如何进行无线充电器的电路设计？

设计无线充电器电路需要系统性地规划功率转换、高频振荡、磁谐振耦合等关键模块。以下是详细的电路设计步骤和关键技术要点，以电磁感应式（Qi标准）为例：

一、基础架构设计

1. 发射端（Tx）电路

graph LR
A[输入电源] --> B[整流滤波]
B --> C[DC/DC降压]
C --> D[全桥/半桥逆变]
D --> E[LC谐振发射线圈]
E --> F[控制与检测电路]

2. 接收端（Rx）电路

graph LR
G[接收线圈] --> H[谐振电容]
H --> I[整流桥]
I --> J[同步整流/LDO稳压]
J --> K[负载设备]

二、关键模块设计细节

1. 发射端核心电路

逆变拓扑选择
- 半桥逆变（低成本方案）
```
circuit
VDC+ -- Q1(MOSFET) -- L1 -- C1 -- GND
VDC+ -- C2 -- Q2(MOSFET) -- GND
L1与C1串联谐振
```
- 全桥逆变（高效率方案）：4个MOSFET组成H桥驱动LC谐振
谐振参数计算
- 谐振频率：符合Qi标准(110-205kHz)
```
f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{L_p C_p}}
```
- 典型值：线圈电感10-30μH，匹配电容100-200nF（需实测调整）

2. 控制与通信

主控芯片方案
- 推荐型号：ST STWBC（发射） + STWLC（接收）
- 功能集成：PWM调制、FSK/BPSK通信、异物检测(FOD)
通信机制
- Rx通过负载调制向Tx发送数据包（包结构见Qi v1.3）
- Tx监测电流/电压相位差实现异物检测

3. 接收端电路

高效整流方案
- 低压降同步整流：MOSFET替换二极管 (如TI BQ51013方案)
```
circuit
AC+ -- Q3(MOS) -- VOUT
AC- -- Q4(MOS) -- VOUT
Q3/Q4由整流控制器驱动
```
稳压输出
- 两级稳压：DC/DC降压 + LDO (输出纹波<50mV)
- 过压保护：瞬态电压抑制二极管(TVS)

三、线圈设计要点

线圈结构
- 多股利兹线绕制（减少趋肤效应）
- 层间加隔磁片（提升耦合系数至0.7+）
参数优化
- 线径计算：电流密度≤5A/mm²
- 典型参数示例：功率等级电感(μH) 线径(mm) 匝数
  
  5W 15±2 0.3×20股 16
  
  15W 24±3 0.4×40股 20

典型参数示例：	功率等级	电感(μH)	线径(mm)	匝数
5W	15±2	0.3×20股	16
15W	24±3	0.4×40股	20

四、安全与认证要求

强制保护功能
- FOD（异物检测）：功率损耗法 + 温度传感器
- 过温保护：NTC热敏电阻反馈至控制器
EMC设计
- 输入EMI滤波器：共模电感 + X电容
- PCB铺地技巧：线圈下方开槽减少涡流损耗
认证测试项目
- 传导辐射（EN55032）
- 热成像测试（表面温升≤15℃）

五、调试步骤示例

谐振点校准
- 网络分析仪扫频观察S21参数
- 调整Cp使相位曲线过零点在目标频率
动态负载测试
- 0.5A→2A阶跃负载下观察输出电压波动（要求恢复时间<100ms）
通信可靠性验证
- 示波器捕捉通信包解码（误码率<10⁻⁶）

六、推荐开发资源

参考设计
- TI 15W参考设计（PMP40766）
- NXP Qi 30W方案（TEA1901）
仿真工具
- ANSYS Maxwell（电磁场仿真）
- LTspice（环路稳定性分析）

关键提醒：量产前必须通过Qi认证实验室测试（如UL、WPC授权实验室），认证周期约8-12周。高频功率电路布局需遵循"一字型"走线规则，避免地回路干扰。

此设计框架覆盖15W以内主流方案，如开发更高功率等级（如EPP 30W），需关注GaN器件应用及液冷散热设计。实际开发建议从成熟EVT套件入手（如IDT P9038开发板）。

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