扔掉電源線，給自己的智能手機進行無線充電。這對于許多人來說可能有點天方夜譚。但事實上，無線充電技術很快就要進入大規模的商用化，這項此前不為大眾所熟悉的技術，正悄然來到我們的面前。
老技術、新技術
以無線的方式傳輸電能，其實是一項非常古老的技術，它可以追溯到人類開始擁有電力的19世紀。當時對于電力的傳送有兩種思路，一種是以愛迪生為代表的有線派，即架設線纜用于電力的遠距離傳輸，這種方案成熟可靠，缺點是工程量巨大，并且成本高昂。還有一種就是尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla，世界上第一臺交流電發電機的發明者)在19世紀末提出的無線傳輸方式，特斯拉當時構想通過電磁感應的方式，讓電能以大地和天空電離層為介質進行低損耗的傳送。這項實驗據說獲得成功，但是因政治和經濟因素被中止。無線傳輸技術后來只是被用于電信號發送領域，也就是信息的交流，遠距離能量傳輸從來都沒有進入實用化，雖然它在物理學上是完全可行的。
諾基亞Lumia 920智能手機可實現無線充電
直到一百年后的今天，這種局面才獲得改變。在電動牙刷、剃須刀等不少低功率的日用家電產品中，我們看到了非接觸式無線充電技術的應用，給用戶帶來相當的便利。隨著無源式RFID電子標簽的實用化和無線網絡技術的大發展，諸如隔空點亮燈泡的無線供電實驗也屢見報端，這一切都點亮了人們對“無線”未來生活的無限憧憬，科學界也不遺余力地朝著這個方向努力。
2001年5月，國際無線電力傳輸技術會議在印度洋上的法屬留尼汪島(Reunion Island, France)召開，法國國家科學研究中心的皮格努萊特(G. Pignolet)作了一個公開實驗：他利用微波技術，將電能以無線的方式傳輸，最后點亮了一個40米外的200瓦燈泡。其后，據研究者有關文章介紹2003年在島上建造的10千瓦試驗型微波輸電裝置，已開始以2.45GHz頻率向接近1km的格朗巴桑村(Grand-Bassin)進行點對點無線供電。
到2006年末，也有報道稱麻省理工學院在無線電力傳輸技術上獲得突破：以物理學助教授馬林·索爾賈希克為首的研究團隊試制出的無線供電裝置，可以點亮相隔2.1米遠的60瓦電燈泡，能量效率可達到40％，相關內容刊登在2007年6月7日的《ScienceExpress》在線雜志上。這個“隔空點燈泡”實驗引起了歐美及全球各大媒體的極大關注。后來英特爾西雅圖實驗室的Joshua R.Smith在這一成果上進行改進研究，并將供電效率提高到75%（1米范圍內），這樣的效率相當了不起，對于筆記本電腦、智能手機、平板這樣的設備來說已足夠優秀，而英特爾也在2008年8月的信息技術峰會上對此作了演示。
不過，相對于大功率電能傳輸，小功率的無線充電技術更具實用價值，需要頻繁充電的智能手機是該項技術最大的受益者。在四年后的今天，我們在諾基亞Lumia 920智能手機上看到了商用級無線充電技術的身影，與此同時大量的手機廠商和外設廠商跟進，針對智能手機的無線充電技術一夜之間就進入爆發前夜。
無線充電四大“流派”
無線充電技術可以分為四種類型，第一類是通過電磁感應“磁耦合”進行短程傳輸，它的特點是傳輸距離短、使用位置相對固定，但是能量效率較高、技術簡單，很適合作為無線充電技術使用。第二類是將電能以電磁波“射頻”或非輻射性諧振“磁共振”等形式傳輸，它具有較高的效率和非常好的靈活性，是目前業內的開發重點。第三類是“電場耦合”方式，它具有體積小、發熱低和高效率的優勢，缺點在于開發和支持者較少，不利于普及。第四類則是將電能以微波的形式無線傳送——發射到遠端的接收天線，然后通過整流、調制等處理后使用，雖然這種方式能效很低，但使用最為方便，英特爾是這項方案的支持者。
四種現在我們能見到的無線充電技術
