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型異物檢測 (FOD)、帶有私鑰存儲的發(fā)射器身份驗證等功能，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，而擴展功率配置文件 (EPP) 支持高達(dá) 15 W 的功率傳輸。

功能強大的智能手機可通過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)計人員能夠擴展更高的功率級別，并允許 OEM 提供差異化功能，同時保持 Qi 兼容。

汽車無線充電解決方案：實施

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獲得 Qi 認(rèn)證的解決方案，帶有一個本地互連網(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 Qi 認(rèn)證的解決方案，帶有一個補充 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。計算校準(zhǔn)的 PTx 功率后，將結(jié)果與最新報告的 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。

為防止錯誤斷開連接并改善用戶體驗，WLC1515 使用自適應(yīng)算法來區(qū)分真實 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。

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)。