簡(jiǎn)介圍繞單片機(jī)控制的手機(jī)無線充電系統(tǒng)展開的畢業(yè)設(shè)計(jì)文檔面向電子信息、自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)學(xué)生與嵌入式初學(xué)者可用于課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)選題參考和無線供電方案入門。壓縮包內(nèi)僅含1個(gè)doc文件約1.19MB文件類型為Word文檔主體為完整畢業(yè)設(shè)計(jì)論文稿涵蓋中英文摘要、引言、無線電力傳輸原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、原理圖與軟件設(shè)計(jì)等章節(jié)并附發(fā)射與接收線圈原理圖、AD程序、紅外發(fā)送程序設(shè)計(jì)等附錄便于對(duì)照理解電磁感應(yīng)、電磁耦合共振、逆變電路、整流濾波、電壓檢測(cè)及紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)。已有105人學(xué)習(xí)適合需要梳理系統(tǒng)框架、硬件電路與單片機(jī)軟件流程的讀者參考也可作為答辯準(zhǔn)備和方案查漏補(bǔ)缺的文檔。1. 把手機(jī)往板子上一放就開始充電這套單片機(jī)無線充電系統(tǒng)里最難的部分不是線圈把手機(jī)往板子上一放就開始充電拆開外殼你會(huì)發(fā)現(xiàn)里面既沒有變壓器鐵芯也沒有任何機(jī)械觸點(diǎn)只有兩片銅箔線圈隔著一層塑料對(duì)望。很多人第一次做無線充電方案注意力全放在怎么把能量隔空送過去上線圈匝數(shù)、諧振電容、逆變頻率算了一遍又一遍真正讓樣機(jī)跑不起來的往往不是傳能效率而是那條從手機(jī)端繞回發(fā)射端的反向信息通道——沒有它發(fā)射端根本不知道對(duì)面有沒有手機(jī)、電池滿沒滿線圈只能一直盲目振蕩。這套基于單片機(jī)、靠電磁感應(yīng)傳能、用紅外把充電狀態(tài)回傳、再由繼電器決定通斷的無線充電系統(tǒng)值得研究的原因在它把供電這件事從開環(huán)變成了閉環(huán)。今天你手邊的無線充電產(chǎn)品內(nèi)部同樣有這一層控制邏輯只不過紅外換成了負(fù)載調(diào)制繼電器換成了 PWM 控制器。理解了這條閉環(huán)怎么搭起來再看任何一套無線充電方案你看到的就不再是兩塊板子加一個(gè)線圈而是一個(gè)能被拆開、被驗(yàn)證、也能被踩坑的完整系統(tǒng)。2. 傳能原理電磁感應(yīng)和磁耦合共振差的不只是一個(gè)電容無線充電經(jīng)常被講成兩個(gè)線圈靠近就能輸電這句話不算錯(cuò)但省略了最關(guān)鍵的一層靠近只是讓它能工作諧振才讓它能用。這兩件事在物理上是分開的混在一起講后面所有的電路參數(shù)都會(huì)跟著糊涂。2.1 把變壓器剖開近場(chǎng)磁感應(yīng)到底在傳什么先從最樸素的模型開始。閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)回路里會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小正比于磁通對(duì)時(shí)間的變化率取負(fù)ε -dΦ/dt這就是整套系統(tǒng)的物理底座。傳統(tǒng)變壓器把這個(gè)過程做到了極致初級(jí)次級(jí)共用一個(gè)高磁導(dǎo)率的閉合鐵芯磁路幾乎不漏耦合系數(shù)可以到 0.95 以上互感大、漏感小所以效率高、溫升低。而無線充電做的事本質(zhì)上就是把這只變壓器從中間剖開——鐵芯拿掉氣隙換成幾毫米的空氣加一層塑料外殼。這一步剖開性質(zhì)就變了?？諝獾拇艑?dǎo)率只有鐵芯的千分之一量級(jí)磁力線大量發(fā)散到周圍空間耦合系數(shù)掉到 0.20.5漏感迅速上升。漏感帶來的直接后果是初級(jí)線圈上加了電壓很大一部分電流消耗在建立漏磁場(chǎng)上沒有參與能量傳遞。這個(gè)電流就是勵(lì)磁電流它不做有用功卻實(shí)實(shí)在在流過開關(guān)管和線圈電阻變成熱。用一個(gè)更工程化的視角描述次級(jí)開路時(shí)次級(jí)感應(yīng)出的電壓大致是Voc ωMI?其中 M 是互感、ω 是角頻率。也就是說想傳更多功率要么加大互感線圈靠近、加大、加磁片要么提高頻率。前者受限于產(chǎn)品厚度和對(duì)位精度后者受限于開關(guān)損耗和器件能力——這套系統(tǒng)最后落在 514kHz就是在這兩股力量之間找的一個(gè)平衡點(diǎn)。2.2 諧振補(bǔ)償為什么必須讓 LC 在 514kHz 上共振光有互感還不夠。初級(jí)線圈是個(gè)大電感直接給它加方波電壓電流會(huì)嚴(yán)重滯后于電壓功率因數(shù)極低電源輸出的視在功率遠(yuǎn)大于實(shí)際傳遞的有功功率。解決辦法是在回路里串一個(gè)電容讓它在工作頻率上和線圈電感諧振。串聯(lián)諧振時(shí)容抗和感抗互相抵消回路阻抗只剩下線圈的直流電阻 R 和負(fù)載折算過來的等效電阻。此時(shí)回路電流不再受感抗限制理論上等于 U/R。