手機爲什麼能實現無線充電?一文解釋給你看

自從蘋果在iPhone 8和iPhone X系列身上引入無線充電之後,這種可以擺脫充電線束縛的技術就成為了高端智能手機新品的標配。那麼,無線充電真的成熟好用嗎?現階段支持該技術的新品又有哪些呢?

手機為什麼能實現無線充電?一文解釋給你看

追溯無線充電的歷史

無線充電並非什麼“黑科技”,早在19世紀30現代,名叫邁克爾•法拉的科學家就發現了電磁感應原理,即周圍磁場的變化將使電線中產生電流。時至今日,適合智能手機且相對成熟的無線電力傳輸逐漸衍生出了2種解決方案:

電磁感應式

這是目前業內使用頻率最高,普及度最廣的無線充電技術方案,其原理是法拉第電池感應定律,即給初級線圈一定頻率的交流電,通過電磁感應在次級線圈中產生一定的電流,從而將能量從傳輸端轉移到接收端。

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落實到手機身上,就是在手機後蓋內和無線充電底座內,分別嵌入接收端和發射端專用的線圈(還包括轉換和識別、電源管理等芯片),當電能輸入到發射端線圈時就會產生一個磁場,磁場感應到接收端的線圈就會產生電流實現了充電的過程。

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理論上講,傳輸端和接收端內線圈數量越多,面積越大,單位時間無線傳輸的電力就越多,對二者間距離和位置的要求也越寬鬆。

優點:成本低,技術成熟,轉換效率相對較高

缺點:充電距離太短,需對準接觸才能保證效果

磁場共振式

該方案由能量發送裝置和能量接收裝置組成,當發射端和接收端達到相同的頻率時就能產生磁場共振從而滿足能量交換,其背後原理與上學時課本中提到的軍隊集體齊步過橋時,因共振而將大橋震垮的故事有著異曲同工之妙。

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和電磁感應式相比,磁場共振式方案的有效傳輸距離更遠(支持數釐米至數米),並且能夠實現一對多充電。

磁場共振式屬於電磁感應式的“進階版”,理論上只需要在次級線圈(手機內)增加一個電容構成諧振迴路就能與充電底座上固定頻率的交流電形成共振,從而實現多設備、較遠距離的無線充電。

優點:充電距離遠,支持一對多

缺點:同時為多部設備充電會提升發熱量、轉換效率變低,提升效率則又會產生更大的電磁輻射,對安全不利

現實中,通過電場耦合、諧振、無線電波、射頻技術和紅外等方式也都可以實現電力的無線遷移,只是它們都存在效率、距離、輻射和安全性方面的問題。

從電動牙刷到智能手機

隨著電磁感應式無線充電技術的成熟,最早受益的數碼設備就要數電動牙刷了。由於電動牙刷使用時難免與水接觸,所以從很早以前就引入了無線充電概念,從而使充電接觸點不暴露在外,極大增強了產品的防水性並實現整體水洗。

實際上,智能手機與無線充電技術聯姻的時間並沒有比電動牙刷晚多少,早在2011年就被夏普旗下的SH-13C手機獵裝。

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可惜,當年無線充電屬於新概念,夏普在行業內的影響力也有限,這種“單打獨鬥”的形式不可能掀起太大的波瀾。

此外,早期無線充電技術的效率並不高,以電動牙刷為例,有些型號僅內置700mAh的電池,充滿全部電力卻也需要4個小時以上。而智能手機當年的電池容量普遍都在1500mAh以上,誰能忍受超過8小時不間斷的充電?

較低的充電效率,可能存在的各種兼容隱患,一直在制約著無線充電技術在智能手機領域大展拳腳,而這一局面直到全球第一個無線充電的國際標準“Qi”出臺才有所改善。

背靠聯盟好乘涼

2008年12月17日,由飛利浦電子、德州儀器、國家半導體等幾大公司攜手組建了“無線充電聯盟”(Wireless Power Consortium,簡稱WPC),旨在提升無線充電技術的便捷性和通用性。截止2018年4月30日,無線充電聯盟(WPC)會員已增至534家。

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2012年,由眾多參與者共同制定的無線充電標準“Qi”誕生,它攻克了無線充電“通用性”的技術瓶頸,凡是通過Qi標準認證的產品(手機和無線充電底座),它們之間可以做到相互兼容。而諾基亞旗下的Lumia 810,則有幸成為首款符合Qi標準的智能手機。

