利用PSoC1實現(xiàn)基于WPC協(xié)議的電力發(fā)送器設(shè)計

1, 無線充電概述

無線充電技術(shù)在消費類市場表現(xiàn)出巨大的潛力。在不使用連線的情況下給電子設(shè)備充電不但可為便攜式設(shè)備用戶提供一種便利的解決方案，而且還讓廣大設(shè)計人員能夠?qū)ふ业礁邉?chuàng)新性的問題解決方法。許多電池供電型便攜式設(shè)備均能受益于這種技術(shù)，從手機到電動汽車不一而足。

目前，無線充電技術(shù)主要有兩個聯(lián)盟A4WP和WPC。A4WP是以三星和高通牽頭的6家企業(yè)成立了無線充電聯(lián)盟，而WPC主要有TI、三星、HTC、LG、海爾等109家成員。WPC主要是采用線圈耦合的方式來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，目前主要為5W產(chǎn)品的低功耗應(yīng)用制定規(guī)范，也在嘗試為高功率產(chǎn)品制定規(guī)范。它可實現(xiàn)在一個平面上為多個電器進行充電，充電板的發(fā)射端與充電產(chǎn)品接收端距離為5毫米。而A4WP正在促進共振方式無線充電技術(shù)的發(fā)展。充電板與智能機裝置擁有同樣頻率的共振線圈，通過共振來充電，因此即便智能手機不與充電板接觸也可進行充電。另外，該技術(shù)無需考慮電波，可為多臺智能產(chǎn)品同時充電，并可通過非金屬表面的物體進行充電，使用起來非常方便。

除了兩大聯(lián)盟的技術(shù)方式外，也存在其他幾種充電方式，比如以Wildcharge、Duracell兩家公司為主的傳導(dǎo)式充電、Powermat和Palm的無線充電技術(shù)，以及以Powercast公司為代表的RF射頻充電技術(shù)等等，但無線充電方式還遠不止這些。

2，WPC介紹

電感耦合方法可以實現(xiàn)高效和通用的無線充電。為了便于使用并且讓設(shè)計人員和消費者都受益，無線充電聯(lián)盟 （WPC） 制定出了一種標(biāo)準(zhǔn)。在供電設(shè)備（電力發(fā)射器，充電站）和用電設(shè)備（電力接收器，便攜式設(shè)備）之間創(chuàng)建了互操作性。WPC成立于2008年，由亞洲、歐洲和美國的各行業(yè)公司組成，其中包括電子設(shè)備制造廠商和原始設(shè)備制造商 （OEM）。WPC 標(biāo)準(zhǔn)定義了電感耦合（線圈結(jié)構(gòu)）的類型，以及低功耗無線設(shè)備所用的通信協(xié)議。在這種標(biāo)準(zhǔn)下工作的任何設(shè)備都可以與任何其他 WPC 兼容設(shè)備配對。這種方法的一個重要的好處是其利用這些線圈來實現(xiàn)電力發(fā)送器和電力接收器之間的通信。典型的應(yīng)用圖，請參見圖 1。

圖1， WPC無線充電示意圖

電力傳輸方向始終是從電力發(fā)送器到電力接收器。電力發(fā)送器的關(guān)鍵電路是用于向電力接收器傳輸電力的一次線圈、驅(qū)動一次線圈的控制單元以及解調(diào)一次線圈電壓或者電流的通信電路。

電力接收器將自己作為電力發(fā)送器的一個兼容設(shè)備，同時也提供配置信息。一旦發(fā)射器開始電力傳輸，電力接收器就向電力發(fā)送器發(fā)送一些誤差數(shù)據(jù)包，從而要求或多或少的電力。一旦接收到一個“終止電力”消息，或者如果1.25秒以上都沒有接收到數(shù)據(jù)包，則電力發(fā)送器停止供電。沒有電力傳輸時，電力發(fā)送器則進入低功耗待機模式。

3，基于PSoC1的電力發(fā)送器設(shè)計

電力發(fā)送器（其通常為一個平面用戶將電力接收器放置在上面）連接至電源。符合WPC標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備線圈起到了一個50%占空比諧振半橋的作用，其輸入為19-VDC（±1 V）。如果電力接收器需要或多或少的功率，則線圈頻率會發(fā)生變化，但會保持在110到 205kHz 之間，具體取決于功率需求。

如第二部分介紹，電力發(fā)送器的關(guān)鍵電路是用于向電力接收器傳輸電力的一次線圈、驅(qū)動一次線圈的控制單元以及解調(diào)一次線圈電壓或者電流的通信電路。圖2是采用Cypress的PSoC1對一次線圈的控制及驅(qū)動電路，它采用的是A1設(shè)計。

