探索bq501210 bqTESLA™无线电源发射评估模块

在无线电源技术领域，德州仪器（TI）的bq501210 bqTESLA™无线电源发射评估模块（EVM）——bq501210EVM - 756，为无线电源解决方案的设计带来了新的可能。今天，我们就来深入了解一下这个模块。

文件下载：BQ501210EVM-756.pdf

一、模块概述

bq501210EVM - 756是一款高性能、易于使用的开发模块，为无线电源解决方案的设计提供了便利。它提供了符合Qi标准的无线充电器垫的所有基本功能，其15 - V至19 - V输入的单线圈发射器，能让设计师加快终端应用的开发速度。该模块支持WPC v1.0、WPC v1.1和WPC v1.2接收器，与WPC v1.2 15 - W接收器配对时，支持高达15 W的输出功率。

二、应用与特性

2.1 应用场景

此评估模块展示了bqTESLA™无线电源系统的发射器部分，是一个完整的发射器端解决方案，可为bqTESLA接收器供电。它适用于各种需要无线充电的设备，如智能手机、智能手表等。

2.2 特性亮点

• 多标准支持：支持Qi认证的WPC v1.2标准，可与WPC v1.2 15 - W接收器实现15 - W的功率传输；也能为WPC v1.1或v1.2基线功率配置文件（BPP）接收器提供5 - W的解决方案。
• 灵活的输入电压：15 - V至19 - V输入可实现全15 - W的功率输出；12 - V输入适用于降低功率（>10 W）的解决方案；还支持4.5 - V至19 - V的输入，以满足不同的应用需求。
• 增强的异物检测（FOD）：具备FOD ping功能，可在功率传输前检测物体，支持WPC v1.2 FOD、WPC v1.1 FOD和WPC v1.0寄生金属物体检测（PMOD）。
• 紧凑的设计：采用bq500101 NexFET功率级设计紧凑的功率部分；使用bq500100电流监视器实现高精度电流检测；配备WPC MP - A5型发射线圈。
• 状态指示：通过LED和音频指示功率传输状态，方便用户了解模块的工作情况。

三、电气性能规格

3.1 输入特性

输入参数	输出功率条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入电压（VIN）	P OUT 高达15 W	15	-	19	V
	P OUT 高达10 W	12	-	19	V
	P OUT 高达4.5 W	4.5	5.0	19	V
输入电流（IIN）	V IN = 标称值，I OUT = 1.5 A at 10 V	-	2.0	-	A
输入空载电流	V IN = 标称值，I OUT = 0 A	90	-	-	mA
输入待机电流	V IN = 标称值	4	-	-	mA

3.2 输出特性

对于WPC v1.2 10 - V标称输出接收器，输出电压在V IN = 标称值，I OUT = 1.5 A，V OUT = 10 V时，范围为9.7 - 10.3 V；输出电流在V IN = 最小值至最大值，V OUT = 10 V时，范围为0 - 1.5 A。

3.3 系统特性

• 开关频率（fSW）：在启动时V IN > 6 V，开关频率为130 kHz；V IN < 6 V时，为110 kHz；V IN < 6 V且HVDCP从5 V变为9 V或12 V时，恢复到130 kHz。
• 效率：在V IN = 标称值，P Out RX = 13.0 W时，峰值效率可达84%；在V IN = 标称值，I OUT = 最大值时，满载效率也为84%。

四、连接器与测试点说明

4.1 输入/输出连接

• J1（VIN）：输入功率为12 - 19 V，推荐15 - 19 V以实现全15 - W的功率传输，返回端为J2。
• J2（GND）：输入功率的返回端，与J1配合使用。
• J3（JTAG）：仅供工厂使用，未进行填充。
• J4（串行接口）：I2C接口，用于与设备通信，可配合bqTESLA TX调谐工具监测设备行为。
• J5（Micro - USB）：用于HVDCP测试的Micro - USB输入。
• JP1（FOD / PMOD启用）：需安装短路跳线以启用FOD和PMOD功能，默认短路。
• JP2（LED模式）：如果移除R9，可用于连接外部LED模式电阻。短路时，设备禁用LED并抑制低功耗模式，默认开路。
• JP3（NTC）：用于连接外部温度传感器，默认开路。
• JP4（输入选择）：通过分流选择19 - V输入（J1）或Micro - USB输入（J5），默认选择J1的19 - V输入。

4.2 测试点说明

文档中详细介绍了25个测试点的功能，例如TP1用于FOD ping校准增益设置，TP2为H桥功率部分A的输出等。这些测试点为工程师在调试和测试过程中提供了便利，能够帮助他们更准确地了解模块的工作状态。

五、原理图与物料清单

5.1 原理图

文档中提供了6张原理图，包括完整原理图、发射器管理器原理图、电流检测原理图、线圈控制原理图和功率原理图等。这些原理图详细展示了模块的电路结构，为工程师进行电路分析和设计提供了重要依据。