諧振回路的品質(zhì)因數(shù) Q ωL/R 決定了電流被放大的倍數(shù)也決定了回路里流動(dòng)的無功電流有多大。拿這套系統(tǒng)的參數(shù)粗略估一下電感量 6.7μH 量級(jí)、頻率 514kHz感抗 ωL 大約是二十幾歐姆而實(shí)測(cè)線圈直流電阻是 5.8ΩQ 值在 34 之間。這個(gè) Q 不算高意味著諧振帶來的電壓/電流增益有限但好處是對(duì)頻率失諧不敏感——手工繞制的線圈電感量本來就散Q 太高反而容易翻車。次級(jí)回路做同樣的補(bǔ)償兩端都諧振就進(jìn)入了所謂磁耦合共振的范疇。這里有個(gè)容易被混淆的點(diǎn)近場(chǎng)磁感應(yīng)和磁耦合共振并不是兩種完全不同的物理機(jī)制后者是前者的一個(gè)特例——兩端都是高 Q 諧振體靠近場(chǎng)的倏逝波耦合能量只在同頻物體之間高效交換對(duì)頻率失諧極其敏感。工程上的區(qū)別體現(xiàn)在取舍上純感應(yīng)式耦合帶寬寬、容錯(cuò)高、距離短共振式距離能拉開一些但頻率一飄、線圈一偏效率斷崖式下跌。手機(jī)充電這種對(duì)位條件相對(duì)可控、距離要求只有幾毫米的場(chǎng)景走感應(yīng)式加補(bǔ)償電容的路線是更穩(wěn)的選擇。提示補(bǔ)償電容要選 CBB 薄膜電容或高頻特性好的型號(hào)普通瓷片電容在幾百 kHz、幾安培的諧振電流下容量漂移明顯溫升上去之后諧振點(diǎn)直接跑掉這是很多樣機(jī)剛上電正常、跑兩分鐘效率暴跌的真實(shí)原因。2.3 四條技術(shù)路線的分界與取舍把常見的幾種無線電力傳輸方式放在一張表里能更直觀地看出這套系統(tǒng)為什么走感應(yīng)式路線。方式傳輸介質(zhì)典型距離效率量級(jí)對(duì)位要求成本電磁感應(yīng)磁場(chǎng)近場(chǎng)毫米到厘米高高低磁耦合共振磁場(chǎng)近場(chǎng)諧振厘米到分米中高中中電場(chǎng)耦合電場(chǎng)極板間毫米級(jí)高、發(fā)熱低極高中微波諧振電磁波遠(yuǎn)場(chǎng)米級(jí)低低高電場(chǎng)耦合用兩塊金屬極板代替線圈體積小、發(fā)熱低但極板間距必須很窄而且高壓極板的安規(guī)處理麻煩微波方式類似廣播能量四散發(fā)射接收端只能撈到很小一部分對(duì)手機(jī)充電這種瓦級(jí)功率需求來說利用率太低。感應(yīng)式方案的短板是距離和對(duì)位但恰好手機(jī)的放置姿勢(shì)是被用戶習(xí)慣約束住的——只要線圈位置設(shè)計(jì)得讓用戶放上去就基本對(duì)齊這個(gè)短板就被場(chǎng)景消化掉了。3. 發(fā)射鏈路514kHz 全橋逆變與自舉驅(qū)動(dòng)怎么配合發(fā)射端的任務(wù)很單一把直流電變成 514kHz 的交流加到發(fā)射線圈上。但從直流到高頻交流這一步中間要跨過三個(gè)坎拓?fù)溥x型、驅(qū)動(dòng)電平、時(shí)序配合。任何一個(gè)沒處理好MOS 管不是不導(dǎo)通就是直通炸掉。3.1 頻率、功率、拓?fù)淙齻€(gè)參數(shù)是綁死的先看頻率怎么定。諧振頻率公式是f 1 / (2π√(L·C))反解出補(bǔ)償電容C 1 / ((2πf)2·L)可以看到電容值和頻率的平方成反比。假設(shè)目標(biāo)頻率從 514kHz 降到 100kHz同樣的線圈電感下補(bǔ)償電容要增大二十多倍從幾千皮法變成零點(diǎn)幾微法體積、耐壓、諧振電流承受能力全都跟著變差。這是頻率不能選太低的原因。頻率也不能無限往上堆。開關(guān)損耗和頻率成正比IRF6635 這類 MOSFET 的上升時(shí)間約 6ns、下降時(shí)間約 14ns、關(guān)斷延遲約 28ns在 514kHz周期約 1.95μs下這些時(shí)間占比很小還有余量再往上走驅(qū)動(dòng)能力和死區(qū)控制就開始吃緊了。功率定在 6W 量級(jí)對(duì)應(yīng) 5V/1A 左右的充電規(guī)格開關(guān)管選 IRF6635漏極連續(xù)電流 5.7A、標(biāo)稱耐壓 35V相對(duì) 12V 的母線電壓有足夠裕量。拓?fù)渖习霕蛑恍枰獌芍还茏拥敵龅骄€圈的電壓幅值只有母線電壓的一半接收端全橋整流后再掉兩個(gè)二極管壓降剩下的電壓不足以直接給電池充電必須再加一級(jí)升壓——這會(huì)把設(shè)計(jì)復(fù)雜度推高一個(gè)臺(tái)階。所以這里選全橋四只管子分成兩組對(duì)角導(dǎo)通負(fù)載兩端得到的電壓幅值等于母線電壓一輪下來就能滿足后級(jí)需求。全橋的工作過程可以這么記Q1 和 Q4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)電流從母線正極經(jīng) Q1、線圈、Q4 回到負(fù)極Q1/Q4 關(guān)斷、Q2/Q3 導(dǎo)通時(shí)電流反向。兩組交替線圈兩端就得到一個(gè)正負(fù)對(duì)稱的方波。關(guān)鍵在于同時(shí)兩個(gè)字——同一橋臂的上下管絕對(duì)不能同時(shí)導(dǎo)通那是直接把母線短路。3.2 自舉電容高端 MOS 的浮地電源從哪來全橋里最麻煩的不是低邊管是高邊管。