圖2， WPC電力發(fā)送器驅(qū)動電路

其中，LM5107是線圈驅(qū)動芯片， 20N06HD是MOSFET管，Cp（約為100nF）是電路所有電容總和，Lp是一次線圈，A1設(shè)計中其值為24uH。

電力發(fā)送器的通信部分主要為解調(diào)來自電力接收器的電壓信號，并解析數(shù)據(jù)包。通信過程中采用的是差分雙向編碼（differential bi-phase encoding）方式，每個碼元持續(xù)時間開始時電平都發(fā)生躍變，如果在半個碼元持續(xù)時間后電平再次躍變，則代表1；而在整個碼元持續(xù)時間內(nèi)電平不發(fā)生躍變，則代表0.如下圖3所示：

圖3，WPC通信編碼

在PSoC Designer中實現(xiàn)的原理圖如下圖4所示，

圖4，PSoC Designer設(shè)計原理圖

從上圖可以看到，對線圈的驅(qū)動控制采用的是PWM模塊PWMDB8_1，其與Port2_5和Port2_7相連以驅(qū)動控制LM5107芯片。 解調(diào)來自電力接收器的電壓信號，PSoC1使用了4個元件(Decode_Timer，PGA_1， COMP_1和OneShot_1), Decode_Timer模塊用來計時，PGA_1對接受到的微笑信號放大， COMP_1把模擬信號變數(shù)字信號，OneShot_1對信號進行同步并產(chǎn)生中斷，軟件就根據(jù)Decode_Timer計算的OneShot_1兩次中斷的時間間隔來解碼協(xié)議。當(dāng)兩次中斷間隔為：

1T----解碼為邏輯1

1.5T----如果第一次收到1.5T間隔的中斷，解碼為兩個bit，邏輯1和邏輯0

如果第二次收到1.5T間隔的中斷，解碼為邏輯0

2T---解碼為兩個邏輯0

這里“T”為1bit傳輸時間

其軟件實現(xiàn)如下所示：

cur_time = Decode_Timer_COMPARE_REG;

if (cur_time > prev_time)

{

delta = 250 - cur_time;

delta += prev_time + 1;

}

else delta = prev_time - cur_time;

//estimate the delta between next samples taking into accoun timer overflow

prev_time = cur_time;

if ((delta > ONE_T_LOWER) && (delta < ONE_T_UPPER))/*1T*/

{

//ADD_BIT(1,WPTdata);

if (bit_num < WPTBITSCOUNT)

{

WPTdata >>= 1;

WPTdata |= 0x80;

parity ^=1;

}

else parity_received = 1;

bit_num++;

}

else if ((delta > ONEANDHALF_T_LOWER) && (delta < ONEANDHALF_T_UPPER)) /*1,5T*/

{

if(flag==0)

{

if (bit_num < WPTBITSCOUNT)

{

WPTdata >>= 1;

WPTdata |= 0x80;

parity ^=1;

}

else parity_received = 1;

bit_num++;

if (bit_num < WPTBITSCOUNT) WPTdata >>= 1;

else parity_received = 0;

bit_num++;

flag = 1;

}

else

{

if (bit_num < WPTBITSCOUNT) WPTdata >>= 1;

else parity_received = 0;

bit_num++;

flag = 0;

}

}

else if ((delta > DOUBLE_T_LOWER) && (delta < DOUBLE_T_UPPER))/* 2T*/

{

if (bit_num < WPTBITSCOUNT) WPTdata >>= 1;

else parity_received = 0;

bit_num++;

if (bit_num < WPTBITSCOUNT) WPTdata >>= 1;

else parity_received = 0;

bit_num++;

}

else

{

state = next_state = RX_ERROR;

time_out = TIME_OUT_ERROR;

return;

}

4，實驗和測試

經(jīng)測試，該電力發(fā)送器工作正常，接收器能正常充電，PSoC1對一次線圈控制的PWM波形如圖5所示。

圖5，PSoC1 PWM控制波形

電力接收器發(fā)送的調(diào)制信號電壓及電力發(fā)送器為解調(diào)而產(chǎn)生的中斷信號波形如下圖所示：

圖6， 調(diào)制及解調(diào)信號

Channel2是電力接收器的線圈電壓，其附加了通信用的電壓，即調(diào)制信號；channel1是電力發(fā)送器為解調(diào)而產(chǎn)生的對應(yīng)中斷信號，軟件將根據(jù)channel1兩上升沿之間的時間間隔來解碼通信數(shù)據(jù)。

5， 結(jié)束語

本文對無線充電及WPC協(xié)議做了簡要介紹，并提供了基于PSoC1對WPC協(xié)議的實現(xiàn)方法。目前該方案能與標(biāo)準(zhǔn)的電力接收器通信工作，但其成品需要通過WPC規(guī)定的第三方的測試論證，所以到產(chǎn)品化還有一段路要走。