【Silver 能量站】CPSQ8100 50W 车载无线充电器方案介绍

一、    前言

Silver 是大联大世平集团推出的一款车载 50W 无线充电器解决方案，它集成了车载中功率无线发射器控制芯片 CPSQ8100，主控 MCU NXP S32K144，数字控制式 Buck-Boost MPQ4214，符合 Qi1.3 标准的加密 IC，NFC 控制 IC 等。

Silver Demo Board

 

本方案在 50W 快充的基础上，优化了充电区域和充电距离（Coil to Coil 8mm），以适应车辆的震动。它支持 OTA 升级，并且将无线充电电路连接到与 NFC、CAN 总线通信的主机 MCU，为用户提供了较为完整的参考设计。板子中线 V-cut 加独立的Buck-Boost 模块，使得此方案可模拟车载前装产品架构，大大提高用户的前期开发速度。下面我们简单介绍 Silver 方案，并进行充电功能演示。

 

二、    CPSQ8100 芯片介绍

易冲半导体推出的 CPSQ8100 是专为无线充电系统设计的一款高效的、符合Qi 认证标准的磁感应式无线功率发射芯片，输入电压范围 3.9V~26V。它集成全桥驱动电路、Q值检测、调制解调电路等低功耗模块，且全面支持私有协议快充。与其他平台架构相比，易冲 CPSQ8100 具有集成度高、成本低、量产充分等明显优势。

充电模块等效电路图

特性:

• 符合WPC Qi v1.2.4 标准
• 集成32-bit ARM Cortex-M0 内核，34KB MTP，32KB ROM，6KB SRAM
• 片上 MTP 以极低的待机功耗，最大限度地提高了软件灵活性，并具有读写保护。
• 支持 I2C、2x UART 接口
• 集成多通道 12-bit ADC，全桥驱动，FOD 等
• 内置 BUCK 转换器，低压 LDO，DC-DC 控制器，调制解调器
• 支持与无线充电接收端之间安全的双向通信 (ASK/FSK)
• 支持双 RX 充电应用
• 灵活支持多种快充协议：QC2.0/QC3.0/PD3.0/SCP/AFC
• 可靠的过压/过流/过温保护
• 符合车规 AEC-Q100 标准，温度等级 Grade 2: - 40°C to +105°C
• 6mmx6mm，48-Pin 无铅的小型 QFN 封装

 

 

三、    方案简介

1.  关键特性

• 支持高达 50W 的私有协议快充，充电效率≥75%
• WPC Qi v1.2.4 15W EPP
• 预置符合 WPC 最新 Qi1.3 认证标准的 SE IC，使得手机端或其他接收设备可对无线充电设备进行身份鉴权，判断其是否为认证产品
• 采用定频结构并且频偏极小，满足严格的车规需求
• 支持基于 Q 值检测的 FOD 和基于功率损耗计算的 FOD，提高了 FOD 的精度
• 采用 NXP 车规级 MCU S32K144，支持 OTA 升级，以后的产品和协议标准等可以很方便的进行固件升级
• 集成 NFC 功能，实时检测射频卡，防止损坏 NFC 卡
• 选用车规级元件，保证整体方案的车用安全性
• 支持多种线圈架构，支持多线圈解决方案 

2.  方案框图

Silver方案框图

3.  各模块分布

Silver各模块分布

本 TX 方案中的功率传输途径：

• 外部输入直流电压（DC Voltage），经过Buck-Boost 调压给功率全桥。
• 由 CPS8100 提供调压信号、全桥驱动、线圈选通等功能。
• 全桥的 SW1、SW2 节点产生交流电压（AC Voltage），实际上是一个方波。
• 方波加载到 LC Tank 两端产生交流电流（AC Current）。
• 交流电流通过线圈产生磁场。

 

从各模块分布可以看出，本方案的布局布线合理，大功率和小信号之间隔离较为充分。综合低功耗元件、合理的layout、充分散热等因素，使得充电效率能够达到 75% 以上。下面我们进行手机的充电功能演示。

