嵌入家具式無線充電器設(shè)計(jì)研究

高艷芹GAO Yanqin 劉廣義LIU Guangyi

1.西南交通大學(xué)，成都611756（Southwest Jiaotong University，611756 Chengdu）

2.四川東林科技有限公司，成都610044（Sichuan Donglin Technology Co.， Ltd，610044 Chengdu）

嵌入家具式無線充電器設(shè)計(jì)研究

高艷芹1GAO Yanqin 劉廣義2LIU Guangyi

1.西南交通大學(xué)，成都611756（Southwest Jiaotong University，611756 Chengdu）

2.四川東林科技有限公司，成都610044（Sichuan Donglin Technology Co.， Ltd，610044 Chengdu）

由于有線充電安全性、通用性存在問題，故此首先對(duì)無線充電技術(shù)原理作了簡(jiǎn)要介紹，發(fā)現(xiàn)了其可擴(kuò)展性，而特意將無線充電器與家具結(jié)合起來，在基于產(chǎn)品定位及設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，從ID設(shè)計(jì)方案、方案評(píng)審、PCB電路板印制及實(shí)驗(yàn)測(cè)試等細(xì)節(jié)著手完成了嵌入家具式無線充電器的設(shè)計(jì)，同時(shí)也展望了嵌入家具式無線充電產(chǎn)品的應(yīng)用前景。

無線充電技術(shù)；有線充電；嵌入家具式；無線充電器設(shè)計(jì)

一、引言

無線充電是指以空氣為介質(zhì)進(jìn)行電能傳輸卻不借助金屬導(dǎo)線及其他物理連接方式，所以具有便捷、通用、低輻射、環(huán)保性好及使用壽命長等多種優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了設(shè)備和充電器型號(hào)不匹配等問題而造成的難以充電的煩惱。早在100多年前無線充電的設(shè)計(jì)思想就已出現(xiàn)。2007年6月7日，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《Science》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了研究成果，他們利用銅制線圈作為電磁共振器，將線圈分別附在傳送方和接收方，經(jīng)過電磁場(chǎng)擴(kuò)散到接受方而實(shí)現(xiàn)了無線傳導(dǎo)［1］。目前三種最重要、最主流的是Qi標(biāo)準(zhǔn)、PMA標(biāo)準(zhǔn)和A4WP標(biāo)準(zhǔn)。這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別基于電磁感應(yīng)式和電磁共振式兩種不同的無線充電原理，在兼容性、充電便利性等方面各有優(yōu)劣［2］。嵌入家具式無線充電器是基于無線充電的基礎(chǔ)上，使無線充電設(shè)備極好地融入家居或家具產(chǎn)品中，適用于賓館、餐廳、咖啡館、家庭等場(chǎng)所隨時(shí)方便地為隨身攜帶的電子產(chǎn)品充電［3］。

二、無線充電技術(shù)原理

無線充電技術(shù)是基于供電原理實(shí)施的發(fā)明，主要有三種形式：電磁感應(yīng)技術(shù)、電磁共振技術(shù)和無線射頻識(shí)別技術(shù)。

電磁感應(yīng)技術(shù)依據(jù)的是諧振原理和磁耦合原理，因此信息傳送是通過信號(hào)的調(diào)制、解調(diào)實(shí)現(xiàn)的。

電磁共振技術(shù)也依賴了LC諧振原理和磁場(chǎng)耦合原理，但對(duì)發(fā)射端和接收端的功率信號(hào)要求比較高。

無線射頻識(shí)別技術(shù)是通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要的模塊較多。

上述三種充電方式中電磁感應(yīng)式充電適用的功率從幾瓦到幾百瓦，傳輸?shù)木嚯x基本上為厘米級(jí)別；電磁共振式充電可以傳輸較大的功率，傳輸距離可達(dá)幾米的范圍；無線射頻識(shí)別技術(shù)傳輸距離最遠(yuǎn)，但由于巨大的空間路徑損耗，因此只能傳輸小于100 毫瓦的功率［3］。

三、無線充電家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的提出

1.擺脫線路束縛

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備在日常生活中的應(yīng)用范圍越來越廣，便攜及通用式的電子產(chǎn)品充電問題亟需解決。與常規(guī)的充電方式相比，無線充電器擺脫了線路的束縛，解決了線多、線雜的問題，提高了用電的靈活性及安全性，避免了短路及漏電等安全事故的發(fā)生（見圖1）。

