关于 iPhone 8 无线充电和它是怎样实现的,看这一篇就够了

iPhone 8 的预热早早就开始了。最新的一则消息是苹果加入无线充电标准联盟 WPC。对沉寂已久的无线充电行业来说,这不啻于一剂强心针。

早在《爆料:亮瞎眼的 iPhone 8 测试机》一文爆出 iPhone 8 无线充电技术细节的四天前,郝鹏就发现了苹果新品将用无线充电的蛛丝马迹。

Wireless charging Apple

“2 月 11 日晚上,我在登陆官网查询的时候,苹果的名字赫然在列。”郝鹏博士是楚山电子创始人和 CEO,同时也是 WPC 成员,公司近期刚获得天使+轮投资。他当晚的朋友圈截图也被圈内外的朋友大规模转发。苹果是消费电子行业当之无愧的巨无霸,它的引导作用毋庸置疑。

回溯历史你会发现,苹果向来在新技术新标准上激进超前,近有 MacBook 强行吃下 USB-C,远有摒弃软盘、光驱和机械硬盘。与此同时,很多技术和标准的流行普及也仰赖于苹果的推广。无线充电行业近几日的兴奋就不难理解了。当然,苹果也不是万金油。这就是另一个话题了。

在这一简单的事件背后,其实还有不少值得推敲的技术细节,比如在主流的两大无线充电联盟中,苹果为什么选择 WPC,以及 iPhone 8 到底会使用哪一种无线充电标准;更关键的是,苹果能在多大程度上改善无线充电的使用体验,而不致显得鸡肋。这些疑问都将会在下文中得到解答。

磁感应,还是磁共振

先来解释下磁感应和磁共振的基础知识。两者应用的都是电磁感应原理。

法拉第铁圈实验示意图:左边线圈磁通量的改变,会在右边线圈感应出电流。

法拉第铁圈实验示意图:左边线圈磁通量的改变,会在右边线圈感应出电流。

电磁感应是发电机、变压器等多数电力设备操作的基础。它的发现人是迈克尔·法拉第(对,贾跃亭“造车”公司的名称就来源于此)。下面是维基百科的解释:

电磁感应(Electromagnetic induction),是指放在变化磁通量中的导体,会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使电子流动,形成感应电流(感生电流)。

说得简单一点:左边线圈磁通量的改变,会在右边线圈感应出电流。把左右两边线圈拍扁压平,接收线圈放在手机背面,发射线圈连接电源,你就得到了一个原始的无线充电装置。第一代的磁感应无线充电器便是这么来的。

缺陷是因为缺少了磁性材料的束缚,发射线圈的部分磁通就不会经过接收线圈,术语叫耦合度低。所以需要手机和无线充电器对齐贴紧。否则会遇到手机明明放在充电器上了,一觉醒来没有充进电的尴尬。

磁共振无线充电器则是用谐振器件(电感和电容)使发射端和接收端达到特定频率,从而产生磁场共振,进而阐述能量,优点是传输效率高。关于传输效率这一点可以参照共振现象来理解:军队步伐整齐通过桥梁,桥塌了。

此外,磁共振技术还具有传输功率高的特点,商用领域可以达到 1000W 以上,而且方便做到一对多同时充电。缺点是成本较高,目前大众熟知的是 Airfuel 旗下的 6.78MHz 磁共振技术标准。6.78MHz 也成了WPC 和 Airfuel 之间的关键差异,具体下文阐述。

ApplePay1

6.78MHz 的原罪

说起磁感应和磁共振两种无线充电方式,不少人倾向于把 WPC(Wireless Power Consortium)与 Airfuel 对立。其实不然,两者均有磁感应和磁共振协议。Airfuel 由 A4WP、PMA 合并而来。合并之前 A4WP 的主导技术标准是磁共振,而 PMA 使用的则是磁感应,两者合并之后 Airfuel 把磁共振当成了包装的重点。

WPC 是目前最大的无线充电联盟,会员数量超过 200 家,其中有诺基亚、HTC、LG、索尼、三星、高通还有新近加入的苹果。它在 2010 年制定公布的 Qi 规范是目前应用范围最广的无线充电标准,支持的产品超过 1300 余种。前文提到的楚山电子亦是 WPC 成员。

原 A4WP 的成员则有高通、三星、Duracell Powermat 和英特尔等;PMA 则得到了星巴克、Google 和 AT&T 的支持。需要特别说明的是,“买基带送芯片”的高通在三个联盟中都有参与,它既是 A4WP 创始会员,也是 WPC 董事会成员和 PMA 资深领导会员。三星是另一个骑墙派。2014 年 A4WP 和 PMA 合并之后,它在 Airfuel 和 WPC 中均有参与。

