以下是采用MCU器件实现无线充电系统的应用设计关键步骤和技术要点：

一、系统架构设计

1. 基本组成

   • 发射端（TX）：MCU + 全桥/半桥逆变电路 + 发射线圈 + 通信检测电路
   • 接收端（RX）：MCU + 整流滤波电路 + 稳压电路（LDO/DC-DC） + 通信调制电路 + 负载设备（如电池）

2. 核心标准

   • 遵循Qi协议（WPC无线充电联盟标准），支持5-15W功率等级（可扩展更高功率）。

二、硬件设计关键点

1. 发射端（TX）硬件

• 逆变电路
  • 使用MOSFET搭建H桥，驱动频率通常为110–205kHz（Qi标准范围）。
  • 驱动电路：MCU的PWM输出→门极驱动器（如IR2104）→MOSFET。
• LC谐振网络
  • 发射线圈（L）串联/并联电容（C），拓扑可选SS（串联-串联）或LCC谐振（高效常用）。
• 通信检测电路
  • 接收端数据解调：通过线圈电压/电流采样→比较器→MCU GPIO捕获ASK调制信号。
• 异物检测（FOD）
  • 电流采样（互感器/精密电阻） + 电压采样 → MCU ADC，计算输入/输出功率差。

2. 接收端（RX）硬件

• 整流稳压电路
  • 全桥整流（肖特基二极管） + 电容滤波 → 同步降压芯片（如MP8709）输出稳定电压。
• 通信调制电路
  • 负载调制（ASK）：通过MOSFET切换并联电阻，改变发射端线圈电流。
• MCU供电
  • 低压启动电路：线圈感应电压→LDO（如HT7333）为MCU提供3.3V供电。

三、MCU软件控制逻辑

1. 发射端控制流程

graph TD
  A[上电初始化] --> B[发送数字Ping信号]
  B --> C{检测Rx响应？}
  C -- 无 --> B
  C -- 有 --> D[建立通信握手]
  D --> E[接收功率包请求]
  E --> F[调整PWM频率/占空比]
  F --> G[实时电流/电压采样]
  G --> H[异物检测FOD计算]
  H -- 安全 --> E
  H -- 风险 --> I[关断PWM报警]

2. 核心算法

• PID闭环控制
  • 根据接收端反馈的目标电压/电流，动态调节PWM占空比（例：增量式PID）。
• 谐振频率追踪
  • 通过相位检测（电流与电压相位差）自动调整PWM频率，保持谐振状态。
• 通信协议解析
  • 解码ASK信号：采用定时器捕获脉冲宽度，解析Qi协议数据包（前导码+包头+消息）。

3. 接收端控制流程

• 功率请求：监测负载需求，通过ASK信号发送控制错误包（Control Error Packet）请求调整功率。
• 保护机制：过压/过流/过温关断输出，并发送结束功率传输（EPT）信号。

四、MCU选型要求

1. 关键外设资源
   • ≥4路PWM（带死区控制，如STM32的TIM1/TIM8高级定时器）。
   • 12位ADC（≥4通道，用于电压/电流采样）。
   • 高速比较器（用于ASK解调，如STM32G4系列）。
2. 性能指标
   • 主频≥48MHz（满足实时控制计算）。
   • Flash ≥32KB（存储协议栈和算法）。
3. 推荐型号
   • STMicro：STM32F3/G4（带运放和比较器）
   • TI：MSP430FR5994（低功耗）或C2000系列（高精度）
   • NXP：LPC55S69（双核冗余备份）

五、安全与认证设计

• Qi协议合规
  • 通过WPC认证的MP-A11（15W）拓扑参考设计。
• 多重保护
  • 硬件过流保护（快速关断PWM）+ 软件FOD（阈值±100mW误差）。
• EMI优化
  • 线圈屏蔽层 + PCB铺地 + 开关频率抖动（Spread Spectrum）。

六、调试技巧

1. 线圈对齐检测：用MCU读取线圈电流幅值，电流突变指示对齐位置。
2. 谐振点扫描：PWM频率从100–250kHz扫描，找到电流最小的谐振频率点。
3. 通信模拟：用信号发生器模拟ASK信号，验证解码逻辑。

七、设计挑战与解决

• 挑战1：动态负载响应慢
  → 方案：采用预测PID算法，预判负载变化趋势。
• 挑战2：小金属异物漏检
  → 方案：增加多频点FOD检测（如150kHz/200kHz双频激励）。

八、参考设计资源

• ST官方参考：STWBC-MC（15W发射板） + STWLC68（接收端IC）
• 开发套件：TI BQ500212A评估板（含FOD库）
• 仿真工具：ANSYS Maxwell（线圈优化） + MATLAB Simulink（控制算法验证）

通过MCU实现的优势在于高灵活性（支持多协议/拓扑）和低成本（替代专用ASIC芯片），适合定制化无线充电场景（如无人机充电舱、医疗植入设备）。