基于FPGA的无线充电器接收器系统的解决方案（2） 解决方案, 充电器, 接收器, 放大器, 无线

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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。

　　

　　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。

　　

　　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：

　　

　　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：

　　

　　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：

　　

　　其中，如果接收功率值为128,则意味着接收功率为5W.
　　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（127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。

　　

　　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。