解決Qi標準中關于手機無線充電斷充的方法

陳躍鴻++林桂江

摘 要為了解決市面上普遍存在手機無線充電過程由于手機充電電流波動造成的無線充電充斷問題，提高客戶的用戶體驗和認可度，設計了基于Qi標準的無線充電充斷解決方案。該方案設計遵循Qi標準，具備兼容性和通用性。經實驗測試證明，該方案可以解決無線充電過程中由于手機充電電流波動造成的無線充電充斷問題，實現(xiàn)5W（5V，1A）的能量傳輸，傳輸距離可以達到11mm，系統(tǒng)的最大效率可以達到75%。

【關鍵詞】無線充電 磁耦合諧振式無線充電 手機充斷 AM調制解調通信

近年來，隨著無線充電的普及，越來越多的手機植入無線充電功能，而基于Qi標準的無線充電占市場的絕大部分，無線充電不僅解決了有線充電過程中線的干擾，充分利用廣大用戶碎片化的充電時間，同時無通電觸點設計，可以避免觸點的危險，電力傳送元件無外露，可以避免空氣中的水分和氧氣所氧化，杜絕接觸時的機械磨損以及跳火等造成的損耗。

然而由于現(xiàn)有無線充電特殊的拓撲結構以及工作原理，要求接收端的數據傳輸只能通過電力載波的方式回傳到接收端，如圖1是手機無線充電系統(tǒng)原理框圖，該系統(tǒng)主要由功率發(fā)射單元、功率接收單元組成。

由于發(fā)送端接收端遵循Qi協(xié)議，Qi無線充電的通訊原理是一種單工通訊，一直由接收端發(fā)給發(fā)射端，正常充電后，發(fā)射的數據包括“調整供電大小”和“接收功率”，接收端的調制信號是調制在電力載波上面，通過電容將信號耦合到線圈兩端，接收端輸出的電壓是通過線圈上面的交流電壓整流成直流電壓而來，接收端的輸出電壓連接負載手機端，通過充電管理芯片連接到手機電池，由于電池充電過程包含涓流充電，恒流充電，恒壓充電，不同的充電階段有著不同的充電電流，特別在各階段相互切換時，電流的波動造成電壓的波動，從而體現(xiàn)在線圈兩端電壓的波動，這個波動與信號AM調制共同作用在線圈上，解調接收端對線圈上電力載波發(fā)送的信息進行解調并將其反饋給主控芯片，由于解調信號和波動數據疊加在一起，單片機無法識別正確的信號，從而造成無線充電過程由于電流波動造成的無線充電充斷問題。因此為了更好的用戶體驗和認可度，解決無線充電過程的充電充斷問題勢在必行。

1 不良現(xiàn)象重現(xiàn)

分別使用TI、IDT、東芝、新頁發(fā)射端配合TI的BQ51013B接收端對Vivo X5Pro、華為Mate7，三星j7008進行無線充電測試，測試現(xiàn)象如下：

Vivo X5 Pro 手機在85%-95%時，會經常出現(xiàn)斷線重連，并且發(fā)射端有滋滋的響聲；華為Meta 7 手機在85%-93%時，會經常出現(xiàn)斷線重連，并且發(fā)射端有滋滋的響聲；三星J7008手機在25%時，會經常出現(xiàn)斷線重連，并且發(fā)射端有滋滋的響聲；

從現(xiàn)象來看，當手機快要斷線時，伴有滋滋的響聲；斷線后手機屏幕會被點亮，接著發(fā)射板的充電燈會滅掉；然后重新連上充電，手機重新開始充電，滅屏后不用多久，手機又會重復上述動作斷線重連。

2 不良現(xiàn)象分析

我們先用Vivo X5 Pro在電量為89%時，通過直流穩(wěn)壓電源對手機進行有線充電，充電過程中使用示波器電流探頭偵測電源正極輸出電流，采集波形如圖2所示： 從圖2可以明顯看出，當Vivo X5 Pro手機電量為89%時，手機內部充電管理芯片會讓它從恒流模式進入一下恒壓模式，而后又從恒壓模式退出到恒流模式，如此反復，對直流穩(wěn)壓電源的電流需求也會發(fā)生變化，電流波形非常的臟亂，而正常的充電狀態(tài)電流信號基本是一條直線。

由Qi無線充電的通訊原理，我們知道它是一種單工通訊，一直由接收端發(fā)給發(fā)射端，正常充電后，數據的類型一般只是“調整功率大小”和“接收功率”兩種；而接收端將信號發(fā)出的原理正是利用2個22nF電容將信號耦合到線圈的兩端，也就是說它的信號也是一個電流變化的信號，所以當手機處于一個不斷調整電流需求的狀態(tài)時，它就會嚴重干擾到接收端發(fā)出的信號質量，從而影響到發(fā)射端收到正確的數據包；如圖3所示。

