割掉小尾巴!深度挖掘手机无线充电技术的黑历史

自从苹果在iPhone 8和iPhone X系列身上引入无线充电之后,这种可以摆脱充电线束缚的技术就成为了高端智能手机新品的标配。那么,无线充电真的成熟好用吗?现阶段支持该技术的新品又有哪些呢?

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追溯无线充电的历史

无线充电并非什么“黑科技”,早在19世纪30现代,名叫迈克尔•法拉的科学家就发现了电磁感应原理,即周围磁场的变化将使电线中产生电流。时至今日,适合智能手机且相对成熟的无线电力传输逐渐衍生出了2种解决方案:

电磁感应式

这是目前业内使用频率最高,普及度最广的无线充电技术方案,其原理是法拉第电池感应定律,即给初级线圈一定频率的交流电,通过电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端。

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落实到手机身上,就是在手机后盖内和无线充电底座内,分别嵌入接收端和发射端专用的线圈(还包括转换和识别、电源管理等芯片),当电能输入到发射端线圈时就会产生一个磁场,磁场感应到接收端的线圈就会产生电流实现了充电的过程。

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理论上讲,传输端和接收端内线圈数量越多,面积越大,单位时间无线传输的电力就越多,对二者间距离和位置的要求也越宽松。

优点:成本低,技术成熟,转换效率相对较高

缺点:充电距离太短,需对准接触才能保证效果

磁场共振式

该方案由能量发送装置和能量接收装置组成,当发射端和接收端达到相同的频率时就能产生磁场共振从而满足能量交换,其背后原理与上学时课本中提到的军队集体齐步过桥时,因共振而将大桥震垮的故事有着异曲同工之妙。

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和电磁感应式相比,磁场共振式方案的有效传输距离更远(支持数厘米至数米),并且能够实现一对多充电。

磁场共振式属于电磁感应式的“进阶版”,理论上只需要在次级线圈(手机内)增加一个电容构成谐振回路就能与充电底座上固定频率的交流电形成共振,从而实现多设备、较远距离的无线充电。

优点:充电距离远,支持一对多

缺点:同时为多部设备充电会提升发热量、转换效率变低,提升效率则又会产生更大的电磁辐射,对安全不利

现实中,通过电场耦合、谐振、无线电波、射频技术和红外等方式也都可以实现电力的无线迁移,只是它们都存在效率、距离、辐射和安全性方面的问题。

从电动牙刷到智能手机

随着电磁感应式无线充电技术的成熟,最早受益的数码设备就要数电动牙刷了。由于电动牙刷使用时难免与水接触,所以从很早以前就引入了无线充电概念,从而使充电接触点不暴露在外,极大增强了产品的防水性并实现整体水洗。

实际上,智能手机与无线充电技术联姻的时间并没有比电动牙刷晚多少,早在2011年就被夏普旗下的SH-13C手机猎装。

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可惜,当年无线充电属于新概念,夏普在行业内的影响力也有限,这种“单打独斗”的形式不可能掀起太大的波澜。

此外,早期无线充电技术的效率并不高,以电动牙刷为例,有些型号仅内置700mAh的电池,充满全部电力却也需要4个小时以上。而智能手机当年的电池容量普遍都在1500mAh以上,谁能忍受超过8小时不间断的充电?

较低的充电效率,可能存在的各种兼容隐患,一直在制约着无线充电技术在智能手机领域大展拳脚,而这一局面直到全球第一个无线充电的国际标准“Qi”出台才有所改善。

背靠联盟好乘凉

2008年12月17日,由飞利浦电子、德州仪器、国家半导体等几大公司携手组建了“无线充电联盟”(Wireless Power Consortium,简称WPC),旨在提升无线充电技术的便捷性和通用性。截止2018年4月30日,无线充电联盟(WPC)会员已增至534家。

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2012年,由众多参与者共同制定的无线充电标准“Qi”诞生,它攻克了无线充电“通用性”的技术瓶颈,凡是通过Qi标准认证的产品(手机和无线充电底座),它们之间可以做到相互兼容。而诺基亚旗下的Lumia 810,则有幸成为首款符合Qi标准的智能手机。

