擺脫電源線 無線充電全面解析

扔掉電源線，給自己的智能手機進行無線充電。這對于許多人來說可能有點天方夜譚。但事實上，無線充電技術(shù)很快就要進入大規(guī)模的商用化，這項此前不為大眾所熟悉的技術(shù)，正悄然來到我們的面前。

老技術(shù)、新技術(shù)

以無線的方式傳輸電能，其實是一項非常古老的技術(shù)，它可以追溯到人類開始擁有電力的19世紀。當時對于電力的傳送有兩種思路，一種是以愛迪生為代表的有線派，即架設(shè)線纜用于電力的遠距離傳輸，這種方案成熟可靠，缺點是工程量巨大，并且成本高昂。還有一種就是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla，世界上第一臺交流電發(fā)電機的發(fā)明者)在19世紀末提出的無線傳輸方式，特斯拉當時構(gòu)想通過電磁感應(yīng)的方式，讓電能以大地和天空電離層為介質(zhì)進行低損耗的傳送。這項實驗據(jù)說獲得成功，但是因政治和經(jīng)濟因素被中止。無線傳輸技術(shù)后來只是被用于電信號發(fā)送領(lǐng)域，也就是信息的交流，遠距離能量傳輸從來都沒有進入實用化，雖然它在物理學上是完全可行的。

諾基亞Lumia 920智能手機可實現(xiàn)無線充電

直到一百年后的今天，這種局面才獲得改變。在電動牙刷、剃須刀等不少低功率的日用家電產(chǎn)品中，我們看到了非接觸式無線充電技術(shù)的應(yīng)用，給用戶帶來相當?shù)谋憷?。隨著無源式RFID電子標簽的實用化和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大發(fā)展，諸如隔空點亮燈泡的無線供電實驗也屢見報端，這一切都點亮了人們對“無線”未來生活的無限憧憬，科學界也不遺余力地朝著這個方向努力。

2001年5月，國際無線電力傳輸技術(shù)會議在印度洋上的法屬留尼汪島(Reunion Island, France)召開，法國國家科學研究中心的皮格努萊特(G. Pignolet)作了一個公開實驗：他利用微波技術(shù)，將電能以無線的方式傳輸，最后點亮了一個40米外的200瓦燈泡。其后，據(jù)研究者有關(guān)文章介紹2003年在島上建造的10千瓦試驗型微波輸電裝置，已開始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村(Grand-Bassin)進行點對點無線供電。

到2006年末，也有報道稱麻省理工學院在無線電力傳輸技術(shù)上獲得突破：以物理學助教授馬林·索爾賈?？藶槭椎难芯繄F隊試制出的無線供電裝置，可以點亮相隔2.1米遠的60瓦電燈泡，能量效率可達到40％，相關(guān)內(nèi)容刊登在2007年6月7日的《ScienceExpress》在線雜志上。這個“隔空點燈泡”實驗引起了歐美及全球各大媒體的極大關(guān)注。后來英特爾西雅圖實驗室的Joshua R.Smith在這一成果上進行改進研究，并將供電效率提高到75%（1米范圍內(nèi)），這樣的效率相當了不起，對于筆記本電腦、智能手機、平板這樣的設(shè)備來說已足夠優(yōu)秀，而英特爾也在2008年8月的信息技術(shù)峰會上對此作了演示。

不過，相對于大功率電能傳輸，小功率的無線充電技術(shù)更具實用價值，需要頻繁充電的智能手機是該項技術(shù)最大的受益者。在四年后的今天，我們在諾基亞Lumia 920智能手機上看到了商用級無線充電技術(shù)的身影，與此同時大量的手機廠商和外設(shè)廠商跟進，針對智能手機的無線充電技術(shù)一夜之間就進入爆發(fā)前夜。

無線充電四大“流派”

