Infineon具有高度集成控制器的车内无线充电解决方案

感应充电和 Qi 规范

无线充电技术的范围从感应、磁共振和电容到射频辐射、激光、声学和其他新兴技术。电感耦合技术是领跑者1;因此，其相关的Qi 标准在无线充电中最为流行。

感应充电根据法拉第定律工作，其中功率发射器 (PTx) 线圈中的交流电会产生交变磁场。然后，该磁场与功率接收器 (PRx) 线圈相互耦合，并转换回交流电流，为连接在接收器侧的直流负载进行整流。

无线电力联盟 (WPC)管理该技术的相应规范发布。目前，在 1.3.2 版本中，Qi 规范的新版本通过采用增强型异物检测 (FOD)、带有私钥存储的发射器身份验证等功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 无线充电的意图, 和协议特性，以实现更好的互操作性。Qi 规范的基线功率配置文件 (BPP) 将最大输出功率限制为 5 W，而扩展功率配置文件 (EPP) 支持高达 15 W 的功率传输。

功能强大的智能手机可通过USB-C 接口进行快速有线充电。使用 Qi 无线充电的用户体验仍在不断发展，为新的解决方案铺平了道路。本文介绍英飞凌针对汽车应用的第一代无线充电解决方案，该解决方案集成了最新的 Qi 发射器、DC/DC 控制器、栅极驱动器、传感/保护外设和可配置闪存。我们的可编程解决方案提供更高级别的灵活性以及集成优势，使设计人员能够扩展更高的功率级别，并允许 OEM 提供差异化功能，同时保持 Qi 兼容。

汽车无线充电解决方案：实施

WLC1515：集成降压-升压和逆变器功率级

Infineon 的WLC1515 发射器控制器 IC是一款高度集成的 Qi 兼容无线发射器，具有集成的 DC/DC 控制器、MOSFET 栅极驱动器和硬件控制的保护功能。

WLC1515 使用集成降压-升压控制器生成所需的桥电压，为全桥逆变器供电，而全桥逆变器又为 PTx LC 谐振回路供电，从而为 PRx 供电。升降压转换器支持 4.5 V 至 24 V 的输入电压范围。

WLC1515 的集成栅极驱动器旨在控制全桥或半桥逆变器，具体取决于 Qi 规范类型和操作场景。图 1 所示的 MP-A13 基于线圈的发射器系统对逆变器级使用固定频率可变输入电压控制。

WLC1515 应用用例

经过 Qi 认证的汽车无线充电解决方案可分为三个空间：

· 基本型号：这包括 WLC1515 和OPTIGA™ Trust Charge 设备。

· 中档型号：这包括带有PSoC™ 微控制器 (MCU)的基本型号，以支持带有额外 GPIO 的车辆控制器局域网 (CAN)总线接口。

· 高端型号：这包括带有TRAVEO™ T2G MCU的基本型号，以支持 CAN 总线、NFC 和 AutoSAR。

基本模型提供了一个获得 Qi 认证的解决方案，带有一个本地互连网络 (LIN)接口，用于与车辆的板控制模块进行通信。

中档型号提供了一个 Qi 认证的解决方案，带有一个补充 MCU (PSoC™) 以支持 CAN 接口和 GPIO 以支持风扇和其他接口。

高端型号提供 Qi 认证解决方案，带有补充 MCU (TRAVEO™ T2G) 以支持 AutoSAR 合规性、CAN 接口、NFC 堆栈和 GPIO 以支持风扇和其他接口。

安全通信和身份验证

Qi EPP 标准要求双向带内通信。从 PTx 到 PRx 的通信基于 PTx 实施的频移键控 (FSK) 方案，交替载波频率。从 PRx 到 PTx 的通信基于幅移键控 (ASK) 方案，该方案通过调制 PRx 侧的负载，导致在 PTx 上出现反射，该反射被过滤和解码。

Qi 1.3.x 规范要求对大于 5 W 的 EPP 功率传输进行身份验证。它遵循依赖公钥和私钥对来加密和解密内容的公钥加密。私钥是最敏感的安全凭证，必须安全存储。公钥通常是二进制证书的一部分，该证书通过带内通信介质传输给接收方。

根据 Qi 规范，PTx 必须将产品单元的私钥安全地托管在存储子系统中，以用于数字签名。此私钥用于对来自电力发射器设备的质询验证响应进行数字签名。我们的解决方案使用OPTIGA™ Trust Charge 设备存储此私钥。

异物检测

WLC1515 发射器控制器还支持基于 Q 因数、谐振频率、功率损耗和过温(如果使用热敏电阻)方法的增强型 FOD。

Q 因数和谐振频率测量用于功率传输阶段之前的 FOD。PRx 报告使用 Qi 定义的参考线圈校准的 Q 因子和谐振频率参考值。PTx 将报告值与其现场测量值进行比较，以确定是否存在异物。比例因子用于将 PRx 报告的 Q 因子和谐振频率值转换为与参考发射器线圈等效的值，并适应测量变化。

功率损耗法主要用于功率传输阶段。功率损耗 FOD 使用在降压输出端测得的 PTx 功率，该功率馈送到逆变桥。通过调整 FOD 系数来进一步调整此 PTx 功率，以考虑逆变器损耗和友好金属损耗。计算校准的 PTx 功率后，将结果与最新报告的 PRx 功率值进行比较。如果校准的 PTx 功率和 PRx 功率之间的差异超过 P损耗阈值，则会记录 FOD 事件。

为防止错误断开连接并改善用户体验，WLC1515 使用自适应算法来区分真实 P损耗FOD 与由不良耦合 PRx 引起的P损耗。FOD 系数和 P损失阈值是完全可配置的，以适应系统设计。

结论

过去几年，智能充电技术的组件和应用发展非常迅速。虽然大量的焦点集中在将有线充电标准化为 USB-C 8以启用通用连接器，但也有一种趋势是使充电对各种用户群体更加普遍和方便——这是无线充电的原动力。

我们采用英飞凌 OPTIGA™ Trust Charge Authentication 的无线充电解决方案为希望开发符合 Qi v1.3.2 标准的发射器的 OEM 提供了极具吸引力的物料清单价值主张。诸如自适应 FOD、对专有协议的支持、DC/DC 控制器集成和软件库等关键特性使我们的平台独一无二，并且能够很好地满足感应无线充电的专有和新兴 Qi 标准。