手機無線充電技術解析

不久前三星Galaxy S8發布，其亮點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。但一個尷尬的事實是，無線充電仍然只是少數廠商的堅持。不過在三星堅持的同時，蘋果也暴露了布局無線充電的野心，兩大巨頭的不謀而合，很可能在這個尚未被重視的領域再次開戰。

這才是下一個爆發點 無線充電技術解析

就目前手機行業現狀來說，無線充電尚未大面積流行，沒火的原因并不是因為無線充電沒有搭載的必要，而是現階段該技術還存在諸多短板。三星的無線充電方案已經達到了手機無線充電領域最為前端的水準，但仍需要在技術方面得到質的飛躍。

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

手機無線充電

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

現階段無線充電存在四種不同的商用技術：電磁感應技術、無線電波技術、電磁共振技術、電場耦合技術，主要用在手機無線充電的技術是電磁感應技術和電磁共振技術。當然無線供電在以后的家電，以及發展勢頭正猛的電動汽車上也有比較廣闊的前景。一旦無線充電突破技術壁壘，在保證轉化率、安全性、易用性的同時，高效快速的充電就會像科幻小說《三體》里描述的那樣，給人類帶來生產力的進一步發展。在這里，我們單說一下關乎手機充電的電磁感應、電磁共振。

電磁感應式充電

初級線圈一定頻率的交流電，通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉移到接收端。目前最為常見的手機無線充電解決方案就采用了電磁感應，手機無線充電使用的充電座和終端分別內置了線圈，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，不產生偏移。

電磁感應原理（圖源：電子發燒友網）

現階段電磁感應無線充電相對于磁場共振充電能夠擁有更高的轉化率，充電轉化率可達80％左右，目前該技術被廣泛的運用到了手機無線充電領域。但這種方式的無線充電技術也存在比較明顯的弊端——傳輸距離短、位置要求嚴格。現階段上市的無線充電手機，都需要手機與充電板接觸才能進行無線充電，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）

采用這種方式的無線充電傳輸距離難以改進，所以廠商針對其放置位置要求嚴苛的情況進行了改良。2011年8月從事智能手機外設業務的日本Oar公司推出了名為“無線充電板”的充電座。內置有磁鐵，可以將終端吸引到指定位置；松下于2011年6月推出的“無接點充電板”內部的線圈帶有驅動裝置，可在平面中移動。通過自動檢測終端放置位置，并移動至該位置，使線圈的位置相一致，從而實現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”內置14個線圈，從而增加位置對準的概率。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）

磁場共振充電

該系統由能量發送裝置和能量接收裝置組成，當兩個裝置調整到相同頻率，或者說在一個特定的頻率上共振，它們就可以交換彼此的能量。例如將兩個銅線圈作為共振器，發射端以10MHz頻率振動，周圍會發散出電磁場，而接受端需要同樣以10MHz頻率振動，才能接收到這個傳遞過來的能量。

磁場共振原理（圖源：電子發燒友網）

2007年6月7日，麻省理工學院的研究團隊在美國《科學》雜志的網站上發表了他們的研究成果。研究小組把共振運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，一團線圈附在傳送電力方，另一團在接受電力方。這項被他們稱為“無線電力”的技術經過多次試驗，已經能成功為一個兩米外的60瓦燈泡供電。目前這項技術的最遠輸電距離還只能達到2．7米。如果要縮小線圈尺寸，接收功率自然也會下降。相比電磁感應方式，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方式的另一點優勢在于其無需使線圈間的位置完全吻合就可以實現較為高效的供電。

由于磁場共振式充電可以不受位置的嚴苛限制，并且能夠實現一對多充電，這種方式將成為未來手機乃至電動汽車、家電等無線供電的發展方向。但目前需要解決的技術壁壘就是轉化率低，無法解決這個問題的話，想要讓這種方式大面積普及就得像《三體》中描述的那樣：“即使在兩個世紀前，這也是一項很普通的技術，之所以在當時沒有普遍使用，是因為這種供電方式損耗太大，發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。而在這個時代，由于可控核聚變技術的成熟，能源已經極大地豐富了，無線供電所產生的損耗變得可以接受。”

