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简单理解：Qi 无线充电

news 2026/7/25 23:25:38

Qi 无线充电（WPC 标准）是目前最通用的电磁感应式无线充电技术，核心是高频交变磁场耦合 + 双向数字通信 + 异物检测（FOD），广泛用于手机、耳机、车载、智能家居等。

下面直接给你完整理论 + 硬件架构 + 协议流程 + 发射 / 接收代码（STM32）。

一、核心原理（电磁感应）

物理基础：法拉第电磁感应
- 发射端（TX）：DC →高频逆变（110–205 kHz）→ 发射线圈产生交变磁场
- 接收端（RX）：线圈感应出 AC →整流 + 滤波 + 稳压→ 给电池 / 负载供电
关键参数
- 工作频率：110–205 kHz（BPP/EPP 标准频段）
- 功率档位：
  - BPP (Baseline Power Profile)：5W (5V/1A)
  - EPP (Extended Power Profile)：15W (9V/1.67A)
  - Qi2/MPP：最高 30W（磁吸对准）
- 效率：5W≥70%，15W≥65%
- 通信：负载调制（RX→TX）+ ASK/FSK（TX→RX）

二、系统架构（TX + RX）

1. 发射端（TX）典型结构

输入：5V/9V/12V（USB-C/DC）
主控：MCU（STM32）或专用 Qi 芯片（TI BQ50021、ST STWBC）
逆变：全桥 H 桥（4×MOSFET）+ 栅极驱动（EG2133/IR2104）
谐振槽：TX 线圈（L=10–20μH）+ 谐振电容 C（f₀=1/2π√LC）
检测：电流采样、电压采样、异物检测 FOD、NTC 温度
通信：解调 RX 的负载调制信号

2. 接收端（RX）典型结构

RX 线圈（L≈8–12μH）+ 谐振电容
整流：全桥同步整流（高效率）或二极管整流
稳压：LDO 或 DC-DC（5V/9V 输出）
协议芯片：TI BQ51013/BQ51221、IDT P9221
通信：负载调制（改变线圈负载）向 TX 发指令
保护：过压、过流、过温

三、Qi 协议核心流程（状态机）

标准 Qi 握手必须走以下状态：

IDLE（待机）
- 低功耗，周期性发Ping 信号检测物体
Analog Ping
- 短脉冲，检测是否有金属 / RX 线圈
Digital Ping
- 发送 ASK 信号，RX 应答（负载调制）
Identification & Configuration
- RX 发 ID、版本、功率能力
Power Transfer（正式充电）
- RX 通过负载调制实时请求功率（调整占空比 / 频率）
End Power / Fault
- 充满 / 异常（过温、FOD、过压）→ 停机

四、硬件关键设计（必看）

TX 线圈与 PCB

线圈：利兹线（多股）绕制，外径 40–50mm，L=12–18μH，Q>100
谐振电容：C0G/NPO 高频电容（低 ESR）
禁铜区：线圈下方全层挖空（减少涡流损耗）
差分走线：H 桥输出到线圈等长、宽线、短路径
匹配电阻：100Ω（通信解调）
FOD：通过电流 / 频率偏移检测金属异物（最容易失败）

RX 线圈

外径 30–40mm，L=10μH 左右
磁片：铁氧体 / 纳米晶隔磁、增强耦合
整流：用同步整流 MOS 管（效率比二极管高 10%+）

五、发射端代码（STM32 实现 Qi 状态机 + 逆变驱动）

1. 定义与初始化

#include "stm32f1xx_hal.h" // Qi状态机 typedef enum { QI_IDLE, QI_ANALOG_PING, QI_DIGITAL_PING, QI_IDENTIFY, QI_POWER_TRANSFER, QI_FAULT } QiState; QiState qiState = QI_IDLE; // 引脚定义 #define TX_EN_Pin GPIO_PIN_0 #define TX_EN_GPIO_Port GPIOA #define PWM_HA_Pin GPIO_PIN_6 // H桥A相 #define PWM_HB_Pin GPIO_PIN_7 // H桥B相 // 全局变量 uint16_t pwmDuty = 30; // 初始占空比 uint8_t rxPowerReq = 5; // RX请求功率等级 uint32_t pingTimer = 0; // 函数声明 void Qi_StateMachine(void); void TX_PWM_Start(uint16_t duty); void TX_PWM_Stop(void); uint8_t Detect_Rx_Device(void); void FOD_Check(void);

