?無線充電技術(shù)正在快速發(fā)展

作者：貿(mào)澤電子Mark Patrick

1894年，尼古拉·特斯拉（Nikolai Tesla）在紐約的實(shí)驗(yàn)室里為充滿驚訝的觀眾展示了無線功率傳輸：跨過房間通過無線為電燈供電，仿佛是魔法一般。

雖然他的發(fā)現(xiàn)引起了極大的興趣，但在接下來的一個(gè)世紀(jì)中，無線功率傳輸仍然只局限于一些非接觸充電的小眾應(yīng)用，例如心臟起搏器電池、電動(dòng)牙刷和剃須刀等。

在大多數(shù)電子產(chǎn)品體積笨重，可移動(dòng)性差，且電池技術(shù)很落后的情況下，業(yè)界對(duì)無線充電的需求并不大。但隨著體積小巧、功能強(qiáng)大且永遠(yuǎn)在線的移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)，終于為無線充電創(chuàng)造了真正的應(yīng)用需求，而特斯拉的發(fā)明也重新得到人們的關(guān)注。

無線充電的優(yōu)勢(shì)

無線充電為用戶提供的便利性顯而易見，但其優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)不只是避免了使用電纜帶來的麻煩，由于無線充電有望使設(shè)備制造商最終去除所有的外部連接器，這種無線技術(shù)能夠使設(shè)備更便宜、更輕薄和更可靠。連接器插座有許多缺點(diǎn)，容易受到污垢和水等污染，易招致物理損壞，且占用空間，影響產(chǎn)品的美觀性，并增加制造成本。

可以說，目前手機(jī)上仍然保留一個(gè)USB或類似連接器的真正重要原因是處于供電考慮，而不是數(shù)據(jù)。蘋果在最近發(fā)布的iPhone手機(jī)上一個(gè)有爭(zhēng)議的決定是去除耳機(jī)插孔，這似乎是一個(gè)警告，預(yù)示著其他常見移動(dòng)設(shè)備連接器消失的時(shí)間也指日可待。

無線充電的原理

目前大多數(shù)無線充電技術(shù)都依賴于磁感應(yīng)原理。簡(jiǎn)單地說，這種技術(shù)將變壓器一側(cè)的線圈放置在設(shè)備中，而變壓器的另一側(cè)線圈則放置在充電器中。當(dāng)兩個(gè)線圈非?？拷谝黄饡r(shí)，充電器可以產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，并在耦合的設(shè)備中感應(yīng)出一個(gè)電流。這是一種近場(chǎng)非輻射技術(shù)，其實(shí)際作用距離非常短，約為1厘米，穿透障礙的能力較差，厚度只有幾毫米多。

現(xiàn)代設(shè)備越來越多地使用諧振電感耦合，這是特斯拉在一個(gè)世紀(jì)前發(fā)明的一種技術(shù)。通過調(diào)諧兩個(gè)線圈到相同的頻率進(jìn)行諧振，能夠改善普通磁感應(yīng)的性能，這種技術(shù)改進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率，可以使實(shí)際作用距離顯著提高到幾厘米，對(duì)于阻擋材料也具有更好的穿透性，并可大大提高同時(shí)為多個(gè)設(shè)備充電的能力。

特斯拉無線充電技術(shù)的一種競(jìng)爭(zhēng)方案是電容耦合，這種技術(shù)采用類似的原理，但基于電容器而不是變壓器。盡管電容耦合的有關(guān)研究仍在繼續(xù)，但最近似乎已被基于磁感應(yīng)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭所掩蓋。此外，業(yè)界也有一些通過射頻輻射甚至超聲波等其他方法進(jìn)行無線功率輸送的研發(fā)。

一般來說，在一個(gè)可充電設(shè)備放置在有效作用范圍內(nèi)時(shí)，高效且方便的充電系統(tǒng)必須能夠檢測(cè)到其存在，這樣可以避免浪費(fèi)電能并將功率有效地導(dǎo)向一個(gè)或多個(gè)設(shè)備。此外，充電器還需要能夠檢測(cè)到其他干擾性的金屬物體（如珠寶、鑰匙和不兼容設(shè)備），并避免向其提供無線功率，從而避免使其加熱和損壞（實(shí)際上，磁感應(yīng)式廚房電磁爐即是利用相關(guān)原理來烹調(diào)食物）。感應(yīng)裝置可以通過定期以較低的功率“掃描”其附近，并通過使用多個(gè)線圈以確定方向來實(shí)現(xiàn)上述這些目標(biāo)。實(shí)際上，現(xiàn)代通用無線充電規(guī)范包括了雙向數(shù)據(jù)傳輸，能夠與其客戶端設(shè)備進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)最佳的充電效果和安全性。

無線充電標(biāo)準(zhǔn)

