找方案 | 基于Microchip dsPIC33CK 兼容Qi 1.3 标准的15W 多线圈无线充电发射端参考设计

 

随着近年来手机无线充电技术的进步, WPC 不断优化的无线充电标准（从Qi v1.2.4 到 Qi v1.3），加上5G 网络的普及，支持无线充电的智能手机出货量持续拉高。根据 Strategy Analytics 发布的最新研究报告，到 2021 年底，具备无线充电功能的智能手机市场存量将达到创纪录的 10 亿部，由图一我们看到配备无线充电智能手机的销量在亚太地区最为强劲——市场存量约占全球的 49%，其中中国占了大半份额。与此同时，北美的市场存量占 21%，西欧仅占 16%。

 

受手机终端市场的推动，应用场景的多元化驱使了手机无线充电向汽车领域的渗透，车载无线 充电也因此应运而生。目前国内几乎所有新上市的电动汽车都有支持 Qi无线充电，传统的燃油车 配置无线充电也逐渐从高端车型过渡到中低端车型，很多 Tier1 反馈说车载无线充电极有可能成为 今后汽车的一个标准件，由此看来车载无线充电拥有广阔地前景。那么中国的车载无线充电在技术 领域将来会呈现怎么的趋势呢？下面笔者来谈谈自己的想法： 

 

大功率快充

首先国内市场的车载无线充电将会支持大功率快充功能。无线充电联盟（WPC）在2021 年8 月发布了最新的Qi 1.3 标准规定了手机无线充电的发送端最大功率为 15W， 但是目前很多国产品 牌的手机都可以支持更大功率的无线充电，比如小米的 MIX4 支持50W 无线快充，荣耀的 Magic 3 Pro 配备了66W 的无线快充等等。而一辆配置 40/50W 的无线充电的汽车，半小时就可以帮你把手 机从低于 10%的电量充到接近 80%，这将会给客户带来极佳的用户体验。因为一般情况下，我们 的单程驾驶时间通常不超过 1 小时，而在这段时间内，配置大功率的无线充电模块几乎可以将我 们的手机电池充满。因此，将来国内车厂对无线充电模块的功能要求除了兼容 Qi 1.2.4/Qi 1.3 来支 持苹果和三星手机外，对国产手机必须支持大功率快充的功能。

 

以上主要是从需求端来分析的， 从技术端来看，首先工信部在 2021 年2 月发布《无线充电 (电力传输)设备无线电管理暂行规定(征求意见稿)》，该规定为国内无线充电提供了技术标准，根据规定，目前我国手机无线充电最高功率为 50W。其次，国内大功率无线快充技术日趋成熟，整个 无线快充供应链生态也日趋完善。目前国内的手机主要分为三大阵营：华为系、小米系和OPPO系。其中，易冲跟华为系深度绑定，伏达跟小米是战略合作， 也就是说如果要对华为系手机进行无线 快充，你要去找易冲寻求方案；如果要做小米系手机的无线快充，伏达是最优的选择。当然，无 论是伏达还是易冲，他们都拿到OPPO 的私有协议，都可以对 OPPO 系手机提供快充方案。现在 伏达和易冲都有进军汽车领域，为汽车的 Tier1 提供无线快充的方案，所以无线快充在中国的汽车 领域已经成熟了。 

 

Autosar 和功能安全

第二个技术趋势是 Autosar 和功能安全。AUTOSAR 是AUTomotive Open Systems ARchitecture 的 缩写，核心成员由欧洲、美国等大型 OEM 和头部Tier1 组成，包括大众、宝马、博世、大陆等。其意在定义一套标准的汽车电子软件架构方案，以便应用于不同的平台，提高软件复用，降低开 发成本。AUTOSAR 提倡的软件分层、模块化、接口的标准化，有利于降低软件的移植成本，提高 软件的复用度，方便项目的更新迭代。目前国内的整车厂绝大部分已经开始按照 Autosar 的构架来 开发整车的软件，一些核心的零部件也需要遵循 Autosar 的要求，所以车载无线充电模块将来也 极有可能需要满足 autosar 构架。当然了， 如果无线充电模块支持完整的 autosar 构架会增加系统的 成本，尤其是对主控 MCU 的flash 开销会大幅增加，所以很多 Tier1 可能会采用一个折中 的方案也 就是先支持部分的 Autosar, 比如CAN 的通信部分软件先按照 Autosar 的标准来。