低邊管的源極接地柵極驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)地抬到 1015V 就能導(dǎo)通高邊管的源極接在線圈一端隨著開關(guān)動(dòng)作在 0V 和母線電壓之間來回跳它的柵極必須相對(duì)這個(gè)跳動(dòng)的源極高出 10V 以上才能導(dǎo)通。也就是說高邊驅(qū)動(dòng)需要一個(gè)騎在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的浮動(dòng)電源。IR2110 解決這個(gè)問題的辦法是自舉。芯片內(nèi)部有一組浮動(dòng)電源引腳 VB 和 VS外部在 VB 和 VS 之間接一個(gè)自舉電容 Cboot再?gòu)碾娫?VCC 經(jīng)一個(gè)快恢復(fù)二極管接到 VB。工作過程分兩個(gè)階段第一低邊管導(dǎo)通時(shí)VS 被拉到地VCC 通過自舉二極管給 Cboot 充電電容兩端建立起接近 VCC 的電壓。第二低邊管關(guān)斷、高邊管準(zhǔn)備導(dǎo)通時(shí)VS 被抬到母線電壓由于電容兩端電壓不能突變VB 也跟著被抬到母線電壓之上此時(shí) Cboot 就充當(dāng)了高邊驅(qū)動(dòng)的浮動(dòng)電源。自舉二極管在這一刻反偏防止高壓倒灌回 VCC。這套機(jī)制有一個(gè)硬約束高邊管不能長(zhǎng)時(shí)間保持 100% 占空比。因?yàn)橐坏└哌呉恢睂?dǎo)通低邊就永不導(dǎo)通自舉電容沒有充電窗口電容上的電荷被高邊柵極一點(diǎn)點(diǎn)消耗掉VB 電壓慢慢跌落高邊管最終會(huì)退化成半導(dǎo)通狀態(tài)管耗急劇上升。常見的做法是把最大占空比限制在 90% 出頭留出足夠的充電時(shí)間自舉電容的容量按高邊管柵極電荷 Qg 估算一般取Cboot ≥ 2·Qg / (VCC - Vf - Vls)工程上 0.11μF 之間比較常見太小充不滿太大則充電時(shí)間長(zhǎng)、低邊導(dǎo)通損耗增加。注意自舉二極管必須用快恢復(fù)型普通整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在幾百納秒量級(jí)在 514kHz 下還沒等完全關(guān)斷高邊的反向電壓就追上來了會(huì)出現(xiàn)從 VB 到 VCC 的瞬間倒灌電流表現(xiàn)為芯片發(fā)熱、高邊波形抖動(dòng)。3.3 互補(bǔ)信號(hào)與死區(qū)4069 反相器撐起的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)的來源是一條很樸素的鏈路溫補(bǔ)晶振產(chǎn)生 514kHz 的穩(wěn)定方波峰值只有 5V經(jīng)一級(jí)放大后送進(jìn)驅(qū)動(dòng)芯片。這里有個(gè)細(xì)節(jié)值得停下來看晶振出來的方波要驅(qū)動(dòng)全橋的兩組橋臂需要一正一反兩路信號(hào)互斥、不能重疊。做法是把放大后的信號(hào)一路直接送到第一片 IR2110 的邏輯輸入另一路經(jīng)過 CD4069 反相器取反后送到第二片。反相器在這里不只是取反它順帶提供了死區(qū)。CD4069 的傳輸延遲在幾十納秒量級(jí)信號(hào)經(jīng)過它之后上升沿和下降沿都會(huì)比原信號(hào)晚一點(diǎn)這個(gè)延遲恰好讓兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)在切換瞬間出現(xiàn)一小段全關(guān)斷的窗口。IR2110 本身的開通延遲約 120ns、關(guān)斷延遲約 94ns關(guān)斷比開通快方向是對(duì)的但余量不算寬裕。在 514kHz 下半周期約 973ns幾十納秒的死區(qū)占比約 5%屬于能用但需要驗(yàn)證的范圍——實(shí)際調(diào)試時(shí)應(yīng)該用示波器雙通道同時(shí)看上下管的柵極波形確認(rèn)交疊區(qū)不存在。我還想指出這條鏈路里一個(gè)容易被忽略的問題。前端放大環(huán)節(jié)如果用的是通用運(yùn)放壓擺率往往跟不上。514kHz 方波的半周期不到 1μs5V 擺幅要求壓擺率至少在 5V/μs 以上而很多通用運(yùn)放的壓擺率只有 0.30.6V/μs差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)果就是本該是方波的信號(hào)被磨成了三角波邊沿變得很緩送到驅(qū)動(dòng)芯片后MOS 管在米勒平臺(tái)區(qū)停留時(shí)間變長(zhǎng)開關(guān)損耗顯著上升。常見的實(shí)現(xiàn)思路是改用比較器開環(huán)放大比較器的翻轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)快于運(yùn)放代價(jià)是輸出電平需要加上拉電阻匹配。這一處的器件選擇直接決定了整機(jī)的溫升。3.4 補(bǔ)償電容與線圈的聯(lián)合求解發(fā)射端的補(bǔ)償電容和線圈是一對(duì)必須聯(lián)合求解的參數(shù)不能分開定。步驟是這樣的先根據(jù)機(jī)械尺寸定下線圈測(cè)出電感量再根據(jù)目標(biāo)頻率反算電容最后校核諧振電流和電容耐壓。