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
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)。
2.1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,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、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),有相應的指示燈顯示。
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?。首先,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)絡模塊設(shè)計
諧振網(wǎng)絡模塊,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)的頻率大小應維持在恒穩(wěn)的范圍內(nèi)。目前,可用于諧振網(wǎng)絡電路設(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)絡模塊。
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,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。
5.1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,符合預期設(shè)計要求。
本文應用德州儀器的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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