無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的GPS終端自動(dòng)開(kāi)機設計

　　引言

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

　　無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)可以免除充電連接器，實(shí)現充電器端口統一化，不受插座和線(xiàn)纜束縛，易于實(shí)現密封和防水，在很多場(chǎng)景得到廣泛的應用。但由于還存在著(zhù)效率低、安全性較差、能耗高、使用不便、價(jià)格不菲等問(wèn)題，目前無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品還沒(méi)有被大規模地使用，沒(méi)有真正在市場(chǎng)上形成氣候。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)面臨著(zhù)很多挑戰，同時(shí)也富有很多機遇，在一些特殊的領(lǐng)域具有特殊的用武之地，如醫用植入設備、動(dòng)物無(wú)線(xiàn)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(fēng)雨無(wú)阻，特殊的產(chǎn)品在特殊的運用場(chǎng)合需要密封和防水，所以整個(gè)外殼結構沒(méi)有留下充電插口，沒(méi)有開(kāi)機鍵，沒(méi)有顯示燈等任何機械接口。在這種情形下，采用無(wú)線(xiàn)充電才能解決其密封和防水問(wèn)題。沒(méi)有開(kāi)機鍵，如何讓設備開(kāi)機，也成為一個(gè)問(wèn)題。本文設計了一款便攜式GPS定位終端，巧妙地運用無(wú)線(xiàn)充電方式，設計無(wú)線(xiàn)充電接收電路以及自動(dòng)開(kāi)機電路，結合軟件控制，既保障了設備的密封和防水，又實(shí)現了對設備的充電和設備的自動(dòng)開(kāi)機。

　　1 基于無(wú)線(xiàn)充電的自動(dòng)開(kāi)機方案

　　便攜式GPS定位終端可用于目標體（人員或車(chē)輛）的定位及跟蹤，并具有GSM實(shí)時(shí)上報定位信息的功能。整個(gè)終端設備包括主控制單元ARM7核、 GSM無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(guò)串口把定位數據傳送給ARM 7，并通過(guò)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(jìn)行充電，不得不留下充電插口，這就很難實(shí)現具有防水性能的密封工藝。為了實(shí)現密封和防水，采用無(wú)線(xiàn)充電方式，設備外殼上可以沒(méi)有金屬接點(diǎn)或者開(kāi)口。

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

　　綜合這幾種開(kāi)機方式，結合產(chǎn)品的實(shí)際結構和實(shí)際使用情況，最理想的方式是充電開(kāi)機，又由于要求產(chǎn)品防水，適宜采用無(wú)線(xiàn)充電，故確定開(kāi)機方式是基于無(wú)線(xiàn)充電、結合軟件控制的自動(dòng)開(kāi)機方式。具體方案如圖2所示，無(wú)線(xiàn)充電接收端連接到MTK6252芯片PMU部分的VCHARG引腳，為設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，同時(shí)通過(guò)軟件設置控制使整個(gè)系統開(kāi)機。

　　2 基于無(wú)線(xiàn)充電的自動(dòng)開(kāi)機詳細設計

　　目前主流的無(wú)線(xiàn)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(shù)原理及解決方案來(lái)說(shuō)，有電磁感應式、磁共振式和無(wú)線(xiàn)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(jiàn)、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(gè)線(xiàn)圈，在發(fā)送端初級線(xiàn)圈上通一定頻率的交流電，變化電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，通過(guò)電磁感應在次級線(xiàn)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mm～數cm，適合短距離無(wú)線(xiàn)充電，轉換效率較高。

　　根據設備實(shí)際使用的情況，包括設備的功率、無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電方案，具體采用TI的 BQ51013A作為無(wú)線(xiàn)充電接收端芯片;接收端線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電。具體的無(wú)線(xiàn)充電和自動(dòng)開(kāi)機連接電路原理圖如圖3所示。

　　當需要開(kāi)機時(shí)，設備用無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行充電，讓設備在充電發(fā)射板上進(jìn)行幾秒鐘的充電動(dòng)作。若電池電壓Vbat《3.2 V，通過(guò)芯片內部PMU硬件控制進(jìn)行涓脈電流充電（電流為幾個(gè)mA）。充電至3.2 V時(shí)，芯片內ROM程序啟動(dòng)，進(jìn)入開(kāi)機控制程序，并檢測Vbat是否大于某一設定開(kāi)機電壓值。此值可以根據實(shí)際情況軟件設定：若過(guò)低如3.3 V，可能導致開(kāi)機不穩定、不成功;若過(guò)高，則充電開(kāi)機時(shí)間太長(cháng);本設計選擇3.5V電壓，若高于3.5 V，則軟件開(kāi)機，執行初始化系統、GSM找網(wǎng)詢(xún)網(wǎng)、配置GPS模塊等操作。具體的開(kāi)機流程見(jiàn)圖4。

　　3 制作和測試分析

　　根據原理圖所示設計PCB，經(jīng)過(guò)PCB印制電路板制作，并進(jìn)行SMT，得到無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端上，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電與自動(dòng)開(kāi)機測試，如圖5（b）所示，下方白色底座是無(wú)線(xiàn)充電發(fā)射端，上方黑色小盒是防水GPS終端設備。

　　經(jīng)過(guò)測試，通過(guò)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(shí)間圖，如圖7所示。

　　由圖7可知，無(wú)線(xiàn)充電接收模塊可以為設備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，電流為500 mA，充電分幾個(gè)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(kāi)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(shí)，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trace則說(shuō)明ROM軟件已經(jīng)啟動(dòng)。當電池電壓大于3.5 V時(shí)，軟件控制充電3 s，設備就能正常開(kāi)機。

　　結語(yǔ)

　　基于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)，設計并實(shí)現了便攜式GPS防水終端設備的無(wú)線(xiàn)充電和自動(dòng)開(kāi)機。設計制作完成的無(wú)線(xiàn)充電接收模塊，尺寸為50×32×1.0 mm3。經(jīng)過(guò)測試，無(wú)線(xiàn)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(shí)現設備的自動(dòng)開(kāi)機功能，達到預期效果，并形成實(shí)用化的產(chǎn)品。