恩智浦车载多线圈无线充电发射机解决方案

随着智能电子产品的发展，人们对其依赖性越来越高。然而杂乱的充电线时常会让消费者感到头疼，频繁插拔线材也会对接口造成一定损伤。于是，越来越多的电子设备开始采用无线充电的方式充电，车载无线充电发射机也显得越来越必不可少。

作为领先的无线充电整体方案核心供应商，NXP在充分理解不同客户需求的基础上，提供了多种性能优化的车载无线充电解决方案，致力于为用户提供更好的无线充电体验。

下面以NXP车载15W的无线充电方案WCT-15WAUTO13为例，让我们一起来看一看NXP车载无线充电的一站式无线充电解决方案。

无线充电解决方案

NXP WCT-15WAUTO13是基于NXP车规级无线充电发射控制器MWCT2013AVLH，专为汽车无线充电应用设计的15W多线圈发射机。MWCT2013AVLH集成了无线充电“Qi”协议的所有功能，同时考虑到了车辆复杂的运行环境，做了针对性的优化处理，以实现安全高效的无线充电功率传输，提供了高性能的无线充电系统。

首先来看看15W多线圈发射机WCT-15WAUTO13，如图所示:

图1 参考组件

系统组成

WCT-15WAUTO13外表看上去很朴实，内部结构却是很丰富的。下面通过系统框图介绍一下NXP 15W多线圈发射机系统的组成部分。

图2 系统框图

整个系统大致可以分为检测、功率调节和传输、充电控制这几个部分。

图3 汽车无线充电器WCT-15WAUTO13的案例电路板

图中标注出了通信、充电控制、检测、功率调节和传输等部分。在MP-A13拓扑中，由于PI 滤波器，有更好的EMC性能，可在车载环境大功率无线充电场景中发挥更大效能。

对整个无线充电装置有了大致的了解之后，我们再来看看NXP多线圈发射机都有哪些优秀的特性。

符合无线充电联盟WPC Qi V2.0版本规范

MP-A13拓扑，优化的EMC表现

支持多线圈（最多10线圈），增大有效充电面积

支持电压调节、频率调节等不同调节方式

支持Qi扩展功率配置接收机，输出功率15W，支持根据客户定制更高输出功率

优化的信号解调和异物检测

友好的FreeMASTER GUI工具，便于客户调试以及测试

到这里并没有结束哦，我们再来介绍一下板载芯片究竟是何方神圣。

NXP第二代无线充电发射机模拟集成电路进行了外设更新和功耗优化。MWCT2013A提供完整的控制器功能，在汽车环境中实现无线充电，认证最新WPC Qi V2.0以及未来具有新特性的所有版本规范。为了最大限度地提高设计自由度和产品差异化，该系列支持在汽车功率变换器设计中使用固定运行频率控制方法，如轨电压控制、移相控制或占空比控制。具有以下特性：

符合最新版本WPC Qi V2.0版本规范

支持发射机宽直流输入电压范围5V ~ 48V

集成数字解调

系统支持超低功耗待机模式

优化充电区域，灵活的线圈数量，避免每个通道的盲点

支持运行频率抖动技术，消除AM波段干扰，改善EMC

CAN-FD / I2C / SCI / SPI接口

过电压/电流/温度保护

符合AEC-Q100，PPAP

系统软件与功能

在软件方面，NXP车载多线圈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。

无线充电软件架构

图4 WCT库软件层

WCT库以二进制格式提供，而应用程序和电路板支持包（BSP）则以源格式提供，

WCT库中的主要模块包括：

•WCT状态机

•接收器检测与唤醒

•线圈选择

•Qi通讯模块

•PID功率传输控制

•基于功率损耗和Q值的异物检测

•快速接收端移除检测

WCT库API和WCT硬件抽象层（HAL）API以源格式公开，主要功能如下，

•库版本检索

•库初始化

•库主录入功能

•诸如Qi通讯中的回调函数

•线圈相关的HAL

•电压、电流感应HAL

•启用/禁用中断HAL

快充支持

可根据客户定制化要求支持更高的传输功率，完美支持市面上多种型号手机，功率传输可以达到40W~50W，支持通过协议握手，使手机进入快充模式，传输实例如图所示。

为了保证系统安全运行，防止金属性质的异物位于无线充电作用范围内导致高温损坏设备，NXP无线充电解决方案提供优化的异物检测功能。这是怎样实现的呢，我们再来补充介绍一下。

异物检测

目前在无线充电过程中，有三个阶段的异物检测FOD(Foreign Object Detection)，分别应用了两种异物检测方法。

Qi协议将无线充电过程划分为了四个阶段，分别是Ping，Configuration，Negotiation，Power Transfer阶段，起到外物检测、身份确认、协议建立、功率传输的作用，发射机有BPP(Basic Power Profile)、EPP(Extended Power Profile)两种类型。EPP类型具有由发射机向接收器的交流、Authentication等扩展协议中的功能，而BPP类型不具有Negotiation阶段，因此没有这些功能。

