基于DW540通用Qi無(wú)線(xiàn)充電器的設計*

　　盧翠珍（百色學(xué)院，廣西 百色 533000）

　　摘 要：本設計是以DW540無(wú)線(xiàn)充電專(zhuān)用IC為核心的通用無(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈驅動(dòng)模塊、解碼采集模塊五部分組成。能夠實(shí)現待機狀態(tài)時(shí)綠、藍LED常滅，充電狀態(tài)時(shí)綠色LED常滅、藍色LED常亮；充電設備充滿(mǎn)電時(shí)，LED狀態(tài)指示為綠色LED常亮，藍色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標準接收器，實(shí)現了所有Qi標準的不同品牌設備無(wú)縫適配，具有兼容性、通用性。

　　關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)充電；Qi標準；DW540；CEM9926；CEM4953

　　1 本無(wú)線(xiàn)充電器的設計任務(wù)及技術(shù)指標

　　1）能給市場(chǎng)上采用Qi標準具備無(wú)線(xiàn)充電功能的通用設備充電，而且不受手機充電接口的限制（該手機支持無(wú)線(xiàn)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)入待機狀態(tài)。

　　4）充電距離≤1 cm。

　　5）近距離充電損耗率不超過(guò)40%。

　　2 設計方案及功能

　　本設計將以DW540無(wú)線(xiàn)充電專(zhuān)用IC為核心，通過(guò)電源輸入模塊、發(fā)射線(xiàn)圈驅動(dòng)模塊、解碼采集模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊的有機結合。實(shí)現了待機狀態(tài)時(shí)綠、藍LED常滅，充電狀態(tài)時(shí)綠色LED常滅、藍色LED常亮；充電設備充滿(mǎn)電時(shí)，LED狀態(tài)指示為綠色LED常亮，藍色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 系統硬件設計

　　系統硬件主要由發(fā)射和接收兩部分構成，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)系統的工作狀態(tài)，電能由發(fā)射線(xiàn)圈發(fā)射出去，后經(jīng)接收線(xiàn)圈接收和轉換電路轉換變回5 V直流電，為充電設備充電。

　　3.1 DW540主控電路設計

　　DW540主控單元電路如圖2所示。由于內部自帶晶振，所以無(wú)須外接晶振也可正常工作。復位引腳NREST低電平有效，通過(guò)USB接口提供低電平，就可有效地重啟DW540進(jìn)行復位，亦可以直接斷電重啟復位。為了保證其不會(huì )自啟復位，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)行復位后能夠迅速恢復高電平，而不是一直處于低電平復位狀態(tài)，以至于其無(wú)法正常運行。引腳UP_A、DOWN_B、DOWN_A和UP_B共同控制發(fā)射線(xiàn)圈的上拉/下拉信號，也就是調整發(fā)射線(xiàn)圈的發(fā)射頻率，只有不斷地調整發(fā)射頻率，使其在與接收線(xiàn)圈頻率共振時(shí)，效率才能達到最高，并且傳輸距離的變化也時(shí)刻影響著(zhù)共振的頻率。當系統溫度過(guò)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)內部處理后，SWITCH輸出高電平，從而使N溝道場(chǎng)效應管2N7002的導通，采集信號被短路到地而沒(méi)有流經(jīng)頻率電壓轉換電路，解碼采集無(wú)輸出，充電器停機不工作。

　　3.2 驅動(dòng)及檢測電路設計

　　驅動(dòng)及檢測電路原理圖如圖3，由雙N溝道場(chǎng)效應管的CEM4953和雙P溝道場(chǎng)效應管的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組成的驅動(dòng)電路。當CEM4953和CEM9926的柵極無(wú)電平信號輸入時(shí)，其內部場(chǎng)效應管的漏極源極不導通，驅動(dòng)電路也就無(wú)法正常工作，所以為了保證該電路能正常驅動(dòng)發(fā)射線(xiàn)圈，需要DW540控制的DOWN_A、DOWN_B、UP_A和UP_B連續發(fā)送一定頻率的高低電平，來(lái)控制CEM4953和CEM9926的通斷，而這一開(kāi)關(guān)頻率也就直接控制發(fā)射線(xiàn)圈的發(fā)射頻率。圖中的L1就是發(fā)射線(xiàn)圈，可以選用每線(xiàn)105股、直徑0.81 mm的雙線(xiàn)絞合線(xiàn)AWG，也可以選用0.08 mm直徑的40AWG，或參數相同的具有圓形形狀線(xiàn)圈。

