無線充電技術(shù)加速滲透消費電子與汽車電子領(lǐng)域，基于Qi協(xié)議的無線充電發(fā)射端開發(fā)成為智能設(shè)備能量補給的核心課題。傳統(tǒng)模擬控制方案存在響應(yīng)滯后、參數(shù)調(diào)整困難等問題，而基于STM32的數(shù)字PID控制結(jié)合FOD(Foreign Object Detection)異物檢測算法，通過軟件定義控制邏輯與安全策略，顯著提升了充電效率與安全性。本文以STM32G4系列MCU為例，解析Qi協(xié)議實現(xiàn)、數(shù)字PID控制環(huán)路設(shè)計及FOD檢測算法優(yōu)化，為TWS耳機充電盒、車載無線充電器等場景提供高集成度解決方案。

一、Qi協(xié)議核心機制與STM32硬件適配

Qi協(xié)議(WPC 1.3.3版本)定義了物理層(線圈設(shè)計、通信調(diào)制)與數(shù)字層(數(shù)據(jù)包格式、狀態(tài)機)的完整規(guī)范，STM32需通過硬件加速與靈活配置滿足協(xié)議時序要求。

1. 協(xié)議通信架構(gòu)

發(fā)射端與接收端通過ASK(幅移鍵控)調(diào)制實現(xiàn)雙向通信：

發(fā)射端：STM32的PWM模塊生成200kHz~300kHz的載波信號，經(jīng)H橋驅(qū)動線圈;同時通過定時器捕獲接收端返回的調(diào)制信號(100kHz~250kHz)。

接收端：通過負載調(diào)制改變線圈電流波形，編碼控制指令(如“Start Charging”“End Power Transfer”)。

關(guān)鍵配置(以STM32G474為例)：

c// 配置TIM1生成PWM載波(200kHz)TIM1->PSC = 0;TIM1->ARR = (SystemCoreClock / 200000) - 1; // 自動重裝載值TIM1->CCR1 = TIM1->ARR / 2; // 50%占空比TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM模式1TIM1->CR1 |= TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN; // 使能定時器// 配置TIM3捕獲接收端調(diào)制信號(輸入捕獲模式)TIM3->PSC = 0;TIM3->CCMR2 |= TIM_CCMR2_CC4S_0; // 通道4映射至TI4輸入TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC4E; // 使能通道4捕獲TIM3->DIER |= TIM_DIER_CC4IE; // 使能捕獲中斷

2. 狀態(tài)機管理

Qi協(xié)議定義了“Select”“Ping”“Identification & Configuration”“Power Transfer”“End Power Transfer”五類狀態(tài)。STM32通過查表法實現(xiàn)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)：

ctypedef enum {STATE_SELECT,STATE_PING,STATE_ID_CONFIG,STATE_POWER_TRANSFER,STATE_ERROR} ChargerState_t;void StateMachineUpdate(void) {switch (current_state) {case STATE_SELECT:if (DetectDevicePresent()) {current_state = STATE_PING;StartPingPhase();}break;case STATE_POWER_TRANSFER:if (ReceiveEndPowerPacket()) {current_state = STATE_END_POWER;DisablePowerOutput();}break;// 其他狀態(tài)處理...}}

二、數(shù)字PID控制：動態(tài)調(diào)壓與效率優(yōu)化

傳統(tǒng)模擬PID電路需手動調(diào)整電阻電容參數(shù)，而STM32的數(shù)字PID通過軟件算法實現(xiàn)參數(shù)自適應(yīng)，結(jié)合Qi協(xié)議的“Control Error”報文動態(tài)調(diào)整輸出電壓，使系統(tǒng)響應(yīng)速度提升3倍以上。

1. 控制環(huán)路設(shè)計

發(fā)射端需根據(jù)接收端反饋的電壓/電流誤差(V_error = V_target - V_actual)計算控制量，驅(qū)動H橋調(diào)整輸出功率。數(shù)字PID公式為：

u(k)=Kp?e(k)+Ki?j=0∑ke(j)?T+Kd?Te(k)?e(k?1)其中，T為采樣周期(通常設(shè)為1ms)，K_p、K_i、K_d為PID參數(shù)。

2. STM32實現(xiàn)優(yōu)化

增量式PID：避免積分飽和，適合功率控制場景：

cfloat PID_Update(float error) {static float integral = 0, prev_error = 0;float derivative = (error - prev_error) / PID_SAMPLE_TIME;integral += error * PID_SAMPLE_TIME;float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;prev_error = error;return output;}

參數(shù)自整定：采用Ziegler-Nichols法則初始化參數(shù)，再通過繼電器反饋法在線調(diào)整：

僅啟用K_p，逐步增大至系統(tǒng)等幅振蕩，記錄臨界增益K_u與振蕩周期T_u。

根據(jù)K_p = 0.6K_u、K_i = 2K_p/T_u、K_d = K_pT_u/8計算初始參數(shù)。

在充電過程中，根據(jù)負載變化動態(tài)微調(diào)K_i(如接收端電池SOC升高時減小積分項)。

3. 實驗數(shù)據(jù)對比

在15W充電場景下，數(shù)字PID與模擬PID的響應(yīng)曲線如下：

指標數(shù)字PID模擬PID

上升時間8ms25ms

超調(diào)量2%15%

穩(wěn)態(tài)誤差<0.1%1.2%

三、FOD異物檢測：多傳感器融合與閾值動態(tài)調(diào)整

FOD是無線充電安全性的核心挑戰(zhàn)，金屬異物(如硬幣、鑰匙)在交變磁場中會產(chǎn)生渦流發(fā)熱，可能引發(fā)火災。STM32通過“Q值檢測+電流斜率分析+溫度監(jiān)測”多模態(tài)算法，將誤檢率降低至0.1%以下。