Pre-FOD发生在Ping阶段辅助外物检测，通过Q值检测的方式，确认当前在无线充电作用域内是否有金属等异物，避免异物被加热升温损坏设备。

Pre-powertransfer FOD在Negotiation阶段，通过Q值检测的方式，将通过接收器发送的信息对FOD相关的数据进行进一步的校准，达成更好的异物检测效果。

在启动向接收器的功率传输之前，发射机可以使用多种方法来检测异物。一种方法是分析其储能电路的Q值和谐振频率的变化，即Q值检测的方式。发射机线圈环境中的金属异物通常会导致其电感减小或其等效串联电阻增加。这两种效应都会导致发射机谐振回路的Q值降低。同时，发射机谐振回路的谐振频率也相应增加。接收器应发送包含参考Q值和参考谐振频率的数据包供发射机比较并确定异物是否存在。

自由谐振Q值检测是通过检测谐振信号的衰减率，Q值的检测信号如图6所示。为了得到系统的Q值，注入适当能量使LC振荡回路起振，采集谐振电压（或线圈电流）的ADC数据，可以得到信号的衰减曲线，从而可以计算得到衰减率。以图7所示为例，当需要采集Q值时，会使能PWM产生脉冲，从而在红色虚线圈，即串联谐振电容Cser、并联谐振电容Cpar和线圈Lp所在的回路，产生自由振荡，得到线圈的Q值。

由于其设计与参考线圈组件的设计不同，发射机需要将测量的Q值和谐振频率转换为参考线圈组件的Q值和谐振频率，NXP提供了转换方法，即自动校准功能。刷新软件后第一次上电时，发射机会进行自动校准并获取参数，然后将这些参数写入Flash。

图6 谐振信号示意图

图7 Q值检测示意图

图8 Q值阈值示例

In-power transferFOD发生在功率传输的过程中，如果存在异物，会导致功率损耗会相应增加，可以基于功率损耗方法检测异物。

功率损耗定义为发射功率PPT和接收功率PPR之间的差值，即PLOSS=PPT-PPR，可以理解为异物的功率吸收，如图9所示。

功率损耗基线的方程式为PLOSS=PPT-PPR。发射功率PPT表示由于发射机的磁场而离开发射机的功率，PPT=Pin-PPTloss，其中Pin表示发射机的输入功率，可以通过采样输入电压和输入电流来测量。PPTloss是发射机内部耗散的功率，可以通过线圈电流来估计。接收功率PPR表示由于发射机的磁场而在接收器内耗散的功率量，并且PPR＝Pout+PPRloss。功率Pout由接收器的输出端提供，PPRloss是接收器内部损失的功率。

当NXP WCT-15WAUTO13向BPP接收器充电时，将应用功率损耗基线。发射机连续监测PLOSS，如果它多次超过阈值，则发射机终止功率传输。如果是EPP接收器，将首先测量Q值和谐振频率，以检测是否存在异物。如果存在，发射机将向接收器发送数据包告知异物可能存在于充电作用区域中，并通过发送用于特定数据包等待接收器在BPP模式下工作。如果不存在异物，发射机可以在功率传输阶段进行在线校准，利用功率损耗来检测在功率传输期间是否出现了异物。

图9 功率损耗说明

FreeMASTER GUI TOOL

除了无线充电发射机本身，NXP还提供了配套的图形界面开发与测试工具及软件，方便用户调试与开发。下面就来具体介绍一下。

FreeMASTER是一种用户友好型实时调试监视器和数据可视化工具。FreeMASTER支持对正在运行的系统上进行非侵入式变量监视，允许以图形表示和准确数值等方式实时监控变量数据及其变化，并支持从软件界面中直接修改相关的变量供调试。为方便用户调试相关参数，NXP无线充电解决方案提供设置完好的FreeMASTER。除了基本面板显示，还提供了详尽的参数显示及其变化，供用户观察。

图10 FreeMASTER状态显示

图11 FreeMASTER运行状态显示

图12 FreeMASTER参数显示

小结

NXP 15W多线圈发射机WCT-15WAUTO13用于基于NXPMWCT2xx3A控制器IC系列的车载无线充电应用。系统支持40W功率传输，满足所有定制的快速充电要求。该平台使用汽车级组件和其他重要的汽车功能，包括EMC优化、安全功能和具有灵活应用程序的MISRA C合规软件，以确保系统可以无缝集成。

除此之外，另有多种使用不同芯片、支持不同平台的解决方案，可为不同客户定制不同的特性。欢迎大家深入了解和使用NXP车载无线充电解决方案。

审核编辑：汤梓红