智能手机无线充电系统通信方案设计研究

上饶职业技术学院电子系 邱 琳

智能手机无线充电系统通信方案设计研究

上饶职业技术学院电子系 邱 琳

本文对一种基于BQ5系列芯片的智能手机无线充电系统通信方案进行了设计，在具体的论述中，首先对该无线充电系统的整体电路结构进行了分析，其次侧重探究了系统的信号调制方案、编码通信方案以及电能传输通信方案三部分设计内容。该方案的设计与实现，能够实现智能手机无线充电系统发射端和接收端之间的电能信号传输，对完善无线充电功能起到了至关重要的作用。

智能手机；BQ5芯片；无线充电系统；通信方案

1.系统整体概述

1.1 整体组成框架及工作原理

该智能手机无线充电系统电路主要由能量发射端和接收端两个部分构成。首先，能量发射端的组成部分为：整流滤波电路、DC-DC变换电路、高频逆变电路、谐振网络电路、控制检测电路，具体的工作原理为：由整理滤波电路将220V的工频交流信号转换为5V恒稳直流信号，经DC-DC稳压后输入高频逆变电路中，使5V直流信号转换为100KHZ-300KHZ的高频交流信号，进一步传输至谐振网络产生电能感应耦合至接收端，而控制检测电路则对整个发射端各环节的电压值进行检测反馈。其次，能量接收端的组成部分为：谐振网络电路、AC-DC变换电路、检测控制电路、通信信号调制电路，具体的工作原理为：接收端谐振网络电路从发射端协整网络传递的磁场信号中获取高频交流充电信号，通过AC-DC电路将高频信号转换为恒稳直流信号，再经过通信信号调制电路将恒稳直流信号调制为智能手机能够识别的充电电能，实现对手机的充电。

1.2 主要电路模块

基于系统的组成框架分析，该电路主要由发射电路模块和接收电路模块两个部分构成。在具体的元器件选型中，发射电路模块以德州仪器生产的BQ500212芯片为核心，该芯片具有无线信号发射功能，符合无线电源联盟WPC1.1标准，能够实现充电电信号的传递，此外还包含全桥逆变电路模块、串联谐振电路模块、DC-DC电路模块。接收电路模块则以德州仪器生产的BQ51221芯片为核心，该芯片是一款无线信号接收器，同样符合WPC1.1标准，能够实现无线充电电信号接收和识别。

2.无线通信方案设计

2.1 信号调制方案

智能手机无线充电系统信号调制电路的功能在于：对接收端与发射端之间的电能信号进行编码与解调，确保两者之间正常的电通信。在具体的方案设计中，本系统采用电阻幅值调制方案，方案思路为：在接收端整流滤波电路上并联一个电阻和开关管，而开关管的导通与截止状态由调制信号控制，开关管截止时，系统的谐振幅度更低，开关管导通时，系统的谐振幅度更高，系统谐振幅度的变化则是通过开关管状态的切换实现的，其核心为：开关状态变化过程中，系统的品质因数发生变化，导致谐振幅值变化，最终使发射端线圈内部的电流大小发生改变，实现幅值调整的目的。经过调整后的电信号即可传输给接收端，以下为系统信号调制电路的原理图如图1所示。

采用电阻调制方案控制无线充电信号，具有成本低廉，电路结构简单，元器件较少等优点，此外该电路在实际工作时，只需要通过外加信号实现对开关管的控制，即可完成信号的编码与调制功能，可谓操作便捷。

图1 电阻幅值调制电路

2.2 编码通信方案

编码通信也是本无线充电系统中的重要环节，具体到系统的设计中，需要重点考虑两方面编码通信方案，分别是位编码方案和数据包编码方案。首先，接收端与发射端之间的电能信号是以位数据的形式完成的，并采用差分双相编码的方法，因此在位信号的调制传输过程中，要保证发射端发送的每一位电能信号都与系统内部时钟周期的上升沿对应，在具体的方案设计中，需要考虑到本系统采用的BQ5发射和接收芯片内部时钟频率为2KHZ，在此基础上设计一个位脉冲发生电路，用于位编码通信的实现。其次，多个位编码信号叠加会形成一个电能数据包，而一个数据包则由前导、报头、数据信息和校验信息4个部分构成，为使发射端发射出的电能数据包信息能够被接收端有效识别，需要设计妥善的数据包编码方案，而本系统的具体方案为：（1）发射端对3-4个前导信号进行检测；（2）发射端对校验信息和报头信息进行检测；（3）接收端对前导信号、校验信息和报头信息量进行计算，以判定发射端传输的数据是否与接收端接收到的数据一直，如果有任何一条不符，则该条数据包被立即丢弃，重新检验下一组数据包信息。

2.3 电能传输通信方案

本无线充电系统工作时，还包含电能传输的通信过程，具体来说包含电能信息识别配置以及电能信息控制传输两个环节，对每个环节制定科学的通信方案，是保证发射端与接收端信号能够进行有效传递的基础。首先，电能信息识别配置通信方案。以发射端持续发送170KHZ高频信号为检测信号，对接收端的电能信号进行识别配置，倘若接收端接收到的电能与发射端发送的高频信号频率一致，则证实发射端与接收端之间传输的电能处于同一波段，两者之间的电能信号处于互相可识别的状态，在此基础上进行两者之间电能信号的双向传递。其次，电能信息控制传输通信方案。发射端向接收端发送三类电能数据包，分别为误差控制数据包、电能接收功率包和信号终止传输包，接收端对三类数据包进行接收和识别，判断发射端发送的数据包是否正确无误，倘若出现误差，接收端便通过误差控制数据包将差错信息反馈回发射端，进行及时的调整完善，如果信号误差范围过大，以至于不能调整完善，则激活信号终止传输包，终止两者之间的信号传递。此外，电能接收功率包能够对充电电功率的达标情况进行判定，以便保证系统充电电能维持在有效范围之内。

3.结语

智能手机无线充电系统的通信方案，是整个系统充电信号传输的基础，该方案是否科学有效将直接关系到整个系统工作的连续性。本文所分析的信号调制通信、编码通信和电能传输通信方案，对于智能手机无线充电系统通信体系的设计有着积极的理论参考价值，但鉴于智能手机无线充电系统仍为一个新颖的研究领域，本文所提出的设计方案亦未能用于实践检验，因此，相关的后续研究仍有待进一步深入。

[1]祝毓,杨帆．全球无线充电技术及其发展态势分析[J]．华东科技,2015(01):70-72．

[2]范兴明,莫小勇,张鑫．无线电能传输技术的研究现状与应用[J]．中国电机工程学报,2015(10):43-45．

[3]程时杰,陈小良,王军华,文劲宇,黎静华．无线输电关键技术及其应用[J]．电工技术学报,2015(19):66-67．

[4]孙再吉．无线充电技术的发展[J]．半导体信息,2010(06):31-32．

[5]和樱芳．近在咫尺的无线充电技术[J]．农村青少年科学探究,2013(03):50-51．