2. Qi 主状态机（核心）

void Qi_StateMachine(void) { switch(qiState) { case QI_IDLE: // 每500ms发一次Ping if(HAL_GetTick() - pingTimer > 500) { pingTimer = HAL_GetTick(); qiState = QI_ANALOG_PING; } break; case QI_ANALOG_PING: TX_PWM_Start(20); // 短脉冲 HAL_Delay(10); if(Detect_Rx_Device()) { // 检测到RX qiState = QI_DIGITAL_PING; } else { TX_PWM_Stop(); qiState = QI_IDLE; } break; case QI_DIGITAL_PING: // 发送ASK握手信号 TX_PWM_Start(30); HAL_Delay(20); if(/* 收到RX应答 */1) { qiState = QI_IDENTIFY; } else { TX_PWM_Stop(); qiState = QI_IDLE; } break; case QI_IDENTIFY: // 读取RX的ID/功率配置 // ... 通信解析 ... qiState = QI_POWER_TRANSFER; break; case QI_POWER_TRANSFER: // 异物检测 FOD_Check(); // 根据RX请求动态调整PWM占空比 pwmDuty = 30 + (rxPowerReq * 5); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwmDuty); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, pwmDuty); // 过温/过流保护 if(/* 温度>60℃ || 过流 */0) { qiState = QI_FAULT; } break; case QI_FAULT: TX_PWM_Stop(); HAL_Delay(1000); qiState = QI_IDLE; break; } }

3. PWM 驱动（H 桥）

// 启动H桥PWM（互补带死区） void TX_PWM_Start(uint16_t duty) { HAL_GPIO_WritePin(TX_EN_GPIO_Port, TX_EN_Pin, GPIO_PIN_SET); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty); __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, duty); HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2); } // 停止PWM void TX_PWM_Stop(void) { HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_2); HAL_GPIO_WritePin(TX_EN_GPIO_Port, TX_EN_Pin, GPIO_PIN_RESET); }

4. 主循环

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_TIM3_Init(); // 150kHz PWM（对应Qi频率） while(1) { Qi_StateMachine(); // 1ms周期调用 HAL_Delay(1); } }

六、接收端代码（简化：负载调制发功率请求）

// RX通过控制负载通断（负载调制）向TX发信号 void RX_Send_Power_Request(uint8_t level) { // 负载调制：短时短路/断开整流负载（发送FSK/ASK） // 示例：发3bit功率等级 for(uint8_t i=0; i<3; i++) { if(level & (1<<i)) { // 发送'1'：导通负载 HAL_GPIO_WritePin(LOAD_MOD_Pin, GPIO_PIN_SET); } else { // 发送'0'：断开负载 HAL_GPIO_WritePin(LOAD_MOD_Pin, GPIO_PIN_RESET); } HAL_Delay(5); // 位宽 } } // 主逻辑 void RX_Main(void) { if(/* 整流电压正常 */1) { // 请求5W（等级5） RX_Send_Power_Request(5); } }

七、常用专用芯片（推荐方案）

发射端（TX）
- TI：BQ500211A（5W/15W 集成，带 FOD）
- ST：STWBC-EP（15W EPP，支持 Qi2）
- 国产：智融 SW5000、英集芯 IP6809
接收端（RX）
- TI：BQ51221（15W 同步整流）
- IDT：P9221-R（15W，高集成）
- 国产：南芯 SC8002、芯海科技 CS32G021