每次要幫手機、電腦，或者其他各種電器充電時(shí)，總是要接一條充電線(xiàn)，充電線(xiàn)一多，還常常接錯，實(shí)在非常麻煩。幸好，現在愈來(lái)愈多的電子產(chǎn)品，開(kāi)始使用無(wú)線(xiàn)充電的技術(shù)了！只要優(yōu)雅的將手機放在一個(gè)小小的、像杯墊一樣的東西上面，不必接線(xiàn)就能輕松充電，這么厲害的科技背后有什么原理呢？讓我們一起來(lái)探究其中奧妙。

電與磁的交互作用
一般見(jiàn)到的無(wú)線(xiàn)充電，運用的是電流磁效應和電磁感應的原理。1819 年，丹麥科學(xué)家厄斯特觀(guān)察到一段導線(xiàn)上如果通有電流，四周將會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，可以讓指北針偏轉。后人則進(jìn)一步發(fā)現，將導線(xiàn)圍成環(huán)狀，甚至繞成線(xiàn)圈，產(chǎn)生的磁場(chǎng)將會(huì )更強、更集中，這稱(chēng)為電流磁效應。

至于電磁感應，則是在 1831 年由法拉第發(fā)現的。讓一塊磁鐵或其他的磁場(chǎng)來(lái)源靠近一段沒(méi)有電流的線(xiàn)圈，線(xiàn)圈上就會(huì )產(chǎn)生感應電流，稱(chēng)為電磁感應。值得注意的是，電磁感應的成立要點(diǎn)是磁場(chǎng)要有變化，例如磁鐵愈來(lái)愈靠近 （愈來(lái)愈遠離其實(shí)也可以）。外加磁場(chǎng)若是一直保持不變，是不會(huì )有感應電流的。

總而言之，電流磁效應就是電流的流動(dòng)在四周產(chǎn)生磁場(chǎng)，電磁感應則是不斷變化的外加磁場(chǎng)使線(xiàn)圈產(chǎn)生感應電流。

利用電磁感應來(lái)充電

這兩種物理現象同時(shí)運用，就可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。目前的無(wú)線(xiàn)充電設備，都包含一個(gè)充電座，里面其實(shí)正是線(xiàn)圈。將充電座接到家用插頭后，線(xiàn)圈周?chē)鷷?huì )因為電流磁效應而產(chǎn)生磁場(chǎng)。要充電的電子產(chǎn)品，里面也都有一個(gè)線(xiàn)圈，當它靠近充電座時(shí)，充電座的磁場(chǎng)將透過(guò)電磁感應，在電子產(chǎn)品的線(xiàn)圈上產(chǎn)生感應電流。感應電流導引到電池，就完成了充電座和電子產(chǎn)品間的無(wú)線(xiàn)充電。

你可能會(huì )問(wèn)，磁場(chǎng)不是要改變才能有電磁感應嗎？可是充電座與充電的對象距離卻始終保持不變，這樣為何會(huì )有電磁感應呢？原來(lái)，家用插座中流出的電是交流電，也就是說(shuō)電流的方向不斷的交替變化，一會(huì )兒順著(zhù)流，一會(huì )兒反著(zhù)流。正因為如此，充電座線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨之不斷在變換方向，并非保持不變，符合電磁感應的要件。

近來(lái)愈來(lái)愈多智慧型手機、平板電腦開(kāi)始提供無(wú)線(xiàn)充電的功能，但是不幸的是，它們充電的時(shí)候，只要離充電座的距離稍遠一些，充電效率就會(huì )明顯下降。即便是最新的技術(shù)，充電距離也不能超過(guò)5公分，事實(shí)上，目前絕大部分可以無(wú)線(xiàn)充電的行動(dòng)裝置，都是要完全平放在充電座上才能進(jìn)行，和想像中隨走隨充的無(wú)線(xiàn)充電仍有點(diǎn)差別。

