上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系 邱 琳

智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)通信方案設(shè)計研究

上饒職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系 邱 琳

本文對一種基于BQ5系列芯片的智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)通信方案進(jìn)行了設(shè)計，在具體的論述中，首先對該無線充電系統(tǒng)的整體電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，其次側(cè)重探究了系統(tǒng)的信號調(diào)制方案、編碼通信方案以及電能傳輸通信方案三部分設(shè)計內(nèi)容。該方案的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)發(fā)射端和接收端之間的電能信號傳輸，對完善無線充電功能起到了至關(guān)重要的作用。

智能手機(jī)；BQ5芯片；無線充電系統(tǒng)；通信方案

1.系統(tǒng)整體概述

1.1 整體組成框架及工作原理

該智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)電路主要由能量發(fā)射端和接收端兩個部分構(gòu)成。首先，能量發(fā)射端的組成部分為：整流濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路、諧振網(wǎng)絡(luò)電路、控制檢測電路，具體的工作原理為：由整理濾波電路將220V的工頻交流信號轉(zhuǎn)換為5V恒穩(wěn)直流信號，經(jīng)DC-DC穩(wěn)壓后輸入高頻逆變電路中，使5V直流信號轉(zhuǎn)換為100KHZ-300KHZ的高頻交流信號，進(jìn)一步傳輸至諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電能感應(yīng)耦合至接收端，而控制檢測電路則對整個發(fā)射端各環(huán)節(jié)的電壓值進(jìn)行檢測反饋。其次，能量接收端的組成部分為：諧振網(wǎng)絡(luò)電路、AC-DC變換電路、檢測控制電路、通信信號調(diào)制電路，具體的工作原理為：接收端諧振網(wǎng)絡(luò)電路從發(fā)射端協(xié)整網(wǎng)絡(luò)傳遞的磁場信號中獲取高頻交流充電信號，通過AC-DC電路將高頻信號轉(zhuǎn)換為恒穩(wěn)直流信號，再經(jīng)過通信信號調(diào)制電路將恒穩(wěn)直流信號調(diào)制為智能手機(jī)能夠識別的充電電能，實(shí)現(xiàn)對手機(jī)的充電。

1.2 主要電路模塊

基于系統(tǒng)的組成框架分析，該電路主要由發(fā)射電路模塊和接收電路模塊兩個部分構(gòu)成。在具體的元器件選型中，發(fā)射電路模塊以德州儀器生產(chǎn)的BQ500212芯片為核心，該芯片具有無線信號發(fā)射功能，符合無線電源聯(lián)盟WPC1.1標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)充電電信號的傳遞，此外還包含全橋逆變電路模塊、串聯(lián)諧振電路模塊、DC-DC電路模塊。接收電路模塊則以德州儀器生產(chǎn)的BQ51221芯片為核心，該芯片是一款無線信號接收器，同樣符合WPC1.1標(biāo)準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無線充電電信號接收和識別。

2.無線通信方案設(shè)計

2.1 信號調(diào)制方案

智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)信號調(diào)制電路的功能在于：對接收端與發(fā)射端之間的電能信號進(jìn)行編碼與解調(diào)，確保兩者之間正常的電通信。在具體的方案設(shè)計中，本系統(tǒng)采用電阻幅值調(diào)制方案，方案思路為：在接收端整流濾波電路上并聯(lián)一個電阻和開關(guān)管，而開關(guān)管的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)由調(diào)制信號控制，開關(guān)管截止時，系統(tǒng)的諧振幅度更低，開關(guān)管導(dǎo)通時，系統(tǒng)的諧振幅度更高，系統(tǒng)諧振幅度的變化則是通過開關(guān)管狀態(tài)的切換實(shí)現(xiàn)的，其核心為：開關(guān)狀態(tài)變化過程中，系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致諧振幅值變化，最終使發(fā)射端線圈內(nèi)部的電流大小發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)幅值調(diào)整的目的。經(jīng)過調(diào)整后的電信號即可傳輸給接收端，以下為系統(tǒng)信號調(diào)制電路的原理圖如圖1所示。

采用電阻調(diào)制方案控制無線充電信號，具有成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件較少等優(yōu)點(diǎn)，此外該電路在實(shí)際工作時，只需要通過外加信號實(shí)現(xiàn)對開關(guān)管的控制，即可完成信號的編碼與調(diào)制功能，可謂操作便捷。

