简介《无线充电系统原理介绍——Qi协议5阶段、ASK电压动态调节及RT1650实例》是一份面向电源管理、消费电子与无线充电方向工程师及高校学习者的技术文档聚焦Qi低功率无线供电的完整链路从电磁感应传能、WPC标准到接收端控制展开。压缩包仅含1个PDF文件约1.9MB便于集中阅读与方案查阅。内容围绕RT1650无线电源接收器梳理Qi通信的探测、身份验证、配置、同步与功率传输五阶段并说明ASK调制、电压动态调节、异物检测及系统效率等关键机制结合Nokia DT601发射器与RT1650评估板演示启动、通信和调压流程。已有1952人学习适合需要理解协议实现与接收端设计细节的读者参考。1. 从“放上去就能充”说起为什么难的不是传能量很多人对无线充电的第一印象是两个线圈对着磁通量穿过去就完事了。真正拆开一套 Qi 协议的无线充电系统会看到能量传输反而是整条链路里最省心的一段磁感应耦合的距离只有几毫米系统效率做到 70%~80% 并不难。麻烦的是另外三件事——发射端凭什么判断上面放的是手机还是一串钥匙接收端在没有独立射频发射链路的前提下怎么把“再多给一点功率”这句话传回去以及整流出来的电压为什么不能稳住、反而要故意留出一大截余量再做动态调节。这三个问题分别对应 Qi 规范的五阶段握手、ASK 反向散射调制和电压动态余量控制把它们串起来看手机歪一点就断充、线圈和金属片之间夹张纸就可能烧穿这些现象就都有了物理层面的解释。2. Qi 的五阶段握手一次充电其实是一场先签约后供电的谈判把手机放上去到真正开始灌电流中间隔着一段外人看不见的对话。Qi 低功率规范把它拆成探索、识别、配置、功率传输、结束五个阶段每个阶段都有明确的报文类型、超时时间和失败回退路径。这套设计的核心诉求不是“快”而是“在不确定对方是谁的情况下绝不盲目加功率”。发射端在待机时的平均功耗被压到几十毫瓦量级靠的就是只在必要时刻发一次探测脉冲其余时间处于休眠。2.1 模拟 PING 与数字 PING发射端怎么在 70mW 里摸黑找设备发射端不可能一直驱动线圈那样既费电又不安全。它的做法是周期性打一个短促的脉冲出去行话叫 PING。第一层是模拟 PING用固定频率、极短的时间驱动半桥或全桥然后测量功率级谐振点的电压、电流或者相位有没有偏移。线圈上什么都没放时谐振网络的品质因数和阻尼是确定的一旦有金属物体靠近等效阻抗立刻改变谐振波形随之变形。这一层检测不耗多少能量但它只能回答“有东西”回答不了“是什么东西”。第二层是数字 PING脉冲能量足够大能通过磁耦合在接收端整流出一个可用的电压把接收端的控制电路唤醒。接收端醒过来之后不能白吃这口电必须在规定时间内回一个信号强度包Signal Strength把当前耦合到的能量水平量化成一个 0~255 的数值发回去。发射端拿到这个数值就能判断耦合强度是否足够支撑后续的功率传输——太弱说明位置偏了它会重新进入探测循环而不是硬上。注意规范允许发射端只用数字 PING跳过模拟检测。这种做法的待机功耗会高一些但省掉了对谐振点漂移的敏感判断成本更低。案例里那款市售的 A11 型单线圈发射器走的就是这条路没放设备时的平均待机功耗大约 70mW。2.2 识别与配置接收端报上 WPC 版本和最大功率信号强度包让发射端确认“有个能说话的设备”接下来要确认“这个设备要多少电、按哪一版协议说话”。识别阶段接收端发识别包里面装着规范版本号、厂商代码和设备标识配置阶段再发配置包把功率等级、最大输出功率、以及一些必要的能力位报上去。这两个阶段的意义在于发射端从此知道该用多大的功率上限去驱动线圈也知道对方能不能解调自己下发的扩展信息。报文本身不长但结构很讲究。每个包都是前导比特加报头字节加数据字节加校验字节的组合接收端还维护一个包计数器发射端靠它判断有没有丢包。配置完成之后发射端会启动一个超时计时器如果在一段约定时间内收不到有效的后续包它会判定谈判破裂切断功率、退回探测状态。这是防止“半途失联却还在灌电”的第一道闸门。阶段主要报文/动作发射端拿到什么超时后的行为探索模拟 PING / 数字 PING是否有物体、耦合强弱回到低功耗待机继续周期探测识别识别包规范版本、设备身份终止本次会话回探测配置配置包功率上限、能力位终止本次会话回探测功率传输控制误差包、收到功率包、充电状态包功率增减请求、损耗比对依据按错误类型限时重试再失败则断电结束结束功率传输包结束原因码立即断功率回待机2.3 功率传输阶段控制误差包、收到功率包与结束合约进入功率传输后接收端的角色变成一个只会提请求的传感器。它持续测量整流后的电压跟内部目标值比对把偏差折算成控制误差包发出去误差值为正表示“给多了”为负表示“给少了”。发射端收到就增减驱动幅度或者微调频率。规范要求这个包周期性发送负载突变时还要加密发送频率因为环路响应本来就慢报文再稀疏就彻底跟不上。另一类关键报文是收到功率包周期比控制误差包慢得多。接收端把自己算出来的接收功率打包上报发射端拿它跟自己测得的发射功率做差差值超过阈值就触发异物检测。这个机制后面还会展开先记住一点它是一个跨设备的功率对账对账精度依赖双方损耗模型的准确性。最后是结束功率传输包。电池充满、用户拿走设备、接收端过温都会走这条路径报文里带一个原因码告诉发射端为什么要停。发射端收到立即撤功率回到待机。这条路径的存在感很低但没有它一次异常拔出就可能让发射端长时间空烧线圈。2.4 为什么决策权必须在发射端单向闭环的状态机设计看完整套流程会发现一个有意思的偏心接收端什么都没法直接决定它只能说“多一点”“少一点”“我收到了多少”“我要走了”。