手機(jī)無線充電技術(shù)解析

不久前三星Galaxy S8發(fā)布，其亮點(diǎn)功能之一便是無線充電。三星Galaxy S8搭配了折疊式無線充電器，利用無線充電，三星Galaxy S8的電量能被很快充滿。但一個(gè)尷尬的事實(shí)是，無線充電仍然只是少數(shù)廠商的堅(jiān)持。不過在三星堅(jiān)持的同時(shí)，蘋果也暴露了布局無線充電的野心，兩大巨頭的不謀而合，很可能在這個(gè)尚未被重視的領(lǐng)域再次開戰(zhàn)。

這才是下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn) 無線充電技術(shù)解析

就目前手機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀來說，無線充電尚未大面積流行，沒火的原因并不是因?yàn)闊o線充電沒有搭載的必要，而是現(xiàn)階段該技術(shù)還存在諸多短板。三星的無線充電方案已經(jīng)達(dá)到了手機(jī)無線充電領(lǐng)域最為前端的水準(zhǔn)，但仍需要在技術(shù)方面得到質(zhì)的飛躍。

有消息稱，三星Galaxy S8無線充電支持Qi和PMA兩種協(xié)議，這兩種協(xié)議仍有兩大短板尚未解決——傳輸距離短，擺放位置要求嚴(yán)格，這也是阻礙無線充電流行起來的技術(shù)門檻。為何技術(shù)難點(diǎn)遲遲難以攻克，我們先要從無線充電的原理講起。

手機(jī)無線充電

無線充電的原理就是利用電磁波感應(yīng)，其過程類似于變壓器通電，在發(fā)送和接收端各有一個(gè)線圈，發(fā)送端線圈連接有線電源產(chǎn)生電磁信號(hào)，接收端線圈感應(yīng)發(fā)送端的電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流給電池充電。無線充電技術(shù)的原理研究可以追溯到19世紀(jì)30年代，科學(xué)家邁克爾?法拉第首先發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)原理，即周圍磁場的變化將使電線中產(chǎn)生電流。到了 19世紀(jì) 90年代，愛迪生光譜輻射能研究項(xiàng)目的一名助手，也是后來的科學(xué)家尼古拉?特斯拉證實(shí)了無線傳輸電波的可能性。

現(xiàn)階段無線充電存在四種不同的商用技術(shù)：電磁感應(yīng)技術(shù)、無線電波技術(shù)、電磁共振技術(shù)、電場耦合技術(shù)，主要用在手機(jī)無線充電的技術(shù)是電磁感應(yīng)技術(shù)和電磁共振技術(shù)。當(dāng)然無線供電在以后的家電，以及發(fā)展勢頭正猛的電動(dòng)汽車上也有比較廣闊的前景。一旦無線充電突破技術(shù)壁壘，在保證轉(zhuǎn)化率、安全性、易用性的同時(shí)，高效快速的充電就會(huì)像科幻小說《三體》里描述的那樣，給人類帶來生產(chǎn)力的進(jìn)一步發(fā)展。在這里，我們單說一下關(guān)乎手機(jī)充電的電磁感應(yīng)、電磁共振。

電磁感應(yīng)式充電

初級(jí)線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應(yīng)在次級(jí)線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端。目前最為常見的手機(jī)無線充電解決方案就采用了電磁感應(yīng)，手機(jī)無線充電使用的充電座和終端分別內(nèi)置了線圈，二者靠近便開始從充電座向終端供電。為提高供電效率，需要使線圈之間的位置對齊，不產(chǎn)生偏移。

電磁感應(yīng)原理（圖源：電子發(fā)燒友網(wǎng)）

現(xiàn)階段電磁感應(yīng)無線充電相對于磁場共振充電能夠擁有更高的轉(zhuǎn)化率，充電轉(zhuǎn)化率可達(dá)80％左右，目前該技術(shù)被廣泛的運(yùn)用到了手機(jī)無線充電領(lǐng)域。但這種方式的無線充電技術(shù)也存在比較明顯的弊端——傳輸距離短、位置要求嚴(yán)格。現(xiàn)階段上市的無線充電手機(jī)，都需要手機(jī)與充電板接觸才能進(jìn)行無線充電，而且對放置位置有著極為苛刻的要求。

無線充電線圈位置（圖源：rtako旗艦店官網(wǎng)）

采用這種方式的無線充電傳輸距離難以改進(jìn)，所以廠商針對其放置位置要求嚴(yán)苛的情況進(jìn)行了改良。2011年8月從事智能手機(jī)外設(shè)業(yè)務(wù)的日本Oar公司推出了名為“無線充電板”的充電座。內(nèi)置有磁鐵，可以將終端吸引到指定位置；松下于2011年6月推出的“無接點(diǎn)充電板”內(nèi)部的線圈帶有驅(qū)動(dòng)裝置，可在平面中移動(dòng)。通過自動(dòng)檢測終端放置位置，并移動(dòng)至該位置，使線圈的位置相一致，從而實(shí)現(xiàn)終端放在充電板上的任何位置均可充電；日立麥克賽爾于2011年4月上市的無線充電器“AIR VOLTAGE”內(nèi)置14個(gè)線圈，從而增加位置對準(zhǔn)的概率。但顯然這樣的改良需要更高的成本去支持。

