去年完整做了一款写着 Qi-Certified、标称 15W 的 Wireless Power Transmitter从原理图、Layout 到调协议、过 EMI、送认证预测试整套流程走完最大的感受是无线充电没有外行想的那么简单做到“能充上”不难做到“稳得像有线”“每次都能握手成功”才算真正入门。这篇文章就围绕这个项目把功率链路、协议栈、FOD 校准、认证实操这些环节掰开讲一遍适合正在做无线充产品、或者准备从 5W 往 15W 升级的硬件工程师参考。1. 项目定位为什么非做 15W 不可1.1 先从功率等级看 Qi 协议的地基做无线充之前一定要先把 WPC 的 Qi 协议分层理清楚。Qi 标准里定义了 Baseline Power ProfileBPP和 Extended Power ProfileEPPBPP 就是最早那套 5W 的传输方案手机放上去能亮灯、能慢慢充但只适合小功率设备。EPP 则是把功率推到 15W 的扩展档位同时引入了更完整的通信协商机制和异物检测要求。15W 这个数字很有意思它是 Qi 标准定义的“标准功率上限”。WPC 认证体系里EPP 最大就是 15W再往上走就进入了各家私有快充协议的地盘比如 30W、50W 甚至更高这些都不属于 Qi 认证能覆盖的范围。所以标题里的“15W”不只是一个性能指标更是一个认证边界你做到 15W 并且通过 Qi 认证意味着全世界的 Qi 接收端设备放到你的发射端上都应该能正常握手、正常充电。这一点和“私有协议能充自家手机充不了别家”有本质区别。实际项目里15W 发射端还需要兼容很多“非标准”场景。典型的是苹果手机 7.5W 和三星 10W它们走的是 WPC 的 PPDEProprietary Power Delivery Extensions机制在 EPP 握手成功后接收端会额外发起私有扩展协商把整流输出电压抬到更高档位。因此一个合格的 15W 发射端除了要能在 9V/1.67A 这个标准 EPP 点稳定输出还要给这些私有扩展留出电压调节余量很多方案会做到 11V 到 13V 的输出能力。1.2 Qi 认证到底认证的是什么很多第一次做无线充的工程师会误以为Qi 认证就是“拿一个手机放上去能充电就行”。实际送测的时候WPC 认证实验室测的是一整套互操作性协议包括通信握手时序、功率传输曲线、FOD 响应、异常报文处理、输出过流保护等等。也就是说认证不关心你用的是什么芯片、什么线圈、什么拓扑它只关心“任意符合 Qi 规范的接收端放到你的发射端上能否按照协议要求完成从数字 Ping 到能量传输再到正常关断的完整过程”。这里面最花时间的是互操作性测试。WPC 使用的参考接收端Reference Receiver是一套经过官方校准的标准负载它不会像手机那样有各种兼容性修正协议行为非常严格。你的发射端如果和参考接收端能稳定跑通和市面主流手机大概率也没问题反过来如果你只在某几台手机上测试过就送认证很容易在实验室里被参考接收端打回原形。另外Qi 认证和很多消费电子认证一样对产品身份和生产一致性有要求。通过认证的产品会分配一个 Qi ID后续批量生产时如果改动了主控、线圈或者关键功率参数严格来讲需要重新评估甚至重新送测。这一点在做成本优化时要特别留意别为了省几毛钱物料把认证状态改没了。1.3 15W 发射端的典型产品形态从市场角度看15W 发射端的应用场景比 5W 宽得多。桌面单充是最基础的形态一个圆形或方形充电板内置 A11 或 MP-A2 线圈配一个 Type-C 口输入多合一充电座也很常见一个发射端里塞两到三路独立的 15W 通道分别给手机、耳机、手表供电车载磁吸支架则是把 MP-A2 线圈和磁铁阵列做在一起利用 Qi 2.0 的 MPP 磁吸对准特性来保证线圈对位。这个项目实际上做的是桌面单充、兼容磁吸辅助定位的版本。因为产品定义里有“Qi-Certified”这个硬指标所以方案选型一开始就排除了纯私有协议路线。