早前大部分的 Qi 产品都是磁感应式。而在在最新的 Qi 1.2 标准除了加入对多装置充电的支持,也纳入了磁共振技术,充电功率增加到 2000W。郝鹏告诉 PingWest 品玩(微信号:wepingwest),Q1.2.2 规范中,涉及的磁感应频率在 87~205KHz。《爆料:亮瞎眼的 iPhone 8 测试机》一文中提到 iPhone 8 测试机的磁性材料频率大概为 300KHz,稍高于 Q1.2.2 中的规范。

鉴于该规范中对磁共振频率并没有明确规定。所以不排除苹果 iPhone 8 会使用磁共振技术实现无线充电。“极有可能。”在 WPC 框架下做 KHz 级磁共振无线充电解决方案的郝鹏对于这点信心颇足。以苹果对用户体验的苛刻,它很难容忍对不齐无法充电这件事的。在私下沟通时,WPC 主席告诉郝鹏,Qi 1.2 之所以加入磁共振技术支持,原因有两个,一是给低功率的产品提供更大的空间自由度,主要是纵向距离,二是提供更大的功率。

苹果其实在 Apple Watch 两代产品中已经使用了无线充电技术,而且也是基于 WPC 框架,只不过并未兼容通用无线充电器。这两代产品也为苹果做了技术上的积累。就像 iPhone 6 便加入了体积硕大的线性制动器(振动器),直到下一代的 iPhone 6s 才开放触觉反馈功能。iFixit 当时在拆解 iPhone 6 时一度怀疑苹果为何要做这么重的一个振动器。联想副总裁常程告诉 PingWest 品玩(微信号:wepingwest),这单颗振动器的成本高达 3 美元。抢先上马触觉反馈的 Android 手机品牌技不如人也就情有可原了,成本压力是实实在在的。

为什么苹果没有加入 Airfuel,而是选择了 WPC?除了它已经基于 Qi 框架给 Apple Watch 做无线充电功能外,另一个原因是,Airfuel 规范下磁共振的频率固定为 6.78MHz(相比之下 WPC 标准是一个频段区间 87~205KHz)。

6.78MHz 是免费 ISM(Industrial Scientific Medical)中最低的频率。Wi-Fi 为 5GHz/2.4GHz,Bluetooth/ZigBee 2.4GHz,以及 RFID/NFC 13.56MHz,这些ISM频段都免费试用。其它频段,比如广电信号,是付费的;甚至军用频道,更不会开放。

该频率与 NFC/RFID 的 13.56MHz 是整数倍的关系,两者之间会产生强烈的信号干扰。这基本上已经是行业里公开的秘密了。想必苹果不会对 Apple Pay 支付体验置之不顾。而且由于高频磁共振的技术实现难度过高,迄今为止,并没有 Airfuel 磁共振产品大批量商用。

如此尴尬的 6.78MHz 怎么就成了 Airfuel 的标准?这要追溯到 MIT 2007 年关于磁共振无线充电技术的一项著名实验。此次试验也被认为是第一次现代意义上的无线充电。项目小组 WiTricity 隔着两米的距离点亮了一个 60W 的灯泡,效率达到 45%,频率 9.9MHz。后来项目组以同样的名字公司化运作,并在 2011 年获得丰田投资。

尽管存在一些缺陷,并不意味着 Airfuel 全然没有机会。它的优点在于长距离。这是很多创业者和研究机构正在探索的方向。想象一下当下越来越流行的以特斯拉为代表的电动汽车,停车即可充电,家中装上无线充电装置,随时随地充电,告别续航焦虑。

致力于 Airfuel 无线充电标准的微鹅科技展示的充电方案。

致力于 Airfuel 无线充电标准的微鹅科技展示的充电方案。

至于苹果 iPhone 8 无线充电技术会达到什么样的水准,可以参照一下楚山电子现在的技术水平:3~5cm 有效充电距离,充电效率 80% 左右,目前已经有样机(Airfuel 磁共振方案的效率是 85%,但这只是实验室数据且目前并没有商用产品,难以验证)。郝鹏认为,iPhone 8 的无线充电发射功率可能会在 20W 以上。作为对比,iPad 配备的充电器的功率只有 10W。

无线充电的春天真的来了吗?

“最近深圳厂商疯狂找我们,销量也开启了。”

杨柏洁是北京一位无线充电领域的创业者,现在已经做了面向消费者的麦极客无线充电套装。苹果加入 WPC 的消息同样带给他不少触动。“我个人判断苹果不会用(兼容) Qi,不过无线充电的市场要起来了。”他这样告诉 PingWest 品玩(微信号:wepingwest)。

“你看前几年三星做无线充电,没有人跟。国内厂商一概不做。苹果一入场,情况就大不一样了。”

对此,郝鹏的评价更直接,“当 iPhone 上了无线充电,这才是决定性的。现在正处在市场爆发的前夜。”

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