另外一個需要解決的問題就是電磁輻射。當然為手機充電這種小功率的電磁輻射還不必擔心，但為了滿足像電動汽車充電這種對功率要求高的情況，發射端就必須提高電壓和頻率，從而產生大功率電磁波。長時間遭受電力線的磁場輻射會有害健康已是科學界的共識，大功率磁場對身體的損傷就更為嚴重，而且會對電器產生干擾。所以想要推廣大功率的無線充電，就要改變或者規避這些輻射。

手機無線充電標準

現階段手機無線充電標準聯盟主要有兩個，一個是WPC，一個是Airfuel。

2008年12月17日，飛利浦電子、德州儀器、國家半導體等幾大公司攜手組建無線充電聯盟WPC，共同制定無線充電標準Qi，以提高不同產品的兼容性。Qi是迄今為止全球分布范圍最廣、最普及的無線充電標準。因為采用統一的無線充電標準，所以只要是支Qi協議，來自不同廠商的產品無線充電功能也能通用。

Qi無線充電標準采用電磁感應技術，所以這種無線充電標準最大的問題就是剛才提到的那些，其技術實現需要用戶將終端對準無線充電的基座，發射端與接收端精確對準才能進行充電，而且傳輸距離限制較為嚴苛。

Qi無線充電板（圖源：360圖片）

PMA無線充電標準是由Duracell Powermat公司發起的，而該公司則是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營，擁有比較出色的綜合實力。推動PMA普及的是拉動戰略，即通過企業支持制造消費者需求，星巴克在連鎖店支持這種充電技術就是一個范例。

PMA無線充電標準同樣也采用了電磁感應技術，與Qi標準在技術方面的區別在于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兩種無線充電協議在原理上并不存在沖突。

A4WP無線充電標準是由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat公司共同創建的無線充電聯盟創建。目標是為包括便攜式電子產品和電動汽車等在內的電子產品無線充電設備設立技術標準和行業對話機制。A4WP無線充電標準采用磁場共振充原理，所以采用此標準的無線充電裝置可以擁有較為寬松的距離限制，并且可以實現一對多充電。

AirFuel Alliance則是PMA與A4WP融合后的產物。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標準，并且基于兩大標準的無線充電設備，均可兼容對方標準的手機。

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

對于普通消費者的我們來說，無線充電的標準當然是越統一越好，這樣市面上的無線充電設備才能大規模的相互通用，帶來的便利也更加顯而易見。

無線充電技術或引發新一輪技術革命 未來進入無線化時代

當下電池技術的停滯不前，智能設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發展的推動力之一。顯然，隨著技術壁壘不斷突破，手機無線充電功能將是手機產業發展的絕佳爆點之一。同時，由于現階段存在諸如傳輸距離短、相對位置要求嚴苛的短板，手機無線充電仍有較為廣闊的發展前景。可以肯定的是，一旦無線充電技術得以完備，手機無線充電功能就會大面積普及。

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

如果WattUp無線充電技術能夠得到推廣，那么手機行業的無線充電現狀將得以改變，手機無線充電不必再局限于特定的位置與距離，而且可以實現一個電源發射端對多臺手機的充電，如果電源發射端大面積鋪設，用戶不管是在咖啡廳、辦公室還是在地鐵、火車上，都可以讓手機隨時保持充足的電能。

無線充電大面積普及帶來的另一個好處就是新的硬件裝置和智能功能不會因為電池續航而有所妥協。比如越來越豐富的人工智能、顯示效果越來越優秀的屏幕、AR技術的廣泛應用等，在未來的智能手機系統中必將成為耗電大戶，而在理想狀態下隨時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行業最佳爆發點的根本原因。當然無線充電的普及還會惠及諸多用電設備，省去了為諸如智能手表、智能眼鏡這些微型用電裝置反復充電的麻煩。

當然無線充電最直觀的好處就是無線化。當下的電話和移動上網都已經實現無線化，但電力傳輸仍未擺脫線路輸送。一旦數據線忘帶，或者手里的數據線接口與手機不匹配，當下不僅僅作為通訊工具的手機電量不足將會成為一件十分麻煩的事情。同樣，電力傳輸無線化將會給用電的各個方面都帶來極大便利，復雜的線路問題將徹底得以解決。

一旦現存的技術問題得以解決，那么無線充電功能將會給手機行業乃至整個用電工具行業帶來天翻地覆的發展，人類社會將催生出下一場技術革命，無線化時代隨即到來。

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