 

 

AUTOSAR 还是一个符合 ISO26262 功能安全标准的软件架构，最近几年功能安全的呼声也越 来越高了。如图二， 在电动汽车里，BMS 需要满足 ASIL-D 等级要求， headlight 需要满足 ASIL-B 的 功能安全等级需求。无线充电模块跟行车的安全关系不大，所以对功能安全的要求应该不会太高， 基本上 ASIL-A/B 就应该可以满足整车厂的要求。跟 AUTOSAR 一样，如果无线充电模块需要满足相 应的功能安全等级要求，对系统成本，人力资源也会提出了不少额外的要求。由于现在国内的 Tier1s 相当部分都是面向全球的车企，所以对于功能安全的支持通常是国外的项目会首先要求支持，然后过渡到国内的一些合资车厂（如上海大众等），最后才会是本土的车厂。

 

NFC

NFC 全称为 Near Field Communication，是一种近场无线通讯技术，使用该技术的设备可以在彼此靠近的情况下进行数据交换。目前市面上的车载无线充电模块除了极个别的高端车型外，其余的基本不带 NFC 功能，但是这一局面很快就要改变。最初增加 NFC 功能的原因是为了防止无线 充电产生的充电磁场损坏你带有 NFC/RFID 功能的卡（比如银行卡、公交卡或者门禁卡等），但由 于增加了 NFC 功能，导致客户在软硬件上又增加了额外的成本，所以很多车厂在作了一番利弊权 衡 后，基本上都去掉了 NFC。但是随着越来越多的智能手机增加了 NFC 功能后，集成了 NFC 功能 的无线充电模块就会增加了 NFC 的应用范围，从而获得整车厂的青睐。NFC 感应功能可以用于手 机与车机互联时进行用户认证，还允许锁定/解锁车门并启动发动机， 当然 NFC 还可以完成座椅、 车内氛围灯调节、后视镜位置的个性化设置，极大地提升了用户体验。最后，双充或者多充也将成为将来的一个趋势，目前 Tesla Model 3 已经支持双手机无线充 电，可以预测国内的车厂应该很快也会跟进，无线双充／多充将会势不可挡。

 

以上所述的技术趋势对无线充电的方案提出了许多新的要求。首先是大功率，tier1s 需要从 手机厂拿到支持大功率充电的私有协议，然后把这个私有协议增加到现有的无线充电代码中去， 这就要求所选的方案能够开放源码；其次关于功能安全和 Autosar，要求无线充电方案中主控 MCU/DSC 能够提供支持功能安全（ISO26262）的开发包，具体包括主控芯片的安全手册，FMEDA 报告和功能安全诊断性代码库；该芯片还必须支持 AUTOSAR, 可提供 MCAL 驱动库，并且能够提供 512k~1M Flash 空间。而对于 NFC 的支持，客户除了在硬件上增加 NFC 芯片外，还需要在软件上增 加 NFC 的协议代码。最后针对双充或者多充，需要主控芯片具有强大的 CPU 性能和外设功能，同 时能够支持多个任务的实时处理，有些场合单核芯片可能满足不了，需要双核的芯片才能应对。

 

