基于 STWLC38 的可穿戴設(shè)備無(wú)線充電解決方案設(shè)計(jì)報(bào)告

一、摘要

隨著可穿戴設(shè)備對(duì)續(xù)航能力與充電便捷性要求的不斷提高，無(wú)線充電技術(shù)逐漸成為研發(fā)熱點(diǎn)。本文基于意法半導(dǎo)體推出的 STWLC38 無(wú)線充電控制芯片，設(shè)計(jì)了一套專用于可穿戴設(shè)備的無(wú)線充電方案。報(bào)告中詳細(xì)介紹了方案的工作原理、系統(tǒng)架構(gòu)及各模塊之間的協(xié)同工作關(guān)系，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵元器件（如高頻振蕩器、功率 MOSFET、整流二極管、濾波電容、電感元件及外圍輔助電路）進(jìn)行了詳細(xì)優(yōu)選和論證，闡述了每一顆器件的作用及選擇依據(jù)，并給出了整個(gè)充電電路的框圖和原理圖示意。本方案在提高充電效率、降低功耗以及滿足小型化、低噪聲設(shè)計(jì)要求上做出了優(yōu)化，適用于智能手表、健康監(jiān)測(cè)設(shè)備、運(yùn)動(dòng)手環(huán)等可穿戴設(shè)備的無(wú)線充電應(yīng)用。

二、背景與應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展背景

無(wú)線充電技術(shù)是一種利用電磁感應(yīng)、電磁共振等原理，實(shí)現(xiàn)能量在空間中無(wú)物理接觸傳輸?shù)募夹g(shù)。傳統(tǒng)的有線充電雖然穩(wěn)定，但在便攜式、密封化、日常使用體驗(yàn)上存在諸多局限。近年來(lái)，隨著低功耗無(wú)線通信技術(shù)及高效能電源管理芯片的發(fā)展，無(wú)線充電逐步成熟并在消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備及醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2.2 可穿戴設(shè)備對(duì)充電方案的特殊需求

可穿戴設(shè)備由于體積小、功耗低，對(duì)充電系統(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 體積與集成度：充電電路必須小型化，便于集成到有限空間內(nèi)，同時(shí)盡量減少外部干擾。

• 高效能：無(wú)線充電系統(tǒng)需要在保證充電速度的前提下，實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率，避免能量損耗過大。

• 安全性：對(duì)過流、過溫、短路等異常情況具有完善的保護(hù)機(jī)制，確保用戶使用安全。

• 兼容性與靈活性：針對(duì)不同功率要求和充電場(chǎng)景提供靈活的配置方案，滿足多種可穿戴設(shè)備的需求。

基于以上要求，意法半導(dǎo)體 STWLC38 芯片正是專為低功率無(wú)線充電應(yīng)用設(shè)計(jì)，能夠提供高效、穩(wěn)定且體積緊湊的解決方案。

三、STWLC38 芯片概述

3.1 產(chǎn)品特點(diǎn)與工作原理

STWLC38 是一款專用于無(wú)線充電應(yīng)用的集成控制芯片，其主要特點(diǎn)包括：

• 高集成度：內(nèi)部集成了高頻振蕩器、電流檢測(cè)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)等多項(xiàng)功能，極大地降低了外圍電路復(fù)雜度。

• 高轉(zhuǎn)換效率：采用先進(jìn)的 PWM 控制技術(shù)和功率調(diào)節(jié)算法，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 90% 以上的能量傳輸效率。

• 智能控制：支持多種充電協(xié)議，能夠根據(jù)負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率，同時(shí)具備自診斷功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控充電狀態(tài)。

• 體積小、低功耗：適合體積要求苛刻的可穿戴設(shè)備應(yīng)用。

工作原理上，STWLC38 主要利用電磁感應(yīng)原理，通過在發(fā)射側(cè)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，并在接收側(cè)利用諧振線圈接收磁能，再經(jīng)過整流和穩(wěn)壓等電路將無(wú)線能量轉(zhuǎn)換為直流電能為設(shè)備充電。芯片內(nèi)置的高頻振蕩器和調(diào)制控制器通過反饋控制機(jī)制確保磁場(chǎng)穩(wěn)定，同時(shí)監(jiān)控溫度、電流等參數(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 在無(wú)線充電系統(tǒng)中的作用

在整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)中，STWLC38 芯片主要承擔(dān)以下任務(wù)：