這套系統(tǒng)的線圈參數(shù)是內(nèi)徑 50mm、外徑 100mm、18 匝單面板 1 盎司覆銅、線寬 20mil發(fā)射接收兩個(gè)線圈間距 5mm。實(shí)測(cè)電感量在 6.7μH 量級(jí)原始文檔里單位標(biāo)注成 μF從物理量綱和后面的諧振計(jì)算看應(yīng)當(dāng)是 μH 級(jí)這個(gè)單位問題我在第 6 章會(huì)專門講。把頻率 514kHz 和電感量代入公式算出補(bǔ)償電容在十幾納法量級(jí)原始設(shè)計(jì)取的是 4700pF實(shí)測(cè)取值和公式計(jì)算之間存在偏差原因通常是電感測(cè)量時(shí)的引線電感、線圈分布電容以及測(cè)量頻率和實(shí)際工作頻率不一致。諧振狀態(tài)下流過電容的電流不是負(fù)載電流而是被 Q 值放大過的諧振電流。Q 取 34線圈里跑 700mA電容上承受的電流就可能到 2A 以上峰值電壓也會(huì)被抬升。所以補(bǔ)償電容的選型要看三個(gè)參數(shù)容量精度、額定電流、耐壓缺一不可。電解電容在這里完全不能用極性接反或者高頻下等效串聯(lián)電阻發(fā)熱都會(huì)直接炸。4. 接收鏈路從饅頭波到 4.2V 的每一步損耗接收端要把線圈上感應(yīng)出來的高頻交流一步步變成能灌進(jìn)鋰電池的穩(wěn)定直流。這條鏈路上每一級(jí)都在吃掉效率而手機(jī)端對(duì)體積的要求又不允許你堆料。理解每一級(jí)的取舍比記住電路圖更有用。4.1 為什么整流管必須是肖特基線圈感應(yīng)出來的交流頻率是 514kHz電壓不高可能只有幾伏到十幾伏。這個(gè)條件下整流器件的選擇非常有限。普通硅二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在微秒量級(jí)514kHz 的半周期不到 1μs意味著二極管還沒從導(dǎo)通狀態(tài)完全恢復(fù)反向電壓就加上了形成瞬間的直通電流損耗急劇上升器件發(fā)熱。肖特基二極管是多數(shù)載流子導(dǎo)器件幾乎沒有反向恢復(fù)過程開關(guān)速度快正向壓降也低——SS14 這類管子正向壓降在 0.5V 左右而普通硅管在 0.71V。在輸出電壓只有幾伏的場(chǎng)景里這 0.20.5V 的差距就是幾個(gè)百分點(diǎn)的效率。整流拓?fù)溥x全橋而不是半波。半波整流只利用半個(gè)周期輸出紋波大、濾波困難而且能量利用率只有一半全橋雖然同一時(shí)刻有兩只二極管串聯(lián)導(dǎo)通壓降翻倍到 1V 左右但兩個(gè)半周都用上了綜合下來更劃算。這里有個(gè)賬要算清楚假設(shè)整流后輸出 6V串聯(lián)兩個(gè)二極管吃掉的 1V 就是約 17% 的損耗這個(gè)比例不算小。想再往上提效率就得換同步整流——用低導(dǎo)通電阻的 MOS 管代替二極管把壓降降到幾十毫伏代價(jià)是增加驅(qū)動(dòng)電路和時(shí)序控制復(fù)雜度和成本都上去了。對(duì)于一個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)級(jí)別的樣機(jī)肖特基全橋是性價(jià)比最高的選擇。4.2 π 型濾波與 LDO給單片機(jī)留一路干凈電源全橋整流出來的不是平滑直流而是一串饅頭波——每個(gè)半周期一個(gè)鼓包脈動(dòng)很大。這種電源直接給充電電路用紋波會(huì)串進(jìn)電池長(zhǎng)期下來影響壽命給單片機(jī)用更不行ADC 采樣會(huì)被紋波污染判決全亂。濾波用的是 π 型結(jié)構(gòu)輸入端一個(gè)電容、中間一個(gè)電感或者電阻、輸出端再一個(gè)電容形狀像希臘字母 π。前級(jí)電容先把脈動(dòng)電壓削平一部分中間的電感阻擋高頻殘余后級(jí)電容再兜底三級(jí)下來紋波能壓到可接受范圍。電容選鉭電容而不是普通鋁電解原因是鉭電容的等效串聯(lián)電阻小、自身電感小、貼片封裝體積小在幾百 kHz 的殘余紋波下阻抗更低濾波效果更好而且接收板要貼在手機(jī)電池附近空間極其緊張?bào)w積是硬指標(biāo)。單片機(jī)和充電管理芯片的供電電壓不同需要再降一級(jí)。這里用的是 AMS1117-3.3 這類線性穩(wěn)壓器最大輸出 800mA壓差約 1.1V輸入 5V 輸出 3.3V 完全夠用。選 LDO 而不是開關(guān)電源是因?yàn)殚_關(guān)電源本身就是一個(gè)噪聲源在已經(jīng)有 514kHz 強(qiáng)干擾的環(huán)境里再引入一路高頻開關(guān)ADC 采樣精度會(huì)更糟。線性穩(wěn)壓器的代價(jià)是效率多余的壓差全變成熱但在幾百毫安的小電流下這個(gè)熱是可以接受的。4.3 充電管理與電壓檢測(cè)AD 采樣點(diǎn)選在哪鋰電池充電不是加個(gè)電壓就行標(biāo)準(zhǔn)流程是恒流恒壓兩階段電池電壓低時(shí)先恒流充電流控制在電池容量的 0.51C電壓升到 4.2V 后轉(zhuǎn)為恒壓電流逐漸減小當(dāng)電流降到設(shè)定值的十分之一左右判定為充滿。這套邏輯由專門的充電管理芯片完成單片機(jī)不直接參與充電過程只負(fù)責(zé)看和報(bào)?？吹姆绞绞?AD 采樣。