这个设计不是偷懒而是物理约束逼出来的。接收端不知道发射端的线圈电感量、不知道驱动桥的母线电压、不知道当前耦合系数它连自己线圈上的电压都不能直接测——那是交流几百 kHz还带着调制。它能可靠观测的只有整流之后的直流量。把决策权留在发射端等于把所有执行机构的差异都封装在一侧不同厂商的发射端可以用调频也可以用调幅只要语义上能响应“增减功率”这个请求就行。接收端不需要为每一种发射端写一套控制逻辑。这种“请求-执行”的单向闭环代价是响应速度受限于通信往返收益是协议层的可移植性。这个代价直接导致了下一章的调制方式和第四章的电压余量策略。3. ASK 反向散射接收端没有射频发射机凭什么能跟发射端讲话从接收端到发射端的这条上行通道是无线充电里最容易被忽略也最精巧的一环。接收端手上没有任何独立的发射器件它不能凭空产生一个射频信号打回去因为那要多一套振荡器和功放成本、体积、功耗都不划算。它用的是负载调制也叫反向散射不去发射能量而是改变自己吸收能量的方式让发射端从自己的线圈电流里“感觉”到变化。这个思路跟无源电子标签是同一套物理逻辑。3.1 调制电容与阻抗反射把“说话”变成线圈电流的抖动具体实现是在接收线圈两端并一个调制电容中间串一个开关管。开关闭合时这个电容并入接收端的谐振网络改变了整个网络的等效阻抗阻抗一变反射到发射端线圈上的等效负载跟着变发射端看到的线圈电流幅度或相位就出现了可测的跳变。开关断开一切复原。所以接收端“说话”的方式就是对着一个电容不停地开开关关。这个变化幅度必须控制得住调制太浅发射端在噪声里分辨不出来调制太深等于在功率传输通路上人为制造大的扰动整流电压跟着抖效率和稳定性都会受影响。常见的做法是把调制深度做到几个百分点的量级然后靠发射端一侧的窄带检测把它从载波里抠出来。# 差分双相编码示意把报文比特流变成调制开关的开合序列 # 低功率规范里每个比特占 500us等效码率 2kHz # 规则每个比特边界必然翻转一次比特中点为 1 时再翻转一次 def diff_biphase(bits, bit_period_us500): level 0 edges [] for i, b in enumerate(bits): t0 i * bit_period_us edges.append((t0, level)) # 边界必翻转接收端靠它恢复时钟 level ^ 1 if b 1: edges.append((t0 bit_period_us // 2, level)) # 中点再翻一次 level ^ 1 return edges # 例编码 1,0,1 - [(0,0),(0,1),(500,1),(500,0),(1000,0),(1000,1),(1500,1)]上面这段代码的价值在于解释清楚“为什么接收端不需要跟发射端对时钟”。比特边界永远翻转接收端只要测两个相邻边沿的间隔就能判断刚才那一位是 0 还是 1间隔一个完整比特周期就是 0出现一个半周期的额外边沿就是 1。数据本身携带时钟信息这叫自同步代价是码率打了折扣。参数 bit_period_us 对应调制开关的最短保持时间改小能提高码率但会逼近发射端检测电路的带宽上限实际产品里基本固定在这个量级。3.2 差分双相编码与包结构从包络里把比特抠出来发射端这一侧的解调链路大致是采样功率级电流做包络检波或者同步检波把几百 kHz 的载波滤掉剩下的就是调制信号的包络包络过比较器整形成数字波形再送进解码状态机。难点在于载波和调制信号在频域上贴得很近——载波在 100~205kHz调制码率只有 2kHz两者相差将近两个数量级所以低通滤波器可以做得比较陡信噪比有保障。解出来的比特流还要按包结构切分前导比特用来锁定比特边界报头字节说明这个包是什么类型数据字节承载具体内容末尾是校验。任何一个环节校验不过整包丢弃发射端等下一个。这套机制对误码的容忍度不高因为控制误差包一旦解错发射端可能朝反方向调功率——本来该减结果加了。所以报文里除了校验位还有包计数器和重复发送策略兜底。3.3 FSK 反向通道为什么下行不能用 ASK反向发射端到接收端的通道在中功率规范里改用了频移键控。原因很直观功率传输阶段发射端本来就在用调频或者调幅的方式控制输出功率如果下行通信也用幅度调制接收端根本分不清“这个幅度变化是给我的数据还是它在调功率”。用频率就避开了这个歧义——发射端在标称工作频率附近做小幅抖动来表示比特接收端只要跟踪自己谐振网络上的频率变化就能解出来。接收芯片内部一般会集成 FSK 解调器除了用来识别中功率发射器的能力还能承载一些扩展信息。这条通道的带宽比上行更窄因此只用来传少量控制信息真正的功率请求仍然走上行。上下行不对称、速率都很低这正是整套协议必须靠“慢环 本地快环”来兜底的根本原因。4. 电压动态调节为什么整流输出电压要“故意不稳”如果只看电路图RT1650 这类接收芯片的结构简单得让人怀疑同步整流桥把交流整成直流VRECT后面跟一个 1.5A 的低压差线性稳压器LDO输出干净的 5V 给后级。既然有 LDOVRECT 稳住不就行了实际情况正相反VRECT 必须故意留出可变的余量而且这个余量要随负载动态变化。不理解这一点就会觉得芯片里那些“动态余量控制”的模块是设计过度。4.1 慢速数字环路的物理约束ASK 延迟决定了控制带宽的上限电压调节的闭环是这样走的接收端测 VRECT跟目标值比算出控制误差编成 ASK 包等发射端解出来发射端调整驱动能量变化VRECT 才动。