引言

　　無線充電技術（wireless charging technology），是指具有電池的裝置利用電磁感應原理及相關的交流感應技術，在發(fā)送和接收端用相應的線圈來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應的交流信號以進行充電的一項技術，源于無線電力輸送技術。從19世紀30年代，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，到1890年，尼古拉·特斯拉提出無線電力傳輸和試驗的構想，再到21世紀，無線充電技術經(jīng)歷了100多年的發(fā)展。隨著新領域的應用，其研究日益增多，多個研究機構和公司發(fā)布了他們的研究成果和相關產(chǎn)品。

　　無線充電技術可以免除充電連接器，實現(xiàn)充電器端口統(tǒng)一化，不受插座和線纜束縛，易于實現(xiàn)密封和防水，在很多場景得到廣泛的應用。但由于還存在著效率低、安全性較差、能耗高、使用不便、價格不菲等問題，目前無線充電產(chǎn)品還沒有被大規(guī)模地使用，沒有真正在市場上形成氣候。無線充電技術面臨著很多挑戰(zhàn)，同時也富有很多機遇，在一些特殊的領域具有特殊的用武之地，如醫(yī)用植入設備、動物無線定位，以及需要防水和密封的產(chǎn)品等等。

　　由于工作環(huán)境苛刻，全天候工作，風雨無阻，特殊的產(chǎn)品在特殊的運用場合需要密封和防水，所以整個外殼結構沒有留下充電插口，沒有開機鍵，沒有顯示燈等任何機械接口。在這種情形下，采用無線充電才能解決其密封和防水問題。沒有開機鍵，如何讓設備開機，也成為一個問題。本文設計了一款便攜式GPS定位終端，巧妙地運用無線充電方式，設計無線充電接收電路以及自動開機電路，結合軟件控制，既保障了設備的密封和防水，又實現(xiàn)了對設備的充電和設備的自動開機。

　　1 基于無線充電的自動開機方案

　　便攜式GPS定位終端可用于目標體（人員或車輛）的定位及跟蹤，并具有GSM實時上報定位信息的功能。整個終端設備包括主控制單元ARM7核、 GSM無線RF射頻模塊、電源管理模塊PMU，以及GPS接收定位模塊，其中主控制單元ARM7核和GSM無線RF射頻模塊采用單芯片MTK6252 GSM模塊，總體架構如圖1所示。GPS接收模塊通過串口把定位數(shù)據(jù)傳送給ARM 7，并通過SMS短信的方式發(fā)送給后臺。

　　GPS定位終端用鋰離子電池供電，需要不定期進行充電，不得不留下充電插口，這就很難實現(xiàn)具有防水性能的密封工藝。為了實現(xiàn)密封和防水，采用無線充電方式，設備外殼上可以沒有金屬接點或者開口。

　　另外，為了達到防水目的，本設計沒有任何外接接口和按鍵等，因此需要為終端設備添加自動開機功能。MTK6252有幾種不同的開機方式 （VBAT≥3.2 V時）：最常用的按開機鍵拉低PWRKEY（PWRON）開機方式;RTC鬧鐘到時開機;拉高PWRBB開機;充電開機方式，在充電口CHRIN上插上有效的電源，使系統(tǒng)開機。

　　綜合這幾種開機方式，結合產(chǎn)品的實際結構和實際使用情況，最理想的方式是充電開機，又由于要求產(chǎn)品防水，適宜采用無線充電，故確定開機方式是基于無線充電、結合軟件控制的自動開機方式。具體方案如圖2所示，無線充電接收端連接到MTK6252芯片PMU部分的VCHARG引腳，為設備進行無線充電，同時通過軟件設置控制使整個系統(tǒng)開機。

