【《基于Qi协议的输出为5V-300mA的无线充电器设计》11000字（论文）】

第页基于Qi协议的输出为5V-300mA的无线充电器设计【摘要】本次设计的无线充电器输出为5V/300mA。匹配终端为支持Qi标准的智能手表、蓝牙耳机等小功率移动设备，电源的工作过程由无线充电主控芯片WP8035控制，以实现控制全桥逆变电路、电压电流解调检测。输入的市电交流通过搭配的电源适配器输出直流电，随后输入到无线充电器当中，通过无线充电器对直流电的逆变以及匹配终端的整流滤波之后为匹配终端充电，达到无线充电的功能。【关键词】无线充电、Qi协议、电磁感应、LC串联谐振、全桥逆变目录TOC\o"1-3"\h\u7781.绪论 1258491.1研究意义及设计指标 126972.基于Qi标准的无线充电原理 2202682.1基于Qi标准的电磁感应式电能传输原理 2232922.2基于Qi标准电磁感应传输原理电路 3320842.3Qi标准的通讯协议 431073.基于Qi标准的无线充电器电路设计 6267843.1产品设计框图 6146233.2系统设计电路图 6214223.3控制芯片介绍 7261273.3.1主控芯片WP8035 7138783.4电路功能模块设计 9265143.4.1全桥逆变电路 917843.4.2电压解调放大电路 129013.4.3电流解调放大电路 13240863.4.4LDO电路 14318513.4.5保护电路 14315553.5接收端（匹配终端）电路 1613814.关键元件参数设计 17221294.1系统谐振频率的设计 17191124.2发射线圈的设计 17222404.1.1线圈材质 17232434.2.2线圈的选择 19275864.3谐振电容的设计 19244254.3.1电容的材质 19232384.4本系统电感线圈和电容的参数设计 20184045.PCBlayout的设计与注意事项 22318275.1PCB板设计 22244125.2PCB设计要求 2267095.3PCB设计注意事项 22202255.4元器件的布局 2533315.5布线 26226486.测试数据与验证 27219136.1实验器材 27122666.2效率测试 2869846.3输出稳定性测试 28235346.4EMI测试 29319216.5温升测试 31290456.6异物功能测试 32205926.6.1FOD检测的意义 32297886.6.2FOD检测原理 3271526.7输入电压保护 33105837.总结与展望 35312767.1总结 35195247.2展望 3614628参考文献 3727726附录一 396334附录二 3925429附录三 40绪论1.1研究意义及设计指标无线电能传输方式主要分三种：电磁感应式、电磁谐振式和电磁辐射式。电磁感应式是目前最常用的无线电能传输方式，其技术已经量产，在生产成本上低于其他技术，并且通过安全与商场验证[1-2]目前，有三大主流联盟致力于无线充电技术的开发及标准制定，这三大联盟是AllianceforWirelessPower（A4WP）、PowerMattersAlliance（PMA）及WirelessPowerConsortium（WPC）。Qi标准[1-3]为WPC推出的“无线充电”标准，采用了目前最主流的电磁感应式充电技术[1-4]。2018年，WPC推出新的v1.2.4Qi认证标准，此标准进一步规范了无线充电市场并促使了新的产业升级无线充电联盟(WPC）成员突破654个。目前Qi协议无线充电技术全球推广的无线充电标准，广泛应用于手机，手表，耳机，医疗设备，笔记本电脑等一系列中小型设备中，而且充电的效率和功率也越来越高。随着人们生活水平的提高和科技的迅速发展，智能移动设备的迅速发展进入了千家万户，为我们的工作、生活、学习带来便利，但是随之而来的便是智能移动设备功耗的增加，使得大部分人每天至少要充一次电，甚至一天要充两次电。