無線充電技術(shù)可以分為四種類型，第一類是通過電磁感應(yīng)“磁耦合”進行短程傳輸，它的特點是傳輸距離短、使用位置相對固定，但是能量效率較高、技術(shù)簡單，很適合作為無線充電技術(shù)使用。第二類是將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁共振”等形式傳輸，它具有較高的效率和非常好的靈活性，是目前業(yè)內(nèi)的開發(fā)重點。第三類是“電場耦合”方式，它具有體積小、發(fā)熱低和高效率的優(yōu)勢，缺點在于開發(fā)和支持者較少，不利于普及。第四類則是將電能以微波的形式無線傳送——發(fā)射到遠端的接收天線，然后通過整流、調(diào)制等處理后使用，雖然這種方式能效很低，但使用最為方便，英特爾是這項方案的支持者。

四種現(xiàn)在我們能見到的無線充電技術(shù)

1.電磁感應(yīng)方式

我們今天見到的各類無線充電技術(shù)，大多是采用電磁感應(yīng)技術(shù)，我們可以將這項技術(shù)看作是分離式的變壓器。我們知道，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的變壓器由一個磁芯和二個線圈(初級線圈、次級線圈)組成；當初級線圈兩端加上一個交變電壓時，磁芯中就會產(chǎn)生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應(yīng)一個相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。如果將發(fā)射端的線圈和接收端的線圈放在兩個分離的設(shè)備中，當電能輸入到發(fā)射端線圈時，就會產(chǎn)生一個磁場，磁場感應(yīng)到接收端的線圈、就產(chǎn)生了電流，這樣我們就構(gòu)建了一套無線電能傳輸系統(tǒng)。

電磁感應(yīng)式的原理示意

這套系統(tǒng)的主要缺陷在于，磁場隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數(shù)毫米至10厘米的范圍內(nèi)工作，加上能量是朝著四面八方發(fā)散式的，因此感應(yīng)電流遠遠小于輸入電流，能源效率并不高。但對于近距離接觸的物體這就不存在問題了。最早利用這一原理的無線充電產(chǎn)品是電動牙刷——電動牙刷由于經(jīng)常接觸到水，所以采用無接點充電方式，可使得充電接觸點不暴露在外，增強了產(chǎn)品的防水性，也可以整體水洗。在充電插座和牙刷中各有一個線圈，當牙刷放在充電座上時就有磁耦合作用，利用電磁感應(yīng)的原理來傳送電力，感應(yīng)電壓經(jīng)過整流后就可對牙刷內(nèi)部的充電電池充電。

磁共振方式對于設(shè)備具有更高的自由度，不會局限于固定的位置。

這種工作方式用在智能手機中完全可行，蘋果公司、摩托羅拉公司、LG、松下和NTT DoCoMo都在開發(fā)各自的無線充電器。理論上說，只要在充電座和手機中分別安裝發(fā)射和接收電能的線圈，就能實現(xiàn)像電動牙刷一樣的無節(jié)點充電。由此，手機的充電方式可以變得更加靈活，接口也有望得到統(tǒng)一，提高用戶使用的方便性。

[page]2.磁共振方式

與電磁感應(yīng)方式相比，磁共振技術(shù)在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持數(shù)厘米至數(shù)米的無線充電，使用上更加靈活。磁共振同樣要使用兩個規(guī)格完全匹配的線圈，一個線圈通電后產(chǎn)生磁場，另一個線圈因此共振、產(chǎn)生的電流就可以點亮燈泡或者給設(shè)備充電。除了距離較遠外，磁共振方式還可以同時對多個設(shè)備進行充電，并且對設(shè)備的位置并沒有嚴格的限制，使用靈活度在各項技術(shù)中居于榜首。在傳輸效率方面，磁共振方式可以達到40%～60%，雖然相對較低但也進入商用化沒有任何問題。

磁共振方式可以支持電動汽車等大功率設(shè)備

富士通公司在2010年對磁共振系統(tǒng)進行展示，在演示中它成功地在15厘米距離內(nèi)點亮兩個燈泡，具備良好的實用價值。除了富士通外，長野日本無線、索尼、高通、WiTricity都采取這項技術(shù)來開發(fā)自己的無線充電方案，其中WiTricity的應(yīng)用領(lǐng)域是為電動汽車無線充電。

