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作者：Louis Tang，飛兆半導體 摘要： 隨著無線充電器技術的蓬勃發展，以及越來越多的智能手機用戶被各種充電電纜所困擾，方便易用的無線充電器將被普遍接受和采用。盡管目前有三種不同的無線充電器標準，但WPC Qi標準更常用于智能手機應用。本文將介紹基于FPGA解決方案的無線充電器接收器系統的架構。無線充電器接收器嚴格遵循最新的WPC Qi標準。接收器系統包含一個模擬模塊和一個FPGA模塊。模擬模塊由分立式組件組成，包括全橋整流器模塊、V/I檢測和AD控制模塊以及DC-DC模塊。FPGA模塊充當數字內核，其內嵌通信模塊、控制模塊、計算模塊和收發器模塊。它使用Verilog語言和狀態機對FPGA編程。最后，通過測試和驗證，無線充電器接收器在多個主要OEM的無線充電器發射器上工作極佳。 1. 背景 隨著無線充電器技術的蓬勃發展，以及越來越多的智能手機用戶被各種充電電纜所困擾，方便易用的無線充電器將被普遍接受和采用。目前有三種不同的無線充電器標準：WPC (Qi)、PMA和A4WP。WPC Qi標準更常用于智能手機應用。現在，許多智能手機OEM已推出支持WPC標準的無線充電器解決方案。本文將重點介紹WPC標準的無線充電器接收器解決方案，及其與基于FPGA的詳細系統架構的關系。 2. WPC標準概述 WPC Qi標準提供無線充電器系統的詳細說明，包括通信和傳輸協議。功率始終從充電板傳輸至移動設備。充電板包含一個稱為功率發射器（由主線圈組成）的子系統，而移動設備包含一個稱為功率接收器（由次級線圈組成）的子系統。 圖1說明了基本系統配置。如圖所示，功率發射器由兩個主要功能單元組成，即功率轉換單元和通信與控制單元。 控制與通信單元將轉換的功率調節至功率接收器請求的水平。功率接收器則由一個功率拾取單元和一個通信與控制單元組成。 功率接收器位于手機端，因此接下來將主要介紹功率接收器系統，并說明基于FPGA的無線充電器接收器解決方案。 
圖1：基本系統配置 3. 基于FPGA的功率接收器系統概述 根據WPC Qi標準，功率接收器系統將包含一個功率拾取單元和一個通信與控制單元。示例中將詳細介紹一個完全滿足WPC Qi標準要求的接收器解決方案。 圖2顯示基于FPGA的功率接收器系統的架構。
圖2：系統架構 如圖2中所示，接收器系統包含兩個子系統，一個是模擬模塊，另一個是數字模塊。模擬模塊由分立式器件組成，包括全橋整流器模塊、V/I檢測和AD控制模塊、通信模塊和DC-DC模塊。數字模塊內置在FPGA中，使用Verilog語言編寫程序。數字內核模塊可分為三個主要子模塊： 第一個是通信和PWM控制模塊，第二個是計算模塊，第三個是Rx和Tx（接收器和發射器）模塊。下面更為詳細地介紹了這些模塊。 4. 模擬模塊 次級線圈是模擬模塊的供電來源；主線圈和次級線圈組成一個完整的無芯諧振變壓器。通過電磁耦合，交變磁場將在次級線圈產生交流電源，然后全橋整流器將交流轉換為直流。圖3顯示部分模擬模塊的原理圖。
圖3：部分模擬模塊的原理圖 4.1 全橋整流器 在此解決方案中，FAN156 (U10)比較器、FDMA8878（M1、M2、M3、M4）N溝道MOSFET、FAN7085和FAN3180（U2、U3、U4、U5）MOSFET驅動器組成全橋整流器。FAN156器件的輸出信號直接饋入FPGA，然后FPGA向全橋整流器提供控制信號H1、L1、H2和L2。 FAN156比較器用于檢測線圈兩端的極性。如原理圖中所示，如果線圈+為正極，線圈-為負極，則FAN156比較器向FPGA提供“H”信號。類似地，如果線圈+為負極，而線圈-為正極，則FAN156比較器向FPGA提供“L”信號。然后PWM控制模塊將根據這些輸入提供輸出。從全橋整流器角度來看，如果線圈+為正極，線圈-為負極，則N溝道MOSFET的M1和M4應導通，而M2和M3應關斷。類似地，如果線圈+為負極，線圈-為正極，則N溝道MOSFET的M2和M3應導通，而M1和M4應關斷。這樣就構成一個整流循環，在M1和M4打開與M2和M3閉合之間或M2和M3打開與M1和M4閉合之間應存在死區時間。這是因為有一個潛在風險，例如，當FPGA發送指令使M1和M4導通時，同時M2和M3也導通并將關斷，因此M1和M2將構成一個低阻抗路徑。應避免這種情況。需要死區時間以確保M2在M1導通之前關斷。在此解決方案中，可在FPGA PWM控制模塊中添加死區時間。圖4說明了PWM控制模塊的時序圖。 請注意，“1”指邏輯“H”，“0”指邏輯“L”，FAN7085為負邏輯。
