智能設備的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)解析

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

　　那么問(wèn)題來(lái)了，只剩下一個(gè)共用接口，手機充電時(shí)想用耳機怎么辦？

　　很多人猜測Iphone7或者8會(huì )使用無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)來(lái)解決充電問(wèn)題。那么蘋(píng)果到底會(huì )不會(huì )配備無(wú)線(xiàn)充電呢？在諾基亞、三星紛紛應用之后，手機巨頭廠(chǎng)商里只有蘋(píng)果還處在觀(guān)望狀態(tài)，這是不是蘋(píng)果將推出這項技術(shù)的契機呢？

　　Iphone7諜照、lightning接口的數字耳機

　　黑科技階段的遠場(chǎng)技術(shù)

　　為了更好地回答這個(gè)問(wèn)題，了解一些無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的知識是十分必要的。無(wú)線(xiàn)充電是利用看不見(jiàn)的“場(chǎng)”來(lái)充電的，根據“場(chǎng)”的性質(zhì)可以分為近場(chǎng)和遠場(chǎng)兩大類(lèi)。

　　無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)分類(lèi)圖

　　遠場(chǎng)主要是通過(guò)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。波蘭一家名為T(mén)echNovator的公司推出的XE產(chǎn)品就是使用此種技術(shù)。XE的傳輸距離可以達到5米左右，最大可以在十多平方米的范圍內為用電器充電。

　　TechNovator XE產(chǎn)品

　　瘋傳與蘋(píng)果合作開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)充電的 Energous公司，也是使用電磁波傳遞能量，傳輸的距離可以達到4.75米。當用戶(hù)走進(jìn)一間充滿(mǎn)“充電信號”的房間時(shí)，手機便會(huì )自動(dòng)充電。

　　Energous技術(shù)演示

　　從用戶(hù)體驗的角度來(lái)說(shuō)，遠場(chǎng)無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，不過(guò)從技術(shù)應用角度看來(lái)，蘋(píng)果使用此項技術(shù)的可能性卻非常之低。因為此項技術(shù)使用電磁波傳遞能量，電磁波的功率被增大，相應的對人體的輻射強度也被增強。至今，Energous公司的產(chǎn)品仍無(wú)法通過(guò)美國FCC認證，產(chǎn)品面市也更無(wú)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。超聲波是公認的無(wú)輻射聲波，B超就是一種常見(jiàn)的超聲波應用案例。業(yè)界也有消息曝出蘋(píng)果剛剛從Ubeam挖走了兩名硬件工程師，如果消息屬實(shí)，這項技術(shù)也許已經(jīng)在蘋(píng)果的研發(fā)名單上。

　　Ubeam技術(shù)演示

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

　　沿用多年的近場(chǎng)技術(shù)和難題

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

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

　　強耦合狀態(tài)示意圖

　　美國QI無(wú)線(xiàn)充電標準就是使用強耦合技術(shù)。中國市場(chǎng)上90%以上的無(wú)線(xiàn)充電產(chǎn)品都是遵循QI標準。為了滿(mǎn)足強耦合條件，在使用過(guò)程中需要做到兩點(diǎn)：

　?。?）手機放在充電器上保證兩者緊密貼合；

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

　　不過(guò)在實(shí)際應用中，對準一直是用戶(hù)應用中的一個(gè)大難題。充電器與手機大小不成比例，手機屏幕會(huì )擋住線(xiàn)圈和標準充電位置，加之產(chǎn)品使用時(shí)沒(méi)有相關(guān)的對準提醒，用戶(hù)只能憑感覺(jué)進(jìn)行對準放置。一旦沒(méi)有對準，充電效率就會(huì )大大降低，甚至出現一晚上手機都沒(méi)有充滿(mǎn)一半電的情況，并且還會(huì )伴著(zhù)手機發(fā)熱，電池損耗等弊端。

　　三星無(wú)線(xiàn)充電器

　　AppleWatch的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)也是同樣的強耦合原理。為解決充電的對準問(wèn)題，蘋(píng)果把充電器表面做成了弧形方便對準卡位，并且使用磁鐵做配合，磁鐵的吸引力使得表盤(pán)與充電器之間自然就可以對準并且緊密貼合。從用戶(hù)角度出發(fā)的極致體驗設計，這就是蘋(píng)果的偉大之處吧。

　　AppleWatch無(wú)線(xiàn)充電器

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

　　麥極客無(wú)線(xiàn)充電器

　　磁共振技術(shù)的應用

　　強耦合雖然充電效率高，但仍要貼合和對準兩個(gè)動(dòng)作，用戶(hù)體驗感比遠場(chǎng)的技術(shù)方案差了很多。不過(guò)，一旦發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈不貼合距離變遠，也不再對準，那么充電效率會(huì )極具下降，這種狀態(tài)叫做磁感應的“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(lái)，發(fā)射線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈在一個(gè)較高頻率共振會(huì )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)應用在磁感應的能量傳輸之中。

　　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)布了這項技術(shù)的原型機。如圖，利用磁共振技術(shù)，在整個(gè)綠色區域內都可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，不再需要對準，且可以放置多部手機同時(shí)充電。但是為了保證充電的效率、發(fā)熱問(wèn)題，手機仍需要與充電器貼合，不過(guò)這已經(jīng)大大解決了對準難這個(gè)問(wèn)題了。

　　WiTricity原型機

　　雖然兩年多前就發(fā)布了原型機，但直到今天，WiTricity仍然沒(méi)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，但是其仍低于強耦合的傳輸效率，只有40%左右。低效率會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，對溫度限制要求較高的用電設備來(lái)說(shuō)很難應用。更重要的是，由于發(fā)射線(xiàn)圈面積較大，在使用過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生更多的電磁泄漏，EMI和EMF等官方機構的認證更是無(wú)法通過(guò)。因此，磁共振技術(shù)還有很多技術(shù)細節需要完善和發(fā)展，這項技術(shù)的普及也還有很遠的路要走。

　　蘋(píng)果的抉擇

　　幾種技術(shù)各有千秋，而結合蘋(píng)果已經(jīng)在A(yíng)ppleWatch上小試牛刀，強耦合技術(shù)方案很可能成為蘋(píng)果最佳的選擇。

　　但是，我們注意到，還有一個(gè)最重要的變數，那就是金屬！不論是近場(chǎng)技術(shù)還是遠場(chǎng)技術(shù)，金屬對場(chǎng)都有屏蔽和吸收作用。只要Iphone7繼續延用金屬后殼，就無(wú)法使用任何一種無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。與此同時(shí)，一家長(cháng)期為Iphone提供外?？蚣艿呐_灣公司，最近剛剛透露iphone7或Iphone8或將摒棄金屬，轉而使用玻璃外殼。