基于瑞萨R7F0C807的无线充电发送器设计

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）

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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
  }
  

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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

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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 TD A[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]

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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

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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

七、扩展功能建议

1. 多设备兼容：支持Qi标准协议（需扩展通信模块）
2. 智能调度：基于负载预测的动态功率分配
3. OTA升级：通过无线充电实现固件更新
4. 能量回馈：支持反向充电（需增加整流电路）

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实际应用时需根据具体场景调整线圈参数和防护等级。建议参考瑞萨官方AN-2353应用笔记进行深度优化。