5.2 物料清单

物料清单列出了模块中使用的各种元器件，包括集成电路、电感、电容、二极管、电阻等。每个元器件都有详细的参数和制造商信息，方便工程师进行元器件的选型和采购。

六、测试设置

6.1 设备要求

• 接收器：使用WPC v1.2 15 - W接收器进行评估，与bq51025EVM - 749配对时，系统可产生10 W的功率；使用低功率Qi兼容接收器，如bq51020EVM - 520或bq51013BEVM - 764时，最大输出功率为5 W。
• 电压源：为实现15 W的功率传输，输入电压源需提供15 - 19 V的稳压直流电压，并能提供至少2 A的连续负载电流，电流限制应设置为3 A。同时，建议使用符合相关安全标准的电源，以确保系统的安全性。
• 仪表：使用电压表监测15 - W接收器的输出电压，使用合适的电流表监测负载的输入电流。由于通信数据包的影响，测量发射器输入电流和电压时，仪表需使用平均功能以减少误差。
• 负载：需要一个7 - 12 V（取决于所使用的接收器）的单一负载，最大电流为2 A，负载可以是电阻性或电子性的。
• 示波器：使用双通道示波器和合适的探头观察15 - W接收器的VOUT和其他信号。
• 推荐线规：连接EVM到输入电源和15 - W接收器到负载时，建议使用22 - AWG的电线，以确保正常运行。

6.2 设备设置

• 验证跳线位置：JP1短路，JP2开路，JP3开路，JP4选择19 - V输入。
• 关闭电源，将电源连接到bq501210EVM - 756发射器。将VIN正电源连接到J1，负端连接到J2。在不放置15 - W接收器的情况下，将负载连接到OUT并返回GND，使用电流表监测负载电流，使用电压表监测负载电压。所有电压表应采用开尔文连接方式连接到感兴趣的点。

6.3 测试程序

• 无接收器启动：开启VIN，观察绿色电源LED D2闪烁，直到功率传输开始，LED D6、D7、D8、D9和D12均熄灭。将示波器探头连接到TX测试点TP15，观察大约每500 ms的单脉冲突发，以及随机间隔添加的数字ping，用于与接收器建立通信。
• 放置接收器：将15 - W接收器放置在发射线圈顶部，对齐RX和TX线圈的中心。几秒钟后，会听到TX发出的“哔”声，状态LED D6闪烁，表明发射器和接收器之间已建立通信并开始功率传输。此时，TX状态LED D6在功率传输期间闪烁绿色，典型的RX输出电压为10 V，输出电流范围为0 mA至1.5 A。
• 效率测量：通过测量输出电压、输出电流、输入电压和输入电流，计算系统效率，即输出功率与输入功率的比值。在TX和RX的输入和输出端连接电压表，并对输入电流进行平均处理。
• TX LED行为：LED D6、D7和D8的行为由LED_MODE引脚到地的电阻设置，默认值为42.2 kΩ。不同的LED在不同的工作状态下有不同的显示，如D2在待机时闪烁，功率传输和故障时点亮；D6在功率传输时闪烁；D7在故障时点亮，FOD警告时闪烁等。
• 热保护：通过连接到JP3的NTC电阻提供热保护。当感测端（T_SENSE）电压约为1 V时，设置热故障，设备关闭，状态LED D8点亮，系统将在5分钟后尝试重启。
• 异物检测（FOD）和寄生金属物体检测（PMOD）：bq501210 EVM支持多级保护，防止在功率传输过程中金属物体在磁场中发热。第一级通过短FOD ping检测大多数物体，使用电阻R47和R48进行调谐；第二级通过功率损失核算，比较传输到接收器的功率和接收器报告接收的功率，若未解释的功率损失超过R8设置的阈值，则设置FOD故障并停止功率传输。PMOD用于较旧的WPC v1.0版本接收器，通过R16设置阈值，移除R16可禁用此功能。
• HVDCP（高压专用充电端口）：HVDCP电路默认禁用，可通过插入0 - Ω电阻R60和R61以及8.66 - kΩ电阻R50来启用。启用USB端口时，需将跳线JP4设置为选择USB。当HVDCP电源插入J5时，5 V电压传递到系统，通过D + / D - 引脚的电阻进行更高电压的协商。启用电路后，两个LED将指示系统的电压水平，D9亮起表示系统约为9 V，D12亮起表示USB电压>12 V。
• 热性能：在10 - V 15 - W接收器输出使用1500 - mA负载时，输出功率约为15 W（1.5 A at 10 V），电路板上L2处的最高温度为35.5°C。

七、组装图纸与布局

bq501210EVM - 756的PCB设计采用4层、2 - oz铜包电路板，尺寸为13.2 cm × 7.24 cm，所有组件位于顶层4.0 - cm x 5.0 - cm的有效区域内，所有有效走线位于顶层和底层，方便用户在实际应用中查看、探测和评估bq501210控制IC。推荐使用4层PCB设计，以提供良好的低噪声接地平面，2层PCB可能会导致性能不佳。特别要注意电流检测原理图中的感测电阻R28，其布局对FOD性能至关重要，建议使用4端子电阻以消除焊锡连接电阻。此外，建议在发射线圈下方设置接地平面区域，以减少噪声耦合到接收器。

八、总结

bq501210EVM - 756无线电源发射评估模块为无线电源解决方案的设计提供了一个全面的平台。它具有丰富的功能和良好的性能，通过详细的文档和测试设置，工程师可以方便地进行开发和调试。在实际应用中，我们需要根据具体需求选择合适的接收器、电源和负载，并注意模块的各项参数和设置，以确保系统的稳定性和安全性。同时，对于模块的布局和布线，也需要遵循一定的原则，以提高系统的性能。你在使用类似的无线电源模块时，遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。