基于 STWLC38 的可穿戴設備無線充電解決方案設計報告

一、摘要

隨著可穿戴設備對續航能力與充電便捷性要求的不斷提高，無線充電技術逐漸成為研發熱點。本文基于意法半導體推出的 STWLC38 無線充電控制芯片，設計了一套專用于可穿戴設備的無線充電方案。報告中詳細介紹了方案的工作原理、系統架構及各模塊之間的協同工作關系，同時對系統中關鍵元器件（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）進行了詳細優選和論證，闡述了每一顆器件的作用及選擇依據，并給出了整個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、低噪聲設計要求上做出了優化，適用于智能手表、健康監測設備、運動手環等可穿戴設備的無線充電應用。

二、背景與應用場景

2.1 無線充電技術的發展背景

無線充電技術是一種利用電磁感應、電磁共振等原理，實現能量在空間中無物理接觸傳輸的技術。傳統的有線充電雖然穩定，但在便攜式、密封化、日常使用體驗上存在諸多局限。近年來，隨著低功耗無線通信技術及高效能電源管理芯片的發展，無線充電逐步成熟并在消費電子、可穿戴設備及醫療器械等領域得到廣泛應用。

2.2 可穿戴設備對充電方案的特殊需求

可穿戴設備由于體積小、功耗低，對充電系統的要求主要體現在以下幾個方面：

• 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，同時盡量減少外部干擾。

• 高效能：無線充電系統需要在保證充電速度的前提下，實現高能量轉換效率，避免能量損耗過大。

• 安全性：對過流、過溫、短路等異常情況具有完善的保護機制，確保用戶使用安全。

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

基于以上要求，意法半導體 STWLC38 芯片正是專為低功率無線充電應用設計，能夠提供高效、穩定且體積緊湊的解決方案。

三、STWLC38 芯片概述

3.1 產品特點與工作原理

STWLC38 是一款專用于無線充電應用的集成控制芯片，其主要特點包括：

• 高集成度：內部集成了高頻振蕩器、電流檢測、過溫保護、短路保護等多項功能，極大地降低了外圍電路復雜度。

• 高轉換效率：采用先進的 PWM 控制技術和功率調節算法，實現了高達 90% 以上的能量傳輸效率。

• 智能控制：支持多種充電協議，能夠根據負載狀態動態調整輸出功率，同時具備自診斷功能，實時監控充電狀態。

• 體積小、低功耗：適合體積要求苛刻的可穿戴設備應用。

工作原理上，STWLC38 主要利用電磁感應原理，通過在發射側產生高頻磁場，并在接收側利用諧振線圈接收磁能，再經過整流和穩壓等電路將無線能量轉換為直流電能為設備充電。芯片內置的高頻振蕩器和調制控制器通過反饋控制機制確保磁場穩定，同時監控溫度、電流等參數，保證系統的穩定運行。

3.2 在無線充電系統中的作用

在整個無線充電系統中，STWLC38 芯片主要承擔以下任務：

• 高頻信號生成與控制：作為高頻振蕩器核心模塊，生成穩定的高頻交流信號，驅動發射線圈工作。

• 能量管理與保護：實時監測電流、電壓、溫度等參數，提供過流、過溫及短路保護，確保充電過程安全可靠。

• 通信與協議處理：支持設備與充電器之間的信息交互，根據不同的充電協議（如 Qi 協議等）實現智能功率調整。

• 系統調節與反饋：通過 PWM 調制等技術實現電能高效傳輸，并及時反饋系統狀態供外圍控制器進行優化控制。

四、系統總體架構設計

4.1 系統架構圖

整個無線充電系統主要由以下幾個部分組成：

1. 高頻驅動電路：由 STWLC38 芯片作為核心，通過外部 MOSFET、驅動電路及 LC 諧振回路生成高頻磁場。

2. 諧振線圈與磁耦合模塊：由定制的發射線圈與接收線圈構成，負責能量的無線傳輸。

3. 整流與濾波模塊：在接收端，將接收到的交流信號經過整流二極管和濾波電容轉換為穩定直流電能。

4. 功率管理與保護模塊：包括過流、過溫、短路保護電路，確保充電過程中的安全穩定。

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

下圖給出整個系統的框圖示意：

         ┌────────────────────────────
         │                   無線充電系統總體框圖                │
         └────────────────────────────
                      │
                      ▼
             ┌─────────────────┐
             │  STWLC38 核心  │
             │ （高頻振蕩器及 │
             │  能量管理控制）│
             └─────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │  高頻驅動 & MOSFET  │
          │   驅動電路模塊      │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │   LC 諧振網絡       │
          │ （發射側線圈）      │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
             ┌─────────────────┐
             │   無線能量傳輸  │
             │  （磁耦合方式） │
             └─────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │   接收端 LC 諧振網絡│
          │  & 整流、濾波模塊   │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │  電池充電管理及保護 │
          └─────────────────────┘

