基于 STWLC38 的可穿戴设备无线充电解决方案设计报告

一、摘要

随着可穿戴设备对续航能力与充电便捷性要求的不断提高，无线充电技术逐渐成为研发热点。本文基于意法半导体推出的 STWLC38 无线充电控制芯片，设计了一套专用于可穿戴设备的无线充电方案。报告中详细介绍了方案的工作原理、系统架构及各模块之间的协同工作关系，同时对系统中关键元器件（如高频振荡器、功率 MOSFET、整流二极管、滤波电容、电感元件及外围辅助电路）进行了详细优选和论证，阐述了每一颗器件的作用及选择依据，并给出了整个充电电路的框图和原理图示意。本方案在提高充电效率、降低功耗以及满足小型化、低噪声设计要求上做出了优化，适用于智能手表、健康监测设备、运动手环等可穿戴设备的无线充电应用。

二、背景与应用场景

2.1 无线充电技术的发展背景

无线充电技术是一种利用电磁感应、电磁共振等原理，实现能量在空间中无物理接触传输的技术。传统的有线充电虽然稳定，但在便携式、密封化、日常使用体验上存在诸多局限。近年来，随着低功耗无线通信技术及高效能电源管理芯片的发展，无线充电逐步成熟并在消费电子、可穿戴设备及医疗器械等领域得到广泛应用。

2.2 可穿戴设备对充电方案的特殊需求

可穿戴设备由于体积小、功耗低，对充电系统的要求主要体现在以下几个方面：

• 体积与集成度：充电电路必须小型化，便于集成到有限空间内，同时尽量减少外部干扰。

• 高效能：无线充电系统需要在保证充电速度的前提下，实现高能量转换效率，避免能量损耗过大。

• 安全性：对过流、过温、短路等异常情况具有完善的保护机制，确保用户使用安全。

• 兼容性与灵活性：针对不同功率要求和充电场景提供灵活的配置方案，满足多种可穿戴设备的需求。

基于以上要求，意法半导体 STWLC38 芯片正是专为低功率无线充电应用设计，能够提供高效、稳定且体积紧凑的解决方案。

三、STWLC38 芯片概述

3.1 产品特点与工作原理

STWLC38 是一款专用于无线充电应用的集成控制芯片，其主要特点包括：

• 高集成度：内部集成了高频振荡器、电流检测、过温保护、短路保护等多项功能，极大地降低了外围电路复杂度。

• 高转换效率：采用先进的 PWM 控制技术和功率调节算法，实现了高达 90% 以上的能量传输效率。

• 智能控制：支持多种充电协议，能够根据负载状态动态调整输出功率，同时具备自诊断功能，实时监控充电状态。

• 体积小、低功耗：适合体积要求苛刻的可穿戴设备应用。

工作原理上，STWLC38 主要利用电磁感应原理，通过在发射侧产生高频磁场，并在接收侧利用谐振线圈接收磁能，再经过整流和稳压等电路将无线能量转换为直流电能为设备充电。芯片内置的高频振荡器和调制控制器通过反馈控制机制确保磁场稳定，同时监控温度、电流等参数，保证系统的稳定运行。

3.2 在无线充电系统中的作用

在整个无线充电系统中，STWLC38 芯片主要承担以下任务：

• 高频信号生成与控制：作为高频振荡器核心模块，生成稳定的高频交流信号，驱动发射线圈工作。

• 能量管理与保护：实时监测电流、电压、温度等参数，提供过流、过温及短路保护，确保充电过程安全可靠。

• 通信与协议处理：支持设备与充电器之间的信息交互，根据不同的充电协议（如 Qi 协议等）实现智能功率调整。

• 系统调节与反馈：通过 PWM 调制等技术实现电能高效传输，并及时反馈系统状态供外围控制器进行优化控制。

四、系统总体架构设计

4.1 系统架构图

整个无线充电系统主要由以下几个部分组成：

1. 高频驱动电路：由 STWLC38 芯片作为核心，通过外部 MOSFET、驱动电路及 LC 谐振回路生成高频磁场。

2. 谐振线圈与磁耦合模块：由定制的发射线圈与接收线圈构成，负责能量的无线传输。

3. 整流与滤波模块：在接收端，将接收到的交流信号经过整流二极管和滤波电容转换为稳定直流电能。

4. 功率管理与保护模块：包括过流、过温、短路保护电路，确保充电过程中的安全稳定。

5. 外围控制与通信接口：用于与主控芯片通信，接收充电状态反馈和调整充电策略。

下图给出整个系统的框图示意：

         ┌────────────────────────────
         │                   无线充电系统总体框图                │
         └────────────────────────────
                      │
                      ▼
             ┌─────────────────┐
             │  STWLC38 核心  │
             │ （高频振荡器及 │
             │  能量管理控制）│
             └─────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │  高频驱动 & MOSFET  │
          │   驱动电路模块      │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │   LC 谐振网络       │
          │ （发射侧线圈）      │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
             ┌─────────────────┐
             │   无线能量传输  │
             │  （磁耦合方式） │
             └─────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │   接收端 LC 谐振网络│
          │  & 整流、滤波模块   │
          └─────────────────────┘
                      │
                      ▼
          ┌─────────────────────┐
          │  电池充电管理及保护 │
          └─────────────────────┘