圖1　有線充電的困擾

2.便捷性和通用性強(qiáng)

無線充電具有極大的便捷性和通用性。使用者可以在安裝有公共無線充電設(shè)備的公共場(chǎng)所方便充電，同時(shí)避免了設(shè)備和充電器型號(hào)不匹配造成的無法充電的尷尬。另外，無線充電可以減少有線充電器的使用頻率，節(jié)約資源，減少多次插拔造成充電接口的損壞。無線充電設(shè)備只需將接收端封裝在電子設(shè)備內(nèi)部，就可以實(shí)現(xiàn)安全、可靠、無束縛的充電［4］，從而簡(jiǎn)化了人們的生活，還減少了煩惱，給消費(fèi)者帶來更加前衛(wèi)和現(xiàn)代的使用體驗(yàn)。

四、無線充電家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.產(chǎn)品定位與設(shè)計(jì)要求

產(chǎn)品定位于家居及公共場(chǎng)所中使用。可嵌入家具的桌面，解決桌面電線雜亂、漏電、不兼容等問題，實(shí)現(xiàn)無線充電與有線充電的有機(jī)結(jié)合。其設(shè)計(jì)要求：體積小，重量輕，便于安裝；耗能低，使用過程中的電能利用率較高；輻射低，在使用過程中其系統(tǒng)對(duì)外界的輻射較低，符合國際標(biāo)準(zhǔn)［5］；工作效率高，可以對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行快速充電；工作溫度的范圍廣，可在各種生活環(huán)境中正常使用；通用性好，可同時(shí)為多種電子設(shè)備充電；環(huán)保性能好，并且使用壽命長。

2.ID設(shè)計(jì)方案

（1）頭腦風(fēng)暴式的草圖設(shè)計(jì)。基于上述設(shè)計(jì)思路，首先進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式草圖設(shè)計(jì)。借助草圖選定好外形后，在細(xì)節(jié)上就得考慮接口的設(shè)置、商標(biāo)logo的處理、使用環(huán)境與配色、材質(zhì)選擇、工藝及成本等問題。ID的具體方案請(qǐng)見草圖2。

圖2　ID方案草圖

方案評(píng)審：由外觀（簡(jiǎn)稱ID）與結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱MD）入手，首先對(duì)外形設(shè)計(jì)的初步方案進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審內(nèi)容包括外形與人性化的處理（尺寸、操作可控性）、實(shí)用性體現(xiàn)（無線充電+USB接口）、易用性（手機(jī)等用品放上去就可以充電并且不易滑動(dòng)）等，還有初步的外形輸出和初步的配色（見圖3）。

圖3　初步外形輸出及初步配色

（2）設(shè)計(jì)方案評(píng)估。產(chǎn)品的外形與功能、材料、作用、構(gòu)造等要素密不可分，基于美學(xué)、功能、材質(zhì)及制作工藝等方面的綜合考慮，而選用了圓形。圓形是最簡(jiǎn)明的圖形，無方向，無起止，方便嵌入家具的桌面中，并且裝飾效果強(qiáng)，容易旋轉(zhuǎn)打開，能夠很好地替代原有的電腦穿線盒，兼容性好。

從人性化的角度來看：圓形柔和，具有自然提示的旋轉(zhuǎn)功能，這是外觀形態(tài)使人產(chǎn)生的心理情感［6］；從人機(jī)的互動(dòng)關(guān)系出發(fā)，無線充電器的上蓋閉合和旋轉(zhuǎn)打開后，就可以進(jìn)行無線充電，并有指示燈隨時(shí)提示充電狀態(tài)；從操控性和工作效率來講，無線充電簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)充電方式的許多過程，在操作上更為方便；產(chǎn)品表面的防滑設(shè)計(jì)可以與產(chǎn)品logo巧妙結(jié)合，采用硅膠材料，防止手機(jī)等用具從充電器表面滑落的情況出現(xiàn)；考慮到現(xiàn)有無線充電器只針對(duì)一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行充電的局限性，增設(shè)了兩個(gè)USB接口，可同時(shí)為三種以上的設(shè)備充電，更加實(shí)用，工作效率也更高；在產(chǎn)品的安裝上，采用現(xiàn)有的電腦線穿線盒的標(biāo)準(zhǔn)尺寸（直徑60mm），容易安裝也方便替換，還可實(shí)現(xiàn)DIY；從人們的消費(fèi)心理需求出發(fā)，能夠滿足時(shí)尚、簡(jiǎn)潔、輕松愉悅的心理需求，能夠拉近與消費(fèi)者的心理距離。