更加方便快捷的无线充电需求便孕育而生，比起传统充电器，无线充电器更能收集碎片化的充电时间，给予用户更优质的产品体验。本次设计的无线充电器采用的标准的1.24Qi协议，匹配的终端是智能穿戴设备，例如智能手表，无线耳机，需要达到的技术指标如下：输出电压电流要求:负载为1.5WQi接收器，输出电压电流要求5v±5%，300mA；待机功耗＜300mW传输距离大于＞＝3mm在传输距离＜＝3mm时转化效率＞50%EMI：传导余量6db，辐射余量6db有异物检测功能，过压，过流保护功能此外本次设计的无线充电产品电气特性主要对充电稳定性、充电效率、FOD等进行全面测试。2.基于Qi标准的无线充电原理2.1基于Qi标准的电磁感应式电能传输原理无线电能传输系统是一种非物理连接的电能传输方式。电磁感应式无线充电系统的发送端（初级线圈）和接收端（次级线圈）之间是没有直接的物理连接，因此无线电能传输系统在一定范围内有一定的灵活性。但是该系统受限于效率、辐射的影响，在实际的应用中并不具备太大的随意性。在结合对系统一般不到兆级赫兹的频率的分析，电磁感应耦合式理论也是完全基于近场区的理论。让接收线圈处于发射线圈近场区有很多优势，首先可以保证磁通量尽可能的大，没有磁泄露。对于无线充电系统，电压较低而电流较大，近场区磁场要比电场大得多，并且能量随着距离的增加衰减很快，所以可以利用近场区的这个特点，在合适的距离上让交变的磁场作为能量传输的媒介[5]。这种电能传输方式和传统变压器的原理相似，都是通过初级电感线圈和次级电感线圈互相产生感应来实现电能的无接触式的传输。本次设计的无线电能传输系统可以大致分为两个部分，发射端和接收端。首先交流电通过适配器输出直流电，通过逆变电路送到发射端电感线圈，电能通过线圈的耦合，送到接收端电感线圈，然后再经过整流滤波电路得到直流电供负载使用。本文设计的无线电能传输系统如图2-1所示。图2-1无线电能传输系统2.2基于Qi标准电磁感应传输原理电路图2-2等效电路模型根据基尔霍夫电压定律（KVL）和线圈互感模型得到以下方程：（2-1）式中：：原边电压源电压；ω：谐振角频率，ω=2πf；、：分别代表发送线圈和接收线圈电流；R1、R2：分别代表发送线圈和接收线圈等效电阻；RL：负载；C1、C2：分别代表发送线圈和接收线圈串联共振电容；L1、L2：发送线圈和接收线圈的等效电感；M：接收与发送线圈之间的互感。对于图2-2中串-串联谐振拓扑结构：（2-2）将（2-2）代入（2-1）求解方程得到发送与接收线圈电流：（2-3）因此磁谐振无线充电系统负载功率和输入功率分别表示为：（2-4）电磁感应式无线充电系统的传输效率为：（2-5）当使系统处于谐振状态时：（2-6）将（2-6）式代入到（2-5）式，解出方程得到系统传输效率如下：（2-7）从公式(2-7)得到结论,系统传输效率与线圈之间互感、内阻和负载与传输效率有直接关系，而线圈之间互感和负载对传输效率影响较大。如果仅有一个线圈达到谐振或者两个线圈谐振频率不一致，传输效率将有可能降低[6]。2.3Qi标准的通讯协议Qi标准的通讯传输原理简化如图2-3，在接收端的LC串联谐振回路接入或接出一组电容，电容的接入或接出会引起接收端LC串联谐振回路的等效阻抗发生变化，从而使电流和电压发生变化，通过采集和解调这些变化带有Qi标准的信号，再传输至发射端的控制芯片中，芯片根据信息做出相应的调整，完成设备终端对Qi无线充电的通讯。实际通信波形如图2-4。图2-3Qi标准通讯传输原理简化图（a）（b）图2-4（a）次级线圈通信包络（b）初级线圈通信包络