这一圈下来光报文传输就占了几毫秒加上发射端的响应和功率级的建立时间整个环路的带宽只能做到几十赫兹量级。这意味着一个几十赫兹的环路面对负载从 10mA 跳到 800mA 这种微秒级的突变完全来不及反应。这段时间里谁顶住只能是 VRECT 上的储能电容和预先留好的电压余量。所以 VRECT 的设计目标不是“稳”而是“在 LDO 不失稳的前提下给瞬态留够缓冲”。这就解释了为什么轻载时 VRECT 要抬得比 LDO 最低压差高出一大截——那部分多出来的压差本质上是拿效率换瞬态响应。4.2 动态余量策略轻载抬压、重载降压的取舍芯片的做法是让 VRECT 目标值随输出电流滑动。轻载时把目标抬到 7V 以上此时 LDO 压差大、功耗高但绝对损耗数值很小几百毫安以下多出两伏也就几十毫瓦换来的是负载突增时不会立刻掉出调节范围重载时把目标压到刚够 LDO 工作的水平比如 1A 输出时 LDO 上的功耗控制在 250mW 左右折算下来压差只有 0.25V。这个切换不是连续的模拟调节而是一张分段的余量表。/* 动态余量查表输出电流 - VRECT 目标值写死在 MTP 里可改 */ static const struct { uint16_t iout_ma; uint16_t vrect_mv; } margin_tbl[] { { 100, 7200 }, /* 轻载抬高 VRECT为突发负载预留储能 */ { 300, 6600 }, { 500, 6000 }, { 1000, 5400 }, /* 重载只保留 LDO 最小压差加少量裕度 */ }; uint16_t vrect_target(uint16_t iout_ma) { for (int i 0; i ARRAY_SIZE(margin_tbl); i) if (iout_ma margin_tbl[i].iout_ma) return margin_tbl[i].vrect_mv; return margin_tbl[ARRAY_SIZE(margin_tbl) - 1].vrect_mv; }这张表的参数怎么定是整机标定的核心工作。vrect_mv 抬得太高效率掉、发热涨压得太低负载一跳 LDO 就失稳输出跟着掉。表里的分界点也要跟实际负载曲线对齐否则会在切换点附近反复横跳表现出来就是输出电压上的周期性纹波。芯片把这个表放在可多次写入的存储区里就是为了让整机厂按自己的线圈、屏蔽片、电池特性重新标一遍。4.3 从误差包到发射端调频与调幅两种执行机构的差别误差包发出去之后发射端怎么执行直接决定了环路的动态特性。低功率规范允许两种手段调幅和调频。调幅是改变驱动桥的母线电压或者占空比功率级增益随幅度线性变化响应直接但效率和线性度要折中调频是靠改变工作频率来移动工作点在谐振曲线上的位置因为工作频率总是被安排在谐振点右侧频率升高则增益下降这种方式在轻载时更省但对谐振曲线形状非常敏感。/* 接收端控制误差包生成伪代码参数来自寄存器/MTP 配置 */ #define CE_DEADBAND_MV 40 /* 死区偏差小于此值不发包抑制抖动 */ #define CE_STEP_MV 60 /* 一个误差单位对应的 VRECT 偏差 */ #define CE_LIMIT 12 /* 单包步长限幅防止大步长引起振荡 */ int8_t build_control_error(int vrect_mv, int vrect_target_mv) { int err vrect_mv - vrect_target_mv; /* 正整流电压偏高要求减功率 */ if (err -CE_DEADBAND_MV err CE_DEADBAND_MV) return 0; /* 死区内静默省带宽也省功耗 */ int ce err / CE_STEP_MV; if (ce CE_LIMIT) ce CE_LIMIT; if (ce -CE_LIMIT) ce -CE_LIMIT; return (int8_t)ce; /* 有符号 8 位送 ASK 编码器 */ }三个参数各管一件事。CE_DEADBAND_MV 是稳定性阀门没有死区环路会围绕目标值不停抖动报文发得越勤抖动越明显CE_STEP_MV 决定控制增益值越小调节越细腻但收敛越慢而且容易在量化噪声里失步CE_LIMIT 是安全阀负载剧变时如果一次要求发射端把功率翻倍很容易冲过头触发过压或者欠压保护限幅之后靠连续几个包逐步逼近反而更稳。5. 避坑与排查让系统反复重启的五个细节纸面上的参数都对了实物照样可能一放上去就断充、充几十秒就停、效率比评估板低十个点。这类问题大多不在芯片本身而在“装配状态下的真实参数”和“设计时假设的参数”之间的偏差。下面几条是很典型的翻车路径现象、原因、处理方式都写清楚遇到相似的可以直接对号。5.1 空载测电感谐振电容算错 20% 的经典翻车现象整机装好后能建立通信但传输效率明显偏低稍微加大负载就掉出功率传输阶段重试几次后彻底断开。原因接收端串联谐振电容的取值依赖线圈电感而这个电感必须在“线圈贴到发射线圈上、屏蔽片和背板都装好”的状态下测。空载自由状态测出来可能是 13.3µH装到位之后受磁芯和金属背板的镜像效应影响实测会变成 18.2µH 这个量级。用前者去算 100kHz 谐振电容得到的值偏大将近三成谐振点整体偏移功率传输函数在 110~205kHz 的工作区间内增益明显不足。解决把线圈按最终装配位置对齐放在发射线圈上不加电测实际电感 Ls再按 C 1/((2πf)²·Ls) 反算。