• 高頻信號(hào)生成與控制：作為高頻振蕩器核心模塊，生成穩(wěn)定的高頻交流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈工作。

• 能量管理與保護(hù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度等參數(shù)，提供過流、過溫及短路保護(hù)，確保充電過程安全可靠。

• 通信與協(xié)議處理：支持設(shè)備與充電器之間的信息交互，根據(jù)不同的充電協(xié)議（如 Qi 協(xié)議等）實(shí)現(xiàn)智能功率調(diào)整。

• 系統(tǒng)調(diào)節(jié)與反饋：通過 PWM 調(diào)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能高效傳輸，并及時(shí)反饋系統(tǒng)狀態(tài)供外圍控制器進(jìn)行優(yōu)化控制。

四、系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：

1. 高頻驅(qū)動(dòng)電路：由 STWLC38 芯片作為核心，通過外部 MOSFET、驅(qū)動(dòng)電路及 LC 諧振回路生成高頻磁場(chǎng)。

2. 諧振線圈與磁耦合模塊：由定制的發(fā)射線圈與接收線圈構(gòu)成，負(fù)責(zé)能量的無(wú)線傳輸。

3. 整流與濾波模塊：在接收端，將接收到的交流信號(hào)經(jīng)過整流二極管和濾波電容轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電能。

4. 功率管理與保護(hù)模塊：包括過流、過溫、短路保護(hù)電路，確保充電過程中的安全穩(wěn)定。

5. 外圍控制與通信接口：用于與主控芯片通信，接收充電狀態(tài)反饋和調(diào)整充電策略。

下圖給出整個(gè)系統(tǒng)的框圖示意：

         ┌────────────────────────────
         │                   無(wú)線充電系統(tǒng)總體框圖                │
         └────────────────────────────
                      │
                      ▼
             ┌─────────────────┐
             │  STWLC38 核心  │
             │ （高頻振蕩器及 │
             │  能量管理控制）│
             └─────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │  高頻驅(qū)動(dòng) & MOSFET  │
          │   驅(qū)動(dòng)電路模塊      │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │   LC 諧振網(wǎng)絡(luò)       │
          │ （發(fā)射側(cè)線圈）      │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
             ┌─────────────────┐
             │   無(wú)線能量傳輸  │
             │  （磁耦合方式） │
             └─────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │   接收端 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)│
          │  & 整流、濾波模塊   │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │  電池充電管理及保護(hù) │
          └─────────────────────┘

圖1：無(wú)線充電系統(tǒng)總體框圖

4.2 系統(tǒng)各模塊詳細(xì)說(shuō)明

4.2.1 高頻驅(qū)動(dòng)模塊

• 功能：將 STWLC38 芯片產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)經(jīng)過功率 MOSFET 放大，驅(qū)動(dòng) LC 諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)。

• 關(guān)鍵元器件：MOSFET、驅(qū)動(dòng)電路、電感、電容。

• 設(shè)計(jì)要求：要求 MOSFET 能承受高頻開關(guān)損耗、低導(dǎo)通電阻及低寄生參數(shù)；驅(qū)動(dòng)電路需提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流和電壓。

4.2.2 諧振線圈模塊

• 功能：利用 LC 諧振原理，在發(fā)射側(cè)形成一個(gè)高效的磁場(chǎng)；在接收側(cè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量捕獲。

• 關(guān)鍵元器件：自制或定制的扁平線圈、空心電感及匹配電容。

• 設(shè)計(jì)要求：線圈設(shè)計(jì)需要考慮 Q 值、諧振頻率穩(wěn)定性、尺寸限制和磁場(chǎng)均勻性等因素，確保能量傳輸效率。

4.2.3 整流與濾波模塊

• 功能：將接收側(cè)線圈輸出的高頻交流信號(hào)經(jīng)過整流和濾波處理后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。

• 關(guān)鍵元器件：高速整流二極管、低 ESR 濾波電容、穩(wěn)壓芯片。

• 設(shè)計(jì)要求：整流器件需選用反向恢復(fù)時(shí)間短、正向壓降低的高速二極管；濾波電容則應(yīng)滿足高頻濾波要求，降低紋波電壓。

4.2.4 功率管理與保護(hù)模塊

• 功能：對(duì)充電過程中可能出現(xiàn)的過流、過溫、短路等異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)，確保系統(tǒng)及被充電設(shè)備安全。