图1：无线充电系统总体框图

4.2 系统各模块详细说明

4.2.1 高频驱动模块

• 功能：将 STWLC38 芯片产生的 PWM 信号经过功率 MOSFET 放大，驱动 LC 谐振网络产生高频磁场。

• 关键元器件：MOSFET、驱动电路、电感、电容。

• 设计要求：要求 MOSFET 能承受高频开关损耗、低导通电阻及低寄生参数；驱动电路需提供足够的驱动电流和电压。

4.2.2 谐振线圈模块

• 功能：利用 LC 谐振原理，在发射侧形成一个高效的磁场；在接收侧实现无线能量捕获。

• 关键元器件：自制或定制的扁平线圈、空心电感及匹配电容。

• 设计要求：线圈设计需要考虑 Q 值、谐振频率稳定性、尺寸限制和磁场均匀性等因素，确保能量传输效率。

4.2.3 整流与滤波模块

• 功能：将接收侧线圈输出的高频交流信号经过整流和滤波处理后转换为稳定的直流电压。

• 关键元器件：高速整流二极管、低 ESR 滤波电容、稳压芯片。

• 设计要求：整流器件需选用反向恢复时间短、正向压降低的高速二极管；滤波电容则应满足高频滤波要求，降低纹波电压。

4.2.4 功率管理与保护模块

• 功能：对充电过程中可能出现的过流、过温、短路等异常状态进行实时监控和保护，确保系统及被充电设备安全。

• 关键元器件：温度传感器、电流检测电阻、保护 IC、电源开关等。

• 设计要求：保护电路需快速响应、具备冗余设计，同时与 STWLC38 内部保护机制协同工作，确保整体安全性。

4.2.5 通信与控制模块

• 功能：用于无线充电过程中主控芯片与充电器之间的数据交互，传输充电状态、调节充电功率。

• 关键元器件：低功耗 MCU、通信接口电路（如 I²C、UART 等）、数据传输模块。

• 设计要求：要求通信接口稳定可靠，响应时间短，同时在功耗上满足可穿戴设备低功耗设计要求。

五、关键元器件优选及选型依据

本方案中，为了满足高效能、低功耗、小型化及高安全性的要求，对各关键元器件进行了详细选型和优选。以下分别说明各元器件的型号、作用及选型理由。

5.1 STWLC38 无线充电控制芯片

• 器件型号：STWLC38（意法半导体出品）

• 主要作用：作为整个无线充电系统的核心控制单元，负责高频信号的产生、能量管理、充电状态监测与保护、以及与外部 MCU 的通信接口。

• 选型依据：

• 集成度高，内部已集成多种保护和控制功能，简化外围电路设计；

• 具备优秀的 PWM 控制算法，可实现高效率的能量传输；

• 小尺寸、低功耗，适合可穿戴设备狭小空间安装；

• 支持多种充电协议，具备良好的市场兼容性。

5.2 高频驱动 MOSFET

• 器件型号推荐：IRLML6344（国际知名厂商生产的低电压、高频 MOSFET）或同类低 R_DS(on) 及高开关速度的器件。

• 主要作用：用于将 STWLC38 输出的 PWM 控制信号放大，驱动 LC 谐振电路产生高频磁场，确保功率转换效率。

• 选型依据：

• 低导通电阻（R_DS(on)）保证功率损耗最小；

• 快速开关特性减少开关损耗；

• 封装小、易于集成至 PCB 板上，满足可穿戴设备对体积的要求；

• 工作温度范围广，具有良好的热稳定性。

5.3 高频整流二极管

• 器件型号推荐：MBRS340（或同类低正向压降、反向恢复时间短的肖特基二极管）。

• 主要作用：在接收端整流模块中，将交流信号整流为直流电能。

• 选型依据：

• 肖特基二极管具有较低的正向压降，有利于提高整流效率；

• 快速反向恢复特性降低转换过程中的能量损耗；

• 封装小，适合高密度 PCB 排布；

• 高可靠性与长寿命设计，满足长期稳定工作要求。

5.4 LC 谐振元件

5.4.1 发射侧线圈与匹配电容

• 器件型号：

• 线圈：可定制 PCB 扁平线圈，采用高 Q 值磁性材料；

• 匹配电容：推荐选用 X7R、C0G 等稳定性较好的陶瓷电容，型号可选如：Murata GRM 系列或 TDK 系列。