1.電磁感應方式
我們今天見到的各類無線充電技術，大多是采用電磁感應技術，我們可以將這項技術看作是分離式的變壓器。我們知道，現在廣泛應用的變壓器由一個磁芯和二個線圈(初級線圈、次級線圈)組成；當初級線圈兩端加上一個交變電壓時，磁芯中就會產生一個交變磁場，從而在次級線圈上感應一個相同頻率的交流電壓，電能就從輸入電路傳輸至輸出電路。如果將發射端的線圈和接收端的線圈放在兩個分離的設備中，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、就產生了電流，這樣我們就構建了一套無線電能傳輸系統。
電磁感應式的原理示意
這套系統的主要缺陷在于，磁場隨著距離的增加快速減弱，一般只能在數毫米至10厘米的范圍內工作，加上能量是朝著四面八方發散式的，因此感應電流遠遠小于輸入電流，能源效率并不高。但對于近距離接觸的物體這就不存在問題了。最早利用這一原理的無線充電產品是電動牙刷——電動牙刷由于經常接觸到水，所以采用無接點充電方式，可使得充電接觸點不暴露在外，增強了產品的防水性，也可以整體水洗。在充電插座和牙刷中各有一個線圈，當牙刷放在充電座上時就有磁耦合作用，利用電磁感應的原理來傳送電力，感應電壓經過整流后就可對牙刷內部的充電電池充電。
磁共振方式對于設備具有更高的自由度，不會局限于固定的位置。
這種工作方式用在智能手機中完全可行，蘋果公司、摩托羅拉公司、LG、松下和NTT DoCoMo都在開發各自的無線充電器。理論上說，只要在充電座和手機中分別安裝發射和接收電能的線圈，就能實現像電動牙刷一樣的無節點充電。由此，手機的充電方式可以變得更加靈活，接口也有望得到統一，提高用戶使用的方便性。
[page]2.磁共振方式
與電磁感應方式相比，磁共振技術在距離上就有了一定的寬容度，它可以支持數厘米至數米的無線充電，使用上更加靈活。磁共振同樣要使用兩個規格完全匹配的線圈，一個線圈通電后產生磁場，另一個線圈因此共振、產生的電流就可以點亮燈泡或者給設備充電。除了距離較遠外，磁共振方式還可以同時對多個設備進行充電，并且對設備的位置并沒有嚴格的限制，使用靈活度在各項技術中居于榜首。在傳輸效率方面，磁共振方式可以達到40%～60%，雖然相對較低但也進入商用化沒有任何問題。
磁共振方式可以支持電動汽車等大功率設備
富士通公司在2010年對磁共振系統進行展示，在演示中它成功地在15厘米距離內點亮兩個燈泡，具備良好的實用價值。除了富士通外，長野日本無線、索尼、高通、WiTricity都采取這項技術來開發自己的無線充電方案，其中WiTricity的應用領域是為電動汽車無線充電。
3.電場耦合方式
日本村田制作所開發的“電場耦合”無線供電系統則屬于少數派，隸屬于這一體系的還包括日本的竹中工務店。電場耦合方式與“電磁感應”及“磁共振”方式都不同，它的傳輸媒介不是磁場而是電場。
電場耦合式供電系統的基本電路結構
這套系統包括一個送電側和受電側，前者包括兩組電極、一個振蕩器、一個放大器和一套升壓電路：Passive電極主要起接地作用，Active電極則用于產生電場。而振蕩器的作用則是將輸入的直流電轉變為交流電，放大器和升壓電路則負責提升電壓。例如接入為5V的適配器，經過振蕩器、放大器和升壓電路后就會產生一個1.5KV的高壓電，驅使Active電極產生一個高壓電場。而受電側也與此對應，接收電極感應到高壓電場，再經過降壓電路及整流電路后、就產生了設備能實際使用的直流電壓。目前，村田制作所已獲得這種構造的技術專利。
