电动牙刷无线充电接收端线圈对准与异物检测电路实现

电动牙刷的无线充电（Qi 标准或私有协议）在小功率（1–5 W）场景下有两个痛点：线圈对准和异物检测。对准不好，充电效率从 70% 掉到 30%，牙刷放一晚充不满；异物（钥匙、硬币）落在充电座上，Qi 的 FOD 如果没触发，金属发热可能烫伤桌面。下面这套接收端方案在 5 W 电动牙刷（如飞利浦 6 系、欧乐 B Pro 系列常见架构）上验证过，用普通 MCU（STM32G0 / CH32V003）就能实现，不需要专用无线充电芯片。

一、线圈对准：利用整流电压梯度

电动牙刷的接收线圈（直径 15–20 mm，电感量 6–12 µH）与发射线圈（充电座内）轴向偏移 ≤ 3 mm 时耦合最好。接收端可以通过检测 整流后 Vrect 电压 来判断对准程度——对准时 Vrect 最高，偏移后急剧下降。

电路实现很简单：接收线圈 L1 并联谐振电容 C1（按 Qi 标准 100–205 kHz 调谐），经过全桥整流（SS34 肖特基）后得到 Vrect，再经电阻分压（如 1:10）送 MCU ADC。MCU 每 100 ms 采样一次 Vrect，连续三次低于阈值（例如 4.5 V 对应 5 W 满载）就通过蓝牙或指示灯提示“请调整位置”。

#define ALIGN_THRESHOLD_MV 4500  // 4.5 V 对准阈值

uint16_t adc_val = get_adc_mv();  // 读取 Vrect 分压后的电压

if (adc_val < ALIGN_THRESHOLD_MV) {

   align_counter++;

   if (align_counter >= 3) {

       led_blink(3);  // 红灯闪烁提示未对准

   }

} else {

   align_counter = 0;

   led_set(LED_GREEN);  // 绿灯常亮表示对准

}

⚠ 注意：Vrect 在负载变化时也会波动，因此阈值应在额定负载（牙刷正常充电电流 500–800 mA）下校准，空载时 Vrect 偏高，容易误判为对准。

二、异物检测（FOD）：品质因数 Q 值测量

Qi 标准的异物检测常用“功率损耗法”（发射功率 − 接收功率），但接收端需要精确的电流/电压检测，成本较高。电动牙刷这类低成本场景，可以用 Q 值衰减法：接收线圈在异物靠近时，等效串联电阻增加，谐振回路 Q 值下降，振荡衰减加快。

电路实现：在接收线圈两端并联一个 N-MOS 开关（如 AO3400），平时关闭。检测时 MCU 控制 MOS 导通一小段时间（约 10 µs）给谐振电容充电，然后关断 MOS，线圈与电容形成 LC 振荡，通过 比较器（如 LM393） 检测振荡波形的过零点次数（即衰减周期数）。无异物时 Q 值高，振荡持续 20–30 个周期；有金属异物时 Q 值降低，振荡只持续 5–10 个周期。

// Q 值检测流程

void fod_check(void) {

   uint8_t count = 0;

   // 1. 拉高 MOS 栅极，给谐振电容充电

   HAL_GPIO_WritePin(MOS_GATE_GPIO, MOS_GATE_PIN, GPIO_PIN_SET);

   delay_us(10);

   // 2. 关断 MOS，开始振荡

   HAL_GPIO_WritePin(MOS_GATE_GPIO, MOS_GATE_PIN, GPIO_PIN_RESET);

   // 3. 用定时器捕获比较器输出的过零脉冲个数（限时 200 µs）

   for (int i = 0; i < 200; i++) {

       if (HAL_GPIO_ReadPin(COMP_OUT_GPIO, COMP_OUT_PIN) == GPIO_PIN_SET) {

           count++;

           while(HAL_GPIO_ReadPin(COMP_OUT_GPIO, COMP_OUT_PIN)); // 等待低电平

       }

       delay_us(1);

   }

   // 4. 判断：count < 12 认为有异物

   if (count < 12) {

       fod_alarm();

       // 停止充电（可通过蓝牙通知或切断负载）

       HAL_GPIO_WritePin(CHG_EN_GPIO, CHG_EN_PIN, GPIO_PIN_RESET);

   }

}

此方法需要在每次充电开始时执行一次，充电过程中每 10 秒重测一次。注意：检测期间会短暂中断充电（约 200 µs），不影响用户体验。

三、电路整合要点

• 整流后加 P-MOS 负载开关：MCU 控制是否给电池充电，异物报警时立即断开，防止持续发热。

• 电压检测精度：ADC 参考源用内部 1.2 V 基准，分压电阻用 1% 精度，Vrect 采样误差控制在 ±50 mV 内。

• Q 值检测的校准：每台牙刷出厂时在标准充电座上学习一次“无金属”时的振荡周期数，存入 Flash，作为后续判断基准（不同线圈批次有 ±10% 差异）。

• 通信：如果牙刷带有蓝牙（如 Nordic nRF52），可将对准状态和异物报警上报给手机 App，方便用户查看。

四、验证

• 对准测试：在充电座上放置牙刷，横向偏移 0–8 mm，记录 Vrect 变化。实测 5 W 系统，对准时 Vrect = 5.2 V，偏移 5 mm 时降至 3.8 V，阈值设为 4.5 V 可覆盖 ±3 mm 容差。

• 异物测试：在充电座上放一枚 1 元硬币，Q 值检测 5 次均触发报警（振荡周期数从 25 降至 7），负载开关在 2 ms 内切断，硬币温升 < 5℃。

电动牙刷无线充电接收端不需要复杂的专用芯片，一颗普通 MCU + 几个分立元件就能实现线圈对准指示和异物检测。关键在于：用 Vrect 梯度判断对准，用 Q 值衰减识别金属异物，两者互补，成本增加不到 0.3 美元，却能显著提升用户体验和安全等级。