大家好，我是良许。
近年来，无线充电技术已经从高端旗舰手机逐渐普及到各类消费电子产品，甚至开始在汽车、医疗设备等领域崭露头角。
作为一名嵌入式工程师，我在汽车电子项目中也接触过不少无线充电模块的集成工作。
今天就和大家聊聊无线充电技术的原理，以及在实际应用中最让工程师头疼的电磁兼容性（EMC）问题。
1. 无线充电技术原理
1.1 电磁感应式无线充电
目前市面上最常见的无线充电技术是基于电磁感应原理的，这也是Qi标准（由无线充电联盟WPC制定）所采用的核心技术。
简单来说，就是利用法拉第电磁感应定律：当发射端线圈通过交变电流时，会在周围产生交变磁场，接收端线圈处于这个磁场中就会感应出电动势，从而实现能量传输。
我记得刚接触这个技术时，项目经理让我负责在车载中控台集成一个手机无线充电板。
当时我天真地以为只要把充电模块焊接上去就行了.
结果测试时发现各种问题：充电效率低、发热严重、还干扰了车载收音机信号。
后来才明白，无线充电系统的设计远比想象中复杂。
发射端的核心是一个逆变电路，通常工作在100kHz到205kHz频段（Qi标准规定的范围）。
以STM32为例，我们可以用定时器产生PWM信号来驱动全桥或半桥逆变电路：
// STM32 HAL库配置PWM用于无线充电发射端
void WirelessCharger_PWM_Init(void)
{
TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
// 配置定时器基本参数
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 0;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 719; // 假设系统时钟72MHz，输出约100kHz
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
// 配置PWM通道
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 360; // 50%占空比
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1， &sConfigOC， TIM_CHANNEL_1);
// 启动PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1， TIM_CHANNEL_1);
}
这段代码配置了一个100kHz的PWM信号，用于驱动逆变电路。
但实际项目中，频率需要根据负载情况动态调整，以实现最佳的能量传输效率。
1.2 磁共振式无线充电
除了电磁感应，还有一种磁共振技术，它允许更远的传输距离（可达几厘米甚至十几厘米），而且对位置的要求没那么严格。
这种技术的原理是让发射端和接收端都工作在相同的谐振频率上，通过共振耦合来传输能量。
磁共振技术在医疗设备中应用较多，比如植入式医疗器械的充电。
因为它可以穿透一定厚度的非金属材料，不需要精确对位。
不过这种技术的电路设计更复杂，对元器件的参数一致性要求也更高。
1.3 无线充电系统的组成
一个完整的无线充电系统通常包括以下几个部分：
1.1.1 发射端：包括电源管理芯片、逆变电路、发射线圈、控制MCU、通信模块等。
1.1.2 接收端：包括接收线圈、整流电路、稳压电路、充电管理芯片、通信模块等。
1.1.3 通信协议：发射端和接收端需要通过某种方式进行通信，交换功率需求、充电状态等信息。
Qi标准采用的是反向散射调制技术，接收端通过改变负载来调制信号，发射端通过检测线圈电流或电压的变化来解调信息。
2. 电磁兼容性挑战
2.1 EMC问题的本质
无线充电系统天生就是一个强电磁干扰源。
想想看，我们要在几厘米的距离内传输5W到15W甚至更高的功率，这意味着发射线圈周围存在很强的交变磁场。
这个磁场不仅会感应到接收线圈，也会感应到周围的任何导体上，造成电磁干扰。
我在做那个车载无线充电项目时，最头疼的就是EMC测试。
第一次送检，辐射发射超标了将近20dB，完全不符合汽车电子的CISPR 25标准。
当时压力特别大，因为如果EMC过不了，整个项目就要延期。
2.2 传导干扰
无线充电系统的传导干扰主要来自于逆变电路的开关动作。
每次MOSFET开关时，都会产生很大的di/dt和dv/dt，这些高频分量会通过电源线传导出去，干扰其他设备。
解决传导干扰的常用方法包括:
2.1.1 在电源输入端加EMI滤波器，通常采用π型或T型滤波网络，包括共模电感、差模电感和X电容、Y电容。
2.1.2 优化PCB布局，缩短大电流回路的面积，减少寄生电感。
我的经验是，逆变电路的功率回路一定要做到最短最粗，而且要在顶层和底层都铺铜，形成良好的回流路径。
2.1.3 选择合适的开关频率和软开关技术。
如果能实现零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)，可以大幅降低开关损耗和EMI。
// 动态调整开关频率以优化EMC性能
void Adjust_Switching_Frequency(uint32_t load_power)
{
uint32_t new_period;
if(load_power < 5000) { // 小于5W
new_period = 800; // 降低频率到90kHz
} else if(load_power < 10000) { // 5W-10W
new_period = 720; // 100kHz
} else { // 大于10W
new_period = 650; // 提高到110kHz
}
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1， new_period);
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1， TIM_CHANNEL_1， new_period/2);
