【《基于Qi标准的无线充电器的电路设计案例》3100字】

基于Qi标准的无线充电器的电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u4700基于Qi标准的无线充电器的电路设计案例 1108241.1产品设计框图 1135181.2系统设计电路图 2260601.3控制芯片介绍 2139791.4电路功能模块设计 5229921.4.1全桥逆变电路 5222921.4.2电压解调放大电路 869891.4.3电流解调放大电路 921861.4.4LDO电路 1023791.4.5保护电路 1028301.5接收端（匹配终端）电路 121.1产品设计框图本次设计选用芯片WP8035作为主控IC，由输出电压为5V适配器经过Type-C接口输入到产品，产品内部经过过压检测，LDO的保护线路给主芯片供电，并由WP8035控制全桥电路，将输入的直流转换为方波的交流电，经过两组线圈磁场耦合，在接收端传递电能。其IC的应用框图如下：图3-1Qi标准无线充电系统框图1.2系统设计电路图图3-2原理图这次的电路设计主要有输入电路、保护电路、LDO电路、电压解码电路、电流解码电路、全桥逆变及电感线圈发射电路组成。本次电路是参照了WP8035芯片数据手册，根据芯片的典型电路设计而来。1.3控制芯片介绍1.1.1主控芯片WP8035WP8035是一颗最高支持15W无线充电SoC发射芯片，是一款具有高集成度、高性能的处理器，内部集成MCU、驱动IC等。内置32KBFlash，符合Qi标准V1.2.4版本，完全兼容手机与各种移动设备的无线充电；带有多个输入输出引脚的集成微控制器提供了高度定制设计无线充电应用程序。双通道电流/电压译码算法保证了系统的可靠性准确、安全的充电过程，支持检测金属物品，以及各种保护措施，保证充电安全。芯片特点如下·发射设计符合Qi标准V1.2.4版本·高效的无线传输支持BPP(5W)和EPP(10-15W)·输入电源适配，支持AFC,QC,PD协议·双通道通信的电流和电压译码使用一种新的译码方案准确、高效、误差小·OVP、UVP、OCP、OTP等保护机制·支持异物检测·支持市面上大多数手机及移动设备的无线充电·准确的电压、电流测量和保护·USB在线编程·支持单线圈和多线圈应用WP8035的引脚外观图（顶视图）图3-3，和引脚配置表3-1。图3-3WP8035引脚框图表3-1WP8035本次设计配置引脚序号引脚名称引脚描述1VMOD-对载有信息的电压信号进行解码是差分信号中的负信号。2VMOD+对载有信息的电压信号进行解码是差分信号中的证正信号。3VDD外部电压输入引脚4MODLINK+对载有信息的电压信号进行放大补偿，是差分信号的正信号。5MODLINK-对载有信息的电压信号进行放大补偿，是差分信号的负信号。6MODLINK对载有信息的电压信号进行放大补偿，是差分信号的零信号。9VIN_DET输入电压检测引脚10NTC_DET温度检测引脚13RX编程RX引脚14IDLINK编程IDLINK引脚22DL2开关管驱动引脚，本系统驱动的是第二个低电平电桥23DH2开关管驱动引脚，本系统驱动的是第二个高电平电桥24LX2驱动LX2线圈引脚25BST2引导LX2引脚26DL1开关管驱动引脚，本系统驱动的是第一个低电平电桥27DH1开关管驱动引脚，本系统驱动的是第一个高电平电桥28LX1驱动LX线圈引脚29BST1引导LX引脚30VBOOST电压升压引脚31LEDLED控制引脚32LDO1V81.8V的低压差线性稳压器引脚33VDD外部电压输入引脚34IS_IN+电流检测是正信号差分引脚35IS_IN-电流检测是负信号差分引脚36GND接地引脚37ISLINK电流放大引脚38I_SENSE电流信号解码器引脚39I_LINK电流信号解码器零点位引脚40VMOD_IN电压信号解码器输入引脚1.4电路功能模块设计1.4.1全桥逆变电路图3-4驱动电路和全桥逆变电路上图可以看出，功率级由四个MOSFET组成Q1、Q2为双封装MOSFET。高电平和低电平驱动器连接到WP8035。四个MOSFET驱动器一个LC谐振线圈由线圈和电容器C29（400nF）组成。为了具有稳定的容量，图中列出了一些电容器（C17、C18、C19、C20、C21、C22）。为了获得更好的电磁干扰性能，开关网络中预留了一些RC滤波器，如R36、C35、R22、C36等。为了控制MOSFET的死区时间预留了C31、R33、C33、C32、R34、C34。