为了凑出需要的容值通常用几只小容值电容并联比如三只 47nF 并成 141nF 去逼近理论值。另外别忘了一只并联的检测电容用来在谐振点做接收器存在性判断它的容值在 nF 量级同样按装配状态下的电感算。5.2 5V 供电塌陷VRECT 跌破欠压阈值后的重启循环现象轻载正常一进入大电流就周期性重启测量 VRECT 能看到台阶式下跌跌到某个值以下后系统整体复位然后重新走一遍五阶段握手。原因发射端用普通 5V 适配器供电没有线缆压降补偿。大电流时线阻上的压降把母线拉低发射功率跟着下降VRECT 随之跌落。慢速控制环理论上能自我修复但只要 VRECT 在修复动作生效之前跌破芯片的欠压锁定阈值保护就直接切断了整条链路——这时候已经不是调节问题而是复位问题。解决优先换带线损补偿的适配器缩短并加粗线材在发射端母线加大容量电容把瞬态电流从电容里取软件上把重载段的 VRECT 目标值略微上调给跌落留缓冲同时适当降低最大输出电流限值。改完之后一定要用示波器长时捕获 VRECT确认在整个负载曲线范围内都不触碰欠压阈值。5.3 FOD 误触发线圈背面的地平面和屏蔽片现象设备放上去能充电但持续几十秒后发射端主动断电报异物检测故障换个位置又能充一会儿反复如此。原因异物检测靠的是功率对账——发射端算自己发出去多少接收端报自己收到多少差值超阈值就判定中间有东西在偷偷吸能。接收线圈背面的 PCB 地平面、整机里的金属支架在交变磁场下会产生涡流这部分损耗真实存在但如果没有被纳入接收端的损耗模型对账时就会被算成“不明损耗”。阈值卡得越紧误触发越容易发生。解决把线圈背面这块固定损耗标定进接收端的功率计算里必要时微调存储区中的损耗参数结构上给地平面开槽、缩小面积或者调整屏蔽片的位置。有一条硬性禁忌发射线圈和接收线圈之间绝对不能放金属屏蔽材料那不是误触发的问题是必然触发而且真的有发热风险。5.4 改了存储区参数却没重标 FOD 和 LDO 功耗现象为了让瞬态响应好看把轻载段的 VRECT 目标值调高了一截瞬态确实稳了但待机发热明显上升长时间充电后外壳温度超标另一种情况是放宽了异物检测阈值充电恢复了但偶尔摸到线圈附近会发烫。原因VRECT 每抬高 1V在同样输出电流下 LDO 上就多消耗一份功率轻载时看着不多累积温升却很实在。异物检测阈值的放宽更是直接削弱了安全边界功率对账的余量被吃掉真有异物时可能检不出来。解决任何涉及 VRECT 目标、最大电流、损耗模型的改动都必须重跑三条曲线——效率曲线、温升曲线、功率对账残差曲线。调试固件参数时用外部直流电源直接给整流端供电把发射端完全摘掉避免无线链路的波动干扰判断改完之后再装回整机做闭环验证。参数能不能改是一回事改完敢不敢交付是另一回事。5.5 线圈偏移几毫米就开始间歇断充现象手机放在充电板中心没问题稍微偏移一点就开始断续充电有时能看到充电图标反复亮灭。原因横向偏移直接削弱耦合系数接收端拿到的功率下降信号强度包数值变低发射端的控制误差包响应跟不上或者功率对账残差变大触发保护。偏移严重时系统会进入“启动—失败—重启”的循环用户感知就是反复断连。解决结构上做定位槽或者磁吸对位把可用偏移范围限定在耦合系数还够的区间内电气上适当增大接收线圈直径或者调整屏蔽片形状改善耦合均匀性软件上放宽启动阶段的功率对账窗口避免在握手阶段就误判。偏移容差本质上是机械设计和电磁设计共同决定的靠软件补只能补一部分。6. 余量、效率与安全一个必须在整机上现场标定的三角走完前面几章会发现这套系统里几乎每个参数都不是“算出来”的而是“标出来”的。谐振电容要靠装配状态下实测电感反算动态余量表要靠整机负载曲线拟合异物检测阈值要靠实际损耗模型校准连控制误差的步长都要跟发射端的执行机构特性匹配。芯片把这些参数放进可多次写入的存储区表面上是给了灵活性实质上是把标定责任从芯片厂转移到了整机厂——因为只有整机厂知道自己用了多厚的屏蔽片、多大的地平面、什么特性的电池。这背后是一组绕不开的三角权衡。余量换瞬态VRECT 目标值抬得越高负载突变时越不容易失稳但 LDO 上的功耗和温升同步上涨那 250mW 的压差损耗是拿效率买来的安全感。灵敏度换安全异物检测阈值卡得越紧越能及早发现异常金属但误触发概率也越高用户感知就是“莫名其妙不充了”真正合理的做法不是放宽阈值而是把损耗模型标定得更准让阈值可以卡紧而不误报。集成度换可控性单芯片把整流、稳压、控制、存储全塞进 3mm×3.5mm 的封装里外围器件极少但所有可调项都收敛到一张参数表上调错一个数就可能同时影响效率、瞬态和 FOD 三条线。验证方法上我习惯按“先静态后动态、先有线后无线”的顺序走静态阶段用外部电源直接喂整流端把 VRECT 目标、限流、温度策略逐项扫一遍记录效率与温升动态阶段用电子负载做阶梯和脉冲跳变看 VRECT 跌落深度和恢复时间最后才装回无线链路用不同偏移位置和不同发射端复测。这个顺序能把“芯片配置问题”和“无线链路问题”彻底分开否则一旦出问题两个变量搅在一起排查成本会翻好几倍。有个教训印象很深早前做一个模拟项目为了改善重载瞬态把余量表整体上调测完瞬态就交付了结果整机连续充电两小时后外壳烫手。回头查才发现轻载段的余量也被顺带抬高了而那一段本来 LDO 功耗就低、根本不需要那么多裕度等于白白多烧了几个小时的功率。从那以后我每次动余量表都会强制把轻载、中载、重载三段的效率曲线各跑一遍哪怕只改了一个数字。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取