　　2 基于無線充電的自動開機詳細設計

　　目前主流的無線充電標準有Power Matters Alliance（PMA）標準、Qi標準和Alliance for Wireless Power（A4WP）標準。從具體的技術原理及解決方案來說，有電磁感應式、磁共振式和無線電波式3種基本方式，分別適用于近程、中短程和遠程電力傳送。當前最為常見、應用最為廣泛的是基于電磁感應式的Qi標準。發(fā)送和接收端各有一個線圈，在發(fā)送端初級線圈上通一定頻率的交流電，變化電場產(chǎn)生變化的磁場，通過電磁感應在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從發(fā)送端轉移到接收端;傳輸功率在5 W以下，傳輸距離為數(shù)mm～數(shù)cm，適合短距離無線充電，轉換效率較高。

　　根據(jù)設備實際使用的情況，包括設備的功率、無線充電發(fā)射與接收距離、轉換效率等，選用Qi標準的電磁感應式無線充電方案，具體采用TI的 BQ51013A作為無線充電接收端芯片;接收端線圈尺寸為34×29×0.4 mm3，電感為11.5μH，直流電阻最大為250 mΩ，電流最大為2 A。

　　TI的BQ51013A是一款適用于便攜式應用無線電源傳輸?shù)募尚透呒壗邮掌鱅C，符合WPC Qi標準的接收器，4.5×3.5 mm2的QFN封裝，可用于手機、耳機、數(shù)碼攝像機等便攜設備的無線充電。具體的無線充電和自動開機連接電路原理圖如圖3所示。

　　當需要開機時，設備用無線方式進行充電，讓設備在充電發(fā)射板上進行幾秒鐘的充電動作。若電池電壓Vbat《3.2 V，通過芯片內部PMU硬件控制進行涓脈電流充電（電流為幾個mA）。充電至3.2 V時，芯片內ROM程序啟動，進入開機控制程序，并檢測Vbat是否大于某一設定開機電壓值。此值可以根據(jù)實際情況軟件設定：若過低如3.3 V，可能導致開機不穩(wěn)定、不成功;若過高，則充電開機時間太長;本設計選擇3.5V電壓，若高于3.5 V，則軟件開機，執(zhí)行初始化系統(tǒng)、GSM找網(wǎng)詢網(wǎng)、配置GPS模塊等操作。具體的開機流程見圖4。

　　3 制作和測試分析

　　根據(jù)原理圖所示設計PCB，經(jīng)過PCB印制電路板制作，并進行SMT，得到無線充電接收模塊，如圖5（a）所示。尺寸為50×32×1.0 mm3。與GPS定位主板組裝后，形成便攜式防水設備，整機尺寸為85×55×35 mm3。把設備放于無線充電發(fā)射端上，進行無線充電與自動開機測試，如圖5（b）所示，下方白色底座是無線充電發(fā)射端，上方黑色小盒是防水GPS終端設備。

　　經(jīng)過測試，通過UART串口獲得設備軟件trace信息，如圖6所示，并可得到充電電壓與時間圖，如圖7所示。

　　由圖7可知，無線充電接收模塊可以為設備進行無線充電，電流為500 mA，充電分幾個階段，涓脈電流充電階段（Vbat《3.2 V）、正常充電階段（Vbat》3.2 V）和正式開機充電階段（Vbat》3.5 V）。值得注意的是，當電池電壓低于3.2 V時，電池充電采用芯片PMU里的硬件靜態(tài)涓脈電流充電。

　　預充電至3.2 V，出現(xiàn)trace則說明ROM軟件已經(jīng)啟動。當電池電壓大于3.5 V時，軟件控制充電3 s，設備就能正常開機。

　　結語

　　基于無線充電技術，設計并實現(xiàn)了便攜式GPS防水終端設備的無線充電和自動開機。設計制作完成的無線充電接收模塊，尺寸為50×32×1.0 mm3。經(jīng)過測試，無線充電接收模塊能有效完成設備鋰離子電池的充電，并且結合軟件控制可實現(xiàn)設備的自動開機功能，達到預期效果，并形成實用化的產(chǎn)品。