利用共振拉長(cháng)充電距離
為了增加無(wú)線(xiàn)充電的距離與充電效率，科學(xué)家正在設法利用磁共振的原理進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件，適當連接后，會(huì )形成諧振電路。這就好像樂(lè )器行一定會(huì )有的調音工具──音叉一樣。輕敲音叉一次，它可以持續振動(dòng)一段時(shí)間，同樣的，對諧振電路短暫通電，電路中也會(huì )產(chǎn)生維持 一段時(shí)間的訊號。

音叉具有共振這種有趣的物理性質(zhì)。每支音叉都有自己的發(fā)聲頻率，當一支音叉振動(dòng)發(fā)聲時(shí)，若附近有另一支發(fā)聲頻率相同的音叉，即使它沒(méi)有直接受到敲擊，也會(huì )跟著(zhù)振動(dòng)。音叉的共振可以說(shuō)達成了能量的傳遞。諧振電路也可以共振，兩個(gè)振動(dòng)頻率相同的諧振電路放在一起，其中一個(gè)開(kāi)始因為通電而振蕩時(shí)，另一個(gè)電路也會(huì )跟著(zhù)振蕩起來(lái)，自動(dòng)產(chǎn)生電流，電能就這樣被隔空傳送了。這樣的現象稱(chēng)為磁共振，用來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電，可以讓充電距離達到數公尺，效率也有所提升。唯一的困難就是，要將兩個(gè)電路調整到一模一樣的頻率，并且維持一段時(shí)間，并不是容易的事。

除了磁共振之外，也有科學(xué)家嘗試借由雷射光的光能來(lái)充電，甚至是將電能透過(guò)和家用的 Wifi 網(wǎng)路相近的電波頻段來(lái)傳送。希望這些技術(shù)的突破，能讓我們未來(lái)在充電時(shí)更加方便！

以蘋(píng)果、三星、中興通訊等為代表的企業(yè)在消費電子、電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域對無(wú)線(xiàn)充電的實(shí)踐應用將加速千億市場(chǎng)開(kāi)啟。日前，有媒體報道稱(chēng)，雖然此前iphone7擁有無(wú)線(xiàn)充電功能的預言沒(méi)有實(shí)現，但2017年的蘋(píng)果新機將大概率擁有無(wú)線(xiàn)充電功能，與此同時(shí)，根據目前企業(yè)布局無(wú)線(xiàn)充電的情況來(lái)看，2017年無(wú)線(xiàn)充電不僅在消費電子領(lǐng)域有所突破，在國內電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)充電也將迎來(lái)較大發(fā)展契機。無(wú)線(xiàn)充電前景無(wú)限，那么一起來(lái)盤(pán)點(diǎn)一下無(wú)線(xiàn)充電新技術(shù)吧！

1、超聲波無(wú)線(xiàn)充電：有效范圍接近5米
一家名叫uBeam的公司發(fā)明了一種全新的無(wú)線(xiàn)充電模式，可以利用超聲波將電力隔空輸送到15英尺（約合4.6米）外的地方。有了這樣的產(chǎn)品，只要使用專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)充電套，你就可以在充電的同時(shí)拿著(zhù)手機在屋里走動(dòng)。盡管uBeam的原型產(chǎn)品還比較笨重，但該公司正在努力縮小體積，盡快推向市場(chǎng)。據悉，已經(jīng)有多家公司希望與uBeam達成戰略合作，為顧客提供這種無(wú)線(xiàn)隔空充電服務(wù)，以便吸引更大客流，包括星巴克、維珍航空、喜達屋酒店以及多家快餐連鎖。除此之外，uBeam還與蘋(píng)果和三星等硬件廠(chǎng)商展開(kāi)了溝通。