采樣點(diǎn)有兩個(gè)選擇一是直接采電池正極電壓經(jīng)電阻分壓后送進(jìn) ADC二是采充電管理芯片的狀態(tài)指示引腳讀出高低電平。前者能拿到連續(xù)變化的電壓值可以判斷出正在充和快充滿了的區(qū)別后者只能拿到離散的狀態(tài)位信息量少但不受分壓精度影響。這套系統(tǒng)選的是前者因?yàn)橐尠l(fā)射端決定什么時(shí)候斷電必須知道電池是不是真的到了 4.2V而不是只看到一個(gè)充電完成的標(biāo)志。分壓電阻的取值有講究。阻值太大會(huì)導(dǎo)致 ADC 輸入阻抗不匹配采樣值偏低阻值太小則會(huì)在待機(jī)時(shí)持續(xù)消耗電池電量手機(jī)放一晚上電量掉一截用戶會(huì)認(rèn)為這個(gè)充電器有問題。常見的做法是取幾十千歐量級(jí)并在 ADC 輸入端加一個(gè)小電容濾掉采樣瞬間的毛刺。軟件上單次采樣不可信一般是連續(xù)采 8 次或 16 次去掉最大值最小值后取平均這一招在電源紋波大的場(chǎng)合幾乎是標(biāo)配。4.4 線圈幾何內(nèi)徑、外徑、匝數(shù)、間距的相互牽制線圈是整套系統(tǒng)里唯一沒有現(xiàn)成芯片可買的部件參數(shù)全靠自己定而定下來的每一個(gè)尺寸都會(huì)反過來影響電路。內(nèi)徑 50mm、外徑 100mm、18 匝這個(gè)尺寸對(duì)應(yīng)的是當(dāng)時(shí)主流智能手機(jī)的背板面積——線圈要貼在手機(jī)背面或者保護(hù)殼內(nèi)側(cè)不能超出機(jī)身輪廓。內(nèi)徑不能太小因?yàn)榇艌?chǎng)在中心區(qū)域最均勻內(nèi)徑太小會(huì)讓有效耦合面積縮水外徑也不能太大否則邊緣的匝數(shù)貢獻(xiàn)的磁通有限卻實(shí)實(shí)在在增加了銅損。銅損可以估算。18 匝、平均周長(zhǎng)約 236mm總長(zhǎng)約 4.24m1 盎司覆銅厚度 35μm線寬 20mil 約 0.5mm截面積約 0.018mm2銅的電阻率取 0.0172 Ω·mm2/m算下來直流電阻約 4Ω。實(shí)測(cè) 5.8Ω多出來的部分是焊點(diǎn)、引線和接觸電阻。想降低電阻常見做法是雙層并聯(lián)或者在線圈上補(bǔ)錫加厚但這套系統(tǒng)出于成本考慮用的是單面線圈。還有個(gè)高頻效應(yīng)要校核514kHz 下銅的趨膚深度約 91μm而覆銅厚度只有 35μm小于兩倍趨膚深度電流在厚度方向上分布還算均勻單面板不會(huì)因?yàn)橼吥w效應(yīng)被嚴(yán)重懲罰。如果頻率再高一個(gè)數(shù)量級(jí)就必須考慮用多股絞線或者加厚銅箔了。兩個(gè)線圈的間距定在 5mm中間隔著塑料外殼。間距每增加一點(diǎn)耦合系數(shù)就往下掉一截而且是指數(shù)式衰減但間距太小裝配公差和外殼形變會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)線圈摩擦、刮傷絕緣層。5mm 是在裝配可行性和耦合效率之間取的折中。另外一個(gè)常被低估的因素是橫向偏移線圈錯(cuò)開四分之一直徑耦合系數(shù)可能掉一半所以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上通常要做凹槽或者磁吸定位讓用戶放上去就基本對(duì)齊。5. 紅外閉環(huán)一塊 8051 怎么知道電充滿了前面所有的硬件本質(zhì)上都在解決怎么把電送過去。而這個(gè)系統(tǒng)被稱作智能充電靠的是另一條完全獨(dú)立于能量通道的信息通道手機(jī)端判斷自己的電池狀態(tài)用紅外把結(jié)論發(fā)回發(fā)射端發(fā)射端據(jù)此決定繼電器的通斷。5.1 狀態(tài)判決AD 值 → 充電階段 → 一個(gè)字節(jié)的指令接收端的單片機(jī)循環(huán)做三件事采樣電池電壓、判斷當(dāng)前處于哪個(gè)階段、把結(jié)果編碼成指令。階段劃分不需要很細(xì)三檔就夠用無負(fù)載線圈上沒檢測(cè)到有效電壓或者電池未接入、充電中電壓在上升但沒到滿電閾值、已充滿電壓達(dá)到 4.2V 并維持一段時(shí)間。加一個(gè)時(shí)間維度的確認(rèn)很有必要——單次采樣到 4.2V 就斷電報(bào)充滿可能是負(fù)載突變或者干擾導(dǎo)致的誤判連續(xù)若干次采樣都超過閾值再確認(rèn)穩(wěn)定性會(huì)好很多。指令本身只需要幾個(gè)字節(jié)一個(gè)引導(dǎo)碼、一個(gè)地址碼防止附近其他紅外遙控器誤觸發(fā)、一個(gè)數(shù)據(jù)碼、一個(gè)數(shù)據(jù)反碼用于校驗(yàn)。地址碼這一層在實(shí)驗(yàn)室里看著多余放到有電視遙控器、空調(diào)遙控器的真實(shí)環(huán)境里就是救命的設(shè)計(jì)——沒有地址過濾隔壁遙控器按一下你的充電器就斷電了。5.2 紅外時(shí)序38kHz 載波與脈寬編碼的底層紅外接收頭不是一個(gè)簡(jiǎn)單的光敏二極管它內(nèi)部集成了帶通濾波器和解調(diào)電路只對(duì) 38kHz 附近的調(diào)制信號(hào)有響應(yīng)輸出端給出的是已經(jīng)解調(diào)好的基帶波形。這么做的好處是環(huán)境光、白熾燈、太陽光這些直流或低頻干擾被硬件直接濾掉了。