基于BQ控制芯片的智能手機無線充電系統設計

上饒職業技術學院 傅 康

基于BQ控制芯片的智能手機無線充電系統設計

上饒職業技術學院 傅 康

本文探究了一種智能手機無線充電系統的設計，該系統以德州儀器生產的BQ500212A和BQ51221芯片作為無線信號發射和接收端控制芯片，并配以諧振網絡模塊、高頻逆變電路模塊等，構成了一個一體化的智能手機充電系統。在具體論述中，詳細闡述了系統的基本結構、需求分析、主電路模塊和無線充電模塊設計流程，最后，通過實驗法論證了該系統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

1.引言

近年來，針對智能手機的無線充電技術研究，已逐漸成為手機產品研發行業的研究焦點。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中，信號發射和接收控制模塊是核心部件，目前，市面上已經應用的智能手機無線充電產品中，配備的信號發射和接收控制模塊大多采用傳統晶體振蕩芯片、電感線圈等構成，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的BQ5系列專用無線電源控制芯片為核心，設計了一種高精度、低功耗智能手機無線充電系統。

2.系統主要結構及需求分析

2.1系統主要結構

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

2.2設計需求分析

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

3.系統主電路模塊設計

3.1高頻逆變模塊設計

高頻逆變模塊，是本系統發射端的主要模塊。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三大類。首先，半橋逆變電路形式簡單，元件數量較少，制造成本低廉，但存在輸出效率較低的缺陷，不適合本系統要求設計效率高的需求。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，會引發電路變換效率下降，也與本系統的設計需求不相符。最后，全橋逆變電路輸出效率高，功率密度大，且容易實現軟開關控制。綜合對比，本系統選用全橋逆變電路作為高頻逆變模塊。

3.2諧振網絡模塊設計

諧振網絡模塊，是本系統發射端、接收端的主要部分，主要用于發射端和接收端之間信號的傳遞變換。結合本系統的設計要求，需要無線充電電路采用頻率控制來調整傳輸功率的大小，以此實現對系統精度、效率的控制，因此，系統的頻率大小應維持在恒穩的范圍內。目前，可用于諧振網絡電路設計的有串聯和并聯補償兩類電路形式，兩者相比，串聯諧振電路的工作頻率比較穩定，因此，本系統選用該種電路形式，構建諧振網絡模塊。

4.無線充電模塊設計分析

4.1發射端設計概述

本系統的充電發射端采用BQ500212A芯片為核心構建。BQ500212A是美國德州儀器公司制造的無線電源發送端控制芯片，功能特性為：（1）符合無線電源聯盟WPC1.1標準；（2）用于5V無線電源系統設計；（3）經過Qi認證；（4）采用48引腳，7mm*7mm四方扁平無引線（QFN）封裝。此外，該芯片的最大優點在于：能夠建立起持續監控網絡，適時詢問周圍環境中的WPC接收器件，如此一來，大大提升了發射和接收效率。

4.2接收端設計概述

本系統的充電接收端采用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計，最大的優點在于：效率高，功耗低，無線信號識別精度高。

5.無線充電系統整體設計與應用測試

5.1系統整體設計

基于發射和接收端設計概述，綜合高頻逆變、諧振網絡等模塊的設計思路，可將整個無線充電系統的電路控制框圖設計如圖1所示。

如圖1所示，本系統主要由發射端和接收端構成。實際工作時，發射端控制器BQ500212A根據接收端控制器BQ51221發送的通信信息，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，發射端便控制高頻逆變電路的頻率，發射輸出電能信號，該電能信號經過諧振處理后，傳遞到接收端，經過AC-DC變換、輸出電壓控制等過程，調整為符合智能手機充電的5V穩恒直流信號，對手機進行供電。

圖1　系統整體電路控制框圖

5.2輸出電壓測試

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

5.3待機功耗測試

當發射端與接收端不接觸時，進行系統待機功耗測試，結果顯示：發射端待機電壓為5.12V時，輸入電流為6.92mA，系統待機功耗為31.32mW。整體而言，功耗較低，符合預期設計要求。

6　結語

本文應用德州儀器的BQ5系列無線電源控制芯片，設計了一款適用于智能手機的無線充電系統。通過應用測試發現，該系統具有精度高、功耗低等優勢，且借助于BQ5芯片的持續監控網絡體系和智能識別控制，系統的工作效率十分高，完全能夠滿足一般智能手機的無線充電需求。當然，該系統也存在一些缺陷，例如，缺少充電數字指示功能和自適應功耗處理功能等，都有待在今后的設計中進一步優化。

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