• 主要作用：实现发射侧 LC 谐振，形成稳定的高频磁场，保证无线能量传输效率。

• 选型依据：

• 高 Q 值保证较低的能量损耗和更高的传输效率；

• 匹配电容要求低 ESR 及良好的温度稳定性，确保谐振频率的稳定；

• 线圈设计需考虑尺寸、重量与磁场均匀性，兼顾设计需求与可穿戴设备对外形尺寸的要求。

5.4.2 接收侧 LC 谐振与整流滤波网络

• 器件型号：

• 接收侧线圈同样建议采用定制 PCB 线圈设计；

• 滤波电容可选用低 ESR 高频陶瓷电容，如 Panasonic 或 KEMET 系列产品。

• 主要作用：在接收端实现无线能量捕获后，利用 LC 谐振电路对高频信号进行整流和滤波，转换为稳定直流电压供电池充电管理模块使用。

• 选型依据：

• 高精度匹配确保谐振频率一致，最大化能量捕获；

• 电容选择要求低 ESR，保证滤波效果，同时满足体积小和温度稳定性要求。

5.5 保护电路及辅助器件

5.5.1 温度检测与过温保护器件

• 器件型号推荐：使用数字温度传感器如 TMP117 或模拟温度传感器 LM35。

• 主要作用：实时监测无线充电系统关键部位（如 MOSFET、线圈、STWLC38 芯片本体）的温度，及时触发保护机制，防止因温度过高而导致器件损坏。

• 选型依据：

• 温度传感器响应速度快、精度高，保证保护触发的及时性；

• 封装小、功耗低，适合嵌入式系统设计；

• 与 STWLC38 芯片内部保护逻辑协同工作，形成多重安全保护体系。

5.5.2 电流检测与过流保护

• 器件型号推荐：低阻值分流电阻（如 1 mΩ–10 mΩ 级别）配合专用电流检测放大器，例如 INA219 系列。

• 主要作用：检测无线充电系统中的实时电流状态，防止因过流情况损害 MOSFET 或其他关键元件，同时为主控芯片提供反馈数据进行动态调节。

• 选型依据：

• 分流电阻要求低功耗及高精度检测；

• 电流放大器需具有高共模抑制比和低噪声，保证检测数据的准确性；

• 系统保护方案需确保多级保护，降低安全风险。

5.5.3 辅助滤波与去耦元件

• 器件型号推荐：多层陶瓷电容（MLCC）系列，如 TDK 或 Murata 的 X5R、X7R 电容产品。

• 主要作用：在整个无线充电电路中起到滤波、去耦的作用，降低电源噪声、抑制高频干扰，确保系统工作稳定。

• 选型依据：

• 电容器耐压、稳定性和体积要符合高频电路要求；

• 选用低 ESR 电容器有助于提升滤波效果及减小电磁干扰；

• 高品质陶瓷电容具有更长的寿命和更优的温度特性。

六、系统详细设计与电路原理图说明

6.1 发射侧电路设计

发射侧电路由 STWLC38 核心、驱动 MOSFET、LC 谐振网络及辅助元件构成。其基本工作流程为：

1. 信号产生：STWLC38 芯片内部产生高频 PWM 信号，并根据外部反馈信号进行调制。

2. 功率放大：该 PWM 信号通过驱动电路（采用 IRLML6344 等 MOSFET）放大，送入 LC 谐振网络。

3. 谐振激励：在 LC 谐振网络中，定制的 PCB 线圈与匹配电容共同形成谐振腔，产生稳定高频磁场。

4. 能量传输：高频磁场通过空气耦合传输到接收侧线圈。

6.1.1 发射侧电路框图

   [STWLC38] --- PWM 信号 --- [驱动电路]
         │                         │
         │                      [MOSFET]
         │                         │
         ▼                         ▼
   [匹配网络] <-- LC 谐振腔 --> [PCB 扁平线圈]
         │
         ▼
   发射高频磁场

