基于无线充电技术的GPS终端自动开机方案

引言

无线充电技术(wireless charging technology)，是指具有电池的装置利用电磁感应原理及相关的交流感应技术，在发送和接收端用相应的线圈来发送和接收产生感应的交流信号以进行充电的一项技术，源于无线电力输送技术。从19世纪30年代，迈克尔·法拉第发现电磁感应现象，到1890年，尼古拉·特斯拉提出无线电力传输和试验的构想，再到21世纪，无线充电技术经历了100多年的发展。随着新领域的应用，其研究日益增多，多个研究机构和公司发布了他们的研究成果和相关产品。

无线充电技术可以免除充电连接器，实现充电器端口统一化，不受插座和线缆束缚，易于实现密封和防水，在很多场景得到广泛的应用。但由于还存在着效率低、安全性较差、能耗高、使用不便、价格不菲等问题，目前无线充电产品还没有被大规模地使用，没有真正在市场上形成气候。无线充电技术面临着很多挑战，同时也富有很多机遇，在一些特殊的领域具有特殊的用武之地，如医用植入设备、动物无线定位，以及需要防水和密封的产品等等。

由于工作环境苛刻，全天候工作，风雨无阻，特殊的产品在特殊的运用场合需要密封和防水，所以整个外壳结构没有留下充电插口，没有开机键，没有显示灯等任何机械接口。在这种情形下，采用无线充电才能解决其密封和防水问题。没有开机键，如何让设备开机，也成为一个问题。本文设计了一款便携式GPS定位终端，巧妙地运用无线充电方式，设计无线充电接收电路以及自动开机电路，结合软件控制，既保障了设备的密封和防水，又实现了对设备的充电和设备的自动开机。

1 基于无线充电的自动开机方案

便携式GPS定位终端可用于目标体(人员或车辆)的定位及跟踪，并具有GSM实时上报定位信息的功能。整个终端设备包括主控制单元ARM7核、GSM无线RF射频模块、电源管理模块PMU，以及GPS接收定位模块，其中主控制单元ARM7核和GSM无线RF射频模块采用单芯片MTK6252 GSM模块，总体架构如图1所示。GPS接收模块通过串口把定位数据传送给ARM 7，并通过SMS短信的方式发送给后台。
 

图1：便携定位终端总价架构

 
GPS定位终端用锂离子电池供电，需要不定期进行充电，不得不留下充电插口，这就很难实现具有防水性能的密封工艺。为了实现密封和防水，采用无线充电方式，设备外壳上可以没有金属接点或者开口。
另外，为了达到防水目的，本设计没有任何外接接口和按键等，因此需要为终端设备添加自动开机功能。MTK6252有几种不同的开机方式(VBAT≥3.2 V时)：最常用的按开机键拉低PWRKEY(PWRON)开机方式;RTC闹钟到时开机;拉高PWRBB开机;充电开机方式，在充电口CHRIN上插上有效的电源，使系统开机。
 

图2：无线充电自动开机方案

 
综合这几种开机方式，结合产品的实际结构和实际使用情况，最理想的方式是充电开机，又由于要求产品防水，适宜采用无线充电，故确定开机方式是基于无线充电、结合软件控制的自动开机方式。具体方案如图2所示，无线充电接收端连接到MTK6252芯片PMU部分的VCHARG引脚，为设备进行无线充电，同时通过软件设置控制使整个系统开机。

2 基于无线充电的自动开机详细设计

目前主流的无线充电标准有Power Matters Alliance(PMA)标准、Qi标准和Alliance for Wireless Power(A4WP)标准。从具体的技术原理及解决方案来说，有电磁感应式、磁共振式和无线电波式3种基本方式，分别适用于近程、中短程和远程电力传送。当前最为常见、应用最为广泛的是基于电磁感应式的Qi标准。发送和接收端各有一个线圈，在发送端初级线圈上通一定频率的交流电，变化电场产生变化的磁场，通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从发送端转移到接收端;传输功率在5 W以下，传输距离为数mm～数cm，适合短距离无线充电，转换效率较高。

根据设备实际使用的情况，包括设备的功率、无线充电发射与接收距离、转换效率等，选用Qi标准的电磁感应式无线充电方案，具体采用TI的BQ51013A作为无线充电接收端芯片;接收端线圈尺寸为34×29×0.4 mm3，电感为11.5μH，直流电阻最大为250 mΩ，电流最大为2 A。

TI的BQ51013A是一款适用于便携式应用无线电源传输的集成型高级接收器IC，符合WPC Qi标准的接收器，4.5×3.5 mm2的QFN封装，可用于手机、耳机、数码摄像机等便携设备的无线充电。具体的无线充电和自动开机连接电路原理图如图3所示。
 

图3：无线充电与自动开机电路原理图

 
当需要开机时，设备用无线方式进行充电，让设备在充电发射板上进行几秒钟的充电动作。若电池电压Vbat<3.2 V，通过芯片内部PMU硬件控制进行涓脉电流充电(电流为几个mA)。充电至3.2 V时，芯片内ROM程序启动，进入开机控制程序，并检测Vbat是否大于某一设定开机电压值。此值可以根据实际情况软件设定：若过低如3.3 V，可能导致开机不稳定、不成功;若过高，则充电开机时间太长;本设计选择3.5V电压，若高于3.5 V，则软件开机，执行初始化系统、GSM找网询网、配置GPS模块等操作。具体的开机流程见图4。
 

图4：开机流程图

 
3 制作和测试分析

根据原理图所示设计PCB，经过PCB印制电路板制作，并进行SMT，得到无线充电接收模块，如图5(a)所示。尺寸为50×32×1.0 mm3。与GPS定位主板组装后，形成便携式防水设备，整机尺寸为85×55×35 mm3。把设备放于无线充电发射端上，进行无线充电与自动开机测试，如图5(b)所示，下方白色底座是无线充电发射端，上方黑色小盒是防水GPS终端设备。
 

图5：无线充电接收模块

 
经过测试，通过UART串口获得设备软件trace信息，如图6所示，并可得到充电电压与时间图，如图7所示。
 

图6：充电及开机各阶段trace信息

图7：充电电压与时间关系图

 
由图7可知，无线充电接收模块可以为设备进行无线充电，电流为500 mA，充电分几个阶段，涓脉电流充电阶段(Vbat<3.2 V)、正常充电阶段(Vbat>3.2 V)和正式开机充电阶段(Vbat>3.5 V)。值得注意的是，当电池电压低于3.2 V时，电池充电采用芯片PMU里的硬件静态涓脉电流充电。

预充电至3.2 V，出现trace则说明ROM软件已经启动。当电池电压大于3.5 V时，软件控制充电3 s，设备就能正常开机。

结语

基于无线充电技术，设计并实现了便携式GPS防水终端设备的无线充电和自动开机。设计制作完成的无线充电接收模块，尺寸为50×32×1.0 mm3。经过测试，无线充电接收模块能有效完成设备锂离子电池的充电，并且结合软件控制可实现设备的自动开机功能，达到预期效果，并形成实用化的产品。

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