智能設(shè)備的無線充電技術(shù)解析 - 全文

　　最近Iphone7的爆料消息層出不窮，從外形設(shè)計(jì)，接口改善，到新技術(shù)的應(yīng)用等等，而且這兩天又爆出了可信度極高的Iphone7諜照圖片。一些可靠數(shù)據(jù)顯示，Iphone7會配備雙攝像頭，取消了3.5mm耳機(jī)插孔，采用Lightning接口的數(shù)字耳機(jī)。

　　那么問題來了，只剩下一個(gè)共用接口，手機(jī)充電時(shí)想用耳機(jī)怎么辦？

　　很多人猜測Iphone7或者8會使用無線充電技術(shù)來解決充電問題。那么蘋果到底會不會配備無線充電呢？在諾基亞、三星紛紛應(yīng)用之后，手機(jī)巨頭廠商里只有蘋果還處在觀望狀態(tài)，這是不是蘋果將推出這項(xiàng)技術(shù)的契機(jī)呢？

　　Iphone7諜照、lightning接口的數(shù)字耳機(jī)

　　黑科技階段的遠(yuǎn)場技術(shù)

　　為了更好地回答這個(gè)問題，了解一些無線充電技術(shù)的知識是十分必要的。無線充電是利用看不見的“場”來充電的，根據(jù)“場”的性質(zhì)可以分為近場和遠(yuǎn)場兩大類。

　　無線充電技術(shù)分類圖

　　遠(yuǎn)場主要是通過電磁波或聲波傳遞能量，其優(yōu)勢在于能量的傳輸距離相對較遠(yuǎn)。波蘭一家名為TechNovator的公司推出的XE產(chǎn)品就是使用此種技術(shù)。XE的傳輸距離可以達(dá)到5米左右，最大可以在十多平方米的范圍內(nèi)為用電器充電。

　　TechNovator XE產(chǎn)品

　　瘋傳與蘋果合作開發(fā)無線充電的 Energous公司，也是使用電磁波傳遞能量，傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到4.75米。當(dāng)用戶走進(jìn)一間充滿“充電信號”的房間時(shí)，手機(jī)便會自動(dòng)充電。

　　Energous技術(shù)演示

　　從用戶體驗(yàn)的角度來說，遠(yuǎn)場無線充電技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，不過從技術(shù)應(yīng)用角度看來，蘋果使用此項(xiàng)技術(shù)的可能性卻非常之低。因?yàn)榇隧?xiàng)技術(shù)使用電磁波傳遞能量，電磁波的功率被增大，相應(yīng)的對人體的輻射強(qiáng)度也被增強(qiáng)。至今，Energous公司的產(chǎn)品仍無法通過美國FCC認(rèn)證，產(chǎn)品面市也更無從談起。

　　為避免輻射，不使用電磁波而使用超聲波，這是另一家美國公司Ubeam的技術(shù)方案。充電器發(fā)出具有較高能量的超聲波，接收器收到超聲波使其帶動(dòng)一個(gè)“壓電晶體”振動(dòng)，從而產(chǎn)生電流。超聲波是公認(rèn)的無輻射聲波，B超就是一種常見的超聲波應(yīng)用案例。業(yè)界也有消息曝出蘋果剛剛從Ubeam挖走了兩名硬件工程師，如果消息屬實(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也許已經(jīng)在蘋果的研發(fā)名單上。

　　Ubeam技術(shù)演示

　　那么蘋果會不會使用Ubeam的技術(shù)呢？超聲波傳遞能量的過程中，若是遇到障礙物，大量的聲波會被反彈，只有極小部分聲波能夠進(jìn)入到物體之中。手機(jī)外殼、人體等物體都會阻擋大量的超聲波，那么真正能夠進(jìn)入到手機(jī)的能量則少之又少。因此，使用超聲波無線充電的效率是極低的，如果這項(xiàng)技術(shù)沒有進(jìn)一步的發(fā)展改造，勢必會造成巨大的能量浪費(fèi)，這也與蘋果公司的理念相違背。

　　沿用多年的近場技術(shù)和難題

　　與還屬于黑科技階段的遠(yuǎn)場技術(shù)不同，鑒于效率、可用性等因素，目前市場上主要使用的無線充電技術(shù)基本都屬于近場技術(shù)。近場是利用磁場傳遞電能，其優(yōu)勢在于能量的傳輸效率高，無輻射。更進(jìn)一步，近場技術(shù)也分為兩種，分別為磁感應(yīng)和磁共振技術(shù)。

　　磁感應(yīng)技術(shù)是利用兩個(gè)線圈，一個(gè)發(fā)射（發(fā)射線圈）變化的磁場，一個(gè)接收（接收線圈）變化的磁場并將其轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。若是發(fā)射線圈尺寸和接收線圈尺寸大小相似，緊密貼合，完全對準(zhǔn)，就稱之為“強(qiáng)耦合”。強(qiáng)耦合是一種可與有線充電效率相媲美的無線充電方式，效率高達(dá)75%以上，并且漏磁現(xiàn)象和發(fā)熱量都很少。

　　強(qiáng)耦合狀態(tài)示意圖

　　美國QI無線充電標(biāo)準(zhǔn)就是使用強(qiáng)耦合技術(shù)。中國市場上90%以上的無線充電產(chǎn)品都是遵循QI標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足強(qiáng)耦合條件，在使用過程中需要做到兩點(diǎn)：