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獲得WPC聯盟認證的產品,都可在外觀或包裝上添加“Qi”字樣的Logo標識,而具有“Qi”標識的終端則可相互兼容。需要注意的是,加入WPC每年收取的會費從5000美元到25000美元不等,只有加入WPC無線充電聯盟才能獲得Qi認證。

Qi技術的標準也在不斷的升級之中,比如Qi早期制定的標準全部都是建立在電磁感應式方案的基礎上,從Qi1.2標準則開始將磁共振式方案納入其中,不僅增加了充電距離,充電功率也從7.5W提升到了最高15W。目前Qi標準的最新版本為Qi1.2.4,對發射端認證等級進行了簡化。

除了WPC推出的Qi標準以外,無線充電領域還存在以下幾種常見標準:

PMA

Power Matters Alliance標準無線充電標準是由Duracell Powermat公司發起的,而該公司則是由寶潔與無線充電技術公司Powermat合資經營,其曾可與Qi標準相互兼容。

A4WP

Alliance for Wireless Power標準是由美國高通公司、韓國三星公司以及Powermat公司共同創建的無線充電聯盟。

AirFuel Alliance

2015年,PMA和A4WP兩大無線充電標準機構宣佈合併,新聯盟也更名為AirFuel Alliance。

蘋果

蘋果曾在2012年申請了自家的無線充電專利,其通過“近場磁共振”技術可建立起一個較大範圍的充電區域,凡是支持這一技術的蘋果設備只要放置在該區域內就可進行無線充電。如無意外,蘋果在2017年隨iPhone 8系列一同發佈的AirPower“充電枕”(可以同時為iPhone、Apple Watch 3以及最新的AirPods收納盒無線充電)就是基於這一技術的試探,雖然iPhone 8等手機兼容Qi標準,但AirPower本身卻貌似僅支持蘋果設備。需要注意的是,AirPower由於發熱問題有待解決,至今也沒能正式上市。

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無線充電的體驗如何

雖然無線充電的標準有很多,但目前在手機領域還是Qi佔據了統治和主導地位,所以我們就以Qi無線充電底座(器),來看看這種設備是如何工作的吧。

Qi無線充電標準依賴於手機和充電器內兩個線圈之間的感應。受制於手機厚度和空間有限的制約,哪怕是iPhone X和三星Galaxy S9這些旗艦,其內部所集成的也僅僅是單線圈,這就決定了它們在進行無線充電時,必須與充電器零距離接觸,還需要讓手機/充電器內對應的線圈在引導位置上彼此對齊,否則就會出現無法充電或充電效率大打折扣的問題。

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因此,新款支持無線充電的手機和充電器,都會引入自由定位系統,在接收線圈的位置上集成多個合作的通量發生器,放置其上的手機會傳遞位置信息。一旦檢測到位置偏離,手機端就會彈出警告提示,提醒我們重新移動手機到指定位置。

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雖然無線充電擺脫了線纜的束縛,不用在擔心USB接口反覆插拔的劃傷和壽命問題,但充電過程中手機卻也被侷限在了充電器的一畝三分地上。期間我們不能拿起或移動手機,而無線充電的功率普遍只有5W到10W,充滿一部3000mAh電池的手機需要2.5小時到5個小時(還得是息屏狀態),其使用場景只適合晚間睡覺時、全心上課/工作時。

理性看待Qi的“兼容性”

雖然Qi為無線充電樹立了標準,讓不同品牌和型號的手機和充電器之間實現了相互兼容,但其背後其實也存在很多“不兼容”的問題。

Qi快充協議之別

打個比方,OPPO的VOOC閃充,高通的QC、聯發科的PE、華為的FCP等快充技術,它們之間的充電器和數據線也能相互兼容,進行穩定的5V/2A輸出(視手機端的輸入標準)。但是,想激活VOOC的5V/4.5A、QC3.0的12V/2A等“快充狀態”,就需要充電器、數據線和手機三方面進行協議上的匹配了,只有“握手”成功後才能滿血充電。

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Qi標準也是一樣。出於盈利或搶佔話語權的目的,各個手機品牌的無線充電技術之間也出現了多種私有協議標準,比如蘋果7.5W、小米7.5W、索尼9W、華為10W、三星10W等。只是它們都有一個共性,那就是向下兼容Qi,從而最大限度滿足設備間的通用性。

沒錯,就好像Android系統和手機間的各種快充技術,Qi無線充電標準也存在“碎片化”現象。至於手機和充電器之間是如何進行“握手識別”的,則取決於硬件和系統兩個層面。