简介《无线充电系统原理介绍——Qi协议5阶段、ASK电压动态调节及RT1650实例》是一份面向电源管理、消费电子与无线充电方向工程师及高校学习者的技术文档聚焦Qi低功率无线供电的完整链路从电磁感应传能、WPC标准到接收端控制展开。压缩包仅含1个PDF文件约1.9MB便于集中阅读与方案查阅。内容围绕RT1650无线电源接收器梳理Qi通信的探测、身份验证、配置、同步与功率传输五阶段并说明ASK调制、电压动态调节、异物检测及系统效率等关键机制结合Nokia DT601发射器与RT1650评估板演示启动、通信和调压流程。已有1952人学习适合需要理解协议实现与接收端设计细节的读者参考。1. 从“放上去就能充”说起为什么难的不是传能量很多人对无线充电的第一印象是两个线圈对着磁通量穿过去就完事了。真正拆开一套 Qi 协议的无线充电系统会看到能量传输反而是整条链路里最省心的一段磁感应耦合的距离只有几毫米系统效率做到 70%~80% 并不难。麻烦的是另外三件事——发射端凭什么判断上面放的是手机还是一串钥匙接收端在没有独立射频发射链路的前提下怎么把“再多给一点功率”这句话传回去以及整流出来的电压为什么不能稳住、反而要故意留出一大截余量再做动态调节。这三个问题分别对应 Qi 规范的五阶段握手、ASK 反向散射调制和电压动态余量控制把它们串起来看手机歪一点就断充、线圈和金属片之间夹张纸就可能烧穿这些现象就都有了物理层面的解释。2. Qi 的五阶段握手一次充电其实是一场先签约后供电的谈判把手机放上去到真正开始灌电流中间隔着一段外人看不见的对话。Qi 低功率规范把它拆成探索、识别、配置、功率传输、结束五个阶段每个阶段都有明确的报文类型、超时时间和失败回退路径。这套设计的核心诉求不是“快”而是“在不确定对方是谁的情况下绝不盲目加功率”。发射端在待机时的平均功耗被压到几十毫瓦量级靠的就是只在必要时刻发一次探测脉冲其余时间处于休眠。2.1 模拟 PING 与数字 PING发射端怎么在 70mW 里摸黑找设备发射端不可能一直驱动线圈那样既费电又不安全。它的做法是周期性打一个短促的脉冲出去行话叫 PING。第一层是模拟 PING用固定频率、极短的时间驱动半桥或全桥然后测量功率级谐振点的电压、电流或者相位有没有偏移。线圈上什么都没放时谐振网络的品质因数和阻尼是确定的一旦有金属物体靠近等效阻抗立刻改变谐振波形随之变形。这一层检测不耗多少能量但它只能回答“有东西”回答不了“是什么东西”。第二层是数字 PING脉冲能量足够大能通过磁耦合在接收端整流出一个可用的电压把接收端的控制电路唤醒。接收端醒过来之后不能白吃这口电必须在规定时间内回一个信号强度包Signal Strength把当前耦合到的能量水平量化成一个 0~255 的数值发回去。发射端拿到这个数值就能判断耦合强度是否足够支撑后续的功率传输——太弱说明位置偏了它会重新进入探测循环而不是硬上。注意规范允许发射端只用数字 PING跳过模拟检测。这种做法的待机功耗会高一些但省掉了对谐振点漂移的敏感判断成本更低。案例里那款市售的 A11 型单线圈发射器走的就是这条路没放设备时的平均待机功耗大约 70mW。2.2 识别与配置接收端报上 WPC 版本和最大功率信号强度包让发射端确认“有个能说话的设备”接下来要确认“这个设备要多少电、按哪一版协议说话”。识别阶段接收端发识别包里面装着规范版本号、厂商代码和设备标识配置阶段再发配置包把功率等级、最大输出功率、以及一些必要的能力位报上去。这两个阶段的意义在于发射端从此知道该用多大的功率上限去驱动线圈也知道对方能不能解调自己下发的扩展信息。报文本身不长但结构很讲究。每个包都是前导比特加报头字节加数据字节加校验字节的组合接收端还维护一个包计数器发射端靠它判断有没有丢包。配置完成之后发射端会启动一个超时计时器如果在一段约定时间内收不到有效的后续包它会判定谈判破裂切断功率、退回探测状态。这是防止“半途失联却还在灌电”的第一道闸门。阶段主要报文/动作发射端拿到什么超时后的行为探索模拟 PING / 数字 PING是否有物体、耦合强弱回到低功耗待机继续周期探测识别识别包规范版本、设备身份终止本次会话回探测配置配置包功率上限、能力位终止本次会话回探测功率传输控制误差包、收到功率包、充电状态包功率增减请求、损耗比对依据按错误类型限时重试再失败则断电结束结束功率传输包结束原因码立即断功率回待机2.3 功率传输阶段控制误差包、收到功率包与结束合约进入功率传输后接收端的角色变成一个只会提请求的传感器。它持续测量整流后的电压跟内部目标值比对把偏差折算成控制误差包发出去误差值为正表示“给多了”为负表示“给少了”。发射端收到就增减驱动幅度或者微调频率。规范要求这个包周期性发送负载突变时还要加密发送频率因为环路响应本来就慢报文再稀疏就彻底跟不上。另一类关键报文是收到功率包周期比控制误差包慢得多。接收端把自己算出来的接收功率打包上报发射端拿它跟自己测得的发射功率做差差值超过阈值就触发异物检测。这个机制后面还会展开先记住一点它是一个跨设备的功率对账对账精度依赖双方损耗模型的准确性。最后是结束功率传输包。电池充满、用户拿走设备、接收端过温都会走这条路径报文里带一个原因码告诉发射端为什么要停。发射端收到立即撤功率回到待机。这条路径的存在感很低但没有它一次异常拔出就可能让发射端长时间空烧线圈。2.4 为什么决策权必须在发射端单向闭环的状态机设计看完整套流程会发现一个有意思的偏心接收端什么都没法直接决定它只能说“多一点”“少一点”“我收到了多少”“我要走了”。