1. 项目概述
这个5W无线充电系统项目是我去年为一个创客空间设计的教学案例，主要解决小型电子设备的无线供电需求。相比市面上常见的固定功率充电器，这套系统最大的特点在于加入了功率调节功能和状态显示模块，让用户可以直观地看到充电状态和实时功率。
整套系统基于STM32F103C8T6单片机控制，采用Qi标准的无线充电方案，通过PWM调节发射端功率，接收端使用TPS5106芯片进行稳压输出。液晶屏选用的是常见的1602 LCD模块，可以显示当前输出功率、充电状态和设定功率值。
注意：虽然Qi标准最大支持15W功率，但考虑到散热和安全因素，本项目将最大功率限制在5W，特别适合给蓝牙耳机、智能手表等小型设备充电。
2. 硬件设计详解
2.1 核心电路模块选型
发射端电路由三个关键部分组成：
- 逆变电路：采用全桥拓扑结构，使用4个IRF540N MOSFET管搭建
- 谐振电路：LC谐振频率设定在110-205kHz范围内（Qi标准要求）
- 控制电路：STM32产生PWM信号控制MOSFET开关
接收端电路设计要点：
- 整流部分使用MB6S桥堆
- 稳压芯片选用TPS5106
- 电流检测采用INA219模块
- 电压分压电路使用1%精度的0805封装电阻
2.2 功率调节实现原理
功率调节通过改变PWM占空比实现：
- 单片机产生频率为100kHz的PWM信号
- 占空比从30%-70%可调（对应输出功率1W-5W）
- 通过旋转编码器调节设定值
- 实际输出功率通过INA219实时监测并反馈
计算示例：
当输入电压为5V时，要实现3W输出：
P = V²/R → R ≈ 8.3Ω
需要调整占空比使等效负载电阻接近该值
2.3 液晶显示模块设计
1602 LCD显示内容布局：
code复制第一行：P:5.0W S:3.5W
第二行：STAT:Charging
显示刷新率设置为2Hz，通过I2C接口与单片机通信。为降低功耗，特别设计了背光自动熄灭功能：无设备充电5分钟后自动关闭背光。
3. 软件实现方案
3.1 主程序流程图
c复制void main() {
初始化硬件();
LCD_初始化();
while(1) {
读取编码器值();
计算目标功率();
调整PWM占空比();
读取实际功率();
更新LCD显示();
检查过热保护();
}
}
3.2 关键算法实现
PID控制算法用于稳定输出功率：
c复制float PID_Control(float setpoint, float actual) {
static float integral = 0;
static float last_error = 0;
float error = setpoint - actual;
integral += error * dt;
float derivative = (error - last_error) / dt;
last_error = error;
return Kp*error + Ki*integral + Kd*derivative;
}
参数经验值：
- Kp = 0.8
- Ki = 0.05
- Kd = 0.1
3.3 通信协议设计
I2C通信地址分配：
- LCD模块：0x27
- INA219：0x40
- 温度传感器：0x18
数据传输格式：
code复制[起始位][地址][读写位][数据][停止位]
总线速度设置为100kHz，每个数据包后加入5ms延时确保稳定性。
4. 制作与调试要点
4.1 PCB设计注意事项
- 线圈布局：
- 发射线圈使用20AWG漆包线绕制15匝
- 接收线圈直径应小于发射线圈的80%
- 线圈间距建议3-5mm
- 布线规则：
- 功率走线宽度≥1mm
- 信号线与功率线间距≥3mm
- 地平面尽量完整
- 散热设计：
- MOSFET管添加散热片
- 预留通风孔
- 关键元件下方铺铜
4.2 调试步骤
- 空载测试：
- 测量谐振频率
- 检查PWM波形
- 验证LCD显示
- 带载测试：
- 从1W开始逐步增加负载
- 记录效率曲线
- 检查温升情况
- 校准流程：
- 电压校准：调节分压电阻
- 电流校准：修改INA219校准寄存器
- 功率校准：更新PID参数
4.3 常见问题解决
问题1：充电效率低（<60%）
- 检查线圈对齐
- 测量谐振电容值
- 确认MOSFET开关损耗
问题2：LCD显示乱码
- 检查I2C上拉电阻（4.7kΩ）
- 验证电源电压（5V±0.5V）
- 重新初始化LCD
问题3：系统重启
- 检查电源电流是否足够
- 测量3.3V稳压输出
- 查看复位电路
5. 性能优化建议
5.1 效率提升方案
实测数据对比：
| 优化措施 | 效率提升 | 成本增加 |
|---|---|---|
| 使用低Rdson MOSFET | +8% | ¥5 |
| 优化线圈绕制工艺 | +5% | ¥2 |
| 添加磁屏蔽材料 | +3% | ¥3 |
建议优先更换MOSFET为IRL540N，Rdson从0.077Ω降至0.04Ω，可显著降低导通损耗。
5.2 安全增强设计
- 过流保护：
- 硬件：快速熔断器
- 软件：电流阈值限制
- 温度保护：
- NTC热敏电阻监测
- 超过60℃降低功率
- 超过80℃完全关闭
- 异物检测：
- 周期性地检测Q值变化
- 发现金属异物立即停机
5.3 扩展功能设想
- 手机APP监控：
- 通过蓝牙传输数据
- 历史充电记录
- 能效分析报告
- 多设备充电：
- 阵列式线圈设计
- 自动识别定位
- 动态功率分配
- 太阳能供电：
- 最大功率点跟踪(MPPT)
- 储能电容缓冲
- 光照强度检测
在实际制作中，我发现线圈的绕制质量对系统性能影响最大。使用绕线机辅助绕制的线圈比手工绕制的效率平均高出12%，建议有条件的话尽量采用专业工具。另外，在调试PID参数时，先调整比例项，再慢慢加入积分和微分，这样系统响应会更稳定。