AIR VOLTAGE（圖源：搜狐網(wǎng)）

磁場共振充電

該系統(tǒng)由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個(gè)裝置調(diào)整到相同頻率，或者說在一個(gè)特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。例如將兩個(gè)銅線圈作為共振器，發(fā)射端以10MHz頻率振動(dòng)，周圍會(huì)發(fā)散出電磁場，而接受端需要同樣以10MHz頻率振動(dòng)，才能接收到這個(gè)傳遞過來的能量。

磁場共振原理（圖源：電子發(fā)燒友網(wǎng)）

2007年6月7日，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在美國《科學(xué)》雜志的網(wǎng)站上發(fā)表了他們的研究成果。研究小組把共振運(yùn)用到電磁波的傳輸上，從而成功“抓住”了電磁波。他們利用銅制線圈作為電磁共振器，一團(tuán)線圈附在傳送電力方，另一團(tuán)在接受電力方。這項(xiàng)被他們稱為“無線電力”的技術(shù)經(jīng)過多次試驗(yàn)，已經(jīng)能成功為一個(gè)兩米外的60瓦燈泡供電。目前這項(xiàng)技術(shù)的最遠(yuǎn)輸電距離還只能達(dá)到2．7米。如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會(huì)下降。相比電磁感應(yīng)方式，利用磁場共振可延長傳輸距離。磁場共振方式不同于電磁感應(yīng)方式的另一點(diǎn)優(yōu)勢在于其無需使線圈間的位置完全吻合就可以實(shí)現(xiàn)較為高效的供電。

由于磁場共振式充電可以不受位置的嚴(yán)苛限制，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一對多充電，這種方式將成為未來手機(jī)乃至電動(dòng)汽車、家電等無線供電的發(fā)展方向。但目前需要解決的技術(shù)壁壘就是轉(zhuǎn)化率低，無法解決這個(gè)問題的話，想要讓這種方式大面積普及就得像《三體》中描述的那樣：“即使在兩個(gè)世紀(jì)前，這也是一項(xiàng)很普通的技術(shù)，之所以在當(dāng)時(shí)沒有普遍使用，是因?yàn)檫@種供電方式損耗太大，發(fā)射到空間中去的電能只有一小部分被接收使用，大部分都散失了。而在這個(gè)時(shí)代，由于可控核聚變技術(shù)的成熟，能源已經(jīng)極大地豐富了，無線供電所產(chǎn)生的損耗變得可以接受?！?/p>

另外一個(gè)需要解決的問題就是電磁輻射。當(dāng)然為手機(jī)充電這種小功率的電磁輻射還不必?fù)?dān)心，但為了滿足像電動(dòng)汽車充電這種對功率要求高的情況，發(fā)射端就必須提高電壓和頻率，從而產(chǎn)生大功率電磁波。長時(shí)間遭受電力線的磁場輻射會(huì)有害健康已是科學(xué)界的共識(shí)，大功率磁場對身體的損傷就更為嚴(yán)重，而且會(huì)對電器產(chǎn)生干擾。所以想要推廣大功率的無線充電，就要改變或者規(guī)避這些輻射。

手機(jī)無線充電標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)階段手機(jī)無線充電標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟主要有兩個(gè)，一個(gè)是WPC，一個(gè)是Airfuel。

2008年12月17日，飛利浦電子、德州儀器、國家半導(dǎo)體等幾大公司攜手組建無線充電聯(lián)盟WPC，共同制定無線充電標(biāo)準(zhǔn)Qi，以提高不同產(chǎn)品的兼容性。Qi是迄今為止全球分布范圍最廣、最普及的無線充電標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)椴捎媒y(tǒng)一的無線充電標(biāo)準(zhǔn)，所以只要是支Qi協(xié)議，來自不同廠商的產(chǎn)品無線充電功能也能通用。

Qi無線充電標(biāo)準(zhǔn)采用電磁感應(yīng)技術(shù)，所以這種無線充電標(biāo)準(zhǔn)最大的問題就是剛才提到的那些，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)需要用戶將終端對準(zhǔn)無線充電的基座，發(fā)射端與接收端精確對準(zhǔn)才能進(jìn)行充電，而且傳輸距離限制較為嚴(yán)苛。

Qi無線充電板（圖源：360圖片）

PMA無線充電標(biāo)準(zhǔn)是由Duracell Powermat公司發(fā)起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術(shù)公司Powermat合資經(jīng)營，擁有比較出色的綜合實(shí)力。推動(dòng)PMA普及的是拉動(dòng)戰(zhàn)略，即通過企業(yè)支持制造消費(fèi)者需求，星巴克在連鎖店支持這種充電技術(shù)就是一個(gè)范例。

PMA無線充電標(biāo)準(zhǔn)同樣也采用了電磁感應(yīng)技術(shù)，與Qi標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)方面的區(qū)別在于Qi使用的電磁波頻率是100－205kHz，而PMA則使用頻率為277－357kHz的電磁波。所以兼容PMA和Qi兩種無線充電協(xié)議在原理上并不存在沖突。