这个设计不是偷懒而是物理约束逼出来的。接收端不知道发射端的线圈电感量、不知道驱动桥的母线电压、不知道当前耦合系数它连自己线圈上的电压都不能直接测——那是交流几百 kHz还带着调制。它能可靠观测的只有整流之后的直流量。把决策权留在发射端等于把所有执行机构的差异都封装在一侧不同厂商的发射端可以用调频也可以用调幅只要语义上能响应“增减功率”这个请求就行。接收端不需要为每一种发射端写一套控制逻辑。这种“请求-执行”的单向闭环代价是响应速度受限于通信往返收益是协议层的可移植性。这个代价直接导致了下一章的调制方式和第四章的电压余量策略。3. ASK 反向散射接收端没有射频发射机凭什么能跟发射端讲话从接收端到发射端的这条上行通道是无线充电里最容易被忽略也最精巧的一环。接收端手上没有任何独立的发射器件它不能凭空产生一个射频信号打回去因为那要多一套振荡器和功放成本、体积、功耗都不划算。它用的是负载调制也叫反向散射不去发射能量而是改变自己吸收能量的方式让发射端从自己的线圈电流里“感觉”到变化。这个思路跟无源电子标签是同一套物理逻辑。3.1 调制电容与阻抗反射把“说话”变成线圈电流的抖动具体实现是在接收线圈两端并一个调制电容中间串一个开关管。开关闭合时这个电容并入接收端的谐振网络改变了整个网络的等效阻抗阻抗一变反射到发射端线圈上的等效负载跟着变发射端看到的线圈电流幅度或相位就出现了可测的跳变。开关断开一切复原。所以接收端“说话”的方式就是对着一个电容不停地开开关关。这个变化幅度必须控制得住调制太浅发射端在噪声里分辨不出来调制太深等于在功率传输通路上人为制造大的扰动整流电压跟着抖效率和稳定性都会受影响。常见的做法是把调制深度做到几个百分点的量级然后靠发射端一侧的窄带检测把它从载波里抠出来。# 差分双相编码示意把报文比特流变成调制开关的开合序列 # 低功率规范里每个比特占 500us等效码率 2kHz # 规则每个比特边界必然翻转一次比特中点为 1 时再翻转一次 def diff_biphase(bits, bit_period_us500): level 0 edges [] for i, b in enumerate(bits): t0 i * bit_period_us edges.append((t0, level)) # 边界必翻转接收端靠它恢复时钟 level ^ 1 if b 1: edges.append((t0 bit_period_us // 2, level)) # 中点再翻一次 level ^ 1 return edges # 例编码 1,0,1 - [(0,0),(0,1),(500,1),(500,0),(1000,0),(1000,1),(1500,1)]上面这段代码的价值在于解释清楚“为什么接收端不需要跟发射端对时钟”。比特边界永远翻转接收端只要测两个相邻边沿的间隔就能判断刚才那一位是 0 还是 1间隔一个完整比特周期就是 0出现一个半周期的额外边沿就是 1。数据本身携带时钟信息这叫自同步代价是码率打了折扣。参数 bit_period_us 对应调制开关的最短保持时间改小能提高码率但会逼近发射端检测电路的带宽上限实际产品里基本固定在这个量级。3.2 差分双相编码与包结构从包络里把比特抠出来发射端这一侧的解调链路大致是采样功率级电流做包络检波或者同步检波把几百 kHz 的载波滤掉剩下的就是调制信号的包络包络过比较器整形成数字波形再送进解码状态机。难点在于载波和调制信号在频域上贴得很近——载波在 100~205kHz调制码率只有 2kHz两者相差将近两个数量级所以低通滤波器可以做得比较陡信噪比有保障。解出来的比特流还要按包结构切分前导比特用来锁定比特边界报头字节说明这个包是什么类型数据字节承载具体内容末尾是校验。任何一个环节校验不过整包丢弃发射端等下一个。这套机制对误码的容忍度不高因为控制误差包一旦解错发射端可能朝反方向调功率——本来该减结果加了。所以报文里除了校验位还有包计数器和重复发送策略兜底。3.3 FSK 反向通道为什么下行不能用 ASK反向发射端到接收端的通道在中功率规范里改用了频移键控。原因很直观功率传输阶段发射端本来就在用调频或者调幅的方式控制输出功率如果下行通信也用幅度调制接收端根本分不清“这个幅度变化是给我的数据还是它在调功率”。用频率就避开了这个歧义——发射端在标称工作频率附近做小幅抖动来表示比特接收端只要跟踪自己谐振网络上的频率变化就能解出来。接收芯片内部一般会集成 FSK 解调器除了用来识别中功率发射器的能力还能承载一些扩展信息。这条通道的带宽比上行更窄因此只用来传少量控制信息真正的功率请求仍然走上行。上下行不对称、速率都很低这正是整套协议必须靠“慢环 本地快环”来兜底的根本原因。4. 电压动态调节为什么整流输出电压要“故意不稳”如果只看电路图RT1650 这类接收芯片的结构简单得让人怀疑同步整流桥把交流整成直流VRECT后面跟一个 1.5A 的低压差线性稳压器LDO输出干净的 5V 给后级。既然有 LDOVRECT 稳住不就行了实际情况正相反VRECT 必须故意留出可变的余量而且这个余量要随负载动态变化。不理解这一点就会觉得芯片里那些“动态余量控制”的模块是设计过度。4.1 慢速数字环路的物理约束ASK 延迟决定了控制带宽的上限电压调节的闭环是这样走的接收端测 VRECT跟目标值比算出控制误差编成 ASK 包等发射端解出来发射端调整驱动能量变化VRECT 才动。