我当时的思路是先确保标准的 15W EPP 链路稳定再通过软件扩展去兼容苹果 7.5W 和三星 10W这样既满足认证需求又不会丢掉主流手机用户。2. 方案选型主控芯片、线圈与逆变拓扑怎么搭2.1 主控方案集成 SoC 还是 MCU 加驱动无线充电发射端的主控是整个系统的核心它要同时干三件事跑 Qi 协议栈、控制功率级、处理 ASK/FSK 解调。市面上主流做法分两条路一条是用 WPC 认证过的专用 SoC比如 NXP 的 MWCT 系列、TI 的 BQ500 系列这类芯片把模拟前端、解调电路、驱动逻辑和协议栈集成在一起开发周期短拿现有参考设计改一改就能跑。另一条是用通用 MCU 加分立驱动比如 STM32G0/G4 加半桥驱动器、运放和采样电路灵活性最高但协议栈、解调电路、FOD 算法都得自己造轮子。我这次选的是 MCU 加分立驱动的路线原因比较实际集成 SoC 虽然上手快但往往要绑原厂的配置工具和私有 SDK遇到兼容性问题时排查链路是黑盒状态。而用通用 MCU我可以自己控制从线圈电流采样到 ASK 解调再到 PID 调节的全部环节出了问题能直接看波形、改代码调试进度可控。当然MCU 方案的门槛也很明显。首先是 ASK 解调硬件接收端通过改变负载来调制电压和电流波形发射端要从谐振电流上检测出这些通信包这需要较高的模拟电路设计能力其次是协议状态机WPC 协议文档几百页状态迁移、超时处理、重传机制全部要自己实现前期工作量比集成方案多不少。如果团队没有专职嵌入式工程师我还是建议老老实实用专用 SoC先把产品做出来比什么都重要。2.2 线圈选型A11 和 MP-A2 的取舍线圈是无线充电的能量转换部件也是决定效率和兼容性的关键。WPC 为了统一互操作性给发射端规定了若干线圈类型最常见的是 A11 单线圈和 MP-A2 磁吸线圈。A11 是经典的平面圆盘线圈外径大概 50mm 左右电感量通常在 10~14μH 之间适合桌面平放充电接收端放上去不需要太高对准精度。MP-A2 则是 Qi 2.0 时代为磁吸充电定义的线圈模组和苹果 MagSafe 模块的磁铁位置对齐适合做车载支架或磁吸充电宝。选 A11 还是 MP-A2核心看产品形态。我们做的桌面板因为希望同时兼容普通手机和磁吸手机壳最终选了 A11 线圈并在外围加了一圈定位磁铁。这样不带磁吸的手机放上去能充带磁吸的手机壳也能靠磁铁辅助对准算是一个折中方案。线圈选型时还要关注两个参数Q 值和温升。Q 值越高谐振回路的损耗越小效率越高但高 Q 值也会让 FOD 检测对微小异物更敏感容易误报。温升则直接影响长时间充电的稳定性我实测过某些低成本线圈15W 满载半小时表面温度就能到 65 摄氏度以上这种线圈就算电气参数合格产品端也过不了温升要求。因此线圈一定要选有屏蔽层铁氧体片的正规型号屏蔽不仅能降低背后金属件的涡流损耗也能减少辐射 EMI。2.3 逆变拓扑半桥还是全桥15W 怎么取舍发射端功率级的作用是把直流母线电压逆变成高频交流电驱动 LC 谐振网络。常见拓扑有半桥和全桥两种。半桥结构简单两个开关管就能工作适合 5W 级别的低功率应用全桥需要四个开关管但开关节点输出电压幅值是半桥的两倍在相同功率下原边电流更小开关管导通损耗和线圈铜损都更低所以 15W 级别我更推荐全桥。实际选型时我算过一笔账母线电压 12V 的情况下半桥开关节点输出的是 0 到 12V 的方波等效基波电压较低要输出 15W 原边电流峰值会接近 4A功率管和线圈的发热都比较难看全桥输出的是 ±12V 方波基波电压直接翻倍同样的 15W 原边电流能降到 2A 左右发热和 EMI 都会好很多。全桥多出来的两个开关管成本并不高但带来的散热和可靠性收益非常值得。控制方式上15W 方案通常采用定频移相控制或定频 PWM 调占空比。定频的好处是工作频率固定在一个窄带内滤波器和 EMI 设计相对简单通过调整移相角或占空比来改变输出功率配合接收端上报的 CE 包做闭环调节。