手机无线充电技术的研究
摘要：手机是用户群体最大的一个电子产品，但是由于充电器携带不便，手机无电给用户带来了很多的麻烦。本文首先分析无线充电技术中的原理，然后以手机为实验对象，将无线充电与有线充电相比较，显示出无线充电的独特优点，最后分析无线充电器的内部构造，为以后的无线充电器的开发与更新提供了理论及数据依据。
关键词：手机充电；无线充电；电磁感应
一、前言
电子信息产业的快速发展促进着各式各样的电子产品，如手机、数码相机、笔记本电脑等层出不穷。手机属于电子产品中的一个大的类别，每个手机都有其相对应的充电器，每换一部手机，原来的手机充电器就废弃了。大量旧充电器给环境的处理带来了巨大的负担，主要的原因就是手机充电器不能通用，相同品牌的不同产品之间充电器也是不兼容的。而且对于手机的使用者而言，携带手机充电器非常得不便。随着人们对于无线通讯的需求，手机技术的发展和生产成本的降低使得手机快速普及，同时支持无线充电功能的手机会更加受到人们的青睐。
在进行长途旅行时，人们一般会携带手机，但是大部分的人一般不会携带充电器，手机总是会没电，在旅途中为手机补电成为了一个难题。这时如果在汽车上装置一个无线充电的接入点，那么会给人们带来极大的方便。手机电量不足时，可以直接将手机放在无线充电器的表面就可以了，而且来电时还可以直接拿起来接听，手机无线充电给用户带来了极大的便利。
无线充电技术不会受到手机和有限充电接口匹配的限制，充电器可以检查任何处于其表面的待冲电子设备，只要满足充电的需求充电器就会发射能量给手机，手机充满电时还可以进入节点待机的状态。无线充电具有智能便捷、减少资源浪费的优点，相比较于有线充电，无线充电还具有安全性的优势，可以在潮湿的环境下使用，因为无线充电无需手机与充电器之间金属的物理连接。
无线充电技术的构架其实并不复杂，基本上也就包含了两个模块，一个是插座上的发信器，其次就是电子产品上的接收器，核心的功率传输器件是一对线圈，发射线圈与接收线圈，发射线圈集成在无线充电器里面，接收线圈集成在手机里面，只要两者的距离达到一定的范围时，能量就可以从无线充电器传输到手机上面。
二、无线充电技术的概述
1.无线充电原理
无线充电的原理主要就是两个部分，一个是电磁感应，另一个就是感应电动势。电磁感应定律其主要原理是闭合电路的一部分在磁场里做切割磁感线运动时就会产生感应电动势，有了感应电动势就能够驱动电子形成电流。通过这个原理我们给线圈提供一个不断变化的磁通量，线圈内就会产生电流，再将这部分电流整合为直流为手机充电。
换个意思就是说无线充电就是让无线充电器与待冲电子设备之间形成一个磁场，然后通过磁场携带能量来传输电力。手机与无线充电器之间没有物理接触，无线中的电压与电流都是通过磁场耦合而生成的，就是通过一对距离较近的相互耦合的电感应线圈来实现电与磁之间的转换。
感应电动势的模型可以通过下图可以看出来，线圈1集成在无线充电器端，线圈2集成在手机端，充电器端的线圈半径要大于手机端的线圈。两者之前存在一定的距离，给线圈1施加一定的正弦电流，就会在线圈2出产生一定的磁感应。
2.无线充电技术分类
无线充电技术按照原理和运作方式可以分为三种，电磁感应、无线电波以及电磁共振。
电磁感应就是利用一对线圈之间的电磁感应来实现充电技术。在发送端与接收端都有一个线圈，发送端是无线充电器端，线圈集成为初级线圈也叫做发射线圈；在手机端也有一个线圈，线圈集成为次级线圈也叫做接受线圈。当电流通过发射线圈之后，便会产生磁场，接收线圈接受了磁场就会产生电磁感应，从而产生电动势，有了电压就会产生感应电流，就可以为手机冲电。这种技术两者之间的距离需要小于1cm，用户需要将待冲设备放在无线充电器表面上充电。
