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[导读]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。

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。

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