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，在發送和接收端用相應的線圈來發送和接收產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·法拉第發現電磁感應現象，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，無線充電技術經歷了100多年的發展。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布了他們的研究成果和相關產品。

　　無線充電技術可以免除充電連接器，實現充電器端口統一化，不受插座和線纜束縛，易于實現密封和防水，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，目前無線充電產品還沒有被大規模地使用，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，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，如醫用植入設備、動物無線定位，以及需要防水和密封的產品等等。

　　由于工作環境苛刻，全天候工作，風雨無阻，特殊的產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據傳送給ARM 7，并通過SMS短信的方式發送給后臺。

　　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，這就很難實現具有防水性能的密封工藝。為了實現密封和防水，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，使系統開機。

　　綜合這幾種開機方式，結合產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。發送和接收端各有一個線圈，在發送端初級線圈上通一定頻率的交流電，變化電場產生變化的磁場，通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從發送端轉移到接收端;傳輸功率在5 W以下，傳輸距離為數mm～數cm，適合短距離無線充電，轉換效率較高。

　　根據設備實際使用的情況，包括設備的功率、無線充電發射與接收距離、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的集成型高級接收器IC，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。此值可以根據實際情況軟件設定：若過低如3.3 V，可能導致開機不穩定、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，執行初始化系統、GSM找網詢網、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

　　根據原理圖所示設計PCB，經過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射端，上方黑色小盒是防水GPS終端設備。

　　經過測試，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里的硬件靜態涓脈電流充電。

　　預充電至3.2 V，出現trace則說明ROM軟件已經啟動。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設備的自動開機功能，達到預期效果，并形成實用化的產品。