上饒職業(yè)技術(shù)學院 傅 康

基于BQ控制芯片的智能手機無線充電系統(tǒng)設(shè)計

上饒職業(yè)技術(shù)學院 傅 康

本文探究了一種智能手機無線充電系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)以德州儀器生產(chǎn)的BQ500212A和BQ51221芯片作為無線信號發(fā)射和接收端控制芯片，并配以諧振網(wǎng)絡(luò)模塊、高頻逆變電路模塊等，構(gòu)成了一個一體化的智能手機充電系統(tǒng)。在具體論述中，詳細闡述了系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、需求分析、主電路模塊和無線充電模塊設(shè)計流程，最后，通過實驗法論證了該系統(tǒng)應(yīng)用于智能手機充電的實效性。

BQ控制芯片；智能手機；無線充電

1.引言

近年來，針對智能手機的無線充電技術(shù)研究，已逐漸成為手機產(chǎn)品研發(fā)行業(yè)的研究焦點。目前，市場上亦有一些智能手機支持無線充電，例如，諾基亞Lumia920、HTC 8X、三星Galaxy S6 Edge等。在智能手機無線充電系統(tǒng)中，信號發(fā)射和接收控制模塊是核心部件，目前，市面上已經(jīng)應(yīng)用的智能手機無線充電產(chǎn)品中，配備的信號發(fā)射和接收控制模塊大多采用傳統(tǒng)晶體振蕩芯片、電感線圈等構(gòu)成，信號識別的能力較差，精度較低，且功耗較大。為有效解決上述問題，本文以美國德州儀器公司研發(fā)的BQ5系列專用無線電源控制芯片為核心，設(shè)計了一種高精度、低功耗智能手機無線充電系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及需求分析

2.1系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包含兩大部分，分別是能量發(fā)射端和能量接收端。首先，系統(tǒng)的能量發(fā)射端主要由整流濾波模塊、DC-DC變換模塊、諧振網(wǎng)絡(luò)模塊、高頻逆變模塊等構(gòu)成。主要負責將220V的工頻交流電經(jīng)過整流濾波、DC-DC變換、高頻逆變等處理后，變成200KHZ左右的高頻交流信號，再傳遞給發(fā)射端的諧振網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生交變磁場散布于1-3m2的空間中。其次，能量接收端則主要由諧振網(wǎng)絡(luò)、AC-DC變換模塊、通信信號調(diào)制模塊等構(gòu)成。主要負責識別并獲取發(fā)射端的電能信號，并將之轉(zhuǎn)換為高頻交流電，再經(jīng)過AC-DC變換、整流、濾波、調(diào)制等過程處理后，轉(zhuǎn)化為智能手機可識別的充電信號。

2.2設(shè)計需求分析

本系統(tǒng)的設(shè)計需求包含以下幾個方面：（1）輕薄小巧，便于攜帶；（2）發(fā)射端輸入220V工頻交流電信號，接收端輸出5V穩(wěn)恒直流信號，額定輸出電流值0.5A；（3）傳輸效率、精度要求高；（4）發(fā)射端與接收端表面不接觸，或接收端沒有輸入信號時，經(jīng)過10S后，系統(tǒng)自動進入低功耗待機狀態(tài)；（5）不同的工作狀態(tài)，有相應(yīng)的指示燈顯示。

3.系統(tǒng)主電路模塊設(shè)計

3.1高頻逆變模塊設(shè)計

高頻逆變模塊，是本系統(tǒng)發(fā)射端的主要模塊。目前，常見的高頻逆變電路有全橋逆變、半橋逆變和推挽式逆變?nèi)箢悺Ｊ紫?，半橋逆變電路形式簡單，元件?shù)量較少，制造成本低廉，但存在輸出效率較低的缺陷，不適合本系統(tǒng)要求設(shè)計效率高的需求。其次，推挽式逆變電路的形式也比較簡單，但由于電路中存在分相電感，導(dǎo)致制造成本增加，且由于電感鐵損，會引發(fā)電路變換效率下降，也與本系統(tǒng)的設(shè)計需求不相符。最后，全橋逆變電路輸出效率高，功率密度大，且容易實現(xiàn)軟開關(guān)控制。綜合對比，本系統(tǒng)選用全橋逆變電路作為高頻逆變模塊。