發(fā)射端要做的是把邏輯上的 0 和 1 變成有載波和無載波的時(shí)間組合。這類遙控器普遍采用的編碼方式是先發(fā)一個(gè) 9ms 的載波脈沖作為引導(dǎo)碼再發(fā) 4.5ms 的空閑然后開始傳 32 位數(shù)據(jù)。每一位由一段 0.56ms 的載波脈沖加上一段間隔組成間隔 0.56ms 表示 0間隔 1.69ms 表示 1。接收頭解調(diào)后輸出的是反相的基帶信號(hào)單片機(jī)只需要測(cè)量每個(gè)低電平的持續(xù)時(shí)間就能還原出 0 和 1。這個(gè)測(cè)量脈寬的過程對(duì)定時(shí)精度有要求。514kHz 的逆變器就在旁邊工作開關(guān)噪聲很容易耦合到紅外接收頭的電源和輸出腳上表現(xiàn)為邊沿抖動(dòng)、脈寬測(cè)量偏差。軟件上一般不會(huì)只測(cè)一次而是引導(dǎo)碼確認(rèn)、32 位收齊、地址碼比對(duì)、數(shù)據(jù)碼與反碼校驗(yàn)四道關(guān)卡都過了才認(rèn)為收到一幀有效指令物理上則是在接收頭的電源腳就近加去耦電容走線盡量遠(yuǎn)離線圈和功率回路。5.3 軟件實(shí)現(xiàn)主循環(huán)、外部中斷與發(fā)送時(shí)序接收端的發(fā)送邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單核心是把電池狀態(tài)映射成指令再按上面的時(shí)序把載波打出去。下面這段是發(fā)送部分的骨架用定時(shí)器產(chǎn)生 38kHz 載波用延時(shí)控制脈寬/* 接收端紅外指令發(fā)送骨架8051 內(nèi)核定時(shí)器0 產(chǎn)生 38kHz 載波 */ #define CARRIER_HALF 13 /* 12MHz 晶振13us 半周期 ≈ 38.5kHz */ #define BIT_MARK 560 /* 每位起始的載波時(shí)長(zhǎng)單位 us */ #define ZERO_SPACE 560 /* 邏輯 0 的空閑時(shí)長(zhǎng) */ #define ONE_SPACE 1690 /* 邏輯 1 的空閑時(shí)長(zhǎng) */ void ir_send_byte(unsigned char dat) { unsigned char i; for (i 0; i 8; i) { carrier_burst(BIT_MARK); /* 先發(fā) 0.56ms 載波作為位起始 */ if (dat 0x01) delay_us(ONE_SPACE); /* 位 1長(zhǎng)空閑 */ else delay_us(ZERO_SPACE); /* 位 0短空閑 */ dat 1; /* NEC 協(xié)議低位先發(fā) */ } } void ir_send_frame(unsigned char addr, unsigned char cmd) { carrier_burst(9000); delay_us(4500); /* 9ms 引導(dǎo) 4.5ms 空閑 */ ir_send_byte(addr); /* 地址碼用于過濾鄰近遙控器 */ ir_send_byte(~addr); /* 地址反碼硬件級(jí)校驗(yàn) */ ir_send_byte(cmd); /* 數(shù)據(jù)碼0充電中1已充滿 */ ir_send_byte(~cmd); /* 數(shù)據(jù)反碼 */ carrier_burst(BIT_MARK); /* 結(jié)束位 */ }carrier_burst()內(nèi)部打開定時(shí)器讓 IO 口以 38.5kHz 翻轉(zhuǎn)指定微秒數(shù)后關(guān)閉delay_us()用空循環(huán)實(shí)現(xiàn)精度受中斷影響所以發(fā)送期間要關(guān)掉其他中斷。參數(shù)上最關(guān)鍵的是CARRIER_HALF它決定了載波頻率是否落在接收頭帶通濾波器的中心——偏太多接收頭的輸出幅度會(huì)明顯下降通信距離縮短。12MHz 晶振下 13μs 半周期對(duì)應(yīng) 38.46kHz與常見的 38kHz 接收頭匹配良好。發(fā)射端則是反向過程紅外接收頭的輸出接單片機(jī)的外部中斷 0配置成下降沿觸發(fā)。每來一個(gè)下降沿中斷服務(wù)程序記錄定時(shí)器當(dāng)前值和上一次記錄值相減得到剛剛那個(gè)低電平的寬度再查表判斷是引導(dǎo)碼、邏輯 0 還是邏輯 1。收齊 32 位后置一個(gè)標(biāo)志位主循環(huán)檢測(cè)到標(biāo)志位再做校驗(yàn)和動(dòng)作。/* 發(fā)射端外部中斷0 測(cè)量脈寬還原位數(shù)據(jù) */ void ext0_isr(void) interrupt 0 { unsigned int now read_timer0(); /* 讀當(dāng)前計(jì)數(shù)值 */ unsigned int width now - last_edge; /* 與上次邊沿的時(shí)間差 */ last_edge now; if (width 8000) { /* 8ms 以上判定為引導(dǎo)碼 */ bit_cnt 0; data_acc 0; return; } if (bit_cnt 32) return; /* 超出 32 位丟棄 */ data_acc 1; if (width 1000) /* 1.12ms 以上判為邏輯 1 */ data_acc | 0x8000; bit_cnt; if (bit_cnt 32) frame_ready 1; /* 一幀收齊交給主循環(huán)處理 */ }這里把判決閾值放在 1000μs是取 0.56ms 和 1.69ms 的中點(diǎn)略偏上的位置容忍 ±30% 的脈寬抖動(dòng)。