打破距離封鎖 淺析手機隔空無線充電技術(shù)

手機的無線電歷史

無線充電在手機領域的歷史最早可以追溯到2009年。這一年上市的Palm Pre采用3.1英寸觸控“大屏幕”，配備側(cè)滑全鍵盤，是Web OS系統(tǒng)的旗艦之作。Palm Pre可以通過一個名為“TouchStone”（點金石）的配件，實現(xiàn)無線充電功能（圖1）。由于當年技術(shù)還不成熟，Palm Pre必須放在固定位置，確保背殼上的線圈100%對準點金石才能充電。

Qi兼容標準正式出爐

2012年，無線充電聯(lián)盟（WPC）制定了統(tǒng)一的“Qi”無線充電標準（圖2），它攻克了無線充電“通用性”的技術(shù)瓶頸，凡是通過Qi標準認證的產(chǎn)品（手機和無線充電底座），它們之間可以做到相互兼容（但充電功率可能會降到5W～7.5W），而且對線圈擺放位置不再那么嚴苛，大體對準即可充電。

還是在這一年，諾基亞先后發(fā)布了2款支持Qi標準的手機Lumia 920和Lumia 810，讓更多科技控們享受到了可以擺脫線纜束縛的無線充電魅力（圖3）?？上?，諾基亞此時已經(jīng)日薄西山，因此無線充電功能并沒有被更廣泛的消費者所認知。

無線充電的普及之光

時間一晃到了2017年，隨著iPhone 8系列將無線充電功能納入標配，這種炫酷的技術(shù)才真正步入爆發(fā)階段，并被更多的高端Android手機列裝，相關的無線充電外設品牌也如同雨后春筍一般不斷涌現(xiàn)（圖4）。

小提示

三星從2015年發(fā)布的GalaxyS6開始就全面引入了無線充電功能（Ga l a x y S5其實也支持，但需要搭配特制的后蓋）。只是三星的影響力不如蘋果，所以業(yè)內(nèi)普遍還是習慣將iPhone 8視為無線充電技術(shù)推廣的最大功臣。

④所有的無線充電底座和手機都兼容Qi標準，設備之間可以通用

雖然三星和蘋果是最早引入無線充電功能的智能手機品牌代表，但它們在充電功率的設計上還是太過保守，哪怕是最新上市的iPhone 12和Galaxy 21也僅支持15W無線快充（見表）。反觀國產(chǎn)手機品牌，雖然支持無線充電功能的起步時間較晚，但在充電功率方面卻是一路高歌猛進。以小米為例，從MIX 2S的7.5W到2020年10月發(fā)布的80W無線閃充技術(shù)，無線充電的效率已經(jīng)媲美有線閃充（圖5）。

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爆發(fā)的無線充電功率

從底層的技術(shù)原理來看，無線充電技術(shù)可以分為三大方案——電磁感應式無線充電、電磁諧振式無線充電和射頻（RF）式無線充電。從第一款支持無線充電的Palm Pre手機，再到最新上市的驍龍888旗艦，它們采用的都是基于電磁感應式的無線充電技術(shù)。

電磁感應技術(shù)原理

我們先來復習一下初中功課。電生磁、磁生電，變化的磁場會產(chǎn)生電場，這就是電磁感應式無線充電背后的技術(shù)原理。

市面上所有支持無線充電的手機，都會在手機后蓋內(nèi)和無線充電底座內(nèi)，分別嵌入接收端和發(fā)射端專用的線圈（還包括轉(zhuǎn)換和識別、電源管理等芯片），當電能輸入到發(fā)射端線圈時就會產(chǎn)生一個周期性變化的磁場，接收端的線圈感應到磁場變化就會產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)充電（圖6）。

該方案的優(yōu)勢是技術(shù)成熟成本低，轉(zhuǎn)換效率相對較高。但它的缺點也很明顯，那就是充電距離極短，需手機和充電座對準接觸才能保證最佳充電效果（圖7）。

⑦很多無線充電座為了確保手機橫向和豎向擺放時都能滿血充電，會在其中內(nèi)置2個線圈，擴大了線圈間的識別范圍，還能起到進一步提升輸出功率的效果

如何實現(xiàn)更高充電功率

為了實現(xiàn)差異化競爭，各大手機廠商都在想辦法提升電磁感應式無線充電技術(shù)的功率。大體思路就是想辦法降低電池和各個零部件的內(nèi)阻（降低發(fā)熱）以及優(yōu)化線圈設計（輸出/接收更高功率）。

