基于Microchip dsPIC33CK 的無線充電發(fā)射端參考設(shè)計

隨著近年來手機無線充電技術(shù)的進(jìn)步, WPC 不斷優(yōu)化的無線充電標(biāo)準(zhǔn)（從Qi v1.2.4 到 Qi v1.3），加上5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，支持無線充電的智能手機出貨量持續(xù)拉高。根據(jù) Strategy Analytics 發(fā)布的最新研究報告，到 2021 年底，具備無線充電功能的智能手機市場存量將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的 10 億部，由圖一我們看到配備無線充電智能手機的銷量在亞太地區(qū)最為強勁 —— 市場存量約占全球的 49%，其中中國占了大半份額。與此同時，北美的市場存量占 21%，西歐僅占 16%。

受手機終端市場的推動，應(yīng)用場景的多元化驅(qū)使了手機無線充電向汽車領(lǐng)域的滲透，車載無線 充電也因此應(yīng)運而生。目前國內(nèi)幾乎所有新上市的電動汽車都有支持 Qi?無線充電，傳統(tǒng)的燃油車 配置無線充電也逐漸從高端車型過渡到中低端車型，很多 Tier1 反饋說車載無線充電極有可能成為 今后汽車的一個標(biāo)準(zhǔn)件，由此看來車載無線充電擁有廣闊地前景。那么中國的車載無線充電在技術(shù) 領(lǐng)域?qū)頃尸F(xiàn)怎么的趨勢呢？下面筆者來談?wù)勛约旱南敕ǎ?nbsp;

大功率快充

首先國內(nèi)市場的車載無線充電將會支持大功率快充功能。無線充電聯(lián)盟（WPC）在2021 年8 月發(fā)布了最新的Qi 1.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了手機無線充電的發(fā)送端最大功率為 15W， 但是目前很多國產(chǎn)品 牌的手機都可以支持更大功率的無線充電，比如小米的 MIX4 支持50W 無線快充，榮耀的 Magic 3 Pro 配備了66W 的無線快充等等。而一輛配置 40/50W 的無線充電的汽車，半小時就可以幫你把手 機從低于 10%的電量充到接近 80%，這將會給客戶帶來極佳的用戶體驗。因為一般情況下，我們 的單程駕駛時間通常不超過 1 小時，而在這段時間內(nèi)，配置大功率的無線充電模塊幾乎可以將我 們的手機電池充滿。因此，將來國內(nèi)車廠對無線充電模塊的功能要求除了兼容 Qi 1.2.4/Qi 1.3 來支 持蘋果和三星手機外，對國產(chǎn)手機必須支持大功率快充的功能。

以上主要是從需求端來分析的， 從技術(shù)端來看，首先工信部在 2021 年2 月發(fā)布《無線充電 (電力傳輸)設(shè)備無線電管理暫行規(guī)定(征求意見稿)》，該規(guī)定為國內(nèi)無線充電提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)規(guī)定，目前我國手機無線充電最高功率為 50W。其次，國內(nèi)大功率無線快充技術(shù)日趨成熟，整個 無線快充供應(yīng)鏈生態(tài)也日趨完善。目前國內(nèi)的手機主要分為三大陣營：華為系、小米系和OPPO系。 其中，易沖跟華為系深度綁定，伏達(dá)跟小米是戰(zhàn)略合作， 也就是說如果要對華為系手機進(jìn)行無線 快充，你要去找易沖尋求方案；如果要做小米系手機的無線快充，伏達(dá)是最優(yōu)的選擇。當(dāng)然，無 論是伏達(dá)還是易沖，他們都拿到OPPO 的私有協(xié)議，都可以對 OPPO 系手機提供快充方案?，F(xiàn)在 伏達(dá)和易沖都有進(jìn)軍汽車領(lǐng)域，為汽車的 Tier1 提供無線快充的方案，所以無線快充在中國的汽車 領(lǐng)域已經(jīng)成熟了。 

Autosar 和功能安全

第二個技術(shù)趨勢是 Autosar 和功能安全。AUTOSAR 是AUTomotive Open Systems ARchitecture 的 縮寫，核心成員由歐洲、美國等大型 OEM 和頭部Tier1 組成，包括大眾、寶馬、博世、大陸等。 其意在定義一套標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子軟件架構(gòu)方案，以便應(yīng)用于不同的平臺，提高軟件復(fù)用，降低開 發(fā)成本。AUTOSAR 提倡的軟件分層、模塊化、接口的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于降低軟件的移植成本，提高 軟件的復(fù)用度，方便項目的更新迭代。目前國內(nèi)的整車廠絕大部分已經(jīng)開始按照 Autosar 的構(gòu)架來 開發(fā)整車的軟件，一些核心的零部件也需要遵循 Autosar 的要求，所以車載無線充電模塊將來也 極有可能需要滿足 autosar 構(gòu)架。 當(dāng)然了， 如果無線充電模塊支持完整的 autosar 構(gòu)架會增加系統(tǒng)的 成本，尤其是對主控 MCU 的flash 開銷會大幅增加，所以很多 Tier1 可能會采用一個折中 的方案也 就是先支持部分的 Autosar, 比如CAN 的通信部分軟件先按照 Autosar 的標(biāo)準(zhǔn)來。