風(fēng)險投資家似乎也從中看到了機會(huì )：知情人士表示，該公司希望尋求總額5000萬(wàn)美元的B輪融資，估值有可能達到或超過(guò)5億美元。但uBeam拒絕對此置評。該公司去年10月獲得了由Upfront Ventures領(lǐng)投的1000萬(wàn)美元A輪融資，之前還曾獲得了Andreessen Horowitz和Founders Fund等公司的320萬(wàn)美元種子投資。之前有很多公司都嘗試過(guò)真正的無(wú)線(xiàn)充電，但多數都以失敗告終，最終只實(shí)現了磁共振充電。這種模式必須將設備靠近發(fā)射器，甚至直接與發(fā)射器接觸，所以并沒(méi)有較插電式充電實(shí)現重大突破。

uBeam早期原型機

然而，眾多大牌投資者的背書(shū)表明，uBeam的無(wú)線(xiàn)充電模式可能具備巨大潛力。具體而言，uBeam使用的是超聲傳導技術(shù)，發(fā)射器通過(guò)插座或建筑物的電力系統取電，然后將其轉換成超聲波，再將震動(dòng)發(fā)射到內置接收器的設備——例如配備無(wú)線(xiàn)充電套的手機，接收器之后負責將超聲波震動(dòng)轉換成電力，為移動(dòng)設備充電。

uBeam表示，這種模式的充電速度與直接使用傳統電源類(lèi)似。

這種超聲波隔空充電方式有幾大優(yōu)勢。首先，這種技術(shù)非常安全，它使用的超聲波與監測胎兒時(shí)使用的超聲波類(lèi)似。另外，接收器的價(jià)格也很便宜，大約只需50美元，甚至更低，而且體積小巧。不僅如此，這些超聲波還可以用于傳輸數據，因此uBeam還可以在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮作用。

但最吸引普通用戶(hù)的還在于，該種技術(shù)的有效范圍大約為15英尺，對移動(dòng)中的設備同樣有效。雖然智能手機已經(jīng)在體積和性能上實(shí)現了重大進(jìn)步，但電池續航能力仍未得到太大改觀(guān)，這不僅有損了用戶(hù)體驗，還阻礙了整個(gè)移動(dòng)經(jīng)濟的發(fā)展。因此，uBeam的技術(shù)可能對整個(gè)行業(yè)形成促進(jìn)。蘋(píng)果和三星等科技巨頭都在努力解決充電問(wèn)題，但卻遲遲未有進(jìn)展。因此，他們有可能洽購uBeam。由于uBeam持有多項重要的無(wú)線(xiàn)充電專(zhuān)利，這些巨頭可能會(huì )溢價(jià)收購該公司，避免重要技術(shù)落入競爭對手之手。

從長(cháng)期來(lái)看，倘若uBeam的無(wú)線(xiàn)充電協(xié)議果真實(shí)現應有的潛力，意味著(zhù)電線(xiàn)將會(huì )逐漸消失。不僅是手機，其他各類(lèi)用電設備也都將使用這種技術(shù)。需要明確的是，uBeam仍在克服一些嚴峻的技術(shù)挑戰，最終的產(chǎn)品可能無(wú)法在價(jià)格、功率、速度和安全方面達到預期。不過(guò)，倘若真能實(shí)現市場(chǎng)預期，便會(huì )成為一項革命性的技術(shù)，這也正是投資者夢(mèng)寐以求的結果。

2、無(wú)線(xiàn)充電新技術(shù)：微軟擬利用聚焦光線(xiàn)來(lái)充電
如果你的智能手機在白天就出現了電量耗盡的情況，一般人們都會(huì )感到煩惱，大多數人的解決方法就是嘗試記住在晚上要為他們的設備充電。即使是這樣 做，有時(shí)也不夠人們日常使用，全天充電有時(shí)是很有必要的，為此微軟研究院已經(jīng)制定出了一個(gè)潛在的解決方案：AutoCharge。
微軟研究人員們描述AutoCharge是一種自動(dòng)定位桌子上的智能手機，并為它們充電的技術(shù)。他們制造的原型充電器可以被安裝在天花板上，有兩個(gè)工作模塊：一個(gè)監測模塊，其采用的是微軟的Kinect攝像頭，可以?huà)呙柘裰悄苁謾C樣子的物體；另一個(gè)是充電模式，采用了UltraFire CREE XM-L T6來(lái)聚焦LED光線(xiàn)。
該AutoCharge系統采用了基于圖像處理來(lái)監測和追蹤桌上的智能手機，并自動(dòng)為智能手機充電。充電器會(huì )不斷地旋轉，直到它檢測到一個(gè)看起來(lái)像智能手機的物體，之后將使用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)所產(chǎn)生的光束為智能手機遠程充電。換句話(huà)說(shuō)，就是無(wú)需電線(xiàn)。

