手機無線充電技術的研究

鄧良禹

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手機無線充電技術的研究

鄧良禹

深圳市坤興科技有限公司，廣東深圳 518111

隨著時代的進步，電子信息產業高速發展，手機、平板電腦、智能手表等終端設備充電方式都在往無線充的方向發展，尤其是近些年來手機的設計和制造水平迅速提高，而充電接口的消失也會使手機在防水、防塵等方面更加容易實現，給手機的工業設計帶來了全新的可能。在蘋果公司和國產品牌智能手機大軍的聯合推動下，近段時間無線充電技術迎來了突破性的爆發。國內外無線充電技術的日漸成熟勢必會進一步推動其應用場景的擴大，如咖啡廳、智能家具、車載無線充電、高鐵機場等公共場合等。目前新購買的手機都自帶充電線，且不同的手機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行充電，而無線充電技術的應用，能夠有效解決這一煩惱?；诖?，就手機無線充電技術進行了分析和研究。

手機無線充電技術；手機無線充電效率；手機無線充電設計

引言

無線充電技術，即Wireless Charging Technology，是指具有電池的裝置不需要借助導線，利用電磁感應原理或者其他相關的交流感應技術。以磁場為平臺，在發送端和接收端用相應的設備或電路來發送和接收產生感應的交流信號進行充電的一項技術。無線電力輸送技術是基于無線電磁傳輸技術所實現的一種技術形態。手機充電器的發射端TX線圈將電流轉化為電磁，在近場耦合至手機端，手機端內置的接收端RX線圈和內置的DC-DC轉換電路將電磁再轉化為電流，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，從而滿足手機的供電和電池的充電需求。以下就手機無線充電技術進行了具體分析。

1 手機無線充電技術

1.1 無線充電技術分類

就手機無線充電的原理來看，其主要是基于電磁感應技術實現的，電流通過線圈，線圈產生磁場，磁場對臨近的線圈產生感應電動勢，電動勢經過整流、濾波電路的處理從而形成平滑的直流電，滿足手機的充電需求。當前手機無線充電技術主要有4種方式：一是電磁感應方式，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。技術人員研究發現，電磁感應方式因其技術特點，在手機的無線充電技術上更具有實用性[1]。

電磁感應方式是無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，WPC）推出的“無線充電”標準，是全球首個推動無線充電技術的標準化組織，其充電技術傳輸功率在幾瓦至幾十瓦之間。發射線圈和接收線圈近場傳輸的條件下，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。優點是此種充電方式體積較小，適合短距離充電，轉換效率較高，一般可達到80%左右。缺點是：（1）需要限制在特定的擺放位置才能精確充電，可用多線圈結構彌補位置的局限性（見圖1）。（2）金屬感應接觸時會發熱，需要無線充具備靈敏的異物檢測（Foreign Object Detection，FOD）性能。當含有金屬的物體靠近無線充的TX線圈時，FOD檢測功能可以迅速識別并自動讓電路進入“打嗝”模式，防止發生過熱的現象。當金屬物體被移除后，電路恢復到正常模式。應用此種無線充電技術給手機充電時，需要將手機與充電器之間的距離盡可能控制到最小，在保證手機識別能力的基礎上，對線圈和電路進行隔磁屏蔽，以免影響手機無線充電效果和電路的工作穩定性，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生的感應電場來傳輸能量的，傳輸功率在數瓦至十瓦之間，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。優點是此種充電方式適合短距離充電，轉換效率較高，一般可達到70%～80%，而且充電位置可不固定。缺點是體積較大，不太適用于手機的無線充電。

磁共振方式標準是由Duracell Powermat公司發起的。該公司由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營，擁有比較出色的綜合實力。除此以外，Powermat還是Alliance for Wireless Power（A4WP）標準的支持成員之一。此無線充電技術則比較特殊，當發送端的能量遇到共振頻率相同的接收端時，由共振效應進行電能傳輸。適合滿足大功率的能量傳輸需求，實際傳輸能量可達幾千瓦，傳輸距離在數厘米至數米之間，工作頻率在幾十兆赫茲。優點是適合遠距離、大功率的能量傳輸。缺點是轉換效率較低，對空間有較大的輻射污染，需要較好的防護。

無線電波方式是將環境電磁波轉化為電流，通過電路傳輸電流，采用無線電波方式的充電技術適合遠距離且小功率的能量傳輸，主要適合幾毫瓦至數瓦級的能量傳輸，其傳輸距離可達10?m以上，工作頻率在幾吉赫茲。優點是適合遠距離、小功率的充電，可自動隨時充電。缺點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實際傳輸功率有限，且轉換效率很低[2]。

1.2 手機無線充電設計要求

為促進手機無線充電技術得以科學化的應用，需要設計人員掌握無線充電方案的具體設計要求。結合手機的結構設計控制好線圈尺寸。一般情況下，直徑在20～60?mm范圍內的單層線圈基本可以滿足手機設計需求。但隨著現代科學技術進步，手機設計上呈現出越來越薄的趨勢，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、無線充電模組等環節的影響。為提高手機無線充電技術的應用價值，應在設計中控制好無線充電效率，確保整體的效率不低于65%。手機無線充電設計中，應選取合適的電子元器件，優化內部結構布局，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?℃。無線充電過程應具有良好穩定性，并且應與鋰電池的要求相一致。一般情況下，手機無線充電時間與普通充電器充電時間相當，但總體充電時間不超過4小時，并控制好無線充電的安全性和電磁兼容性，以保證手機無線充電的安全實現。

除此之外，應做好手機無線充電狀態指示燈設計，將不同充電狀態清晰展示出來，對手機端與充電器端進行優化設計，保證相關信息指示的及時性與準確性，便于用戶基于狀態指示燈了解手機充電情況，從而提高手機無線充電技術的使用價值[3]。

2 手機無線充電效率

手機無線充電技術的可行性，主要通過無線充電效率反映出來，其中，發射端和接收端線圈的距離、發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技術應用中的重要技術指標。良好的無線充電效率直接關系用戶的手機充電體驗，為手機無線充電技術深入研究提供可靠的數據支持，對于商業項目創新發展也具有重要意義。經無線充和手機的匹配測試總結，其充電平均效率可達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計要求[4]，見圖3。

圖3 充電位置和效率的對應圖

3 結束語

總而言之，在當前科學技術發展條件下，手機無線充電效率可達70%左右。盡管滿足設計要求，但經過有線充電器和無線充電器的轉化后效率仍然略低。在未來發展中，應深入研究手機無線充電技術，創新線圈材料和技術形式，改良定位技術，為電能傳輸提供可靠平臺，全面提高手機無線充電效率，帶給用戶全新的充電體驗，提高用戶滿意度，從而推進智能手機無線充電技術的進一步發展。

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

[2]王靜.無線充電在手機技術中的研究與分析[J].電子技術與軟件工程，2015（3）：152.

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

[4]孟慶奎.手機無線充電技術的研究[D].北京：北京郵電大學，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