这一圈下来光报文传输就占了几毫秒加上发射端的响应和功率级的建立时间整个环路的带宽只能做到几十赫兹量级。这意味着一个几十赫兹的环路面对负载从 10mA 跳到 800mA 这种微秒级的突变完全来不及反应。这段时间里谁顶住只能是 VRECT 上的储能电容和预先留好的电压余量。所以 VRECT 的设计目标不是“稳”而是“在 LDO 不失稳的前提下给瞬态留够缓冲”。这就解释了为什么轻载时 VRECT 要抬得比 LDO 最低压差高出一大截——那部分多出来的压差本质上是拿效率换瞬态响应。4.2 动态余量策略轻载抬压、重载降压的取舍芯片的做法是让 VRECT 目标值随输出电流滑动。轻载时把目标抬到 7V 以上此时 LDO 压差大、功耗高但绝对损耗数值很小几百毫安以下多出两伏也就几十毫瓦换来的是负载突增时不会立刻掉出调节范围重载时把目标压到刚够 LDO 工作的水平比如 1A 输出时 LDO 上的功耗控制在 250mW 左右折算下来压差只有 0.25V。这个切换不是连续的模拟调节而是一张分段的余量表。/* 动态余量查表输出电流 - VRECT 目标值写死在 MTP 里可改 */ static const struct { uint16_t iout_ma; uint16_t vrect_mv; } margin_tbl[] { { 100, 7200 }, /* 轻载抬高 VRECT为突发负载预留储能 */ { 300, 6600 }, { 500, 6000 }, { 1000, 5400 }, /* 重载只保留 LDO 最小压差加少量裕度 */ }; uint16_t vrect_target(uint16_t iout_ma) { for (int i 0; i ARRAY_SIZE(margin_tbl); i) if (iout_ma margin_tbl[i].iout_ma) return margin_tbl[i].vrect_mv; return margin_tbl[ARRAY_SIZE(margin_tbl) - 1].vrect_mv; }这张表的参数怎么定是整机标定的核心工作。vrect_mv 抬得太高效率掉、发热涨压得太低负载一跳 LDO 就失稳输出跟着掉。表里的分界点也要跟实际负载曲线对齐否则会在切换点附近反复横跳表现出来就是输出电压上的周期性纹波。芯片把这个表放在可多次写入的存储区里就是为了让整机厂按自己的线圈、屏蔽片、电池特性重新标一遍。4.3 从误差包到发射端调频与调幅两种执行机构的差别误差包发出去之后发射端怎么执行直接决定了环路的动态特性。低功率规范允许两种手段调幅和调频。调幅是改变驱动桥的母线电压或者占空比功率级增益随幅度线性变化响应直接但效率和线性度要折中调频是靠改变工作频率来移动工作点在谐振曲线上的位置因为工作频率总是被安排在谐振点右侧频率升高则增益下降这种方式在轻载时更省但对谐振曲线形状非常敏感。/* 接收端控制误差包生成伪代码参数来自寄存器/MTP 配置 */ #define CE_DEADBAND_MV 40 /* 死区偏差小于此值不发包抑制抖动 */ #define CE_STEP_MV 60 /* 一个误差单位对应的 VRECT 偏差 */ #define CE_LIMIT 12 /* 单包步长限幅防止大步长引起振荡 */ int8_t build_control_error(int vrect_mv, int vrect_target_mv) { int err vrect_mv - vrect_target_mv; /* 正整流电压偏高要求减功率 */ if (err -CE_DEADBAND_MV err CE_DEADBAND_MV) return 0; /* 死区内静默省带宽也省功耗 */ int ce err / CE_STEP_MV; if (ce CE_LIMIT) ce CE_LIMIT; if (ce -CE_LIMIT) ce -CE_LIMIT; return (int8_t)ce; /* 有符号 8 位送 ASK 编码器 */ }三个参数各管一件事。CE_DEADBAND_MV 是稳定性阀门没有死区环路会围绕目标值不停抖动报文发得越勤抖动越明显CE_STEP_MV 决定控制增益值越小调节越细腻但收敛越慢而且容易在量化噪声里失步CE_LIMIT 是安全阀负载剧变时如果一次要求发射端把功率翻倍很容易冲过头触发过压或者欠压保护限幅之后靠连续几个包逐步逼近反而更稳。5. 避坑与排查让系统反复重启的五个细节纸面上的参数都对了实物照样可能一放上去就断充、充几十秒就停、效率比评估板低十个点。这类问题大多不在芯片本身而在“装配状态下的真实参数”和“设计时假设的参数”之间的偏差。下面几条是很典型的翻车路径现象、原因、处理方式都写清楚遇到相似的可以直接对号。5.1 空载测电感谐振电容算错 20% 的经典翻车现象整机装好后能建立通信但传输效率明显偏低稍微加大负载就掉出功率传输阶段重试几次后彻底断开。原因接收端串联谐振电容的取值依赖线圈电感而这个电感必须在“线圈贴到发射线圈上、屏蔽片和背板都装好”的状态下测。空载自由状态测出来可能是 13.3µH装到位之后受磁芯和金属背板的镜像效应影响实测会变成 18.2µH 这个量级。用前者去算 100kHz 谐振电容得到的值偏大将近三成谐振点整体偏移功率传输函数在 110~205kHz 的工作区间内增益明显不足。解决把线圈按最终装配位置对齐放在发射线圈上不加电测实际电感 Ls再按 C 1/((2πf)²·Ls) 反算。