共享无线手机充电器设计方案

2018-12-21姜闻

电子技术与软件工程 2018年10期

文/姜闻

1　介绍

2017年的秋季，苹果公司推出了其最新的iPhone系列手机，其最大的更新之一在于iPhone手机开始加入了对无线充电技术的支持。尽管苹果公司不是第一个“吃螃蟹的人”，三星手机的Galaxy系列手机已经有了无线充电功能，但由于苹果公司在行业内的影响力，苹果手机对无线充电技术的采用不仅让人们对这项技术有了更多的了解，也表明了这项技术已经足够成熟，能够被应用在智能手机等产品之上。

与传统的充电器方式相比，无线充电技术的最大优点在于其避免了充电线的使用。采用无线充电技术后，不同电子设备可以采用统一的无线充电标准，只需要一个充电器就可以给不同设备进行充电。无线充电技术的另一个优点在于非接触。对电子设备而言，非接触的充电方式不需要裸露在外的充电接口，能够实现更好的防水设计。而充电器也可以嵌入到台灯底座、桌子甚至床头柜中，方便用户随时随地实现充电。

智能手机的出现让人们意识到手机不仅仅可以用来打电话发短信，还可以用来上网聊微信。随着人们每天花在手机上的时间越来越多，各种应用以及屏幕的耗电量越来越大，手机电池的续航能力成为了一个突出的问题。特别是出门在外时，手机没电会给人们的生活带来各种不方便。为了以上手机充电问题，我们提出了一种适用于餐馆、咖啡馆、火车站、机场等室内公共场所，同时支持各类手机的共享无线充电器设计方案。

2　已有技术路线及相应技术标准

2.1　已有技术路线

早在20世纪20年代到30年代，已经有学者开始论述无线供电概念的可能性。而无线充电技术真正的突破发生在2007年，麻省理工学院的研究团队成功将2米之外的灯泡点亮。随着无线充电技术的不断发展和完善，目前有两种主流的技术路线：电磁感应式无线充电和电磁共振式无线充电。

电磁感应式无线充电与变压器原理相同，在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号，从而产生电流给电池充电。无线充电系统的磁场主要通过空气进行传递，因而磁场传递效率较低。想要系统的无线充电效率达到70%以上，两线圈之间需要靠的很近，而且线圈尺寸需要相似，两者之间定位精确，且该技术只能支持一对一充电。

电磁共振式方案原理与声音的共振原理相同。初级线圈和次级线圈是通过磁共振实现能量传输的。发射端在特定谐振频率震荡，将次级线圈的谐振频率调整至和初级线圈一致，进而实现能量传递。电磁共振式方案的充电距离可达到45mm以上，范围较大，不限于平面结构，同时可以实现一对多充电，接收端的次级线圈可以配置成不同尺寸以适应不同的设备功率。

2.2　已有技术标准

为了推广无线充电技术的应用，通信运营商、半导体企业和高科技公司组成了不同的无线充电联盟，并推出了各自的无线充电技术标准。

目前最主流的无线充电标准是WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi标准。传统的Qi标准采用的是电磁感应式方案。Qi标准具有良好的泛用性和便捷性。从居家、汽车、到机场、咖啡馆、办公室，Qi标准支持的场景非常广泛，一般带有Qi标准标识的无线充电器，都能为支持Qi标准的电子设备供电。为了弥补电磁感应式方案只能一对一充电的不足，最新的Qi 1.2标准加入了对电磁共振式方案的支持，能够实现对多装置同时充电。

另一个无线充电联盟Airfuel也推出了它的无线充电技术标准，包括采用电磁感应式方案的PMA标准和采用电磁共振式方案的A4WP标准。然而与Qi标准相比，Airfuel在技术上还不够成熟，在商业上也没有得到很好的应用。

3　我们的设计方案

我们的设计方案主要包括四个模块：无线充电模块、用户交互模块、中心控制模块和远端服务器模块。各个模块的功能说明如下：

无线充电模块：无线充电模块主要负责对智能手机的充电功能的实现。目前有两种主流的无线充电技术路线：电磁感应式无线充电和电磁共振式无线充电。尽管电磁共振式无线充电方案可以支持一对多充电和更远的充电距离，电磁感应式无线充电方案在技术和商业上更为成熟。无线充电联盟WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi标准就是目前最主流的无线充电标准。在无线充电模块中，我们也会采用支持Qi标准的无线发射线圈，从而实现对各类手机的充电支持。

用户交互模块：用户交互模块主要负责与用户的交互功能的实现。为了让用户能够简便快捷地使用我们的无线手机充电器，我们采用了微信扫描二维码的用户登录方式。用户可以直接利用微信账号登录我们提供的小程序，输入身边的无线充电器的编号，获取充电的权限。当用户结束充电之后，还可以通过微信支付等方式支付相应的费用。

中心控制模块：中心控制模块主要负责与远端服务器通信以及控制无线充电功能的开启和关闭。当远端服务器成功认证用户身份之后，会向中心控制模块发出相应信息。中心控制模块收到远端服务器发来的开始充电信息之后，会开启无线充电功能。当远端服务器发来停止充电信息之后，中心控制模块会关闭无线充电功能。

远端服务器模块：远端服务器模块主要负责用户身份的认证以及费用计算等服务。用户利用微信账号登录之后，远端服务器会查询数据库中用户的相应信息。当用户在微信小程序中点击开始充电和停止充电按钮之后，远端服务器模块会与中心控制模块之间进行通信，开启和关闭无线充电功能。当用户充电完毕之后，远端服务器也会计算相应的费用。

我们的共享无线手机充电器的使用流程如下：

（1）用户扫描桌面上的二维码，登录微信小程序。

（2）用户输入身边的无线充电器编号，点击开始充电按钮，将手机放到桌面对应的位置开始充电。

（3）充电完毕，用户点击停止充电按钮。

（4）根据小程序中提示的费用，用户利用微信支付完成相应的费用结算。