3.基于Qi标准的无线充电器电路设计3.1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3.2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。3.3控制芯片介绍3.3.1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3.4电路功能模块设计3.4.1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。3.4.2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3.4.3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3.4.4LDO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。3.4.5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3-17过压状态下电压检测引脚VIN_DET触发的保护电压典型值为5.8V。图3-16电压检测引脚欠压状态下的触发电压图3-17电压检测引脚过压状态下的触发电压

3.5接收端（匹配终端）电路接收端部分即匹配终端，匹配终端会搭载在客户产品之上，简要的介绍一下接收端ICWP9025通过整流器连接到谐振回路（LC串联谐振）。该IC内部集成DCDC转换电路，可提供固定的5V输出和最大1A输出。图3-18匹配终端电路

4.关键元件参数设计4.1系统谐振频率的设计基于Qi标准的无线充电系统的工作频率通常在87-205kHz[7]。第二章提到系统传输效率与线圈之间互感、内阻和负载与传输效率有直接关系，当两个线圈达到谐振频率或是谐振频率相似时，系统传输效率相对较好。本次匹配终端正常工作状态下接收线圈的波形如图4-1所示，图中得到匹配终端大致工作频率大概在105.4KHz。发射端工作频率应当与匹配终端的工作频率相匹配，因此将此次系统的工作频率确定105.4KHz。图4-1正常工作状态下匹配终端接收线圈的波形4.2发射线圈的设计目前，无线充电系统的耦合线圈的形状主要分为圆形、正三角形以及正方形。也有其他正多边形做为耦合线圈[8]。另外线圈的材质也是设计线圈重要的考虑因素，在合理的选择线圈的材质时，第一个要考虑的是线圈材质对系统的效率影响。4.1.1线圈材质·漆包线漆包线的结构很简单，主要由外表的绝缘层和内部的导体组成，具有一定的性能，如耐热性，耐化学性，良好的导电性，良好的机械性。·丝包线丝包线顾名思义就是用丝线包层的导线，包层大大提高了绝缘强度，有利于导热降低表面温度，常用于大功率应用场景，但是由于丝包线较漆包线粗，所以绕制线圈的时候径值大，误差也较大。

（a）（b）图4-2（a）漆包线（b）丝包线·PCB线圈平面PCB线圈比起使用漆包线，丝包线绕制的线圈电感成本更低，根据文献[8]使用传统方式绕制的线圈电感难以做到线圈均匀绕制和每一匝线圈的横截面积相同，制作的线圈误差相比于平面PCB线圈大。同时平面PCB线圈的制作工艺简单，适合于批量生产。设计用1OZ厚度0.2mm宽的铜箔作为PCB线圈，但是当制造出PCB线圈样品时，PCB线圈的内阻相对来说比传统线圈的内阻来的大，随之而来的线圈耦合时损耗加大，效率不高。测量的感量为7.8uH，内阻0.44Ω，品质因数11.09。最终舍弃了使用平面PCB线圈的这个方案。（a）（b）（c）图4-3（a）PCB线圈（b）线圈感量及内阻（c）线圈感量及品质因素4.2.2线圈的选择本次设计使用了线圈是标准的Qi电感线圈，绕制线圈的线径采用0.08mm*105股的丝包线，使用多股细线可以有效降低阻抗损耗和趋肤效应。测试制作的线圈电感量为6.8uH，内阻0.05Ω，品质因数76.29。（a）（b）（c）图4-4（a）本次设计线圈（b）线圈感量及内阻（c）线圈感量及品质因素4.3谐振电容的设计目前，无线充电系统的电容器的选择主要有CBB电容和NPO贴片电容，在选择电容器时，首先要考虑到WPT系统的效率，发射端和接收端的耦合系数是系统效率的影响因素之一，同时发射端和接收端的谐振频率不一致时，WPT系统的传输效率会降低。因此系统需要选择合适的、稳定性好、介质损失小、容值稳定的谐振电容。4.3.1电容的材质·CBB电容CBB电容也称聚丙烯电容。