每次要幫手機、電腦，或者其他各種電器充電時，總是要接一條充電線，充電線一多，還常常接錯，實在非常麻煩。幸好，現在愈來愈多的電子產品，開始使用無線充電的技術了！只要優雅的將手機放在一個小小的、像杯墊一樣的東西上面，不必接線就能輕松充電，這么厲害的科技背后有什么原理呢？讓我們一起來探究其中奧妙。

電與磁的交互作用
一般見到的無線充電，運用的是電流磁效應和電磁感應的原理。1819 年，丹麥科學家厄斯特觀察到一段導線上如果通有電流，四周將會產生磁場，可以讓指北針偏轉。后人則進一步發現，將導線圍成環狀，甚至繞成線圈，產生的磁場將會更強、更集中，這稱為電流磁效應。

至于電磁感應，則是在 1831 年由法拉第發現的。讓一塊磁鐵或其他的磁場來源靠近一段沒有電流的線圈，線圈上就會產生感應電流，稱為電磁感應。值得注意的是，電磁感應的成立要點是磁場要有變化，例如磁鐵愈來愈靠近 （愈來愈遠離其實也可以）。外加磁場若是一直保持不變，是不會有感應電流的。

總而言之，電流磁效應就是電流的流動在四周產生磁場，電磁感應則是不斷變化的外加磁場使線圈產生感應電流。

利用電磁感應來充電

這兩種物理現象同時運用，就可以進行無線充電。目前的無線充電設備，都包含一個充電座，里面其實正是線圈。將充電座接到家用插頭后，線圈周圍會因為電流磁效應而產生磁場。要充電的電子產品，里面也都有一個線圈，當它靠近充電座時，充電座的磁場將透過電磁感應，在電子產品的線圈上產生感應電流。感應電流導引到電池，就完成了充電座和電子產品間的無線充電。

你可能會問，磁場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，這樣為何會有電磁感應呢？原來，家用插座中流出的電是交流電，也就是說電流的方向不斷的交替變化，一會兒順著流，一會兒反著流。正因為如此，充電座線圈產生的磁場隨之不斷在變換方向，并非保持不變，符合電磁感應的要件。

近來愈來愈多智慧型手機、平板電腦開始提供無線充電的功能，但是不幸的是，它們充電的時候，只要離充電座的距離稍遠一些，充電效率就會明顯下降。即便是最新的技術，充電距離也不能超過5公分，事實上，目前絕大部分可以無線充電的行動裝置，都是要完全平放在充電座上才能進行，和想像中隨走隨充的無線充電仍有點差別。

利用共振拉長充電距離
為了增加無線充電的距離與充電效率，科學家正在設法利用磁共振的原理進行無線充電。在電路中加入一些電容、電感等特殊的元件，適當連接后，會形成諧振電路。這就好像樂器行一定會有的調音工具──音叉一樣。輕敲音叉一次，它可以持續振動一段時間，同樣的，對諧振電路短暫通電，電路中也會產生維持 一段時間的訊號。

音叉具有共振這種有趣的物理性質。每支音叉都有自己的發聲頻率，當一支音叉振動發聲時，若附近有另一支發聲頻率相同的音叉，即使它沒有直接受到敲擊，也會跟著振動。音叉的共振可以說達成了能量的傳遞。諧振電路也可以共振，兩個振動頻率相同的諧振電路放在一起，其中一個開始因為通電而振蕩時，另一個電路也會跟著振蕩起來，自動產生電流，電能就這樣被隔空傳送了。這樣的現象稱為磁共振，用來進行無線充電，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，要將兩個電路調整到一模一樣的頻率，并且維持一段時間，并不是容易的事。

除了磁共振之外，也有科學家嘗試借由雷射光的光能來充電，甚至是將電能透過和家用的 Wifi 網路相近的電波頻段來傳送。希望這些技術的突破，能讓我們未來在充電時更加方便！

以蘋果、三星、中興通訊等為代表的企業在消費電子、電動汽車領域對無線充電的實踐應用將加速千億市場開啟。日前，有媒體報道稱，雖然此前iphone7擁有無線充電功能的預言沒有實現，但2017年的蘋果新機將大概率擁有無線充電功能，與此同時，根據目前企業布局無線充電的情況來看，2017年無線充電不僅在消費電子領域有所突破，在國內電動汽車領域，無線充電也將迎來較大發展契機。無線充電前景無限，那么一起來盤點一下無線充電新技術吧！