AUTOSAR 還是一個符合 ISO26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)，最近幾年功能安全的呼聲也越 來越高了。如圖二， 在電動汽車?yán)?，BMS 需要滿足 ASIL-D 等級要求， headlight 需要滿足 ASIL-B 的 功能安全等級需求。無線充電模塊跟行車的安全關(guān)系不大，所以對功能安全的要求應(yīng)該不會太高， 基本上 ASIL-A/B 就應(yīng)該可以滿足整車廠的要求。跟 AUTOSAR 一樣，如果無線充電模塊需要滿足相 應(yīng)的功能安全等級要求，對系統(tǒng)成本，人力資源也會提出了不少額外的要求。由于現(xiàn)在國內(nèi)的 Tier1s 相當(dāng)部分都是面向全球的車企，所以對于功能安全的支持通常是國外的項目會首先要求支持，然后過渡到國內(nèi)的一些合資車廠（如上海大眾等），最后才會是本土的車廠。

NFC

NFC 全稱為 Near Field Communication，是一種近場無線通訊技術(shù)，使用該技術(shù)的設(shè)備可以在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前市面上的車載無線充電模塊除了極個別的高端車型外，其余的基本不帶 NFC 功能，但是這一局面很快就要改變。最初增加 NFC 功能的原因是為了防止無線 充電產(chǎn)生的充電磁場損壞你帶有 NFC/RFID 功能的卡（比如銀行卡、公交卡或者門禁卡等），但由 于增加了 NFC 功能，導(dǎo)致客戶在軟硬件上又增加了額外的成本，所以很多車廠在作了一番利弊權(quán) 衡 后，基本上都去掉了 NFC。但是隨著越來越多的智能手機增加了 NFC 功能后，集成了 NFC 功能 的無線充電模塊就會增加了 NFC 的應(yīng)用范圍，從而獲得整車廠的青睞。NFC 感應(yīng)功能可以用于手 機與車機互聯(lián)時進(jìn)行用戶認(rèn)證，還允許鎖定/解鎖車門并啟動發(fā)動機， 當(dāng)然 NFC 還可以完成座椅、 車內(nèi)氛圍燈調(diào)節(jié)、后視鏡位置的個性化設(shè)置，極大地提升了用戶體驗。最后，雙充或者多充也將成為將來的一個趨勢，目前 Tesla Model 3 已經(jīng)支持雙手機無線充 電，可以預(yù)測國內(nèi)的車廠應(yīng)該很快也會跟進(jìn)，無線雙充／多充將會勢不可擋。

以上所述的技術(shù)趨勢對無線充電的方案提出了許多新的要求。 首先是大功率，tier1s 需要從 手機廠拿到支持大功率充電的私有協(xié)議，然后把這個私有協(xié)議增加到現(xiàn)有的無線充電代碼中去， 這就要求所選的方案能夠開放源碼；其次關(guān)于功能安全和 Autosar，要求無線充電方案中主控 MCU/DSC 能夠提供支持功能安全（ISO26262）的開發(fā)包，具體包括主控芯片的安全手冊，F(xiàn)MEDA 報告和功能安全診斷性代碼庫；該芯片還必須支持 AUTOSAR, 可提供 MCAL 驅(qū)動庫，并且能夠提供 512k~1M Flash 空間。而對于 NFC 的支持，客戶除了在硬件上增加 NFC 芯片外，還需要在軟件上增 加 NFC 的協(xié)議代碼。最后針對雙充或者多充，需要主控芯片具有強大的 CPU 性能和外設(shè)功能，同 時能夠支持多個任務(wù)的實時處理，有些場合單核芯片可能滿足不了，需要雙核的芯片才能應(yīng)對。