在設(shè)計(jì)方案評(píng)估之后，就著手產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括各個(gè)零部件的裝配關(guān)系、拔模角度等。其具體情況可見圖4。

圖4　主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.PCB電路板印制及實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)留位布置，進(jìn)行PCB電路板印制（見圖5）。耦合機(jī)構(gòu)（即原邊能量發(fā)射線圈和副邊能量接收線圈）是無線充電器中的關(guān)鍵部位，直接影響系統(tǒng)的傳輸效果、傳輸能力和可靠性［7］——本文應(yīng)用的耦合機(jī)構(gòu)為平面型耦合型。產(chǎn)品首版制作與電路板制版完成后，將線圈與電路板焊接（見圖6）。隨后進(jìn)行性能測(cè)試（耦合性能、充電控制、換能效率）、技術(shù)評(píng)估以及調(diào)試（見圖7）。經(jīng)過綜合測(cè)試后，根據(jù)相關(guān)情況再進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化。

圖5　PCB電路板

圖6　線圈與電路板焊接圖

圖7 綜合測(cè)試圖

嵌入家具式無線充電器可以實(shí)現(xiàn)隨放隨充，隨取隨停，避免充電時(shí)使用電話所遭受的輻射，還可以在無線充電的同時(shí)為另一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行有線充電。無線充電與家具結(jié)合，能把桌面變成充電站，為充電帶來了極大的便利性。其產(chǎn)品的最終效果見圖8。

圖8　嵌入家具式無線充電器效果圖

五、結(jié)論及展望

本文將無線充電與家具結(jié)合，從ID設(shè)計(jì)方案、方案評(píng)審、PCB電路板印制及實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面完成了嵌入家具式無線充電器設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)一機(jī)多用。鑒于無線充電的安全性、便捷性、通用性等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)無線充電器的前景十分光明，并將進(jìn)一步朝著距離大、高效化、小型化方向發(fā)展。雖然目前成型的無線充電器多是為智能手機(jī)等小型電子產(chǎn)品服務(wù)的，但是電子智能家居產(chǎn)品最終會(huì)朝著無線化方向發(fā)展的。電子智能家居產(chǎn)品和無線充電的完美結(jié)合，無疑能進(jìn)一步改善人們的生活。

［1］ 王國輝.無線充電技術(shù)及其特殊應(yīng)用前景［J］.電子產(chǎn)品技術(shù)，2014（7）：21-24.

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［3］ 賽燕燕，孫鵬.面向數(shù)字終端的智能無線充電技術(shù)分析與研究［J］.信息技術(shù)與信息化，2014（6）：151-152.

［4］ 孟慶奎.手機(jī)無線充電技術(shù)的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2012：13-26.

［5］ 王靜.無線充電在手機(jī)技術(shù)中的研究與分析［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2015（3）：152-152.

［6］ 郝亮.人機(jī)工程在IT產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究［D］.太原：中北大學(xué)，2013：8-23.

［7］ 周婭娜.一種用于手機(jī)的無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014：38-47.

Study on the Design of Wireless Charger Embedded in Furniture

In view of the demerits of wired charging safety and its versatility， this paper fi rstly introduces the principle of wireless charging technology.During the study，it was found that wireless charger is extensible and then it was combined with furniture.This paper proceeds from the details of ID design，program evaluation， PCB printed circuit boards as well as experiments and tests，and completes the design of wireless charger embedded in furniture based on product positioning and design requirements.It also looks forward to the future of wireless charger products embedded in furniture.

wireless charging technology；wired charging；embedded Furniture；design of wireless charger

J023

A

10.3963/j.issn.2095-0705.2016.05.016（0087-04）

2016-06-28

高艷芹，西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院碩士生；劉廣義，四川東林科技有限公司員工。