基于FPGA的WPC标准无线充电器接收器解决方案

5. 数字模块

数字内核模块内置在FPGA中，其对功率接收器系统至关重要。

5.1 通信和PWM控制模块

WPC Qi标准从系统控制角度提供了功率传输阶段的详细说明。 从功率发射器到功率接收器的功率传输包含四个阶段：启动（选择）、ping、ID和C（识别和配置）以及PT（功率传输）。图5说明了这些阶段之间的关系。


图5：功率传输阶段

WPC Qi标准还定义了功率传输阶段中的严格时序要求。根据这些要求，本文给出了状态机，包括九种不同状态，并且将根据此状态机编写FPGA控制模块程序。图6说明了控制模块状态机。

每次将接收器板置于无线充电器垫上时，控制程序将进入状态0。如果连接(ping)成功，接收器将进入充电状态。这样控制程序将保持在状态5和6中，控制模块将发出控制错误包以调节充电电流，还将发送接收的功率包以实施FOD（异物检测）功能。


图6：控制模块状态机

5.2 计算和Rx及Tx模块

计算模块用于计算信号强度、控制错误和接收功率。在模拟模块中，ADC将向FPGA提供电压和电流信息，计算模块将获取信号强度、控制错误和接收的功率，并将其发送给Rx和Tx模块。

信号强度值可使用以下公式计算得出：



其中，U是监控的变量，Umax是最大值，即功率接收器在数字ping过程中预期该变量所达到的值。 请注意，功率接收器应在U≥Umax时将信号强度值设置为255。此处使用整流电压Vrec作为U，ADC将向FPGA提供10位数字化电压，而FPGA将用其计算信号强度。

接收功率值可由下式计算得出：



其中，最大功率和功率等级为配置包中包含的值，在低功率无线充电器应用中，最大功率应设置为10。按照WPC Qi 1.1.1版，功率等级应设置为0，这意味着功率接收器应向整流器输出提供– 5 W。请注意，此处公式2中的接收功率值不是实际值。应由下式转换：



其中，如果接收功率值为128，则意味着接收功率为5 W。

所有这些算法都在FPGA中实施。

Rx和Tx模块使用来自计算模块的数据来处理数据包，并将这些数据包发送至功率发射器。WPC Qi标准定义了通信中的数据格式。在每次数据传输中，将传输一个数据包。一个数据包由一个用于位同步的前同步码（11位以上1）、指明数据包类型的一字节消息头、消息信息（1..27个字节）和一个校验和字节组成。一个数据字节为11位串行格式。此格式由一个位起始位、八个数据位、一个校验位和一个位停止位组成。起始位为零。数据位的顺序从最低有效位(LSB)优先。校验位为奇数，停止位为1。数据位采用差分双相码编码，其速度为2Kbps。数据格式如图 7中所示。


图7：数据格式

6. 结论

通过测试和分析，演示板在主要OEM的无线充电器垫上运行良好。这表明系统稳定可靠，具有一些实用价值。图8显示了此解决方案用于在主要OEM的无线充电器垫上对手机充电。随着便携设备越来越普及，便利充电将成为不断增长的趋势，而无线充电可能是最佳选择。此解决方案采用一些分立式器件和一个FPGA，来验证Qi标准充电器接收器的设计，并对无线充电器接收器系统的架构和设计采用极高的技术参考值。随着无线充电器市场的发展，此方法可极轻松地集成到新的芯片中。


图8：无线充电器垫上的无线充电