锂电池无线充电电路设计
第二章系统总体设计
2.1设计要求及目标
高效率和高精度是锂电池无线充电系统的目标，必须实现不低于75%的效率，在5cm距离范围内充电稳定性较好，需具备低、高容量电池均可兼容并具有5W～15W可调功能，具有超压、超流、过温及异物检测等保护功能，满足电磁兼容规则，不引起周边装置影响，兼容性较强，能够符合Qi无线充电协议，满足常用锂电池设备的充电需求。
该设计的初衷是开发设计一种以STM32为基础，有较强稳定性和可靠性的锂电池无线上充设备，其具体功能为：稳定有效地给锂电池提供无线能量传输以满足锂电池的充电需求；以STM32为基础实现对充电过程的智能化管理与控制，并具备过充、过流、过温保护功能等；设计简单友好的人机界面，实时显示锂电池的充电情况及与之相关的数据；保证在任何环境下都正常稳定工作，以满足实际应用需求。
2.2系统方案设计
系统由发射端和接收端组成。发射端以 STM32 为控制核心，产生高频控制信号，经功率放大模块驱动发射线圈产生交变磁场；同时集成电源模块为各部分供电。接收端接收线圈感应磁场产生电能，经整流滤波电路转换为稳定直流电，再通过锂电池充电管理芯片为锂电池充电；接收端的 STM32 负责监测锂电池状态，并通过无线通信模块与发射端交互数据，实现充电过程的闭环控制。系统方案设计框图2-1如下：
图2-1方案设计框图
2.3主要器件选型
2.3.1主控芯片选型
我们选用意法半导体(STMicroelectronics)研发的ST32F103C8T6微控制器作为主要器件，它属于ARMCortex-M3内核家族，有比较高的性能。该芯片采用了哈佛架构，其最高频率能达到72MHz，提供每秒一千二百五十个百万操作数计算性能，可以使它执行充电中相关复杂数学计算。
片子上集成了32kb的flash存储器，可满足系统程序代码的存储要求；6kb的sram也能为数据缓存和实时运算提供足够的空间。
图2-2 STM32STM32F103C8T6芯片
在通信接口上，STM32F103C8T6有丰富的配置，包括可用于串口通信的3个USART口，最高支持不同波特率的通信；2个SPI口最高通信频率可达18Mbps，有利于高速的数据传输；2个I2C口分别对应标准/高速模式(最高速度每秒400kHz)，用于连接OLED显示模块等外部设备非常便捷；还包括3个16位计数器和1个12位的ADC(最高采样率每秒1000Hz)，可以产生PWM信号和对电压、电流进行高精度测量。
相比之下，相对于同类微控制器，如MSP430G2553，ST公司的STM32F103C8T6计算能力较强且优势较为明显，其Cortex-M3核比MSP430系列处理速度快近3倍。从开发方面考虑，意法半导体提供一个完善的SMT32Cube软件环境，包括HAL库、LL库和图形化配置工具STM32CubeMX，大大缩短了研发周期。
据市场调查公司统计，stm32系列控制器用于工业控制和消费电子的比例5年持续在40%以上，其稳定性及可靠性得到业内普遍认可。
2.3.2显示方案的选择
SSD1306是中景园电子生产的尺寸为0.96英寸的OLED屏，具有自发光特性、背光灯不需要用到，并能体现鲜艳的图像效果。128x64的像素点，160PPI的像素密度，可实现256灰度显示，对比度高达1000∶1，即便在强光的照射下也能清晰显示蓄电池的充放电状态信息。
OLED显示屏幕在耗能方面具备显著优势，静态功率仅为10mW，与LCD同尺寸的屏幕相比，降低了60%能量的消耗，通过对信息进行I2C通讯传输，仅用两个信号线路SDA与SCL即可完成对设备的控制，可以节省STM32的I/O单元使用量。
显示屏除了具有多种形式的图文显示模式、绘图模式、动画效果外，且支持通过程序进行充电状态的动态可视化效果显示。
图2-3 显示屏
第三章硬件设计
3.1STM32最小系统电路
STM32最小系统电路是整体硬体系统的基础，包括3部分：晶振电路、复位电路与电源电路。晶振电路中选用的是8MHz外部晶振，它利用石英晶体压电效应，即在石英晶体的两电极间施加变化电场时会产生机械震荡，或者由机械震荡产生变化电场，提供一个稳定的频率信号。