圖1：無線充電系統總體框圖

4.2 系統各模塊詳細說明

4.2.1 高頻驅動模塊

• 功能：將 STWLC38 芯片產生的 PWM 信號經過功率 MOSFET 放大，驅動 LC 諧振網絡產生高頻磁場。

• 關鍵元器件：MOSFET、驅動電路、電感、電容。

• 設計要求：要求 MOSFET 能承受高頻開關損耗、低導通電阻及低寄生參數；驅動電路需提供足夠的驅動電流和電壓。

4.2.2 諧振線圈模塊

• 功能：利用 LC 諧振原理，在發射側形成一個高效的磁場；在接收側實現無線能量捕獲。

• 關鍵元器件：自制或定制的扁平線圈、空心電感及匹配電容。

• 設計要求：線圈設計需要考慮 Q 值、諧振頻率穩定性、尺寸限制和磁場均勻性等因素，確保能量傳輸效率。

4.2.3 整流與濾波模塊

• 功能：將接收側線圈輸出的高頻交流信號經過整流和濾波處理后轉換為穩定的直流電壓。

• 關鍵元器件：高速整流二極管、低 ESR 濾波電容、穩壓芯片。

• 設計要求：整流器件需選用反向恢復時間短、正向壓降低的高速二極管；濾波電容則應滿足高頻濾波要求，降低紋波電壓。

4.2.4 功率管理與保護模塊

• 功能：對充電過程中可能出現的過流、過溫、短路等異常狀態進行實時監控和保護，確保系統及被充電設備安全。

• 關鍵元器件：溫度傳感器、電流檢測電阻、保護 IC、電源開關等。

• 設計要求：保護電路需快速響應、具備冗余設計，同時與 STWLC38 內部保護機制協同工作，確保整體安全性。

4.2.5 通信與控制模塊

• 功能：用于無線充電過程中主控芯片與充電器之間的數據交互，傳輸充電狀態、調節充電功率。

• 關鍵元器件：低功耗 MCU、通信接口電路（如 I2C、UART 等）、數據傳輸模塊。

• 設計要求：要求通信接口穩定可靠，響應時間短，同時在功耗上滿足可穿戴設備低功耗設計要求。

五、關鍵元器件優選及選型依據

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，對各關鍵元器件進行了詳細選型和優選。以下分別說明各元器件的型號、作用及選型理由。

5.1 STWLC38 無線充電控制芯片

• 器件型號：STWLC38（意法半導體出品）

• 主要作用：作為整個無線充電系統的核心控制單元，負責高頻信號的產生、能量管理、充電狀態監測與保護、以及與外部 MCU 的通信接口。

• 選型依據：

• 集成度高，內部已集成多種保護和控制功能，簡化外圍電路設計；

• 具備優秀的 PWM 控制算法，可實現高效率的能量傳輸；

• 小尺寸、低功耗，適合可穿戴設備狹小空間安裝；

• 支持多種充電協議，具備良好的市場兼容性。

5.2 高頻驅動 MOSFET

• 器件型號推薦：IRLML6344（國際知名廠商生產的低電壓、高頻 MOSFET）或同類低 R_DS(on) 及高開關速度的器件。

• 主要作用：用于將 STWLC38 輸出的 PWM 控制信號放大，驅動 LC 諧振電路產生高頻磁場，確保功率轉換效率。

• 選型依據：

• 低導通電阻（R_DS(on)）保證功率損耗最小；

• 快速開關特性減少開關損耗；

• 封裝小、易于集成至 PCB 板上，滿足可穿戴設備對體積的要求；

• 工作溫度范圍廣，具有良好的熱穩定性。

5.3 高頻整流二極管

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

• 主要作用：在接收端整流模塊中，將交流信號整流為直流電能。

• 選型依據：

• 肖特基二極管具有較低的正向壓降，有利于提高整流效率；

• 快速反向恢復特性降低轉換過程中的能量損耗；

• 封裝小，適合高密度 PCB 排布；

• 高可靠性與長壽命設計，滿足長期穩定工作要求。

5.4 LC 諧振元件

5.4.1 發射側線圈與匹配電容

• 器件型號：

• 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 等穩定性較好的陶瓷電容，型號可選如：Murata GRM 系列或 TDK 系列。