AutoCharge通過(guò)藍牙或手機上的LED和智能手機建立連接。這確保了當電池充滿(mǎn)電以后可以停止充電，以及確保那些大小和形狀與智能手機類(lèi)似的物體不能被充電。該系統在識別到有物體出現在了它和智能手機之間，對充電造成干擾時(shí)，還可以在50毫秒內自動(dòng)關(guān)閉。
智能手機對于寬帶無(wú)線(xiàn)通信、圖像處理等多方面的需求導致實(shí)際耗電呈指數增長(cháng)。未來(lái)5G通信帶寬將比4G增加10倍，4K/8K等高清視頻技術(shù)逐漸應用，CPU、GPU等運算電路處理能力不斷增強，這一切都將導致智能手機整體能耗需求將成指數增長(cháng)。
電池容量呈線(xiàn)性緩慢增長(cháng)，能耗需求缺口逐漸拉大。電池技術(shù)遲遲無(wú)法突破，成為終端使用的最大瓶頸。電池容量增長(cháng)緩慢，每年線(xiàn)性提升約15%，而能耗則是呈指數增長(cháng)，能耗需求與電池性能的差距愈發(fā)明顯。電池性能曲線(xiàn)將與能耗需求曲線(xiàn)嚴重脫軌，提高充電速度成為電池續航的關(guān)鍵解決方案，快速充電已成為市場(chǎng)競爭熱點(diǎn)。
一、快速充電原理
快速充電技術(shù)將成為手機標配。在電池容量無(wú)法迅速取得突破，手機用電量又飛速增長(cháng)的前提下，快速充電技術(shù)普及尤為必要。中國信息通信研究院對快速充電的定義是：30分鐘充電進(jìn)入電池的平均電流大于3A或者30分鐘充電電量大于60%。
快速充電系統包括快充標準，快充電源適配器，接口E-marker芯片，充電線(xiàn)纜，手機快充芯片，電池等多個(gè)部分。各部分都必須針對不同標準專(zhuān)門(mén)設計，才能實(shí)現快充功能，并且保證充電安全。

