈 │
│ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ │
│ │~~~~│ ))) ((( │~~~~│ ))) ((( │~~~~│ │
│ └────┘ └────┘ └────┘ │
│ ↑ ↑ ↑ │
│ 谐振频率f 谐振频率f 谐振频率f │
│ │
│ 特点: │
│ • 频率: 6.78 MHz (A4WP标准) │
│ • 距离: 可达几十厘米 │
│ • 效率: 距离近时高，远时下降 │
│ • 支持一对多充电 │
│ │
│ 【3. 射频式 (RF)】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 原理: 发射无线电波，接收端天线收集能量 │
│ │
│ 特点: │
│ • 频率: 900MHz / 2.4GHz / 5.8GHz │
│ • 距离: 可达几米 │
│ • 效率: 很低 (<10%) │
│ • 功率: 毫瓦级 (适合IoT传感器) │
│ │
│ 【技术对比】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────────────┐ │
│ │ 技术 │ 距离 │ 效率 │ 应用 │ │
│ ├──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────────────┤ │
│ │ 电磁感应 │ <10mm │ 70-85% │ 手机、手表、耳机 │ │
│ │ 磁共振 │ <50cm │ 40-70% │ 电动汽车、医疗设备 │ │
│ │ 射频 │ <10m │ <10% │ IoT传感器、RFID │ │
│ └──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘二、电磁感应原理详解
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 电磁感应物理原理 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【法拉第电磁感应定律】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 感应电动势: ε = -N × dΦ/dt │
│ │
│ 其中: │
│ • ε: 感应电动势 (V) │
│ • N: 线圈匝数 │
│ • Φ: 磁通量 (Wb) │
│ • dΦ/dt: 磁通量变化率 │
│ │
│ 要产生感应电动势，磁通量必须变化 → 需要交流电 │
│ │
│ 【互感耦合】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ I₁ → I₂ → │
│ ┌────┐ 互感M ┌────┐ │
│ V₁ ─┤ L₁ ├─────────────────────────┤ L₂ ├─ V₂ │
│ └────┘ k = M/√(L₁L₂) └────┘ │
│ │
│ 互感公式: │
│ M = k × √(L₁ × L₂) │
│ │
│ 其中: │
│ • M: 互感系数 (H) │
│ • k: 耦合系数 (0~1)，距离越近k越大 │
│ • L₁, L₂: 两个线圈的电感 (H) │
│ │
│ 次级感应电压: │
│ V₂ = jωM × I₁ = jω × k × √(L₁L₂) × I₁ │
│ │
│ 【耦合系数 k】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ k取决于: │
│ • 线圈距离 (越近k越大) │
│ • 线圈对齐 (偏移会降低k) │
│ • 线圈尺寸匹配 │
│ • 有无磁性材料 (铁氧体可提高k) │
│ │
│ 典型值: │
│ • Qi充电 (紧密贴合): k ≈ 0.5-0.7 │
│ • 有一定间隙: k ≈ 0.2-0.4 │
│ • 相距较远: k < 0.1 │
│ │
│ 【谐振电路】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 为什么要谐振？提高传输效率！ │
│ │
│ 发射端 接收端 │
│ ┌────┐ ┌────┐ │
│ ────┤ C₁ ├────┐ ┌─────┤ C₂ ├──── │
│ └────┘ │ │ └────┘ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│ │ L₁ │ )))((( │ L₂ │ │
│ └──┬──┘ └──┬──┘ │
│ ─────────┴──── ┴────────── │
│ │
│ 谐振频率: f = 1 / (2π√(LC)) │
│ │
│ 谐振时: │
│ • 电感和电容的阻抗相互抵消 │
│ • 电路呈纯阻性 │
│ • 电流最大，功率传输最大 │
│ │
│ Qi标准工作频率: 100-205 kHz │
│ 通过调节频率来调节传输功率 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘三、Qi标准详解
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Qi (气) 标准 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【Qi标准功率等级】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌──────────────────┬──────────────┬──────────────────────────────────┐ │
│ │ 等级 │ 功率 │ 应用 │ │
│ ├──────────────────┼──────────────┼──────────────────────────────────┤ │
│ │ BPP (基础) │ 5W │ 老款手机、耳机 │ │
│ │ EPP (扩展) │ 15W │ 主流手机快充 │ │
│ │ MPP (中等) │ 30-65W │ 平板、笔记本 │ │
│ │ 未来 │ 100W+ │ 更大功率设备 │ │
│ └──────────────────┴──────────────┴──────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【通信协议】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ Qi使用"反向散射调制"进行RX→TX通信: │
│ │
│ 接收端通过改变负载(电容/电阻)，调制发射端线圈的电流 │
│ 发射端检测电流变化，解调出数据 │
│ │
│ TX RX │
│ ┌────┐ ┌────┐ │
│ │ │ ───能量传输──────→ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ ←──数据(负载调制)─── │ │ │
│ └────┘ └────┘ │
│ │
│ 数据格式: ASK调制，2kbps │
│ 编码: 双相编码 (Biphase) │
│ │
│ 【通信协议数据包】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌──────────┬──────────┬──────────────────┬──────────┐ │
│ │ Preamble │ Header │ Message │ Checksum │ │
│ │ 11-25位 │ 1字节 │ 1-27字节 │ 1字节 │ │
│ │ 1111...│ │ │ │ │
│ └──────────┴──────────┴──────────────────┴──────────┘ │
│ │
│ Header定义消息类型: │
│ • 0x01: Signal Strength (信号强度) │
│ • 0x02: End Power Transfer (结束充电) │
│ • 0x03: Control Error (控制误差) │
│ • 0x04: Received Power (接收功率) │
│ • 0x05: Charge Status (充电状态) │
│ • 0x06: Power Control Hold-off (功率控制保持) │
│ • 0x31: Identification (设备识别) │
│ • 0x51: Configuration (配置) │
│ • 0x71: Extended Identification │
│ │
│ 【充电流程】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ Phase 1: Selection (选择阶段) │ │
│ │ ───────────────────────────────────────── │ │
│ │ TX发送数字Ping → 检测是否有RX设备 │ │
│ │ │ │
│ │ Phase 2: Ping (探测阶段) │ │