相對于傳統的電磁感應式，電場耦合方式有三大優點：充電時設備的位置具備一定的自由度；電極可以做得很薄、更易于嵌入；電極的溫度不會顯著上升，對嵌入也相當有利。首先在位置方面，雖然它的距離無法像磁共振那樣能達到數米的長度，但在水平方向上也同樣自由，用戶將終端隨意放在充電臺上就能夠正常充電。我們可以看到電場耦合與電磁感應的對比結果，電極或線圈間的錯位用dz/D（中心點距離/直徑）參數來表示，當該參數為0時，表示兩者完全重合，此時能效處于最高狀態。當該參數為1時，表示兩者完全不重合。我們可以看到，此時電場耦合方式只是降低了20%的能量輸入，設備依然是可以正常充電，而電磁感應式稍有錯誤、能量效率就快速下降，錯位超過0.5時就完全無法正常工作，因此，電磁感應式總是需要非常精確的位置匹配。
電場耦合系統架構示意
電場耦合方式的第二個特點是電極可以做到非常薄，比如它可以使用厚度僅有5微米的銅箔或者鋁箔，此外對材料的形狀、材料也都不要求，透明電極、薄膜電極都可以使用，除了四方形外，也可以做成其他任何非常規的形狀。這些特性決定了電場耦合技術可以被很容易地整合到薄型要求高的智能手機產品中，這也是該技術相對于其他方案最顯著的優點。顯而易見，若采用電場耦合技術，智能手機廠商在設計產品時就有很寬松的自由度，不會在充電模塊設計上遭受制肘。
第三個優點就是電極部分的溫度并不會上升——困擾無線充電技術的一個難題就是充電時溫度較高，會導致接近電極或線圈的電池組受熱劣化，進而影響電池的壽命。電場耦合方式則不存在這種困擾，電極部分的溫度并不會上升，因此在內部設計方面不必太刻意。電極部分不發熱主要得益于提高電壓，如在充電時將電壓提升到1.5kv左右，此時流過電極的電流強度只有區區數毫安，電極的發熱量就可以控制得很理想。不過美中不足的是，送電模塊和受電模塊的電源電路仍然會產生一定的熱量，一般會導致內部溫度提升10～20℃左右，但電路系統可以被配置在較遠的位置上，以避免對內部電池產生影響。
電場耦合方式具有更好的位置自由度
村田制作所目前已經成功地開發出5瓦和10瓦充電的產品，并致力于實現小型化，制作所計劃從今年開始向市場投放小型產品，未來則朝著50瓦、100瓦等大功率產品的方向前進。
4.微波諧振方式
英特爾公司是微波諧振方式的擁護者，這項技術采用微波作為能量的傳遞信號，接收方接受到能量波以后，再經過共振電路和整流電路將其還原為設備可用的直流電。這種方式就相當于我們常用的Wi-Fi無線網絡，發收雙方都各自擁有一個專門的天線，所不同的是，這一次傳遞的不是信號而是電能量。微波的頻率在300MHz～300GHz之間，波長則在毫米-分米-米級別，微波傳輸能量的能力非常強大，我們家庭中的微波爐即是用到它的熱效應，而英特爾的微波無線充電技術，則是將微波能量轉換回電信號。
Intel無線充電技術采用微波諧振方案
微波諧振方式的缺點相當明顯，就是能量是四面八方發散的，導致其能量利用效率低得出奇，如英特爾的這套方案，供應電力低至1瓦以下，乍一看起來實用性相當有限。而它的優點，則是位置高度靈活，只要將設備放在充電設備附近即可，對位置的要求很低，是最符合自然的一種充電方式。我們可以看到，當設備收發雙方完全重合時，電磁感應和微波諧振方式的能量效率都達到峰值，但電磁感應明顯優勝。不過隨著X-Y方向發生位移，電磁感應方式出現快速的衰減，而微波諧振則要平緩得多，即便位移較大也具有相當的可用性。
盡管能量和效率處于較低的水平上，乍看實用價值較為有限，但作為PC業的巨頭，英特爾具有化腐朽為神奇的本領，而它的做法也相當巧妙：英特爾將超極本設計為無線充電的發送端，Atom Z平臺手機作為接收端，這樣只要手機放在超極本旁邊，就能夠在不知不覺中、連續不斷地充電—相信在上班時，大多數用戶都有將手機放在桌面上的習慣，此時充電工作就可以在后臺開始了。即便英特爾所用的微波諧振方式只能充入很低的電量，但在長時間的充電下，智能手機產品的電力幾乎將永不衰竭，至少從用戶角度上看是這樣，因為只要他攜帶著筆記本電腦、就根本不再需要關注充電問題。