1、超聲波無線充電：有效范圍接近5米
一家名叫uBeam的公司發明了一種全新的無線充電模式，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。有了這樣的產品，只要使用專用的無線充電套，你就可以在充電的同時拿著手機在屋里走動。盡管uBeam的原型產品還比較笨重，但該公司正在努力縮小體積，盡快推向市場。據悉，已經有多家公司希望與uBeam達成戰略合作，為顧客提供這種無線隔空充電服務，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還與蘋果和三星等硬件廠商展開了溝通。

風險投資家似乎也從中看到了機會：知情人士表示，該公司希望尋求總額5000萬美元的B輪融資，估值有可能達到或超過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領投的1000萬美元A輪融資，之前還曾獲得了Andreessen Horowitz和Founders Fund等公司的320萬美元種子投資。之前有很多公司都嘗試過真正的無線充電，但多數都以失敗告終，最終只實現了磁共振充電。這種模式必須將設備靠近發射器，甚至直接與發射器接觸，所以并沒有較插電式充電實現重大突破。

uBeam早期原型機

然而，眾多大牌投資者的背書表明，uBeam的無線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，發射器通過插座或建筑物的電力系統取電，然后將其轉換成超聲波，再將震動發射到內置接收器的設備——例如配備無線充電套的手機，接收器之后負責將超聲波震動轉換成電力，為移動設備充電。

uBeam表示，這種模式的充電速度與直接使用傳統電源類似。

這種超聲波隔空充電方式有幾大優勢。首先，這種技術非常安全，它使用的超聲波與監測胎兒時使用的超聲波類似。另外，接收器的價格也很便宜，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還可以在物聯網領域發揮作用。

但最吸引普通用戶的還在于，該種技術的有效范圍大約為15英尺，對移動中的設備同樣有效。雖然智能手機已經在體積和性能上實現了重大進步，但電池續航能力仍未得到太大改觀，這不僅有損了用戶體驗，還阻礙了整個移動經濟的發展。因此，uBeam的技術可能對整個行業形成促進。蘋果和三星等科技巨頭都在努力解決充電問題，但卻遲遲未有進展。因此，他們有可能洽購uBeam。由于uBeam持有多項重要的無線充電專利，這些巨頭可能會溢價收購該公司，避免重要技術落入競爭對手之手。

從長期來看，倘若uBeam的無線充電協議果真實現應有的潛力，意味著電線將會逐漸消失。不僅是手機，其他各類用電設備也都將使用這種技術。需要明確的是，uBeam仍在克服一些嚴峻的技術挑戰，最終的產品可能無法在價格、功率、速度和安全方面達到預期。不過，倘若真能實現市場預期，便會成為一項革命性的技術，這也正是投資者夢寐以求的結果。

2、無線充電新技術：微軟擬利用聚焦光線來充電
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，有時也不夠人們日常使用，全天充電有時是很有必要的，為此微軟研究院已經制定出了一個潛在的解決方案：AutoCharge。
微軟研究人員們描述AutoCharge是一種自動定位桌子上的智能手機，并為它們充電的技術。他們制造的原型充電器可以被安裝在天花板上，有兩個工作模塊：一個監測模塊，其采用的是微軟的Kinect攝像頭，可以掃描像智能手機樣子的物體；另一個是充電模式，采用了UltraFire CREE XM-L T6來聚焦LED光線。
該AutoCharge系統采用了基于圖像處理來監測和追蹤桌上的智能手機，并自動為智能手機充電。充電器會不斷地旋轉，直到它檢測到一個看起來像智能手機的物體，之后將使用太陽能發電技術所產生的光束為智能手機遠程充電。換句話說，就是無需電線。

