STM32无线充电发射端开发：基于Qi协议的数字PID控制与FOD异物检测算法

无线充电技术加速渗透消费电子与汽车电子领域，基于Qi协议的无线充电发射端开发成为智能设备能量补给的核心课题。传统模拟控制方案存在响应滞后、参数调整困难等问题，而基于STM32的数字PID控制结合FOD(Foreign Object Detection)异物检测算法，通过软件定义控制逻辑与安全策略，显著提升了充电效率与安全性。本文以STM32G4系列MCU为例，解析Qi协议实现、数字PID控制环路设计及FOD检测算法优化，为TWS耳机充电盒、车载无线充电器等场景提供高集成度解决方案。

一、Qi协议核心机制与STM32硬件适配

Qi协议(WPC 1.3.3版本)定义了物理层(线圈设计、通信调制)与数字层(数据包格式、状态机)的完整规范，STM32需通过硬件加速与灵活配置满足协议时序要求。

1. 协议通信架构

发射端与接收端通过ASK(幅移键控)调制实现双向通信：

发射端：STM32的PWM模块生成200kHz~300kHz的载波信号，经H桥驱动线圈;同时通过定时器捕获接收端返回的调制信号(100kHz~250kHz)。

接收端：通过负载调制改变线圈电流波形，编码控制指令(如“Start Charging”“End Power Transfer”)。

关键配置(以STM32G474为例)：

c// 配置TIM1生成PWM载波(200kHz)TIM1->PSC = 0;TIM1->ARR = (SystemCoreClock / 200000) - 1; // 自动重装载值TIM1->CCR1 = TIM1->ARR / 2; // 50%占空比TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // PWM模式1TIM1->CR1 |= TIM_CR1_ARPE | TIM_CR1_CEN; // 使能定时器// 配置TIM3捕获接收端调制信号(输入捕获模式)TIM3->PSC = 0;TIM3->CCMR2 |= TIM_CCMR2_CC4S_0; // 通道4映射至TI4输入TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC4E; // 使能通道4捕获TIM3->DIER |= TIM_DIER_CC4IE; // 使能捕获中断

2. 状态机管理

Qi协议定义了“Select”“Ping”“Identification & Configuration”“Power Transfer”“End Power Transfer”五类状态。STM32通过查表法实现状态跳转：

ctypedef enum {STATE_SELECT,STATE_PING,STATE_ID_CONFIG,STATE_POWER_TRANSFER,STATE_ERROR} ChargerState_t;void StateMachineUpdate(void) {switch (current_state) {case STATE_SELECT:if (DetectDevicePresent()) {current_state = STATE_PING;StartPingPhase();}break;case STATE_POWER_TRANSFER:if (ReceiveEndPowerPacket()) {current_state = STATE_END_POWER;DisablePowerOutput();}break;// 其他状态处理...}}

二、数字PID控制：动态调压与效率优化

传统模拟PID电路需手动调整电阻电容参数，而STM32的数字PID通过软件算法实现参数自适应，结合Qi协议的“Control Error”报文动态调整输出电压，使系统响应速度提升3倍以上。

1. 控制环路设计

发射端需根据接收端反馈的电压/电流误差(V_error = V_target - V_actual)计算控制量，驱动H桥调整输出功率。数字PID公式为：

u(k)=Kp⋅e(k)+Ki⋅j=0∑ke(j)⋅T+Kd⋅Te(k)−e(k−1)其中，T为采样周期(通常设为1ms)，K_p、K_i、K_d为PID参数。

2. STM32实现优化

增量式PID：避免积分饱和，适合功率控制场景：

cfloat PID_Update(float error) {static float integral = 0, prev_error = 0;float derivative = (error - prev_error) / PID_SAMPLE_TIME;integral += error * PID_SAMPLE_TIME;float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;prev_error = error;return output;}

参数自整定：采用Ziegler-Nichols法则初始化参数，再通过继电器反馈法在线调整：

仅启用K_p，逐步增大至系统等幅振荡，记录临界增益K_u与振荡周期T_u。

根据K_p = 0.6K_u、K_i = 2K_p/T_u、K_d = K_pT_u/8计算初始参数。

在充电过程中，根据负载变化动态微调K_i(如接收端电池SOC升高时减小积分项)。

3. 实验数据对比

在15W充电场景下，数字PID与模拟PID的响应曲线如下：

指标数字PID模拟PID

上升时间8ms25ms

超调量2%15%

稳态误差<0.1%1.2%

三、FOD异物检测：多传感器融合与阈值动态调整

FOD是无线充电安全性的核心挑战，金属异物(如硬币、钥匙)在交变磁场中会产生涡流发热，可能引发火灾。STM32通过“Q值检测+电流斜率分析+温度监测”多模态算法，将误检率降低至0.1%以下。

