?無線充電技術正在快速發(fā)展

作者：貿澤電子Mark Patrick

1894年，尼古拉·特斯拉（Nikolai Tesla）在紐約的實驗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)現引起了極大的興趣，但在接下來的一個世紀中，無線功率傳輸仍然只局限于一些非接觸充電的小眾應用，例如心臟起搏器電池、電動牙刷和剃須刀等。

在大多數電子產品體積笨重，可移動性差，且電池技術很落后的情況下，業(yè)界對無線充電的需求并不大。但隨著體積小巧、功能強大且永遠在線的移動設備的出現，終于為無線充電創(chuàng)造了真正的應用需求，而特斯拉的發(fā)明也重新得到人們的關注。

無線充電的優(yōu)勢

無線充電為用戶提供的便利性顯而易見，但其優(yōu)點遠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備制造商最終去除所有的外部連接器，這種無線技術能夠使設備更便宜、更輕薄和更可靠。連接器插座有許多缺點，容易受到污垢和水等污染，易招致物理損壞，且占用空間，影響產品的美觀性，并增加制造成本。

可以說，目前手機上仍然保留一個USB或類似連接器的真正重要原因是處于供電考慮，而不是數據。蘋果在最近發(fā)布的iPhone手機上一個有爭議的決定是去除耳機插孔，這似乎是一個警告，預示著其他常見移動設備連接器消失的時間也指日可待。

無線充電的原理

目前大多數無線充電技術都依賴于磁感應原理。簡單地說，這種技術將變壓器一側的線圈放置在設備中，而變壓器的另一側線圈則放置在充電器中。當兩個線圈非?？拷谝黄饡r，充電器可以產生一個磁場，并在耦合的設備中感應出一個電流。這是一種近場非輻射技術，其實際作用距離非常短，約為1厘米，穿透障礙的能力較差，厚度只有幾毫米多。

現代設備越來越多地使用諧振電感耦合，這是特斯拉在一個世紀前發(fā)明的一種技術。通過調諧兩個線圈到相同的頻率進行諧振，能夠改善普通磁感應的性能，這種技術改進能夠實現更高的效率，可以使實際作用距離顯著提高到幾厘米，對于阻擋材料也具有更好的穿透性，并可大大提高同時為多個設備充電的能力。

特斯拉無線充電技術的一種競爭方案是電容耦合，這種技術采用類似的原理，但基于電容器而不是變壓器。盡管電容耦合的有關研究仍在繼續(xù)，但最近似乎已被基于磁感應技術的發(fā)展勢頭所掩蓋。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行無線功率輸送的研發(fā)。

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

無線充電標準

幾年來，移動設備的無線充電一直是不同競爭標準之間的混戰(zhàn)，但這場爭斗似乎已接近尾聲。在過去的三年中，Qi標準已經成為移動設備無線充電的明顯領導者，該標準由無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，WPC）開發(fā)和推廣，該聯盟的成員包括三星、高通、德州儀器、蘋果、索尼、LG、飛利浦和博世等為數眾多的重要技術公司。

去年，蘋果通過在iPhone 8和iPhone X中整合Qi標準，顯示出對該標準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。宜家（Ikea）通過在一系列家具和臺燈上內置無線充電器，也展現了對于Qi標準的支持，這些產品已推出大約三年。汽車制造商現在也在將充電器集成到汽車。

Qi標準的最新版本是基于諧振電感耦合技術。目前大多數設備都使用Qi低功率規(guī)范，可提供高達5W的功率，適于為手機、智能手表、可穿戴設備和其他小型設備充電。目前用于Qi新一代中等功率規(guī)范的設備也可以提供，可實現高達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備充電。Qi標準的更高功率標準正在開發(fā)中，能夠提供120W到1kW的功率。

蘋果公司的AirPower技術雖然在2018年之前不會發(fā)布，但這種技術似乎是Qi標準的延伸，其主要改進是能夠同時為三個設備充電。該技術巨頭正在游說將AirPower技術提升為主流Qi標準的一部分。

Qi標準最突出的競爭對手來自AirFuel聯盟（AirFuel Alliance），這是2015年無線功率聯盟（A4WP）和Power Matters Alliance（PMA）合并成立的新組織，該組織的技術包括Rezence（磁共振充電技術）和PMA（感應充電）標準。然而，盡管兩個機構已經合并，AirFuel聯盟在無線充電市場與WPC Qi標準的競爭中似乎已經接近認輸。例如，該組織中的聯合創(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以支持Qi標準。Powermat在美國的零售行業(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，但值得關注的是在幾個領域內無線充電仍有改進的空間。毫不奇怪，無線充電的效率遠遠低于有線連接，典型的功率損耗約為20％至40％，至少對于低功率的移動設備而言，這些損耗導致的成本可以忽略不計，并且未來還有進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可能不便于操作，而連接到充電纜線的手機則可以比較容易地邊充電邊使用，這個問題可以通過進一步改進諧振感應技術來解決。初創(chuàng)公司Pi Inc.最近演示了一項令人印象深刻的波束成形無線充電技術，該技術與Qi標準兼容，它的充電器允許多個設備在30厘米距離范圍內同時充電。

雖然無線充電技術通過取代笨拙的外部插座為制造商提供了巨大的利好，但也確實帶來了更多需要考慮的因素。支持無線充電的手機通常需要采用玻璃或塑料背殼，因為金屬外殼會嚴重降低無線充電性能。但非金屬外殼還有另外一個優(yōu)勢，即能夠使近場通信（NFC）等無線數據傳輸技術具有更好的性能。

總體來說，無線充電的缺點都是相對微不足道的，隨著實現更高的功率水平和充電器功能的其他進步，通過增加無線充電基礎設施的建設，并且隨著用戶對無線充電技術的更加熟悉而導致使用習慣的改變，這些缺點很可能得到解決。120年后，特斯拉的愿景正在成為現實。