AutoCharge通過藍牙或手機上的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，還可以在50毫秒內自動關閉。
智能手機對于寬帶無線通信、圖像處理等多方面的需求導致實際耗電呈指數增長。未來5G通信帶寬將比4G增加10倍，4K/8K等高清視頻技術逐漸應用，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。
電池容量呈線性緩慢增長，能耗需求缺口逐漸拉大。電池技術遲遲無法突破，成為終端使用的最大瓶頸。電池容量增長緩慢，每年線性提升約15%，而能耗則是呈指數增長，能耗需求與電池性能的差距愈發明顯。電池性能曲線將與能耗需求曲線嚴重脫軌，提高充電速度成為電池續航的關鍵解決方案，快速充電已成為市場競爭熱點。
一、快速充電原理
快速充電技術將成為手機標配。在電池容量無法迅速取得突破，手機用電量又飛速增長的前提下，快速充電技術普及尤為必要。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，充電線纜，手機快充芯片，電池等多個部分。各部分都必須針對不同標準專門設計，才能實現快充功能，并且保證充電安全。

1、 手機的四個充電環節
1）充電適配器
充電適配器的任務是把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。關于充電協議的話題我們已在前面一篇公眾號做過討論），同時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AC-DC的技術范疇，平常所說的快充芯片其實是對適配器AC-DC芯片和手機端的開關式充電管理芯片（以 DC-DC技術為實現手段）的統稱，但本文的快充芯片特指手機端的開關式充電管理芯片。
2）充電線纜
充電線纜的任務就是負責把電壓/電流從適配器端傳送到手機端，由于目前絕大多數充電線實際上就是USB線。這里有一個參數需要提請大家注意。按照USB2.0的標準，線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的線纜最大能傳送的功率其實只有9W。
3）快充芯片
它的任務是把適配器的5V/9V/12V等電壓轉換成電池的電壓，同時按照需要的充電電流精確可控地向電池進行充電。從技術上看，快充芯片是這四個環節中最具有挑戰的部分，因此目前業界有能力提供高品質高可靠性的快充芯片的廠家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導體等少數幾家國外大廠為主，國內的希荻微電子、漢能經過幾年堅持不懈的自主研發，已推出了一系列的快充芯片，打破了國外大廠的壟斷局面，并已在各大手機方案商和品牌商得到廣泛的應用。快充芯片具體的介紹將在下文做詳解。
4）電池
電池是這個環節非常重要的部分，整個充電環節都是為了使電池快速而安全地充滿電量。電池的主要參數包括：容量（mAH，手機中常見的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充電截止電壓（目前常見的有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來表示。例如一個3000mAH的電池，1C的充電速度是指一個小時之內即可充滿電池，此時可接受的最大充電電流就是3A；如果允許2C的充電速度，那么理論上半小時就可以充滿電池，則此時可接受的最大充電電流即為6A；以此類推等等。

二、 經典的三段式充電
其實給鋰離子電池充電的過程和我們生活中用水龍頭向洗臉盆放水的過程非常類似：
第一階段：當開始給一個空的臉盆放水的時候，為了不讓水濺出來，會把水量控制得很小；第二階段：等到臉盆底部積滿了一定水位之后，才把水龍頭開得比較大，臉盆里已有的水可以對這樣急速的進水起到緩沖作用，從而不會有水花濺出；第三階段：當水位快到臉盆頂部的時候，此時我們又會逐漸減小進水量，以防止有水沖出臉盆之外，直至積滿整個水盆。
電池就像這個臉盆，只不過它儲存的不是水，而是電荷。電池的充電也有類似的三個階段：
第一階段：涓流充電。電池的特點是，當電池電壓（大致相當于水位）非常低的時候，其內部的鋰離子活動性較差，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），否則電池容易發熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問題，因此把這個階段稱為涓流充電，也有同行將之稱為線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。在這個階段，快充芯片會按照設定向電池提供可接受的充電電流，因此在這個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。電池是一個十分嬌氣的儲能元件，它的電池電壓不允許超過截止電壓的±50mV，否則就會有安全隱患。因此，當電池電壓被充到接近充電截止電壓的時候，快充芯片必須能夠自動減小充電電流，控制“水花”不要超出范圍，直至把電池完全充滿。
一個合格的快充芯片，必須能夠根據電池電壓的高低，自動地控制充電過程在上述三個階段之間進行無縫切換，而無需其他硬件或者軟件的幫助。