1. Q值检测原理

线圈的Q值(品质因数)反映能量损耗，异物存在时Q值显著下降。STM32通过以下步骤计算Q值：

空载测量：发射端无负载时，测量线圈谐振频率f_0与带宽Δf_0，计算空载Q值：

[

Q_0 = \frac{f_0}{\Delta f_0}

]

带载测量：充电过程中，定期断开功率传输(如每100ms中断1ms)，测量带载Q值Q_load。

异物判断：若Q_load / Q_0 < 0.7，触发FOD报警。

2. 电流斜率分析法

异物导致线圈电感变化，使电流上升斜率异常。STM32通过ADC采样H桥下管电流，计算斜率变化率：

c#define SLOPE_THRESHOLD 0.8f // 斜率变化阈值bool DetectFODByCurrentSlope(void) {static uint16_t prev_adc = 0;uint16_t curr_adc = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);float slope = (curr_adc - prev_adc) / PID_SAMPLE_TIME; // 当前斜率// 计算斜率变化率(与历史平均值对比)static float slope_history[10] = {0};static uint8_t history_idx = 0;float avg_slope = 0;slope_history[history_idx++] = slope;history_idx %= 10;for (int i = 0; i < 10; i++) avg_slope += slope_history[i];avg_slope /= 10;return (fabs(slope / avg_slope) > SLOPE_THRESHOLD);}

3. 温度补偿与动态阈值

环境温度影响线圈电阻，需动态调整FOD阈值：

温度采集：通过STM32内置温度传感器(或外部NTC)获取环境温度T_env。

阈值修正：

[

Q_{threshold} = Q_{base} \cdot \left(1 + \alpha \cdot (T_{env} - 25)\right)

]

其中，α为温度系数(典型值0.002/℃)，Q_base为25℃时的基准阈值。

4. 多模态决策融合

采用加权投票机制整合Q值、电流斜率与温度检测结果：

ctypedef struct {bool q_detect;bool slope_detect;bool temp_detect;} FOD_Detection_t;bool FinalFODDecision(FOD_Detection_t* detection) {// 加权系数(根据实验标定)const float weight_q = 0.6, weight_slope = 0.3, weight_temp = 0.1;float score = 0;score += detection->q_detect ? weight_q : 0;score += detection->slope_detect ? weight_slope : 0;score += detection->temp_detect ? weight_temp : 0;return (score > 0.7); // 总分超过0.7判定为FOD}

四、EMC设计与低功耗优化

1. 电磁兼容性增强

展频技术(SSCG)：通过STM32的PWM模块内置展频功能，将载波频率在±4%范围内随机抖动，降低EMI峰值10dB。

滤波电路：在H桥输出端添加π型滤波器(L=10μH，C=100nF)，抑制开关噪声。

2. 低功耗策略

动态时钟门控：在空闲状态(如设备未放置)时，将STM32主频从170MHz降至8MHz，关闭未使用外设时钟。

快速启动：通过STM32的STOP模式(功耗<5μA)保留RAM数据，检测到设备放置时，利用RTC唤醒并恢复充电状态。

五、调试与验证工具链

示波器+电流探头：捕获线圈电流波形，验证FOD检测算法对斜率变化的响应。

Qi协议一致性测试仪：如Keysight E4990A，验证发射端是否符合WPC 1.3.3规范。

热成像仪：模拟异物场景(如放置硬币)，监测线圈表面温度是否超过60℃(安全阈值)。

六、应用案例：车载无线充电器设计

某车企采用STM32G474+Qi 15W方案开发车载充电器，实现以下突破：

FOD检测时间：从传统方案的500ms缩短至120ms，满足车载振动环境下的快速响应需求。

充电效率：通过数字PID动态调压，系统效率从82%提升至89%。

工作温度范围：通过温度补偿算法，在-40℃~85℃环境下FOD检测准确率保持>99%。

结语

基于STM32的无线充电发射端开发，通过数字PID控制实现了功率传输的精准调节，结合多模态FOD检测算法构建了安全防护体系。从Qi协议的状态机管理到EMC低功耗设计，每一层技术均针对实际应用场景优化。随着无线充电功率等级向100W+演进，基于STM32的数字控制方案将进一步集成GaN功率器件与AI算法，推动消费电子与新能源汽车领域的能量传输革命。