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获得WPC联盟认证的产品,都可在外观或包装上添加“Qi”字样的Logo标识,而具有“Qi”标识的终端则可相互兼容。需要注意的是,加入WPC每年收取的会费从5000美元到25000美元不等,只有加入WPC无线充电联盟才能获得Qi认证。

Qi技术的标准也在不断的升级之中,比如Qi早期制定的标准全部都是建立在电磁感应式方案的基础上,从Qi1.2标准则开始将磁共振式方案纳入其中,不仅增加了充电距离,充电功率也从7.5W提升到了最高15W。目前Qi标准的最新版本为Qi1.2.4,对发射端认证等级进行了简化。

除了WPC推出的Qi标准以外,无线充电领域还存在以下几种常见标准:

PMA

Power Matters Alliance标准无线充电标准是由Duracell Powermat公司发起的,而该公司则是由宝洁与无线充电技术公司Powermat合资经营,其曾可与Qi标准相互兼容。

A4WP

Alliance for Wireless Power标准是由美国高通公司、韩国三星公司以及Powermat公司共同创建的无线充电联盟。

AirFuel Alliance

2015年,PMA和A4WP两大无线充电标准机构宣布合并,新联盟也更名为AirFuel Alliance。

苹果

苹果曾在2012年申请了自家的无线充电专利,其通过“近场磁共振”技术可建立起一个较大范围的充电区域,凡是支持这一技术的苹果设备只要放置在该区域内就可进行无线充电。如无意外,苹果在2017年随iPhone 8系列一同发布的AirPower“充电枕”(可以同时为iPhone、Apple Watch 3以及最新的AirPods收纳盒无线充电)就是基于这一技术的试探,虽然iPhone 8等手机兼容Qi标准,但AirPower本身却貌似仅支持苹果设备。需要注意的是,AirPower由于发热问题有待解决,至今也没能正式上市。

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无线充电的体验如何

虽然无线充电的标准有很多,但目前在手机领域还是Qi占据了统治和主导地位,所以我们就以Qi无线充电底座(器),来看看这种设备是如何工作的吧。

Qi无线充电标准依赖于手机和充电器内两个线圈之间的感应。受制于手机厚度和空间有限的制约,哪怕是iPhone X和三星Galaxy S9这些旗舰,其内部所集成的也仅仅是单线圈,这就决定了它们在进行无线充电时,必须与充电器零距离接触,还需要让手机/充电器内对应的线圈在引导位置上彼此对齐,否则就会出现无法充电或充电效率大打折扣的问题。

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因此,新款支持无线充电的手机和充电器,都会引入自由定位系统,在接收线圈的位置上集成多个合作的通量发生器,放置其上的手机会传递位置信息。一旦检测到位置偏离,手机端就会弹出警告提示,提醒我们重新移动手机到指定位置。

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虽然无线充电摆脱了线缆的束缚,不用在担心USB接口反复插拔的划伤和寿命问题,但充电过程中手机却也被局限在了充电器的一亩三分地上。期间我们不能拿起或移动手机,而无线充电的功率普遍只有5W到10W,充满一部3000mAh电池的手机需要2.5小时到5个小时(还得是息屏状态),其使用场景只适合晚间睡觉时、全心上课/工作时。

理性看待Qi的“兼容性”

虽然Qi为无线充电树立了标准,让不同品牌和型号的手机和充电器之间实现了相互兼容,但其背后其实也存在很多“不兼容”的问题。

Qi快充协议之别

打个比方,OPPO的VOOC闪充,高通的QC、联发科的PE、华为的FCP等快充技术,它们之间的充电器和数据线也能相互兼容,进行稳定的5V/2A输出(视手机端的输入标准)。但是,想激活VOOC的5V/4.5A、QC3.0的12V/2A等“快充状态”,就需要充电器、数据线和手机三方面进行协议上的匹配了,只有“握手”成功后才能满血充电。

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Qi标准也是一样。出于盈利或抢占话语权的目的,各个手机品牌的无线充电技术之间也出现了多种私有协议标准,比如苹果7.5W、小米7.5W、索尼9W、华为10W、三星10W等。只是它们都有一个共性,那就是向下兼容Qi,从而最大限度满足设备间的通用性。

没错,就好像Android系统和手机间的各种快充技术,Qi无线充电标准也存在“碎片化”现象。至于手机和充电器之间是如何进行“握手识别”的,则取决于硬件和系统两个层面。

