本文将介绍依据FPGA的无线充电器接纳器体系的解决方案。无线充电器接纳器严厉遵从最新的WPC Qi规范。接纳器体系包括一个模仿模块和一个FPGA模块。模仿模块由分立式组件组成，包括全桥整流器模块、V/I检测和AD操控模块以及DC-DC模块。FPGA模块充任数字内核，其内嵌通讯模块、操控模块、核算模块和收发器模块。它运用Verilog言语和状况机对FPGA编程。最终，经过测验和验证，无线充电器接纳器在多个首要OEM的无线充电器发射器上作业极佳。
1. 布景
跟着无线充电器技能的蓬勃开展，以及越来越多的智能手机用户被各种充电电缆所困扰，便当易用的无线充电器将被遍及承受和选用。现在有三种不同的无线充电器规范：WPC （Qi）、PMA和A4WP.WPC Qi规范更常用于智能手机运用。现在，许多智能手机OEM已推出支撑WPC规范的无线充电器解决方案。本文将要点介绍WPC规范的无线充电器接纳器解决方案，及其与依据FPGA的具体体系架构的联系。
2. WPC规范概述
WPC Qi规范供给无线充电器体系的具体阐明，包括通讯和传输协议。功率一直从充电板传输至移动设备。充电板包括一个称为功率发射器（由主线圈组成）的子体系，而移动设备包括一个称为功率接纳器（由次级线圈组成）的子体系。
图1阐明晰根本体系装备。如图所示，功率发射器由两个首要功用单元组成，即功率转化单元和通讯与操控单元。 操控与通讯单元将转化的功率调理至功率接纳器恳求的水平。功率接纳器则由一个功率拾取单元和一个通讯与操控单元组成。
功率接纳器坐落手机端，因而接下来将首要介绍功率接纳器体系，并阐明依据FPGA的无线充电器接纳器的解决方案。
图1：根本体系装备
3. 依据FPGA的功率接纳器体系概述
依据WPC Qi规范，功率接纳器体系将包括一个功率拾取单元和一个通讯与操控单元。示例中将具体介绍一个彻底满意WPC Qi规范要求的接纳器解决方案。 图2显现依据FPGA的功率接纳器体系的架构。
图2：体系架构
如图2中所示，接纳器体系包括两个子体系，一个是模仿模块，另一个是数字模块。模仿模块由分立式器材组成，包括全桥整流器模块、V/I检测和AD操控模块、通讯模块和DC-DC模块。数字模块内置在FPGA中，运用Verilog言语编写程序。数字内核模块可分为三个首要子模块： 第一个是通讯和PWM操控模块，第二个是核算模块，第三个是Rx和Tx（接纳器和发射器）模块。下面更为具体地介绍了这些模块。
4. 模仿模块
次级线圈是模仿模块的供电来历；主线圈和次级线圈组成一个完好的无芯谐振变压器。经过电磁耦合，交变磁场将在次级线圈发生沟通电源，然后全桥整流器将沟通转化为直流。图3显现部分模仿模块的原理图。
图3：部分模仿模块的原理图
4.1 全桥整流器
在此解决方案中，FAN156 （U10）比较器、FDMA8878（M1、M2、M3、M4）N沟道MOSFET、FAN7085和FAN3180（U2、U3、U4、U5）MOSFET驱动器组满足桥整流器。FAN156器材的输出信号直接馈入FPGA，然后FPGA向全桥整流器供给操控信号H1、L1、H2和L2.
FAN156比较器用于检测线圈两头的极性。如原理图中所示，假如线圈+为正极，线圈-为负极，则FAN156比较器向FPGA供给“H”信号。类似地，假如线圈+为负极，而线圈-为正极，则FAN156比较器向FPGA供给“L”信号。然后PWM操控模块将依据这些输入供给输出。从全桥整流器视点来看，假如线圈+为正极，线圈-为负极，则N沟道MOSFET的M1和M4应导通，而M2和M3应关断。类似地，假如线圈+为负极，线圈-为正极，则N沟道MOSFET的M2和M3应导通，而M1和M4应关断。这样就构成一个整流循环，在M1和M4翻开与M2和M3闭合之间或M2和M3翻开与M1和M4闭合之间应存在死区时刻。这是因为有一个潜在危险，例如，当FPGA发送指令使M1和M4导通时，一起M2和M3也导通并将关断，因而M1和M2将构成一个低阻抗途径。应防止这种状况。需求死区时刻以保证M2在M1导通之前关断。在此解决方案中，可在FPGA PWM操控模块中增加死区时刻。图4阐明晰PWM操控模块的时序图。 请注意，“1”指逻辑“H”，“0”指逻辑“L”，FAN7085为负逻辑。
图4:PWM操控模块时序图
4.2 V/I检测和AD操控模块
V/I检测和AD模块担任电压和电流数据收集，这些参数关于FPGA操控模块至关重要。在此解决方案中，10位ADC（U8、U9）、差分扩大器（U6）和FAN4931器材（U7）组成V/I检测和AD操控模块。一个20毫欧精细电阻用于检测电流，差分扩大器则扩大该精细电阻上的压降。例如，将差分扩大器设置为100 V/V增益，且ADC的参阅电压为2.5 V，因而可检测到的最大电流为1.25 A，而且理论精度小于2 mA.