为了凑出需要的容值通常用几只小容值电容并联比如三只 47nF 并成 141nF 去逼近理论值。另外别忘了一只并联的检测电容用来在谐振点做接收器存在性判断它的容值在 nF 量级同样按装配状态下的电感算。5.2 5V 供电塌陷VRECT 跌破欠压阈值后的重启循环现象轻载正常一进入大电流就周期性重启测量 VRECT 能看到台阶式下跌跌到某个值以下后系统整体复位然后重新走一遍五阶段握手。原因发射端用普通 5V 适配器供电没有线缆压降补偿。大电流时线阻上的压降把母线拉低发射功率跟着下降VRECT 随之跌落。慢速控制环理论上能自我修复但只要 VRECT 在修复动作生效之前跌破芯片的欠压锁定阈值保护就直接切断了整条链路——这时候已经不是调节问题而是复位问题。解决优先换带线损补偿的适配器缩短并加粗线材在发射端母线加大容量电容把瞬态电流从电容里取软件上把重载段的 VRECT 目标值略微上调给跌落留缓冲同时适当降低最大输出电流限值。改完之后一定要用示波器长时捕获 VRECT确认在整个负载曲线范围内都不触碰欠压阈值。5.3 FOD 误触发线圈背面的地平面和屏蔽片现象设备放上去能充电但持续几十秒后发射端主动断电报异物检测故障换个位置又能充一会儿反复如此。原因异物检测靠的是功率对账——发射端算自己发出去多少接收端报自己收到多少差值超阈值就判定中间有东西在偷偷吸能。接收线圈背面的 PCB 地平面、整机里的金属支架在交变磁场下会产生涡流这部分损耗真实存在但如果没有被纳入接收端的损耗模型对账时就会被算成“不明损耗”。阈值卡得越紧误触发越容易发生。解决把线圈背面这块固定损耗标定进接收端的功率计算里必要时微调存储区中的损耗参数结构上给地平面开槽、缩小面积或者调整屏蔽片的位置。有一条硬性禁忌发射线圈和接收线圈之间绝对不能放金属屏蔽材料那不是误触发的问题是必然触发而且真的有发热风险。5.4 改了存储区参数却没重标 FOD 和 LDO 功耗现象为了让瞬态响应好看把轻载段的 VRECT 目标值调高了一截瞬态确实稳了但待机发热明显上升长时间充电后外壳温度超标另一种情况是放宽了异物检测阈值充电恢复了但偶尔摸到线圈附近会发烫。原因VRECT 每抬高 1V在同样输出电流下 LDO 上就多消耗一份功率轻载时看着不多累积温升却很实在。异物检测阈值的放宽更是直接削弱了安全边界功率对账的余量被吃掉真有异物时可能检不出来。解决任何涉及 VRECT 目标、最大电流、损耗模型的改动都必须重跑三条曲线——效率曲线、温升曲线、功率对账残差曲线。调试固件参数时用外部直流电源直接给整流端供电把发射端完全摘掉避免无线链路的波动干扰判断改完之后再装回整机做闭环验证。参数能不能改是一回事改完敢不敢交付是另一回事。5.5 线圈偏移几毫米就开始间歇断充现象手机放在充电板中心没问题稍微偏移一点就开始断续充电有时能看到充电图标反复亮灭。原因横向偏移直接削弱耦合系数接收端拿到的功率下降信号强度包数值变低发射端的控制误差包响应跟不上或者功率对账残差变大触发保护。偏移严重时系统会进入“启动—失败—重启”的循环用户感知就是反复断连。解决结构上做定位槽或者磁吸对位把可用偏移范围限定在耦合系数还够的区间内电气上适当增大接收线圈直径或者调整屏蔽片形状改善耦合均匀性软件上放宽启动阶段的功率对账窗口避免在握手阶段就误判。偏移容差本质上是机械设计和电磁设计共同决定的靠软件补只能补一部分。6. 余量、效率与安全一个必须在整机上现场标定的三角走完前面几章会发现这套系统里几乎每个参数都不是“算出来”的而是“标出来”的。谐振电容要靠装配状态下实测电感反算动态余量表要靠整机负载曲线拟合异物检测阈值要靠实际损耗模型校准连控制误差的步长都要跟发射端的执行机构特性匹配。芯片把这些参数放进可多次写入的存储区表面上是给了灵活性实质上是把标定责任从芯片厂转移到了整机厂——因为只有整机厂知道自己用了多厚的屏蔽片、多大的地平面、什么特性的电池。这背后是一组绕不开的三角权衡。余量换瞬态VRECT 目标值抬得越高负载突变时越不容易失稳但 LDO 上的功耗和温升同步上涨那 250mW 的压差损耗是拿效率买来的安全感。灵敏度换安全异物检测阈值卡得越紧越能及早发现异常金属但误触发概率也越高用户感知就是“莫名其妙不充了”真正合理的做法不是放宽阈值而是把损耗模型标定得更准让阈值可以卡紧而不误报。集成度换可控性单芯片把整流、稳压、控制、存储全塞进 3mm×3.5mm 的封装里外围器件极少但所有可调项都收敛到一张参数表上调错一个数就可能同时影响效率、瞬态和 FOD 三条线。验证方法上我习惯按“先静态后动态、先有线后无线”的顺序走静态阶段用外部电源直接喂整流端把 VRECT 目标、限流、温度策略逐项扫一遍记录效率与温升动态阶段用电子负载做阶梯和脉冲跳变看 VRECT 跌落深度和恢复时间最后才装回无线链路用不同偏移位置和不同发射端复测。这个顺序能把“芯片配置问题”和“无线链路问题”彻底分开否则一旦出问题两个变量搅在一起排查成本会翻好几倍。有个教训印象很深早前做一个模拟项目为了改善重载瞬态把余量表整体上调测完瞬态就交付了结果整机连续充电两小时后外壳烫手。回头查才发现轻载段的余量也被顺带抬高了而那一段本来 LDO 功耗就低、根本不需要那么多裕度等于白白多烧了几个小时的功率。从那以后我每次动余量表都会强制把轻载、中载、重载三段的效率曲线各跑一遍哪怕只改了一个数字。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取