圖4：PWM控制模塊時序圖 4.2 V/I檢測和AD控制模塊 V/I檢測和AD模塊負責電壓和電流數據采集，這些參數對于FPGA控制模塊至關重要。在此解決方案中，10位ADC（U8、U9）、差分放大器(U6)和FAN4931器件(U7)組成V/I檢測和AD控制模塊。一個20毫歐精密電阻用于檢測電流，差分放大器則放大該精密電阻上的壓降。例如，將差分放大器設置為100 V/V增益，且ADC的參考電壓為2.5 V，因此可檢測到的最大電流為1.25 A，并且理論精度小于2 mA。 精密分壓電阻R9和R10用于檢測整流DC電壓Vrec；如果R9=75 K且R10=24.9 K（如原理圖中所示），由于ADC的參考電壓為2.5 V，因此最大可檢測電壓為10 V，理論精度小于10 mV。FAN4931器件用作電壓跟隨器，以實現ADC和電阻分壓器之間的阻抗匹配。 ADC、CS和CLK的控制信號來自FPGA控制模塊。其輸出數據將饋入FPGA，計算模塊將利用此數據計算收到的功率，而控制模塊將利用此數據作為verilog程序的輸入信號。 5. 數字模塊 數字內核模塊內置在FPGA中，其對功率接收器系統至關重要。 5.1 通信和PWM控制模塊 WPC Qi標準從系統控制角度提供了功率傳輸階段的詳細說明。 從功率發射器到功率接收器的功率傳輸包含四個階段：啟動（選擇）、ping、ID和C（識別和配置）以及PT（功率傳輸）。圖5說明了這些階段之間的關系。
圖5：功率傳輸階段 WPC Qi標準還定義了功率傳輸階段中的嚴格時序要求。根據這些要求，本文給出了狀態機，包括九種不同狀態，并且將根據此狀態機編寫FPGA控制模塊程序。圖6說明了控制模塊狀態機。 每次將接收器板置于無線充電器墊上時，控制程序將進入狀態0。如果連接(ping)成功，接收器將進入充電狀態。這樣控制程序將保持在狀態5和6中，控制模塊將發出控制錯誤包以調節充電電流，還將發送接收的功率包以實施FOD（異物檢測）功能。
圖6：控制模塊狀態機 5.2 計算和Rx及Tx模塊 計算模塊用于計算信號強度、控制錯誤和接收功率。在模擬模塊中，ADC將向FPGA提供電壓和電流信息，計算模塊將獲取信號強度、控制錯誤和接收的功率，并將其發送給Rx和Tx模塊。 信號強度值可使用以下公式計算得出：
其中，U是監控的變量，Umax是最大值，即功率接收器在數字ping過程中預期該變量所達到的值。 請注意，功率接收器應在U≥Umax時將信號強度值設置為255。此處使用整流電壓Vrec作為U，ADC將向FPGA提供10位數字化電壓，而FPGA將用其計算信號強度。 接收功率值可由下式計算得出：
其中，最大功率和功率等級為配置包中包含的值，在低功率無線充電器應用中，最大功率應設置為10。按照WPC Qi 1.1.1版，功率等級應設置為0，這意味著功率接收器應向整流器輸出提供– 5 W。請注意，此處公式2中的接收功率值不是實際值。應由下式轉換：
其中，如果接收功率值為128，則意味著接收功率為5 W。 所有這些算法都在FPGA中實施。 Rx和Tx模塊使用來自計算模塊的數據來處理數據包，并將這些數據包發送至功率發射器。WPC Qi標準定義了通信中的數據格式。在每次數據傳輸中，將傳輸一個數據包。一個數據包由一個用于位同步的前同步碼（11位以上1）、指明數據包類型的一字節消息頭、消息信息（1..27個字節）和一個校驗和字節組成。一個數據字節為11位串行格式。此格式由一個位起始位、八個數據位、一個校驗位和一個位停止位組成。起始位為零。數據位的順序從最低有效位(LSB)優先。校驗位為奇數，停止位為1。數據位采用差分雙相碼編碼，其速度為2Kbps。數據格式如圖 7中所示。
圖7：數據格式 6. 結論 通過測試和分析，演示板在主要OEM的無線充電器墊上運行良好。這表明系統穩定可靠，具有一些實用價值。圖8顯示了此解決方案用于在主要OEM的無線充電器墊上對手機充電。隨著便攜設備越來越普及，便利充電將成為不斷增長的趨勢，而無線充電可能是最佳選擇。此解決方案采用一些分立式器件和一個FPGA，來驗證Qi標準充電器接收器的設計，并對無線充電器接收器系統的架構和設計采用極高的技術參考值。隨著無線充電器市場的發展，此方法可極輕松地集成到新的芯片中。
圖8：無線充電器墊上的無線充電 |