• 關(guān)鍵元器件：溫度傳感器、電流檢測(cè)電阻、保護(hù) IC、電源開關(guān)等。

• 設(shè)計(jì)要求：保護(hù)電路需快速響應(yīng)、具備冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)與 STWLC38 內(nèi)部保護(hù)機(jī)制協(xié)同工作，確保整體安全性。

4.2.5 通信與控制模塊

• 功能：用于無(wú)線充電過程中主控芯片與充電器之間的數(shù)據(jù)交互，傳輸充電狀態(tài)、調(diào)節(jié)充電功率。

• 關(guān)鍵元器件：低功耗 MCU、通信接口電路（如 I2C、UART 等）、數(shù)據(jù)傳輸模塊。

• 設(shè)計(jì)要求：要求通信接口穩(wěn)定可靠，響應(yīng)時(shí)間短，同時(shí)在功耗上滿足可穿戴設(shè)備低功耗設(shè)計(jì)要求。

五、關(guān)鍵元器件優(yōu)選及選型依據(jù)

本方案中，為了滿足高效能、低功耗、小型化及高安全性的要求，對(duì)各關(guān)鍵元器件進(jìn)行了詳細(xì)選型和優(yōu)選。以下分別說(shuō)明各元器件的型號(hào)、作用及選型理由。

5.1 STWLC38 無(wú)線充電控制芯片

• 器件型號(hào)：STWLC38（意法半導(dǎo)體出品）

• 主要作用：作為整個(gè)無(wú)線充電系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)高頻信號(hào)的產(chǎn)生、能量管理、充電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)、以及與外部 MCU 的通信接口。

• 選型依據(jù)：

• 集成度高，內(nèi)部已集成多種保護(hù)和控制功能，簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)；

• 具備優(yōu)秀的 PWM 控制算法，可實(shí)現(xiàn)高效率的能量傳輸；

• 小尺寸、低功耗，適合可穿戴設(shè)備狹小空間安裝；

• 支持多種充電協(xié)議，具備良好的市場(chǎng)兼容性。

5.2 高頻驅(qū)動(dòng) MOSFET

• 器件型號(hào)推薦：IRLML6344（國(guó)際知名廠商生產(chǎn)的低電壓、高頻 MOSFET）或同類低 R_DS(on) 及高開關(guān)速度的器件。

• 主要作用：用于將 STWLC38 輸出的 PWM 控制信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng) LC 諧振電路產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，確保功率轉(zhuǎn)換效率。

• 選型依據(jù)：

• 低導(dǎo)通電阻（R_DS(on)）保證功率損耗最小；

• 快速開關(guān)特性減少開關(guān)損耗；

• 封裝小、易于集成至 PCB 板上，滿足可穿戴設(shè)備對(duì)體積的要求；

• 工作溫度范圍廣，具有良好的熱穩(wěn)定性。

5.3 高頻整流二極管

• 器件型號(hào)推薦：MBRS340（或同類低正向壓降、反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管）。

• 主要作用：在接收端整流模塊中，將交流信號(hào)整流為直流電能。

• 選型依據(jù)：

• 肖特基二極管具有較低的正向壓降，有利于提高整流效率；

• 快速反向恢復(fù)特性降低轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗；

• 封裝小，適合高密度 PCB 排布；

• 高可靠性與長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定工作要求。

5.4 LC 諧振元件

5.4.1 發(fā)射側(cè)線圈與匹配電容

• 器件型號(hào)：

• 線圈：可定制 PCB 扁平線圈，采用高 Q 值磁性材料；

• 匹配電容：推薦選用 X7R、C0G 等穩(wěn)定性較好的陶瓷電容，型號(hào)可選如：Murata GRM 系列或 TDK 系列。

• 主要作用：實(shí)現(xiàn)發(fā)射側(cè) LC 諧振，形成穩(wěn)定的高頻磁場(chǎng)，保證無(wú)線能量傳輸效率。

• 選型依據(jù)：

• 高 Q 值保證較低的能量損耗和更高的傳輸效率；

• 匹配電容要求低 ESR 及良好的溫度穩(wěn)定性，確保諧振頻率的穩(wěn)定；

• 線圈設(shè)計(jì)需考慮尺寸、重量與磁場(chǎng)均勻性，兼顧設(shè)計(jì)需求與可穿戴設(shè)備對(duì)外形尺寸的要求。

5.4.2 接收側(cè) LC 諧振與整流濾波網(wǎng)絡(luò)