定時(shí)器要配置成不自動(dòng)重載的連續(xù)計(jì)數(shù)模式否則每次溢出都會(huì)把差值算錯(cuò)這個(gè)坑我在第 6 章會(huì)展開。主循環(huán)的邏輯就簡(jiǎn)單了檢測(cè)到frame_ready校驗(yàn)地址碼和反碼通過則取出命令字節(jié)命令是已充滿就拉低繼電器控制腳切斷發(fā)射線圈的直流供電命令是充電中則保持繼電器吸合。發(fā)射端單片機(jī)在這一過程中不參與任何能量控制只做一個(gè)開關(guān)決策者。5.4 繼電器放在發(fā)射端是一個(gè)安全選擇繼電器為什么放發(fā)射端而不是接收端從功能上看兩邊都能切斷充電但含義完全不同。放在接收端斷的是已經(jīng)送到手機(jī)上的電發(fā)射端還在滿功率振蕩線圈還在發(fā)熱只是能量沒人接收。空載狀態(tài)下的串聯(lián)諧振回路阻抗極低電流只受線圈電阻限制可能比帶載時(shí)還大長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行線圈溫度會(huì)升得很高。放在發(fā)射端斷的是能量源頭繼電器一松逆變電路直接失電線圈上什么都沒有整機(jī)進(jìn)入真正的待機(jī)狀態(tài)。另外一個(gè)現(xiàn)實(shí)原因是功耗。接收端如果要用繼電器切斷電池供電路徑繼電器線圈本身就要耗電而它恰恰是在電池已經(jīng)充滿、需要省電的時(shí)候工作邏輯上很別扭。發(fā)射端由市電供電多一路繼電器線圈的功耗無所謂。繼電器本身也有代價(jià)機(jī)械觸點(diǎn)壽命有限、動(dòng)作時(shí)有聲音、體積大。用 MOS 管做固態(tài)開關(guān)更安靜、更快但需要額外的驅(qū)動(dòng)和隔離。這套系統(tǒng)選擇繼電器看中的是它的徹底性——物理斷開沒有漏電流也沒有關(guān)不斷的風(fēng)險(xiǎn)。6. 避坑與排查這套系統(tǒng)最容易翻車的五個(gè)地方硬件調(diào)試和軟件調(diào)試最大的區(qū)別是軟件出錯(cuò)有報(bào)錯(cuò)信息硬件出錯(cuò)只有一個(gè)現(xiàn)象——不工作或者發(fā)熱。下面這五條是這類系統(tǒng)調(diào)試時(shí)最常撞上的。6.1 高邊波形塌了自舉電容沒有充電窗口現(xiàn)象低邊管的柵極波形干凈漂亮高邊管的柵極波形一開始正常幾百毫秒后幅度逐漸下降最后變成一條貼著源極電位的直線同時(shí)高邊管溫度快速上升。原因高邊驅(qū)動(dòng)依賴自舉電容在低邊導(dǎo)通期間充電。如果程序里給的占空比接近 100%低邊管幾乎沒有導(dǎo)通時(shí)間自舉電容只出不進(jìn)電壓被高邊柵極電荷一點(diǎn)點(diǎn)抽干最終不足以維持導(dǎo)通。另一種可能是自舉二極管選錯(cuò)用了慢恢復(fù)的整流管在高頻下反向漏電電容充不滿。解決把最大占空比限制在 90% 左右確保每個(gè)周期都有充電窗口自舉二極管換成快恢復(fù)型用示波器同時(shí)看 VB 和 VS 兩點(diǎn)的電壓差正常應(yīng)該在 10V 以上且平穩(wěn)如果看到鋸齒狀的緩慢下降就是充電不足的典型特征。6.2 驅(qū)動(dòng)波形變成三角波運(yùn)放擺率和頻率不匹配現(xiàn)象晶振輸出端測(cè)到的是規(guī)整方波經(jīng)過放大級(jí)之后邊沿變得很緩波形頂部還被削平MOS 管在開關(guān)瞬間發(fā)熱明顯效率比預(yù)期低一截。原因放大級(jí)用的運(yùn)放壓擺率不夠。514kHz 方波的半周期不到 1μs要在這么短的時(shí)間內(nèi)完成 5V 的電壓跳變壓擺率至少要 5V/μs通用運(yùn)放的壓擺率往往只有 0.30.6V/μs輸出跟不上輸入的變化方波就被磨成了三角波。MOS 管在米勒平臺(tái)區(qū)停留的時(shí)間因此變長(zhǎng)這段時(shí)間里管子同時(shí)承受高電壓和大電流損耗全部變成熱。解決換用比較器做開環(huán)放大比較器的翻轉(zhuǎn)速度在納秒量級(jí)邊沿陡峭或者選用高壓擺率的專用驅(qū)動(dòng)芯片。換完之后重新測(cè)一次柵極波形上升沿應(yīng)該在幾十納秒內(nèi)完成。6.3 電感量測(cè)出來差一個(gè)數(shù)量級(jí)單位和諧振點(diǎn)現(xiàn)象按實(shí)測(cè)電感量代入公式算出的補(bǔ)償電容裝上去之后諧振點(diǎn)完全不對(duì)線圈電流遠(yuǎn)小于預(yù)期或者大得離譜導(dǎo)致管子過流保護(hù)。原因電感量的單位被弄混了。6.7μH 和 6.7mH 差了三個(gè)數(shù)量級(jí)代入C 1/((2πf)2L)之后算出的電容值也差三個(gè)數(shù)量級(jí)。