　?。?）手機(jī)放在充電器上保證兩者緊密貼合；

　?。?）手機(jī)背面的接收線圈和充電器里面的發(fā)射線圈要對準(zhǔn)。

　　不過在實(shí)際應(yīng)用中，對準(zhǔn)一直是用戶應(yīng)用中的一個(gè)大難題。充電器與手機(jī)大小不成比例，手機(jī)屏幕會擋住線圈和標(biāo)準(zhǔn)充電位置，加之產(chǎn)品使用時(shí)沒有相關(guān)的對準(zhǔn)提醒，用戶只能憑感覺進(jìn)行對準(zhǔn)放置。一旦沒有對準(zhǔn)，充電效率就會大大降低，甚至出現(xiàn)一晚上手機(jī)都沒有充滿一半電的情況，并且還會伴著手機(jī)發(fā)熱，電池?fù)p耗等弊端。

　　三星無線充電器

　　AppleWatch的無線充電技術(shù)也是同樣的強(qiáng)耦合原理。為解決充電的對準(zhǔn)問題，蘋果把充電器表面做成了弧形方便對準(zhǔn)卡位，并且使用磁鐵做配合，磁鐵的吸引力使得表盤與充電器之間自然就可以對準(zhǔn)并且緊密貼合。從用戶角度出發(fā)的極致體驗(yàn)設(shè)計(jì)，這就是蘋果的偉大之處吧。

　　AppleWatch無線充電器

　　在國內(nèi)，同樣有一家公司也在嘗試解決對準(zhǔn)與效率這個(gè)難題。這套叫做麥極客的無線充電產(chǎn)品，將接收線圈裝入到手機(jī)支架當(dāng)中，手機(jī)放到支架上，用戶很容易就可以將支架和充電器貼合對準(zhǔn)，巧妙地解決了對準(zhǔn)與效率的難題，并且他們還做到了10W以上更高功率的充電。這種實(shí)用的設(shè)計(jì)方式，尤其適合桌面充電的應(yīng)用場景，在保證了便捷的同時(shí)，還保證了充電效率。

　　麥極客無線充電器

　　磁共振技術(shù)的應(yīng)用

　　強(qiáng)耦合雖然充電效率高，但仍要貼合和對準(zhǔn)兩個(gè)動(dòng)作，用戶體驗(yàn)感比遠(yuǎn)場的技術(shù)方案差了很多。不過，一旦發(fā)射線圈和接收線圈不貼合距離變遠(yuǎn)，也不再對準(zhǔn)，那么充電效率會極具下降，這種狀態(tài)叫做磁感應(yīng)的“松耦合”狀態(tài)。

　　為了提高松耦合的效率，共振的方法就被引入進(jìn)來，發(fā)射線圈和接收線圈在一個(gè)較高頻率共振會使得能量傳輸更有效率，這種方式就叫做磁共振技術(shù)。早在1891年，尼古拉-特斯拉就將磁共振技術(shù)應(yīng)用在磁感應(yīng)的能量傳輸之中。

　　美國WiTricity公司則是最早研究磁共振技術(shù)的公司之一。2014年，該公司就對外發(fā)布了這項(xiàng)技術(shù)的原型機(jī)。如圖，利用磁共振技術(shù)，在整個(gè)綠色區(qū)域內(nèi)都可以進(jìn)行無線充電，不再需要對準(zhǔn)，且可以放置多部手機(jī)同時(shí)充電。但是為了保證充電的效率、發(fā)熱問題，手機(jī)仍需要與充電器貼合，不過這已經(jīng)大大解決了對準(zhǔn)難這個(gè)問題了。

　　WiTricity原型機(jī)

　　雖然兩年多前就發(fā)布了原型機(jī)，但直到今天，WiTricity仍然沒有發(fā)布可以商用的產(chǎn)品。根本原因在于，雖然磁共振技術(shù)提高了傳輸效率，但是其仍低于強(qiáng)耦合的傳輸效率，只有40%左右。低效率會產(chǎn)生大量的熱量，對溫度限制要求較高的用電設(shè)備來說很難應(yīng)用。更重要的是，由于發(fā)射線圈面積較大，在使用過程中會產(chǎn)生更多的電磁泄漏，EMI和EMF等官方機(jī)構(gòu)的認(rèn)證更是無法通過。因此，磁共振技術(shù)還有很多技術(shù)細(xì)節(jié)需要完善和發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)的普及也還有很遠(yuǎn)的路要走。

　　蘋果的抉擇

　　幾種技術(shù)各有千秋，而結(jié)合蘋果已經(jīng)在AppleWatch上小試牛刀，強(qiáng)耦合技術(shù)方案很可能成為蘋果最佳的選擇。

　　但是，我們注意到，還有一個(gè)最重要的變數(shù)，那就是金屬！不論是近場技術(shù)還是遠(yuǎn)場技術(shù)，金屬對場都有屏蔽和吸收作用。只要Iphone7繼續(xù)延用金屬后殼，就無法使用任何一種無線充電技術(shù)。與此同時(shí)，一家長期為Iphone提供外模框架的***公司，最近剛剛透露iphone7或Iphone8或?qū)⑥饤壗饘?，轉(zhuǎn)而使用玻璃外殼。