6.1.2 关键设计要点

• 频率匹配：确保发射侧 LC 谐振网络的谐振频率与接收侧完全匹配，一般设计在 100 kHz~200 kHz 范围内；

• 驱动能力：MOSFET 驱动电路应保证足够的电流输出，避免高频开关过程中出现波形畸变；

• 热管理：在高频大功率工作时，需设计合理的散热布局，防止 MOSFET 及 STWLC38 过热。

6.2 接收侧电路设计

接收侧电路主要由接收 LC 谐振网络、整流滤波模块和充电管理电路组成。

1. 能量捕获：接收线圈同样采用 PCB 线圈，与匹配电容构成 LC 谐振腔，捕获发射侧传输的高频磁场能量；

2. 信号整流：捕获到的高频交流电能通过肖特基二极管（MBRS340）进行整流，转换为脉动直流信号；

3. 滤波稳压：脉动直流信号经过低 ESR 滤波电容进行平滑处理，再经稳压芯片（如低压 LDO 或 DC-DC 转换器）输出为稳定直流电压供电给可穿戴设备或充电管理模块。

6.2.1 接收侧电路框图

   发射磁场 → [接收线圈] -- 捕获能量
                  │
                  ▼
         [LC 谐振 & 匹配电容]
                  │
                  ▼
         [整流模块：肖特基二极管]
                  │
                  ▼
         [滤波模块：低 ESR 电容]
                  │
                  ▼
         [稳压 & 充电管理电路]
                  │
                  ▼
         为设备充电（输出 DC 电压）

