无线充电2．O！磁谐振（Rezence）充电技术详解

　　无线充电2．O！磁谐振（Rezence）充电技术详解

　　早在几年前，无线充电系统就开始抢占各种大型IT展会的明星席位。能丢掉最后一根束缚用户的电源线缆，这如何不让人兴奋？通常在展会大放异彩的技术和产品，都能快速获得市场强烈反响，取得巨大商业成功。但奇怪的是，无线充电技术却如石沉大海，经过多年的发展也依旧没有走进我们的生活。很显然，旧有的无线充电技术一定存在难以弥补的硬伤。现在，新的磁谐振无线充电技术面世，它是在沉默中爆发还是再次“死亡”？

　　新的无线充电技术被称为Rezence规范，来自A4WP(The Alliace for Wireless Power，“无线供电联盟”）。要想知道Rezence规范是否能规避前辈硬伤，最终获得成功，我们就首先得知道老一代无线技术究竟有何问题。所以我们的故事还得从QI说起……

　　未能如愿的QI

　　最先出现在公众视野内的无线充电技术来自WPC (Wireless Power Consortium，无线电力联盟），其规范被称为QI。QI是基于电磁感应式无线充电技术的商用化产物，它首次规范了无线充电业界，使得各种采用QI标准的设备能相互兼容，实现最大程度的通用。不得不说QI的诞生成功吸引了众多厂商和用户的眼球，无线充电终于跨出了第一步，而不再是愿景。但随着支持QI的设备正式上市，大家发现它的实际性能水平依旧和展会上的演示平台差不多，并没有预期的那般出色。而这也最终成为了QI不能普及开来的一大阻力。

　　QI的桎梏

　　是什么影响了QI的发挥？这还得从电磁感应式无线充电技术的原理说起。

　　QI采用的电磁感应技术，说白了就是“空气变压器”。也就是收、发变压器的两个线圈中间没有良好的磁通路，而是用空气来导磁，传递能量。由于没有良好的磁通路，所以这种技术的充电效率很难提高。更重要的是能量传输效率很大程度上还取决于接、收两个线圈de贴合程度，以及线圈间的倾斜角度。此外，充电效率还受到发射线圈与接收线圈直径比例的影响，也就是说同一个充电基座为不同设备充电时，其充电速度都不一定相同，还得看被充电设备的线圈设计。实际上QI的麻烦并不仅限于此，主要可以从三个方面来概括：

　　其一、电磁场加热问题，简单说来就是“电磁炉效应”（学名“涡流效应”）。放在充电基座上的金属异物，会吸收电磁场产生涡流而发热。对发射机而言，会造成输出功率过大导致过载，而接收机却得不到足够的能量。

　　其二、距离与耦合紧密度会极大程度地影响充电速度与效率。有人调侃道：“我们本希望丢掉一根供电线，结果现在的技术不但没让我们丢掉这根线，反而还多给我们增加了精准放置设备与底座的麻烦！”。一旦稍微偏离底座的线圈范围，或者稍微间隔一点距离，都会极大影响充电速度。

　　其三、对多设备同时充电的支持度不佳。虽然部分厂商很识趣地推出了充电平台（大块充电板），且能够支持多设备同时充电。可惜方法太过粗暴，使用了大密度的线圈阵列，像苍蝇拍一样，采用密度取胜的办法解决问题。即便如此，这个方法也因为成本偏高而且可能存在大量辐射的问题而受到诸多非议。

　　实际上有很多迹象表明，QI1．x是一种匆匆上马意图占领市场先机的产物，一些最基本的用户体验测试都没有通过就抢着上市了。例如我们把手机放在充电板上一边充电一边插上耳机听歌，这时耳机回路上有可能会产生能量耦合，线圈可能会被烧坏，手机内部的音频电路也会受到损坏。这时，你要么放弃充电要么放弃听歌，如此一来用户体验就完全被破坏了。也因此，即使有Lumia 920、Nexus 4和Galaxy S3等移动互联大潮中的宠儿力挺，QI的市场覆盖率也不见起色，且暂时以可选配件的形态生存。