3.電場耦合方式

日本村田制作所開發(fā)的“電場耦合”無線供電系統(tǒng)則屬于少數(shù)派，隸屬于這一體系的還包括日本的竹中工務(wù)店。電場耦合方式與“電磁感應(yīng)”及“磁共振”方式都不同，它的傳輸媒介不是磁場而是電場。

電場耦合式供電系統(tǒng)的基本電路結(jié)構(gòu)

這套系統(tǒng)包括一個送電側(cè)和受電側(cè)，前者包括兩組電極、一個振蕩器、一個放大器和一套升壓電路：Passive電極主要起接地作用，Active電極則用于產(chǎn)生電場。而振蕩器的作用則是將輸入的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，放大器和升壓電路則負責提升電壓。例如接入為5V的適配器，經(jīng)過振蕩器、放大器和升壓電路后就會產(chǎn)生一個1.5KV的高壓電，驅(qū)使Active電極產(chǎn)生一個高壓電場。而受電側(cè)也與此對應(yīng)，接收電極感應(yīng)到高壓電場，再經(jīng)過降壓電路及整流電路后、就產(chǎn)生了設(shè)備能實際使用的直流電壓。目前，村田制作所已獲得這種構(gòu)造的技術(shù)專利。

相對于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式，電場耦合方式有三大優(yōu)點：充電時設(shè)備的位置具備一定的自由度；電極可以做得很薄、更易于嵌入；電極的溫度不會顯著上升，對嵌入也相當有利。首先在位置方面，雖然它的距離無法像磁共振那樣能達到數(shù)米的長度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。我們可以看到電場耦合與電磁感應(yīng)的對比結(jié)果，電極或線圈間的錯位用dz/D（中心點距離/直徑）參數(shù)來表示，當該參數(shù)為0時，表示兩者完全重合，此時能效處于最高狀態(tài)。當該參數(shù)為1時，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時電場耦合方式只是降低了20%的能量輸入，設(shè)備依然是可以正常充電，而電磁感應(yīng)式稍有錯誤、能量效率就快速下降，錯位超過0.5時就完全無法正常工作，因此，電磁感應(yīng)式總是需要非常精確的位置匹配。

電場耦合系統(tǒng)架構(gòu)示意

電場耦合方式的第二個特點是電極可以做到非常薄，比如它可以使用厚度僅有5微米的銅箔或者鋁箔，此外對材料的形狀、材料也都不要求，透明電極、薄膜電極都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常規(guī)的形狀。這些特性決定了電場耦合技術(shù)可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手機產(chǎn)品中，這也是該技術(shù)相對于其他方案最顯著的優(yōu)點。顯而易見，若采用電場耦合技術(shù)，智能手機廠商在設(shè)計產(chǎn)品時就有很寬松的自由度，不會在充電模塊設(shè)計上遭受制肘。

第三個優(yōu)點就是電極部分的溫度并不會上升——困擾無線充電技術(shù)的一個難題就是充電時溫度較高，會導致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進而影響電池的壽命。電場耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度并不會上升，因此在內(nèi)部設(shè)計方面不必太刻意。電極部分不發(fā)熱主要得益于提高電壓，如在充電時將電壓提升到1.5kv左右，此時流過電極的電流強度只有區(qū)區(qū)數(shù)毫安，電極的發(fā)熱量就可以控制得很理想。不過美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會產(chǎn)生一定的熱量，一般會導致內(nèi)部溫度提升10～20℃左右，但電路系統(tǒng)可以被配置在較遠的位置上，以避免對內(nèi)部電池產(chǎn)生影響。

電場耦合方式具有更好的位置自由度

村田制作所目前已經(jīng)成功地開發(fā)出5瓦和10瓦充電的產(chǎn)品，并致力于實現(xiàn)小型化，制作所計劃從今年開始向市場投放小型產(chǎn)品，未來則朝著50瓦、100瓦等大功率產(chǎn)品的方向前進。

