基于DW540通用Qi無線充電器的設(shè)計*
盧翠珍(百色學(xué)院,廣西 百色 533000)
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202006/414844.htm摘 要:本設(shè)計是以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)動模塊、解碼采集模塊五部分組成。能夠?qū)崿F(xiàn)待機狀態(tài)時綠、藍LED常滅,充電狀態(tài)時綠色LED常滅、藍色LED常亮;充電設(shè)備充滿電時,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)自動檢測、溫度檢測及狀態(tài)指示功能。同時可支持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,而且不受手機充電接口的限制(該手機支持無線充電)。
2)該充電器供電電流>500 mA。
3)具備休眠省電模式,可自動進入待機狀態(tài)。
4)充電距離≤1 cm。
5)近距離充電損耗率不超過40%。
2 設(shè)計方案及功能
本設(shè)計將以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)動模塊、解碼采集模塊、電流檢測模塊、電壓檢測模塊的有機結(jié)合。實現(xiàn)了待機狀態(tài)時綠、藍LED常滅,充電狀態(tài)時綠色LED常滅、藍色LED常亮;充電設(shè)備充滿電時,LED狀態(tài)指示為綠色LED常亮,藍色LED常滅的狀態(tài)指示;同時還具備異物自動檢測及溫度檢測功能。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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
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,并且在提供了一個低電平進行復(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,效率才能達到最高,并且傳輸距離的變化也時刻影響著共振的頻率。當(dāng)系統(tǒng)溫度過高時,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,充電器停機不工作。
3.2 驅(qū)動及檢測電路設(shè)計
驅(qū)動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)動電路。當(dāng)CEM4953和CEM9926的柵極無電平信號輸入時,其內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極源極不導(dǎo)通,驅(qū)動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,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進行同相放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號,同時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,還可以實時知道當(dāng)前驅(qū)動電路的實際發(fā)射頻率,以便及時調(diào)整達到最佳工作狀態(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)進行調(diào)整。同時,發(fā)射器還可識別傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號,每個數(shù)據(jù)位對齊在1個完整周期為0.5 ms或2 kHz上。具體的編碼如圖4。每個字節(jié)有11位,其中包括了1個開始位、8個數(shù)據(jù)位、1個校驗位和1個停止位,當(dāng)收到正常的數(shù)據(jù)信號時,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,點亮或熄滅相應(yīng)的指示燈;驅(qū)動電路模塊根據(jù)控制模塊發(fā)出的控制信號對驅(qū)動電路(高頻逆變電路)的開關(guān)管進行控制,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(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)射端返回待機狀態(tài)并且不斷地進行初始的異物檢測,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)試與測試是檢驗設(shè)計能否達到目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。前期的上電調(diào)試可以及時發(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)計是否實現(xiàn)設(shè)定功能,以及一些細節(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行檢測,因為這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行下一步的焊接,否則將影響整個電路的成功與否。
2)上電檢查
焊接完畢并且確認(rèn)硬件電路沒有出現(xiàn)人為錯誤之后,便可上電檢測,先給相關(guān)模塊提供一個工作電壓,看是否能夠正常工作,工作后各個引腳輸出的參數(shù)是否合格。如果都能夠正常工作并且參數(shù)無誤,則進行下一步開機運行。
3)開機運行
在過上述2個步驟后,確認(rèn)各個元件焊接無誤,便可上電使整個系統(tǒng)試運行,并且用萬用表檢測這個模塊的運行參數(shù),在運行過程中還要注意元件是否有不正常的發(fā)熱情況,如果需要及時斷電,則重復(fù)上述的2個步驟,以及檢查原理圖和PCB是否有原理上的錯誤。
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狀態(tài)不工作;其次在無線充電器和接收器正常工作時,再在它們之間放入1元硬幣,無線充電器在29 s后進入關(guān)機自我保護狀態(tài),說明無線充電器實現(xiàn)了異物檢測功能。
6 總結(jié)
上述測試結(jié)果表明,本設(shè)計完全達到了預(yù)期設(shè)計目的,可為市場上具有Qi標(biāo)準(zhǔn)的自帶無線充電手機充電。
但不足之處是工作時發(fā)熱量大,散熱不樂觀,充電距離過近等問題。如果能將以上幾個問題突破,無線充電領(lǐng)域?qū)归_一個新的篇章。
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?。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,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)
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