解决Qi标准中关于手机无线充电断充的方法

陈跃鸿++林桂江

摘 要为了解决市面上普遍存在手机无线充电过程由于手机充电电流波动造成的无线充电充断问题，提高客户的用户体验和认可度，设计了基于Qi标准的无线充电充断解决方案。该方案设计遵循Qi标准，具备兼容性和通用性。经实验测试证明，该方案可以解决无线充电过程中由于手机充电电流波动造成的无线充电充断问题，实现5W（5V，1A）的能量传输，传输距离可以达到11mm，系统的最大效率可以达到75%。

【关键词】无线充电 磁耦合谐振式无线充电 手机充断 AM调制解调通信

近年来，随着无线充电的普及，越来越多的手机植入无线充电功能，而基于Qi标准的无线充电占市场的绝大部分，无线充电不仅解决了有线充电过程中线的干扰，充分利用广大用户碎片化的充电时间，同时无通电触点设计，可以避免触点的危险，电力传送元件无外露，可以避免空气中的水分和氧气所氧化，杜绝接触时的机械磨损以及跳火等造成的损耗。

然而由于现有无线充电特殊的拓扑结构以及工作原理，要求接收端的数据传输只能通过电力载波的方式回传到接收端，如图1是手机无线充电系统原理框图，该系统主要由功率发射单元、功率接收单元组成。

由于发送端接收端遵循Qi协议，Qi无线充电的通讯原理是一种单工通讯，一直由接收端发给发射端，正常充电后，发射的数据包括“调整供电大小”和“接收功率”，接收端的调制信号是调制在电力载波上面，通过电容将信号耦合到线圈两端，接收端输出的电压是通过线圈上面的交流电压整流成直流电压而来，接收端的输出电压连接负载手机端，通过充电管理芯片连接到手机电池，由于电池充电过程包含涓流充电，恒流充电，恒压充电，不同的充电阶段有着不同的充电电流，特别在各阶段相互切换时，电流的波动造成电压的波动，从而体现在线圈两端电压的波动，这个波动与信号AM调制共同作用在线圈上，解调接收端对线圈上电力载波发送的信息进行解调并将其反馈给主控芯片，由于解调信号和波动数据叠加在一起，单片机无法识别正确的信号，从而造成无线充电过程由于电流波动造成的无线充电充断问题。因此为了更好的用户体验和认可度，解决无线充电过程的充电充断问题势在必行。

1 不良现象重现

分别使用TI、IDT、东芝、新页发射端配合TI的BQ51013B接收端对Vivo X5Pro、华为Mate7，三星j7008进行无线充电测试，测试现象如下：

Vivo X5 Pro 手机在85%-95%时，会经常出现断线重连，并且发射端有滋滋的响声；华为Meta 7 手机在85%-93%时，会经常出现断线重连，并且发射端有滋滋的响声；三星J7008手机在25%时，会经常出现断线重连，并且发射端有滋滋的响声；

从现象来看，当手机快要断线时，伴有滋滋的响声；断线后手机屏幕会被点亮，接着发射板的充电灯会灭掉；然后重新连上充电，手机重新开始充电，灭屏后不用多久，手机又会重复上述动作断线重连。

2 不良现象分析

我们先用Vivo X5 Pro在电量为89%时，通过直流稳压电源对手机进行有线充电，充电过程中使用示波器电流探头侦测电源正极输出电流，采集波形如图2所示： 从图2可以明显看出，当Vivo X5 Pro手机电量为89%时，手机内部充电管理芯片会让它从恒流模式进入一下恒压模式，而后又从恒压模式退出到恒流模式，如此反复，对直流稳压电源的电流需求也会发生变化，电流波形非常的脏乱，而正常的充电状态电流信号基本是一条直线。

由Qi无线充电的通讯原理，我们知道它是一种单工通讯，一直由接收端发给发射端，正常充电后，数据的类型一般只是“调整功率大小”和“接收功率”两种；而接收端将信号发出的原理正是利用2个22nF电容将信号耦合到线圈的两端，也就是说它的信号也是一个电流变化的信号，所以当手机处于一个不断调整电流需求的状态时，它就会严重干扰到接收端发出的信号质量，从而影响到发射端收到正确的数据包；如图3所示。