• 主要作用：實現發射側 LC 諧振，形成穩定的高頻磁場，保證無線能量傳輸效率。

• 選型依據：

• 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 及良好的溫度穩定性，確保諧振頻率的穩定；

• 線圈設計需考慮尺寸、重量與磁場均勻性，兼顧設計需求與可穿戴設備對外形尺寸的要求。

5.4.2 接收側 LC 諧振與整流濾波網絡

• 器件型號：

• 接收側線圈同樣建議采用定制 PCB 線圈設計；

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

• 主要作用：在接收端實現無線能量捕獲后，利用 LC 諧振電路對高頻信號進行整流和濾波，轉換為穩定直流電壓供電池充電管理模塊使用。

• 選型依據：

• 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，同時滿足體積小和溫度穩定性要求。

5.5 保護電路及輔助器件

5.5.1 溫度檢測與過溫保護器件

• 器件型號推薦：使用數字溫度傳感器如 TMP117 或模擬溫度傳感器 LM35。

• 主要作用：實時監測無線充電系統關鍵部位（如 MOSFET、線圈、STWLC38 芯片本體）的溫度，及時觸發保護機制，防止因溫度過高而導致器件損壞。

• 選型依據：

• 溫度傳感器響應速度快、精度高，保證保護觸發的及時性；

• 封裝小、功耗低，適合嵌入式系統設計；

• 與 STWLC38 芯片內部保護邏輯協同工作，形成多重安全保護體系。

5.5.2 電流檢測與過流保護

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

• 主要作用：檢測無線充電系統中的實時電流狀態，防止因過流情況損害 MOSFET 或其他關鍵元件，同時為主控芯片提供反饋數據進行動態調節。

• 選型依據：

• 分流電阻要求低功耗及高精度檢測；

• 電流放大器需具有高共模抑制比和低噪聲，保證檢測數據的準確性；

• 系統保護方案需確保多級保護，降低安全風險。

5.5.3 輔助濾波與去耦元件

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

• 主要作用：在整個無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，確保系統工作穩定。

• 選型依據：

• 電容器耐壓、穩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；

• 高品質陶瓷電容具有更長的壽命和更優的溫度特性。

六、系統詳細設計與電路原理圖說明

6.1 發射側電路設計

發射側電路由 STWLC38 核心、驅動 MOSFET、LC 諧振網絡及輔助元件構成。其基本工作流程為：

1. 信號產生：STWLC38 芯片內部產生高頻 PWM 信號，并根據外部反饋信號進行調制。

2. 功率放大：該 PWM 信號通過驅動電路（采用 IRLML6344 等 MOSFET）放大，送入 LC 諧振網絡。

3. 諧振激勵：在 LC 諧振網絡中，定制的 PCB 線圈與匹配電容共同形成諧振腔，產生穩定高頻磁場。

4. 能量傳輸：高頻磁場通過空氣耦合傳輸到接收側線圈。

6.1.1 發射側電路框圖

   [STWLC38] --- PWM 信號 --- [驅動電路]
         │                         │
         │                      [MOSFET]
         │                         │
         ▼                         ▼
   [匹配網絡] <-- LC 諧振腔 --> [PCB 扁平線圈]
         │
         ▼
   發射高頻磁場

6.1.2 關鍵設計要點

• 頻率匹配：確保發射側 LC 諧振網絡的諧振頻率與接收側完全匹配，一般設計在 100 kHz~200 kHz 范圍內；

• 驅動能力：MOSFET 驅動電路應保證足夠的電流輸出，避免高頻開關過程中出現波形畸變；

• 熱管理：在高頻大功率工作時，需設計合理的散熱布局，防止 MOSFET 及 STWLC38 過熱。

6.2 接收側電路設計

接收側電路主要由接收 LC 諧振網絡、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，與匹配電容構成 LC 諧振腔，捕獲發射側傳輸的高頻磁場能量；

