基于FPGA的WPC标准无线充电器接收器解决方案

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作者：Louis Tang，飞兆半导体

摘要：

随着无线充电器技术的蓬勃发展，以及越来越多的智能手机用户被各种充电电缆所困扰，方便易用的无线充电器将被普遍接受和采用。尽管目前有三种不同的无线充电器标准，但WPC Qi标准更常用于智能手机应用。本文将介绍基于FPGA解决方案的无线充电器接收器系统的架构。无线充电器接收器严格遵循最新的WPC Qi标准。接收器系统包含一个模拟模块和一个FPGA模块。模拟模块由分立式组件组成，包括全桥整流器模块、V/I检测和AD控制模块以及DC-DC模块。FPGA模块充当数字内核，其内嵌通信模块、控制模块、计算模块和收发器模块。它使用Verilog语言和状态机对FPGA编程。最后，通过测试和验证，无线充电器接收器在多个主要OEM的无线充电器发射器上工作极佳。

1. 背景

随着无线充电器技术的蓬勃发展，以及越来越多的智能手机用户被各种充电电缆所困扰，方便易用的无线充电器将被普遍接受和采用。目前有三种不同的无线充电器标准：WPC (Qi)、PMA和A4WP。WPC Qi标准更常用于智能手机应用。现在，许多智能手机OEM已推出支持WPC标准的无线充电器解决方案。本文将重点介绍WPC标准的无线充电器接收器解决方案，及其与基于FPGA的详细系统架构的关系。

2. WPC标准概述

WPC Qi标准提供无线充电器系统的详细说明，包括通信和传输协议。功率始终从充电板传输至移动设备。充电板包含一个称为功率发射器（由主线圈组成）的子系统，而移动设备包含一个称为功率接收器（由次级线圈组成）的子系统。

图1说明了基本系统配置。如图所示，功率发射器由两个主要功能单元组成，即功率转换单元和通信与控制单元。 控制与通信单元将转换的功率调节至功率接收器请求的水平。功率接收器则由一个功率拾取单元和一个通信与控制单元组成。

功率接收器位于手机端，因此接下来将主要介绍功率接收器系统，并说明基于FPGA的无线充电器接收器解决方案。

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图1：基本系统配置

3. 基于FPGA的功率接收器系统概述

根据WPC Qi标准，功率接收器系统将包含一个功率拾取单元和一个通信与控制单元。示例中将详细介绍一个完全满足WPC Qi标准要求的接收器解决方案。 图2显示基于FPGA的功率接收器系统的架构。

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图2：系统架构

如图2中所示，接收器系统包含两个子系统，一个是模拟模块，另一个是数字模块。模拟模块由分立式器件组成，包括全桥整流器模块、V/I检测和AD控制模块、通信模块和DC-DC模块。数字模块内置在FPGA中，使用Verilog语言编写程序。数字内核模块可分为三个主要子模块： 第一个是通信和PWM控制模块，第二个是计算模块，第三个是Rx和Tx（接收器和发射器）模块。下面更为详细地介绍了这些模块。

4. 模拟模块

次级线圈是模拟模块的供电来源；主线圈和次级线圈组成一个完整的无芯谐振变压器。通过电磁耦合，交变磁场将在次级线圈产生交流电源，然后全桥整流器将交流转换为直流。图3显示部分模拟模块的原理图。

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图3：部分模拟模块的原理图

4.1 全桥整流器

在此解决方案中，FAN156 (U10)比较器、FDMA8878（M1、M2、M3、M4）N沟道MOSFET、FAN7085和FAN3180（U2、U3、U4、U5）MOSFET驱动器组成全桥整流器。FAN156器件的输出信号直接馈入FPGA，然后FPGA向全桥整流器提供控制信号H1、L1、H2和L2。

FAN156比较器用于检测线圈两端的极性。如原理图中所示，如果线圈+为正极，线圈-为负极，则FAN156比较器向FPGA提供“H”信号。类似地，如果线圈+为负极，而线圈-为正极，则FAN156比较器向FPGA提供“L”信号。然后PWM控制模块将根据这些输入提供输出。从全桥整流器角度来看，如果线圈+为正极，线圈-为负极，则N沟道MOSFET的M1和M4应导通，而M2和M3应关断。类似地，如果线圈+为负极，线圈-为正极，则N沟道MOSFET的M2和M3应导通，而M1和M4应关断。这样就构成一个整流循环，在M1和M4打开与M2和M3闭合之间或M2和M3打开与M1和M4闭合之间应存在死区时间。这是因为有一个潜在风险，例如，当FPGA发送指令使M1和M4导通时，同时M2和M3也导通并将关断，因此M1和M2将构成一个低阻抗路径。应避免这种情况。需要死区时间以确保M2在M1导通之前关断。在此解决方案中，可在FPGA PWM控制模块中添加死区时间。图4说明了PWM控制模块的时序图。 请注意，“1”指逻辑“H”，“0”指逻辑“L”，FAN7085为负逻辑。