以OPPO在2020年4月發(fā)布的40W AirVOOC技術(shù)為例，它基于串聯(lián)雙電芯架構(gòu)設計，無線充電時只需充電底座一接收線圈1次降壓，較之傳統(tǒng)單電芯無線充電方案的2次降壓轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)熱量更?。▓D8）。同時，OPPO還采用了阻抗更低的接收線圈和自研的高壓隔離型電荷泵，讓電能可以直接充入電池，實現(xiàn)真正的無線直充。

到了2020年7月發(fā)布的65WAirVOOC技術(shù)時，它延續(xù)了隔離型電荷泵技術(shù)和雙電芯架構(gòu)，并改用雙無線充電引擎，即無線充電底座端雙線圈發(fā)射一手機端雙線圈接收（圖9），從而實現(xiàn)了65W的更大充電功率。

小米在2020年10月還公布了80W無線閃充技術(shù)，它采用雙線圈的充電底座以及特別定制的更高效無線充電架構(gòu)和芯片。包括復合式線圈系統(tǒng)、MTW多極耳快充電池、雙6C串聯(lián)電芯，配合多級遞變電流調(diào)控以及MiFC快充等眾多加速技術(shù)，4000mAh電池8分鐘即可充50%，19分鐘就能充至100%（圖10）。

需要注意的是，小米最新發(fā)售的小米11 Pro和小米11 Ultra手機采用了單電芯方案，在搭配80W無線充電底座時只能實現(xiàn)67W快充，這還是建立在定制行業(yè)首個30V無線充電芯片、行業(yè)首個30V電壓輸入的6：2電荷泵以及全新硅氧負極電池和MTW多級耳電芯的基礎上（圖11）。但即便如此，它們也已經(jīng)打破了華為Mate 40 Pro系列、榮耀V40、小米11這幾款單電芯手機50W的無線充電紀錄了。

總之，無線充電提升功率的思路可以參考有線充電（詳見本刊2020年第16期《突破百瓦夢想淺析智能手機的新一代閃充技術(shù)》這篇文章），無非就是將充電頭換成無線充電底座內(nèi)的線圈，一個不成變兩個，并用風扇解決發(fā)熱問題，同時引入多極耳和6C電芯，以及包括電荷泵在內(nèi)的各種可降低內(nèi)阻的零部件或技術(shù)。

來自陽空充電的秘密

除了提升無線充電的功率，手機廠商們還在想辦法提升無線充電的距離，從而實現(xiàn)更具科幻效果的“隔空充電”能力。此時，就輪到電磁諧振式和射頻式無線充電技術(shù)登場了。

電磁諧振式無線充電

該方案由能量發(fā)送裝置和能量接收裝置組成，當發(fā)射端和接收端達到相同的頻率時就能產(chǎn)生磁場共振從而實現(xiàn)能量交換。我們可以將其視為電磁感應式的“升級版”，理論上只需在次級線圈（手機內(nèi)）增加一個電容構(gòu)成諧振回路就能與充電底座上固定頻率的交流電形成共振，從而獲得有效充電距離更遠，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一對多的無線充電體驗（圖12）。

OPPO在2021年2月的MWC21上海中展示OPPO X 2021卷軸屏概念機的隔空充電功能，就是基于磁場共振式無線充電的原理。該方案支持的最遠充電距離為15cm，從現(xiàn)場的展示來看，即使手機與合有磁共振模塊桌面相隔10cm以上，而且手機呈60度傾斜也能保持同頻，無損耗實現(xiàn)最高7.5W的充電功率（圖13），真正擺脫了充電線、無線充電底座的束縛，體驗邊充邊用的自由暢快。

需要注意的是，電磁諧振式方案的無線充電效率相對較低，轉(zhuǎn)換率只有70%左右，基本和“快充”無緣了。此外，磁場共振需要強磁場作為基礎，想要進一步增加無線充電的有效距離（如超過1米）存在很大的健康隱患，所以在可預見的未來，10cm～20cm就是該技術(shù)的距離上限了，最常見的使用場景就是隔著桌面，同時為手機、無線耳機等多部設備“隔桌充電”（圖14）。