无线电波由于空间巨大从而耗能高，所以使用比较少，基本原理类似于早期使用的矿山收音机。其中的微型高效接收器可以接收空间传输的无线电波。此技术由于存在巨大的空间损耗，所以一般只是使用在小功率的电子设备上，接受装置与发射装置之间的距离不能超过几米。
电磁共振传输距离比较大，实验中运用到的线圈的直径高达几十厘米，此种方法还不能商业化，因为商业化产品中使用的线圈都是几厘米的，但是尺寸过小接收端接收的功率就会降低。不过随着技术的不断更新，相信在以后的电子产品中电磁共振原理的无线充电器可以得到广泛的应用。
三、无线充电和有线充电对比
1.无线与有线充电的充电时间
根据无线充电器设计的要求，无线充电器的充电时间不能超过有线充电一小时，而且总时间不能超过4个小时。
我们对同一个手机分别进行了无线充电和有限充电直到充满，得到了充电时间。有线充电时间为110分钟，恒流电流为750mA，过程包括滴流充电、恒流充电和恒压充电。而无线充电的时间为150分钟，恒流电流为560mA，整个过程也包括滴流充电、恒流电流和恒压电流。
对此实验结果进行分析，无线充电的时间为150分，只比有线充电时间长40分钟，而且总的时间没有超过4个小时，完全符合设计的需求。
2.无线充电效率
除了对无线充电时间的测试，同时也对无线充电进行了无线充电效率测试。经过试验得出的结果是无线充电的平均效率可以达到65%，符合设计要求。最大充电效率为68.8%，虽然在滴流充电和恒压充电过程中充电效率没有达到65%，但是从总体上来看，平均充电效率基本上达到了65%。
四、无线充电控制电路
1.功率传输流程
功率传输流程可以分为充电器端控制流程、手机端控制流程和手机充电端流程。
充电器端控制流程主要包括对手机的检测、温度检测保护和发射功率等。充电器检测手机是否放置在充电器上，同时还要识别是否是手机装置，如果放置的不是手机只是普通的金属则会停止充电过程；如果接收到了无线充电器信号的反馈，就进行确认并开始充电，同时每5秒针检测手机是否被拿走，如果手机拿走则停止充电。
手机端控制流程包括线圈检测、接收功率等。手机一旦接收到无线充电器的信号时，手机需要打开控制电路并对线圈进行检测，如果线圈的位置没有问题，就会发送信号反馈给无线充电器，然后就等待无线充电器确认并传输电流给手机。手机一旦充满电，就要发送信号给无线充电器，让无线充电器停止电流传输。
手机端充电流程包括开始充电、指示灯控制、检测是否充满电和停止充电控制等。
2.硬件电路
①充电器端电路
整套充电器电流包括电源部分、线圈、存储器部分、控制电流部分以及检测电流电压部分。
电源部分是将交流电转换成直流电，并经过转换电路得到所需要的电流和电压；线圈是电流传输的核心零件，负责将电流转换成磁场并从空间中传输出去；存储部分是负责存储器充电状态和参数控制等；控制电流部分是是控制线圈电流的开关，控制输出功率的大小，检测电流和电压的指标。
②手机端电路
手机端电流包括蒸馏部分、线圈和控制电路部分，以及温度、电流和电压的检测。
控制电路为接收端的控制 中心，包含功率控制、检测温度、电流和电压的参数指标；线圈是电力传输的核心部件，负责将接收到的磁能转换为电能。
小结：无线充电器具有便于携带的优点，而且与有线充电比较起来，虽然在时间上比有线充电长，但是之间的差距并不是特别大。无线充电技术分为三类，电磁感应、无线电波和电磁共振，每种都具有自身的优点，同时还存在着一定的缺陷。三种无线充电技术随着技术的不断发展，不断解决自身的缺点，将之商业化，满足用户的需求。