共享無線手機充電器設計方案

文/姜聞

1　介紹

2017年的秋季，蘋果公司推出了其最新的iPhone系列手機，其最大的更新之一在于iPhone手機開始加入了對無線充電技術的支持。盡管蘋果公司不是第一個“吃螃蟹的人”，三星手機的Galaxy系列手機已經有了無線充電功能，但由于蘋果公司在行業內的影響力，蘋果手機對無線充電技術的采用不僅讓人們對這項技術有了更多的了解，也表明了這項技術已經足夠成熟，能夠被應用在智能手機等產品之上。

與傳統的充電器方式相比，無線充電技術的最大優點在于其避免了充電線的使用。采用無線充電技術后，不同電子設備可以采用統一的無線充電標準，只需要一個充電器就可以給不同設備進行充電。無線充電技術的另一個優點在于非接觸。對電子設備而言，非接觸的充電方式不需要裸露在外的充電接口，能夠實現更好的防水設計。而充電器也可以嵌入到臺燈底座、桌子甚至床頭柜中，方便用戶隨時隨地實現充電。

智能手機的出現讓人們意識到手機不僅僅可以用來打電話發短信，還可以用來上網聊微信。隨著人們每天花在手機上的時間越來越多，各種應用以及屏幕的耗電量越來越大，手機電池的續航能力成為了一個突出的問題。特別是出門在外時，手機沒電會給人們的生活帶來各種不方便。為了以上手機充電問題，我們提出了一種適用于餐館、咖啡館、火車站、機場等室內公共場所，同時支持各類手機的共享無線充電器設計方案。

2　已有技術路線及相應技術標準

2.1　已有技術路線

早在20世紀20年代到30年代，已經有學者開始論述無線供電概念的可能性。而無線充電技術真正的突破發生在2007年，麻省理工學院的研究團隊成功將2米之外的燈泡點亮。隨著無線充電技術的不斷發展和完善，目前有兩種主流的技術路線：電磁感應式無線充電和電磁共振式無線充電。

電磁感應式無線充電與變壓器原理相同，在發送和接收端各有一個線圈，發送端線圈連接有線電源產生電磁信號，接收端線圈感應發送端的電磁信號，從而產生電流給電池充電。無線充電系統的磁場主要通過空氣進行傳遞，因而磁場傳遞效率較低。想要系統的無線充電效率達到70%以上，兩線圈之間需要靠的很近，而且線圈尺寸需要相似，兩者之間定位精確，且該技術只能支持一對一充電。

電磁共振式方案原理與聲音的共振原理相同。初級線圈和次級線圈是通過磁共振實現能量傳輸的。發射端在特定諧振頻率震蕩，將次級線圈的諧振頻率調整至和初級線圈一致，進而實現能量傳遞。電磁共振式方案的充電距離可達到45mm以上，范圍較大，不限于平面結構，同時可以實現一對多充電，接收端的次級線圈可以配置成不同尺寸以適應不同的設備功率。

2.2　已有技術標準

為了推廣無線充電技術的應用，通信運營商、半導體企業和高科技公司組成了不同的無線充電聯盟，并推出了各自的無線充電技術標準。

目前最主流的無線充電標準是WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi標準。傳統的Qi標準采用的是電磁感應式方案。Qi標準具有良好的泛用性和便捷性。從居家、汽車、到機場、咖啡館、辦公室，Qi標準支持的場景非常廣泛，一般帶有Qi標準標識的無線充電器，都能為支持Qi標準的電子設備供電。為了彌補電磁感應式方案只能一對一充電的不足，最新的Qi 1.2標準加入了對電磁共振式方案的支持，能夠實現對多裝置同時充電。

另一個無線充電聯盟Airfuel也推出了它的無線充電技術標準，包括采用電磁感應式方案的PMA標準和采用電磁共振式方案的A4WP標準。然而與Qi標準相比，Airfuel在技術上還不夠成熟，在商業上也沒有得到很好的應用。

3　我們的設計方案

我們的設計方案主要包括四個模塊：無線充電模塊、用戶交互模塊、中心控制模塊和遠端服務器模塊。各個模塊的功能說明如下：

無線充電模塊：無線充電模塊主要負責對智能手機的充電功能的實現。目前有兩種主流的無線充電技術路線：電磁感應式無線充電和電磁共振式無線充電。盡管電磁共振式無線充電方案可以支持一對多充電和更遠的充電距離，電磁感應式無線充電方案在技術和商業上更為成熟。無線充電聯盟WPC(Wireless Power Consortium)推出的Qi標準就是目前最主流的無線充電標準。在無線充電模塊中，我們也會采用支持Qi標準的無線發射線圈，從而實現對各類手機的充電支持。

用戶交互模塊：用戶交互模塊主要負責與用戶的交互功能的實現。為了讓用戶能夠簡便快捷地使用我們的無線手機充電器，我們采用了微信掃描二維碼的用戶登錄方式。用戶可以直接利用微信賬號登錄我們提供的小程序，輸入身邊的無線充電器的編號，獲取充電的權限。當用戶結束充電之后，還可以通過微信支付等方式支付相應的費用。

中心控制模塊：中心控制模塊主要負責與遠端服務器通信以及控制無線充電功能的開啟和關閉。當遠端服務器成功認證用戶身份之后，會向中心控制模塊發出相應信息。中心控制模塊收到遠端服務器發來的開始充電信息之后，會開啟無線充電功能。當遠端服務器發來停止充電信息之后，中心控制模塊會關閉無線充電功能。

遠端服務器模塊：遠端服務器模塊主要負責用戶身份的認證以及費用計算等服務。用戶利用微信賬號登錄之后，遠端服務器會查詢數據庫中用戶的相應信息。當用戶在微信小程序中點擊開始充電和停止充電按鈕之后，遠端服務器模塊會與中心控制模塊之間進行通信，開啟和關閉無線充電功能。當用戶充電完畢之后，遠端服務器也會計算相應的費用。

我們的共享無線手機充電器的使用流程如下：

（1）用戶掃描桌面上的二維碼，登錄微信小程序。

（2）用戶輸入身邊的無線充電器編號，點擊開始充電按鈕，將手機放到桌面對應的位置開始充電。

（3）充電完畢，用戶點擊停止充電按鈕。

（4）根據小程序中提示的費用，用戶利用微信支付完成相應的費用結算。

4　結論

本文回顧了目前已有的無線充電技術路線及相應技術標準，并提出了一種共享的無線手機充電器的設計方案。我們的設計方案結合了Qi無線充電標準和微信軟件的各種功能，能夠為之后的產品設計提供參考。