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1、浅析手机无线充电技术一、选题背景间介随着智能手机屏幕越来越大， 功能越来越多，耗电量越来越大，手机充电也越来越频繁。 杂乱的数据线和频繁的插拔使人们对充电过程感到不胜其烦，不仅如此，频繁的插拔还容易引起手机充电接口的损坏， 因此，人们需要一种更加便捷可靠的充电方法。于是手机无线充电技术就应运而生了。 参考一种用于手机的无线充电系统设计-周娅娜，二一四年重庆大学硕士学位论文二、选题现状概述现阶段有两个主流的无线充电方案，即Po-WiFi无线充电技术和磁场耦合无线充电技术。1、低功率Po-Wifi无线充电技术Po-WiFi 是英文power over Wi-Fi的简写，直观上翻译过来就是指供电的W
2、i-Fi，而实际的意义也正是这样。此概念最初是在 2015年、由美国华盛顿大学( University of Washington; UV)的一个科研团队在开发一种利用Wi-Fi信号为手机与其他设备进行充电的技术的时候提出来的，并由他们为此项技术命名为Po-WiFi或Wi-Fi无线充电，可让低功率的电子产品在28英尺的距离内进行无线充电。这项研究计划建立在研究团队最初设计的原型基础上一一在17-20英尺范围内，利用Wi-Fi芯片组供电的免电池温度与相机传感器。从技术原理来看，透过在多个 Wi-Fi通道上投射少量的电波流量，搭载Po-WiFi技术的路由器可模拟连续传输电力，同时最大限度地减少对于
3、Wi-Fi效能的影响。参考Are smart phones in the range of WiFi charging?-EE Times, Nathan Eddy 参考Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi-Vamsi Talla, Bryce Kellogg, Benjamin Ransford, Saman Naderiparizi,Shyamnath Gollakota and Joshua R. Smith University of Washington(后文图二图三来源相同)然而目前此项技术的应用推广所遇到的限制一一正如前文所述一
4、一充电功率太低以及 充电距离太短。图一所示就是无线电充电效率和距离的关系，图二所示就是目前Po-WiFi所能提供的电压值和手机设备所需的最小阈值电压之间的关系：(puooes/spn3a)HyoQcrsepdn5101520253040302010Distance (in feet)图一：无线充电效率和距离的关系0.4minimum threshold voltage0.30.20.1lime (in ms)图二：Po-WiFi提供的电压和手机所需阈值电压的关系从图中可以看出，现阶段的Po-WiFi技术并不足以支持智能手机的充电，一方面是因为无线电能的传输收到距离的限制较大，另一方面是因为传输
5、的电压不足以驱动智能手机开始充电。2VPTipiVcpRectifierSEIKOBattery RecharginVersion |Batt ery-Free|Version .U_l Ll_MatchingNetwortiMicrocontrol ter and SensorsVinbatBQ25570图三显示的是 Po-WiFi的接收端原理电路图：图三：Po-WiFi接收端原理图结合前文所述，Po-WiFi是在基本的 WiFi高频信号（2.4GHz）中叠加入少量电波流量 信号，再在接受端通过选频回路将这些用以充电的电波流量信号提取出来，送到后续的充电回路中。图三中的 Lt和CT所组成的就
6、是所谓的选频回路（Matchi ng Network ），选出的频 率的大小由以下公式（1）给出(1)1-t Lt Ct根据原论文，为了满足后级电路的需求，同时减少信号的损耗（主要来自于电感的损耗）所以使用了 6.8H的电感和1.5pF的电容。提取出来的信号没有直接送入充电回路，而是先经过一个整流器（Rectifier ）进行整流。图示的Cpi和Di构成的电路将前级的输入信号（假设为单一频率的正弦信号VpCOSC ）进行移位，变成了 VpCOSjt Vp （目的是达到后级 DC-DC转换器的最小驱动电压），接着通过D2进行半波整流，再通过Cp2进行滤波，最后得到较好的直流电压。图四为我根据图三
7、所示的原理图进行的仿真电路图，其中的元件参数因原电路图中未涉及，故只能根据个人的主观判断给出。其中信号发生器的输入波形参数如图五所示。最后得到的波形结果如图六所示。Function generator-X.,Signal optionsFrequen 匚 y:hI VGHZDuty cyde:50%Amplitude：2vpOffset:aVise/Fflll time匚 omnnon图五：信号发生器输入波形参数图六：移位及整流滤波后的波形图这其中还有一点需要特别指出的，就是该研究团队为了达到较低的电压损失以满足后级DC-DC转换器的最小驱动电压的需要，使用了一款特殊型号的二极管一一Skywo