諧振方案在自由度方面表現亦優于電感方式
無線充電技術被英特爾提升到戰略性的高度，它可以起到同時推廣超極本和“Atom Z”系列X86智能手機平臺的目的——在智能手機平臺，英特爾只能算是后來者，加上X86架構在功耗設計上的先天弱勢，外界認為英特爾機會有限，難以對ARM構成挑戰。但借助無線充電技術，英特爾的超極本和Atom Z平臺都會對傳統商務用戶產生巨大的吸引力。
電磁感應的“Qi”標準與磁共振的“WiPower”標準
無線充電技術要實現廣泛的商用化，設備標準化工作顯然是關鍵，畢竟智能手機及充電產品林林總總、數不勝數，如果沒有標準的統一規范，將無法在兼容方面達成一致。
第一個亮相的標準就是由無線充電聯盟(Wireless Power Consortium，WPC)在2010年8月推出的“Qi”標準，WPC聯盟成立于2008年，其目的是達成無線充電技術標準的統一，并確保任何成員公司之間的產品兼容性。WPC聯盟的成員目前已經超過100多家，大量的手機廠商（摩托羅拉、諾基亞、RIM、三星、LG等）、芯片制造商（飛思卡爾、德州儀器）再到無線運營商（威瑞森無線、日本NTT DoCoMo）都是WPC的成員，在目前擁有主導地位。
WPC的標準稱為“Qi”（發音為“chee”，即中文的“氣”，代表生命力這個概念），它采用的技術方案就是傳統的電磁感應式。在標準頒布后，第一批具有Qi無線充電功能的產品在2010年底率先推出，HTC、韓國LG、摩托羅拉、三星、富士通（Fujitsu）、NEC（即日本電氣）及夏普等公司也先后制造出內置 Qi無線充電功能的智能手機產品，但當時業界的注意力都放在智能手機的硬件和OS上，無線充電功能一直沒有獲得真正意義上的廣泛使用。
超級本作為充電站，可以隨時隨地為智能手機充電。
造成這種情況的另一個原因就在于充電設備的滯后，在我們前面的介紹中，大家應該清楚電磁感應式充電最大的弊端在于對位置要求很高，對此Qi標準也明確規定了三種解決方案，分別為：可移動式線圈、多線圈和磁鐵吸引方式。
松下和三洋是可移動式線圈方案的代表者，他們將充電底座的線圈設計在一個可移動的伺服機構上，當設備放在充電座上后，檢測機構將位置信號及時傳送給底座的控制系統，然后驅動伺服機構、將底座線圈移動到設備的正下方，使得兩個線圈高度重合。顯然，這種方案可以做到很高的能量效率，但充電底座的設計過于復雜，一旦伺服機構無法正常工作，整個充電座便因此報廢。與這種方法不同，Maxell、Energizer的多線圈設計就比較高明，它們為充電座設計了多個線圈構成的線圈陣，當設備放在上面時，與接收端線圈重合面積最大的線圈會處于激活狀態，從而實現小范圍的自由放置。這套方案固然無法做到效率完美，但勝在可靠性高和成本低廉。
還有一種方法就是在底座線圈中央放置一個強磁鐵。當設備放在附近時，在磁鐵的作用下，設備上的接收線圈可以與底座線圈的位置相吻合，這也是比較討巧的一種方案，它的開發者是安利旗下的Fulton公司。
Intel的無線充電模塊具有較小的尺寸，可直接整合于主板。
Qi標準最大的問題在于成員太多，彼此都要顧及相互利益，而手機廠商又缺乏熱情——對智能手機廠商而言，支持無線充電技術會給設備開發帶來麻煩，并面臨一些諸如發熱量高、電池壽命有限的不必要風險，所以它們對于無線充電技術興趣不高。因此，在Qi標準推出之后的兩年內，都不見手機廠商有太大的動作。直到今年9月份，諾基亞發布的Windows Phone 8平臺智能手機Lumia 920身上，我們才看到Qi標準獲得公開支持。諾基亞也為Lumia 920帶來了配套的充電板，充電板本身則采用USB接口來供電。
相比之下，配件開商對于Qi標準卻高度支持，這顯然是一塊利潤新藍海，許多設計和功能各異的充電板已經箭在弦上。不出意外的話，我們將在一年內看到這些產品大量上市。