圖1 電阻幅值調(diào)制電路

2.2 編碼通信方案

編碼通信也是本無線充電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，具體到系統(tǒng)的設(shè)計中，需要重點(diǎn)考慮兩方面編碼通信方案，分別是位編碼方案和數(shù)據(jù)包編碼方案。首先，接收端與發(fā)射端之間的電能信號是以位數(shù)據(jù)的形式完成的，并采用差分雙相編碼的方法，因此在位信號的調(diào)制傳輸過程中，要保證發(fā)射端發(fā)送的每一位電能信號都與系統(tǒng)內(nèi)部時鐘周期的上升沿對應(yīng)，在具體的方案設(shè)計中，需要考慮到本系統(tǒng)采用的BQ5發(fā)射和接收芯片內(nèi)部時鐘頻率為2KHZ，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一個位脈沖發(fā)生電路，用于位編碼通信的實(shí)現(xiàn)。其次，多個位編碼信號疊加會形成一個電能數(shù)據(jù)包，而一個數(shù)據(jù)包則由前導(dǎo)、報頭、數(shù)據(jù)信息和校驗(yàn)信息4個部分構(gòu)成，為使發(fā)射端發(fā)射出的電能數(shù)據(jù)包信息能夠被接收端有效識別，需要設(shè)計妥善的數(shù)據(jù)包編碼方案，而本系統(tǒng)的具體方案為：（1）發(fā)射端對3-4個前導(dǎo)信號進(jìn)行檢測；（2）發(fā)射端對校驗(yàn)信息和報頭信息進(jìn)行檢測；（3）接收端對前導(dǎo)信號、校驗(yàn)信息和報頭信息量進(jìn)行計算，以判定發(fā)射端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否與接收端接收到的數(shù)據(jù)一直，如果有任何一條不符，則該條數(shù)據(jù)包被立即丟棄，重新檢驗(yàn)下一組數(shù)據(jù)包信息。

2.3 電能傳輸通信方案

本無線充電系統(tǒng)工作時，還包含電能傳輸?shù)耐ㄐ胚^程，具體來說包含電能信息識別配置以及電能信息控制傳輸兩個環(huán)節(jié)，對每個環(huán)節(jié)制定科學(xué)的通信方案，是保證發(fā)射端與接收端信號能夠進(jìn)行有效傳遞的基礎(chǔ)。首先，電能信息識別配置通信方案。以發(fā)射端持續(xù)發(fā)送170KHZ高頻信號為檢測信號，對接收端的電能信號進(jìn)行識別配置，倘若接收端接收到的電能與發(fā)射端發(fā)送的高頻信號頻率一致，則證實(shí)發(fā)射端與接收端之間傳輸?shù)碾娔芴幱谕徊ǘ?，兩者之間的電能信號處于互相可識別的狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行兩者之間電能信號的雙向傳遞。其次，電能信息控制傳輸通信方案。發(fā)射端向接收端發(fā)送三類電能數(shù)據(jù)包，分別為誤差控制數(shù)據(jù)包、電能接收功率包和信號終止傳輸包，接收端對三類數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收和識別，判斷發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否正確無誤，倘若出現(xiàn)誤差，接收端便通過誤差控制數(shù)據(jù)包將差錯信息反饋回發(fā)射端，進(jìn)行及時的調(diào)整完善，如果信號誤差范圍過大，以至于不能調(diào)整完善，則激活信號終止傳輸包，終止兩者之間的信號傳遞。此外，電能接收功率包能夠?qū)Τ潆婋姽β实倪_(dá)標(biāo)情況進(jìn)行判定，以便保證系統(tǒng)充電電能維持在有效范圍之內(nèi)。

3.結(jié)語

智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)的通信方案，是整個系統(tǒng)充電信號傳輸?shù)幕A(chǔ)，該方案是否科學(xué)有效將直接關(guān)系到整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性。本文所分析的信號調(diào)制通信、編碼通信和電能傳輸通信方案，對于智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)通信體系的設(shè)計有著積極的理論參考價值，但鑒于智能手機(jī)無線充電系統(tǒng)仍為一個新穎的研究領(lǐng)域，本文所提出的設(shè)計方案亦未能用于實(shí)踐檢驗(yàn)，因此，相關(guān)的后續(xù)研究仍有待進(jìn)一步深入。

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