軟硬層面的識別

先來看看系統層面的限制,蘋果原計劃是讓iPhone 8/X只有搭配自家AirPower時才能實現7.5W的無線“快充”,然而因AirPower上市無期而不得不在iOS11.2系統更新中解除了第三方授權無線充電器使用7.5W快充的禁令,而搭配其他Qi充電器時則只能享受5W的“慢充”。

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再開看看硬件層面的制約。無線充電器的PCB板上都會集成一顆無線充電控制芯片,它將決定能與多少不同型號的手機之間“握手成功”。

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以ANKER PowerWave 7.5 Pad這款產品為例,它屬於市場上極少數可以滿載充iPhone的無線充電器,原因就是集成了WP80024無線充電控制芯片,支持Qi-BPP 5W、iPhone 7.5W和三星10W等無線充電協議。

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因此,大家今後在挑選無線充電器時,要很據自己手機的具體型號和所支持的無線快充協議選擇匹配的產品,否則就只能以Qi標準的5W功率進行充電了,一下回到了10年前。

如何選擇無線充電器

目前支持無線充電的手機主要侷限在少數品牌的高端產品線,比如三星Galaxy S/Note系列(從S6往後都支持)、索尼Xperia Z4v/ZX2、華為Mate RS、小米MIX2S、堅果R1、Nokia 7 Plus/8 Sirocco、YOTA Phone 2等。隨著蘋果從iPhone 8系列開始將無線充電功能納入標配,這種技術在手機圈(中高端)普及也是遲早的事了。

至於無線充電器,現在可選的品牌和型號就令人眼花繚亂了,價格方面也是從不到50元到數百元不等。那麼,在挑選無線充電器時我們又該注意哪些問題呢?

先談安全功能

首先,符合Qi標準自然是選擇無線充電器時的首要考核目標。此外,這種設備還有兩個非常關鍵卻又容易被普通用戶忽略的功能——FOD異物檢測和散熱方式。其中,FOD異物檢測很容易被低價位產品“閹割”以降低成本,而沒有該功能保護的充電器,一旦有金屬物體不慎放在了充電器表面的線圈感應位置,金屬便會被迅速加熱,很容易造成意外。

異物檢測功能可以讓無線充電器“智能識別”手機,只有內藏線圈的手機與其接觸才會進行無線充電。但是,無線充電的過程充電器端會產生不小的熱量,一些支持7.5W、10W快充的充電器滿速輸出時的發熱量更高。所以,其內部採用了主動還是被動的散熱方式就顯得非常重要了。

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所謂的被動散熱,就是在無線充電器內部依靠金屬導熱片+導熱膠的方式自然冷卻,散熱效率普遍一般。而主動散熱,則是在無線充電器內部加裝額外的離心風扇和對應的散熱孔,通過風冷的形式快速散熱,效果普遍更好。

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不要小看溫度對無線充電效率的影響哦,很多手機廠商都會設定嚴格的溫度牆,比如蘋果就在iOS 11.3中設定了一個規則:當手機後蓋發熱量達到一定數值後,就會通過降低手機的接收功率,從而減少發熱情況,但後果就是無線充電速度變得超級慢。

曾有媒體對此進行了測試,哪怕是蘋果官方授權的售價高達498元的mophie和貝爾金都會因發熱導致充電速度大幅下降50%,從無線快充變成了無線慢充。

再談使用體驗

從體驗上來說,能否將手機豎立(仰角)放置且不影響充電效果,應該是無線充電器的重要考核標準。原因很簡單,在數個小時的充電時間裡,你總不可能不玩手機吧?有了這種產品,我們可以邊(無線)充電邊看視頻、聊微信或是自動翻頁的電子書。

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此外,選擇豎置無線充電器時,可優先選擇內置2個電圈和風扇的產品,如此才能讓手機以更隨意的姿勢擺放在充電器上,無論是橫評還是豎屏,略有偏移也能進行電力的傳輸,也不用擔心手機因發熱而減少無線充電的輸入功率。

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最後,我們還需根據手機所支持的無線快充協議,選擇最匹配的無線充電器,比如iPhone用戶就要選擇兼容蘋果7.5W快充的、三星手機就需要選擇支持三星10W快充的,每一款產品在相關的宣傳參數上也都會註明所支持的快充協議和兼容性列表,大家屆時可以仔細留意。


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