也可以考虑 PFM 变频控制但频率变化范围大谐振网络和 EMI 都要跟着重新优化调试周期会拉长我这次没有采用。3. 协议链路与 FOD 校准从数字 Ping 到 15W 稳定输出的关键3.1 一次完整的 Qi 会话从数字 Ping 到 EPP 协商如果只做硬件不管协议很难理解为什么“放上手机”这个动作背后有一连串通信。我自己调试时用示波器和逻辑分析仪抓完整条链路才算真正把 Qi 会话看明白。会话开始前发射端会周期性地发送一个短促的“数字 Ping”信号频率大约 175kHz占空比很低目的是探测线圈上方有没有接收端。如果线圈上只有金属异物等效负载和正常接收端差异很大发射端会直接判断为异物不进入后续流程。一旦检测到接收端接收端会依次回复信号强度包SIG、身份包ID和配置包CONFIG发射端解析后完成 BPP 模式的连接先以 5W 的功率开始传输。这个过程相当于双方互相确认“我能听懂你说话”。如果手机是快充机型它会在这之后发起 EPP 协商发送 SRQ 请求扩展功率双方交换功率协商参数最终将输出电压从 5V 档次切换到 9V 档次并进入 15W 传输模式。能量传输过程中接收端会持续发送控制误差包CE和接收功率包RPP。CE 包告诉发射端“我这边整流电压偏高了/偏低了请调节”发射端据此调整移相角或占空比RPP 包则报告接收端实际收到的功率这个值是 FOD 判断的重要依据。会话结束时接收端会发送 EPT 包请求停止传输发射端关闭功率输出整个过程才算干净地结束。这段链路里的调试难点在于超时机制。每个包都有明确的响应超时时间发射端如果某个状态等不到应有的回复必须按协议降级或关断。我遇到过一种情况手机在锁屏状态下某些型号的接收端芯片会延迟回复配置包导致发射端误判为无响应并关闭输出。后来把超时参数从标准值放宽了一点才在兼容性测试里把这类手机救回来。3.2 FOD 校准把功率损耗基线标定好才敢谈安全异物检测Foreign Object DetectionFOD是 Qi 认证和产品安全里最核心的环节。金属异物放在充电面上会被交变磁场感应出涡流不仅发热严重还可能损坏设备和用户随身物品。FOD 的思路并不复杂发射端先测线圈的 Q 值判断线圈上方有没有额外损耗传输过程中再比较“发射端输入功率”与“接收端上报功率”的差值差值如果明显超过正常损耗基线就判定有异物。做起来最麻烦的却是“正常损耗基线”的标定。不同手机、不同厚度的玻璃后盖、不同位置的线圈中心都会影响耦合并改变系统损耗。如果基线设得太紧正常充电会被误判成异物设得太松小的硬币、钥匙又检测不到。我的做法是拿几台主流参考手机做基准记录它们在 5W 到 15W 各档位下的发射端输入功率和接收端上报功率生成一条“功率损耗对应表”然后再用 WPC 指定的标准异物样板比如直径一定范围的金属圆片放在线圈中心测试确认系统能可靠触发保护。这里有个非常容易被忽略的细节FOD 阈值要随温度适当修正。谐振线圈和功率管的损耗会随着温升变大如果在冷机状态下标定的基线直接用在连续充电半小时后的热机状态下很容易出现“充着充着突然保护停止”的怪问题。我的方案是在软件里加了温度补偿系数用 NTC 采集线圈附近温度动态调整 FOD 阈值实测下来误报率降低了很多。3.3 闭环控制怎么稳定输出 9V/1.67A15W 的 EPP 传输标准输出电压是 9V电流最大 1.67A这两者相乘正好是 15W。接收端内部有整流和稳压电路但它不是有线充电里那种纯硬件的线性稳压器而是通过 CE 包和发射端组成一个数字闭环。接收端检测到整流输出电压偏低就发一个“功率调高”的 CE 包发射端增大移相角线圈磁场变强接收端电压回升形成闭环。这个环路的调参过程非常像调开关电源的 PID只不过被控对象是“无线功率耦合系统”带宽很慢。CE 包每个周期大约几百微秒才发一个如果控制增益调得太大系统会震荡表现就是功率忽大忽小用示波器看接收端输出电压能看到明显的低频纹波增益太小则响应慢手机一放进导航支架位置稍偏一点输出功率半天拉不回来。