陳躍鴻++林桂江

摘 要為了解決市面上普遍存在手機(jī)無線充電過程由于手機(jī)充電電流波動造成的無線充電充斷問題，提高客戶的用戶體驗(yàn)和認(rèn)可度，設(shè)計了基于Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電充斷解決方案。該方案設(shè)計遵循Qi標(biāo)準(zhǔn)，具備兼容性和通用性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明，該方案可以解決無線充電過程中由于手機(jī)充電電流波動造成的無線充電充斷問題，實(shí)現(xiàn)5W（5V，1A）的能量傳輸，傳輸距離可以達(dá)到11mm，系統(tǒng)的最大效率可以達(dá)到75%。

【關(guān)鍵詞】無線充電 磁耦合諧振式無線充電 手機(jī)充斷 AM調(diào)制解調(diào)通信

近年來，隨著無線充電的普及，越來越多的手機(jī)植入無線充電功能，而基于Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線充電占市場的絕大部分，無線充電不僅解決了有線充電過程中線的干擾，充分利用廣大用戶碎片化的充電時間，同時無通電觸點(diǎn)設(shè)計，可以避免觸點(diǎn)的危險，電力傳送元件無外露，可以避免空氣中的水分和氧氣所氧化，杜絕接觸時的機(jī)械磨損以及跳火等造成的損耗。

然而由于現(xiàn)有無線充電特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作原理，要求接收端的數(shù)據(jù)傳輸只能通過電力載波的方式回傳到接收端，如圖1是手機(jī)無線充電系統(tǒng)原理框圖，該系統(tǒng)主要由功率發(fā)射單元、功率接收單元組成。

由于發(fā)送端接收端遵循Qi協(xié)議，Qi無線充電的通訊原理是一種單工通訊，一直由接收端發(fā)給發(fā)射端，正常充電后，發(fā)射的數(shù)據(jù)包括“調(diào)整供電大小”和“接收功率”，接收端的調(diào)制信號是調(diào)制在電力載波上面，通過電容將信號耦合到線圈兩端，接收端輸出的電壓是通過線圈上面的交流電壓整流成直流電壓而來，接收端的輸出電壓連接負(fù)載手機(jī)端，通過充電管理芯片連接到手機(jī)電池，由于電池充電過程包含涓流充電，恒流充電，恒壓充電，不同的充電階段有著不同的充電電流，特別在各階段相互切換時，電流的波動造成電壓的波動，從而體現(xiàn)在線圈兩端電壓的波動，這個波動與信號AM調(diào)制共同作用在線圈上，解調(diào)接收端對線圈上電力載波發(fā)送的信息進(jìn)行解調(diào)并將其反饋給主控芯片，由于解調(diào)信號和波動數(shù)據(jù)疊加在一起，單片機(jī)無法識別正確的信號，從而造成無線充電過程由于電流波動造成的無線充電充斷問題。因此為了更好的用戶體驗(yàn)和認(rèn)可度，解決無線充電過程的充電充斷問題勢在必行。

1 不良現(xiàn)象重現(xiàn)

分別使用TI、IDT、東芝、新頁發(fā)射端配合TI的BQ51013B接收端對Vivo X5Pro、華為Mate7，三星j7008進(jìn)行無線充電測試，測試現(xiàn)象如下：

Vivo X5 Pro 手機(jī)在85%-95%時，會經(jīng)常出現(xiàn)斷線重連，并且發(fā)射端有滋滋的響聲；華為Meta 7 手機(jī)在85%-93%時，會經(jīng)常出現(xiàn)斷線重連，并且發(fā)射端有滋滋的響聲；三星J7008手機(jī)在25%時，會經(jīng)常出現(xiàn)斷線重連，并且發(fā)射端有滋滋的響聲；

從現(xiàn)象來看，當(dāng)手機(jī)快要斷線時，伴有滋滋的響聲；斷線后手機(jī)屏幕會被點(diǎn)亮，接著發(fā)射板的充電燈會滅掉；然后重新連上充電，手機(jī)重新開始充電，滅屏后不用多久，手機(jī)又會重復(fù)上述動作斷線重連。

2 不良現(xiàn)象分析

我們先用Vivo X5 Pro在電量為89%時，通過直流穩(wěn)壓電源對手機(jī)進(jìn)行有線充電，充電過程中使用示波器電流探頭偵測電源正極輸出電流，采集波形如圖2所示： 從圖2可以明顯看出，當(dāng)Vivo X5 Pro手機(jī)電量為89%時，手機(jī)內(nèi)部充電管理芯片會讓它從恒流模式進(jìn)入一下恒壓模式，而后又從恒壓模式退出到恒流模式，如此反復(fù)，對直流穩(wěn)壓電源的電流需求也會發(fā)生變化，電流波形非常的臟亂，而正常的充電狀態(tài)電流信號基本是一條直線。

由Qi無線充電的通訊原理，我們知道它是一種單工通訊，一直由接收端發(fā)給發(fā)射端，正常充電后，數(shù)據(jù)的類型一般只是“調(diào)整功率大小”和“接收功率”兩種；而接收端將信號發(fā)出的原理正是利用2個22nF電容將信號耦合到線圈的兩端，也就是說它的信號也是一個電流變化的信號，所以當(dāng)手機(jī)處于一個不斷調(diào)整電流需求的狀態(tài)時，它就會嚴(yán)重干擾到接收端發(fā)出的信號質(zhì)量，從而影響到發(fā)射端收到正確的數(shù)據(jù)包；如圖3所示。

圖3中可以直觀的看出由于充電電流波動對數(shù)據(jù)解調(diào)信號的影響，當(dāng)?shù)?通道電流發(fā)生波動時，通道2的電流解調(diào)波形和通道3的電壓解調(diào)波形就會受到影響，出現(xiàn)解調(diào)數(shù)據(jù)出錯。

