感應(yīng)充電和 Qi 規(guī)范

無線充電技術(shù)的范圍從感應(yīng)、磁共振和電容到射頻輻射、激光、聲學(xué)和其他新興技術(shù)。電感耦合技術(shù)是領(lǐng)跑者1;因此，其相關(guān)的Qi 標(biāo)準(zhǔn)在無線充電中最為流行。

感應(yīng)充電根據(jù)法拉第定律工作，其中功率發(fā)射器 (PTx) 線圈中的交流電會產(chǎn)生交變磁場。然后，該磁場與功率接收器 (PRx) 線圈相互耦合，并轉(zhuǎn)換回交流電流，為連接在接收器側(cè)的直流負(fù)載進(jìn)行整流。

無線電力聯(lián)盟 (WPC)管理該技術(shù)的相應(yīng)規(guī)范發(fā)布。目前，在 1.3.2 版本中，Qi 規(guī)范的新版本通過采用增強(qiáng)型異物檢測 (FOD)、帶有私鑰存儲的發(fā)射器身份驗(yàn)證等功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 無線充電的意圖, 和協(xié)議特性，以實(shí)現(xiàn)更好的互操作性。Qi 規(guī)范的基線功率配置文件 (BPP) 將最大輸出功率限制為 5 W，而擴(kuò)展功率配置文件 (EPP) 支持高達(dá) 15 W 的功率傳輸。

功能強(qiáng)大的智能手機(jī)可通過USB-C 接口進(jìn)行快速有線充電。使用 Qi 無線充電的用戶體驗(yàn)仍在不斷發(fā)展，為新的解決方案鋪平了道路。本文介紹英飛凌針對汽車應(yīng)用的第一代無線充電解決方案，該解決方案集成了最新的 Qi 發(fā)射器、DC/DC 控制器、柵極驅(qū)動器、傳感/保護(hù)外設(shè)和可配置閃存。我們的可編程解決方案提供更高級別的靈活性以及集成優(yōu)勢，使設(shè)計(jì)人員能夠擴(kuò)展更高的功率級別，并允許 OEM 提供差異化功能，同時(shí)保持 Qi 兼容。

汽車無線充電解決方案：實(shí)施

WLC1515：集成降壓-升壓和逆變器功率級

Infineon 的WLC1515 發(fā)射器控制器 IC是一款高度集成的 Qi 兼容無線發(fā)射器，具有集成的 DC/DC 控制器、MOSFET 柵極驅(qū)動器和硬件控制的保護(hù)功能。

WLC1515 使用集成降壓-升壓控制器生成所需的橋電壓，為全橋逆變器供電，而全橋逆變器又為 PTx LC 諧振回路供電，從而為 PRx 供電。升降壓轉(zhuǎn)換器支持 4.5 V 至 24 V 的輸入電壓范圍。

WLC1515 的集成柵極驅(qū)動器旨在控制全橋或半橋逆變器，具體取決于 Qi 規(guī)范類型和操作場景。圖 1 所示的 MP-A13 基于線圈的發(fā)射器系統(tǒng)對逆變器級使用固定頻率可變輸入電壓控制。

WLC1515 應(yīng)用用例

經(jīng)過 Qi 認(rèn)證的汽車無線充電解決方案可分為三個(gè)空間：

· 基本型號：這包括 WLC1515 和OPTIGA? Trust Charge 設(shè)備。

· 中檔型號：這包括帶有PSoC? 微控制器 (MCU)的基本型號，以支持帶有額外 GPIO 的車輛控制器局域網(wǎng) (CAN)總線接口。

· 高端型號：這包括帶有TRAVEO? T2G MCU的基本型號，以支持 CAN 總線、NFC 和 AutoSAR。

基本模型提供了一個(gè)獲得 Qi 認(rèn)證的解決方案，帶有一個(gè)本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN)接口，用于與車輛的板控制模塊進(jìn)行通信。

中檔型號提供了一個(gè) Qi 認(rèn)證的解決方案，帶有一個(gè)補(bǔ)充 MCU (PSoC?) 以支持 CAN 接口和 GPIO 以支持風(fēng)扇和其他接口。