CBB电容的无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异（频率响应宽广），稳定性比较好，而且介质损失很小。能确保信号在传送时，不致有太大的失真情形发生。同时绝缘电阻高，可用于高频电路。但是CBB电容受温度的影响较大。（a）（b）图4-5（a）CBB电容（b）NPO电容·NPO电容NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。NPO电容是电容量和介质损耗最稳定的电容器之一。温度系数低适合用于振荡器和高频电路的耦合电容。4.4本系统电感线圈和电容的参数设计在本次的系统设计当中，LC谐振电路主要是由电感线圈和电容组成，它的作用是让能量在电感线圈和电容之间互相转换，也就可以让能量在电能和磁能之间互相转换，在空间中产生一个变化的磁场，并且在接收端感应出电动势，完成能量的传递。·LC串联谐振电路LC串联谐振电路是指将电感器L和电容器C串联形成的电路结构。LC串联谐振电路整个电路端口为阻性，电源、电压、电流同相位[9]。图4-6LC串联谐振电路在本次的系统设计当中，逆变电路的直流侧为恒压输入，因此该逆变电路为电压源型逆变电路，发射端以及接收端都采用LC串联谐振电路结构，电感线圈选择的是0.08mm*105股的丝包线，电感量为6.8uH符合Qi标准的发射线圈。无线充电系统的工作频率为105.4KHz，根据公式（4-1）计算得出，需要的电容器容量为335.3nF，因此本系统设计中采用四颗NPO电容100nF，总共容量为400nF。（4-1） 5.PCBlayout的设计与注意事项5.1PCB板设计工业化的PCB设计在完成功能，并尽量优化传输特性外，还要考虑空间的分布、稳定性及实际生产工艺的要求。5.2PCB设计要求本次PCB设计贴片电容电阻最小封装0402/0603，贴片电容4.7uF/10uF封装为0603。22uF封装为0805,小于4.7uF封装可为0402。PCB层数为两层，Toplayer放置元器件，底层不放置元器件。走线最小线宽=8mil(0.2mm)、过孔最小孔径为0.6mm*0.3mm、最小线间距为7mil、最小敷铜间距为7mi，理想间距设置为10mil、功率回路线径最小为2mm。5.3PCB设计注意事项·R25，R41靠近R40，因为R40使用小阻值电阻对PCB设计要求较为严格，电路必须布局在芯片的附近。并且使用差分布线。图5-1采样电阻R40以及R25，R41走线连接驱动电阻R6，R18，R15，R20与芯片的的走线长度小于0.4mm，且尽量越短越好。图5-2驱动电阻布局布线VMOD的部分尽量靠近WP8035，且此部分GND1尽量完整，尽量靠近WP8035的GND1相连接图5-3电压解码部分电路布局C8，C10，C11，C12尽量靠近WP8035对应的PIN图5-4电流解码部分电路布局数字地与功率地分开，及GND1与GND分开，禁止功率PGND穿过数字GND1；图5-5数字地与功率地芯片WP8035中间焊盘和背面焊盘连接GND方式；中间焊盘和背面禁止敷铜，通过过孔和走线连接。图5-6芯片WP80355.4元器件的布局芯片周围的元器件根据走线宽度和走线长度的规则进行初步的布局，然后根据实际给出的板型外观，布局功率元器件，留出铺铜的宽度。同一网络的元器件尽量靠近摆放，元件尽量紧凑。图5-7PCB元件布局如图5-7所示，元器件的布局在不重叠，不影响实际焊接的情况下尽量紧凑，以节省空间。实体部分不相互挤压就可以。在安全允许下，紧密排列。5.5布线（a）（b）图5-8（a）PCB顶层布线图（b）PCB底层布线图（a）（b）图5-9（a）PCB元器件（b）PCB丝印层图如图5-8和图5-9所示，布线根据原理图顺序布线，最大程度的减小走线距离，同时使用覆铜功能进行加宽，并且在没有摆放的地方增加通孔。在增加散热性的同时减小走线的寄生电感，减小电路在高速开关工作状态下造成的造成尖峰对电路的影响，减小辐射程度，增加产品工作时的稳定性。