│ │ ───────────────────────────────────────── │ │
│ │ TX发送模拟Ping → RX回复Signal Strength │ │
│ │ │ │
│ │ Phase 3: Identification & Configuration (识别配置) │ │
│ │ ───────────────────────────────────────── │ │
│ │ RX发送ID → RX发送Configuration (请求功率) │ │
│ │ │ │
│ │ Phase 4: Negotiation (协商) - EPP专有 │ │
│ │ ───────────────────────────────────────── │ │
│ │ 协商充电参数 (功率、协议版本等) │ │
│ │ │ │
│ │ Phase 5: Power Transfer (功率传输) │ │
│ │ ───────────────────────────────────────── │ │
│ │ 开始充电 │ │
│ │ RX定期发送Control Error包调节功率 │ │
│ │ TX根据误差调整频率/占空比 │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘四、发射端电路设计
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 发射端 (TX) 电路架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【系统框图】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ DC输入 DC-DC 全桥/半桥 谐振网络 发射 │ │
│ │ (5-20V) (可选) 逆变器 LC 线圈 │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ │ │
│ │ ┌───┐ ┌─────┐ ┌───────┐ ┌─────┐ ┌────┐ │ │
│ │ │ │ ──→ │DC-DC│ ──→ │H-Bridge│ ──→ │ L+C │ ──→│coil│ │ │
│ │ │VIN│ │Buck │ │Driver │ │ │ │ │ │ │
│ │ └───┘ └─────┘ └───┬───┘ └─────┘ └────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌─────┴─────┐ │ │
│ │ │ MCU │ ← 控制器 │ │
│ │ │ (STM32) │ │ │
│ │ └─────┬─────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌──────────┼──────────┐ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ ▼ │ │
│ │ 电流检测 电压检测 解调电路 │ │
│ │ (采样) (采样) (ASK) │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【全桥逆变器详细电路】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ VIN (12V) │
│ │ │
│ ┌──────────┼──────────┐ │
│ │ │ │ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│ │ Q1 │ │ │ │ Q3 │ │
│ │NMOS │ │ │ │NMOS │ │
│ └──┬──┘ │ │ └──┬──┘ │
│ │ │ │ │ │
│ PWM_A ─────┤ │ │ ├───── PWM_B │
│ │ │ │ │ │
│ ├───────┴──┬──┴───────┤ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌────┴────┐ │ │
│ │ │ L_tx │ │ 谐振电感(发射线圈) │
│ │ │ 10µH │ │ │
│ │ └────┬────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌────┴────┐ │ │
│ │ │ C_res │ │ 谐振电容 │
│ │ │ 100nF │ │ │
│ │ └────┬────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ ├──────────┴──────────┤ │
│ │ │ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│ │ Q2 │ │ Q4 │ │
│ │NMOS │ │NMOS │ │
│ └──┬──┘ └──┬──┘ │
│ │ │ │
│ PWM_A' ────┤ ├───── PWM_B' │
│ │ │ │
│ └────────┬───────────┘ │
│ │ │
│ GND │
│ │
│ 驱动时序 (全桥): │
│ │
│ PWM_A ─┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌───── │
│ └─┘ └─┘ └─┘ │
│ │
│ PWM_A' ──┐ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌──── │
│ └─┘ └─┘ └─┘ │
│ │
│ PWM_B ──────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │
│ └─┘ └─┘ └─ │
│ │
│ PWM_B' ─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │
│ └─┘ └─┘ └── │
│ │
│ Q1&Q4导通 ↔ Q2&Q3导通，交替进行 │
│ 死区时间: 100-500ns (防止直通) │
│ │
│ 【半桥逆变器 (简化版)】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ VIN │
│ │ │
│ ┌──┴──┐ │
│ │ Q1 │ │
│ └──┬──┘ │
│ PWM_H ─────┤ │
│ ├───────┬───────┐ │
│ │ │ │ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│ │ Q2 │ │ L │ │ C │ │
│ └──┬──┘ └──┬──┘ └──┬──┘ │
│ PWM_L ─────┤ │ │ │
│ │ └───────┘ │
│ GND │
│ │
│ 半桥更简单，但输出功率只有全桥的一半 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘发射端关键元器件选型
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 发射端元器件选型 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【MOSFET选型】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 要求: │
│ • Vds > 30V (12V输入时) │
│ • Id > 5A (连续) │
│ • Rds_on < 20mΩ (低导通电阻) │
│ • Qg低 (栅极电荷小，开关快) │
│ │
│ 推荐型号: │
│ ┌───────────────┬───────────┬───────────┬───────────┬───────────────┐ │
│ │ 型号 │ Vds │ Id │ Rds_on │ 价格 │ │
│ ├───────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────────┤ │
│ │ AON7401 │ 30V │ 35A │ 3.2mΩ │ ￥1.5 │ │
│ │ CSD17579Q3A │ 30V │ 31A │ 2.6mΩ │ ￥2.0 │ │
│ │ IRFR3710Z │ 100V │ 59A │ 18mΩ │ ￥3.0 │ │
│ │ Si7336ADP │ 30V │ 30A │ 3.0mΩ │ ￥2.5 │ │
│ └───────────────┴───────────┴───────────┴───────────┴───────────────┘ │
│ │
│ 【栅极驱动器】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 推荐使用专用半桥/全桥驱动芯片: │
│ │
│ ┌───────────────┬───────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 型号 │ 特点 │ │