2. 信號整流：捕獲到的高頻交流電能通過肖特基二極管（MBRS340）進行整流，轉換為脈動直流信號；

3. 濾波穩壓：脈動直流信號經過低 ESR 濾波電容進行平滑處理，再經穩壓芯片（如低壓 LDO 或 DC-DC 轉換器）輸出為穩定直流電壓供電給可穿戴設備或充電管理模塊。

6.2.1 接收側電路框圖

   發射磁場 → [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]
                  │
                  ▼
         [穩壓 & 充電管理電路]
                  │
                  ▼
         為設備充電（輸出 DC 電壓）

6.2.2 關鍵設計要點

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

• 濾波與穩壓：濾波電容必須能夠承受高頻脈沖，選型時需關注 ESR 值；穩壓電路要求輸出電壓穩定，響應速度快；

• 安全保護：與發射側類似，接收側也需要集成溫度、電流監控電路，實現過流、過溫保護。

6.3 系統保護與通信設計

6.3.1 保護電路

保護電路包括溫度監測、過流檢測、短路保護等：

• 溫度監測：利用 TMP117 或 LM35 傳感器實時監控關鍵元器件溫度，一旦超過設定閾值，觸發 STWLC38 內部保護機制；

• 過流檢測：通過低阻值分流電阻配合 INA219 型電流檢測模塊，檢測系統電流狀態，異常時立即斷開功率輸出；

• 短路保護：集成在 STWLC38 芯片內部以及外部保護器件協同工作，確保在負載異常時快速響應保護。

6.3.2 通信與數據反饋

無線充電系統通常需要與設備主控 MCU 進行通信，主要傳輸數據包括充電狀態、電池電壓、電流及溫度信息。

• 數據總線：可以采用 I2C 或 UART 接口與設備主控通信；

• 協議處理：STWLC38 內部集成智能協議處理器，可根據接收到的數據進行動態調整充電功率，保障充電效率和安全性；

• 反饋回路：主控 MCU 根據實時數據反饋，調整充電參數，或在異常情況下主動中斷充電，確保設備安全。

七、方案優化與設計驗證

7.1 效率提升與功率控制

為提高無線充電效率，本方案在硬件設計中重點考慮以下方面：

• 諧振匹配優化：通過精確計算 LC 元件的參數，保證發射與接收側諧振頻率一致，最大化磁能傳輸效率；

• MOSFET 驅動改進：選用低 R_DS(on) 高速 MOSFET，結合合適的驅動電路，降低開關損耗；

• 動態調節：利用 STWLC38 的動態 PWM 調制技術，根據實時負載變化自動調節輸出功率，保證在不同距離與負載下均能達到最佳充電效率。

7.2 EMI/EMC 設計考量

無線充電系統工作于高頻環境，電磁兼容性設計至關重要：

• 屏蔽設計：在 PCB 設計中采用多層板結構，并設置接地層與屏蔽層，降低高頻干擾對其他電子模塊的影響；

• 濾波器設計：在電源輸入、輸出端增加共模與差模濾波器，保證系統信號的穩定性；

• PCB 布局優化：合理規劃高頻與低頻電路區域，分開走線，減少相互干擾。

7.3 原型驗證與測試

在完成電路設計與 PCB 制作后，需要進行一系列測試驗證：

• 實驗室測試：搭建原型機，利用示波器、頻譜分析儀等儀器測試高頻信號波形、諧振狀態及溫度、電流等關鍵參數；

• 效率測試：在不同充電距離及負載情況下，測量無線能量傳輸效率，驗證系統動態調節功能；

• 安全測試：模擬過流、過溫、短路等異常情況，檢測保護電路的響應速度及系統穩定性。

八、應用案例與未來展望

8.1 可穿戴設備實例應用

以智能手表、健康監測手環為例，該無線充電方案具有以下應用優勢：

• 便捷性：用戶只需將設備放置于充電底座上，無需繁瑣插拔接口，極大提升用戶體驗；

• 安全性：多重保護機制確保長時間充電過程中設備安全；

• 高效性：高頻能量傳輸與動態調節技術，使得充電時間較傳統有線充電更具競爭力；

• 小型化：緊湊的電路設計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備。

8.2 行業發展趨勢

無線充電技術正處于快速發展階段，未來可能的趨勢包括：

• 更高效率的能量傳輸：借助新型材料與元器件，不斷突破無線能量傳輸的極限；

• 多標準兼容：未來無線充電系統將更好地兼容多種充電協議，滿足不同設備需求；

• 系統智能化：利用物聯網、人工智能等技術，實現充電系統自適應環境調節及故障預測；

• 成本降低與普及：隨著生產工藝的成熟和規模化效應，無線充電方案成本將進一步降低，逐步替代傳統充電方式。

九、設計總結與結論

本文基于 STWLC38 無線充電控制芯片，詳細闡述了面向可穿戴設備的無線充電解決方案。從系統架構、核心模塊、元器件優選、保護機制、通信反饋到整體電路框圖的設計，每一環節均進行了深入剖析。
主要結論如下：

1. STWLC38 芯片優勢明顯：集成度高、動態調節能力強、支持多重保護，能夠大幅簡化電路設計，提升系統整體效率與安全性；

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

3. 系統保護與通信設計完備：多重保護與實時數據反饋機制確保無線充電過程中各項參數始終處于安全范圍，提供了完整的系統安全保障；

4. 實際應用前景廣闊：該方案不僅適用于智能手表、健康手環，還可擴展到其他低功耗無線充電領域，未來有望通過進一步優化提升能量傳輸效率及用戶體驗。

十、附錄：詳細電路原理圖說明

為便于工程師參考，以下給出一個較為詳細的電路原理圖說明（示意圖）：

                 +--------------------------------+
                 |         STWLC38 芯片           |