4.微波諧振方式

英特爾公司是微波諧振方式的擁護者，這項技術(shù)采用微波作為能量的傳遞信號，接收方接受到能量波以后，再經(jīng)過共振電路和整流電路將其還原為設(shè)備可用的直流電。這種方式就相當于我們常用的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)收雙方都各自擁有一個專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米級別，微波傳輸能量的能力非常強大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應(yīng)，而英特爾的微波無線充電技術(shù)，則是將微波能量轉(zhuǎn)換回電信號。

Intel無線充電技術(shù)采用微波諧振方案

微波諧振方式的缺點相當明顯，就是能量是四面八方發(fā)散的，導致其能量利用效率低得出奇，如英特爾的這套方案，供應(yīng)電力低至1瓦以下，乍一看起來實用性相當有限。而它的優(yōu)點，則是位置高度靈活，只要將設(shè)備放在充電設(shè)備附近即可，對位置的要求很低，是最符合自然的一種充電方式。我們可以看到，當設(shè)備收發(fā)雙方完全重合時，電磁感應(yīng)和微波諧振方式的能量效率都達到峰值，但電磁感應(yīng)明顯優(yōu)勝。不過隨著X-Y方向發(fā)生位移，電磁感應(yīng)方式出現(xiàn)快速的衰減，而微波諧振則要平緩得多，即便位移較大也具有相當?shù)目捎眯浴?/p>

盡管能量和效率處于較低的水平上，乍看實用價值較為有限，但作為PC業(yè)的巨頭，英特爾具有化腐朽為神奇的本領(lǐng)，而它的做法也相當巧妙：英特爾將超極本設(shè)計為無線充電的發(fā)送端，Atom Z平臺手機作為接收端，這樣只要手機放在超極本旁邊，就能夠在不知不覺中、連續(xù)不斷地充電—相信在上班時，大多數(shù)用戶都有將手機放在桌面上的習慣，此時充電工作就可以在后臺開始了。即便英特爾所用的微波諧振方式只能充入很低的電量，但在長時間的充電下，智能手機產(chǎn)品的電力幾乎將永不衰竭，至少從用戶角度上看是這樣，因為只要他攜帶著筆記本電腦、就根本不再需要關(guān)注充電問題。

諧振方案在自由度方面表現(xiàn)亦優(yōu)于電感方式

無線充電技術(shù)被英特爾提升到戰(zhàn)略性的高度，它可以起到同時推廣超極本和“Atom Z”系列X86智能手機平臺的目的——在智能手機平臺，英特爾只能算是后來者，加上X86架構(gòu)在功耗設(shè)計上的先天弱勢，外界認為英特爾機會有限，難以對ARM構(gòu)成挑戰(zhàn)。但借助無線充電技術(shù)，英特爾的超極本和Atom Z平臺都會對傳統(tǒng)商務(wù)用戶產(chǎn)生巨大的吸引力。

電磁感應(yīng)的“Qi”標準與磁共振的“WiPower”標準

無線充電技術(shù)要實現(xiàn)廣泛的商用化，設(shè)備標準化工作顯然是關(guān)鍵，畢竟智能手機及充電產(chǎn)品林林總總、數(shù)不勝數(shù)，如果沒有標準的統(tǒng)一規(guī)范，將無法在兼容方面達成一致。

第一個亮相的標準就是由無線充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium，WPC)在2010年8月推出的“Qi”標準，WPC聯(lián)盟成立于2008年，其目的是達成無線充電技術(shù)標準的統(tǒng)一，并確保任何成員公司之間的產(chǎn)品兼容性。WPC聯(lián)盟的成員目前已經(jīng)超過100多家，大量的手機廠商（摩托羅拉、諾基亞、RIM、三星、LG等）、芯片制造商（飛思卡爾、德州儀器）再到無線運營商（威瑞森無線、日本NTT DoCoMo）都是WPC的成員，在目前擁有主導地位。