│ ├───────────────┼───────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ IR2110 │ 经典高低边驱动，外置自举电容 │ │
│ │ IR2104 │ 半桥驱动，带死区，更简单 │ │
│ │ MIC4606 │ 集成自举二极管，高频率 │ │
│ │ DRV8323 │ 三相驱动，集成电流采样，强大 │ │
│ └───────────────┴───────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【发射线圈】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 参数: │
│ • 电感量: 6-15 µH (典型10µH) │
│ • 直流电阻: <100mΩ │
│ • 直径: 40-50mm (手机用) │
│ • 匝数: 8-15匝 │
│ • 线径: 0.4-0.6mm利兹线 (减少趋肤效应) │
│ • 加铁氧体片提高电感量和聚磁 │
│ │
│ 自制线圈参考: │
│ • 直径45mm，10匝，利兹线(50股×0.1mm) │
│ • 背面贴铁氧体片 │
│ • 电感约10µH │
│ │
│ 【谐振电容】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 要求: │
│ • 高Q值 (低ESR) │
│ • 耐高压 (谐振时电压可达几十伏) │
│ • 温度稳定 (NPO/C0G介质) │
│ │
│ 计算: │
│ f = 1/(2π√LC) → C = 1/(4π²f²L) │
│ │
│ 例: f=100kHz, L=10µH → C = 253nF │
│ 实际选用: 220nF + 33nF 并联 │
│ │
│ 推荐: MLCC贴片电容，NPO材质，50V以上耐压 │
│ │
│ 【Qi发射端芯片 (集成方案)】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 如果不想自己搭建，可用集成芯片: │
│ │
│ ┌───────────────┬───────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 型号 │ 特点 │ │
│ ├───────────────┼───────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ BQ500212A │ TI, 5W BPP, 集成驱动和控制 │ │
│ │ BQ501210 │ TI, 15W EPP │ │
│ │ STWLC33 │ ST, 15W, 支持苹果7.5W │ │
│ │ P9235A │ IDT, 5W │ │
│ │ P9261 │ IDT, 15W EPP │ │
│ │ LTC4125 │ ADI, 全集成，简单 │ │
│ └───────────────┴───────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘五、接收端电路设计
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 接收端 (RX) 电路架构 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【系统框图】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ 接收 谐振网络 整流器 LDO/ 电池/ │ │
│ │ 线圈 LC (全桥) DC-DC 负载 │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ │ │
│ │ ┌────┐ ┌─────┐ ┌───────┐ ┌─────┐ ┌──────┐ │ │
│ │ │coil│──│ L+C │ ──→│Bridge │──→│ LDO │ ──→│ 电池 │ │ │
│ │ └────┘ └─────┘ │Rectif│ │5V/9V│ │充电IC│ │ │
│ │ └───┬───┘ └─────┘ └──────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌─────┴─────┐ │ │
│ │ │ MCU │ │ │
│ │ │ (通信+ │ │ │
│ │ │ 功率控制)│ │ │
│ │ └─────┬─────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌──────┼──────┐ │ │
│ │ ▼ ▼ ▼ │ │
│ │ 电压检测 调制电路 过压保护 │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【详细电路图】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 接收线圈 │
│ ┌────┐ │
│ ┌───────┤ Lrx├───────┐ │
│ │ └────┘ │ │
│ │ │ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ 谐振电容 │
│ │ Crx │ │ Crx │ (调谐到工作频率) │
│ └──┬──┘ └──┬──┘ │
│ │ │ │
│ │ ┌───────────────┤ │
│ │ │ │ │
│ ▼ ▼ ▼ │
│ ┌─────────────────────────────┐ │
│ │ 全桥同步整流器 │ │
│ │ D1┌───┐ ┌───┐D3 │ │
│ │ ──→│ │ │ │←── │ │
│ │ └─┬─┘ └─┬─┘ │ │
│ │ │ Vout │ │ │
│ │ └────┬────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ ┌─┴─┐ ┌─┴─┐ │ │
│ │ ←──│ │ │ │──→ │ │
│ │ D2└───┘ └───┘D4 │ │
│ │ │ │ │
│ │ GND │ │
│ └─────────────────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ 滤波电容 │ │
│ │ Cout 47µF │ │
│ └───────┬───────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ LDO/Buck │ │
│ │ 稳压到5V/9V │ │
│ └───────┬───────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌───────────────┐ │
│ │ 负载 │ │
│ │ (充电IC等) │ │
│ └───────────────┘ │
│ │
│ 【负载调制电路】(用于通信) │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ Vrect │
│ │ │
│ ┌──────┴──────┐ │
│ │ │ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│ │ Cm │ │ Rm │ 调制电容/电阻 │
│ │1-10nF│ │10-47Ω│ │
│ └──┬──┘ └──┬──┘ │
│ │ │ │
│ ┌──┴──┐ ┌──┴──┐ │
│ │ Qm │ │ Qm' │ 调制开关 │
│ │NMOS │ │NMOS │ │
│ └──┬──┘ └──┬──┘ │
│ │ │ │
│ MOD_CLK ──┴─────────────┴── MOD_CLK │
│ │ │
│ GND │
│ │
│ MCU输出调制信号MOD_CLK，开关Qm改变负载 │
│ TX端检测到线圈电流变化，解调出数据 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘接收端元器件选型
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 接收端元器件选型 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【整流二极管/同步整流】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 方案1: 肖特基二极管整流 (简单) │
│ • SS34 (3A/40V): Vf=0.45V │
│ • MBRS340 (3A/40V): Vf=0.4V │
│ • 损耗: P = 4×Vf×I ≈ 1.8W @ 1A │
│ │
│ 方案2: 同步整流 (高效率) ⭐推荐 │
│ • 用MOSFET代替二极管 │
│ • Rds_on=10mΩ时，损耗P=I²R=0.01W @ 1A │
│ • 效率提升5-10% │
│ │