6.2.2 关键设计要点

• 整流效率：选用低正向压降及快速反向恢复的肖特基二极管，确保在高频环境下的高效整流；

• 滤波与稳压：滤波电容必须能够承受高频脉冲，选型时需关注 ESR 值；稳压电路要求输出电压稳定，响应速度快；

• 安全保护：与发射侧类似，接收侧也需要集成温度、电流监控电路，实现过流、过温保护。

6.3 系统保护与通信设计

6.3.1 保护电路

保护电路包括温度监测、过流检测、短路保护等：

• 温度监测：利用 TMP117 或 LM35 传感器实时监控关键元器件温度，一旦超过设定阈值，触发 STWLC38 内部保护机制；

• 过流检测：通过低阻值分流电阻配合 INA219 型电流检测模块，检测系统电流状态，异常时立即断开功率输出；

• 短路保护：集成在 STWLC38 芯片内部以及外部保护器件协同工作，确保在负载异常时快速响应保护。

6.3.2 通信与数据反馈

无线充电系统通常需要与设备主控 MCU 进行通信，主要传输数据包括充电状态、电池电压、电流及温度信息。

• 数据总线：可以采用 I²C 或 UART 接口与设备主控通信；

• 协议处理：STWLC38 内部集成智能协议处理器，可根据接收到的数据进行动态调整充电功率，保障充电效率和安全性；

• 反馈回路：主控 MCU 根据实时数据反馈，调整充电参数，或在异常情况下主动中断充电，确保设备安全。

七、方案优化与设计验证

7.1 效率提升与功率控制

为提高无线充电效率，本方案在硬件设计中重点考虑以下方面：

• 谐振匹配优化：通过精确计算 LC 元件的参数，保证发射与接收侧谐振频率一致，最大化磁能传输效率；

• MOSFET 驱动改进：选用低 R_DS(on) 高速 MOSFET，结合合适的驱动电路，降低开关损耗；

• 动态调节：利用 STWLC38 的动态 PWM 调制技术，根据实时负载变化自动调节输出功率，保证在不同距离与负载下均能达到最佳充电效率。

7.2 EMI/EMC 设计考量

无线充电系统工作于高频环境，电磁兼容性设计至关重要：

• 屏蔽设计：在 PCB 设计中采用多层板结构，并设置接地层与屏蔽层，降低高频干扰对其他电子模块的影响；

• 滤波器设计：在电源输入、输出端增加共模与差模滤波器，保证系统信号的稳定性；

• PCB 布局优化：合理规划高频与低频电路区域，分开走线，减少相互干扰。

7.3 原型验证与测试

在完成电路设计与 PCB 制作后，需要进行一系列测试验证：

• 实验室测试：搭建原型机，利用示波器、频谱分析仪等仪器测试高频信号波形、谐振状态及温度、电流等关键参数；

• 效率测试：在不同充电距离及负载情况下，测量无线能量传输效率，验证系统动态调节功能；

• 安全测试：模拟过流、过温、短路等异常情况，检测保护电路的响应速度及系统稳定性。

八、应用案例与未来展望

8.1 可穿戴设备实例应用

以智能手表、健康监测手环为例，该无线充电方案具有以下应用优势：

• 便捷性：用户只需将设备放置于充电底座上，无需繁琐插拔接口，极大提升用户体验；

• 安全性：多重保护机制确保长时间充电过程中设备安全；

• 高效性：高频能量传输与动态调节技术，使得充电时间较传统有线充电更具竞争力；

• 小型化：紧凑的电路设计及高度集成的元器件选择，使整体方案适用于体积极为有限的可穿戴设备。

8.2 行业发展趋势

无线充电技术正处于快速发展阶段，未来可能的趋势包括：

• 更高效率的能量传输：借助新型材料与元器件，不断突破无线能量传输的极限；

• 多标准兼容：未来无线充电系统将更好地兼容多种充电协议，满足不同设备需求；

• 系统智能化：利用物联网、人工智能等技术，实现充电系统自适应环境调节及故障预测；

• 成本降低与普及：随着生产工艺的成熟和规模化效应，无线充电方案成本将进一步降低，逐步替代传统充电方式。

九、设计总结与结论

本文基于 STWLC38 无线充电控制芯片，详细阐述了面向可穿戴设备的无线充电解决方案。从系统架构、核心模块、元器件优选、保护机制、通信反馈到整体电路框图的设计，每一环节均进行了深入剖析。
主要结论如下：

1. STWLC38 芯片优势明显：集成度高、动态调节能力强、支持多重保护，能够大幅简化电路设计，提升系统整体效率与安全性；

2. 元器件选型精确可靠：通过选用 IRLML6344、MBRS340、优质陶瓷电容及定制 PCB 线圈等元器件，既满足高效能要求，又保证了设备的小型化与低功耗；

3. 系统保护与通信设计完备：多重保护与实时数据反馈机制确保无线充电过程中各项参数始终处于安全范围，提供了完整的系统安全保障；

4. 实际应用前景广阔：该方案不仅适用于智能手表、健康手环，还可扩展到其他低功耗无线充电领域，未来有望通过进一步优化提升能量传输效率及用户体验。

十、附录：详细电路原理图说明

为便于工程师参考，以下给出一个较为详细的电路原理图说明（示意图）：

                 +--------------------------------+
                 |         STWLC38 芯片           |
                 |  ┌────────────────────────┐    |
                 |  │ 内置高频振荡 & PWM 控制 │    |
                 |  └────────────────────────┘    |
                 +--------------┬-----------------+
                                │ PWM 信号输出
                                ▼
                      +---------------------+
                      |  驱动 MOSFET 模块   |
                      | (IRLML6344 等元件)  |
                      +---------┬-----------+
                                │ 开关放大信号
                                ▼
                      +---------------------+
                      |    LC 谐振网络      |
                      |  ┌──────────────┐   |
                      |  │  匹配电容    │   |
                      |  ├──────────────┤   |
                      |  │  PCB 线圈   │◄─┐│
                      |  └──────────────┘  ││
                      +---------------------+│
                                │          │ 磁场传输
                                ▼          │
                      +---------------------+│
                      |   空气耦合区域      ││
                      +---------------------+│
                                │          │
                                ▼          │
                      +---------------------+│
                      |  接收 LC 谐振网络    ││
                      |   (PCB 线圈 + 匹配)  ││
                      +---------┬-----------+│
                                │ 整流信号
                                ▼
                      +---------------------+
                      | 整流 & 滤波模块     |
                      | (MBRS340, 滤波电容)  |
                      +---------┬-----------+
                                │ 平滑直流电压
                                ▼
                      +---------------------+
                      | 稳压 & 充电管理模块  |
                      | (LDO / DC-DC 模块)   |
                      +---------------------+
                                │
                                ▼
                      +---------------------+
                      |  为电池供电 / 充电  |
                      +---------------------+

图2：详细电路原理图示意

10.1 注意事项

• PCB 布局：高频部分与低频控制部分建议分开布置，并在关键节点增加适当的屏蔽层，防止干扰；

• 温度管理：各关键元件（如 MOSFET、整流二极管）的散热设计应充分考虑，必要时增加散热孔或采用热导材料；

• 调试阶段：在原型机调试时，通过示波器监测高频波形、整流输出及稳压状态，必要时对 LC 参数进行微调，确保系统稳定工作。

十一、总结与展望

本设计报告基于意法半导体 STWLC38 芯片提出了一套完整的无线充电解决方案。通过详细介绍系统架构、元器件选型、关键模块设计以及保护和通信策略，不仅展示了无线充电技术在可穿戴设备中的应用前景，同时为工程师提供了一份详细的参考设计文档。未来，随着无线充电技术及器件性能的不断提升，本方案仍有大量优化空间，例如进一步缩小元器件尺寸、提升 Q 值及优化 PCB 布局等。设计团队可在此基础上，根据不同应用场景进行定制开发，实现高效、安全、便捷的无线充电系统。