幾年來，移動(dòng)設(shè)備的無線充電一直是不同競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)之間的混戰(zhàn)，但這場(chǎng)爭(zhēng)斗似乎已接近尾聲。在過去的三年中，Qi標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為移動(dòng)設(shè)備無線充電的明顯領(lǐng)導(dǎo)者，該標(biāo)準(zhǔn)由無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC）開發(fā)和推廣，該聯(lián)盟的成員包括三星、高通、德州儀器、蘋果、索尼、LG、飛利浦和博世等為數(shù)眾多的重要技術(shù)公司。

去年，蘋果通過在iPhone 8和iPhone X中整合Qi標(biāo)準(zhǔn)，顯示出對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)非常有影響力的支持，這是蘋果公司早先不愿意采用無線充電方案的逆轉(zhuǎn)。宜家（Ikea）通過在一系列家具和臺(tái)燈上內(nèi)置無線充電器，也展現(xiàn)了對(duì)于Qi標(biāo)準(zhǔn)的支持，這些產(chǎn)品已推出大約三年。汽車制造商現(xiàn)在也在將充電器集成到汽車。

Qi標(biāo)準(zhǔn)的最新版本是基于諧振電感耦合技術(shù)。目前大多數(shù)設(shè)備都使用Qi低功率規(guī)范，可提供高達(dá)5W的功率，適于為手機(jī)、智能手表、可穿戴設(shè)備和其他小型設(shè)備充電。目前用于Qi新一代中等功率規(guī)范的設(shè)備也可以提供，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)15W的功率，具有更快的充電速度，適用于筆記本電腦等較大的設(shè)備充電。Qi標(biāo)準(zhǔn)的更高功率標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)中，能夠提供120W到1kW的功率。

蘋果公司的AirPower技術(shù)雖然在2018年之前不會(huì)發(fā)布，但這種技術(shù)似乎是Qi標(biāo)準(zhǔn)的延伸，其主要改進(jìn)是能夠同時(shí)為三個(gè)設(shè)備充電。該技術(shù)巨頭正在游說將AirPower技術(shù)提升為主流Qi標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

Qi標(biāo)準(zhǔn)最突出的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來自AirFuel聯(lián)盟（AirFuel Alliance），這是2015年無線功率聯(lián)盟（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）合并成立的新組織，該組織的技術(shù)包括Rezence（磁共振充電技術(shù)）和PMA（感應(yīng)充電）標(biāo)準(zhǔn)。然而，盡管兩個(gè)機(jī)構(gòu)已經(jīng)合并，AirFuel聯(lián)盟在無線充電市場(chǎng)與WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)的競(jìng)爭(zhēng)中似乎已經(jīng)接近認(rèn)輸。例如，該組織中的聯(lián)合創(chuàng)始企業(yè)和其中最知名的制造商Powermat Technologies最近宣布，其新款充電器將獲得軟件升級(jí)以支持Qi標(biāo)準(zhǔn)。Powermat在美國(guó)的零售行業(yè)拓展方面取得了成功，其充電墊被安裝在眾多的星巴克咖啡店和其他場(chǎng)合。

未來需要的工作

盡管無線充電與有線充電相比具有許多優(yōu)勢(shì)，但值得關(guān)注的是在幾個(gè)領(lǐng)域內(nèi)無線充電仍有改進(jìn)的空間。毫不奇怪，無線充電的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有線連接，典型的功率損耗約為20％至40％，至少對(duì)于低功率的移動(dòng)設(shè)備而言，這些損耗導(dǎo)致的成本可以忽略不計(jì)，并且未來還有進(jìn)一步提高效率的可能。

與人們的直覺相反，目前的無線充電技術(shù)可能無法在各種情況下都能夠提高易用性。例如，平放在固定充電板上的手機(jī)可能不便于操作，而連接到充電纜線的手機(jī)則可以比較容易地邊充電邊使用，這個(gè)問題可以通過進(jìn)一步改進(jìn)諧振感應(yīng)技術(shù)來解決。初創(chuàng)公司Pi Inc.最近演示了一項(xiàng)令人印象深刻的波束成形無線充電技術(shù)，該技術(shù)與Qi標(biāo)準(zhǔn)兼容，它的充電器允許多個(gè)設(shè)備在30厘米距離范圍內(nèi)同時(shí)充電。

雖然無線充電技術(shù)通過取代笨拙的外部插座為制造商提供了巨大的利好，但也確實(shí)帶來了更多需要考慮的因素。支持無線充電的手機(jī)通常需要采用玻璃或塑料背殼，因?yàn)榻饘偻鈿?huì)嚴(yán)重降低無線充電性能。但非金屬外殼還有另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即能夠使近場(chǎng)通信（NFC）等無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有更好的性能。

總體來說，無線充電的缺點(diǎn)都是相對(duì)微不足道的，隨著實(shí)現(xiàn)更高的功率水平和充電器功能的其他進(jìn)步，通過增加無線充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并且隨著用戶對(duì)無線充電技術(shù)的更加熟悉而導(dǎo)致使用習(xí)慣的改變，這些缺點(diǎn)很可能得到解決。120年后，特斯拉的愿景正在成為現(xiàn)實(shí)。