手機(jī)無線充電技術(shù)的研究

鄧良禹

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手機(jī)無線充電技術(shù)的研究

鄧良禹

深圳市坤興科技有限公司，廣東深圳 518111

隨著時(shí)代的進(jìn)步，電子信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，手機(jī)、平板電腦、智能手表等終端設(shè)備充電方式都在往無線充的方向發(fā)展，尤其是近些年來手機(jī)的設(shè)計(jì)和制造水平迅速提高，而充電接口的消失也會使手機(jī)在防水、防塵等方面更加容易實(shí)現(xiàn)，給手機(jī)的工業(yè)設(shè)計(jì)帶來了全新的可能。在蘋果公司和國產(chǎn)品牌智能手機(jī)大軍的聯(lián)合推動下，近段時(shí)間無線充電技術(shù)迎來了突破性的爆發(fā)。國內(nèi)外無線充電技術(shù)的日漸成熟勢必會進(jìn)一步推動其應(yīng)用場景的擴(kuò)大，如咖啡廳、智能家具、車載無線充電、高鐵機(jī)場等公共場合等。目前新購買的手機(jī)都自帶充電線，且不同的手機(jī)容易受到品牌的限制無法通用充電線，如市面上比較常見的Lightning接口、MICRO 5PIN接口、MINI USB接口、USB Type-C接口等。這就需要用戶攜帶充電線進(jìn)行充電，而無線充電技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效解決這一煩惱?；诖?，就手機(jī)無線充電技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

手機(jī)無線充電技術(shù)；手機(jī)無線充電效率；手機(jī)無線充電設(shè)計(jì)

引言

無線充電技術(shù)，即Wireless Charging Technology，是指具有電池的裝置不需要借助導(dǎo)線，利用電磁感應(yīng)原理或者其他相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)。以磁場為平臺，在發(fā)送端和接收端用相應(yīng)的設(shè)備或電路來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號進(jìn)行充電的一項(xiàng)技術(shù)。無線電力輸送技術(shù)是基于無線電磁傳輸技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的一種技術(shù)形態(tài)。手機(jī)充電器的發(fā)射端TX線圈將電流轉(zhuǎn)化為電磁，在近場耦合至手機(jī)端，手機(jī)端內(nèi)置的接收端RX線圈和內(nèi)置的DC-DC轉(zhuǎn)換電路將電磁再轉(zhuǎn)化為電流，通過整流、濾波電路的處理后為后級電路提供平滑的直流電，從而滿足手機(jī)的供電和電池的充電需求。以下就手機(jī)無線充電技術(shù)進(jìn)行了具體分析。

1 手機(jī)無線充電技術(shù)

1.1 無線充電技術(shù)分類

就手機(jī)無線充電的原理來看，其主要是基于電磁感應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，電流通過線圈，線圈產(chǎn)生磁場，磁場對臨近的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢經(jīng)過整流、濾波電路的處理從而形成平滑的直流電，滿足手機(jī)的充電需求。當(dāng)前手機(jī)無線充電技術(shù)主要有4種方式：一是電磁感應(yīng)方式，這種比較常用；二是電場耦合方式；三是磁共振方式；四是無線電波方式。技術(shù)人員研究發(fā)現(xiàn)，電磁感應(yīng)方式因其技術(shù)特點(diǎn)，在手機(jī)的無線充電技術(shù)上更具有實(shí)用性[1]。

