意法半导体的无线充电设计指南，满足不同功率段无线充电的需求

前言

意法半导体（ST）具备从低功率至高功率完整的无线充电PTx和RTx方案。可以满足不同功率段无线充电的需求。本次演讲将介绍意法半导体无线充电Tx端至Rx端如何在实际项目中设计导入，并介绍无线充电设计过程中需要注意的事项。帮助用户了解如何采用意法半导体的无线充电方案，更快，更有效地实现系统应用。

本次演讲的嘉宾是意法半导体（ST）深圳无线充电与技术管理的技术市场经理章正平。主题为ST无线充电设计指南。如何在实际量产的项目中设计意法半导体的无线充电方案。

以上是本次演讲的目录。首先是意法半导体的无线充电介绍，其次是无线充电的设计流程，再者是无线充电设计的准备工作，第四是无线充电设计的系统，第五是基于Rx 端STWLC38的产品，第六是基于Tx 端STWBC86的产品，第七是意法半导体如何支持Qi的认证，最后一个是意法半导体在无线充电的领先优势。

意法半导体（ST）集团作为世界最大的半导体公司之一，也是世界领先的提供半导体解决方案的公司，意法半导体致力于为客户提供高品质的产品，帮助客户在系统应用端进行产品创新，拥有超过9000名技术研发人员，超过19500+技术创新专利，拥有80余家办事处和分公司，为全球超过200000+客户提供完善的技术服务，拥有14家生产制造中心。联合国全球契约（UNGC）签署国，责任商业联盟 （RBA） 成员。

意法半导体致力于为客户提供最高效率的全套解决方案，也致力于实现绿色可持续发展的愿景。意法半导体可以提供无线发射的接受端和发射端的全套解决方案。

基于Qi标准下的TX、RX端解决方案，主要关注的是15~30W、30~70W、70~100W范围的解决方案，因为国际上暂时没有统一的标准，厂商可以在这个区间范围内设计出属于自己的私有协议。其中30W以内的主要是消费类电子采用，30~70W主要是旗舰类的消费类电子产品，例如高端手机、笔记本电脑、平板等，涵盖工业与医疗领域的采用，70~100W主要是涵盖工业机器人、电动工具、医疗器械等领域应用。以上产品推荐作为新的无线充电系统设计使用，产品的最终参数可能因最终应用和其他因素而异，携带（BPP） 或 （EPP）认证的需要进行 Qi 1.3标准认证鉴定。

基于TX、RX的设计流程，确定输出、输入电压后，确定整个无线充电的相关参数，基于以上参数和产品结构，进行产品仿真测试，测试通过后进行TX、RX端的原理图设计，接着对原理图设计进行审核，完成PCB和PCBA设计后，分别对TX、RX端进行软件优化，最后进行小批量生产，对硬件和软件进行优化，完成量产前的工作后，即可开始量产。

右边是以市面上流行的智能手表为案例，在产品矩阵图中，通过对应的功率段进行选择，根据产品的充电功率、充电距离、RX、TX的需求进行选择。

STWBC86JR和STWLC38JR在USB-I2C转换工具的应用案例，下方采用STWBC86JR打造而成，TX端的输入端通过12V DC或者USB 5V进行供电，上方RX端是STWLC38JR打造而成的，该方案的TX和RX端运行数据均可以通过GUI来进行读取。

STWLC38是一款集成式无线电源接收器，适用于可穿戴/耳戴式和智能手机应用，可提供高达 15 W 的输出功率。该芯片支持感应通信协议、5W 和 15W 扩展功率的 Qi 1.3标准，最高工作频率可达800Khz，内置Arm 32-bit CortexTM-MO+ core up to 64MHz，32kB restive RAM (RRAM)，拥有非常高的集成度，保护功能非常完善。

STWLC38可以满足轻载或者空载功耗的要求，在环境温度为25.6°C情况下进行轻载，温度最高为30.9°C，在5W的满载情况下最高温度是38.6度，温升表现优秀。STWLC38自带ARC功能，可选择打开或者关闭该功能，在打开后可以扩展RX与TX的接触距离，实测打开ARC功能后，无线充接收范围可增加50%。

TX端的STWBC86JR是一款高度集成的单片式无线电源发射器解决方案，适用于高达 15W 的应用。由于集成了低阻抗全桥/半桥逆变器，所以该方案的外围电器较少，同时实现高效率和低功耗。支持I2C 接口，允许自定义固件和平台参数，并且可以使用嵌入式 FTP 配置设备。该芯片非常适合低功率紧凑需求的产品应用。

线圈的设计，以STWLC38和STWBC86 为例子，RX端和TX端的线圈设计均为内径25mm，外径31mm，线圈为13扎，RX端电感量为20uH，TX端电感量为6.3uH。通过建模仿真建立的TX、RX端系统模型。

建模仿真中的因素，整个TX、RX线圈间耦合的因素，负载的变化，影响系统的运行，因此，需要进行系统的优化和调节，改善低功耗的转换效率的表现。

基于整个系统制作的磁场感应强度云图，根据磁场感应强度云图的分布进行磁场矢量分布的分析，基于分布的情况，通过系统扫描得到的参数，包括TX、RX的感量变化，系统的K值变化，最后查看Z轴变化导致的磁场分布变化。所以系统仿真是整个无线充系统设计的至关重要的一环。

