基于無線充電技術(shù)的GPS終端自動開機設(shè)計

引言

無線充電技術(shù)(wireless charging technology)，是指具有電池的裝置利用電磁感應(yīng)原理及相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送和接收端用相應(yīng)的線圈來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號以進行充電的一項技術(shù)，源于無線電力輸送技術(shù)。從19世紀30年代，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)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(gòu)想，再到21世紀，無線充電技術(shù)經(jīng)歷了100多年的發(fā)展。隨著新領(lǐng)域的應(yīng)用，其研究日益增多，多個研究機構(gòu)和公司發(fā)布了他們的研究成果和相關(guān)產(chǎn)品。

無線充電技術(shù)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(yīng)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(shù)面臨著很多挑戰(zhàn)，同時也富有很多機遇，在一些特殊的領(lǐng)域具有特殊的用武之地，如醫(yī)用植入設(shè)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(fēng)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(jié)構(gòu)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(shè)備開機，也成為一個問題。本文設(shè)計了一款便攜式GPS定位終端，巧妙地運用無線充電方式，設(shè)計無線充電接收電路以及自動開機電路，結(jié)合軟件控制，既保障了設(shè)備的密封和防水，又實現(xiàn)了對設(shè)備的充電和設(shè)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(shè)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(gòu)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(shè)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(shè)計沒有任何外接接口和按鍵等，因此需要為終端設(shè)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(jié)合產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)備進行無線充電，同時通過軟件設(shè)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(shè)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(shù)原理及解決方案來說，有電磁感應(yīng)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(yīng)用最為廣泛的是基于電磁感應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率較高。

根據(jù)設(shè)備實際使用的情況，包括設(shè)備的功率、無線充電發(fā)射與接收距離、轉(zhuǎn)換效率等，選用Qi標準的電磁感應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)備用無線方式進行充電，讓設(shè)備在充電發(fā)射板上進行幾秒鐘的充電動作。若電池電壓Vbat3.2 V，通過芯片內(nèi)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(nèi)ROM程序啟動，進入開機控制程序，并檢測Vbat是否大于某一設(shè)定開機電壓值。此值可以根據(jù)實際情況軟件設(shè)定：若過低如3.3 V，可能導(dǎo)致開機不穩(wěn)定、不成功;若過高，則充電開機時間太長;本設(shè)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(shè)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(shè)備，整機尺寸為85×55×35 mm3。把設(shè)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(shè)備。

經(jīng)過測試，通過UART串口獲得設(shè)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(shè)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(Vbat3.2 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(yù)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(shè)備就能正常開機。

結(jié)語

基于無線充電技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了便攜式GPS防水終端設(shè)備的無線充電和自動開機。設(shè)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(shè)備鋰離子電池的充電，并且結(jié)合軟件控制可實現(xiàn)設(shè)備的自動開機功能，達到預(yù)期效果，并形成實用化的產(chǎn)品。