圖3中可以直觀的看出由于充電電流波動對數據解調信號的影響，當第4通道電流發(fā)生波動時，通道2的電流解調波形和通道3的電壓解調波形就會受到影響，出現(xiàn)解調數據出錯。

當信號很差，解調數據出錯，但是如果此時接收端是一直要求增加能量或者減小能量，而因為我們收不到正確的數據，沒有做出相應的響應，經過一段時間后，接收端就會發(fā)出相應的欠壓和過壓現(xiàn)象，這時接收端會斷開后端的LDO輸出，此時手機就沒有充電，然后發(fā)出一個停止充電的數據包，內容為“0x02 0x04”詳見圖4，發(fā)完停止數據包以后，接收端再也不發(fā)出任何信號，這時候發(fā)射板因1.7S沒有收到開始碼，也會斷開充電。

3 充斷解決方法及效果

理清此處不良的原因后，可以看到不良的源頭在于手機充電過程的電流波動，電流波動造成解調信號出錯。由于接收端已經植入在手機端無法進行更改，所以只能通過更改發(fā)送端硬件和軟件兩方面來解決無線充斷的問題。

硬件方面：由于發(fā)射端通過解調電路解調出調制信號，如圖5 通信解調硬件電路所示：發(fā)射端從發(fā)射線圈獲取已調信號（線圈電壓），首先通過降壓電路對已調信號進行降壓處理，緊接著通過二級管、直流濾波器整流得到0-2V的直流信號，該信號通過低通濾波器從130KHz～200KHz的高頻載波得到2KHz的調制信號，最后通過比較器得到0～3.3V的調制信號，如圖6初級線圈端耦合信號與解調信號所示，位于上方通道3為發(fā)射端初級線圈端耦合信號，位于下方通道1為經過解調電路后的解調信號，該解調信號提供給主控芯片進行解碼處理。由于調制信號的頻率是2KHz，而電流波動的隨機性，頻率是變化的，根據不同的手機不同的充電階段有不同頻率的波動，可以分為兩部分，頻率大于2KHz和頻率小于2KHz，頻率大于2KHz的可以通過圖5中前端的二階低通濾波器濾除，同時在接收輸出端加上100UF電容，使它在受到手機的負載需求不斷變化時不易干擾通訊，實測手機充斷有明顯改善，但是不能完全解決手機充斷問題，詳見表1。

軟件方面：由于手機出現(xiàn)斷充的根本原因是手機充電過程的電流波動，電流波動造成解調信號出錯，從而單片機識別不出正確的信號，因此我們在軟件算法上做如下處理，正常充電時，每250ms都會收到接收端一個調整供電大小的數據包，一般來講都是0，這時我們記住當時的PWM頻率，當通訊很差時，即3S都沒有收到一個正確的數據包，但仍能收到開始碼，這時我們在軟件上啟動一個特別的跳頻機制，即200ms后改變當前的PWM頻率，頻率向下減小8K，用于增大發(fā)射能量，200ms后再改變當前的PWM頻率為之前通訊正常時記下的PWM頻率；200ms后再次改變PWM頻率，頻率向上增加8K，用于減小發(fā)射能量；如此反復執(zhí)行，當收到一個正確的數據包后，這種機制解除，同時中心的PWM頻率做出更新，等下次通訊不良時會再啟動這個機制；整個過程為的就是讓接收端不要發(fā)出一個過壓或欠壓的指令，因為我們這樣不斷改變PWM頻率，可以騙過RX端的過壓或欠壓檢測機制，打亂它的檢測，使它能正常輸出能量給手機，放寬對數據的要求，大大改善PWM不發(fā)生調整而接收端要求功率變化造成的關斷現(xiàn)象，從而解決手機充電過程的充斷問題。實測手機充斷大大改善，基本可以解決手機充斷問題，詳見表1。

4 結語

參表1和表2的對比數據可以清楚的看出，通過硬件設計的修改以及軟件算法的優(yōu)化，可以很好的解決由于手機充電電流波動造成的無線充電充斷問題，提高客戶的用戶體驗和認可度。該方案設計遵循Qi標準，具備兼容性和通用性。經實驗測試證明，該方案可以有效解決無線充電過程中由于手機充電電流波動造成的無線充電充斷問題，實現(xiàn)5W（5V，1A）的能量傳輸，傳輸距離可以達到11mm，系統(tǒng)的最大效率可以達到75%。

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