│ 【接收线圈】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 参数 (需与TX匹配): │
│ • 电感量: 6-15 µH │
│ • 直径: 35-45mm │
│ • 要求: 尽量薄，适合放入手机 │
│ │
│ 【稳压方案】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 方案1: LDO (简单，效率一般) │
│ • AMS1117-5.0: 5V输出，1A │
│ • 效率: Vout/Vin ≈ 50% (10V→5V时) │
│ │
│ 方案2: Buck DC-DC (高效率) ⭐ │
│ • MP2307/MP2315: 3A，效率>90% │
│ • TPS62160: 1A，超小封装 │
│ │
│ 【Qi接收端芯片 (集成方案)】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌───────────────┬───────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 型号 │ 特点 │ │
│ ├───────────────┼───────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ BQ51050B │ TI, 5W, 集成整流+稳压+通信 │ │
│ │ BQ51025 │ TI, 10W │ │
│ │ P9221 │ IDT, 5W │ │
│ │ P9415 │ IDT, 15W EPP │ │
│ │ STWLC68 │ ST, 15W, 支持苹果 │ │
│ │ CPS4019 │ ConvenientPower, 15W │ │
│ └───────────────┴───────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘六、控制算法与源代码
c
/**
* 无线充电发射端控制代码 (STM32)
*
* 功能:
* - PWM生成 (全桥驱动)
* - 频率调节 (功率控制)
* - Qi通信协议解析
* - 异物检测
*/
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
// ============================================================
// 硬件配置
// ============================================================
#define PWM_TIMER TIM1
#define PWM_FREQ_MIN 100000 // 100 kHz
#define PWM_FREQ_MAX 205000 // 205 kHz
#define PWM_FREQ_DEFAULT 130000 // 130 kHz
#define DEAD_TIME_NS 200 // 200ns死区
#define ADC_COIL_CURRENT ADC_CHANNEL_0 // 线圈电流采样
#define ADC_COIL_VOLTAGE ADC_CHANNEL_1 // 线圈电压采样
#define ADC_INPUT_VOLTAGE ADC_CHANNEL_2 // 输入电压采样
// ============================================================
// Qi协议定义
// ============================================================
// 消息类型 (Header)
#define QI_MSG_SIGNAL_STRENGTH 0x01
#define QI_MSG_END_POWER 0x02
#define QI_MSG_CONTROL_ERROR 0x03
#define QI_MSG_RECEIVED_POWER 0x04
#define QI_MSG_CHARGE_STATUS 0x05
#define QI_MSG_POWER_HOLD_OFF 0x06
#define QI_MSG_IDENTIFICATION 0x31
#define QI_MSG_CONFIGURATION 0x51
#define QI_MSG_EXT_IDENTIFICATION 0x71
// 充电状态
typedef enum {
STATE_STANDBY, // 待机
STATE_PING, // 探测
STATE_IDENTIFICATION, // 识别
STATE_CONFIGURATION, // 配置
STATE_NEGOTIATION, // 协商 (EPP)
STATE_POWER_TRANSFER, // 功率传输
STATE_ERROR // 错误
} ChargeState;
// ============================================================
// 数据结构
// ============================================================
typedef struct {
uint8_t header;
uint8_t message[27];
uint8_t length;
uint8_t checksum;
} QiPacket;
typedef struct {
ChargeState state;
uint32_t pwm_frequency;
uint16_t duty_cycle; // 0-1000 (0.1%精度)
// 采样值
uint16_t coil_current_ma;
uint16_t coil_voltage_mv;
uint16_t input_voltage_mv;
// RX设备信息
uint8_t rx_id[8];
uint8_t rx_power_class; // 功率等级
uint16_t rx_max_power_mw; // 最大功率
// 控制参数
int8_t control_error; // 控制误差 (-128 ~ +127)
uint32_t last_packet_time; // 最后收到包的时间
// 异物检测
uint16_t q_factor; // Q值
bool fod_detected; // 检测到异物
} WirelessCharger;
static WirelessCharger charger;
// ============================================================
// PWM控制
// ============================================================
/**
* 初始化PWM (全桥驱动)
*/
void PWM_Init(void)
{
// TIM1配置为互补PWM输出
// CH1/CH1N: Q1/Q2 (半桥A)
// CH2/CH2N: Q3/Q4 (半桥B)
TIM_HandleTypeDef htim;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig;
htim.Instance = PWM_TIMER;
htim.Init.Prescaler = 0;
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1;
htim.Init.Period = SystemCoreClock / PWM_FREQ_DEFAULT / 2;
htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim.Init.RepetitionCounter = 0;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim);
// PWM模式
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = htim.Init.Period / 2; // 50%占空比
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
// 死区配置
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = DEAD_TIME_NS * SystemCoreClock / 1000000000;
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_ENABLE;
HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim, &sBreakDeadTimeConfig);
}
/**
* 设置PWM频率
*/
void PWM_SetFrequency(uint32_t freq_hz)
{
if (freq_hz < PWM_FREQ_MIN) freq_hz = PWM_FREQ_MIN;