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图4：PWM控制模块时序图

4.2 V/I检测和AD控制模块

V/I检测和AD模块负责电压和电流数据采集，这些参数对于FPGA控制模块至关重要。在此解决方案中，10位ADC（U8、U9）、差分放大器(U6)和FAN4931器件(U7)组成V/I检测和AD控制模块。一个20毫欧精密电阻用于检测电流，差分放大器则放大该精密电阻上的压降。例如，将差分放大器设置为100 V/V增益，且ADC的参考电压为2.5 V，因此可检测到的最大电流为1.25 A，并且理论精度小于2 mA。

精密分压电阻R9和R10用于检测整流DC电压Vrec；如果R9=75 K且R10=24.9 K（如原理图中所示），由于ADC的参考电压为2.5 V，因此最大可检测电压为10 V，理论精度小于10 mV。FAN4931器件用作电压跟随器，以实现ADC和电阻分压器之间的阻抗匹配。

ADC、CS和CLK的控制信号来自FPGA控制模块。其输出数据将馈入FPGA，计算模块将利用此数据计算收到的功率，而控制模块将利用此数据作为verilog程序的输入信号。

5. 数字模块

数字内核模块内置在FPGA中，其对功率接收器系统至关重要。

5.1 通信和PWM控制模块

WPC Qi标准从系统控制角度提供了功率传输阶段的详细说明。 从功率发射器到功率接收器的功率传输包含四个阶段：启动（选择）、ping、ID和C（识别和配置）以及PT（功率传输）。图5说明了这些阶段之间的关系。

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图5：功率传输阶段

WPC Qi标准还定义了功率传输阶段中的严格时序要求。根据这些要求，本文给出了状态机，包括九种不同状态，并且将根据此状态机编写FPGA控制模块程序。图6说明了控制模块状态机。

每次将接收器板置于无线充电器垫上时，控制程序将进入状态0。如果连接(ping)成功，接收器将进入充电状态。这样控制程序将保持在状态5和6中，控制模块将发出控制错误包以调节充电电流，还将发送接收的功率包以实施FOD（异物检测）功能。

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图6：控制模块状态机

5.2 计算和Rx及Tx模块

计算模块用于计算信号强度、控制错误和接收功率。在模拟模块中，ADC将向FPGA提供电压和电流信息，计算模块将获取信号强度、控制错误和接收的功率，并将其发送给Rx和Tx模块。

信号强度值可使用以下公式计算得出：

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其中，U是监控的变量，Umax是最大值，即功率接收器在数字ping过程中预期该变量所达到的值。 请注意，功率接收器应在U≥Umax时将信号强度值设置为255。此处使用整流电压Vrec作为U，ADC将向FPGA提供10位数字化电压，而FPGA将用其计算信号强度。

接收功率值可由下式计算得出：

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其中，最大功率和功率等级为配置包中包含的值，在低功率无线充电器应用中，最大功率应设置为10。按照WPC Qi 1.1.1版，功率等级应设置为0，这意味着功率接收器应向整流器输出提供– 5 W。请注意，此处公式2中的接收功率值不是实际值。应由下式转换：

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其中，如果接收功率值为128，则意味着接收功率为5 W。

所有这些算法都在FPGA中实施。

Rx和Tx模块使用来自计算模块的数据来处理数据包，并将这些数据包发送至功率发射器。WPC Qi标准定义了通信中的数据格式。在每次数据传输中，将传输一个数据包。一个数据包由一个用于位同步的前同步码（11位以上1）、指明数据包类型的一字节消息头、消息信息（1..27个字节）和一个校验和字节组成。一个数据字节为11位串行格式。此格式由一个位起始位、八个数据位、一个校验位和一个位停止位组成。起始位为零。数据位的顺序从最低有效位(LSB)优先。校验位为奇数，停止位为1。数据位采用差分双相码编码，其速度为2Kbps。数据格式如图 7中所示。

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图7：数据格式

6. 结论

通过测试和分析，演示板在主要OEM的无线充电器垫上运行良好。这表明系统稳定可靠，具有一些实用价值。图8显示了此解决方案用于在主要OEM的无线充电器垫上对手机充电。随着便携设备越来越普及，便利充电将成为不断增长的趋势，而无线充电可能是最佳选择。此解决方案采用一些分立式器件和一个FPGA，来验证Qi标准充电器接收器的设计，并对无线充电器接收器系统的架构和设计采用极高的技术参考值。随着无线充电器市场的发展，此方法可极轻松地集成到新的芯片中。

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图8：无线充电器垫上的无线充电