Microchip Qi v1.3 15W 无线充电发送端参考设计

美国微芯科技（Microchip）的dsPIC33C 系列数字信号控制器（DSC）能够很好地满足车载 Qi 无 线充电应用的挑战。它提供 100 MIPS 支持 DSP 运算的CPU，CAN/CAN-FD 模块, 280 ns 的高速 ADC， 250 ps 的数字电源专用PWM 模块和 15 ns 的片上高速模拟比较器以及 12bit DAC, 完全满足了无线 充电对主控 MCU 的需求，Microchip 可以提供开源的无线充电方案， 客户可以自行加入无线快充的私有协议来支持大功率充电，还可以加入 NFC 软件协议来支持 NFC 功能；dsPIC33C 系列芯片最大 Flash 容量可达 1 MB，可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的MCAL 驱动库来支持 Autosar 的开发;该系列还 提供单核（CK）和双核（CH）的产品，以满足客户开发无线双充或多充的需求；最后 dsPIC33C 系列芯片可以提供完整的功能安全（ISO26262）开发包, 包括安全手册，FMEDA 报告， TUV 认证过 的 ASIL-B/C 诊断性代码库和功能安全开发的应用笔记等来支持客户的功能安全开发。

 

车载无线充电的另一个挑战是Qi 1.3 认证，客户通常需要花费 3-6 个月的时间来完成认证。为 了帮助客户降低开发成本，减少设计风险和缩短开发时间，Microchip 在之前推出的 15W 兼容 Qi v1.2.4 规格的无线充电参考方案后，今年又推出了兼容最新Qi v1.3 标准的15W 无线充电发送端参 考设计，如图三所示。

 

Microchip 最新兼容 Qi 1.3 标准的15W 多线圈无线充电发射端参考设计采用上述的 dsPIC33C系 列的数字信号控制器（DSC）为主控芯片，该 DSC 灵活的软件架构可以支持可靠的异物检测（FOD），并能使你的设计成为一个高效的解决方案，支持专有的快速充电和加密认证，以满足 Qi 1.3标准。在适当的条款和条件下，Microchip 可为您提供设计文件和软件源代码，以方便你设 计时无缝连接，缩短开发周期。

 

该方案的主控是 dsPIC33C 系列数字信号控制器, 该芯片的特点以及在本设计中的主要功能如 下：

100 MIPS CPU 性能，Flash 容量从32K ~1 MB

可以提供单核（dsPIC33CK）和双核（dsPIC33CH）的选择

支持CAN/CAN-FD, 可以最多提供双路 CAN-FD

软件支持Qi 1.2.4或 Qi 1.3 协议

软件可支持四开关 buck/boost、CAN 通讯和加密认证等等

采用MPA13 拓扑构架来提升 EMC/EMI 的性能

软件方式实现数字解调来降低系统BOM

芯片通过AEC Q100 认证

支持兼容功能安全 ISO26262 ASIL B/C 等级,提供功能安全开发包

支持AUTOSAR, 可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的 MCAL 驱动库

 

这款设计采用了很多Microchip 的器件，包括 dsPIC33CK256MP506 主控芯片、ATECC608／ TA100 安全芯片，ATA6563 CAN 收发器以及其他一些 MOSFET 驱动芯片MIC4605/MCP14700 等 等。

 

 

 

►展示板照片

 

►方案方块图

 

►核心技术优势

• 可以提供单核（dsPIC33CK）和双核（dsPIC33CH）的选择

• 采用MPA13 拓扑构架来提升 EMC/EMI 的性能

• 软件方式实现数字解调来降低系统BOM

• 芯片通过AEC Q100 认证

• 支持兼容功能安全 ISO26262 ASIL B/C 等级,提供功能安全开发包

• 支持AUTOSAR, 可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的 MCAL 驱动库

• 支持可靠的异物检测（FOD）

 

►方案规格

• 软件支持Qi 1.2.4或 Qi 1.3 协议

• 软件可支持四开关 buck/boost、CAN 通讯和加密认证等等

• 100 MIPS CPU 性能，Flash 容量从32K ~1 MB

• 支持CAN/CAN-FD, 可以最多提供双路 CAN-FD

• 280 ns 的高速 ADC， 250 ps 的数字电源专用PWM 模块和 15 ns 的片上高速模拟比较器以及 12bit DAC