软硬层面的识别

先来看看系统层面的限制,苹果原计划是让iPhone 8/X只有搭配自家AirPower时才能实现7.5W的无线“快充”,然而因AirPower上市无期而不得不在iOS11.2系统更新中解除了第三方授权无线充电器使用7.5W快充的禁令,而搭配其他Qi充电器时则只能享受5W的“慢充”。

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再开看看硬件层面的制约。无线充电器的PCB板上都会集成一颗无线充电控制芯片,它将决定能与多少不同型号的手机之间“握手成功”。

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以ANKER PowerWave 7.5 Pad这款产品为例,它属于市场上极少数可以满载充iPhone的无线充电器,原因就是集成了WP80024无线充电控制芯片,支持Qi-BPP 5W、iPhone 7.5W和三星10W等无线充电协议。

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因此,大家今后在挑选无线充电器时,要很据自己手机的具体型号和所支持的无线快充协议选择匹配的产品,否则就只能以Qi标准的5W功率进行充电了,一下回到了10年前。

如何选择无线充电器

目前支持无线充电的手机主要局限在少数品牌的高端产品线,比如三星Galaxy S/Note系列(从S6往后都支持)、索尼Xperia Z4v/ZX2、华为Mate RS、小米MIX2S、坚果R1、Nokia 7 Plus/8 Sirocco、YOTA Phone 2等。随着苹果从iPhone 8系列开始将无线充电功能纳入标配,这种技术在手机圈(中高端)普及也是迟早的事了。

至于无线充电器,现在可选的品牌和型号就令人眼花缭乱了,价格方面也是从不到50元到数百元不等。那么,在挑选无线充电器时我们又该注意哪些问题呢?

先谈安全功能

首先,符合Qi标准自然是选择无线充电器时的首要考核目标。此外,这种设备还有两个非常关键却又容易被普通用户忽略的功能——FOD异物检测和散热方式。其中,FOD异物检测很容易被低价位产品“阉割”以降低成本,而没有该功能保护的充电器,一旦有金属物体不慎放在了充电器表面的线圈感应位置,金属便会被迅速加热,很容易造成意外。

异物检测功能可以让无线充电器“智能识别”手机,只有内藏线圈的手机与其接触才会进行无线充电。但是,无线充电的过程充电器端会产生不小的热量,一些支持7.5W、10W快充的充电器满速输出时的发热量更高。所以,其内部采用了主动还是被动的散热方式就显得非常重要了。

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所谓的被动散热,就是在无线充电器内部依靠金属导热片+导热胶的方式自然冷却,散热效率普遍一般。而主动散热,则是在无线充电器内部加装额外的离心风扇和对应的散热孔,通过风冷的形式快速散热,效果普遍更好。

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不要小看温度对无线充电效率的影响哦,很多手机厂商都会设定严格的温度墙,比如苹果就在iOS 11.3中设定了一个规则:当手机后盖发热量达到一定数值后,就会通过降低手机的接收功率,从而减少发热情况,但后果就是无线充电速度变得超级慢。

曾有媒体对此进行了测试,哪怕是苹果官方授权的售价高达498元的mophie和贝尔金都会因发热导致充电速度大幅下降50%,从无线快充变成了无线慢充。

再谈使用体验

从体验上来说,能否将手机竖立(仰角)放置且不影响充电效果,应该是无线充电器的重要考核标准。原因很简单,在数个小时的充电时间里,你总不可能不玩手机吧?有了这种产品,我们可以边(无线)充电边看视频、聊微信或是自动翻页的电子书。

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此外,选择竖置无线充电器时,可优先选择内置2个电圈和风扇的产品,如此才能让手机以更随意的姿势摆放在充电器上,无论是横评还是竖屏,略有偏移也能进行电力的传输,也不用担心手机因发热而减少无线充电的输入功率。

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最后,我们还需根据手机所支持的无线快充协议,选择最匹配的无线充电器,比如iPhone用户就要选择兼容苹果7.5W快充的、三星手机就需要选择支持三星10W快充的,每一款产品在相关的宣传参数上也都会注明所支持的快充协议和兼容性列表,大家届时可以仔细留意。

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