智能设备的无线充电技术解析

　　最近Iphone7的爆料消息层出不穷，从外形设计，接口改善，到新技术的应用等等，而且这两天又爆出了可信度极高的Iphone7谍照图片。一些可靠数据显示，Iphone7会配备双摄像头，取消了3.5mm耳机插孔，采用Lightning接口的数字耳机。

　　那么问题来了，只剩下一个共用接口，手机充电时想用耳机怎么办？

　　很多人猜测Iphone7或者8会使用无线充电技术来解决充电问题。那么苹果到底会不会配备无线充电呢？在诺基亚、三星纷纷应用之后，手机巨头厂商里只有苹果还处在观望状态，这是不是苹果将推出这项技术的契机呢？

　　Iphone7谍照、lightning接口的数字耳机

　　黑科技阶段的远场技术

　　为了更好地回答这个问题，了解一些无线充电技术的知识是十分必要的。无线充电是利用看不见的“场”来充电的，根据“场”的性质可以分为近场和远场两大类。

　　无线充电技术分类图

　　远场主要是通过电磁波或声波传递能量，其优势在于能量的传输距离相对较远。波兰一家名为TechNovator的公司推出的XE产品就是使用此种技术。XE的传输距离可以达到5米左右，最大可以在十多平方米的范围内为用电器充电。

　　TechNovator XE产品

　　疯传与苹果合作开发无线充电的 Energous公司，也是使用电磁波传递能量，传输的距离可以达到4.75米。当用户走进一间充满“充电信号”的房间时，手机便会自动充电。

　　Energous技术演示

　　从用户体验的角度来说，远场无线充电技术的优势十分明显，不过从技术应用角度看来，苹果使用此项技术的可能性却非常之低。因为此项技术使用电磁波传递能量，电磁波的功率被增大，相应的对人体的辐射强度也被增强。至今，Energous公司的产品仍无法通过美国FCC认证，产品面市也更无从谈起。

　　为避免辐射，不使用电磁波而使用超声波，这是另一家美国公司Ubeam的技术方案。充电器发出具有较高能量的超声波，接收器收到超声波使其带动一个“压电晶体”振动，从而产生电流。超声波是公认的无辐射声波，B超就是一种常见的超声波应用案例。业界也有消息曝出苹果刚刚从Ubeam挖走了两名硬件工程师，如果消息属实，这项技术也许已经在苹果的研发名单上。

　　Ubeam技术演示

　　那么苹果会不会使用Ubeam的技术呢？超声波传递能量的过程中，若是遇到障碍物，大量的声波会被反弹，只有极小部分声波能够进入到物体之中。手机外壳、人体等物体都会阻挡大量的超声波，那么真正能够进入到手机的能量则少之又少。因此，使用超声波无线充电的效率是极低的，如果这项技术没有进一步的发展改造，势必会造成巨大的能量浪费，这也与苹果公司的理念相违背。

　　沿用多年的近场技术和难题

　　与还属于黑科技阶段的远场技术不同，鉴于效率、可用性等因素，目前市场上主要使用的无线充电技术基本都属于近场技术。近场是利用磁场传递电能，其优势在于能量的传输效率高，无辐射。更进一步，近场技术也分为两种，分别为磁感应和磁共振技术。

　　磁感应技术是利用两个线圈，一个发射（发射线圈）变化的磁场，一个接收（接收线圈）变化的磁场并将其转换为电能的技术。若是发射线圈尺寸和接收线圈尺寸大小相似，紧密贴合，完全对准，就称之为“强耦合”。强耦合是一种可与有线充电效率相媲美的无线充电方式，效率高达75%以上，并且漏磁现象和发热量都很少。

　　强耦合状态示意图

　　美国QI无线充电标准就是使用强耦合技术。中国市场上90%以上的无线充电产品都是遵循QI标准。为了满足强耦合条件，在使用过程中需要做到两点：

　　（1）手机放在充电器上保证两者紧密贴合；

　　（2）手机背面的接收线圈和充电器里面的发射线圈要对准。

　　不过在实际应用中，对准一直是用户应用中的一个大难题。充电器与手机大小不成比例，手机屏幕会挡住线圈和标准充电位置，加之产品使用时没有相关的对准提醒，用户只能凭感觉进行对准放置。一旦没有对准，充电效率就会大大降低，甚至出现一晚上手机都没有充满一半电的情况，并且还会伴着手机发热，电池损耗等弊端。

　　三星无线充电器

　　AppleWatch的无线充电技术也是同样的强耦合原理。为解决充电的对准问题，苹果把充电器表面做成了弧形方便对准卡位，并且使用磁铁做配合，磁铁的吸引力使得表盘与充电器之间自然就可以对准并且紧密贴合。从用户角度出发的极致体验设计，这就是苹果的伟大之处吧。

　　AppleWatch无线充电器

　　在国内，同样有一家公司也在尝试解决对准与效率这个难题。这套叫做麦极客的无线充电产品，将接收线圈装入到手机支架当中，手机放到支架上，用户很容易就可以将支架和充电器贴合对准，巧妙地解决了对准与效率的难题，并且他们还做到了10W以上更高功率的充电。这种实用的设计方式，尤其适合桌面充电的应用场景，在保证了便捷的同时，还保证了充电效率。

　　麦极客无线充电器

　　磁共振技术的应用

　　强耦合虽然充电效率高，但仍要贴合和对准两个动作，用户体验感比远场的技术方案差了很多。不过，一旦发射线圈和接收线圈不贴合距离变远，也不再对准，那么充电效率会极具下降，这种状态叫做磁感应的“松耦合”状态。

　　为了提高松耦合的效率，共振的方法就被引入进来，发射线圈和接收线圈在一个较高频率共振会使得能量传输更有效率，这种方式就叫做磁共振技术。早在1891年，尼古拉-特斯拉就将磁共振技术应用在磁感应的能量传输之中。

　　美国WiTricity公司则是最早研究磁共振技术的公司之一。2014年，该公司就对外发布了这项技术的原型机。如图，利用磁共振技术，在整个绿色区域内都可以进行无线充电，不再需要对准，且可以放置多部手机同时充电。但是为了保证充电的效率、发热问题，手机仍需要与充电器贴合，不过这已经大大解决了对准难这个问题了。

　　WiTricity原型机

　　虽然两年多前就发布了原型机，但直到今天，WiTricity仍然没有发布可以商用的产品。根本原因在于，虽然磁共振技术提高了传输效率，但是其仍低于强耦合的传输效率，只有40%左右。低效率会产生大量的热量，对温度限制要求较高的用电设备来说很难应用。更重要的是，由于发射线圈面积较大，在使用过程中会产生更多的电磁泄漏，EMI和EMF等官方机构的认证更是无法通过。因此，磁共振技术还有很多技术细节需要完善和发展，这项技术的普及也还有很远的路要走。

　　苹果的抉择

　　几种技术各有千秋，而结合苹果已经在AppleWatch上小试牛刀，强耦合技术方案很可能成为苹果最佳的选择。

　　但是，我们注意到，还有一个最重要的变数，那就是金属！不论是近场技术还是远场技术，金属对场都有屏蔽和吸收作用。只要Iphone7继续延用金属后壳，就无法使用任何一种无线充电技术。与此同时，一家长期为Iphone提供外模框架的台湾公司，最近刚刚透露iphone7或Iphone8或将摒弃金属，转而使用玻璃外壳。