采用Kinetis KL05Z32 MCU的无线充电接收器

作者: Stanislav Arendarik，飞思卡尔半导体

摘要：低功耗电池供电设备正在被广泛地使用，最方便的方式之一是借助无线输电技术为电池充电。

1. 介绍

低功耗电池供电设备正在被广泛地使用。这些设备需要定期进行充电，最方便的方式之一是借助无线输电技术为电池充电。通常使用锂电池。对于基于新的LiFePO4技术的型号来说，电池电压范围为3.0V ~ 4.2V DC或2.0V~ 3.6V DC。

本文介绍了如何创建采用飞思卡尔Kinetis KL05Z32 MCU控制的无线充电接收器(WCHRX) 和电池充电器。例如飞思卡尔 Kinetis Mini 系列低成本MCU，以及飞思卡尔MC3467x 系列专用锂电池充电器，都适用于创建这一系统。

2. 主要要求

WCHRX（无线充电接收器）的主要要求可分为几个要点：

●将电力高效地从接收器的线圈输送到电池

●完全掌控的充电过程

●符合Qi无线充电规范

●高度的灵活性-适用于各种类型的电池

●应用简单，非常可靠

3. 示意框图

推荐应用的示意框图如图1所示。


图1： 无线充电接收器示意框图。

每个框的功能可通过功率流描述说明。

来自高频电磁场的功率输入是线圈L1。所使用的频率范围为100kHz ~ 200kHz。该线圈与电容器C1和C2形成输电用的正确形状的调整曲线。如果将该线圈放在有源发射线圈的近场（贴近），则线路AC1和AC2之间的感应电压由MOSFET桥式整流器进行整流。 通常，该桥式整流器由两个N-MOSFET和Shottky二极管构成，更加简易。该选项适用于低功耗应用，支持的最大功率约为10 W。主要的限制是Shottky二极管的电压骤降，这样导致更高的整流电流，降低了整体效率并产生更多热功耗。

如使用简单控制的开关，整流后的DCBUS电压可直接用于电池充电。如使用MC3467x系列专用电池充电器，那么该电压可用作输入电压。 在这种情况下，电池充电器完全负责电池充电过程，它将充电状态提供给控制MCU。

LDO为控制MCU提供3.3V DC工作电压。该LDO的静态电流必须低，才能保证输出更高的效率和较低的压降。

控制MCU具有多种功能。它必须测量DCBUS线路上的输入电压和输入电流。 如使用简易开关，则还需测量电池电压，以准确地识别电池状态。 在使用专用电池充电器的情况下，MCU从充电器接收电池充电状态。

控制MCU使用串行通信信道和调幅器向无线电量变送器发送必要的消息。所发送的消息包含有关调节偏差以及实际接收的功率值的信息。接收的功率值根据测量的输入电压和输入电流进行计算。该MCU的功能是整个无线输电调节环路的一部分。

4. 控制MCU介绍

Kinetis KL0x MCU是低功耗、低成本控制器家族的成员，具有内置外设模块，能够提供力所能及的选项。它们可用于上述应用，也适用于专用应用的其他特性。 Kinetis KL0x系列MCU的内部模块如图2所示。


图2：Kinetis KL0x系列MCU的内部模块。

该系列MCU的主要特性包括：

●电源电压范围为：1.71 V ~3.6 V DC；

●工作温度范围：-40℃ ~ +105℃；

●32 位 ARM Cortex M0+内核；

●丰富的系统和电源管理功能集；

●48MHz 总线时钟，有丰富的内部和外部时钟源；

●高达 32KB 的闪存和64字节的高速缓冲存储器；

●高达 4KB 的 RAM；

●12 位 ADC、12 位 DAC和高速模拟比较器；

●1个6通道和1个双通道定时器模块；

●实时时钟和可编程中断定时器；

●广泛的通信接口-SPI、I2C 和低功耗 UART-都具有 DMA 存取功能；

在该电池充电器应用中，ADC 和定时器模块与 GPIO 输入/输出引脚结合使用。

5. 软件

控制MCU的软件取决于最终应用。输入功率测量（Vin和Iin）、输入功率计算和与无线电量变送器的通信是必选功能。这些功能构成主要的调节环路，处理电力输送。 其他功能如开关控制、电池电压测量、从电池充电器接收状态信息以及 LED 指示灯控制，都属于附加功能。 这些附加功能的使用取决于最终应用。

要点包括：

●进行必要的测量-输入电压和电流；

●根据 Qi 规范管理通信；

●控制电源开关或接收来自专用充电器的状态信号；

●管理应用的所有信令要求。

6. 结语

电池充电的无线输电成为日益普及的功能，出现在许多新应用中。它能够简单地添加到任何应用，在任何应用中实现，即使通过Kinetis KL0x系列等低功耗、低成本MCU控制器进行控制。