另一層原因是測(cè)量條件用電橋在 1kHz 下測(cè)的電感量和 514kHz 下的實(shí)際等效電感并不完全相同線圈的分布電容、鄰近效應(yīng)都會(huì)讓高頻下的等效值偏移。解決測(cè)量時(shí)把頻率設(shè)到接近工作頻率測(cè)量前把線圈按實(shí)際裝配位置固定好線圈之間的距離、背后有沒有金屬或磁片都會(huì)顯著改變電感量算完電容后不要一次焊死先用可調(diào)電容或者多個(gè)電容并聯(lián)試出諧振點(diǎn)再用固定電容替換。6.4 沒放手機(jī)也發(fā)燙空載諧振電流失控現(xiàn)象板子通電上面什么都沒放幾分鐘后發(fā)射線圈和開關(guān)管明顯發(fā)熱輸入電流比帶載時(shí)還大。原因串聯(lián)諧振回路在諧振頻率上的阻抗極低只有線圈的直流電阻。沒有接收端吸收能量時(shí)這部分電流全部消耗在線圈電阻和開關(guān)管導(dǎo)通電阻上Q 值越高空載電流越大。這也是無線充電器必須有負(fù)載檢測(cè)的根本原因——不是為了省電是為了不讓它自己燒自己。解決加負(fù)載檢測(cè)機(jī)制。這套系統(tǒng)用的是紅外閉環(huán)接收端檢測(cè)到有效電壓后才發(fā)充電中指令發(fā)射端收到指令才閉合繼電器超過設(shè)定時(shí)間沒收到指令自動(dòng)斷開。另一種思路是在發(fā)射端檢測(cè)輸入電流或者線圈電壓的相位變化空載和帶載時(shí)諧振點(diǎn)會(huì)偏移相位差能反映出來。后一種不需要額外的通信通道但檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)難度更高。6.5 繼電器亂跳紅外在開關(guān)噪聲里誤碼現(xiàn)象充電過程中繼電器時(shí)不時(shí)啪地?cái)嚅_又吸合手機(jī)充電斷斷續(xù)續(xù)把手機(jī)拿遠(yuǎn)一點(diǎn)或者用手擋住紅外接收頭現(xiàn)象反而消失。原因514kHz 的逆變回路是一個(gè)強(qiáng)干擾源開關(guān)瞬間的 dv/dt 和 di/dt 會(huì)通過空間耦合和電源線傳導(dǎo)到紅外接收頭上。接收頭內(nèi)部的帶通濾波器只對(duì) 38kHz 附近有效但強(qiáng)干擾會(huì)讓輸出端產(chǎn)生毛刺單片機(jī)誤判成有效邊沿如果程序沒有做完整的幀校驗(yàn)一兩個(gè)毛刺就能湊出一幀假數(shù)據(jù)。解決軟件上做三重確認(rèn)——引導(dǎo)碼時(shí)間窗口校驗(yàn)、地址碼比對(duì)、數(shù)據(jù)碼與反碼異或檢查三者全過才執(zhí)行動(dòng)作同時(shí)要求連續(xù)兩幀內(nèi)容一致才響應(yīng)單幀丟棄。硬件上把紅外接收頭的電源腳就近加 0.1μF 去耦電容輸出腳加 RC 低通接收頭的位置盡量遠(yuǎn)離線圈和功率回路必要時(shí)加一小片鋁箔或者磁屏蔽罩。7. 設(shè)計(jì)取舍這套土辦法為什么反而能跑通并值得細(xì)看把整套系統(tǒng)從頭到尾捋一遍會(huì)發(fā)現(xiàn)它幾乎沒有用什么先進(jìn)器件8051 內(nèi)核的單片機(jī)、IR2110 這種二十多年前的驅(qū)動(dòng)芯片、CD4069 反相器、紅外遙控的成熟編碼、機(jī)械繼電器。單看每一項(xiàng)都平平無奇但組合起來它把無線充電最難的幾件事都解決了而且是可解釋、可測(cè)量、可復(fù)現(xiàn)的解決。這里有幾處明顯的取舍值得停下來想。第一處是通信方式。用紅外傳狀態(tài)速率低、方向單一、怕遮擋看起來遠(yuǎn)不如現(xiàn)在的負(fù)載調(diào)制優(yōu)雅。但負(fù)載調(diào)制需要在接收端做阻抗切換通過反射阻抗的變化把信息頂回發(fā)射端檢測(cè)電路的信噪比要求很高紅外方案把信息通道和能量通道徹底解耦調(diào)試時(shí)你可以單獨(dú)用一個(gè)遙控器驗(yàn)證發(fā)射端邏輯是否正確這種可分離性在樣機(jī)階段極其寶貴。第二處是功率控制手段。繼電器笨重、有壽命限制、動(dòng)作有延遲但它斷得徹底不存在關(guān)不斷的隱患。用 MOS 管做固態(tài)開關(guān)響應(yīng)更快、更安靜可在幾百 kHz 的強(qiáng)干擾環(huán)境下驅(qū)動(dòng)電路的抗擾設(shè)計(jì)又是一輪新的坑。樣機(jī)階段選一個(gè)雖然土但一定管用的方案把不確定性留給更值得投入的地方這是一種很務(wù)實(shí)的工程判斷。第三處是頻率和控制精度的匹配。514kHz 不算高線圈 Q 值只有 34諧振峰很寬這意味著線圈繞得不太規(guī)整、電容選得不太精確系統(tǒng)仍然能工作。如果追求更高的傳輸距離把頻率提上去、Q 值拉高效率曲線會(huì)變得非常陡峭任何一點(diǎn)參數(shù)漂移都會(huì)讓系統(tǒng)掉出諧振點(diǎn)。工程上有一句話能容忍誤差的設(shè)計(jì)才是好設(shè)計(jì)。如果想驗(yàn)證這套系統(tǒng)是不是真的按你想的方式工作有幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)值得固定下來本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取