基于FPGA的無線充電器接收器系統(tǒng)的解決方案

　　本文將介紹基于FPGA的無線充電器接收器系統(tǒng)的解決方案。無線充電器接收器嚴(yán)格遵循最新的WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)。接收器系統(tǒng)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(dāng)數(shù)字內(nèi)核，其內(nèi)嵌通信模塊、控制模塊、計算模塊和收發(fā)器模塊。它使用Verilog語言和狀態(tài)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(fā)射器上工作極佳。

　　1. 背景

　　隨著無線充電器技術(shù)的蓬勃發(fā)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(biāo)準(zhǔn)：WPC （Qi）、PMA和A4WP.WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)更常用于智能手機應(yīng)用?，F(xiàn)在，許多智能手機OEM已推出支持WPC標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器解決方案。本文將重點介紹WPC標(biāo)準(zhǔn)的無線充電器接收器解決方案，及其與基于FPGA的詳細系統(tǒng)架構(gòu)的關(guān)系。

　　2. WPC標(biāo)準(zhǔn)概述

　　WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)提供無線充電器系統(tǒng)的詳細說明，包括通信和傳輸協(xié)議。功率始終從充電板傳輸至移動設(shè)備。充電板包含一個稱為功率發(fā)射器（由主線圈組成）的子系統(tǒng)，而移動設(shè)備包含一個稱為功率接收器（由次級線圈組成）的子系統(tǒng)。

　　圖1說明了基本系統(tǒng)配置。如圖所示，功率發(fā)射器由兩個主要功能單元組成，即功率轉(zhuǎn)換單元和通信與控制單元。 控制與通信單元將轉(zhuǎn)換的功率調(diào)節(jié)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(tǒng)，并說明基于FPGA的無線充電器接收器的解決方案。

　　圖1：基本系統(tǒng)配置

　　3. 基于FPGA的功率接收器系統(tǒng)概述

　　根據(jù)WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)，功率接收器系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的架構(gòu)。

　　圖2：系統(tǒng)架構(gòu)

　　如圖2中所示，接收器系統(tǒng)包含兩個子系統(tǒng)，一個是模擬模塊，另一個是數(shù)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(shù)字模塊內(nèi)置在FPGA中，使用Verilog語言編寫程序。數(shù)字內(nèi)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(fā)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(chǎn)生交流電源，然后全橋整流器將交流轉(zhuǎn)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，F(xiàn)AN156 （U10）比較器、FDMA8878（M1、M2、M3、M4）N溝道MOSFET、FAN7085和FAN3180（U2、U3、U4、U5）MOSFET驅(qū)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(jù)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(yīng)導(dǎo)通，而M2和M3應(yīng)關(guān)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(yīng)導(dǎo)通，而M1和M4應(yīng)關(guān)斷。這樣就構(gòu)成一個整流循環(huán)，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(yīng)存在死區(qū)時間。這是因為有一個潛在風(fēng)險，例如，當(dāng)FPGA發(fā)送指令使M1和M4導(dǎo)通時，同時M2和M3也導(dǎo)通并將關(guān)斷，因此M1和M2將構(gòu)成一個低阻抗路徑。應(yīng)避免這種情況。需要死區(qū)時間以確保M2在M1導(dǎo)通之前關(guān)斷。在此解決方案中，可在FPGA PWM控制模塊中添加死區(qū)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”，F(xiàn)AN7085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(zé)電壓和電流數(shù)據(jù)采集，這些參數(shù)對于FPGA控制模塊至關(guān)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(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)將饋入FPGA，計算模塊將利用此數(shù)據(jù)計算收到的功率，而控制模塊將利用此數(shù)據(jù)作為verilog程序的輸入信號。

　　5. 數(shù)字模塊

　　數(shù)字內(nèi)核模塊內(nèi)置在FPGA中，其對功率接收器系統(tǒng)至關(guān)重要。

　　5.1 通信和PWM控制模塊

　　WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)從系統(tǒng)控制角度提供了功率傳輸階段的詳細說明。 從功率發(fā)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(guān)系。

　　圖5：功率傳輸階段

　　WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)還定義了功率傳輸階段中的嚴(yán)格時序要求。根據(jù)這些要求，本文給出了狀態(tài)機，包括九種不同狀態(tài)，并且將根據(jù)此狀態(tài)機編寫FPGA控制模塊程序。圖6說明了控制模塊狀態(tài)機。

　　每次將接收器板置于無線充電器墊上時，控制程序?qū)⑦M入狀態(tài)0.如果連接（ping）成功，接收器將進入充電狀態(tài)。這樣控制程序?qū)⒈３衷跔顟B(tài)5和6中，控制模塊將發(fā)出控制錯誤包以調(diào)節(jié)充電電流，還將發(fā)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(tài)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(fā)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(jiān)控的變量，Umax是最大值，即功率接收器在數(shù)字ping過程中預(yù)期該變量所達到的值。 請注意，功率接收器應(yīng)在U≥Umax時將信號強度值設(shè)置為255.此處使用整流電壓Vrec作為U，ADC將向FPGA提供10位數(shù)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(yīng)用中，最大功率應(yīng)設(shè)置為10.按照WPC Qi 1.1.1版，功率等級應(yīng)設(shè)置為0，這意味著功率接收器應(yīng)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(yīng)由下式轉(zhuǎn)換：

　　其中，如果接收功率值為128，則意味著接收功率為5W.

　　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(shù)據(jù)來處理數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包發(fā)送至功率發(fā)射器。WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)定義了通信中的數(shù)據(jù)格式。在每次數(shù)據(jù)傳輸中，將傳輸一個數(shù)據(jù)包。一個數(shù)據(jù)包由一個用于位同步的前同步碼（11位以上1）、指明數(shù)據(jù)包類型的一字節(jié)消息頭、消息信息（127個字節(jié)）和一個校驗和字節(jié)組成。一個數(shù)據(jù)字節(jié)為11位串行格式。此格式由一個位起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個校驗位和一個位停止位組成。起始位為零。數(shù)據(jù)位的順序從最低有效位（LSB）優(yōu)先。校驗位為奇數(shù)，停止位為1.數(shù)據(jù)位采用差分雙相碼編碼，其速度為2Kbps.數(shù)據(jù)格式如圖 7中所示。

　　圖7：數(shù)據(jù)格式

　　6. 結(jié)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(tǒng)穩(wěn)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)充電器接收器的設(shè)計，并對無線充電器接收器系統(tǒng)的架構(gòu)和設(shè)計采用極高的技術(shù)參考值。隨著無線充電器市場的發(fā)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