【评测】可灵活配置、超低功耗的无线充电发射板WCT-5W1COIL

肖久 · 发表于 2016-7-4 10:40:53

目前市面上无线充电的方案非常多，但论成熟以及普及程度就莫属基于Qi标准的电磁感应式无线充电产品方案，如国外的Ti、飞思卡尔等，国内的凌阳，甚至说一些单片机方案，市场形势一片看好，目前似乎就差一个重量级的推手，而苹果的Apple Watch无疑是上佳“人选”。也就在不久前，拿到了一款基于电磁感应原理的无线充电发射端评估板方案——来自飞思卡尔半导体的WCT-5W1COILTX，如下。

WCT-5W1COILTX评估板
包装盒看上去非常大气简洁，不过奇怪的是盒内不是一套完整的无线充电收发方案，而仅有一个发射端评估板，倒是作为电源供给的DC适配器的插头配备了好几种，除此之外，还有一块转标准JTAG口的调试小板。

WCT-5W1COILTX包装盒内配件
飞思卡尔提供的适配器（5V/2.4A输出）设计得非常用心，在microUSB供电端处加上一个磁环，用于抑制共模噪声，防止适配器导线产生的干扰信号影响到无线充电电路。

加装磁环的5V/2.4A适配器
飞思卡尔无线充电发射板WCT-5W1COILTX
不得不让人赞叹，飞思卡尔无线充电发射板WCT-5W1COILTX设计得并不像一块单纯的评估板，更像是一个产品，电路板以及线圈固定在“私人定制”的塑料模具盒内，整体看上去非常精致。

飞思卡尔无线充电发射板WCT-5W1COILTX
WCT-5W1COILTX特性：

板卡设计符合低功耗WPC Qi 1.1规范
在芯片内部集成了数字解调
支持多种类型的接收调制信号（交流电容器，交流电阻和直流电阻）
支持FOD，并支持四种类型的外来物保护
支持符合Qi 1.1规范的采用5 V直流@1A输出功率的接收器
通过飞思卡尔的触摸技术支持超低的待机功耗
全桥拓扑结构的频率调制功率控制策略
用于Rx和Tx校准的LED指示
输入电压/电流，线圈中的电流感应保护
可通过FreeMASTER GUI工具进行定制和校准

WCT-5W1COILTX评估板主要由主控制板以及发射端线圈两部分组成，而主控制板电路又包括飞思卡尔的核心无线充电芯片MWCT1000DS，PWM驱动电路、全桥逆变电路、LC谐振电路、采样电路，用于超低功耗待机的触摸控制电路等组成，见下图

飞思卡尔无线充电发射板WCT-5W1COILTX原理框图
基于电磁感应式工作原理的无线充电发射端工作流程基本如上图所示的那样，通过PWM信号来驱动逆变电路，从而使直流电压转换成交流电压，又通过回路的采样电压、电流或者温度等不断调节PWM的频率达到合适稳定的输出，工作原理与爱板网拆解过的基于电磁感应式无线充电产品类似，不在累述。

飞思卡尔无线充电芯片MWCT1000DS

在这我们要重点介绍下飞思卡尔无线充电方案的不同之处，WCT-5W1COILTX无线充电发射板采用了飞思卡尔自家的无线充电芯片MWCT1000DS，这是一款低功率（5W）的无线充电解决方案，符合WPC联盟的Qi 1.1规范，芯片功能丰富，集成了触摸传感以及低功耗控制、数字解调、模拟检测、FOD（异物检测）、调试接口等，如下图。

飞思卡尔无线充电芯片MWCT1000DS系统框图

MWCT1000DS无线充电芯片特性：

无线充电低功率（5瓦）解决方案，符合联盟（WPC）标准的发射器设计
符合WPC联盟低功率无线充电的最新版本规范
支持广泛的直流输入电压范围，从启动4.2V，到典型值为5 V，12 V和19 V
片上集成数字解调
支持所有类型的接收机的调制策略（交流电容器，交流电阻和直流电阻）
支持异物检测（FOD）
动态输入功率限制，比如通过像USB供电的有限的输入功率
超低待机功耗（小于25毫瓦），通过飞思卡尔触控技术支持
可以通过频率和占空比来支持任何位置的单线圈功率发射解决方案
LED及蜂鸣器系统状态指示灯
过电压/电流/温度保护
基于软件的解决方案，以提供最大的设计自由与产品差异化
用于配置、校准、调试的FreeMASTER GUI工具

在WCT-5W1COILTX无线充电发射板中，MWCT1000DS是整个板卡的核心控制器，拥有丰富的低功耗I/O口，可以处理通信信号、控制电压的转换/停止、以及对于整个全桥PWM逆变电路的输出功率控制。比如：

GPIO口可用于驱动、LED、低功耗的控制；
PWM信号用于全桥DC/AC的逆变转换；
ADC用于输入电压、电流以及线圈电流的采样；
SCI用于串口调试；
I2C用于触摸芯片的控制，等等