　　電流檢測部分由R11、R15、R16、C17、C9、LM358組成，當發(fā)射線(xiàn)圈的電流流過(guò)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(guò)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(guò)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（發(fā)射端）和從機（接收端）建立了通信，還可以實(shí)時(shí)知道當前驅動(dòng)電路的實(shí)際發(fā)射頻率，以便及時(shí)調整達到最佳工作狀態(tài)。

　　4 無(wú)線(xiàn)通信及控制過(guò)程

　　4.1 上電識別

　　發(fā)射器以一定周期來(lái)發(fā)出掃描信號，接收器收到信號后根據輸入功率大小轉換成頻率信號發(fā)送出去，接收器至少在50 ms內要完成一次電壓、頻率的轉換。當發(fā)射器收到接收器反饋的頻率后，調整發(fā)射功率，發(fā)射器的信號也相應進(jìn)行調整。同時(shí)，發(fā)射器還可識別傳統的數據信號，每個(gè)數據位對齊在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)字節有11位，其中包括了1個(gè)開(kāi)始位、8個(gè)數據位、1個(gè)校驗位和1個(gè)停止位，當收到正常的數據信號時(shí)，則上電識別成功。

　　4.2 無(wú)線(xiàn)充電系統控制流程圖

　　DW540接收并處理各模塊傳送過(guò)來(lái)的數據，并給相應模塊發(fā)送控制信號；解調模塊負責解調接收端發(fā)送的數據包，并將解調出來(lái)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)亮或熄滅相應的指示燈；驅動(dòng)電路模塊根據控制模塊發(fā)出的控制信號對驅動(dòng)電路（高頻逆變電路）的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，以改變發(fā)射線(xiàn)圈的工作頻率；LM358用來(lái)將檢測到的電流、頻率信號轉換成電壓信號，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，而且本設計不涉及接收器，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行下一步，如果沒(méi)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)送報警信號給LED做出警示，并且重新返回待機狀態(tài)。如果該物體為合法的接收端，則執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整發(fā)射頻率信號，則發(fā)射端根據該信號調節發(fā)射端的工作頻率，以調節傳輸功率的大小。程序不斷地重復運行此流程，便構成了無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端的控制系統。

　　5 系統調試與測試

　　系統調試與測試是檢驗設計能否達到目標的重要環(huán)節。前期的上電調試可以及時(shí)發(fā)現電路硬件部分的缺陷。后期的上電測試可以發(fā)現設計是否實(shí)現設定功能，以及一些細節參數的調整。

　　5.1 硬件調試

　　1)靜電調試

　　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，因為這些芯片是最容易出現空焊、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

　　焊接完畢并且確認硬件電路沒(méi)有出現人為錯誤之后，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)引腳輸出的參數是否合格。如果都能夠正常工作并且參數無(wú)誤，則進(jìn)行下一步開(kāi)機運行。

　　3)開(kāi)機運行

　　在過(guò)上述2個(gè)步驟后，確認各個(gè)元件焊接無(wú)誤，便可上電使整個(gè)系統試運行，并且用萬(wàn)用表檢測這個(gè)模塊的運行參數，在運行過(guò)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是否有原理上的錯誤。

　　5.2 系統測試

　　1)效率測試

　　在兩線(xiàn)圈中心間隔3 mm有機玻璃，采用測量精度0.8%以上萬(wàn)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，可調電阻負載測試，測量數據如表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(wú)線(xiàn)充電器處于待機狀態(tài)，將1元硬幣放在無(wú)線(xiàn)充電器上，然后在硬幣上放無(wú)線(xiàn)接收設備，無(wú)線(xiàn)充電器仍然處于待機狀態(tài)不工作；其次在無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電器在29 s后進(jìn)入關(guān)機自我保護狀態(tài)，說(shuō)明無(wú)線(xiàn)充電器實(shí)現了異物檢測功能。

　　6 總結

　　上述測試結果表明，本設計完全達到了預期設計目的，可為市場(chǎng)上具有Qi標準的自帶無(wú)線(xiàn)充電手機充電。

　　但不足之處是工作時(shí)發(fā)熱量大，散熱不樂(lè )觀(guān)，充電距離過(guò)近等問(wèn)題。如果能將以上幾個(gè)問(wèn)題突破，無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域將會(huì )展開(kāi)一個(gè)新的篇章。

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　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第77頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）