• 器件型號(hào)：

• 接收側(cè)線圈同樣建議采用定制 PCB 線圈設(shè)計(jì)；

• 濾波電容可選用低 ESR 高頻陶瓷電容，如 Panasonic 或 KEMET 系列產(chǎn)品。

• 主要作用：在接收端實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量捕獲后，利用 LC 諧振電路對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行整流和濾波，轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電壓供電池充電管理模塊使用。

• 選型依據(jù)：

• 高精度匹配確保諧振頻率一致，最大化能量捕獲；

• 電容選擇要求低 ESR，保證濾波效果，同時(shí)滿足體積小和溫度穩(wěn)定性要求。

5.5 保護(hù)電路及輔助器件

5.5.1 溫度檢測(cè)與過溫保護(hù)器件

• 器件型號(hào)推薦：使用數(shù)字溫度傳感器如 TMP117 或模擬溫度傳感器 LM35。

• 主要作用：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)線充電系統(tǒng)關(guān)鍵部位（如 MOSFET、線圈、STWLC38 芯片本體）的溫度，及時(shí)觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，防止因溫度過高而導(dǎo)致器件損壞。

• 選型依據(jù)：

• 溫度傳感器響應(yīng)速度快、精度高，保證保護(hù)觸發(fā)的及時(shí)性；

• 封裝小、功耗低，適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

• 與 STWLC38 芯片內(nèi)部保護(hù)邏輯協(xié)同工作，形成多重安全保護(hù)體系。

5.5.2 電流檢測(cè)與過流保護(hù)

• 器件型號(hào)推薦：低阻值分流電阻（如 1 mΩ–10 mΩ 級(jí)別）配合專用電流檢測(cè)放大器，例如 INA219 系列。

• 主要作用：檢測(cè)無(wú)線充電系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)電流狀態(tài)，防止因過流情況損害 MOSFET 或其他關(guān)鍵元件，同時(shí)為主控芯片提供反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

• 選型依據(jù)：

• 分流電阻要求低功耗及高精度檢測(cè)；

• 電流放大器需具有高共模抑制比和低噪聲，保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

• 系統(tǒng)保護(hù)方案需確保多級(jí)保護(hù)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

5.5.3 輔助濾波與去耦元件

• 器件型號(hào)推薦：多層陶瓷電容（MLCC）系列，如 TDK 或 Murata 的 X5R、X7R 電容產(chǎn)品。

• 主要作用：在整個(gè)無(wú)線充電電路中起到濾波、去耦的作用，降低電源噪聲、抑制高頻干擾，確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

• 選型依據(jù)：

• 電容器耐壓、穩(wěn)定性和體積要符合高頻電路要求；

• 選用低 ESR 電容器有助于提升濾波效果及減小電磁干擾；

• 高品質(zhì)陶瓷電容具有更長(zhǎng)的壽命和更優(yōu)的溫度特性。

六、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與電路原理圖說(shuō)明

6.1 發(fā)射側(cè)電路設(shè)計(jì)

發(fā)射側(cè)電路由 STWLC38 核心、驅(qū)動(dòng) MOSFET、LC 諧振網(wǎng)絡(luò)及輔助元件構(gòu)成。其基本工作流程為：

1. 信號(hào)產(chǎn)生：STWLC38 芯片內(nèi)部產(chǎn)生高頻 PWM 信號(hào)，并根據(jù)外部反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

2. 功率放大：該 PWM 信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路（采用 IRLML6344 等 MOSFET）放大，送入 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)。

3. 諧振激勵(lì)：在 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)中，定制的 PCB 線圈與匹配電容共同形成諧振腔，產(chǎn)生穩(wěn)定高頻磁場(chǎng)。

4. 能量傳輸：高頻磁場(chǎng)通過空氣耦合傳輸?shù)浇邮諅?cè)線圈。

6.1.1 發(fā)射側(cè)電路框圖

   [STWLC38] --- PWM 信號(hào) --- [驅(qū)動(dòng)電路]
         │                         │
         │                      [MOSFET]
         │                         │
         ▼                         ▼
   [匹配網(wǎng)絡(luò)] <-- LC 諧振腔 --> [PCB 扁平線圈]
         │
         ▼
   發(fā)射高頻磁場(chǎng)

