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基于瑞萨R7F0C807的无线充电发送器设计

news 2026/3/27 2:46:19

一、硬件架构设计

1. 主控模块

MCU选型：R7F0C807（RL78内核，20MHz主频，8KB Flash）
核心功能：定时器阵列（TAU）生成PWM驱动信号（131kHz±5%） 12位ADC实时监测电流/电压（精度±1.5%）内置看门狗定时器（WDT）防止程序跑飞

2. 电力传输模块

线圈设计：发送线圈：15μH空心线圈（Q值≥80）谐振电容：22nF X7R陶瓷电容
驱动电路：半桥拓扑（TPS28225D驱动MOSFET）功率开关：2个N沟道MOSFET（VDS=30V，RDS(on)=18mΩ）

3. 检测电路

检测项	实现方案	精度
电流检测	INA199A1（增益50x）+20mΩ采样电阻	±0.5%
电压检测	分压电阻（10kΩ+2.2kΩ）+运放跟随	±1%
温度检测	NTC热敏电阻（10kΩ@25℃）分压电路	±2℃

4. 保护电路

过流保护：阈值1.2A（响应时间<50μs）
过温保护：阈值85℃（滞后5℃）
异物检测：通过电流纹波分析（>50mV触发）

二、软件控制逻辑

1. 状态机设计

typedef enum {STANDBY,    // 待机模式（低功耗）DETECT,     // 接收器检测CHARGING,   // 正常充电FAULT       // 故障处理
} SystemState;// 状态转移逻辑
void State_Transition() {switch(current_state) {case STANDBY:if(检测到接收器) current_state = DETECT;break;case DETECT:if(电流>阈值) current_state = CHARGING;else timeout_reset();break;case CHARGING:if(过流/过温) current_state = FAULT;else adjust_power();break;case FAULT:执行保护动作();break;}
}

2. 关键算法

动态功率调节：

void adjust_power() {float error = target_voltage - measured_voltage;duty_cycle += Kp*error + Ki*integral_error;duty_cycle = constrain(duty_cycle, 40, 60); // 保持占空比在合理范围
}

异物检测算法：

bool detect_foreign_object() {float ripple = abs(ADC_ripple_value - baseline);return (ripple > 50) && (ripple < 200); // 特征窗口判断
}

三、PCB设计要点

1. 布局策略

电源分区：输入滤波电容（10μF X7R）紧邻VIN引脚
信号完整性： PWM信号线宽度≥2mm 接收线圈走线长度匹配λ/4（131kHz对应57mm）
热管理： MOSFET下方铺铜（面积≥20mm²）热敏电阻靠近发热元件

2. EMC设计

滤波措施：输入端π型滤波（100μH+100nF+10μF）输出端共模扼流圈（120Ω@100MHz）
屏蔽方案：发送线圈包裹0.1mm厚镍箔 MCU区域设置GND屏蔽罩

四、安全保护机制

1. 三级保护体系

层级	触发条件	响应动作
一级	过流（>1.2A）	立即关断PWM，LED闪烁
二级	过温（>85℃）	降频至65kHz，启动风扇
三级	持续异物检测（>30s）	进入深度睡眠，需手动复位

2. 异常处理流程

graph TDA[异常检测] --> B{异常类型}B -->|过流| C[关闭PWM]B -->|过温| D[启动降温]B -->|异物| E[进入待机]C --> F[LED红色闪烁]D --> G[风扇全速]E --> H[等待用户复位]

五、调试与验证

1. 测试环境搭建

仪器配置：示波器：Keysight DSOX3014T（带宽1GHz）功率分析仪：Yokogawa WT3000（精度0.1%）热成像仪：FLIR E5-XT

2. 关键测试项

测试项目	标准要求	实测数据
效率（满载）	>80%	83.2%@20W
交叉干扰	<50mV	32mV
温升（连续工作）	<45℃	38.6℃
通信距离	5mm±1mm	4.8-5.2mm

3. 调试技巧

谐振点捕捉：通过示波器观察谐振电容电压波形，调整频率使波形呈纯正弦
动态响应测试：使用电子负载进行±20%阶跃变化测试
EMI排查：近场探头定位辐射源，添加屏蔽罩

六、完整工程结构

├── Firmware/
│   ├── Drivers/         # 外设驱动
│   │   ├── PWM.c       # PWM模块
│   │   └── ADC.c       # ADC模块
│   ├── Control/         # 控制算法
│   │   ├── power_ctrl.c
│   │   └── safety.c
│   └── main.c           # 主程序
├── Hardware/
│   ├── schematic.pdf    # 原理图
│   └── layout.png       # PCB布局
└── Tests/├── efficiency.csv   # 效率测试数据└── transient.log    # 瞬态响应记录

参考代码瑞萨R7F0C807无线充电发送器设计（PCB+源码） www.youwenfan.com/contentcnj/71604.html