智能手機無線充電系統通信方案設計研究

上饒職業技術學院電子系 邱 琳

智能手機無線充電系統通信方案設計研究

上饒職業技術學院電子系 邱 琳

本文對一種基于BQ5系列芯片的智能手機無線充電系統通信方案進行了設計，在具體的論述中，首先對該無線充電系統的整體電路結構進行了分析，其次側重探究了系統的信號調制方案、編碼通信方案以及電能傳輸通信方案三部分設計內容。該方案的設計與實現，能夠實現智能手機無線充電系統發射端和接收端之間的電能信號傳輸，對完善無線充電功能起到了至關重要的作用。

智能手機；BQ5芯片；無線充電系統；通信方案

1.系統整體概述

1.1 整體組成框架及工作原理

該智能手機無線充電系統電路主要由能量發射端和接收端兩個部分構成。首先，能量發射端的組成部分為：整流濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路、諧振網絡電路、控制檢測電路，具體的工作原理為：由整理濾波電路將220V的工頻交流信號轉換為5V恒穩直流信號，經DC-DC穩壓后輸入高頻逆變電路中，使5V直流信號轉換為100KHZ-300KHZ的高頻交流信號，進一步傳輸至諧振網絡產生電能感應耦合至接收端，而控制檢測電路則對整個發射端各環節的電壓值進行檢測反饋。其次，能量接收端的組成部分為：諧振網絡電路、AC-DC變換電路、檢測控制電路、通信信號調制電路，具體的工作原理為：接收端諧振網絡電路從發射端協整網絡傳遞的磁場信號中獲取高頻交流充電信號，通過AC-DC電路將高頻信號轉換為恒穩直流信號，再經過通信信號調制電路將恒穩直流信號調制為智能手機能夠識別的充電電能，實現對手機的充電。

1.2 主要電路模塊

基于系統的組成框架分析，該電路主要由發射電路模塊和接收電路模塊兩個部分構成。在具體的元器件選型中，發射電路模塊以德州儀器生產的BQ500212芯片為核心，該芯片具有無線信號發射功能，符合無線電源聯盟WPC1.1標準，能夠實現充電電信號的傳遞，此外還包含全橋逆變電路模塊、串聯諧振電路模塊、DC-DC電路模塊。接收電路模塊則以德州儀器生產的BQ51221芯片為核心，該芯片是一款無線信號接收器，同樣符合WPC1.1標準，能夠實現無線充電電信號接收和識別。

2.無線通信方案設計

2.1 信號調制方案

智能手機無線充電系統信號調制電路的功能在于：對接收端與發射端之間的電能信號進行編碼與解調，確保兩者之間正常的電通信。在具體的方案設計中，本系統采用電阻幅值調制方案，方案思路為：在接收端整流濾波電路上并聯一個電阻和開關管，而開關管的導通與截止狀態由調制信號控制，開關管截止時，系統的諧振幅度更低，開關管導通時，系統的諧振幅度更高，系統諧振幅度的變化則是通過開關管狀態的切換實現的，其核心為：開關狀態變化過程中，系統的品質因數發生變化，導致諧振幅值變化，最終使發射端線圈內部的電流大小發生改變，實現幅值調整的目的。經過調整后的電信號即可傳輸給接收端，以下為系統信號調制電路的原理圖如圖1所示。

采用電阻調制方案控制無線充電信號，具有成本低廉，電路結構簡單，元器件較少等優點，此外該電路在實際工作時，只需要通過外加信號實現對開關管的控制，即可完成信號的編碼與調制功能，可謂操作便捷。

圖1 電阻幅值調制電路

2.2 編碼通信方案

編碼通信也是本無線充電系統中的重要環節，具體到系統的設計中，需要重點考慮兩方面編碼通信方案，分別是位編碼方案和數據包編碼方案。首先，接收端與發射端之間的電能信號是以位數據的形式完成的，并采用差分雙相編碼的方法，因此在位信號的調制傳輸過程中，要保證發射端發送的每一位電能信號都與系統內部時鐘周期的上升沿對應，在具體的方案設計中，需要考慮到本系統采用的BQ5發射和接收芯片內部時鐘頻率為2KHZ，在此基礎上設計一個位脈沖發生電路，用于位編碼通信的實現。其次，多個位編碼信號疊加會形成一個電能數據包，而一個數據包則由前導、報頭、數據信息和校驗信息4個部分構成，為使發射端發射出的電能數據包信息能夠被接收端有效識別，需要設計妥善的數據包編碼方案，而本系統的具體方案為：（1）發射端對3-4個前導信號進行檢測；（2）發射端對校驗信息和報頭信息進行檢測；（3）接收端對前導信號、校驗信息和報頭信息量進行計算，以判定發射端傳輸的數據是否與接收端接收到的數據一直，如果有任何一條不符，則該條數據包被立即丟棄，重新檢驗下一組數據包信息。

2.3 電能傳輸通信方案

本無線充電系統工作時，還包含電能傳輸的通信過程，具體來說包含電能信息識別配置以及電能信息控制傳輸兩個環節，對每個環節制定科學的通信方案，是保證發射端與接收端信號能夠進行有效傳遞的基礎。首先，電能信息識別配置通信方案。以發射端持續發送170KHZ高頻信號為檢測信號，對接收端的電能信號進行識別配置，倘若接收端接收到的電能與發射端發送的高頻信號頻率一致，則證實發射端與接收端之間傳輸的電能處于同一波段，兩者之間的電能信號處于互相可識別的狀態，在此基礎上進行兩者之間電能信號的雙向傳遞。其次，電能信息控制傳輸通信方案。發射端向接收端發送三類電能數據包，分別為誤差控制數據包、電能接收功率包和信號終止傳輸包，接收端對三類數據包進行接收和識別，判斷發射端發送的數據包是否正確無誤，倘若出現誤差，接收端便通過誤差控制數據包將差錯信息反饋回發射端，進行及時的調整完善，如果信號誤差范圍過大，以至于不能調整完善，則激活信號終止傳輸包，終止兩者之間的信號傳遞。此外，電能接收功率包能夠對充電電功率的達標情況進行判定，以便保證系統充電電能維持在有效范圍之內。

3.結語

智能手機無線充電系統的通信方案，是整個系統充電信號傳輸的基礎，該方案是否科學有效將直接關系到整個系統工作的連續性。本文所分析的信號調制通信、編碼通信和電能傳輸通信方案，對于智能手機無線充電系統通信體系的設計有著積極的理論參考價值，但鑒于智能手機無線充電系統仍為一個新穎的研究領域，本文所提出的設計方案亦未能用于實踐檢驗，因此，相關的后續研究仍有待進一步深入。

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