6.测试数据与验证6.1实验器材（1）6730ASYSREMDCPowerSource：可以设置直流电压电压和电流数值（2）WT310E功率计：测量AC电源输出的电功率（a） （b）图6-1（a）6673A系列直流电源（b）3310F电子负载仪（3）MDO3024示波器：观察测试点波形（4）KEYSIGHT34972A打点仪：设定并记录打点周期和时间内温升线检测到的温度数据（a） （b）图6-2（a）MDO3024示波器（b）KEYSIGHT34972A打点仪（5）EMI实验室：对测试产品进行辐射和传导的检测6.2效率测试在常温环境下测试，使用直流电源给待测产品输入5V电压，匹配终端输出为300mA恒流模式，观察并记录直流源的输入电压和输出电压、负载仪显示的待测产品的输出电压和输出电流，测试不同线圈间距下的效率，待机功耗以及测试待测产品与匹配终端的距离耦合正常工作的距离。测试结果如下表。表6-1不同线圈间距下的输入和输出电压与电流，效率，待机功耗待测产品与匹配终端的距离输出功率(W)输入电压（V）输入电流(A)输出电压(V)输出电流(A)待机功耗（mW）效率0mm1.5034655.00050.435.0440.298075269%1mm1.5107095.00050.55.03620.299975460%2mm1.5103685.00050.545.03960.29976756%3mm1.5082335.00050.555.03920.29937354%4mm1.5068175.00050.585.03750.299128452%5mm0000000%测试结论：效率要求当线圈间距小于3mm时50%以上，实际测试线圈间距在0mm，1mm，2mm，3mm、4mm时效率达到60.42%，55.93%，54.83%，51.12%。达到了预期要求。待机功耗要求当线圈耦合时待机功耗＜300mW，实际测试0mm，1mm，2mm，3mm、4mm时待机功耗达为52mW、54mW、67mW、73mW、84mW。达到了预期要求。本次设计充电距离在0-4mm之前，超过4mm以后待测产品无输出。达到了设计需求。6.3输出稳定性测试在常温环境下测试，使用直流电源给待测产品输入5V电压，匹配终端输出为300MA恒流模式，观察并记录直流源的输入电压和输出电压、负载仪显示的待测产品的输出电压和输出电流，测试不同线圈间距下的效率。5秒记录一次，测试时间5分钟。图6-3不同线圈间距下的电能传输效率在五分钟的测试时间内，此次系统的输出电压输出电流稳定，并且在线圈间距0mm至4mm时，系统输出效率波动小于5%。符合设计需求。6.4EMI测试本次设计使用的EMI测试标准是CISPR22，它是电磁兼容（ElectroMagneticCompatibility）的中的对外干扰EMI（ElectromagneticInterference）标准，有辐射，传导。图6-4是EMI测试时设备摆放示意图。（a） （b）图6-4EMI测试设备摆放示意图（a）传导示意图（b）辐射示意图（a）（b）图6-5（a）L相（b）N相230V传导测试（a）（b）图6-6（a）L相（b）N相115V传导测试（a）（b）图6-7（a）图115V（b）图230V辐射测试EMI测试要求传导余量3db，辐射余3db，实际测试在输入电压在230V，115V时。辐射余量最低9.62db，传导余量最低8.35db。达到了预期要求。6.5温升测试在室内27度的环境将测试产品放进密闭箱测试，使用直流电源输入5V电压，输出带负载为300MA恒流模式，测试时间2H，下图是温升曲线。图6-8无线充电器温升曲线温升测试要求在常温下恒流带载300mA元件温度不超过60℃，实际测试初级线圈40.16℃，次级线圈41.65℃，主控芯片37.61℃，半桥芯片36.01℃。达到了预期要求。6.6异物功能测试FOD（ForeignObjectDetection），异物(主要指的是铁磁性金属)检测是无线充一项重要的功能，也是无线充安全使用的基本指标。