嵌入家具式無線充電器設計研究

高艷芹GAO Yanqin 劉廣義LIU Guangyi

1.西南交通大學，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計研究

高艷芹1GAO Yanqin 劉廣義2LIU Guangyi

1.西南交通大學，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，故此首先對無線充電技術原理作了簡要介紹，發現了其可擴展性，而特意將無線充電器與家具結合起來，在基于產品定位及設計要求的基礎上，從ID設計方案、方案評審、PCB電路板印制及實驗測試等細節著手完成了嵌入家具式無線充電器的設計，同時也展望了嵌入家具式無線充電產品的應用前景。

無線充電技術；有線充電；嵌入家具式；無線充電器設計

一、引言

無線充電是指以空氣為介質進行電能傳輸卻不借助金屬導線及其他物理連接方式，所以具有便捷、通用、低輻射、環保性好及使用壽命長等多種優點，同時避免了設備和充電器型號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計思想就已出現。2007年6月7日，麻省理工學院的研究團隊在《Science》雜志的網站上發表了研究成果，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，經過電磁場擴散到接受方而實現了無線傳導［1］。目前三種最重要、最主流的是Qi標準、PMA標準和A4WP標準。這三個標準分別基于電磁感應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劣［2］。嵌入家具式無線充電器是基于無線充電的基礎上，使無線充電設備極好地融入家居或家具產品中，適用于賓館、餐廳、咖啡館、家庭等場所隨時方便地為隨身攜帶的電子產品充電［3］。

二、無線充電技術原理

無線充電技術是基于供電原理實施的發明，主要有三種形式：電磁感應技術、電磁共振技術和無線射頻識別技術。

電磁感應技術依據的是諧振原理和磁耦合原理，因此信息傳送是通過信號的調制、解調實現的。

電磁共振技術也依賴了LC諧振原理和磁場耦合原理，但對發射端和接收端的功率信號要求比較高。

無線射頻識別技術是通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，系統需要的模塊較多。

上述三種充電方式中電磁感應式充電適用的功率從幾瓦到幾百瓦，傳輸的距離基本上為厘米級別；電磁共振式充電可以傳輸較大的功率，傳輸距離可達幾米的范圍；無線射頻識別技術傳輸距離最遠，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、無線充電家居產品設計理念的提出

1.擺脫線路束縛

隨著電子技術的高速發展，電子設備在日常生活中的應用范圍越來越廣，便攜及通用式的電子產品充電問題亟需解決。與常規的充電方式相比，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生（見圖1）。

圖1　有線充電的困擾

2.便捷性和通用性強

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備的公共場所方便充電，同時避免了設備和充電器型號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，節約資源，減少多次插拔造成充電接口的損壞。無線充電設備只需將接收端封裝在電子設備內部，就可以實現安全、可靠、無束縛的充電［4］，從而簡化了人們的生活，還減少了煩惱，給消費者帶來更加前衛和現代的使用體驗。

四、無線充電家具產品設計

1.產品定位與設計要求

產品定位于家居及公共場所中使用。可嵌入家具的桌面，解決桌面電線雜亂、漏電、不兼容等問題，實現無線充電與有線充電的有機結合。其設計要求：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對外界的輻射較低，符合國際標準［5］；工作效率高，可以對電子設備進行快速充電；工作溫度的范圍廣，可在各種生活環境中正常使用；通用性好，可同時為多種電子設備充電；環保性能好，并且使用壽命長。

2.ID設計方案

（1）頭腦風暴式的草圖設計。基于上述設計思路，首先進行頭腦風暴式草圖設計。借助草圖選定好外形后，在細節上就得考慮接口的設置、商標logo的處理、使用環境與配色、材質選擇、工藝及成本等問題。ID的具體方案請見草圖2。

圖2　ID方案草圖

方案評審：由外觀（簡稱ID）與結構（簡稱MD）入手，首先對外形設計的初步方案進行評審，評審內容包括外形與人性化的處理（尺寸、操作可控性）、實用性體現（無線充電+USB接口）、易用性（手機等用品放上去就可以充電并且不易滑動）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）設計方案評估。產品的外形與功能、材料、作用、構造等要素密不可分，基于美學、功能、材質及制作工藝等方面的綜合考慮，而選用了圓形。圓形是最簡明的圖形，無方向，無起止，方便嵌入家具的桌面中，并且裝飾效果強，容易旋轉打開，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功能，這是外觀形態使人產生的心理情感［6］；從人機的互動關系出發，無線充電器的上蓋閉合和旋轉打開后，就可以進行無線充電，并有指示燈隨時提示充電狀態；從操控性和工作效率來講，無線充電簡化了傳統充電方式的許多過程，在操作上更為方便；產品表面的防滑設計可以與產品logo巧妙結合，采用硅膠材料，防止手機等用具從充電器表面滑落的情況出現；考慮到現有無線充電器只針對一臺設備進行充電的局限性，增設了兩個USB接口，可同時為三種以上的設備充電，更加實用，工作效率也更高；在產品的安裝上，采用現有的電腦線穿線盒的標準尺寸（直徑60mm），容易安裝也方便替換，還可實現DIY；從人們的消費心理需求出發，能夠滿足時尚、簡潔、輕松愉悅的心理需求，能夠拉近與消費者的心理距離。

在設計方案評估之后，就著手產品的內部結構設計，包括各個零部件的裝配關系、拔模角度等。其具體情況可見圖4。

圖4　主要內部結構圖

3.PCB電路板印制及實驗測試

根據內部結構設計留位布置，進行PCB電路板印制（見圖5）。耦合機構（即原邊能量發射線圈和副邊能量接收線圈）是無線充電器中的關鍵部位，直接影響系統的傳輸效果、傳輸能力和可靠性［7］——本文應用的耦合機構為平面型耦合型。產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）。隨后進行性能測試（耦合性能、充電控制、換能效率）、技術評估以及調試（見圖7）。經過綜合測試后，根據相關情況再進行細節優化。

圖5　PCB電路板

圖6　線圈與電路板焊接圖

圖7 綜合測試圖

嵌入家具式無線充電器可以實現隨放隨充，隨取隨停，避免充電時使用電話所遭受的輻射，還可以在無線充電的同時為另一臺設備進行有線充電。無線充電與家具結合，能把桌面變成充電站，為充電帶來了極大的便利性。其產品的最終效果見圖8。

圖8　嵌入家具式無線充電器效果圖

五、結論及展望

本文將無線充電與家具結合，從ID設計方案、方案評審、PCB電路板印制及實驗測試等方面完成了嵌入家具式無線充電器設計，能夠實現一機多用。鑒于無線充電的安全性、便捷性、通用性等優點，預計無線充電器的前景十分光明，并將進一步朝著距離大、高效化、小型化方向發展。雖然目前成型的無線充電器多是為智能手機等小型電子產品服務的，但是電子智能家居產品最終會朝著無線化方向發展的。電子智能家居產品和無線充電的完美結合，無疑能進一步改善人們的生活。

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

［2］ 張益銘.無線充電技術標準淺析［J］.數字技術與應用，2013（4）：223-224.

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

［4］ 孟慶奎.手機無線充電技術的研究［D］.北京：北京郵電大學，2012：13-26.

［5］ 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）：152-152.

［6］ 郝亮.人機工程在IT產品造型設計中的應用研究［D］.太原：中北大學，2013：8-23.

［7］ 周婭娜.一種用于手機的無線充電系統設計［D］.重慶：重慶大學，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，西南交通大學建筑與設計學院碩士生；劉廣義，四川東林科技有限公司員工。