手机无线充电技术的研究

邓良禹



手机无线充电技术的研究

邓良禹

深圳市坤兴科技有限公司，广东深圳 518111

随着时代的进步，电子信息产业高速发展，手机、平板电脑、智能手表等终端设备充电方式都在往无线充的方向发展，尤其是近些年来手机的设计和制造水平迅速提高，而充电接口的消失也会使手机在防水、防尘等方面更加容易实现，给手机的工业设计带来了全新的可能。在苹果公司和国产品牌智能手机大军的联合推动下，近段时间无线充电技术迎来了突破性的爆发。国内外无线充电技术的日渐成熟势必会进一步推动其应用场景的扩大，如咖啡厅、智能家具、车载无线充电、高铁机场等公共场合等。目前新购买的手机都自带充电线，且不同的手机容易受到品牌的限制无法通用充电线，如市面上比较常见的Lightning接口、MICRO 5PIN接口、MINI USB接口、USB Type-C接口等。这就需要用户携带充电线进行充电，而无线充电技术的应用，能够有效解决这一烦恼。基于此，就手机无线充电技术进行了分析和研究。

手机无线充电技术；手机无线充电效率；手机无线充电设计

引言

无线充电技术，即Wireless Charging Technology，是指具有电池的装置不需要借助导线，利用电磁感应原理或者其他相关的交流感应技术。以磁场为平台，在发送端和接收端用相应的设备或电路来发送和接收产生感应的交流信号进行充电的一项技术。无线电力输送技术是基于无线电磁传输技术所实现的一种技术形态。手机充电器的发射端TX线圈将电流转化为电磁，在近场耦合至手机端，手机端内置的接收端RX线圈和内置的DC-DC转换电路将电磁再转化为电流，通过整流、滤波电路的处理后为后级电路提供平滑的直流电，从而满足手机的供电和电池的充电需求。以下就手机无线充电技术进行了具体分析。

1 手机无线充电技术

1.1 无线充电技术分类

就手机无线充电的原理来看，其主要是基于电磁感应技术实现的，电流通过线圈，线圈产生磁场，磁场对临近的线圈产生感应电动势，电动势经过整流、滤波电路的处理从而形成平滑的直流电，满足手机的充电需求。当前手机无线充电技术主要有4种方式：一是电磁感应方式，这种比较常用；二是电场耦合方式；三是磁共振方式；四是无线电波方式。技术人员研究发现，电磁感应方式因其技术特点，在手机的无线充电技术上更具有实用性[1]。

电磁感应方式是无线充电联盟（Wireless Power Consortium，WPC）推出的“无线充电”标准，是全球首个推动无线充电技术的标准化组织，其充电技术传输功率在几瓦至几十瓦之间。发射线圈和接收线圈近场传输的条件下，能量传输距离有限，一般在几毫米至几厘米之间，其工作频率在几十赫兹。优点是此种充电方式体积较小，适合短距离充电，转换效率较高，一般可达到80%左右。缺点是：（1）需要限制在特定的摆放位置才能精确充电，可用多线圈结构弥补位置的局限性（见图1）。（2）金属感应接触时会发热，需要无线充具备灵敏的异物检测（Foreign Object Detection，FOD）性能。当含有金属的物体靠近无线充的TX线圈时，FOD检测功能可以迅速识别并自动让电路进入“打嗝”模式，防止发生过热的现象。当金属物体被移除后，电路恢复到正常模式。应用此种无线充电技术给手机充电时，需要将手机与充电器之间的距离尽可能控制到最小，在保证手机识别能力的基础上，对线圈和电路进行隔磁屏蔽，以免影响手机无线充电效果和电路的工作稳定性，见图2。

图1

图2

电场耦合方式是利用通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输能量的，传输功率在数瓦至十瓦之间，传输距离一般在几毫米至几厘米之间，其工作频率在几百千赫兹。优点是此种充电方式适合短距离充电，转换效率较高，一般可达到70%～80%，而且充电位置可不固定。缺点是体积较大，不太适用于手机的无线充电。

