基于Microchip dsPIC33CK 的無線充電發(fā)射端參考設(shè)計(jì)

作者：時間：2023-06-29 來源：大大通

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

隨著近年來手機(jī)無線充電技術(shù)的進(jìn)步, WPC 不斷優(yōu)化的無線充電標(biāo)準(zhǔn)（從Qi v1.2.4 到 Qi v1.3），加上5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，支持無線充電的智能手機(jī)出貨量持續(xù)拉高。根據(jù) Strategy Analytics 發(fā)布的最新研究報(bào)告，到 2021 年底，具備無線充電功能的智能手機(jī)市場存量將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的 10 億部，由圖一我們看到配備無線充電智能手機(jī)的銷量在亞太地區(qū)最為強(qiáng)勁 —— 市場存量約占全球的 49%，其中中國占了大半份額。與此同時，北美的市場存量占 21%，西歐僅占 16%。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/202306/448115.htm

受手機(jī)終端市場的推動，應(yīng)用場景的多元化驅(qū)使了手機(jī)無線充電向汽車領(lǐng)域的滲透，車載無線充電也因此應(yīng)運(yùn)而生。目前國內(nèi)幾乎所有新上市的電動汽車都有支持 Qi?無線充電，傳統(tǒng)的燃油車配置無線充電也逐漸從高端車型過渡到中低端車型，很多 Tier1 反饋說車載無線充電極有可能成為今后汽車的一個標(biāo)準(zhǔn)件，由此看來車載無線充電擁有廣闊地前景。那么中國的車載無線充電在技術(shù) 領(lǐng)域?qū)頃尸F(xiàn)怎么的趨勢呢？下面筆者來談?wù)勛约旱南敕ǎ?nbsp;

大功率快充

首先國內(nèi)市場的車載無線充電將會支持大功率快充功能。無線充電聯(lián)盟（WPC）在2021 年8 月發(fā)布了最新的Qi 1.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了手機(jī)無線充電的發(fā)送端最大功率為 15W，但是目前很多國產(chǎn)品牌的手機(jī)都可以支持更大功率的無線充電，比如小米的 MIX4 支持50W 無線快充，榮耀的 Magic 3 Pro 配備了66W 的無線快充等等。而一輛配置 40/50W 的無線充電的汽車，半小時就可以幫你把手機(jī)從低于 10%的電量充到接近 80%，這將會給客戶帶來極佳的用戶體驗(yàn)。因?yàn)橐话闱闆r下，我們的單程駕駛時間通常不超過 1 小時，而在這段時間內(nèi)，配置大功率的無線充電模塊幾乎可以將我們的手機(jī)電池充滿。因此，將來國內(nèi)車廠對無線充電模塊的功能要求除了兼容 Qi 1.2.4/Qi 1.3 來支持蘋果和三星手機(jī)外，對國產(chǎn)手機(jī)必須支持大功率快充的功能。

以上主要是從需求端來分析的，從技術(shù)端來看，首先工信部在 2021 年2 月發(fā)布《無線充電 (電力傳輸)設(shè)備無線電管理暫行規(guī)定(征求意見稿)》，該規(guī)定為國內(nèi)無線充電提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)規(guī)定，目前我國手機(jī)無線充電最高功率為 50W。其次，國內(nèi)大功率無線快充技術(shù)日趨成熟，整個無線快充供應(yīng)鏈生態(tài)也日趨完善。目前國內(nèi)的手機(jī)主要分為三大陣營：華為系、小米系和OPPO系。其中，易沖跟華為系深度綁定，伏達(dá)跟小米是戰(zhàn)略合作，也就是說如果要對華為系手機(jī)進(jìn)行無線快充，你要去找易沖尋求方案；如果要做小米系手機(jī)的無線快充，伏達(dá)是最優(yōu)的選擇。當(dāng)然，無論是伏達(dá)還是易沖，他們都拿到OPPO 的私有協(xié)議，都可以對 OPPO 系手機(jī)提供快充方案?，F(xiàn)在伏達(dá)和易沖都有進(jìn)軍汽車領(lǐng)域，為汽車的 Tier1 提供無線快充的方案，所以無線快充在中國的汽車領(lǐng)域已經(jīng)成熟了。