1、 手機的四個(gè)充電環(huán)節
1）充電適配器
充電適配器的任務(wù)是把220V的市電轉換為手機能夠承受的5V電壓（現在應各種充電協(xié)議，如QC和USB PD（Type C接口）等的要求，也要求能夠送出9V/12V/14.5V甚至20V的電壓。關(guān)于充電協(xié)議的話(huà)題我們已在前面一篇公眾號做過(guò)討論），同時(shí)具有一定的功率輸出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等規格。充電適配器屬于A(yíng)C-DC的技術(shù)范疇，平常所說(shuō)的快充芯片其實(shí)是對適配器AC-DC芯片和手機端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片（以 DC-DC技術(shù)為實(shí)現手段）的統稱(chēng)，但本文的快充芯片特指手機端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片。
2）充電線(xiàn)纜
充電線(xiàn)纜的任務(wù)就是負責把電壓/電流從適配器端傳送到手機端，由于目前絕大多數充電線(xiàn)實(shí)際上就是USB線(xiàn)。這里有一個(gè)參數需要提請大家注意。按照USB2.0的標準，線(xiàn)纜需要具備傳送最大1.8A的電流能力，因此如果是5V的適配器，USB2.0的線(xiàn)纜最大能傳送的功率其實(shí)只有9W。
3）快充芯片
它的任務(wù)是把適配器的5V/9V/12V等電壓轉換成電池的電壓，同時(shí)按照需要的充電電流精確可控地向電池進(jìn)行充電。從技術(shù)上看，快充芯片是這四個(gè)環(huán)節中最具有挑戰的部分，因此目前業(yè)界有能力提供高品質(zhì)高可靠性的快充芯片的廠(chǎng)家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導體等少數幾家國外大廠(chǎng)為主，國內的希荻微電子、漢能經(jīng)過(guò)幾年堅持不懈的自主研發(fā)，已推出了一系列的快充芯片，打破了國外大廠(chǎng)的壟斷局面，并已在各大手機方案商和品牌商得到廣泛的應用�？斐湫酒�具體的介紹將在下文做詳解。
4）電池
電池是這個(gè)環(huán)節非常重要的部分，整個(gè)充電環(huán)節都是為了使電池快速而安全地充滿(mǎn)電量。電池的主要參數包括：容量（mAH，手機中常見(jiàn)的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充電截止電壓（目前常見(jiàn)的有4.2V, 4.35V和4.4V規格，更高的充電截止電壓，在同等的電池體積情況下，通常具有更高的電池容量，因此目前所謂的4.35V及以上的高壓電池逐漸在手機上得到更廣泛的應用），以及可接受的最大充電電流等等。其中，可接受的最大充電電流一般以nC來(lái)表示。例如一個(gè)3000mAH的電池，1C的充電速度是指一個(gè)小時(shí)之內即可充滿(mǎn)電池，此時(shí)可接受的最大充電電流就是3A；如果允許2C的充電速度，那么理論上半小時(shí)就可以充滿(mǎn)電池，則此時(shí)可接受的最大充電電流即為6A；以此類(lèi)推等等。

二、 經(jīng)典的三段式充電
其實(shí)給鋰離子電池充電的過(guò)程和我們生活中用水龍頭向洗臉盆放水的過(guò)程非常類(lèi)似：
第一階段：當開(kāi)始給一個(gè)空的臉盆放水的時(shí)候，為了不讓水濺出來(lái)，會(huì )把水量控制得很��；第二階段：等到臉盆底部積滿(mǎn)了一定水位之后，才把水龍頭開(kāi)得比較大，臉盆里已有的水可以對這樣急速的進(jìn)水起到緩沖作用，從而不會(huì )有水花濺出；第三階段：當水位快到臉盆頂部的時(shí)候，此時(shí)我們又會(huì )逐漸減小進(jìn)水量，以防止有水沖出臉盆之外，直至積滿(mǎn)整個(gè)水盆。
電池就像這個(gè)臉盆，只不過(guò)它儲存的不是水，而是電荷。電池的充電也有類(lèi)似的三個(gè)階段：
第一階段：涓流充電。電池的特點(diǎn)是，當電池電壓（大致相當于水位）非常低的時(shí)候，其內部的鋰離子活動(dòng)性較差，內阻較大，因此只能接受較小的充電電流（一般在30到50mA左右），否則電池容易發(fā)熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問(wèn)題，因此把這個(gè)階段稱(chēng)為涓流充電，也有同行將之稱(chēng)為線(xiàn)性充電或者預充電等等。
第二階段：恒流充電。當電池電壓高于2V以上，電池的鋰離子活動(dòng)性被充分激活，內阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。在這個(gè)階段，快充芯片會(huì )按照設定向電池提供可接受的充電電流，因此在這個(gè)階段電池得到的電量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。
第三階段：恒壓充電。電池是一個(gè)十分嬌氣的儲能元件，它的電池電壓不允許超過(guò)截止電壓的±50mV，否則就會(huì )有安全隱患。因此，當電池電壓被充到接近充電截止電壓的時(shí)候，快充芯片必須能夠自動(dòng)減小充電電流，控制“水花”不要超出范圍，直至把電池完全充滿(mǎn)。
一個(gè)合格的快充芯片，必須能夠根據電池電壓的高低，自動(dòng)地控制充電過(guò)程在上述三個(gè)階段之間進(jìn)行無(wú)縫切換，而無(wú)需其他硬件或者軟件的幫助。