一、硬件架构设计
1. 主控模块
- MCU选型：R7F0C807（RL78内核，20MHz主频，8KB Flash）
- 核心功能： 定时器阵列（TAU）生成PWM驱动信号（131kHz±5%） 12位ADC实时监测电流/电压（精度±1.5%） 内置看门狗定时器（WDT）防止程序跑飞
2. 电力传输模块
- 线圈设计： 发送线圈：15μH空心线圈（Q值≥80） 谐振电容：22nF X7R陶瓷电容
- 驱动电路： 半桥拓扑（TPS28225D驱动MOSFET） 功率开关：2个N沟道MOSFET（VDS=30V，RDS(on)=18mΩ）
3. 检测电路
| 检测项 | 实现方案 | 精度 |
|---|---|---|
| 电流检测 | INA199A1（增益50x）+20mΩ采样电阻 | ±0.5% |
| 电压检测 | 分压电阻（10kΩ+2.2kΩ）+运放跟随 | ±1% |
| 温度检测 | NTC热敏电阻（10kΩ@25℃）分压电路 | ±2℃ |
4. 保护电路
- 过流保护：阈值1.2A（响应时间<50μs）
- 过温保护：阈值85℃（滞后5℃）
- 异物检测：通过电流纹波分析（>50mV触发）
二、软件控制逻辑
1. 状态机设计
typedef enum {STANDBY, // 待机模式（低功耗）DETECT, // 接收器检测CHARGING, // 正常充电FAULT // 故障处理
} SystemState;// 状态转移逻辑
void State_Transition() {switch(current_state) {case STANDBY:if(检测到接收器) current_state = DETECT;break;case DETECT:if(电流>阈值) current_state = CHARGING;else timeout_reset();break;case CHARGING:if(过流/过温) current_state = FAULT;else adjust_power();break;case FAULT:执行保护动作();break;}
}
2. 关键算法
-
动态功率调节：
void adjust_power() {float error = target_voltage - measured_voltage;duty_cycle += Kp*error + Ki*integral_error;duty_cycle = constrain(duty_cycle, 40, 60); // 保持占空比在合理范围 } -
异物检测算法：
bool detect_foreign_object() {float ripple = abs(ADC_ripple_value - baseline);return (ripple > 50) && (ripple < 200); // 特征窗口判断 }
三、PCB设计要点
1. 布局策略
- 电源分区：输入滤波电容（10μF X7R）紧邻VIN引脚
- 信号完整性： PWM信号线宽度≥2mm 接收线圈走线长度匹配λ/4（131kHz对应57mm）
- 热管理： MOSFET下方铺铜（面积≥20mm²） 热敏电阻靠近发热元件
2. EMC设计
- 滤波措施： 输入端π型滤波（100μH+100nF+10μF） 输出端共模扼流圈（120Ω@100MHz）
- 屏蔽方案： 发送线圈包裹0.1mm厚镍箔 MCU区域设置GND屏蔽罩
四、安全保护机制
1. 三级保护体系
| 层级 | 触发条件 | 响应动作 |
|---|---|---|
| 一级 | 过流（>1.2A） | 立即关断PWM，LED闪烁 |
| 二级 | 过温（>85℃） | 降频至65kHz，启动风扇 |
| 三级 | 持续异物检测（>30s） | 进入深度睡眠，需手动复位 |
2. 异常处理流程
graph TDA[异常检测] --> B{异常类型}B -->|过流| C[关闭PWM]B -->|过温| D[启动降温]B -->|异物| E[进入待机]C --> F[LED红色闪烁]D --> G[风扇全速]E --> H[等待用户复位]
五、调试与验证
1. 测试环境搭建
- 仪器配置： 示波器：Keysight DSOX3014T（带宽1GHz） 功率分析仪：Yokogawa WT3000（精度0.1%） 热成像仪：FLIR E5-XT
2. 关键测试项
| 测试项目 | 标准要求 | 实测数据 |
|---|---|---|
| 效率（满载） | >80% | 83.2%@20W |
| 交叉干扰 | <50mV | 32mV |
| 温升（连续工作） | <45℃ | 38.6℃ |
| 通信距离 | 5mm±1mm | 4.8-5.2mm |
3. 调试技巧
- 谐振点捕捉：通过示波器观察谐振电容电压波形，调整频率使波形呈纯正弦
- 动态响应测试：使用电子负载进行±20%阶跃变化测试
- EMI排查：近场探头定位辐射源，添加屏蔽罩
六、完整工程结构
├── Firmware/
│ ├── Drivers/ # 外设驱动
│ │ ├── PWM.c # PWM模块
│ │ └── ADC.c # ADC模块
│ ├── Control/ # 控制算法
│ │ ├── power_ctrl.c
│ │ └── safety.c
│ └── main.c # 主程序
├── Hardware/
│ ├── schematic.pdf # 原理图
│ └── layout.png # PCB布局
└── Tests/├── efficiency.csv # 效率测试数据└── transient.log # 瞬态响应记录
参考代码 瑞萨R7F0C807无线充电发送器设计（PCB+源码） www.youwenfan.com/contentcnj/71604.html
七、扩展功能建议
- 多设备兼容：支持Qi标准协议（需扩展通信模块）
- 智能调度：基于负载预测的动态功率分配
- OTA升级：通过无线充电实现固件更新
- 能量回馈：支持反向充电（需增加整流电路）
实际应用时需根据具体场景调整线圈参数和防护等级。建议参考瑞萨官方AN-2353应用笔记进行深度优化。