STM32的核心部件采用频率为8MHz的晶振，输出的信号经过SMT32内部的锁相环(PLL)倍频、扩大放大后，经过先进的频率合成技术升至72MHz，并以此作为其可靠快速的时钟来源，以确保所有组件工作的准确度与有效性。主控芯片模块如图3-1
图3-1 STM32主控芯片模块
针对设计复位部分，对系统在不同情况下的稳定恢复进行了满足，并加入了按钮式复位方式和上电自启动复位方式。其中关于上电自启动复位环节，利用电容的充盈特性，即电路在刚刚上电的一瞬间，电源通过电阻向电容充电，此时电容两端的电势不能发生突变，就会形成负的电压信号用于唤醒微处理器重启；然后在之后的整个过程中，电容已经完全充满，开始逐渐增大到微处理器的正常工作电压，取消复位状态。针对按钮式复位方式，赋予操作者一种人为恢复初始设置的选择条件，在按下该按钮后，微处理器的复位端口变成低电平状态，可以实现强迫复位功能，加强了微处理器恢复稳定度的增强。
STM32的供电系统主要功能是将外部输入的电源转化为它所需要的稳定的3.3V电压。因此我们采用低压差线性稳压器(LDO)完成这一功能，这是因为LDO具有低压差、低噪等优点，这些特点都可以有效降低电源噪声，保证为STM32提供无杂质的干净能源。运行过程中采用内置反馈回路连续监测输出电压并将输出电压与内部标准电压进行比较，然后再根据两者的差值实现自动调节调整管的工作状态以达到对输出电压实现稳定的3.3V输出，满足芯片对电源的严苛需求。
当SW2设置一个状态时，该电路就有独一无二的连线支路，很可能会引出电流从+5V电源流出，从几个开关引脚通过，最后可能到达XKB7070-Z集成块（这里取决于集成块的内部分布及接口功能），在收到开关状态信息后，依据设定的流程完成应有工作，如操纵有关机器的开停或切换状态。
当开关置于另一个位置，电路连接变了，芯片检测到开关的位号与原来不同，相应作出改变。主控芯片开关电路模块如图3-2
图3-2 STM32主控芯片开关电路模块
第五章系统调试
5.1电路板焊接测试
电子线路板组装完成后，应该严格按照规范流程进行质量检测工作。首先用40倍放大镜检查各个焊点的状态，按照IPC-A-610标准规定要求，各连接线、焊盘焊出明亮且饱满的锥形焊点，且焊锡包裹夹角在30°～45°，避免过尖、冷焊等问题。除此之外，还要仔细检查各个元器件的位置，比如电解电容、二极管等需要极性的元件，其正反向标示需与线路板图完全对应，避免因元器件装反而导致整个系统出现故障。
将经过外观质量检验的产品电子特性采用高级的数码多功能仪进行检测。先调整到DCVoltage模式并设定为0-30V量程，将探头与主机电源和副机电源端口接触，测试时数字显示仪器上的示值为5.02V，与设定值5V偏差不超过0.5%，符合电源稳定性的要求。再转换成Resistance模式，先使2个探头接触消除指针位置后再依次接触每个电源接口与其它接口之间的电阻值，结果均为无穷大，表明接口之间均未发生短路现象。
通过前段检测证明其电路板电源模块状态正常无误，各项指标均满足本批次后续功能检测和性能考核的要求。锂电池无线充电电路设计实物图如图5-1
图5-1 锂电池无线充电电路设计实物图
5.2无线充电发送功能模块
无线充电发射模组，这是整个系统最开始的环节；测试时需用专业的软件来测试发射模组端口的负载，笔者选用小型发射模块xkt-408作为测试的模组，具体见图5-2，同时须对其大小、电感量以及连接方式做出明确要求，另外，要求工作电压在9v～12v之间。
实验期间通过调节供电电压来观测运行电流情况，用示波器监控高频交流信号频率变化情况和有影响的范围，当输出处于小电流情况下，可以对接受线圈进行调匝来提高输出效能。
图5-2 无线充发送模块实物图
5.3无线充电接收电路模块
由图5-3中的无线充电接收电路模块可以把磁能转换为电能，就手机接收模块来说，它要与发射端的频率相对应。经过接收线圈感应的交流电，再经过整流滤波电路进行直流电的转换，再由充电管理芯片精确地管理整体充电过程。
实际测试中，采用直流电子负载模拟负载并记录输出电参数和监视芯片工作状态，保证充电安全有效。
图5-3 无线充接收模块实物图
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