 

四、    充电功能演示

由前文可知，只要是通过 Qi-BPP、Qi-EPP 认证，或支持最高 50W 私有协议快充的手机，都可无障碍使用本方案板无线充电。本文仅演示支持EPP协议手机和私有协议 50W 手机的无线充电功能，Q 值校准、FOD 检测、OTA 升级、NFC 等功能应用将在其他文档中具体展开。

1.  调试工具准备

1）硬件资源

• 直流电源 * 1
• 示波器 * 1
• 8mm 亚克力板 * 1
• E-Link（CPS 专用烧录器） * 1

E-Link 的正面和背面

2）软件资源

• CPS 专用 GUI

 

2.  测试条件

环境温度：25～30℃
TX 信息	RX 信息
TX： CPS8100 50W TX Demo Board HW：Silver_50W_EVB_V2.0 SW：CPS8100_00_2D_V3.0_CRCFBA7_ThreeInOne.hex	小米10S（EPP 10W） 华为 Mate40 Pro（私有协议 50W）

 

3.  “小米10S”EPP 充电测试

1）在 WPC 官网上查询到“小米 10S”手机通过了 EPP(Extended Power Profile) 10W 认证。链接为：Xiaomi 10S | Wireless Power Consortium

注：小米官网简介里的 30W 无线快充指的是小米私有协议。链接：Xiaomi 10S

 

2）使用直流电源给板子供电 12V，将 E-link 连接电脑和板子（CPS8100 IC使用串口作为下载和调试接口），线序如下：

 

3）在线圈端垫上 8mm 厚的透明亚克力板。

 

4）电脑端打开 CPS GUI，显示 “Platform：CPSQ8100_USART”，点击“OK”，进入 GUI 界面。

 

5）按下图步骤下载程序。

 

6）将“小米 10S”手机放置到线圈上，手机显示已进入充电模式，板上的白色充电指示灯亮起。

 

7）打开 GUI 的 Register List，选择想要读取的寄存器，点击 Read。我们可以读到 RX 接收功率已经达到 10W，充电瞬时效率 RP_POWER/PA_POWER 能够达到 80% 以上。

 

 

4.  “华为 Mate40 Pro”私有协议充电测试

这版 CPS IC 目前仅支持华为的私有协议，最高 50W 快充并且向下兼容。其他品牌的手机需要根据用户需求自行申请对应私有协议。

1）将“小米 10S”取下，换充“华为 Mate40 Pro”，手机显示进入超级快充模式，板上的白色充电指示灯亮起。

 

2）读取相关寄存器，可以看到 TX 正在充电，并且已经进入华为快充，TX 的输入电源类型为 DC，RX的瞬时功率为 49.953W，TX 的瞬时功率为 63.07W，裸板充电的瞬时效率可达到 79%。具体寄存器参数可查询《CPS E813A_A_Uart_Register_Custom_V2.8(FW2.8)》 寄存器手册。

 

3）使用示波器测量华为 50W 快充时，TX 充电板上测试点的波形，选取以下四个测试点。

4）示波器通道：

• CH1：三线圈公共端点 AC_COIL
• CH2：动作线圈端点2
• CH3：非动作线圈端点2
• CH4：LC 谐振点 AC1
• MATH： ② - ①

  
从示波器波形可以看出，线圈波形呈现光滑的正弦波，充电稳定性高、整体能耗较低。此方案板性能良好，可实现车载 50W充电且充电效率≥75% 的要求，充电功能演示完毕。

 

五、    参考文档

[1] CP-D-31-CA01-Rev0.1CPSQ8100_Datasheet, CPS

[2] CPSQ8100CRB1P0_User_Manual_Draft_0917, CPS

[3] CPS Product Introductions, CPS

[4] E813A_A_Uart_Register_Custom_V2.8(FW2.8)，CPS