另外，在全桥MOSFET的下侧加一个电流传感电阻，测量注入谐振的电流，通过I_SESP,I_SESN端口将信号传输到电流解调放大电路实现解调和保护。二极管D4连接到LC谐振网络的中点，通过VSYS端口将信号传输到电压解调放大电路，以获得WP8035中的电压解调块的谐振电压。四个MOSFET由DH1，DH2，DL1，DL2控制。等效电路图3-5所示。图3-5全桥逆变等效电路当DH1为开启信号，DL1为关断信号，TP1电压为5V，当DH2为关断信号，DL2为开启信号，TP2电压为0V，电流从TP1流向TP2；当DH1为关断信号，DL1为开启信号，TP1电压为0V，当DH2为开启信号，DL2为关断信号，TP2电压为5V，电流从TP2流向TP1；如此交替，就可以在线圈上得到由直流电变换的交流电。并且输出交流电的频率和两组开关的切换频率成正比。这样就实现了直流电的逆变。图3-6和图3-7是高低电压开关管的实际波形。

图3-6高低电平开关管波形（a）（b）（c）（d）图3-7（a）高电平开关管关断低电平开关管导通波形（b）高电平开关管导通低电平开关管关断波形（c）高电平开关管波形（d）低电平开关管波形芯片的驱动器是通用的高边和低边门驱动器。电容器C26、C27是用于高侧MOSFET栅极驱动器的自举电容器。预留0欧姆电阻用于电磁干扰能力测试。WP8035使用内部驱动器和控制电路驱动四个外部功率MOSFET。交流能量放大器驱动器包括四个完全控制的驱动电路。每个驱动信号通过内部控制算法和高端和低端驱动电路进行调整。来自USB输入端的直流电源通过MOSFET开关网络和谐振槽转换为交流电源，以产生高频磁场。为了实现更高效率的无线功率传输，匹配MOSFET的性能非常重要。WP8035与外部MOSFET相结合，可以实现高效的交流电源转换，大大简化了PCB电路。1.4.2电压解调放大电路图3-8电压解调放大电路电压解调滤波器系统由一些高通和低通滤波器组成，如图3-8所示。来自Vsys的谐振电压被施加到R13、R17、C23、R48、C7以连接到高通滤波电容器C24。之后把处理完成的信号输送到芯片的VMOD+,VMOD-两个端口，这里之所以要有两路信号是因为为了使信号解调更加准确，芯片内部会对这两路信号分别进行峰值解调和谷值解调，然后软件会对这两路解调信号进行一个判断以选择一个解调更容易更准确的信号[5]。随后在芯片内部经过比较器分离出0，1电平最后经过芯片的运算解析出信号，达到控制发射端系统的目的。图3-9是MODLINK引脚的实际波形图3-9MODLINK引脚引脚波形1.4.3电流解调放大电路图3-10电流解调放大电路如图3-10所示载有调制信号的交变电流通过sense电阻R40，这时交变电流通过R40转变为电压信号，通过端口I_SESP，I_SESN将电压信号输送到芯片内部，具体方法和电压解调电路基本相同首先经过运算放大器的放大，其次经过比较器，最后经过芯片的运算和解析得出信号。电压解调电路是通过电阻R40对电流信号进行采集的，因为要考虑到系统的效率问题，电阻的大小不宜过大，并且电流采样电阻精度差应小于1％。另外，采样电阻的耐用电流必须足够大，推荐使用0.02欧姆的电阻，图3-11数据手册中，其通过的最大电流典型值为2.15A。图3-12是电流检测引脚的实际波形。图3-11电流检测输入引脚电流典型值图3-12#1IN+引脚波形1.4.4LDO电路图3-13LDO电路LDO即lowdropoutregulator，是一种低压差线性稳压器。CE6301系列是一组采用CMOS技术制造的低功耗正电压调节器，即使输入输出电压之差很小，也能提供大输出电流。CE6301系列在低压差的情况下可提供300mA输出电流，并允许高达18V的输入电压。该系列非常适合电池供电的设备，例如射频应用和其他需要安静电压源的系统。1.4.5保护电路（a）（b）图3-14（a）过温保护电路（b）输入电压检测电路·温度检测：电压Vr0是WP8035内部低压差线性稳压器产生的，为芯片提供1.8V的电压在过温检测电路中电压VR0通过R29阻值为100K和NTC100K-3950，NTC100K-3950在常温25度下典型电阻值为100K，芯片过温检测引脚检测到电压为0.266V时会触发保护，通过计算NTC的阻值在17Ω时与R29分压所得的电压大致为0.266V。在查询NTC100K-3950数据表之后得到，该电路在温度到达70°附近时会触发保护，控制系统调整工作状态。图3-15过温引脚触发电压·输入电压检测：电压VIN是芯片输入电压，本次设计的输入电压典型值为5V，根据图3-16欠压状态下电压检测引脚VIN_DET触发的保护电压典型值为4.2V，根据图