}
2.3 辐射干扰
辐射干扰是无线充电系统更难解决的问题。
发射线圈本身就是一个天线，它不仅发射工作频率的基波，还会发射大量的谐波分量。
这些谐波可能落在各种通信频段内，干扰WiFi、蓝牙、GPS、FM收音机等设备。
在我那个车载项目中，无线充电工作时，FM收音机会出现明显的噪声，特别是在某些频段。
后来我们采取了几个措施:
2.2.1 线圈屏蔽:在发射线圈和接收线圈背面都加了铁氧体磁屏蔽片，可以有效约束磁场，防止向外泄漏。
但要注意，屏蔽片的位置和厚度需要仔细调试，否则会降低充电效率。
2.2.2 频率跳变技术:当检测到某个频率干扰严重时，自动切换到另一个频率工作。
Qi标准允许在一定范围内调整工作频率。
2.2.3 金属外壳接地:如果设备有金属外壳，一定要良好接地。
但要注意接地方式，避免形成地环路。
2.2.4 滤波和吸收:在关键信号线上加磁珠、电容进行滤波，在容易产生谐振的地方加阻尼电阻。
2.4 对其他设备的干扰
无线充电系统不仅要考虑自身的EMC性能，还要考虑对周围设备的影响。
比如在手机上，无线充电时可能会干扰NFC、指纹识别、摄像头等模块。
在汽车上，可能会干扰钥匙识别、胎压监测等系统。
我遇到过一个案例，某款手机在无线充电时，触摸屏会出现误触现象。
后来分析发现，是充电线圈产生的磁场在触摸屏的ITO层上感应出了干扰信号。
最后通过调整线圈位置和增加屏蔽才解决问题。
3. EMC设计的实践经验
3.1 PCB设计要点
对于无线充电系统，PCB设计至关重要。
我总结了几个关键点:
3.1.1 分区布局:将数字电路、模拟电路、功率电路严格分开，各自独立供电和接地。
3.1.2 地平面完整:尽量保持地平面的完整性，避免分割。如果必须分割，要在分割处加跨接电容。
3.1.3 走线优化:高频信号线要短而粗，差分信号要等长等宽，阻抗匹配。
大电流走线要足够宽，必要时可以多层并联。
3.1.4 过孔处理:过孔会引入寄生电感，在高频电路中要尽量减少过孔数量。
如果必须使用，可以采用多个过孔并联来降低寄生电感。
// 在代码中监测EMC相关参数
typedef struct {
uint32_t switching_freq; // 当前开关频率
uint16_t coil_current; // 线圈电流
uint16_t coil_voltage; // 线圈电压
int8_t temperature; // 温度
uint8_t efficiency; // 效率
} WirelessCharger_Status_t;
void Monitor_EMC_Parameters(WirelessCharger_Status_t *status)
{
// 读取ADC获取电流电压
status->coil_current = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
status->coil_voltage = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);
// 计算效率
uint32_t input_power = status->coil_voltage * status->coil_current;
uint32_t output_power = Get_Output_Power();
status->efficiency = (output_power * 100) / input_power;
// 如果效率过低，可能存在EMC问题导致的能量损耗
if(status->efficiency < 70) {
// 触发告警或调整工作参数
Adjust_Working_Parameters();
}
}
3.2 测试与调试
EMC测试是一个迭代的过程，很少有产品能一次通过所有测试。
我的建议是:
3.2.1 尽早测试:不要等到产品定型才做EMC测试，在原型阶段就应该进行预测试，及早发现问题。
3.2.2 定位干扰源:使用近场探头和频谱分析仪，可以快速定位干扰源的位置和频率。
3.2.3 分步整改:不要一次改动太多地方，每次只改一个参数，观察效果。这样可以明确每个改动的作用。
3.2.4 留有余量:不要刚好压线通过测试，要留有足够的余量，因为批量生产时元器件参数会有分散性。
3.3 标准与认证
不同的应用场景对EMC有不同的要求。
消费电子产品通常需要符合FCC Part 15、CE等标准;汽车电子需要符合CISPR 25标准;医疗设备需要符合IEC 60601系列标准。
在设计之初就要明确目标市场的认证要求，避免后期返工。
Qi标准本身也包含了EMC要求，产品要获得Qi认证，必须通过WPC指定实验室的EMC测试。
这个测试比一般的EMC测试更严格，因为它还要考虑与手机等接收设备的兼容性。
4. 未来发展趋势
无线充电技术还在快速发展中。
功率越来越大，从最初的5W发展到现在的50W甚至更高;距离越来越远，从紧贴充电发展到几厘米的自由摆放;应用场景越来越广，从手机扩展到电动汽车、无人机、机器人等领域。
但功率越大、距离越远，EMC问题就越突出。这需要我们在电路设计、材料选择、算法优化等多方面不断创新。
比如采用自适应频率跟踪技术，实时监测EMI水平并动态调整工作参数;采用有源EMI抑制技术，主动注入反相干扰信号来抵消EMI;采用新型磁性材料和屏蔽材料，提高磁场约束能力。
作为嵌入式工程师，我们不仅要关注功能实现，更要重视EMC设计。
一个好的产品，不仅要能正常工作，还要能在复杂的电磁环境中稳定可靠地工作，同时不对其他设备造成干扰。
这需要我们在理论学习和实践经验之间不断积累，在每一个项目中总结教训，才能逐步提高设计水平。
无线充电和EMC技术都是非常实践性的领域，纸上谈兵远远不够，只有真正动手做过项目，经历过测试失败的痛苦，才能深刻理解其中的门道。
希望我的这些经验分享能对大家有所帮助，也欢迎同行们一起交流探讨。
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