利用PSoC1實(shí)現(xiàn)基于WPC協(xié)議的電力發(fā)送器設(shè)計(jì)
1, 無線充電概述
無線充電技術(shù)在消費(fèi)類市場(chǎng)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(jì)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(jī)到電動(dòng)汽車不一而足。
目前，無線充電技術(shù)主要有兩個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)在一個(gè)平面上為多個(gè)電器進(jìn)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(jìn)共振方式無線充電技術(shù)的發(fā)展。充電板與智能機(jī)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(jī)不與充電板接觸也可進(jìn)行充電。另外，該技術(shù)無需考慮電波，可為多臺(tái)智能產(chǎn)品同時(shí)充電，并可通過非金屬表面的物體進(jìn)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(yuǎn)不止這些。
2，WPC介紹
電感耦合方法可以實(shí)現(xiàn)高效和通用的無線充電。為了便于使用并且讓設(shè)計(jì)人員和消費(fèi)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(duì)。這種方法的一個(gè)重要的好處是其利用這些線圈來實(shí)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(qǐng)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(dòng)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(gè)兼容設(shè)備，同時(shí)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(gè)“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(shí)，電力發(fā)送器則進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。
3，基于PSoC1的電力發(fā)送器設(shè)計(jì)
電力發(fā)送器（其通常為一個(gè)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(gè)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(huì)發(fā)生變化，但會(huì)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(dòng)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(duì)一次線圈的控制及驅(qū)動(dòng)電路，它采用的是A1設(shè)計(jì)。
圖2， WPC電力發(fā)送器驅(qū)動(dòng)電路
其中，LM5107是線圈驅(qū)動(dòng)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(jì)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(hào)，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(gè)碼元持續(xù)時(shí)間開始時(shí)電平都發(fā)生躍變，如果在半個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間后電平再次躍變，則代表1；而在整個(gè)碼元持續(xù)時(shí)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(shí)現(xiàn)的原理圖如下圖4所示，
圖4，PSoC Designer設(shè)計(jì)原理圖
從上圖可以看到，對(duì)線圈的驅(qū)動(dòng)控制采用的是PWM模塊PWMDB8_1，其與Port2_5和Port2_7相連以驅(qū)動(dòng)控制LM5107芯片。 解調(diào)來自電力接收器的電壓信號(hào)，PSoC1使用了4個(gè)元件(Decode_Timer，PGA_1， COMP_1和OneShot_1), Decode_Timer模塊用來計(jì)時(shí)，PGA_1對(duì)接受到的微笑信號(hào)放大， COMP_1把模擬信號(hào)變數(shù)字信號(hào)，OneShot_1對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步并產(chǎn)生中斷，軟件就根據(jù)Decode_Timer計(jì)算的OneShot_1兩次中斷的時(shí)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(gè)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(gè)邏輯0
這里“T”為1bit傳輸時(shí)間
其軟件實(shí)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(shí)驗(yàn)和測(cè)試
經(jīng)測(cè)試，該電力發(fā)送器工作正常，接收器能正常充電，PSoC1對(duì)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(hào)電壓及電力發(fā)送器為解調(diào)而產(chǎn)生的中斷信號(hào)波形如下圖所示：
圖6， 調(diào)制及解調(diào)信號(hào)
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(hào)；channel1是電力發(fā)送器為解調(diào)而產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)中斷信號(hào)，軟件將根據(jù)channel1兩上升沿之間的時(shí)間間隔來解碼通信數(shù)據(jù)。
5， 結(jié)束語
本文對(duì)無線充電及WPC協(xié)議做了簡(jiǎn)要介紹，并提供了基于PSoC1對(duì)WPC協(xié)議的實(shí)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(cè)試論證，所以到產(chǎn)品化還有一段路要走。
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