恩智浦磁吸无线充电解决方案

描述

近年来无线充电技术快速发展,使得其被广泛应用到生活和汽车领域。在新上市的汽车中无线充电模块几乎成为了标配。而伴随着它的广泛使用,也逐渐暴露了目前无线充电技术的一些不足。例如,手机放置位置的不同对充电性能影响较大,放置在边缘时充电速度较慢等,这些都影响了用户的体验。

为了更好地提高用户的充电体验,WPC联盟在2023年推出了最新的Qi2.0标准,加入了MPP (Magnetic PowerProfile) 磁吸无线充电技术,该技术使用磁吸定位,使得手机可以一直保持在最优的充电位置,提高充电效率。

作为WPC联盟核心成员和全球领先的无线充电方案供应商,恩智浦推出了MPP磁吸无线充电方案,致力于为用户提供更好的无线充电体验。

恩智浦的磁吸无线充电方案是基于MWCT2xx2A系列芯片开发而成。MWCT2xx2A系列集成了无线充电“Qi2”协议的所有功能,它包含车规级和非车规级,可适用于各种场合的应用。同时该系列中的MWCT20D2A和MWCT20D2集成了片上加密模块,方便用于鉴权认证,无需增加额外加密芯片,节约成本。

下面让我们一起来看一看NXP磁吸无线充电的一站式解决方案。

系统介绍

01系统框图

MPP TX系统框图如下:

MPP

图1:MPP系统框图(Qi2.0规格书)

可以看出MPP系统的工作频率有了较大变化,工作频率扩展到360kHz,恩智浦基于上述框图结构,设计了自己的15W磁吸方案,系统结构框图如下:

MPP

图2:NXP方案系统框图

整个系统大致可以分为DC-DC输入电压控制,功率传输,DDM信号解调和采样检测保护这几个部分。

02系统兼容性

恩智浦磁吸方案除了支持MPP,还兼容BPP,同时支持扩展功率协议(EPP)。

MPP

图3:各协议兼容性(Qi2.0规格书)

除了兼容不同的功率协议,恩智浦方案还支持不同的工作状态,比如手机在带壳的状态下,会影响磁吸附力,导致放置手机略偏移最佳工作点。为此,恩智浦磁吸方案中还包含了基于系统耦合系数,去切换不同的谐振参数的算法,使得系统工作在当前最优状态。

MPP

图4:谐振威廉希尔官方网站 开关切换配置(Qi2.0规格书)

NXP方案有以下优势:

符合无线充电联盟WPC Qi2版本规范

集成的基于K值的谐振电容切换逻辑

磁吸定位,始终保持线圈对齐,效率高

支持市面上符合Qi2标准的磁吸手机,充电功率高达15W,支持扩展到更高功率等级

支持电压调节、频率调节等不同调节方式

优化的数字信号解调和异物检测

支持OVP,OCP,OTP等多功能保护,确保系统安全

友好的FreeMASTER GUI工具,便于客户调试

系统软件

在软件方面,恩智浦磁吸无线充电解决方案提供完备的软件库,在芯片及相关的硬件的基础上,高效安全地实现整个无线充电过程。下面将对软件进行总体说明,并对于其中的部分模块和工具进行介绍。

01无线充电软件库架构

软件框架如下图:

Application:外部应用程序层;

WCT Library API:软件库的接口程序层;

Library:无线充电软件库函数,包括状态机,协议控制,DDM算法等;

WCT Interface API/HAL: 应用程序接口/硬件抽象层,客户可在该层进行参数配置等;

BSP(Board Service Package):包含底层外设驱动等。

MPP

图5:NXP无线充电软件库框架

02MPP系统状态机流程

MPP系统支持两种工作方式:

Restricted Mode:该模式支持5W功率等级,并且支持转向Full mode。

Full Mode:支持双向通讯并且可协商到更高功率等级。

03两种模式的协议流程

MPP Restricted Mode

MPP

图6:MPP RestrictedMode协议流程图

(Qi2.0规格书)