WPC的標準稱為“Qi”（發(fā)音為“chee”，即中文的“氣”，代表生命力這個概念），它采用的技術(shù)方案就是傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式。在標準頒布后，第一批具有Qi無線充電功能的產(chǎn)品在2010年底率先推出，HTC、韓國LG、摩托羅拉、三星、富士通（Fujitsu）、NEC（即日本電氣）及夏普等公司也先后制造出內(nèi)置 Qi無線充電功能的智能手機產(chǎn)品，但當時業(yè)界的注意力都放在智能手機的硬件和OS上，無線充電功能一直沒有獲得真正意義上的廣泛使用。

超級本作為充電站，可以隨時隨地為智能手機充電。

造成這種情況的另一個原因就在于充電設(shè)備的滯后，在我們前面的介紹中，大家應(yīng)該清楚電磁感應(yīng)式充電最大的弊端在于對位置要求很高，對此Qi標準也明確規(guī)定了三種解決方案，分別為：可移動式線圈、多線圈和磁鐵吸引方式。

松下和三洋是可移動式線圈方案的代表者，他們將充電底座的線圈設(shè)計在一個可移動的伺服機構(gòu)上，當設(shè)備放在充電座上后，檢測機構(gòu)將位置信號及時傳送給底座的控制系統(tǒng)，然后驅(qū)動伺服機構(gòu)、將底座線圈移動到設(shè)備的正下方，使得兩個線圈高度重合。顯然，這種方案可以做到很高的能量效率，但充電底座的設(shè)計過于復雜，一旦伺服機構(gòu)無法正常工作，整個充電座便因此報廢。與這種方法不同，Maxell、Energizer的多線圈設(shè)計就比較高明，它們?yōu)槌潆娮O(shè)計了多個線圈構(gòu)成的線圈陣，當設(shè)備放在上面時，與接收端線圈重合面積最大的線圈會處于激活狀態(tài)，從而實現(xiàn)小范圍的自由放置。這套方案固然無法做到效率完美，但勝在可靠性高和成本低廉。

還有一種方法就是在底座線圈中央放置一個強磁鐵。當設(shè)備放在附近時，在磁鐵的作用下，設(shè)備上的接收線圈可以與底座線圈的位置相吻合，這也是比較討巧的一種方案，它的開發(fā)者是安利旗下的Fulton公司。

Intel的無線充電模塊具有較小的尺寸，可直接整合于主板。

Qi標準最大的問題在于成員太多，彼此都要顧及相互利益，而手機廠商又缺乏熱情——對智能手機廠商而言，支持無線充電技術(shù)會給設(shè)備開發(fā)帶來麻煩，并面臨一些諸如發(fā)熱量高、電池壽命有限的不必要風險，所以它們對于無線充電技術(shù)興趣不高。因此，在Qi標準推出之后的兩年內(nèi)，都不見手機廠商有太大的動作。直到今年9月份，諾基亞發(fā)布的Windows Phone 8平臺智能手機Lumia 920身上，我們才看到Qi標準獲得公開支持。諾基亞也為Lumia 920帶來了配套的充電板，充電板本身則采用USB接口來供電。

相比之下，配件開商對于Qi標準卻高度支持，這顯然是一塊利潤新藍海，許多設(shè)計和功能各異的充電板已經(jīng)箭在弦上。不出意外的話，我們將在一年內(nèi)看到這些產(chǎn)品大量上市。

作為智能手機業(yè)的兩大重量級巨頭，高通(Qualcomm)和三星(Samsung)對QI標準并不感冒，他們認為位置受限令該標準喪失了無線充電的方便性，這兩家公司在今年5月份宣布成立了一個名為“Alliance for Wireless Power（A4WP）”的新組織，選擇了位置自由度高、可同時充電多個產(chǎn)品的磁共振技術(shù)作為標準方案。A4WP涉及的領(lǐng)域還有汽車、家具、芯片、流通等。