3.2諧振網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計

諧振網(wǎng)絡(luò)模塊，是本系統(tǒng)發(fā)射端、接收端的主要部分，主要用于發(fā)射端和接收端之間信號的傳遞變換。結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計要求，需要無線充電電路采用頻率控制來調(diào)整傳輸功率的大小，以此實現(xiàn)對系統(tǒng)精度、效率的控制，因此，系統(tǒng)的頻率大小應(yīng)維持在恒穩(wěn)的范圍內(nèi)。目前，可用于諧振網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計的有串聯(lián)和并聯(lián)補償兩類電路形式，兩者相比，串聯(lián)諧振電路的工作頻率比較穩(wěn)定，因此，本系統(tǒng)選用該種電路形式，構(gòu)建諧振網(wǎng)絡(luò)模塊。

4.無線充電模塊設(shè)計分析

4.1發(fā)射端設(shè)計概述

本系統(tǒng)的充電發(fā)射端采用BQ500212A芯片為核心構(gòu)建。BQ500212A是美國德州儀器公司制造的無線電源發(fā)送端控制芯片，功能特性為：（1）符合無線電源聯(lián)盟WPC1.1標準；（2）用于5V無線電源系統(tǒng)設(shè)計；（3）經(jīng)過Qi認證；（4）采用48引腳，7mm*7mm四方扁平無引線（QFN）封裝。此外，該芯片的最大優(yōu)點在于：能夠建立起持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，適時詢問周圍環(huán)境中的WPC接收器件，如此一來，大大提升了發(fā)射和接收效率。

4.2接收端設(shè)計概述

本系統(tǒng)的充電接收端采用BQ51221芯片為核心器件。BQ51221也是由德州儀器公司研發(fā)制造，是一款無線電源接收器芯片，功能特性為：（1）符合WPC1.1和PMA雙向無線標準；（2）無需額外有源器件供電；（3）相比傳統(tǒng)的BQ5系列電源接收芯片，功耗降低50%；（4）外形輕薄，且在額定功耗下，芯片效率達到79%。BQ51222芯片能夠應(yīng)用于智能手機、平板電腦無線充電接收端設(shè)計，最大的優(yōu)點在于：效率高，功耗低，無線信號識別精度高。

5.無線充電系統(tǒng)整體設(shè)計與應(yīng)用測試

5.1系統(tǒng)整體設(shè)計

基于發(fā)射和接收端設(shè)計概述，綜合高頻逆變、諧振網(wǎng)絡(luò)等模塊的設(shè)計思路，可將整個無線充電系統(tǒng)的電路控制框圖設(shè)計如圖1所示。

如圖1所示，本系統(tǒng)主要由發(fā)射端和接收端構(gòu)成。實際工作時，發(fā)射端控制器BQ500212A根據(jù)接收端控制器BQ51221發(fā)送的通信信息，判定是否有智能手機放置于無線充電接收端表面，一旦檢測到有智能手機放置于接收端表面，發(fā)射端便控制高頻逆變電路的頻率，發(fā)射輸出電能信號，該電能信號經(jīng)過諧振處理后，傳遞到接收端，經(jīng)過AC-DC變換、輸出電壓控制等過程，調(diào)整為符合智能手機充電的5V穩(wěn)恒直流信號，對手機進行供電。

圖1　系統(tǒng)整體電路控制框圖

5.2輸出電壓測試

按照上述電路設(shè)計框圖，經(jīng)過電路原理圖設(shè)計、PCB制版等階段，制造出成品，用華為P9手機進行測試，結(jié)果顯示：隨著輸出電流在0.1-0.8A之間進行變化，系統(tǒng)提供的輸出電流始終保持在DC4.9V-5.0V之間，證實本系統(tǒng)的輸出電壓比較穩(wěn)定。

5.3待機功耗測試

當發(fā)射端與接收端不接觸時，進行系統(tǒng)待機功耗測試，結(jié)果顯示：發(fā)射端待機電壓為5.12V時，輸入電流為6.92mA，系統(tǒng)待機功耗為31.32mW。整體而言，功耗較低，符合預(yù)期設(shè)計要求。

6　結(jié)語

本文應(yīng)用德州儀器的BQ5系列無線電源控制芯片，設(shè)計了一款適用于智能手機的無線充電系統(tǒng)。通過應(yīng)用測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有精度高、功耗低等優(yōu)勢，且借助于BQ5芯片的持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系和智能識別控制，系統(tǒng)的工作效率十分高，完全能夠滿足一般智能手機的無線充電需求。當然，該系統(tǒng)也存在一些缺陷，例如，缺少充電數(shù)字指示功能和自適應(yīng)功耗處理功能等，都有待在今后的設(shè)計中進一步優(yōu)化。

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