STWLC38基于5W产品的典型电路图，可以看到外围较为精简，设计较为简洁。在开发无线充时候，原理图的重要性不言而喻。

以上是STWLC38的PCB板设计示例图，遵循小信号器件与大信号器件隔离开，避免小信号器件被大信号器件干扰，导致系统工作状态稳定性发生变化。

STWBC86得益于其该产品的高集成度，IC外围较为简洁，ASK解码满足TX和RX进行解码工作，因为产品有不同的应用需求，所以可以加入LED显示的设计。

STWBC86的PCB设计图，同样采用小信号器件与大信号器件隔离开的设计方式，ASK也是同样原理，减少大功率回路或者地线、小信号的干扰。I2C是为了方便调试增加的，在实际产品应用中不需要该部分电路。

STWBC86在进行RX、TX端的数据检测时候，可通过PC端安装STCHARGE Wireless power Studio系统工具来进行数据检测，读取检测相关的参数，TX、RX端均可通过GUI来进行简单检测。通过意法半导体开发的软件，可以灵活的调整和优化无线充方案，缩短产品的开发周期，满足各种定制化需求。

基本的基站包含一个或多个发射器，发射器是为了提供功率传输给接收端。移动设备含一个接收端，会给系统（例如电池）接收端提供供电，接收器会提供一个控制的信号给发射器。

无线充电器的工作分为4个阶段，第一个起始阶段，发射端首先会发射信号进行检测，检测是否表面存在异物，接着接收端会等待发射端的信号。第二个阶段是接收端接收到发射端的信号后，就会与发射端进行通讯，发出控制信号反馈给TX端。第三个阶段是进行身份识别与参数确认的阶段，所以接收端会通过通讯识别发射端的身份，然后向对应的接收端提供功率信息，发射端得到相应指令后发射出相应的功率。第四个阶段是功率传输的最后阶段，接收端把相应的数据给到发射端，发射端就会调整整个功率传输。

意法半导体的Qi 认证包含符合性、兼容性的测试，符合性测试会包含Qi最新的标准和规范，通过硬件和软件上的调试来达到符合性，兼容性的测试主要在WPC规定的实验室内进行完成配套的TX、RX端兼容性测试，主要测试设备包含Nok9 CATS Il。

WPC的Qi标准认证测试由Qi 1.2.4标准转变为Qi 1.3标准，主要区别是Qi 1.2.4测试项为115项，而Qi 1.3测试项为677项，且Qi 1.3加入了身份识别功能，有效保证无线充设备的安全性。右上角是Qi 1.3的一个测试报告示例，测试中可以根据不同线圈进行匹配测试，完成符合性测试，达到WPC最新规范的测试。

意法半导体无线充电的优势。涵盖无线充电1~100W功率段范围，涵盖范围非常广。可以提供RX和TX全套的解决方案。意法半导体提供的整套方案可以满足行业内对于效率的要求，同时意法半导体也在追求产品的不断创新。意法半导体的方案集成度非常高，有效减少外围元器件，厂商可以减少成本的时候。意法半导体拥有完善的演示版生态系统、设计指南、软件工具，厂商可以有效缩短产品的开发时间。意法半导体支持线圈的定制，区别于传统的设计，让产品的磁场分布更加稳定。意法半导体的产品拥有7年的生命周期保障，避免厂商产品的周期寿命短的问题。

意法半导体在4个方面指导用户整个无线充电的设计工作，避免产生不必要的麻烦，包括系统的仿真、意法半导体自带的实验室、EVK测试、意法半导体自有的GUI工具，帮助厂商进行Qi的相关认证和进行无线开发的研究。

线圈的仿真测试是无线充开发的重要一环，在设计之初和设计过程中，TX、RX端线圈如何计算是非常关键的，意法半导体可以提供相关的技术支持，整个理论支撑对于系统的应用也是非常关键的，通过理论结合实际来帮助用户解决相关的问题。

意法半导体在大功率无线充电也有相应的优势，例如50W的发射方案是基于STWBC2-HP完成的，STWBC2-HP甚至可以打造100W的无线充TX端发射方案，且方案非常简洁，线圈设计比较紧凑，相应的100W的RX端方案可以通过单颗STWLC99来完成，对于功率需求稍低的可通过70W的STWLC98方案来实现。

意法半导体的无线充解决方案可以帮助用户更快实现大功率无线充电，并有助于改善无线充的充电环境和用户体验。同时意法半导体的方案自带诸多安全功能的设计，保障无线充的安全。

以上是意法半导体最新的电路技术原理图，从图中可以看到应用了意法半导体的高带宽通讯的产品ST60A3。右边是实物图，更加直观的查看其工作状态和原理，通过无线充可以打开RX端的U盘，查看里面的图片文件或视频文件，最大可以达到60M/S的带宽，也是业内领先的带数据无线充解决方案。

充电头网总结

本次演讲围绕意法半导体的无线充电设计指南开展，从无线充电的介绍开始，依次是无线充电的设计流程和准备工作，最后是无线充电的整体设计，以及意法半导体基于Rx 端STWLC38和Tx 端STWBC86提出的无线充解决方案，阐释意法半导体的产品是如何支持Qi的认证，以及在无线充电领域的优势。为了满足不同厂商的要求意法半导体开发出了1~100W功率段完整的RX和TX端解决方案，帮助厂商快速设计出需要的无线充产品和缩短产品的开发时间，同时赋予产品更多安全、高效、低能耗等属性。

意法半导体的高带宽通讯的产品ST60A3，是意法半导体在业内领先的带数据无线充解决方案。由于是通过无线传输来完成数据的交换和读取，没有采用传统的金属触点来进行连接，所以无需引脚进行精确对准，能够承受更恶劣的环境运行，例如沙尘、水、雾等环境。意法半导体开发的ST60A3通过低功耗、高速、高可靠的无线连接，解决了大部分智能设备从固态中读取、传输数据需要接触式连接器的问题。

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