if (freq_hz > PWM_FREQ_MAX) freq_hz = PWM_FREQ_MAX;
uint32_t period = SystemCoreClock / freq_hz / 2;
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(PWM_TIMER, period);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_1, period / 2);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_2, period / 2);
charger.pwm_frequency = freq_hz;
}
/**
* 设置占空比 (0-1000)
*/
void PWM_SetDutyCycle(uint16_t duty)
{
if (duty > 1000) duty = 1000;
uint32_t period = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(PWM_TIMER);
uint32_t pulse = period * duty / 1000;
__HAL_TIM_SET_COMPARE(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_1, pulse);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_2, pulse);
charger.duty_cycle = duty;
}
/**
* 启动PWM输出
*/
void PWM_Start(void)
{
HAL_TIM_PWM_Start(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_2);
}
/**
* 停止PWM输出
*/
void PWM_Stop(void)
{
HAL_TIM_PWM_Stop(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Stop(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Stop(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIMEx_PWMN_Stop(PWM_TIMER, TIM_CHANNEL_2);
}
// ============================================================
// ADC采样
// ============================================================
/**
* 采样线圈电流和电压
*/
void ADC_Sample(void)
{
// 这里简化处理，实际需要配置ADC和DMA
uint16_t adc_current = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 电流采样
uint16_t adc_voltage = HAL_ADC_GetValue(&hadc2); // 电压采样
// 转换为实际值 (根据采样电路参数)
// 假设: 采样电阻0.1Ω，放大10倍
charger.coil_current_ma = adc_current * 3300 / 4096 / 10 * 1000 / 100;
// 假设: 分压比1:10
charger.coil_voltage_mv = adc_voltage * 3300 / 4096 * 10;
}
// ============================================================
// Qi通信解调
// ============================================================
// 解调状态机
typedef enum {
DEMOD_IDLE,
DEMOD_PREAMBLE,
DEMOD_HEADER,
DEMOD_MESSAGE,
DEMOD_CHECKSUM
} DemodState;
static DemodState demod_state = DEMOD_IDLE;
static uint8_t demod_bit_count = 0;
static uint8_t demod_byte = 0;
static QiPacket rx_packet;
/**
* 解调一个bit
* 通过检测线圈电流的变化来解调
*/
void Qi_DemodBit(uint8_t bit)
{
static uint8_t preamble_count = 0;
static uint8_t byte_index = 0;
switch (demod_state) {
case DEMOD_IDLE:
// 等待前导码
if (bit == 1) {
preamble_count++;
if (preamble_count >= 11) {
demod_state = DEMOD_PREAMBLE;
}
} else {
preamble_count = 0;
}
break;
case DEMOD_PREAMBLE:
// 检测前导码结束 (0)
if (bit == 0) {
demod_state = DEMOD_HEADER;
demod_bit_count = 0;
demod_byte = 0;
}
break;
case DEMOD_HEADER:
// 接收Header字节
demod_byte = (demod_byte << 1) | bit;
demod_bit_count++;
if (demod_bit_count >= 8) {
rx_packet.header = demod_byte;
rx_packet.length = Qi_GetMessageLength(demod_byte);
demod_state = DEMOD_MESSAGE;
demod_bit_count = 0;
demod_byte = 0;
byte_index = 0;
}
break;
case DEMOD_MESSAGE:
// 接收Message字节
demod_byte = (demod_byte << 1) | bit;
demod_bit_count++;
if (demod_bit_count >= 8) {
rx_packet.message[byte_index++] = demod_byte;
demod_bit_count = 0;
demod_byte = 0;
if (byte_index >= rx_packet.length) {
demod_state = DEMOD_CHECKSUM;
}
}
break;
case DEMOD_CHECKSUM:
// 接收Checksum
demod_byte = (demod_byte << 1) | bit;
demod_bit_count++;
if (demod_bit_count >= 8) {
rx_packet.checksum = demod_byte;
// 验证校验和
if (Qi_VerifyChecksum(&rx_packet)) {
Qi_ProcessPacket(&rx_packet);
}
// 复位状态机
demod_state = DEMOD_IDLE;
preamble_count = 0;
}
break;
}
}
/**
* 获取消息长度
*/
uint8_t Qi_GetMessageLength(uint8_t header)
{
switch (header) {
case QI_MSG_SIGNAL_STRENGTH: return 1;
case QI_MSG_END_POWER: return 1;
case QI_MSG_CONTROL_ERROR: return 1;
case QI_MSG_RECEIVED_POWER: return 1;
case QI_MSG_CHARGE_STATUS: return 1;
case QI_MSG_POWER_HOLD_OFF: return 1;
case QI_MSG_IDENTIFICATION: return 7;
case QI_MSG_CONFIGURATION: return 5;
case QI_MSG_EXT_IDENTIFICATION: return 8;
default: return 1;
}
}
/**
* 验证校验和
*/
bool Qi_VerifyChecksum(QiPacket *pkt)
{
uint8_t sum = pkt->header;
for (int i = 0; i < pkt->length; i++) {
sum ^= pkt->message[i];
}
return (sum == pkt->checksum);
}
/**
* 处理接收到的数据包