磁共振方式标准是由Duracell Powermat公司发起的。该公司由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营，拥有比较出色的综合实力。除此以外，Powermat还是Alliance for Wireless Power（A4WP）标准的支持成员之一。此无线充电技术则比较特殊，当发送端的能量遇到共振频率相同的接收端时，由共振效应进行电能传输。适合满足大功率的能量传输需求，实际传输能量可达几千瓦，传输距离在数厘米至数米之间，工作频率在几十兆赫兹。优点是适合远距离、大功率的能量传输。缺点是转换效率较低，对空间有较大的辐射污染，需要较好的防护。

无线电波方式是将环境电磁波转化为电流，通过电路传输电流，采用无线电波方式的充电技术适合远距离且小功率的能量传输，主要适合几毫瓦至数瓦级的能量传输，其传输距离可达10 m以上，工作频率在几吉赫兹。优点是适合远距离、小功率的充电，可自动随时充电。缺点是受到空间传输路径的损耗较大这一因素的限制，使得无线电波方式的无线充电技术实际传输功率有限，且转换效率很低[2]。

1.2 手机无线充电设计要求

为促进手机无线充电技术得以科学化的应用，需要设计人员掌握无线充电方案的具体设计要求。结合手机的结构设计控制好线圈尺寸。一般情况下，直径在20～60 mm范围内的单层线圈基本可以满足手机设计需求。但随着现代科学技术进步，手机设计上呈现出越来越薄的趋势，这就对无线充电线圈的扁平度和纤薄度提出了更高的要求。手机无线充电效率往往会受到无线充电适配器、无线充电模组等环节的影响。为提高手机无线充电技术的应用价值，应在设计中控制好无线充电效率，确保整体的效率不低于65%。手机无线充电设计中，应选取合适的电子元器件，优化内部结构布局，保持充电过程中线圈温度合理上升，且无线充表面的温升不超过10 ℃。无线充电过程应具有良好稳定性，并且应与锂电池的要求相一致。一般情况下，手机无线充电时间与普通充电器充电时间相当，但总体充电时间不超过4小时，并控制好无线充电的安全性和电磁兼容性，以保证手机无线充电的安全实现。

除此之外，应做好手机无线充电状态指示灯设计，将不同充电状态清晰展示出来，对手机端与充电器端进行优化设计，保证相关信息指示的及时性与准确性，便于用户基于状态指示灯了解手机充电情况，从而提高手机无线充电技术的使用价值[3]。

2 手机无线充电效率

手机无线充电技术的可行性，主要通过无线充电效率反映出来，其中，发射端和接收端线圈的距离、发射端线圈直径以及线圈Q值等均是影响无线充电效率的重要因素。一般将无线充电效率看作是该项技术应用中的重要技术指标。良好的无线充电效率直接关系用户的手机充电体验，为手机无线充电技术深入研究提供可靠的数据支持，对于商业项目创新发展也具有重要意义。经无线充和手机的匹配测试总结，其充电平均效率可达70%左右，最大充电效率为76%，部分位置的充电过程效率略低，但总体充电效率满足设计要求[4]，见图3。

图3 充电位置和效率的对应图

3 结束语

总而言之，在当前科学技术发展条件下，手机无线充电效率可达70%左右。尽管满足设计要求，但经过有线充电器和无线充电器的转化后效率仍然略低。在未来发展中，应深入研究手机无线充电技术，创新线圈材料和技术形式，改良定位技术，为电能传输提供可靠平台，全面提高手机无线充电效率，带给用户全新的充电体验，提高用户满意度，从而推进智能手机无线充电技术的进一步发展。

[1]袁浩博.浅析手机无线充电技术[J].数字通信世界，2017（9）：191-192.

[2]王静.无线充电在手机技术中的研究与分析[J].电子技术与软件工程，2015（3）：152.

[3]吴飞.手机无线充电技术起航[J].大众用电，2012，28（10）：41.

[4]孟庆奎.手机无线充电技术的研究[D].北京：北京邮电大学，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