恩智浦方案提供串口打印log功能,可以方便用户查看整个系统的工作流程和状态,MPPRestricted Mode实测线圈电流波形见下图:

MPP

图7:MPP RestrictedMode实测线圈电流

MPP Full Mode

Full Mode 相比较于restricted Mode多了协商阶段(negotiation),可扩展到更高的功率等级。

MPP

图8:MPP Full Mode协议流程图(Qi2.0规格书)

MPP Full Mode实测线圈电流波形见下图:

MPP

图9:MPP Full Mode实测线圈电流(128kHz)

MPP

图10:MPP Full Mode实测线圈电流(360kHz)

更详细的协议细节客户可参考Qi最新的规格书。

无线充电策略

01幅值调制信号(ASK)数字解调

恩智浦方案针对RX发送过来ASK,采用数字解调(DDM)方式,硬件上仅需要RC网络进行采样,采样信号送至MCU,MCU中执行DDM算法即可完成解调。该方案硬件实现简单,成本低廉,而软件上恩智浦开发了一套成熟的DDM算法,极大节约客户开发周期。   DDM硬件实现框图如下:

MPP

图11:DDM硬件威廉希尔官方网站 框架

DDM实测的采样波形如下:

MPP

图12:DDM实测波形图

02异物检测

恩智浦方案根据充电阶段的不同提供两种常见的异物检测方法。

一种是在充电传输前(Pre-power),通过检测发射器线圈的Q值的变化来判断,当有异物在发射器上,会导致Q值的减小。硬件威廉希尔官方网站 实现和DDM一样,仅RC参数有变化。

MPP

图13:Q值检测硬件威廉希尔官方网站 框架

Q值测试波形如下,通过计算波形的衰减率得到初始Q值,然后再经过转化得到标准Q值。NXP软件库中包含了完整的Q值检测算法,除此之外,为了保证Q值的可靠性,NXP方案中同时还提供了Q值的温度补偿算法,为客户的产品开发提供全面的技术支持。

MPP

图14:Q值检测实测波形

另一种是在充电传输过程(In-power),该方法称为MPP PowerLoss Accounting(MPLA),是基于实际物理模型,通过双向通讯将功率损耗计算参数带入到模型进行计算,和之前的EPP协议相比,省去了在线校准阶段。而模型中有一项威廉希尔官方网站 损耗(Pcircuit loss)需要用户自行估算,恩智浦提供了方便的FreeMASTER上位机工具,连接发射器就可以方便进行损耗估算,最终得到的数据可直接写入芯片储存。

MPP

图15:FreeMASTER 威廉希尔官方网站 损耗估算界面

Demo板展示

基于恩智浦方案的车载“MPP+EPP”的双充的demo板,可通过一个控制器同时支持两路Qi2.0的MPP和EPP无线充电。

MPP

图16:NXP车载“MPP+EPP”双充demo板

基于恩智浦方案的非车载MPP单充demo板,通用Type-C接口,支持MPP Qi2.0的协议和15W磁吸快充。

MPP

图17:NXP非车载MPP单充demo板

本文小结

恩智浦磁吸无线充方案是基于恩智浦MWCT2xx2A控制器IC系列的无线充电应用。系统集成了十分成熟的无线充电策略,可配置MPP 15W, EPP以及BPP各个功率等级的功率传输。

同时恩智浦和WPC联盟也在共同测试和开发MPP 25W高功率无线快充协议;而为适应中国市场的需求,恩智浦目前也在积极参加低频MPP的技术开发和验证。

在无线充电技术领域恩智浦一直走在前列,一直致力于推动无线充电技术的发展和提高未来用户的使用体验。

除此之外,恩智浦还有多种不同无线充电系列芯片、支持不同平台的解决方案,比如:non AutoSAR方案的WCT20D2A、WCT2013A;也有AutoSAR的方案,芯片为WCT2014/5/6S。欢迎大家深入了解和使用NXP无线充电解决方案。

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