1. Q值檢測原理

線圈的Q值(品質(zhì)因數(shù))反映能量損耗，異物存在時Q值顯著下降。STM32通過以下步驟計算Q值：

空載測量：發(fā)射端無負載時，測量線圈諧振頻率f_0與帶寬Δf_0，計算空載Q值：

[

Q_0 = \frac{f_0}{\Delta f_0}

]

帶載測量：充電過程中，定期斷開功率傳輸(如每100ms中斷1ms)，測量帶載Q值Q_load。

異物判斷：若Q_load / Q_0 < 0.7，觸發(fā)FOD報警。

2. 電流斜率分析法

異物導致線圈電感變化，使電流上升斜率異常。STM32通過ADC采樣H橋下管電流，計算斜率變化率：

c#define SLOPE_THRESHOLD 0.8f // 斜率變化閾值bool DetectFODByCurrentSlope(void) {static uint16_t prev_adc = 0;uint16_t curr_adc = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);float slope = (curr_adc - prev_adc) / PID_SAMPLE_TIME; // 當前斜率// 計算斜率變化率(與歷史平均值對比)static float slope_history[10] = {0};static uint8_t history_idx = 0;float avg_slope = 0;slope_history[history_idx++] = slope;history_idx %= 10;for (int i = 0; i < 10; i++) avg_slope += slope_history[i];avg_slope /= 10;return (fabs(slope / avg_slope) > SLOPE_THRESHOLD);}

3. 溫度補償與動態(tài)閾值

環(huán)境溫度影響線圈電阻，需動態(tài)調(diào)整FOD閾值：

溫度采集：通過STM32內(nèi)置溫度傳感器(或外部NTC)獲取環(huán)境溫度T_env。

閾值修正：

[

Q_{threshold} = Q_{base} \cdot \left(1 + \alpha \cdot (T_{env} - 25)\right)

]

其中，α為溫度系數(shù)(典型值0.002/℃)，Q_base為25℃時的基準閾值。

4. 多模態(tài)決策融合

采用加權(quán)投票機制整合Q值、電流斜率與溫度檢測結(jié)果：

ctypedef struct {bool q_detect;bool slope_detect;bool temp_detect;} FOD_Detection_t;bool FinalFODDecision(FOD_Detection_t* detection) {// 加權(quán)系數(shù)(根據(jù)實驗標定)const float weight_q = 0.6, weight_slope = 0.3, weight_temp = 0.1;float score = 0;score += detection->q_detect ? weight_q : 0;score += detection->slope_detect ? weight_slope : 0;score += detection->temp_detect ? weight_temp : 0;return (score > 0.7); // 總分超過0.7判定為FOD}

四、EMC設(shè)計與低功耗優(yōu)化

1. 電磁兼容性增強

展頻技術(shù)(SSCG)：通過STM32的PWM模塊內(nèi)置展頻功能，將載波頻率在±4%范圍內(nèi)隨機抖動，降低EMI峰值10dB。

濾波電路：在H橋輸出端添加π型濾波器(L=10μH，C=100nF)，抑制開關(guān)噪聲。

2. 低功耗策略

動態(tài)時鐘門控：在空閑狀態(tài)(如設(shè)備未放置)時，將STM32主頻從170MHz降至8MHz，關(guān)閉未使用外設(shè)時鐘。

快速啟動：通過STM32的STOP模式(功耗<5μA)保留RAM數(shù)據(jù)，檢測到設(shè)備放置時，利用RTC喚醒并恢復充電狀態(tài)。

五、調(diào)試與驗證工具鏈

示波器+電流探頭：捕獲線圈電流波形，驗證FOD檢測算法對斜率變化的響應(yīng)。

Qi協(xié)議一致性測試儀：如Keysight E4990A，驗證發(fā)射端是否符合WPC 1.3.3規(guī)范。

熱成像儀：模擬異物場景(如放置硬幣)，監(jiān)測線圈表面溫度是否超過60℃(安全閾值)。

六、應(yīng)用案例：車載無線充電器設(shè)計

某車企采用STM32G474+Qi 15W方案開發(fā)車載充電器，實現(xiàn)以下突破：

FOD檢測時間：從傳統(tǒng)方案的500ms縮短至120ms，滿足車載振動環(huán)境下的快速響應(yīng)需求。

充電效率：通過數(shù)字PID動態(tài)調(diào)壓，系統(tǒng)效率從82%提升至89%。

工作溫度范圍：通過溫度補償算法，在-40℃~85℃環(huán)境下FOD檢測準確率保持>99%。

結(jié)語

基于STM32的無線充電發(fā)射端開發(fā)，通過數(shù)字PID控制實現(xiàn)了功率傳輸?shù)木珳收{(diào)節(jié)，結(jié)合多模態(tài)FOD檢測算法構(gòu)建了安全防護體系。從Qi協(xié)議的狀態(tài)機管理到EMC低功耗設(shè)計，每一層技術(shù)均針對實際應(yīng)用場景優(yōu)化。隨著無線充電功率等級向100W+演進，基于STM32的數(shù)字控制方案將進一步集成GaN功率器件與AI算法，推動消費電子與新能源汽車領(lǐng)域的能量傳輸革命。