基于BQ控制芯片的智能手机无线充电系统设计

上饶职业技术学院 傅 康

基于BQ控制芯片的智能手机无线充电系统设计

上饶职业技术学院 傅 康

本文探究了一种智能手机无线充电系统的设计，该系统以德州仪器生产的BQ500212A和BQ51221芯片作为无线信号发射和接收端控制芯片，并配以谐振网络模块、高频逆变电路模块等，构成了一个一体化的智能手机充电系统。在具体论述中，详细阐述了系统的基本结构、需求分析、主电路模块和无线充电模块设计流程，最后，通过实验法论证了该系统应用于智能手机充电的实效性。

BQ控制芯片；智能手机；无线充电

1.引言

近年来，针对智能手机的无线充电技术研究，已逐渐成为手机产品研发行业的研究焦点。目前，市场上亦有一些智能手机支持无线充电，例如，诺基亚Lumia920、HTC 8X、三星Galaxy S6 Edge等。在智能手机无线充电系统中，信号发射和接收控制模块是核心部件，目前，市面上已经应用的智能手机无线充电产品中，配备的信号发射和接收控制模块大多采用传统晶体振荡芯片、电感线圈等构成，信号识别的能力较差，精度较低，且功耗较大。为有效解决上述问题，本文以美国德州仪器公司研发的BQ5系列专用无线电源控制芯片为核心，设计了一种高精度、低功耗智能手机无线充电系统。

2.系统主要结构及需求分析

2.1系统主要结构

本系统的主要结构包含两大部分，分别是能量发射端和能量接收端。首先，系统的能量发射端主要由整流滤波模块、DC-DC变换模块、谐振网络模块、高频逆变模块等构成。主要负责将220V的工频交流电经过整流滤波、DC-DC变换、高频逆变等处理后，变成200KHZ左右的高频交流信号，再传递给发射端的谐振网络，产生交变磁场散布于1-3m2的空间中。其次，能量接收端则主要由谐振网络、AC-DC变换模块、通信信号调制模块等构成。主要负责识别并获取发射端的电能信号，并将之转换为高频交流电，再经过AC-DC变换、整流、滤波、调制等过程处理后，转化为智能手机可识别的充电信号。

2.2设计需求分析

本系统的设计需求包含以下几个方面：（1）轻薄小巧，便于携带；（2）发射端输入220V工频交流电信号，接收端输出5V稳恒直流信号，额定输出电流值0.5A；（3）传输效率、精度要求高；（4）发射端与接收端表面不接触，或接收端没有输入信号时，经过10S后，系统自动进入低功耗待机状态；（5）不同的工作状态，有相应的指示灯显示。

3.系统主电路模块设计

3.1高频逆变模块设计

高频逆变模块，是本系统发射端的主要模块。目前，常见的高频逆变电路有全桥逆变、半桥逆变和推挽式逆变三大类。首先，半桥逆变电路形式简单，元件数量较少，制造成本低廉，但存在输出效率较低的缺陷，不适合本系统要求设计效率高的需求。其次，推挽式逆变电路的形式也比较简单，但由于电路中存在分相电感，导致制造成本增加，且由于电感铁损，会引发电路变换效率下降，也与本系统的设计需求不相符。最后，全桥逆变电路输出效率高，功率密度大，且容易实现软开关控制。综合对比，本系统选用全桥逆变电路作为高频逆变模块。

3.2谐振网络模块设计

谐振网络模块，是本系统发射端、接收端的主要部分，主要用于发射端和接收端之间信号的传递变换。结合本系统的设计要求，需要无线充电电路采用频率控制来调整传输功率的大小，以此实现对系统精度、效率的控制，因此，系统的频率大小应维持在恒稳的范围内。目前，可用于谐振网络电路设计的有串联和并联补偿两类电路形式，两者相比，串联谐振电路的工作频率比较稳定，因此，本系统选用该种电路形式，构建谐振网络模块。

4.无线充电模块设计分析

4.1发射端设计概述

本系统的充电发射端采用BQ500212A芯片为核心构建。BQ500212A是美国德州仪器公司制造的无线电源发送端控制芯片，功能特性为：（1）符合无线电源联盟WPC1.1标准；（2）用于5V无线电源系统设计；（3）经过Qi认证；（4）采用48引脚，7mm*7mm四方扁平无引线（QFN）封装。此外，该芯片的最大优点在于：能够建立起持续监控网络，适时询问周围环境中的WPC接收器件，如此一来，大大提升了发射和接收效率。

4.2接收端设计概述

本系统的充电接收端采用BQ51221芯片为核心器件。BQ51221也是由德州仪器公司研发制造，是一款无线电源接收器芯片，功能特性为：（1）符合WPC1.1和PMA双向无线标准；（2）无需额外有源器件供电；（3）相比传统的BQ5系列电源接收芯片，功耗降低50%；（4）外形轻薄，且在额定功耗下，芯片效率达到79%。BQ51222芯片能够应用于智能手机、平板电脑无线充电接收端设计，最大的优点在于：效率高，功耗低，无线信号识别精度高。

5.无线充电系统整体设计与应用测试

5.1系统整体设计

基于发射和接收端设计概述，综合高频逆变、谐振网络等模块的设计思路，可将整个无线充电系统的电路控制框图设计如图1所示。

如图1所示，本系统主要由发射端和接收端构成。实际工作时，发射端控制器BQ500212A根据接收端控制器BQ51221发送的通信信息，判定是否有智能手机放置于无线充电接收端表面，一旦检测到有智能手机放置于接收端表面，发射端便控制高频逆变电路的频率，发射输出电能信号，该电能信号经过谐振处理后，传递到接收端，经过AC-DC变换、输出电压控制等过程，调整为符合智能手机充电的5V稳恒直流信号，对手机进行供电。

图1　系统整体电路控制框图

5.2输出电压测试

按照上述电路设计框图，经过电路原理图设计、PCB制版等阶段，制造出成品，用华为P9手机进行测试，结果显示：随着输出电流在0.1-0.8A之间进行变化，系统提供的输出电流始终保持在DC4.9V-5.0V之间，证实本系统的输出电压比较稳定。

5.3待机功耗测试

当发射端与接收端不接触时，进行系统待机功耗测试，结果显示：发射端待机电压为5.12V时，输入电流为6.92mA，系统待机功耗为31.32mW。整体而言，功耗较低，符合预期设计要求。

6　结语

本文应用德州仪器的BQ5系列无线电源控制芯片，设计了一款适用于智能手机的无线充电系统。通过应用测试发现，该系统具有精度高、功耗低等优势，且借助于BQ5芯片的持续监控网络体系和智能识别控制，系统的工作效率十分高，完全能够满足一般智能手机的无线充电需求。当然，该系统也存在一些缺陷，例如，缺少充电数字指示功能和自适应功耗处理功能等，都有待在今后的设计中进一步优化。

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