高端型號提供 Qi 認(rèn)證解決方案，帶有補(bǔ)充 MCU (TRAVEO? T2G) 以支持 AutoSAR 合規(guī)性、CAN 接口、NFC 堆棧和 GPIO 以支持風(fēng)扇和其他接口。

安全通信和身份驗(yàn)證

Qi EPP 標(biāo)準(zhǔn)要求雙向帶內(nèi)通信。從 PTx 到 PRx 的通信基于 PTx 實(shí)施的頻移鍵控 (FSK) 方案，交替載波頻率。從 PRx 到 PTx 的通信基于幅移鍵控 (ASK) 方案，該方案通過調(diào)制 PRx 側(cè)的負(fù)載，導(dǎo)致在 PTx 上出現(xiàn)反射，該反射被過濾和解碼。

Qi 1.3.x 規(guī)范要求對大于 5 W 的 EPP 功率傳輸進(jìn)行身份驗(yàn)證。它遵循依賴公鑰和私鑰對來加密和解密內(nèi)容的公鑰加密。私鑰是最敏感的安全憑證，必須安全存儲。公鑰通常是二進(jìn)制證書的一部分，該證書通過帶內(nèi)通信介質(zhì)傳輸給接收方。

根據(jù) Qi 規(guī)范，PTx 必須將產(chǎn)品單元的私鑰安全地托管在存儲子系統(tǒng)中，以用于數(shù)字簽名。此私鑰用于對來自電力發(fā)射器設(shè)備的質(zhì)詢驗(yàn)證響應(yīng)進(jìn)行數(shù)字簽名。我們的解決方案使用OPTIGA? Trust Charge 設(shè)備存儲此私鑰。

異物檢測

WLC1515 發(fā)射器控制器還支持基于 Q 因數(shù)、諧振頻率、功率損耗和過溫(如果使用熱敏電阻)方法的增強(qiáng)型 FOD。

Q 因數(shù)和諧振頻率測量用于功率傳輸階段之前的 FOD。PRx 報(bào)告使用 Qi 定義的參考線圈校準(zhǔn)的 Q 因子和諧振頻率參考值。PTx 將報(bào)告值與其現(xiàn)場測量值進(jìn)行比較，以確定是否存在異物。比例因子用于將 PRx 報(bào)告的 Q 因子和諧振頻率值轉(zhuǎn)換為與參考發(fā)射器線圈等效的值，并適應(yīng)測量變化。

功率損耗法主要用于功率傳輸階段。功率損耗 FOD 使用在降壓輸出端測得的 PTx 功率，該功率饋送到逆變橋。通過調(diào)整 FOD 系數(shù)來進(jìn)一步調(diào)整此 PTx 功率，以考慮逆變器損耗和友好金屬損耗。計(jì)算校準(zhǔn)的 PTx 功率后，將結(jié)果與最新報(bào)告的 PRx 功率值進(jìn)行比較。如果校準(zhǔn)的 PTx 功率和 PRx 功率之間的差異超過 P損耗閾值，則會記錄 FOD 事件。

為防止錯(cuò)誤斷開連接并改善用戶體驗(yàn)，WLC1515 使用自適應(yīng)算法來區(qū)分真實(shí) P損耗FOD 與由不良耦合 PRx 引起的P損耗。FOD 系數(shù)和 P損失閾值是完全可配置的，以適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

結(jié)論

過去幾年，智能充電技術(shù)的組件和應(yīng)用發(fā)展非常迅速。雖然大量的焦點(diǎn)集中在將有線充電標(biāo)準(zhǔn)化為 USB-C 8以啟用通用連接器，但也有一種趨勢是使充電對各種用戶群體更加普遍和方便——這是無線充電的原動力。

我們采用英飛凌 OPTIGA? Trust Charge Authentication 的無線充電解決方案為希望開發(fā)符合 Qi v1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射器的 OEM 提供了極具吸引力的物料清單價(jià)值主張。諸如自適應(yīng) FOD、對專有協(xié)議的支持、DC/DC 控制器集成和軟件庫等關(guān)鍵特性使我們的平臺獨(dú)一無二，并且能夠很好地滿足感應(yīng)無線充電的專有和新興 Qi 標(biāo)準(zhǔn)。