图3中可以直观的看出由于充电电流波动对数据解调信号的影响，当第4通道电流发生波动时，通道2的电流解调波形和通道3的电压解调波形就会受到影响，出现解调数据出错。

当信号很差，解调数据出错，但是如果此时接收端是一直要求增加能量或者减小能量，而因为我们收不到正确的数据，没有做出相应的响应，經过一段时间后，接收端就会发出相应的欠压和过压现象，这时接收端会断开后端的LDO输出，此时手机就没有充电，然后发出一个停止充电的数据包，内容为“0x02 0x04”详见图4，发完停止数据包以后，接收端再也不发出任何信号，这时候发射板因1.7S没有收到开始码，也会断开充电。

3 充断解决方法及效果

理清此处不良的原因后，可以看到不良的源头在于手机充电过程的电流波动，电流波动造成解调信号出错。由于接收端已经植入在手机端无法进行更改，所以只能通过更改发送端硬件和软件两方面来解决无线充断的问题。

硬件方面：由于发射端通过解调电路解调出调制信号，如图5 通信解调硬件电路所示：发射端从发射线圈获取已调信号（线圈电压），首先通过降压电路对已调信号进行降压处理，紧接着通过二级管、直流滤波器整流得到0-2V的直流信号，该信号通过低通滤波器从130KHz～200KHz的高频载波得到2KHz的调制信号，最后通过比较器得到0～3.3V的调制信号，如图6初级线圈端耦合信号与解调信号所示，位于上方通道3为发射端初级线圈端耦合信号，位于下方通道1为经过解调电路后的解调信号，该解调信号提供给主控芯片进行解码处理。由于调制信号的频率是2KHz，而电流波动的随机性，频率是变化的，根据不同的手机不同的充电阶段有不同频率的波动，可以分为两部分，频率大于2KHz和频率小于2KHz，频率大于2KHz的可以通过图5中前端的二阶低通滤波器滤除，同时在接收输出端加上100UF电容，使它在受到手机的负载需求不断变化时不易干扰通讯，实测手机充断有明显改善，但是不能完全解决手机充断问题，详见表1。

软件方面：由于手机出现断充的根本原因是手机充电过程的电流波动，电流波动造成解调信号出错，从而单片机识别不出正确的信号，因此我们在软件算法上做如下处理，正常充电时，每250ms都會收到接收端一个调整供电大小的数据包，一般来讲都是0，这时我们记住当时的PWM频率，当通讯很差时，即3S都没有收到一个正确的数据包，但仍能收到开始码，这时我们在软件上启动一个特别的跳频机制，即200ms后改变当前的PWM频率，频率向下减小8K，用于增大发射能量，200ms后再改变当前的PWM频率为之前通讯正常时记下的PWM频率；200ms后再次改变PWM频率，频率向上增加8K，用于减小发射能量；如此反复执行，当收到一个正确的数据包后，这种机制解除，同时中心的PWM频率做出更新，等下次通讯不良时会再启动这个机制；整个过程为的就是让接收端不要发出一个过压或欠压的指令，因为我们这样不断改变PWM频率，可以骗过RX端的过压或欠压检测机制，打乱它的检测，使它能正常输出能量给手机，放宽对数据的要求，大大改善PWM不发生调整而接收端要求功率变化造成的关断现象，从而解决手机充电过程的充断问题。实测手机充断大大改善，基本可以解决手机充断问题，详见表1。

4 结语

参表1和表2的对比数据可以清楚的看出，通过硬件设计的修改以及软件算法的优化，可以很好的解决由于手机充电电流波动造成的无线充电充断问题，提高客户的用户体验和认可度。该方案设计遵循Qi标准，具备兼容性和通用性。经实验测试证明，该方案可以有效解决无线充电过程中由于手机充电电流波动造成的无线充电充断问题，实现5W（5V，1A）的能量传输，传输距离可以达到11mm，系统的最大效率可以达到75%。

参考文献

[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[2]陈清泉，孙立清.电动汽车的现状和发展趋势[J].科技导报，2005，23（04）：24-28.

[3]黄承伟，秦小杰.电动汽车充电站的电磁兼容测试[J].安全与电磁兼容，2004（02）：1-4.

[4]窦廷军.一种磁耦合谐振式无线充电系统的设计[D].成都：电子科技大学，2013（06）：3-10.

[5]朱华.松耦合无线能量传输系统相关技术研究[D].南京：南京邮电大学，2013（05）.

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