6.1.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 頻率匹配：確保發(fā)射側(cè) LC 諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率與接收側(cè)完全匹配，一般設(shè)計(jì)在 100 kHz~200 kHz 范圍內(nèi)；

• 驅(qū)動(dòng)能力：MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)保證足夠的電流輸出，避免高頻開關(guān)過程中出現(xiàn)波形畸變；

• 熱管理：在高頻大功率工作時(shí)，需設(shè)計(jì)合理的散熱布局，防止 MOSFET 及 STWLC38 過熱。

6.2 接收側(cè)電路設(shè)計(jì)

接收側(cè)電路主要由接收 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)、整流濾波模塊和充電管理電路組成。

1. 能量捕獲：接收線圈同樣采用 PCB 線圈，與匹配電容構(gòu)成 LC 諧振腔，捕獲發(fā)射側(cè)傳輸?shù)母哳l磁場(chǎng)能量；

2. 信號(hào)整流：捕獲到的高頻交流電能通過肖特基二極管（MBRS340）進(jìn)行整流，轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流信號(hào)；

3. 濾波穩(wěn)壓：脈動(dòng)直流信號(hào)經(jīng)過低 ESR 濾波電容進(jìn)行平滑處理，再經(jīng)穩(wěn)壓芯片（如低壓 LDO 或 DC-DC 轉(zhuǎn)換器）輸出為穩(wěn)定直流電壓供電給可穿戴設(shè)備或充電管理模塊。

6.2.1 接收側(cè)電路框圖

   發(fā)射磁場(chǎng) → [接收線圈] -- 捕獲能量
                  │
                  ▼
         [LC 諧振 & 匹配電容]
                  │
                  ▼
         [整流模塊：肖特基二極管]
                  │
                  ▼
         [濾波模塊：低 ESR 電容]
                  │
                  ▼
         [穩(wěn)壓 & 充電管理電路]
                  │
                  ▼
         為設(shè)備充電（輸出 DC 電壓）

6.2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 整流效率：選用低正向壓降及快速反向恢復(fù)的肖特基二極管，確保在高頻環(huán)境下的高效整流；

• 濾波與穩(wěn)壓：濾波電容必須能夠承受高頻脈沖，選型時(shí)需關(guān)注 ESR 值；穩(wěn)壓電路要求輸出電壓穩(wěn)定，響應(yīng)速度快；

• 安全保護(hù)：與發(fā)射側(cè)類似，接收側(cè)也需要集成溫度、電流監(jiān)控電路，實(shí)現(xiàn)過流、過溫保護(hù)。

6.3 系統(tǒng)保護(hù)與通信設(shè)計(jì)

6.3.1 保護(hù)電路

保護(hù)電路包括溫度監(jiān)測(cè)、過流檢測(cè)、短路保護(hù)等：

• 溫度監(jiān)測(cè)：利用 TMP117 或 LM35 傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵元器件溫度，一旦超過設(shè)定閾值，觸發(fā) STWLC38 內(nèi)部保護(hù)機(jī)制；

• 過流檢測(cè)：通過低阻值分流電阻配合 INA219 型電流檢測(cè)模塊，檢測(cè)系統(tǒng)電流狀態(tài)，異常時(shí)立即斷開功率輸出；

• 短路保護(hù)：集成在 STWLC38 芯片內(nèi)部以及外部保護(hù)器件協(xié)同工作，確保在負(fù)載異常時(shí)快速響應(yīng)保護(hù)。

6.3.2 通信與數(shù)據(jù)反饋

無(wú)線充電系統(tǒng)通常需要與設(shè)備主控 MCU 進(jìn)行通信，主要傳輸數(shù)據(jù)包括充電狀態(tài)、電池電壓、電流及溫度信息。

• 數(shù)據(jù)總線：可以采用 I2C 或 UART 接口與設(shè)備主控通信；

• 協(xié)議處理：STWLC38 內(nèi)部集成智能協(xié)議處理器，可根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整充電功率，保障充電效率和安全性；

• 反饋回路：主控 MCU 根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，調(diào)整充電參數(shù)，或在異常情況下主動(dòng)中斷充電，確保設(shè)備安全。