電磁感應(yīng)方式是無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC）推出的“無線充電”標(biāo)準(zhǔn)，是全球首個(gè)推動無線充電技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織，其充電技術(shù)傳輸功率在幾瓦至幾十瓦之間。發(fā)射線圈和接收線圈近場傳輸?shù)臈l件下，能量傳輸距離有限，一般在幾毫米至幾厘米之間，其工作頻率在幾十赫茲。優(yōu)點(diǎn)是此種充電方式體積較小，適合短距離充電，轉(zhuǎn)換效率較高，一般可達(dá)到80%左右。缺點(diǎn)是：（1）需要限制在特定的擺放位置才能精確充電，可用多線圈結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)位置的局限性（見圖1）。（2）金屬感應(yīng)接觸時(shí)會發(fā)熱，需要無線充具備靈敏的異物檢測（Foreign Object Detection，F(xiàn)OD）性能。當(dāng)含有金屬的物體靠近無線充的TX線圈時(shí)，F(xiàn)OD檢測功能可以迅速識別并自動讓電路進(jìn)入“打嗝”模式，防止發(fā)生過熱的現(xiàn)象。當(dāng)金屬物體被移除后，電路恢復(fù)到正常模式。應(yīng)用此種無線充電技術(shù)給手機(jī)充電時(shí)，需要將手機(jī)與充電器之間的距離盡可能控制到最小，在保證手機(jī)識別能力的基礎(chǔ)上，對線圈和電路進(jìn)行隔磁屏蔽，以免影響手機(jī)無線充電效果和電路的工作穩(wěn)定性，見圖2。

圖1

圖2

電場耦合方式是利用通過沿垂直方向耦合兩組非對稱偶極子而產(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸能量的，傳輸功率在數(shù)瓦至十瓦之間，傳輸距離一般在幾毫米至幾厘米之間，其工作頻率在幾百千赫茲。優(yōu)點(diǎn)是此種充電方式適合短距離充電，轉(zhuǎn)換效率較高，一般可達(dá)到70%～80%，而且充電位置可不固定。缺點(diǎn)是體積較大，不太適用于手機(jī)的無線充電。

磁共振方式標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司發(fā)起的。該公司由寶潔與無線充電技術(shù)公司Powermat合資經(jīng)營，擁有比較出色的綜合實(shí)力。除此以外，Powermat還是Alliance for Wireless Power（A4WP）標(biāo)準(zhǔn)的支持成員之一。此無線充電技術(shù)則比較特殊，當(dāng)發(fā)送端的能量遇到共振頻率相同的接收端時(shí)，由共振效應(yīng)進(jìn)行電能傳輸。適合滿足大功率的能量傳輸需求，實(shí)際傳輸能量可達(dá)幾千瓦，傳輸距離在數(shù)厘米至數(shù)米之間，工作頻率在幾十兆赫茲。優(yōu)點(diǎn)是適合遠(yuǎn)距離、大功率的能量傳輸。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率較低，對空間有較大的輻射污染，需要較好的防護(hù)。

無線電波方式是將環(huán)境電磁波轉(zhuǎn)化為電流，通過電路傳輸電流，采用無線電波方式的充電技術(shù)適合遠(yuǎn)距離且小功率的能量傳輸，主要適合幾毫瓦至數(shù)瓦級的能量傳輸，其傳輸距離可達(dá)10?m以上，工作頻率在幾吉赫茲。優(yōu)點(diǎn)是適合遠(yuǎn)距離、小功率的充電，可自動隨時(shí)充電。缺點(diǎn)是受到空間傳輸路徑的損耗較大這一因素的限制，使得無線電波方式的無線充電技術(shù)實(shí)際傳輸功率有限，且轉(zhuǎn)換效率很低[2]。

1.2 手機(jī)無線充電設(shè)計(jì)要求

為促進(jìn)手機(jī)無線充電技術(shù)得以科學(xué)化的應(yīng)用，需要設(shè)計(jì)人員掌握無線充電方案的具體設(shè)計(jì)要求。結(jié)合手機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制好線圈尺寸。一般情況下，直徑在20～60?mm范圍內(nèi)的單層線圈基本可以滿足手機(jī)設(shè)計(jì)需求。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，手機(jī)設(shè)計(jì)上呈現(xiàn)出越來越薄的趨勢，這就對無線充電線圈的扁平度和纖薄度提出了更高的要求。手機(jī)無線充電效率往往會受到無線充電適配器、無線充電模組等環(huán)節(jié)的影響。為提高手機(jī)無線充電技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)在設(shè)計(jì)中控制好無線充電效率，確保整體的效率不低于65%。手機(jī)無線充電設(shè)計(jì)中，應(yīng)選取合適的電子元器件，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局，保持充電過程中線圈溫度合理上升，且無線充表面的溫升不超過10?℃。無線充電過程應(yīng)具有良好穩(wěn)定性，并且應(yīng)與鋰電池的要求相一致。一般情況下，手機(jī)無線充電時(shí)間與普通充電器充電時(shí)間相當(dāng)，但總體充電時(shí)間不超過4小時(shí)，并控制好無線充電的安全性和電磁兼容性，以保證手機(jī)無線充電的安全實(shí)現(xiàn)。