*/
void Qi_ProcessPacket(QiPacket *pkt)
{
charger.last_packet_time = HAL_GetTick();
switch (pkt->header) {
case QI_MSG_SIGNAL_STRENGTH:
// 信号强度包 (Ping响应)
if (charger.state == STATE_PING) {
charger.state = STATE_IDENTIFICATION;
}
break;
case QI_MSG_IDENTIFICATION:
// 设备识别
memcpy(charger.rx_id, pkt->message, 7);
charger.state = STATE_CONFIGURATION;
break;
case QI_MSG_CONFIGURATION:
// 配置信息
charger.rx_power_class = pkt->message[0] >> 4;
charger.rx_max_power_mw = ((pkt->message[0] & 0x0F) << 8 | pkt->message[1]) * 100;
charger.state = STATE_POWER_TRANSFER;
break;
case QI_MSG_CONTROL_ERROR:
// 控制误差 (功率调节)
charger.control_error = (int8_t)pkt->message[0];
Qi_AdjustPower(charger.control_error);
break;
case QI_MSG_END_POWER:
// 结束充电
charger.state = STATE_STANDBY;
PWM_Stop();
break;
case QI_MSG_RECEIVED_POWER:
// 接收功率反馈
// 用于FOD (异物检测)
{
uint16_t received_mw = pkt->message[0] * 100;
Qi_CheckFOD(received_mw);
}
break;
}
}
// ============================================================
// 功率控制
// ============================================================
/**
* 根据控制误差调节功率
*
* Control Error:
* 正值: RX电压低，需要增加功率
* 负值: RX电压高，需要降低功率
* 0: 功率合适
*/
void Qi_AdjustPower(int8_t error)
{
// 通过调节频率来调节功率
// 频率越高 → 偏离谐振点 → 功率越低
// 频率越低 → 接近谐振点 → 功率越高
int32_t freq_delta = error * 500; // 每单位误差调节500Hz
int32_t new_freq = (int32_t)charger.pwm_frequency - freq_delta;
if (new_freq < PWM_FREQ_MIN) new_freq = PWM_FREQ_MIN;
if (new_freq > PWM_FREQ_MAX) new_freq = PWM_FREQ_MAX;
PWM_SetFrequency(new_freq);
}
// ============================================================
// 异物检测 (FOD)
// ============================================================
/**
* 异物检测
*
* 原理: 比较发射功率和接收功率，差值过大说明有异物吸收能量
*/
void Qi_CheckFOD(uint16_t received_power_mw)
{
// 计算发射功率 (简化: 实际需要更精确的测量)
uint32_t tx_power_mw = charger.coil_voltage_mv * charger.coil_current_ma / 1000;
// 效率阈值 (正常效率应>60%)
uint32_t efficiency = received_power_mw * 100 / tx_power_mw;
if (efficiency < 50) {
// 效率过低，可能有异物
charger.fod_detected = true;
// 停止充电
PWM_Stop();
charger.state = STATE_ERROR;
}
}
/**
* Q值测量 (用于更精确的FOD)
*
* 原理: 测量谐振电路的Q值，异物会降低Q值
*/
uint16_t Qi_MeasureQFactor(void)
{
// 发送短脉冲，测量衰减
// 简化实现，实际需要更复杂的测量
PWM_Stop();
HAL_Delay(1);
// 记录电压衰减
uint16_t v1 = charger.coil_voltage_mv;
HAL_Delay(1);
uint16_t v2 = charger.coil_voltage_mv;
// Q = π / ln(v1/v2)
if (v2 > 0 && v1 > v2) {
return 314 * 100 / (100 * v1 / v2 - 100); // 简化计算
}
return 0;
}
// ============================================================
// 状态机主循环
// ============================================================
/**
* 无线充电器主循环
*/
void WirelessCharger_Process(void)
{
static uint32_t last_ping_time = 0;
uint32_t current_time = HAL_GetTick();
// 采样
ADC_Sample();
switch (charger.state) {
case STATE_STANDBY:
// 待机状态，定期发送Ping
if (current_time - last_ping_time > 500) { // 500ms间隔
Qi_SendPing();
last_ping_time = current_time;
}
break;
case STATE_PING:
// 等待Signal Strength响应
if (current_time - last_ping_time > 100) {
// 超时，回到待机
charger.state = STATE_STANDBY;
PWM_Stop();
}
break;
case STATE_IDENTIFICATION:
// 等待ID包
if (current_time - charger.last_packet_time > 500) {
charger.state = STATE_STANDBY;
PWM_Stop();
}
break;
case STATE_CONFIGURATION:
// 等待Configuration包
if (current_time - charger.last_packet_time > 500) {
charger.state = STATE_STANDBY;
PWM_Stop();
}
break;
case STATE_POWER_TRANSFER:
// 功率传输中
// 检查通信超时
if (current_time - charger.last_packet_time > 1500) {
// 超过1.5秒没收到包，停止充电
charger.state = STATE_STANDBY;
PWM_Stop();
}
break;
case STATE_ERROR:
// 错误状态，等待复位
PWM_Stop();
break;
}
}
/**
* 发送Ping信号
*/
void Qi_SendPing(void)
{
// 模拟Ping: 短时间发送低功率信号
PWM_SetFrequency(PWM_FREQ_DEFAULT);
PWM_SetDutyCycle(200); // 20%占空比
PWM_Start();
charger.state = STATE_PING;
}
// ============================================================
// 初始化
// ============================================================
void WirelessCharger_Init(void)
{
memset(&charger, 0, sizeof(charger));
charger.state = STATE_STANDBY;
charger.pwm_frequency = PWM_FREQ_DEFAULT;
PWM_Init();
// ADC_Init();
// 其他外设初始化...