Autosar 和功能安全

第二個技術(shù)趨勢是 Autosar 和功能安全。AUTOSAR 是AUTomotive Open Systems ARchitecture 的縮寫，核心成員由歐洲、美國等大型 OEM 和頭部Tier1 組成，包括大眾、寶馬、博世、大陸等。其意在定義一套標(biāo)準(zhǔn)的汽車電子軟件架構(gòu)方案，以便應(yīng)用于不同的平臺，提高軟件復(fù)用，降低開發(fā)成本。AUTOSAR 提倡的軟件分層、模塊化、接口的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于降低軟件的移植成本，提高軟件的復(fù)用度，方便項(xiàng)目的更新迭代。目前國內(nèi)的整車廠絕大部分已經(jīng)開始按照 Autosar 的構(gòu)架來開發(fā)整車的軟件，一些核心的零部件也需要遵循 Autosar 的要求，所以車載無線充電模塊將來也極有可能需要滿足 autosar 構(gòu)架。當(dāng)然了，如果無線充電模塊支持完整的 autosar 構(gòu)架會增加系統(tǒng)的成本，尤其是對主控 MCU 的flash 開銷會大幅增加，所以很多 Tier1 可能會采用一個折中的方案也就是先支持部分的 Autosar, 比如CAN 的通信部分軟件先按照 Autosar 的標(biāo)準(zhǔn)來。

AUTOSAR 還是一個符合 ISO26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)，最近幾年功能安全的呼聲也越來越高了。如圖二，在電動汽車?yán)?，BMS 需要滿足 ASIL-D 等級要求， headlight 需要滿足 ASIL-B 的功能安全等級需求。無線充電模塊跟行車的安全關(guān)系不大，所以對功能安全的要求應(yīng)該不會太高，基本上 ASIL-A/B 就應(yīng)該可以滿足整車廠的要求。跟 AUTOSAR 一樣，如果無線充電模塊需要滿足相應(yīng)的功能安全等級要求，對系統(tǒng)成本，人力資源也會提出了不少額外的要求。由于現(xiàn)在國內(nèi)的 Tier1s 相當(dāng)部分都是面向全球的車企，所以對于功能安全的支持通常是國外的項(xiàng)目會首先要求支持，然后過渡到國內(nèi)的一些合資車廠（如上海大眾等），最后才會是本土的車廠。

NFC

NFC 全稱為 Near Field Communication，是一種近場無線通訊技術(shù)，使用該技術(shù)的設(shè)備可以在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。目前市面上的車載無線充電模塊除了極個別的高端車型外，其余的基本不帶 NFC 功能，但是這一局面很快就要改變。最初增加 NFC 功能的原因是為了防止無線充電產(chǎn)生的充電磁場損壞你帶有 NFC/RFID 功能的卡（比如銀行卡、公交卡或者門禁卡等），但由于增加了 NFC 功能，導(dǎo)致客戶在軟硬件上又增加了額外的成本，所以很多車廠在作了一番利弊權(quán) 衡后，基本上都去掉了 NFC。但是隨著越來越多的智能手機(jī)增加了 NFC 功能后，集成了 NFC 功能的無線充電模塊就會增加了 NFC 的應(yīng)用范圍，從而獲得整車廠的青睞。NFC 感應(yīng)功能可以用于手機(jī)與車機(jī)互聯(lián)時進(jìn)行用戶認(rèn)證，還允許鎖定/解鎖車門并啟動發(fā)動機(jī)，當(dāng)然 NFC 還可以完成座椅、車內(nèi)氛圍燈調(diào)節(jié)、后視鏡位置的個性化設(shè)置，極大地提升了用戶體驗(yàn)。最后，雙充或者多充也將成為將來的一個趨勢，目前 Tesla Model 3 已經(jīng)支持雙手機(jī)無線充電，可以預(yù)測國內(nèi)的車廠應(yīng)該很快也會跟進(jìn)，無線雙充／多充將會勢不可擋。

以上所述的技術(shù)趨勢對無線充電的方案提出了許多新的要求。首先是大功率，tier1s 需要從手機(jī)廠拿到支持大功率充電的私有協(xié)議，然后把這個私有協(xié)議增加到現(xiàn)有的無線充電代碼中去，這就要求所選的方案能夠開放源碼；其次關(guān)于功能安全和 Autosar，要求無線充電方案中主控 MCU/DSC 能夠提供支持功能安全（ISO26262）的開發(fā)包，具體包括主控芯片的安全手冊，F(xiàn)MEDA 報(bào)告和功能安全診斷性代碼庫；該芯片還必須支持 AUTOSAR, 可提供 MCAL 驅(qū)動庫，并且能夠提供 512k~1M Flash 空間。而對于 NFC 的支持，客戶除了在硬件上增加 NFC 芯片外，還需要在軟件上增加 NFC 的協(xié)議代碼。最后針對雙充或者多充，需要主控芯片具有強(qiáng)大的 CPU 性能和外設(shè)功能，同時能夠支持多個任務(wù)的實(shí)時處理，有些場合單核芯片可能滿足不了，需要雙核的芯片才能應(yīng)對。