                 |  ┌────────────────────────┐    |
                 |  │ 內置高頻振蕩 & PWM 控制 │    |
                 |  └────────────────────────┘    |
                 +--------------┬-----------------+
                                │ PWM 信號輸出
                                ▼
                      +---------------------+
                      |  驅動 MOSFET 模塊   |
                      | (IRLML6344 等元件)  |
                      +---------┬-----------+
                                │ 開關放大信號
                                ▼
                      +---------------------+
                      |    LC 諧振網絡      |
                      |  ┌──────────────┐   |
                      |  │  匹配電容    │   |
                      |  ├──────────────┤   |
                      |  │  PCB 線圈   │?─┐│
                      |  └──────────────┘  ││
                      +---------------------+│
                                │          │ 磁場傳輸
                                ▼          │
                      +---------------------+│
                      |   空氣耦合區域      ││
                      +---------------------+│
                                │          │
                                ▼          │
                      +---------------------+│
                      |  接收 LC 諧振網絡    ││
                      |   (PCB 線圈 + 匹配)  ││
                      +---------┬-----------+│
                                │ 整流信號
                                ▼
                      +---------------------+
                      | 整流 & 濾波模塊     |
                      | (MBRS340, 濾波電容)  |
                      +---------┬-----------+
                                │ 平滑直流電壓
                                ▼
                      +---------------------+
                      | 穩壓 & 充電管理模塊  |
                      | (LDO / DC-DC 模塊)   |
                      +---------------------+
                                │
                                ▼
                      +---------------------+
                      |  為電池供電 / 充電  |
                      +---------------------+

圖2：詳細電路原理圖示意

10.1 注意事項

• PCB 布局：高頻部分與低頻控制部分建議分開布置，并在關鍵節點增加適當的屏蔽層，防止干擾；

• 溫度管理：各關鍵元件（如 MOSFET、整流二極管）的散熱設計應充分考慮，必要時增加散熱孔或采用熱導材料；

• 調試階段：在原型機調試時，通過示波器監測高頻波形、整流輸出及穩壓狀態，必要時對 LC 參數進行微調，確保系統穩定工作。

十一、總結與展望

本設計報告基于意法半導體 STWLC38 芯片提出了一套完整的無線充電解決方案。通過詳細介紹系統架構、元器件選型、關鍵模塊設計以及保護和通信策略，不僅展示了無線充電技術在可穿戴設備中的應用前景，同時為工程師提供了一份詳細的參考設計文檔。未來，隨著無線充電技術及器件性能的不斷提升，本方案仍有大量優化空間，例如進一步縮小元器件尺寸、提升 Q 值及優化 PCB 布局等。設計團隊可在此基礎上，根據不同應用場景進行定制開發，實現高效、安全、便捷的無線充電系統。