　　Rezence来袭

　　毫不意外，意图在无线充电市场上分一杯羹的自然不止WPC一家。A4WP就一直在虎视眈眈。对WPC来说，A4WP是个后辈，其成立于2012年，但其能量不可小觑。其主要成员包括高通、仙童半导体、戴尔、海尔、英特尔、三星、罗技等等一大批厂商，可以说从产业链顶端到终端设备制造商一应俱全。实际上最让人在意的还是WPC控制芯片主推手之一的Tl也加入了A4WP。相较WPC急急忙忙就推出了QI标准，A4WP更沉得住气。最先高通和三星进行了前期的投入与技术开发，技术有眉目后一起牵头成立了‘A4WP，而且在开发过程中始终以“实用”为核心。直到A4WP成立了近两年之后，技术方面的主攻手高通才终于认为技术OK、专利到位，于是联盟终于在2013年12月12日拿出了Rezence规范，三星很快发布了对应的产品，并在接下来的CES展会上一鸣凉人。

　　vs.QI Rezence规范的主要改进

　　相比QI，Rezence从原理上就有所不同。QI是基于电磁感应技术的无线充电标准，而Rezence则是一种采用磁谐振为基础技术的无线充电规范。磁谐振相比电磁感应，最大的优点是自由度的提高。比如同样一张鼠标垫大小的充电基板，Rezence标准的产品将不再有严格的受电器定位、角度要求，垂直方向更是可以容忍50mm的差距(隔空50mm)。可以说Rezence真正实现了“靠近即充，拿走即停”的愿景。

　　磁谐振的另一大优势就是并发能力。基于电磁感应式技术的QI要想获得更大的充电面积，就必须增加基板中的线圈数量，依靠线圈阵列这种堆量的方式来覆盖面积。而基于磁谐振的Rezence规范无需如此麻烦，它从原理上就支持并发，所以实现多设备支持，甚至支持多设备之间的优先级调度都不是难事。据称茶几大小的Rezence充电板很快就能实现，桌面大小的也很有希望。

　　此外，基于磁谐振的Rezence规范不存在电磁感应式能量传递中的一些问题，例如不必为“电磁炉效应”而烦恼，也就没有充电时损坏外围设备的风险和高温导致的潜在隐患。如此一来整个系统更安全，也更贴合实际应用的情形。

　　Rezence引以为傲的资本——磁谐振技术详解

　　如上所说，相对QI的三大改进让Rezence规范具备了更加出色的实用基础，这让我们对Rezence规范的前景看好，它很有可能成为第一个真正普及开来的无线充电标准。Rezence是如何建立起这三大优势的呢，未来包括QI在内的其他标准能否也可套用呢？

　　物理原理带来高效与低空间需求

　　磁谐振(Magnetic Resonance，亦可译为磁共振)，其物理原理上还是磁耦合引起的互感现象，与电磁感应式无线充电类似。只不过它还在发射端线圈与接收端线圈上各加入了一个控制电磁振荡频率的“谐振电容”，与对应的线圈一起组成“谐振腔”。由于这个电容的存在，谐振腔中的能量在电能与磁能中不断交替地互相转换（想深入了解原理，读者可自行参阅“LC振荡电路”）。当谐振腔受到外界周期性的激励，且激励的频率等于谐振腔的自由振荡频率，则系统与激励源间形成谐振。

　　简单点说，磁谐振就是用发射端电能激发的磁场，去激励接收端的磁场，两个谐振腔上就会产生非常强烈的能量传递。此时接收端的磁能进入谐振腔，开始形成磁能与电能的周期性转换，谐振腔内就产生强烈的振荡电压与电流。用它来驱动负载就可以完成电能输送。由于在能量的传递中，激励源主要是磁能，因而称为磁谐振式。

　　它看上去似乎很像收音机原理。与电磁感应式无线充电也很相似，发射接收都是线圈，但为什么会有这么大的不同？大家可以想想影视作品中常见的高频声波震碎玻璃的场景。在这里，电磁感应式就像是用手敲玻璃，敲响容易敲破难；而磁谐振式就是用一定频率的声波去引起玻璃的谐振，不需要非常大的力量，便可以将它震碎。磁谐振式无线充电正是利用了“频率选择”的作用，虽然单个振荡周期内传递的能量可能不如电磁感应式的多，但是利用发生谐振时能量会叠加的特性，能量持续叠加后就变得非常大，使得持续输出的电能达到一个让人满意的水平。在保证能量输出的同时，还能获得诸如空间要求更低、线圈无比例要求等优秀特性。

　　巧妙选择频带，避免“电磁炉效应”

　　A4WP组织选择了6.78MHz±15kHz作为Rezence规范传递能量时的振荡频率，其声称主要出于两方面的考虑。首先，6.78MHz在ISM频段内，此频段主要是开放给工业、科学、医学使用，属于Free License。即无需注册与授权许可，只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不对其它频段造成干扰即可。