Microchip Qi v1.3 15W 無線充電發(fā)送端參考設(shè)計

美國微芯科技（Microchip）的dsPIC33C 系列數(shù)字信號控制器（DSC）能夠很好地滿足車載 Qi 無 線充電應(yīng)用的挑戰(zhàn)。它提供 100 MIPS 支持 DSP 運算的CPU，CAN/CAN-FD 模塊, 280 ns 的高速 ADC， 250 ps 的數(shù)字電源專用PWM 模塊和 15 ns 的片上高速模擬比較器以及 12bit DAC, 完全滿足了無線 充電對主控 MCU 的需求，Microchip 可以提供開源的無線充電方案， 客戶可以自行加入無線快充的私有協(xié)議來支持大功率充電，還可以加入 NFC 軟件協(xié)議來支持 NFC 功能；dsPIC33C 系列芯片最大 Flash 容量可達(dá) 1 MB，可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的MCAL 驅(qū)動庫來支持 Autosar 的開發(fā);該系列還 提供單核（CK）和雙核（CH）的產(chǎn)品，以滿足客戶開發(fā)無線雙充或多充的需求；最后 dsPIC33C 系列芯片可以提供完整的功能安全（ISO26262）開發(fā)包, 包括安全手冊，F(xiàn)MEDA 報告， TUV 認(rèn)證過 的 ASIL-B/C 診斷性代碼庫和功能安全開發(fā)的應(yīng)用筆記等來支持客戶的功能安全開發(fā)。

車載無線充電的另一個挑戰(zhàn)是Qi 1.3 認(rèn)證，客戶通常需要花費 3-6 個月的時間來完成認(rèn)證。為 了幫助客戶降低開發(fā)成本，減少設(shè)計風(fēng)險和縮短開發(fā)時間，Microchip 在之前推出的 15W 兼容 Qi v1.2.4 規(guī)格的無線充電參考方案后，今年又推出了兼容最新Qi v1.3 標(biāo)準(zhǔn)的15W 無線充電發(fā)送端參 考設(shè)計，如圖三所示。

Microchip 最新兼容 Qi 1.3 標(biāo)準(zhǔn)的15W 多線圈無線充電發(fā)射端參考設(shè)計采用上述的 dsPIC33C系 列的數(shù)字信號控制器（DSC）為主控芯片，該 DSC 靈活的軟件架構(gòu)可以支持可靠的異物檢測（FOD），并能使你的設(shè)計成為一個高效的解決方案，支持專有的快速充電和加密認(rèn)證，以滿足 Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)。在適當(dāng)?shù)臈l款和條件下，Microchip 可為您提供設(shè)計文件和軟件源代碼，以方便你設(shè) 計時無縫連接，縮短開發(fā)周期。

該方案的主控是 dsPIC33C 系列數(shù)字信號控制器, 該芯片的特點以及在本設(shè)計中的主要功能如 下：

· 100 MIPS CPU 性能，F(xiàn)lash 容量從32K ~1 MB

· 可以提供單核（dsPIC33CK）和雙核（dsPIC33CH）的選擇

· 支持CAN/CAN-FD, 可以最多提供雙路 CAN-FD

· 軟件支持Qi 1.2.4或 Qi 1.3 協(xié)議

· 軟件可支持四開關(guān) buck/boost、CAN 通訊和加密認(rèn)證等等

· 采用MPA13 拓?fù)錁?gòu)架來提升 EMC/EMI 的性能

· 軟件方式實現(xiàn)數(shù)字解調(diào)來降低系統(tǒng)BOM

· 芯片通過AEC Q100 認(rèn)證

· 支持兼容功能安全 ISO26262 ASIL B/C 等級,提供功能安全開發(fā)包

· 支持AUTOSAR, 可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的 MCAL 驅(qū)動庫

這款設(shè)計采用了很多Microchip 的器件，包括 dsPIC33CK256MP506 主控芯片、ATECC608／ TA100 安全芯片，ATA6563 CAN 收發(fā)器以及其他一些 MOSFET 驅(qū)動芯片MIC4605/MCP14700 等 等，Microchip 正在大力推廣 15W Qi 無線充電的完整系統(tǒng)解決方案，如果你對 Microchip 的無線充 電方案感興趣，請發(fā)郵件至microchip@sac.com.hk或聯(lián)系大聯(lián)大品佳當(dāng)?shù)剞k事處。

?場景應(yīng)用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

? 可以提供單核（dsPIC33CK）和雙核（dsPIC33CH）的選擇

? 采用MPA13 拓?fù)錁?gòu)架來提升 EMC/EMI 的性能

? 軟件方式實現(xiàn)數(shù)字解調(diào)來降低系統(tǒng)BOM

? 芯片通過AEC Q100 認(rèn)證

? 支持兼容功能安全 ISO26262 ASIL B/C 等級,提供功能安全開發(fā)包

? 支持AUTOSAR, 可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的 MCAL 驅(qū)動庫

? 支持可靠的異物檢測（FOD）

?方案規(guī)格

? 軟件支持Qi 1.2.4或 Qi 1.3 協(xié)議

? 軟件可支持四開關(guān) buck/boost、CAN 通訊和加密認(rèn)證等等

? 100 MIPS CPU 性能，F(xiàn)lash 容量從32K ~1 MB

? 支持CAN/CAN-FD, 可以最多提供雙路 CAN-FD

? 280 ns 的高速 ADC， 250 ps 的數(shù)字電源專用PWM 模塊和 15 ns 的片上高速模擬比較器以及 12bit DAC