Microchip Qi v1.3 15W 無線充電發(fā)送端參考設(shè)計(jì)

美國微芯科技（Microchip）的dsPIC33C 系列數(shù)字信號控制器（DSC）能夠很好地滿足車載 Qi 無線充電應(yīng)用的挑戰(zhàn)。它提供 100 MIPS 支持 DSP 運(yùn)算的CPU，CAN/CAN-FD 模塊, 280 ns 的高速 ADC， 250 ps 的數(shù)字電源專用PWM 模塊和 15 ns 的片上高速模擬比較器以及 12bit DAC, 完全滿足了無線充電對主控 MCU 的需求，Microchip 可以提供開源的無線充電方案，客戶可以自行加入無線快充的私有協(xié)議來支持大功率充電，還可以加入 NFC 軟件協(xié)議來支持 NFC 功能；dsPIC33C 系列芯片最大 Flash 容量可達(dá) 1 MB，可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的MCAL 驅(qū)動庫來支持 Autosar 的開發(fā);該系列還提供單核（CK）和雙核（CH）的產(chǎn)品，以滿足客戶開發(fā)無線雙充或多充的需求；最后 dsPIC33C 系列芯片可以提供完整的功能安全（ISO26262）開發(fā)包, 包括安全手冊，F(xiàn)MEDA 報(bào)告， TUV 認(rèn)證過的 ASIL-B/C 診斷性代碼庫和功能安全開發(fā)的應(yīng)用筆記等來支持客戶的功能安全開發(fā)。

車載無線充電的另一個挑戰(zhàn)是Qi 1.3 認(rèn)證，客戶通常需要花費(fèi) 3-6 個月的時間來完成認(rèn)證。為了幫助客戶降低開發(fā)成本，減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和縮短開發(fā)時間，Microchip 在之前推出的 15W 兼容 Qi v1.2.4 規(guī)格的無線充電參考方案后，今年又推出了兼容最新Qi v1.3 標(biāo)準(zhǔn)的15W 無線充電發(fā)送端參考設(shè)計(jì)，如圖三所示。

Microchip 最新兼容 Qi 1.3 標(biāo)準(zhǔn)的15W 多線圈無線充電發(fā)射端參考設(shè)計(jì)采用上述的 dsPIC33C系列的數(shù)字信號控制器（DSC）為主控芯片，該 DSC 靈活的軟件架構(gòu)可以支持可靠的異物檢測（FOD），并能使你的設(shè)計(jì)成為一個高效的解決方案，支持專有的快速充電和加密認(rèn)證，以滿足 Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)。在適當(dāng)?shù)臈l款和條件下，Microchip 可為您提供設(shè)計(jì)文件和軟件源代碼，以方便你設(shè) 計(jì)時無縫連接，縮短開發(fā)周期。

該方案的主控是 dsPIC33C 系列數(shù)字信號控制器, 該芯片的特點(diǎn)以及在本設(shè)計(jì)中的主要功能如下：

· 100 MIPS CPU 性能，F(xiàn)lash 容量從32K ~1 MB

· 可以提供單核（dsPIC33CK）和雙核（dsPIC33CH）的選擇

· 支持CAN/CAN-FD, 可以最多提供雙路 CAN-FD

· 軟件支持Qi 1.2.4或 Qi 1.3 協(xié)議

· 軟件可支持四開關(guān) buck/boost、CAN 通訊和加密認(rèn)證等等

· 采用MPA13 拓?fù)錁?gòu)架來提升 EMC/EMI 的性能

· 軟件方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)來降低系統(tǒng)BOM

· 芯片通過AEC Q100 認(rèn)證

· 支持兼容功能安全 ISO26262 ASIL B/C 等級,提供功能安全開發(fā)包

· 支持AUTOSAR, 可提供兼容 ASIL B/ASPICE L1 的 MCAL 驅(qū)動庫

這款設(shè)計(jì)采用了很多Microchip 的器件，包括 dsPIC33CK256MP506 主控芯片、ATECC608／ TA100 安全芯片，ATA6563 CAN 收發(fā)器以及其他一些 MOSFET 驅(qū)動芯片MIC4605/MCP14700 等等，Microchip 正在大力推廣 15W Qi 無線充電的完整系統(tǒng)解決方案，如果你對 Microchip 的無線充電方案感興趣，請發(fā)郵件至microchip@sac.com.hk或聯(lián)系大聯(lián)大品佳當(dāng)?shù)剞k事處。

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