MWCT1000DS的PWM信号频率符合WPC联盟规定的Qi 协议规范，工作频率范围为110kHz~205kHz，频率越小，输出功率越大，下图作为WCT-5W1COILTX开发板全桥逆变电路的输出功率与工作频率关系

WCT-5W1COILTX开发板输出功率VS工作频率
以我们所拿到的WCT-5W1COILTX开发板来说，线圈上的最大的输出功率为5W。

对于工程师来说，无线充电来的效率是极其重要的考量点，在这方面，飞思卡尔MWCT1000DS无线充电发射芯片做到了主流的水准，与标准的接收芯片（如Ti的bq51013A）之间最高的转换效率超过75%，如下图

MWCT1000DS的系统充电效率 VS RX输出功率（瓦特）
MWCT1000DS除了在效率上达到高水准外，内部集成的数字调制可以处理采样数据以及通信包数据等，减少了外围元器件，方便PCB布局的同时Cost Down Bom成本，动态功率限制技术可以使用户在使用如电脑USB口进行供电时很好的控制Tx输出功率。

可以说，采用飞思卡尔MWCT1000DS无线充电解决方案的优点非常多，不过爱板网工程师还是找出两个极为鲜明的特点，也可以说是这个WCT-5W1COILTX板子的特色功能。

硬件上可以通过飞思卡尔触摸控制技术实现低功耗待机（<5mA）
软件上可以通过FreeMASTER GUI工具对无线充电发射端进行配置、校准、调试

我们分别来细看这两个功能在WCT-5W1COILTX开发板上的体现

超低待机功耗的实现

首先是触摸控制技术，板卡搭载的是飞思卡尔接近式触摸传感器MPR121，见下图

触摸控制芯片MPR121
MPR121触摸控制器通过I2C接口与无线充电芯片MWCT1000DS连接，而触摸芯片检测端引脚通过导线连接到了线圈正面的检测区域（如上图所示）。

当没有在充电的时候，充电芯片控制器将关闭模拟电路电源（逆变器电路）降低功耗，并激活触摸传感器MPR121，此时评估板工作在LPSTOP（Low Power Stop）模式，仅有一个GPIO在监测来自触摸传感器的信号。

当无线充电接收目标板放置在充电区域内，触摸芯片检测到Tx充电区域电极电容的变化触发充电芯片的GPIO检测脚来实现电路进入充电状态，而飞思卡尔将这种触摸控制技术的引入可以将无线充电发射端待机功耗控制的非常好（<5mA），这对某些追求精益求精的公司来说是一个非常好的设计方案。

FreeMASTER GUI工具

其次，可以通过飞思卡尔免费的FreeMASTER GUI工具对WCT-5W1COILTX开发板进行校准、调试（此软件可以在飞思卡尔官网免费下载到）。

FreeMASTER GUI工具以及驱动
软件可以通过飞思卡尔P&E Multilink 以及USB TAP 调试工具与开发板建立通信，也可以通过其他调试工具如J-LINK或者UART来建立与板卡之间的通信。从而实现对无线充电发射端的配置、校准、调试，具体调试方法可以参考飞思卡尔的调试文档。

FreeMASTER GUI工具

WCT-5W1COILTX无线充电发射板上手实测
因飞思卡尔的无线充电板未提供接收端，所以爱板网工程师做了一些准备工作：

准备了一块符合Qi标准的无线充电接收板
一块5V供电的开发板，一些导线

具体步骤不累述了，连接完的示意图如下

无线充电测试连接图
在未有充电目标板放置在发射端充电区域时，正如上文所说的，充电芯片关闭了模拟电路电路，以降低功耗，此时我们看到充电芯片并没有PWM信号输出。

为防止无线充电接收面板时的信号
而当充电目标板放置在发射端充电区域时，充电芯片控制PWM信号开始工作，激活逆变电路，此时可以看到充电芯片PWM的工作频率大概为126kHz

放置无线充电接收面板时的PWM工作频率信号

而在发射端的输出交流电压大概为12V AC

对板卡进行供电时候的发射端交流电压输出

而此次的实验是根据所用的开发板的负载情况来进行充电的，不同的充电接收端充电芯片会有不同的PWM工作频率，不同的交流输出电压，但终究会限制在一个特定的范围，如这款飞思卡尔的充电芯片，输出电压在5~20V AC之间，如果脱离这个范围，采样电路会根据实际情况不断调整PWM的频率来达到稳定安全的输出。

小结

介绍了飞思卡尔无线充电板发射板WCT-5W1COILTX以及无线充电芯片MWCT1000DS的基本特性以及上手使用情况，飞思卡尔的无线充电方案在硬件上可以通过飞思卡尔触摸控制技术实现低功耗待机（<5mA），软件上可通过FreeMASTER GUI工具对无线充电发射端进行配置、校准、调试，非常方便易用，加之飞思卡尔完整的资料以及强大的技术支持背景，说WCT-5W1COILTX是一块评估板，倒不如说是一款有保障的产品。

官方技术资料：http://www.nxp.com/zh-Hans/produ ... gn:RDWCT-5W1COILTX?

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