恩智浦磁吸无线充电解决方案

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：

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：

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)。

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。

图4：谐振电路开关切换配置（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。

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

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：

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。

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：

图9：MPP Full Mode实测线圈电流（128kHz）

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：

图11：DDM硬件电路框架

DDM实测的采样波形如下：

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。硬件电路实现和DDM一样，仅RC参数有变化。

图13：Q值检测硬件电路框架

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。

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。而模型中有一项电路损耗（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。

图15：FreeMASTER 电路损耗估算界面

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。

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。

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。