我调参的建议是先用固定占空比开环跑摸清线圈电流、输出电压和占空比之间的关系再逐步加入慢速闭环观察收敛情况最后才加入快速保护逻辑。实测下来把控制环更新周期设置在 5 到 10 个 CE 包一次既能保证响应速度又不会因为 RPP 的量化噪声导致 FOD 误判。这个值在不同接收端上表现差异挺大最好留成软件配置参数方便后续调兼容性。4. 实战记录关键参数计算、调试与 EMI 整改4.1 关键参数的计算与器件选择开工之前我先把功率链路的几个关键参数算了一遍确保硬件框架没问题。首先是输入功率估算。整机 15W 输出考虑到发射端逆变损耗、谐振网络损耗、线圈耦合损耗目标整机效率大概在 75% 到 82% 之间按 80% 估算发射端从适配器拉取的功率大约在 18.75W。因此输入电源不能只配 5V/2A 这种 10W 级别我选择用 Type-C 接口加 PD 诱骗请求 12V/2A 的输入档位给前端留足余量。然后是谐振参数。发射端采用串联谐振拓扑谐振频率设计在 110kHz 附近这是 Qi 协议允许的常用工作频率点。选用 A11 线圈实测电感 L 为 12μH 左右串联谐振电容的计算公式是 C 1 / ((2πf)²L)代入 f110kHz、L12μH计算得到电容约为 174nF。实际取值时留了 5% 的余量并且选用低损耗的 C0G 或薄膜电容因为谐振电容上的高频电流很大普通 X7R 电容容易发热、容量也会随温度漂移。功率级开关管的选型也不能大意。15W 全桥逆变原边线圈电流峰值按经验在 2.5A 到 3A 之间开关管耐压按照母线电压的两倍以上选我用的是 30V 耐压的 MOSFET导通内阻选在 20mΩ 以内这样导通损耗在可接受范围。驱动电路用半桥驱动器加自举电容死区时间设置在 100ns 左右避免上下管直通。死区太大会导致波形失真、效率下降太小则可能炸管调试时一定要用示波器看开关节点波形来确认。4.2 调试中的几个关键测试点硬件焊好后我先不急于放手机测试而是用示波器把发射端各关键节点的波形都抓了一遍。第一个看的是逆变输出波形也就是全桥开关节点的电压波形正常应该是对称的方波上升沿和下降沿尽量陡峭但不超过器件耐压第二个看的是 LC 谐振电容两端的电压和线圈电流波形线圈电流应该是光滑的正弦波如果波形上有明显畸变说明谐振频率偏了或者线圈耦合异常。第三个关键测试点是 ASK 解调波形。接收端发送数据包时线圈电流上会出现幅度调制解调电路输出的是一个脉冲序列这个序列要稳定、噪声小MCU 才能正确解出每一位数据。我调试时发现解调信号经常在手机发送数据包时出现误码后来把采样电阻的滤波电容调小、加大了解调比较器的迟滞误码率才降到可接受范围。这一步如果做不好后面所有协议流程都会随机失败是最磨人的调试环节。带载测试也不能少。我做了整机测试输入 12V、目标输出 15W用一台支持 EPP 的快充手机实际充电记录输入功率、线圈温度、效率数据。实测整机效率在 78% 左右温升 30 分钟内稳定在 28 摄氏度左右符合预期。测试时一定要把手机屏幕关掉、充电协议固定在 15W 档位否则手机电量到 80% 以后会自动降功率测试数据会变得不可比。4.3 EMI 和热设计踩坑记录EMI 是很多无线充产品死在量产前的最后一关。无线充的工作频率在 110kHz 到 205kHz 之间基波不高但方波逆变会产生丰富的高次谐波这些谐波会沿着电源线向外传导也容易通过线圈和线束辐射出去。我第一次送预测试时传导骚扰在 2MHz 到 5MHz 频段超了差不多 6dB辐射也在 30MHz 到 100MHz 区间有明显尖峰。整改过程主要做了三件事。第一在输入端加了共模电感并调整了 Y 电容的布局把共模噪声的回流路径缩短第二把全桥四个功率管的开关速度适当放慢通过在栅极串联电阻增加开关时间代价是损耗略增但高频谐波明显下降第三调整了谐振电容的物理位置让功率回路的环路面积尽量小减少磁场向外辐射。