精细分压电阻R9和R10用于检测整流DC电压Vrec;假如R9=75 K且R10=24.9 K（如原理图中所示），因为ADC的参阅电压为2.5 V，因而最大可检测电压为10 V，理论精度小于10 mV.FAN4931器材用作电压跟从器，以完成ADC和电阻分压器之间的阻抗匹配。
ADC、CS和CLK的操控信号来自FPGA操控模块。其输出数据将馈入FPGA，核算模块将运用此数据核算收到的功率，而操控模块将运用此数据作为verilog程序的输入信号。
5. 数字模块
数字内核模块内置在FPGA中，其对功率接纳器体系至关重要。
5.1 通讯和PWM操控模块
WPC Qi规范从体系操控视点供给了功率传输阶段的具体阐明。 从功率发射器到功率接纳器的功率传输包括四个阶段：发动（挑选）、ping、ID和C（辨认和装备）以及PT（功率传输）。图5阐明晰这些阶段之间的联系。
图5：功率传输阶段
WPC Qi规范还界说了功率传输阶段中的严厉时序要求。依据这些要求，本文给出了状况机，包括九种不同状况，而且将依据此状况机编写FPGA操控模块程序。图6阐明晰操控模块状况机。
每次将接纳器板置于无线充电器垫上时，操控程序将进入状况0.假如衔接（ping）成功，接纳器将进入充电状况。这样操控程序将保持在状况5和6中，操控模块将宣布操控过错包以调理充电电流，还将发送接纳的功率包以施行FOD（异物检测）功用。
图6：操控模块状况机
5.2 核算和Rx及Tx模块
核算模块用于核算信号强度、操控过错和接纳功率。在模仿模块中，ADC将向FPGA供给电压和电流信息，核算模块将获取信号强度、操控过错和接纳的功率，并将其发送给Rx和Tx模块。
信号强度值可运用以下公式核算得出：
其间，U是监控的变量，Umax是最大值，即功率接纳器在数字ping过程中预期该变量所到达的值。 请注意，功率接纳器应在U≥Umax时将信号强度值设置为255.此处运用整流电压Vrec作为U，ADC将向FPGA供给10位数字化电压，而FPGA将用其核算信号强度。
接纳功率值可由下式核算得出：
其间，最大功率和功率等级为装备包中包括的值，在低功率无线充电器运用中，最大功率应设置为10.依照WPC Qi 1.1.1版，功率等级应设置为0，这意味着功率接纳器应向整流器输出供给- 5 W.请注意，此处公式2中的接纳功率值不是实践值。应由下式转化：
其间，假如接纳功率值为128，则意味着接纳功率为5W.
所有这些算法都在FPGA中施行。
Rx和Tx模块运用来自核算模块的数据来处理数据包，并将这些数据包发送至功率发射器。WPC Qi规范界说了通讯中的数据格局。在每次数据传输中，将传输一个数据包。一个数据包由一个用于位同步的前同步码（11位以上1）、指明数据包类型的一字节音讯头、音讯信息（127个字节）和一个校验和字节组成。一个数据字节为11位串行格局。此格局由一个位开始位、八个数据位、一个校验位和一个位中止位组成。开始位为零。数据位的次序从最低有用位（LSB）优先。校验位为奇数，中止位为1.数据位选用差分双相码编码，其速度为2Kbps.数据格局如图 7中所示。
图7：数据格局
6. 定论
经过测验和剖析，演示板在首要OEM的无线充电器垫上运转杰出。这表明体系安稳牢靠，具有一些实用价值。图8显现了此解决方案用于在首要OEM的无线充电器垫上对手机充电。跟着便携设备越来越遍及，便当充电将成为不断增加的趋势，而无线充电可能是最佳挑选。此解决方案选用一些分立式器材和一个FPGA，来验证Qi规范充电器接纳器的规划，并对无线充电器接纳器体系的架构和规划选用极高的技能参阅值。跟着无线充电器商场的开展，此办法可极轻松地集成到新的芯片中。
图8：无线充电器垫上的无线充电