作為智能手機業的兩大重量級巨頭，高通(Qualcomm)和三星(Samsung)對QI標準并不感冒，他們認為位置受限令該標準喪失了無線充電的方便性，這兩家公司在今年5月份宣布成立了一個名為“Alliance for Wireless Power（A4WP）”的新組織，選擇了位置自由度高、可同時充電多個產品的磁共振技術作為標準方案。A4WP涉及的領域還有汽車、家具、芯片、流通等。
A4WP將這套方案稱為“WiPower”，除了針對智能手機、筆記本電腦等設備外，它還將實現對電動汽車的無線充電。A4WP雖然尚未公布詳細的標準細節，但它對QI構成的挑戰已顯而易見：三星是世界上最大的智能手機廠商，而高通又是最大的芯片供應商，加上磁共振技術自身又具有顯著的優勢，一旦進入成熟階段，將會對電磁感應的QI標準構成全面的挑戰。大概也是意識到這一點，WPC聯盟近來也開始將磁共振作為可選的標準之一，如果沒有太大意外的話，磁共振可能會成為無線充電的主導技術。
借助超極本之力：英特爾的無線充電方案
這一次，無線充電技術充當了超極本和Atom智能手機橋梁的作用。
Atom Z平臺最大的優點在于性能強勁，最大的缺點則是功耗較高、導致電池續航力短，雖然英特爾通過領先的半導體工藝來降低芯片功耗，但X86架構的先天限制讓它很難同ARM站在同一起跑線上。即便實力與ARM產品相同，智能手機廠商又憑什么支持Atom呢？畢竟沒有足夠大的誘惑，很難說服手機廠商改投英特爾門下。
Intel無線充電方案配備了強大的輔助軟件
無線充電技術便扮演了推動者的角色。英特爾選擇低效率的微波諧振技術，原因就在于這項技術具有最好的空間自由度，手機可以在充電設備附近任意放置，都能實現正常的充電任務。同時，英特爾巧妙地利用了自身在筆記本電腦上的資源，將筆記本電腦、尤其是超極本作為無線充電平臺，用戶根本無需再額外接一個USB端口的充電板，就能直接為手機充電。同時，連續不間斷充電的方式，也讓Atom平臺手機永遠不會有電力匱乏的憂慮，巧妙地彌補了該平臺耗電量稍大的不足。
英特爾計劃在2013年推出這套無線充電系統。日前，它已宣布與IDT（Integrated Device Technology）達成合作：IDT將在年底前出樣該共振接收器芯片，2013上半年供應發射器IC樣片，雙方共同針對超極本、PC、智能手機以及獨立充電器等產品推出對應的無線充電參考設計。根據英特爾目前的方案，整合于超極本的發射器尺寸在7cm×3cm左右，采用USB 2.0總線供電，最高提供15瓦能量，發射器一般被設計在筆記本的左側或者右側，它本身散發的熱量則由一體式的散熱器解決。
除硬件之外，英特爾還專門為此無線充電系統設計了配套的軟件——軟件提供了檢測充電設備、智能控制充電、設備位置校驗等功能；更為強大的是，該軟件可以控制發射端的電磁波發射范圍和方向，可以充分保證無線充電的效率。
結語
任何一種給人們帶來方便的技術，總是會受到大眾的歡迎，無線充電技術的到來，讓智能手機擺脫了最后一條線纜的羈絆，我們能預見到無線充電將會成為主流的應用方式，傳統的充電線纜則會成為必要的補充。
倘若我們深入分析，便很容易在這三種流行的無線充電方式中辨明優劣：電磁感應體系的QI標準，固然擁有很高的能源效率，但使用不便是它的致命傷；基于磁共振的WiPower技術以其靈活的使用方式、可靠的效率以及大功率支持等方式，有望獲得更廣泛的支持。而英特爾的微波共振技術，盡管效率最低、但使用上最為方便，尤其將超極本、智能手機捆綁一體的優勢增色不少，只要今后Atom Z平臺表現得不太差，在智能手機領域占有一席之地并不會有太大的問題。
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