这三招下来传导和辐射都压到了限值以下。热设计上15W 满载时主要发热源是功率管、谐振电容和线圈。我在 PCB Layout 时给功率管下面铺了大面积铜皮并打了密集散热过孔线圈下方用了导热的铁氧体屏蔽层壳体内侧贴了导热硅胶垫把热量传导到外壳。这里有个经验谐振电容不要挨着功率管放电容本身高频损耗发热两个热源靠在一起会让局部温度很快超过 90 摄氏度电容寿命会急剧下降。重新布局后最热点温度从 88 摄氏度降到了 72 摄氏度效果非常明显。5. 兼容性测试与认证避坑指南5.1 兼容性测试别只拿同一颗接收端试产品功能调通以后最忌讳的是一台手机从头测到尾。不同手机的接收线圈位置、协议栈实现、上报功率精度差异都很大我当时专门找了一批设备做兼容性测试包括几台不同品牌的 EPP 快充手机、一台只支持 BPP 的老设备、两只 TWS 耳机以及一个从市场买的 Qi 认证接收线圈模块。测试中暴露出的问题比预想多。某款手机在放上充电板后指示灯亮一下就停了抓协议包发现是它发出配置包之后发射端回复速度稍慢手机就认为通信超时主动断开另一个品牌手机是对位稍偏一点就会频繁进入重协商因为原边 Q 值检测和它的线圈匹配不好。这些问题单靠某一台设备根本发现不了最后我在软件里针对不同设备的典型行为加了适配参数才把兼容性列表勉强填满。兼容性测试还有一个容易被忽略的点充电壳和磁吸配件。很多用户会带着厚手机壳充电2mm 到 3mm 的间隙会让耦合系数明显下降。我测试时专门买了两种不同厚度的手机壳确认在戴壳状态下 15W 还能正常建立链路并且不会频繁触发 FOD这一点如果产品宣传“支持带壳充电”就必须写进测试用例。5.2 认证测试常见的整改项WPC 送测流程一般是先提交产品注册再把样品寄到认证实验室实验室用参考接收端和标准异物测试板跑完整的互操作性用例。这套流程的费用和时间都不低所以我的建议是送测之前先自己做一轮“预测试”按照 WPC 公开的互操作性清单过一遍能省掉来回寄样的时间。从周围同行反馈和我自己的预测试经验来看最常见的失败项有几个一是 FOD 误报发射端把标准异物样板识别成了正常负载或者反过来把正常手机判断为异物二是功率曲线不符合规范要求 15W 传输在特定条件下要能持续输出有些方案碰到负载波动就掉回 5W 甚至断充三是 EPP 握手失败多发于协议栈实现不完整的低成本方案。针对 EPP 握手失败我检查了参考接收端发来的所有包时序发现我们的发射端在收到配置包后没有及时发送确认包导致接收端一直停在配置阶段。修改状态机后问题解决。这个经验说明送测前一定要用好逻辑分析仪抓完整的协议包不要只看能不能充电要确认每一步状态迁移都符合规范。5.3 常见故障快速排查表项目收尾时我整理了一张排查表方便后续生产和售后快速定位问题。现象可能原因排查方法放上手机完全没反应输入电源功率不足、数字 Ping 异常用可调电源确认输入电压电流观察线圈波形是否有 175kHz 脉冲指示灯亮但充不进电协议握手失败或配置包超时抓 ASK 解调波形确认 ID 包和配置包是否正常解析充电速度慢始终只有 5WEPP 协商未建立检查是否发送 SRQ 请求确认输出电压档位是否切换到 9V充电几分钟后自动停止FOD 误报或过温保护查看 NTC 温度日志比对 FOD 阈值确认是否为热机后基线漂移特定手机不兼容接收端线圈位置差异或协议行为特殊用逻辑分析仪抓包对比正常设备差异增加适配参数带壳充电断断续续耦合系数下降导致功率拉不上去调整 FOD 基线确认是否触发降功率或重协商做了这个项目之后我最大的体会是无线充电发射端真正难的不是功率变换而是“通信与功率的交叉控制”。你既要把磁场推得足够强又要精确感知接收端每一条消息还要在安全和效率之间反复平衡。如果让我重新选一次我会在方案冻结之前就把 FOD 标定工具链和协议抓包环境搭好这两样东西决定了后面调试和认证是顺风还是逆风。最后再分享一个小技巧所有阈值和超时参数都做成可配置项别看它不起眼产品兼容性问题最后基本都靠这些“软参数”救场。