基于FPGA 的无线充电器接收器系统设计
本文将介绍基于 FPGA 的 无线充电器接收器系统的解决方案。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的解决方案。
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。
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。
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。
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 10V，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。
图 8：无线充电器垫上的无线充电