七、方案優(yōu)化與設(shè)計(jì)驗(yàn)證

7.1 效率提升與功率控制

為提高無(wú)線充電效率，本方案在硬件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮以下方面：

• 諧振匹配優(yōu)化：通過精確計(jì)算 LC 元件的參數(shù)，保證發(fā)射與接收側(cè)諧振頻率一致，最大化磁能傳輸效率；

• MOSFET 驅(qū)動(dòng)改進(jìn)：選用低 R_DS(on) 高速 MOSFET，結(jié)合合適的驅(qū)動(dòng)電路，降低開關(guān)損耗；

• 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)：利用 STWLC38 的動(dòng)態(tài) PWM 調(diào)制技術(shù)，根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出功率，保證在不同距離與負(fù)載下均能達(dá)到最佳充電效率。

7.2 EMI/EMC 設(shè)計(jì)考量

無(wú)線充電系統(tǒng)工作于高頻環(huán)境，電磁兼容性設(shè)計(jì)至關(guān)重要：

• 屏蔽設(shè)計(jì)：在 PCB 設(shè)計(jì)中采用多層板結(jié)構(gòu)，并設(shè)置接地層與屏蔽層，降低高頻干擾對(duì)其他電子模塊的影響；

• 濾波器設(shè)計(jì)：在電源輸入、輸出端增加共模與差模濾波器，保證系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定性；

• PCB 布局優(yōu)化：合理規(guī)劃高頻與低頻電路區(qū)域，分開走線，減少相互干擾。

7.3 原型驗(yàn)證與測(cè)試

在完成電路設(shè)計(jì)與 PCB 制作后，需要進(jìn)行一系列測(cè)試驗(yàn)證：

• 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試：搭建原型機(jī)，利用示波器、頻譜分析儀等儀器測(cè)試高頻信號(hào)波形、諧振狀態(tài)及溫度、電流等關(guān)鍵參數(shù)；

• 效率測(cè)試：在不同充電距離及負(fù)載情況下，測(cè)量無(wú)線能量傳輸效率，驗(yàn)證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能；

• 安全測(cè)試：模擬過流、過溫、短路等異常情況，檢測(cè)保護(hù)電路的響應(yīng)速度及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

八、應(yīng)用案例與未來(lái)展望

8.1 可穿戴設(shè)備實(shí)例應(yīng)用

以智能手表、健康監(jiān)測(cè)手環(huán)為例，該無(wú)線充電方案具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

• 便捷性：用戶只需將設(shè)備放置于充電底座上，無(wú)需繁瑣插拔接口，極大提升用戶體驗(yàn)；

• 安全性：多重保護(hù)機(jī)制確保長(zhǎng)時(shí)間充電過程中設(shè)備安全；

• 高效性：高頻能量傳輸與動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)，使得充電時(shí)間較傳統(tǒng)有線充電更具競(jìng)爭(zhēng)力；

• 小型化：緊湊的電路設(shè)計(jì)及高度集成的元器件選擇，使整體方案適用于體積極為有限的可穿戴設(shè)備。

8.2 行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

無(wú)線充電技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，未來(lái)可能的趨勢(shì)包括：

• 更高效率的能量傳輸：借助新型材料與元器件，不斷突破無(wú)線能量傳輸?shù)臉O限；

• 多標(biāo)準(zhǔn)兼容：未來(lái)無(wú)線充電系統(tǒng)將更好地兼容多種充電協(xié)議，滿足不同設(shè)備需求；

• 系統(tǒng)智能化：利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)充電系統(tǒng)自適應(yīng)環(huán)境調(diào)節(jié)及故障預(yù)測(cè)；

• 成本降低與普及：隨著生產(chǎn)工藝的成熟和規(guī)模化效應(yīng)，無(wú)線充電方案成本將進(jìn)一步降低，逐步替代傳統(tǒng)充電方式。

九、設(shè)計(jì)總結(jié)與結(jié)論

本文基于 STWLC38 無(wú)線充電控制芯片，詳細(xì)闡述了面向可穿戴設(shè)備的無(wú)線充電解決方案。從系統(tǒng)架構(gòu)、核心模塊、元器件優(yōu)選、保護(hù)機(jī)制、通信反饋到整體電路框圖的設(shè)計(jì)，每一環(huán)節(jié)均進(jìn)行了深入剖析。
主要結(jié)論如下：

1. STWLC38 芯片優(yōu)勢(shì)明顯：集成度高、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、支持多重保護(hù)，能夠大幅簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)整體效率與安全性；