⒁現(xiàn)在市面上就已經(jīng)可以買到采用電磁諧振式方案的無線充電底座了，只是充電距離多在5cm以內(nèi)且充電功率不高，兼容現(xiàn)有的Qi無線充電標準

現(xiàn)在市面上就已經(jīng)可以買到采用電磁諧振式方案的無線充電底座了，只是充電距離多在5cm以內(nèi)且充電功率不高，兼容現(xiàn)有的Qi無線充電標準

射頻式無線充電

如果你想體驗更遠距離的無約束充電體驗，那就需要射頻式無線充電技術(shù)幫忙了。該方案以空間電場作為能量傳輸媒介，從而實現(xiàn)電能的更遠距離無線傳遞。2021年1月摩托羅拉和小米發(fā)布的隔空充電技術(shù)，就都是基于這一方案打造出來的，只是兩個廠家選擇的射頻源不同，摩托羅拉選用的是激光，小米則是毫米波。

其中，小米的隔空充電系統(tǒng)（可以理解為充電樁）內(nèi)置5個相位干涉天線，可對手機進行毫秒級空間定位，精準探測手機位置（圖15）。144個天線構(gòu)成的相位控制陣列，則通過波束成形將毫米波定向發(fā)射給手機，手機通過微型信標天線接收，再通過整流電路轉(zhuǎn)化為電能，即可實現(xiàn)數(shù)米范圍內(nèi)5W功率充電。

用戶只要拿著手機進入充電樁的覆蓋范圍（如客廳），就能自動實現(xiàn)隔空充電，邊玩邊充，有異物遮擋也不影響，哪怕是多設備也可同時進行5W功率的充電（圖16）。用雷軍的話說，未來客廳，包括音箱、臺燈等小型智能家居產(chǎn)品，都可以實現(xiàn)無線供電設計，擺脫電線束縛，真正實現(xiàn)客廳無線化。

摩托羅拉的隔空充電技術(shù)雖然原理和小米的相似，但由于激光能量過高，所以在自由度上就存在限制了。以官方演示的視頻為例，將2部手機分別放在充電發(fā)射器正前方0.8米和1米位置后都能進入充電狀態(tài)。但是，當用手（人體）遮住充電發(fā)射器時兩臺手機會停止充電，但其他異物則不會影響充電（圖17）。

沒辦法，毫米波由于頻率低、波長長，所以它的繞射性和安全性優(yōu)于激光，在房間內(nèi)可以繞過絕大多數(shù)小規(guī)模障礙物。激光的高能量在長時間照射在人體表面可能會產(chǎn)生灼傷，所以摩托羅拉的隔空充電系統(tǒng)需要在檢測到人體遮擋時提供必要的安全保護。

目前，OPPO、摩托羅拉和小米的隔空充電技術(shù)都還沒有正式的商業(yè)化量產(chǎn)，都需要在確保安全性和轉(zhuǎn)換效率的前提下進一步降低成本。但是從應用前景來看，小米主打的“毫米波+波束成形”隔空充電技術(shù)無疑更符合我們的預期，畢竟現(xiàn)在很多人家中存在包括智能手表、智能電子秤、智能音箱等無數(shù)內(nèi)置電池的IoT設備，如果今后此類產(chǎn)品只要放進客廳充電樁的覆蓋范圍就能隨時補電，想想就很美妙。

無線充電的新標準來了

2021年2月19日，中國工業(yè)和信息化部發(fā)布了《無線充電（電力傳輸）設備無線電管理暫行規(guī)定（征求意見稿）》，規(guī)定自2022年1月1日起，所有生產(chǎn)、進口在國內(nèi)銷售、使用的移動和便攜式無線充電設備（不僅限于手機）額定傳輸功率要求不超過50W，并對工作主頻、電磁輻射等方面也進行了更嚴格的限制（圖18）。

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如果這個規(guī)定被最終執(zhí)行，無疑會打斷手機廠商之間的“軍備競賽”，超過50W且至今還未商業(yè)化的無線充電技術(shù)將永遠停留在概念階段。但是，有了國家標準之后，可以讓手機廠商之間不再以無線充電的功率高低作為宣傳噱頭，而是潛下心將研發(fā)精力投入到提升安全穩(wěn)定、發(fā)熱噪音更小的技術(shù)上來，對整個無線充電行業(yè)的商業(yè)量產(chǎn)化將起到更積極的促進作用。