6.6.1FOD检测的意义由于铁磁性金属本身属于一个闭合回路，当放置于磁场中时，会因为磁通量的变化而产生电流，从而产生损耗以及发热，金属异物使2个线圈之间的互感及耦合系数变小，磁耦合WPT系统的效率降低。除此之外，涡流效应产生的热量会使金属异物表面的温度在短时间内迅速升高[10]这种现象称为涡流效应。如果异物因涡流效应产生的热量达到一定程度后，就会损坏发射线圈和接收线圈，所以FOD检测的意义就是防止无线充电过程中因异物发烫而造成的损坏。6.6.2FOD检测原理通过计算发射器和接收器之间的功率损耗来检测FOD；如果发送端功率（PT）–接收端功率（PR）>正常损耗+设置阈值，TX将启动FOD保护，关闭输出；图6-9FOD检测原理测试方法：使用一张卡纸，在其上方绘制刻度，用直流电源给待测产品输入5V电压，把卡纸放置在线圈正上方，将异物（一元硬币）的圆心放置在离线圈圆心3.5cm的地方，以0.5cm为刻度向发射线圈圆心方向移动，观察示波器波形并记录。（a）（b）图6-10（a）正常工作下发射线圈波形图（b）异物检测时发射线圈波形图图6-11放置异物时系统损耗功率表6-2放置异物时系统损耗功率发射线圈与异物圆心距离（cm）输入电压（V）最小输入电流(A)最大输入电流(A)平均电流（A）系统损耗功率3.55.0050.010.090.01640.08208235.0050.010.140.02040.1021022.55.0050.010.20.02520.12612625.0050.010.310.0340.170171.55.0050.010.420.04280.21421415.0050.010.070.01480.0740740.55.0050.010.030.01160.05805805.0050.010.180.02360.118118-0.55.0050.010.030.01160.058058-15.0050.010.10.01720.086086-1.55.0050.010.370.03880.194194-25.0050.010.240.02840.142142-2.55.0050.010.120.01880.094094-35.0050.010.090.01640.0820826.7输入电压保护在常温环境下测试，使用直流电源给待测产品输入5V电压，匹配终端输出为300MA恒流模式，调节直流电源的电压，以10mV为标度调节电压。观察匹配终端的输出和待测产品的LED电源灯的显示情况。测试结果：输入欠压保护在输入电压为4.470V时开启，保护现象为匹配终端无输出，待测产品LED电源灯闪烁。输入过压保护在输入电压为6.140V时开启，保护现象同上。WP8035芯片欠压保护电压区间落在4.0V-4.4V，芯片过压保护电压区间5.5V-6.2V。符合待测产品对输入电压保护的需求。7.总结与展望7.1总结提出设计方案、分析无线充电各个模块的功能、分析电感线圈，谐振电容关键元件参数的计算，最后经过大量测试验证设计的可行性以及能否达到设计指标。通过这次对本课题的研究可以得出几点结论：第一，选择合适的可行的IC方案十分重要，如今随着无线充电行业的发展，不同厂商、适配不同终端的无线充电方案越来越多，支持不同协议，不同标准的无线充电方案更要我们仔细甄别，另外无线充电IC的集成度，以及外围电路的繁简程度也是方案选择的一个重要考虑因素。无线充电器小型化是未来发展的重要方向。第二，电感线圈，谐振电容的设计对整个无线充电器尤为重要，电感线圈可以说是无线充电器的心脏，它关乎到整个无线电能传输的效率、EMI性能、温升表现和整体稳定性。本次设计使用标准Qi电感线圈，它支持10W以下的无线充电器设计，在实际设计中要对电感线圈的制作误差进行控制，改进制作要求以及绕制的工艺。严格减少对测试结果的错误判断，减少重复测试的可能性，避免在设计改进过程中一些不必要的麻烦。我个人而言，在本次的课题研究的过程中，学习到了非常多开关电源的设计和无线充电方