除此之外，應(yīng)做好手機(jī)無線充電狀態(tài)指示燈設(shè)計(jì)，將不同充電狀態(tài)清晰展示出來，對手機(jī)端與充電器端進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證相關(guān)信息指示的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，便于用戶基于狀態(tài)指示燈了解手機(jī)充電情況，從而提高手機(jī)無線充電技術(shù)的使用價(jià)值[3]。

2 手機(jī)無線充電效率

手機(jī)無線充電技術(shù)的可行性，主要通過無線充電效率反映出來，其中，發(fā)射端和接收端線圈的距離、發(fā)射端線圈直徑以及線圈Q值等均是影響無線充電效率的重要因素。一般將無線充電效率看作是該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用中的重要技術(shù)指標(biāo)。良好的無線充電效率直接關(guān)系用戶的手機(jī)充電體驗(yàn)，為手機(jī)無線充電技術(shù)深入研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持，對于商業(yè)項(xiàng)目創(chuàng)新發(fā)展也具有重要意義。經(jīng)無線充和手機(jī)的匹配測試總結(jié)，其充電平均效率可達(dá)70%左右，最大充電效率為76%，部分位置的充電過程效率略低，但總體充電效率滿足設(shè)計(jì)要求[4]，見圖3。

圖3 充電位置和效率的對應(yīng)圖

3 結(jié)束語

總而言之，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展條件下，手機(jī)無線充電效率可達(dá)70%左右。盡管滿足設(shè)計(jì)要求，但經(jīng)過有線充電器和無線充電器的轉(zhuǎn)化后效率仍然略低。在未來發(fā)展中，應(yīng)深入研究手機(jī)無線充電技術(shù)，創(chuàng)新線圈材料和技術(shù)形式，改良定位技術(shù)，為電能傳輸提供可靠平臺，全面提高手機(jī)無線充電效率，帶給用戶全新的充電體驗(yàn)，提高用戶滿意度，從而推進(jìn)智能手機(jī)無線充電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]袁浩博.淺析手機(jī)無線充電技術(shù)[J].數(shù)字通信世界，2017（9）：191-192.

[2]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.

[3]吳飛.手機(jī)無線充電技術(shù)起航[J].大眾用電，2012，28（10）：41.

[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.

Research on Computer Wireless Charging Technology

Deng Liangyu

Shenzhen KunX Technology Co., Ltd., Guangdong Shenzhen 518111

With the progress of the Times, the rapid development of electronic information industry, charging mobile phone, tablet computer, smart watches and other terminal equipment develop in the way of wireless charging. Especially in recent years, mobile phone design and manufacturing level increases rapidly, and the disappearance of charging interface make mobile phone waterproof and dustproof etc. more easily to achieve, which brings a new industrial design for the mobile phone. Under the combined promotion of Apple Corp. and domestic brand smart phones, wireless charging technology has come to a breakthrough in recent time. The maturity of wireless charging technology at home and abroad is bound to further promote the expansion of its application scenarios, such as coffee shops, smart furniture, vehicle wireless charging, high-speed rail airports and other public occasions. At present, the purchase of new mobile phone comes with a charging line, and different mobile phone brands are vulnerable to restrictions so that they cannot use universal charging line, such as MICRO 5PIN interface, MINI USB interface, USB Type-C interfaceand other common Lightning interface, which requires users to carry charging line charging, while the application of wireless charging technology can efficiently solve the troubles. Based on this, the wireless charging technology of mobile phone is analyzed and studied.

wireless charging technology of mobile phone; wireless charging efficiency of mobile phone; wireless charging design of mobile phone

TM910.6

A

1009-6434（2017）9-0007-03