2. 元器件選型精確可靠：通過選用 IRLML6344、MBRS340、優(yōu)質(zhì)陶瓷電容及定制 PCB 線圈等元器件，既滿足高效能要求，又保證了設(shè)備的小型化與低功耗；

3. 系統(tǒng)保護(hù)與通信設(shè)計(jì)完備：多重保護(hù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋機(jī)制確保無(wú)線充電過程中各項(xiàng)參數(shù)始終處于安全范圍，提供了完整的系統(tǒng)安全保障；

4. 實(shí)際應(yīng)用前景廣闊：該方案不僅適用于智能手表、健康手環(huán)，還可擴(kuò)展到其他低功耗無(wú)線充電領(lǐng)域，未來(lái)有望通過進(jìn)一步優(yōu)化提升能量傳輸效率及用戶體驗(yàn)。

十、附錄：詳細(xì)電路原理圖說(shuō)明

為便于工程師參考，以下給出一個(gè)較為詳細(xì)的電路原理圖說(shuō)明（示意圖）：

                 +--------------------------------+
                 |         STWLC38 芯片           |
                 |  ┌────────────────────────┐    |
                 |  │ 內(nèi)置高頻振蕩 & PWM 控制 │    |
                 |  └────────────────────────┘    |
                 +--------------┬-----------------+
                                │ PWM 信號(hào)輸出
                                ▼
                      +---------------------+
                      |  驅(qū)動(dòng) MOSFET 模塊   |
                      | (IRLML6344 等元件)  |
                      +---------┬-----------+
                                │ 開關(guān)放大信號(hào)
                                ▼
                      +---------------------+
                      |    LC 諧振網(wǎng)絡(luò)      |
                      |  ┌──────────────┐   |
                      |  │  匹配電容    │   |
                      |  ├──────────────┤   |
                      |  │  PCB 線圈   │?─┐│
                      |  └──────────────┘  ││
                      +---------------------+│
                                │          │ 磁場(chǎng)傳輸
                                ▼          │
                      +---------------------+│
                      |   空氣耦合區(qū)域      ││
                      +---------------------+│
                                │          │
                                ▼          │
                      +---------------------+│
                      |  接收 LC 諧振網(wǎng)絡(luò)    ││
                      |   (PCB 線圈 + 匹配)  ││
                      +---------┬-----------+│
                                │ 整流信號(hào)
                                ▼
                      +---------------------+
                      | 整流 & 濾波模塊     |
                      | (MBRS340, 濾波電容)  |
                      +---------┬-----------+
                                │ 平滑直流電壓
                                ▼
                      +---------------------+
                      | 穩(wěn)壓 & 充電管理模塊  |
                      | (LDO / DC-DC 模塊)   |
                      +---------------------+
                                │
                                ▼
                      +---------------------+
                      |  為電池供電 / 充電  |
                      +---------------------+

圖2：詳細(xì)電路原理圖示意

10.1 注意事項(xiàng)

• PCB 布局：高頻部分與低頻控制部分建議分開布置，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)增加適當(dāng)?shù)钠帘螌樱乐垢蓴_；

• 溫度管理：各關(guān)鍵元件（如 MOSFET、整流二極管）的散熱設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮，必要時(shí)增加散熱孔或采用熱導(dǎo)材料；

• 調(diào)試階段：在原型機(jī)調(diào)試時(shí)，通過示波器監(jiān)測(cè)高頻波形、整流輸出及穩(wěn)壓狀態(tài)，必要時(shí)對(duì) LC 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

十一、總結(jié)與展望

本設(shè)計(jì)報(bào)告基于意法半導(dǎo)體 STWLC38 芯片提出了一套完整的無(wú)線充電解決方案。通過詳細(xì)介紹系統(tǒng)架構(gòu)、元器件選型、關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)以及保護(hù)和通信策略，不僅展示了無(wú)線充電技術(shù)在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用前景，同時(shí)為工程師提供了一份詳細(xì)的參考設(shè)計(jì)文檔。未來(lái)，隨著無(wú)線充電技術(shù)及器件性能的不斷提升，本方案仍有大量?jī)?yōu)化空間，例如進(jìn)一步縮小元器件尺寸、提升 Q 值及優(yōu)化 PCB 布局等。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可在此基礎(chǔ)上，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制開發(fā)，實(shí)現(xiàn)高效、安全、便捷的無(wú)線充電系統(tǒng)。