A4WP無線充電標(biāo)準(zhǔn)是由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat公司共同創(chuàng)建的無線充電聯(lián)盟創(chuàng)建。目標(biāo)是為包括便攜式電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等在內(nèi)的電子產(chǎn)品無線充電設(shè)備設(shè)立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)對話機(jī)制。A4WP無線充電標(biāo)準(zhǔn)采用磁場共振充原理，所以采用此標(biāo)準(zhǔn)的無線充電裝置可以擁有較為寬松的距離限制，并且可以實(shí)現(xiàn)一對多充電。

AirFuel Alliance則是PMA與A4WP融合后的產(chǎn)物。美國媒體稱，A4WP和PMA兩大陣營宣布，將相互兼容對方的無線充電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且基于兩大標(biāo)準(zhǔn)的無線充電設(shè)備，均可兼容對方標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)。

WPC也并沒有止步不前，WPC與PowerbyProxi、德州儀器簽訂了協(xié)議，預(yù)備建立屬于自己的磁共振充電解決方案，同時(shí)也吸引了包括Verizon Wireless、高通這樣的企業(yè)加入。

對于普通消費(fèi)者的我們來說，無線充電的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)然是越統(tǒng)一越好，這樣市面上的無線充電設(shè)備才能大規(guī)模的相互通用，帶來的便利也更加顯而易見。

無線充電技術(shù)或引發(fā)新一輪技術(shù)革命 未來進(jìn)入無線化時(shí)代

當(dāng)下電池技術(shù)的停滯不前，智能設(shè)備新功能新硬件的加入對電量的要求又不斷提高，這便是近幾年快速充電技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力之一。顯然，隨著技術(shù)壁壘不斷突破，手機(jī)無線充電功能將是手機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的絕佳爆點(diǎn)之一。同時(shí)，由于現(xiàn)階段存在諸如傳輸距離短、相對位置要求嚴(yán)苛的短板，手機(jī)無線充電仍有較為廣闊的發(fā)展前景?？梢钥隙ǖ氖?，一旦無線充電技術(shù)得以完備，手機(jī)無線充電功能就會(huì)大面積普及。

有消息稱，蘋果已經(jīng)與Energous公司進(jìn)行合作，共同開發(fā)了一種新型的無線充電技術(shù)WattUp（但供應(yīng)商目前似乎尚未解決機(jī)身過熱問題，供應(yīng)商目前仍在研發(fā)防止過熱的技術(shù)），WattUp沒有使用傳統(tǒng)的感應(yīng)充電線圈，而是通過安裝在主設(shè)備印刷電路板上的微型天線來傳輸電能，在4．5米距離內(nèi)都可以進(jìn)行無線充電。Energous公司此前已經(jīng)成功演示了自家WattUp系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離充電功能，而該公司的合作伙伴稱蘋果會(huì)將該系統(tǒng)加入到iPhone 8中。

如果WattUp無線充電技術(shù)能夠得到推廣，那么手機(jī)行業(yè)的無線充電現(xiàn)狀將得以改變，手機(jī)無線充電不必再局限于特定的位置與距離，而且可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)電源發(fā)射端對多臺(tái)手機(jī)的充電，如果電源發(fā)射端大面積鋪設(shè)，用戶不管是在咖啡廳、辦公室還是在地鐵、火車上，都可以讓手機(jī)隨時(shí)保持充足的電能。

無線充電大面積普及帶來的另一個(gè)好處就是新的硬件裝置和智能功能不會(huì)因?yàn)殡姵乩m(xù)航而有所妥協(xié)。比如越來越豐富的人工智能、顯示效果越來越優(yōu)秀的屏幕、AR技術(shù)的廣泛應(yīng)用等，在未來的智能手機(jī)系統(tǒng)中必將成為耗電大戶，而在理想狀態(tài)下隨時(shí)隨地的無線充電完全可以滿足這些用電需求，這就是無線充電功能或成為手機(jī)行業(yè)最佳爆發(fā)點(diǎn)的根本原因。當(dāng)然無線充電的普及還會(huì)惠及諸多用電設(shè)備，省去了為諸如智能手表、智能眼鏡這些微型用電裝置反復(fù)充電的麻煩。

當(dāng)然無線充電最直觀的好處就是無線化。當(dāng)下的電話和移動(dòng)上網(wǎng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)無線化，但電力傳輸仍未擺脫線路輸送。一旦數(shù)據(jù)線忘帶，或者手里的數(shù)據(jù)線接口與手機(jī)不匹配，當(dāng)下不僅僅作為通訊工具的手機(jī)電量不足將會(huì)成為一件十分麻煩的事情。同樣，電力傳輸無線化將會(huì)給用電的各個(gè)方面都帶來極大便利，復(fù)雜的線路問題將徹底得以解決。

一旦現(xiàn)存的技術(shù)問題得以解決，那么無線充電功能將會(huì)給手機(jī)行業(yè)乃至整個(gè)用電工具行業(yè)帶來天翻地覆的發(fā)展，人類社會(huì)將催生出下一場技術(shù)革命，無線化時(shí)代隨即到來。

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