}
// ============================================================
// 主函数
// ============================================================
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
WirelessCharger_Init();
while (1) {
WirelessCharger_Process();
HAL_Delay(1);
}
}七、接收端代码
c
/**
* 无线充电接收端控制代码 (STM32)
*/
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include <string.h>
#include <stdbool.h>
// ============================================================
// 配置
// ============================================================
#define VRECT_TARGET_MV 7000 // 目标整流电压 7V
#define VRECT_TOLERANCE_MV 200 // 容差 ±200mV
#define MODULATION_FREQ_HZ 2000 // 调制频率 2kHz
// ============================================================
// 数据结构
// ============================================================
typedef struct {
// 采样值
uint16_t vrect_mv; // 整流电压
uint16_t iload_ma; // 负载电流
// 设备信息
uint8_t device_id[8]; // 设备ID
uint16_t max_power_mw; // 最大功率
// 状态
bool is_charging;
uint8_t charge_complete_pct;
} WirelessReceiver;
static WirelessReceiver receiver;
// ============================================================
// 负载调制 (发送数据给TX)
// ============================================================
/**
* 发送一个bit (ASK调制)
*/
void Qi_ModulateBit(uint8_t bit)
{
// Qi使用双相编码 (Biphase)
// bit 0: 先高后低
// bit 1: 先低后高
if (bit == 0) {
HAL_GPIO_WritePin(MOD_GPIO, MOD_PIN, GPIO_PIN_SET);
DelayUs(250); // 2kHz的半周期
HAL_GPIO_WritePin(MOD_GPIO, MOD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
DelayUs(250);
} else {
HAL_GPIO_WritePin(MOD_GPIO, MOD_PIN, GPIO_PIN_RESET);
DelayUs(250);
HAL_GPIO_WritePin(MOD_GPIO, MOD_PIN, GPIO_PIN_SET);
DelayUs(250);
}
}
/**
* 发送一个字节
*/
void Qi_ModulateByte(uint8_t byte)
{
// 起始位 (0)
Qi_ModulateBit(0);
// 数据位 (LSB first)
for (int i = 0; i < 8; i++) {
Qi_ModulateBit((byte >> i) & 0x01);
}
// 奇校验位
uint8_t parity = 0;
for (int i = 0; i < 8; i++) {
parity ^= (byte >> i) & 0x01;
}
Qi_ModulateBit(parity ^ 1); // 奇校验
// 停止位 (1)
Qi_ModulateBit(1);
}
/**
* 发送Qi数据包
*/
void Qi_SendPacket(uint8_t header, uint8_t *data, uint8_t len)
{
// 计算校验和
uint8_t checksum = header;
for (int i = 0; i < len; i++) {
checksum ^= data[i];
}
// 发送前导码 (至少11个1)
for (int i = 0; i < 15; i++) {
Qi_ModulateBit(1);
}
// 发送Header
Qi_ModulateByte(header);
// 发送Message
for (int i = 0; i < len; i++) {
Qi_ModulateByte(data[i]);
}
// 发送Checksum
Qi_ModulateByte(checksum);
}
// ============================================================
// Qi协议消息
// ============================================================
/**
* 发送Signal Strength包
*/
void Qi_SendSignalStrength(uint8_t strength)
{
Qi_SendPacket(0x01, &strength, 1);
}
/**
* 发送Identification包
*/
void Qi_SendIdentification(void)
{
uint8_t data[7];
// Major/Minor Version
data[0] = 0x01; // Version 1
// Manufacturer Code
data[1] = 0x00;
data[2] = 0x00;
// Device ID
data[3] = receiver.device_id[0];
data[4] = receiver.device_id[1];
data[5] = receiver.device_id[2];
data[6] = receiver.device_id[3];
Qi_SendPacket(0x31, data, 7);
}
/**
* 发送Configuration包
*/
void Qi_SendConfiguration(void)
{
uint8_t data[5];
// Power Class (高4位) + Maximum Power (高4位)
uint8_t power_class = 0; // 0 = 5W
uint16_t max_power = receiver.max_power_mw / 100;
data[0] = (power_class << 4) | ((max_power >> 8) & 0x0F);
data[1] = max_power & 0xFF;
// Reserved
data[2] = 0x00;
data[3] = 0x00;
data[4] = 0x00;
Qi_SendPacket(0x51, data, 5);
}
/**
* 发送Control Error包
*
* error: -128 ~ +127
* 正值: 电压低，请求增加功率
* 负值: 电压高，请求降低功率
*/
void Qi_SendControlError(int8_t error)
{
uint8_t data[1] = { (uint8_t)error };
Qi_SendPacket(0x03, data, 1);
}
/**
* 发送Received Power包 (用于FOD)
*/
void Qi_SendReceivedPower(uint16_t power_mw)
{
uint8_t data[1] = { (uint8_t)(power_mw / 100) };
Qi_SendPacket(0x04, data, 1);
}
/**
* 发送End Power包
*/
void Qi_SendEndPower(uint8_t reason)
{
// Reason:
// 0x01 = Charge Complete
// 0x02 = Internal Fault
// 0x03 = Over Temperature
// 0x04 = Over Voltage
// 0x05 = Over Current
// 0x06 = Battery Failure
Qi_SendPacket(0x02, &reason, 1);
}
// ============================================================
// 功率控制
// ============================================================
/**
* 计算控制误差
*/
int8_t Qi_CalculateControlError(void)
{
int32_t error_mv = (int32_t)VRECT_TARGET_MV - (int32_t)receiver.vrect_mv;
// 缩放到-128 ~ +127范围
// 大约每10mV = 1个单位