A4WP將這套方案稱為“WiPower”，除了針對智能手機、筆記本電腦等設(shè)備外，它還將實現(xiàn)對電動汽車的無線充電。A4WP雖然尚未公布詳細的標準細節(jié)，但它對QI構(gòu)成的挑戰(zhàn)已顯而易見：三星是世界上最大的智能手機廠商，而高通又是最大的芯片供應(yīng)商，加上磁共振技術(shù)自身又具有顯著的優(yōu)勢，一旦進入成熟階段，將會對電磁感應(yīng)的QI標準構(gòu)成全面的挑戰(zhàn)。大概也是意識到這一點，WPC聯(lián)盟近來也開始將磁共振作為可選的標準之一，如果沒有太大意外的話，磁共振可能會成為無線充電的主導技術(shù)。

借助超極本之力：英特爾的無線充電方案

這一次，無線充電技術(shù)充當了超極本和Atom智能手機橋梁的作用。

Atom Z平臺最大的優(yōu)點在于性能強勁，最大的缺點則是功耗較高、導致電池續(xù)航力短，雖然英特爾通過領(lǐng)先的半導體工藝來降低芯片功耗，但X86架構(gòu)的先天限制讓它很難同ARM站在同一起跑線上。即便實力與ARM產(chǎn)品相同，智能手機廠商又憑什么支持Atom呢？畢竟沒有足夠大的誘惑，很難說服手機廠商改投英特爾門下。

Intel無線充電方案配備了強大的輔助軟件

無線充電技術(shù)便扮演了推動者的角色。英特爾選擇低效率的微波諧振技術(shù)，原因就在于這項技術(shù)具有最好的空間自由度，手機可以在充電設(shè)備附近任意放置，都能實現(xiàn)正常的充電任務(wù)。同時，英特爾巧妙地利用了自身在筆記本電腦上的資源，將筆記本電腦、尤其是超極本作為無線充電平臺，用戶根本無需再額外接一個USB端口的充電板，就能直接為手機充電。同時，連續(xù)不間斷充電的方式，也讓Atom平臺手機永遠不會有電力匱乏的憂慮，巧妙地彌補了該平臺耗電量稍大的不足。

英特爾計劃在2013年推出這套無線充電系統(tǒng)。日前，它已宣布與IDT（Integrated Device Technology）達成合作：IDT將在年底前出樣該共振接收器芯片，2013上半年供應(yīng)發(fā)射器IC樣片，雙方共同針對超極本、PC、智能手機以及獨立充電器等產(chǎn)品推出對應(yīng)的無線充電參考設(shè)計。根據(jù)英特爾目前的方案，整合于超極本的發(fā)射器尺寸在7cm×3cm左右，采用USB 2.0總線供電，最高提供15瓦能量，發(fā)射器一般被設(shè)計在筆記本的左側(cè)或者右側(cè)，它本身散發(fā)的熱量則由一體式的散熱器解決。

除硬件之外，英特爾還專門為此無線充電系統(tǒng)設(shè)計了配套的軟件——軟件提供了檢測充電設(shè)備、智能控制充電、設(shè)備位置校驗等功能；更為強大的是，該軟件可以控制發(fā)射端的電磁波發(fā)射范圍和方向，可以充分保證無線充電的效率。

結(jié)語

任何一種給人們帶來方便的技術(shù)，總是會受到大眾的歡迎，無線充電技術(shù)的到來，讓智能手機擺脫了最后一條線纜的羈絆，我們能預見到無線充電將會成為主流的應(yīng)用方式，傳統(tǒng)的充電線纜則會成為必要的補充。

倘若我們深入分析，便很容易在這三種流行的無線充電方式中辨明優(yōu)劣：電磁感應(yīng)體系的QI標準，固然擁有很高的能源效率，但使用不便是它的致命傷；基于磁共振的WiPower技術(shù)以其靈活的使用方式、可靠的效率以及大功率支持等方式，有望獲得更廣泛的支持。而英特爾的微波共振技術(shù)，盡管效率最低、但使用上最為方便，尤其將超極本、智能手機捆綁一體的優(yōu)勢增色不少，只要今后Atom Z平臺表現(xiàn)得不太差，在智能手機領(lǐng)域占有一席之地并不會有太大的問題。