8、rks公司出品 的SMS7630-061二极管，下面的表一就列出了该二极管的一些主要参数：ParameterSymbolMinTypicalMaxUnitsBreakdow nVoltageVb1VTotal capacita neeCr0.2pFVideo resista neeRv500QSeries in ducta neeL S0.2nHForward voltageVf60120mF表一：SMS7630-061二极管的一些主要参数 4经过整流后的信号接下来就是通过DC-DC converter进行转换。如图三所示，这个直流直流的转换器是由两部分组成的：Battery Rechargi
9、ng Version （电池再充电版块）和Battery-Free Version （免电池版块）。根据设计，这个直流-直流转换器需要达到以下两点目标：1. 将前级得到的信号电压进一步提高到传感器所需的充电电压值上；2. 使其对不同频段的信号的输入电阻保持一个较低的恒定值。此外，该系统面临的最大挑战是所谓的“冷启动”问题：在免电池版块的设计中，所有 的硬件元件必须从0V开始升压。但是传统的直流-直流转换器却有一个非零的最小启动阈值 电压。为了解决这个问题，该团队采用了Seiko公司产的S-882Z DC-DC converter,因为该直流-直流转换器最小启动阈值电压约为300mV，在所有的类
10、似元件中是最低的，同时它还能将输出电压提高到后级传感器所需要的2.4V。SMS7630-061 by Skyworks.http:/ S-882Z Series by SEIKO. http:/www.eet- Y/PDF/S882Z_E.pdf.以上就是对该接受端电路原理的阐述。但该电路还是因为输出功率和电压过低而暂时不能应用于智能手机等较高功耗的设备上，但是根据原论文的阐述，这项技术在低功耗的传感器上还是有很广阔的应用前景的，比如作为疗养院内便携式的心电传感网络的供电模块或者公共场合摄像头的供电模块等长期存在于WiFi环境下的低功耗传感器。虽然该项技术目前还不能应用于智能手机，但无疑为智能
11、手机的无线充电技术指明了一个光明的方向，毕竟这项技术是将手机的充电和通讯完美的结合起来的一项技术，所以希望在未来能有人提出改进方案使之确确实实的应用的智能手机的无线充电上来2、磁场耦合无线充电技术上述的Po-WiFi无线充电技术截止目前还没有应用到智能手机的无线充电上来，但磁场耦合无线充电技术却已经有比较广泛的运用了。早在上世纪70年代美国就有人提出了无线充电的概念。1974年，Leon M等人就申请了一项关于如何为电动牙刷进行无线充电的专利。Roszyk, L.M.,L.A. Barnas Jr. Hand Held Battery Operated Device and Charging
12、Means ThereforeP. US Patent 3840795, 1974.该专利提出用无线供电技术为电动牙刷充电，不用牙刷的时候只需将其放置在杯座内就可以进行充电。牙刷手柄和杯座内分别包含一个电能接收装置和电能发射装置，接收装置和发射装置之间通过电磁感应耦合来传输电 能。虽然该无线充电装置的传输功率和效率都不高，但是已经能满足电动牙刷的功率要求并且能在潮湿多水的环境中实现安全、方便的充电。后来Engel David等人也提出了类似的进行无线充电的方法Engel, D., D. Giuliani,R.W. Mc Mahon. Pacing ToothbrushP. US Patent
13、5544382, 1996.。到1977年，John E. Trombly等人提出了基于电磁耦合的无线充电技 术Trombly, J.E. Electromagnetically Coupled Battery Charger. US Patent 4031449, 1977.Fernandez, J.M.,J.A. Borras. Contactless Battery Charger with Wireless Control LinkP. US，一个充电器可以通过电磁耦合的方式给一个或多个电池充电。2001年公开的Jose M.Ferna ndez等人的专利提出了带有无线通信功能的无线充
14、电器Patent 6184651, 2001.。该无线充电器除了能为电子设备的电池提供电磁感应式无线充电功能外，还实现了从发射端到接收端的单向信号传 输，从而使整个系统构成了一个负反馈的闭环控制系统，使得控制更加准确，大大提高了无线充电的效率。John Wen dell等人提出了一种无线充电器的接收端和发射端的对准方法Oglesbee, J.W. Contact less Charger with Alignment Indicator P. US Patent 7271569, 2007.可以解决充电时发射线圈与接收线圈不容易对准的问题，使充电效率提高。2005年，Lily KaLai等人提出了一种多线圈的无线充电器Cheng, L.K.L., J.W. Hay,PG.W. Beart. Contactless Power Transfer P. US Patent 6906495, 2005.。在实际应用方面，诺基亚于2012年9月首先推出了带无线充电功能的Lumia 920智能手机，一上市即受到热捧，同时诺基亚为了推广手机无线充电技术，还将该技术引用到机场、咖啡馆、茶馆等公共场所，并提供免费服务，图七所示的是旧金山某咖啡馆桌子上的无线充 电标志，用户只要将具有无线充电