當(dāng)信號很差，解調(diào)數(shù)據(jù)出錯，但是如果此時接收端是一直要求增加能量或者減小能量，而因?yàn)槲覀兪詹坏秸_的數(shù)據(jù)，沒有做出相應(yīng)的響應(yīng)，經(jīng)過一段時間后，接收端就會發(fā)出相應(yīng)的欠壓和過壓現(xiàn)象，這時接收端會斷開后端的LDO輸出，此時手機(jī)就沒有充電，然后發(fā)出一個停止充電的數(shù)據(jù)包，內(nèi)容為“0x02 0x04”詳見圖4，發(fā)完停止數(shù)據(jù)包以后，接收端再也不發(fā)出任何信號，這時候發(fā)射板因1.7S沒有收到開始碼，也會斷開充電。

3 充斷解決方法及效果

理清此處不良的原因后，可以看到不良的源頭在于手機(jī)充電過程的電流波動，電流波動造成解調(diào)信號出錯。由于接收端已經(jīng)植入在手機(jī)端無法進(jìn)行更改，所以只能通過更改發(fā)送端硬件和軟件兩方面來解決無線充斷的問題。

硬件方面：由于發(fā)射端通過解調(diào)電路解調(diào)出調(diào)制信號，如圖5 通信解調(diào)硬件電路所示：發(fā)射端從發(fā)射線圈獲取已調(diào)信號（線圈電壓），首先通過降壓電路對已調(diào)信號進(jìn)行降壓處理，緊接著通過二級管、直流濾波器整流得到0-2V的直流信號，該信號通過低通濾波器從130KHz～200KHz的高頻載波得到2KHz的調(diào)制信號，最后通過比較器得到0～3.3V的調(diào)制信號，如圖6初級線圈端耦合信號與解調(diào)信號所示，位于上方通道3為發(fā)射端初級線圈端耦合信號，位于下方通道1為經(jīng)過解調(diào)電路后的解調(diào)信號，該解調(diào)信號提供給主控芯片進(jìn)行解碼處理。由于調(diào)制信號的頻率是2KHz，而電流波動的隨機(jī)性，頻率是變化的，根據(jù)不同的手機(jī)不同的充電階段有不同頻率的波動，可以分為兩部分，頻率大于2KHz和頻率小于2KHz，頻率大于2KHz的可以通過圖5中前端的二階低通濾波器濾除，同時在接收輸出端加上100UF電容，使它在受到手機(jī)的負(fù)載需求不斷變化時不易干擾通訊，實(shí)測手機(jī)充斷有明顯改善，但是不能完全解決手機(jī)充斷問題，詳見表1。

軟件方面：由于手機(jī)出現(xiàn)斷充的根本原因是手機(jī)充電過程的電流波動，電流波動造成解調(diào)信號出錯，從而單片機(jī)識別不出正確的信號，因此我們在軟件算法上做如下處理，正常充電時，每250ms都會收到接收端一個調(diào)整供電大小的數(shù)據(jù)包，一般來講都是0，這時我們記住當(dāng)時的PWM頻率，當(dāng)通訊很差時，即3S都沒有收到一個正確的數(shù)據(jù)包，但仍能收到開始碼，這時我們在軟件上啟動一個特別的跳頻機(jī)制，即200ms后改變當(dāng)前的PWM頻率，頻率向下減小8K，用于增大發(fā)射能量，200ms后再改變當(dāng)前的PWM頻率為之前通訊正常時記下的PWM頻率；200ms后再次改變PWM頻率，頻率向上增加8K，用于減小發(fā)射能量；如此反復(fù)執(zhí)行，當(dāng)收到一個正確的數(shù)據(jù)包后，這種機(jī)制解除，同時中心的PWM頻率做出更新，等下次通訊不良時會再啟動這個機(jī)制；整個過程為的就是讓接收端不要發(fā)出一個過壓或欠壓的指令，因?yàn)槲覀冞@樣不斷改變PWM頻率，可以騙過RX端的過壓或欠壓檢測機(jī)制，打亂它的檢測，使它能正常輸出能量給手機(jī)，放寬對數(shù)據(jù)的要求，大大改善PWM不發(fā)生調(diào)整而接收端要求功率變化造成的關(guān)斷現(xiàn)象，從而解決手機(jī)充電過程的充斷問題。實(shí)測手機(jī)充斷大大改善，基本可以解決手機(jī)充斷問題，詳見表1。

4 結(jié)語

參表1和表2的對比數(shù)據(jù)可以清楚的看出，通過硬件設(shè)計的修改以及軟件算法的優(yōu)化，可以很好的解決由于手機(jī)充電電流波動造成的無線充電充斷問題，提高客戶的用戶體驗(yàn)和認(rèn)可度。該方案設(shè)計遵循Qi標(biāo)準(zhǔn)，具備兼容性和通用性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明，該方案可以有效解決無線充電過程中由于手機(jī)充電電流波動造成的無線充電充斷問題，實(shí)現(xiàn)5W（5V，1A）的能量傳輸，傳輸距離可以達(dá)到11mm，系統(tǒng)的最大效率可以達(dá)到75%。

參考文獻(xiàn)

[1]陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[2]陳清泉，孫立清.電動汽車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].科技導(dǎo)報，2005，23（04）：24-28.

[3]黃承偉，秦小杰.電動汽車充電站的電磁兼容測試[J].安全與電磁兼容，2004（02）：1-4.

[4]竇廷軍.一種磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計[D].成都：電子科技大學(xué)，2013（06）：3-10.

[5]朱華.松耦合無線能量傳輸系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013（05）.

作者單位

廈門新頁科技有限公司 福建省廈門市 361024