int32_t error = error_mv / 10;
if (error > 127) error = 127;
if (error < -128) error = -128;
return (int8_t)error;
}
/**
* 功率控制循环
*/
void Qi_PowerControlLoop(void)
{
static uint32_t last_ce_time = 0;
uint32_t current_time = HAL_GetTick();
// 每250ms发送一次Control Error
if (current_time - last_ce_time > 250) {
int8_t error = Qi_CalculateControlError();
Qi_SendControlError(error);
last_ce_time = current_time;
}
// 每1秒发送一次Received Power (FOD)
static uint32_t last_rp_time = 0;
if (current_time - last_rp_time > 1000) {
uint16_t power_mw = receiver.vrect_mv * receiver.iload_ma / 1000;
Qi_SendReceivedPower(power_mw);
last_rp_time = current_time;
}
}
// ============================================================
// 主循环
// ============================================================
void WirelessReceiver_Process(void)
{
// ADC采样
receiver.vrect_mv = ADC_ReadVrect();
receiver.iload_ma = ADC_ReadIload();
// 检测是否有足够的能量
if (receiver.vrect_mv > 3000) {
receiver.is_charging = true;
// 功率控制
Qi_PowerControlLoop();
// 检查是否充电完成
if (receiver.charge_complete_pct >= 100) {
Qi_SendEndPower(0x01); // Charge Complete
receiver.is_charging = false;
}
} else {
receiver.is_charging = false;
}
}八、PCB设计要点
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ PCB设计要点 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【发射端PCB】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 1. 功率电路布局 │
│ • MOSFET靠近线圈连接点，减少走线电感 │
│ • 电源滤波电容靠近MOSFET │
│ • 驱动IC靠近MOSFET栅极 │
│ │
│ 2. 大电流走线 │
│ • 宽度: 1A/mm (1oz铜箔) │
│ • 谐振回路走线尽量短且宽 │
│ • 可用铺铜或多层并联 │
│ │
│ 3. 散热设计 │
│ • MOSFET下方铺铜散热 │
│ • 使用热过孔连接到背面铺铜 │
│ • 必要时加散热片 │
│ │
│ 4. EMI考虑 │
│ • 高频信号走线短 │
│ • 电源输入加共模电感和滤波 │
│ • 考虑屏蔽罩 │
│ │
│ 【接收端PCB】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 1. 柔性PCB │
│ • 接收线圈通常做在FPC上 │
│ • 线圈和整流电路可集成在一起 │
│ │
│ 2. 整流电路 │
│ • 同步整流MOSFET靠近线圈 │
│ • 滤波电容靠近整流输出 │
│ │
│ 3. 发热管理 │
│ • 线圈和整流器是主要热源 │
│ • 考虑与手机外壳的热传导 │
│ │
│ 【线圈设计】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌────────────────────────────────────┐ │
│ │ ┌────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ ┌────────────────────┐ │ │ │
│ │ │ │ ┌────────────┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ 铁氧体 │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ └────────────┘ │ │ │ │
│ │ │ └────────────────────┘ │ │ │
│ │ └────────────────────────────┘ │ │
│ └────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 平面螺旋线圈 + 背面铁氧体片 │
│ │
│ 线圈参数计算: │
│ L ≈ (N² × D × μ) / (18D + 40l) │
│ │
│ 其中: │
│ N = 匝数 │
│ D = 平均直径 (cm) │
│ l = 线圈厚度 (cm) │
│ μ = 相对磁导率 (空气=1，铁氧体~2000) │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘九、总结
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 无线充电器总结 │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 【基本原理】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 电磁感应: 发射线圈产生交变磁场 → 接收线圈感应出电动势 │
│ 谐振电路: LC谐振提高传输效率 │
│ Qi标准: 100-205kHz，负载调制通信 │
│ │
│ 【系统架构】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 发射端: DC电源 → 全桥逆变 → 谐振网络 → 发射线圈 │
│ 接收端: 接收线圈 → 谐振网络 → 整流 → 稳压 → 负载 │
│ 通信: RX通过负载调制发送数据给TX │
│ │
│ 【关键参数】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ ┌────────────────┬──────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 参数 │ 典型值 │ │
│ ├────────────────┼──────────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ 工作频率 │ 100-205 kHz │ │
│ │ 线圈电感 │ 6-15 µH │ │
│ │ 耦合系数 │ 0.5-0.7 (贴合时) │ │
│ │ 传输效率 │ 70-85% │ │
│ │ 传输距离 │ <10mm │ │
│ │ 功率范围 │ 5W-15W (手机) │ │
│ └────────────────┴──────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ 【核心公式】 │
│ ───────────────────────────────────────── │
│ │
│ 感应电动势: ε = -N × dΦ/dt │
│ 谐振频率: f = 1/(2π√LC) │
│ 互感系数: M = k × √(L₁ × L₂) │
│ 传输效率: η ∝ k² × Q₁ × Q₂ │
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│ 【设计要点】 │
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│ ✓ 线圈设计: 利兹线减少趋肤效应，铁氧体提高电感 │
│ ✓ MOSFET选型: 低Rds_on，低Qg，耐压足够 │
│ ✓ 谐振匹配: 精确调谐到工作频率 │
│ ✓ 通信可靠: 正确的调制解调 │
│ ✓ FOD检测: 防止异物加热 │
│ ✓ 热设计: 功率器件充分散热 │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘一句话总结：
无线充电基于电磁感应原理，发射端用全桥逆变驱动谐振线圈产生交变磁场(100-205kHz)，接收端线圈感应出电动势经整流稳压后供电。Qi标准通过负载调制实现RX→TX通信，TX根据Control Error包调节频率控制功率。关键在于线圈设计(电感匹配、利兹线、铁氧体)、谐振电路调谐、以及异物检测(FOD)保障安全。
参考资料：
- Wireless Power Consortium Qi Specification
- TI BQ500212A Datasheet & Application Note
- "Wireless Power Transfer" - Kurs et al., Science 2007
- STM32 Motor Control Application Notes