　　其次，6.78MHz这个频段上基本没有“电磁炉效应”，因而规避了QI遇到的这一尴尬。但依笔者所见，选择6.78MHz这个频率附近，还有对线圈体积和能量输出的综合考虑，它应该是一个经过反复实验对比而得出的结果，而不仅是A4WP说的那么简单。

　　蓝牙通信解决“连接”和“控制”难题

　　先前我们有提到，在发射机与接收机之间，均有一个双向通信模块，进行通信与调度。通信对无线系统来说可以说是最基础，但也尤为重要的部分。没有通信，就无法确定连接，也无法完成数据、能量传递等你想要的功能。由发射机和接收机的拓扑关系图可以看出，Rezence系统中的PTU与PRU之间是星形拓扑的关系。只由PTU供给能源，PRU与PTU之间迸行双向通信，而PRU之间并不（也无必要）进行通信。

　　另外，建立通信的目的还有加强控制的作用。磁谐振技术在初期有一个很大的不足，多设备间能量分配很不均衡，某急需充电的设备可能会被另一个设备“抢电”。而且谐振元件参数的误差与漂移（比如随着时间和温度）都有可能导致谐振频率偏移，从而造成能量传递的效率不佳。引入通信之后，PRU就可以将自己的频率报告给PTU，再依据返回的信息对自己的频率参数进行微调。也可以将本方设备的能量需求状况报告给PTU，由PTU来调度能量的分配。而没有PRU与PTU进行通信时，PTU将进入待机状态减少能耗。关于如何为多个PRU接收端分配能量这一部分，A4WP方面也是语焉不详。不过根据笔者推断，很可能是通过划分PRU谐振频率来做能量分配。

　　Rezence规范的通信媒介选择，A4WP显然也纠结了一番。近场通信如RFID与NFC原是不错的选择，可惜难得实现了充电距离上的相对自由，怎么可能再接受在连接距离上严重受限的通信方式，如此不是会拖累整个系统的连接距离？而Wi-Fi略为麻烦。最终他们选择了授权费更贵一点，但是普及率非常高、距离够用、功耗又比较低的蓝牙。最重要的是，Rezence设备的连接并不用配对，能实现真正的放下即充的便利。

　　尴尬：辐射和“激活”

　　无论何种无线充电技术，辐射一直是大家很关心的问题。而Rezence主要采用CISPR 11电磁兼容规范来指导设计。但6.78MHz所处的ISM频段其实是CISPl1没有强制性要求的区间。所以Rezence绕过了规范，有点像爸妈看不见的时候就能乱来的熊孩子一样。

　　当然，CISPR主要针对的是设备发射的电磁场不对其它设备造成干扰，或者被其它设备所干扰。而另—方面，ICNIRP的规范则主要是针对生物体结构设定的规范。在高通的研究报告中，除了认真的研究与论证对人体的辐射影响外，还充斥着对ICNlPR的不明显吐槽。比如不同人的肉体组织受影响的状况不一样（比如含水量和电解质含量不一样），不同的身体部位受影响的状况不一样，甚至是同一个人不同的姿势下受影响的状况也不一样！然而规范甚至是现行的实验中却没有统一的标准。而“标准”一词，是所有科学的基础。最后高通得出的结论是无法评估对人体的影响，并且呼吁行业能诞生一个针对无线电力传输的辐射标准及实验方法。

　　虽然如此，高通的技术人员也还是仔细地考虑过设计，力求让辐射的影响最小。只是技术一旦普及、低成本化以后，终端设备厂（尤其是山寨小厂）恐怕就不会这么认真了。所以辐射也是一个潜在的风险。

　　另外，我们知道实现无线充电很重要的一点在于PTU与PRU的通信，那么如果设备电力耗尽，PRU（接收端）完全没有电力来驱动无线连接时，我们又如何是好？原理上此时PTU会认为没有需要充电的设备而处于待机状态。而且就算PTU没在待机，那么PRU端也可能存在谐振频率不匹配而没法获得能量的问题。好在现在的智能手机完全电力耗尽的情况不是很多，但要是万一遇到这样的问题，难道说也只能让用户老老实实地找来一根充电线来做“激活”？

　　展望：磁谐振有望“一统江湖”

　　在我们看来，Rezence规范的特性显然已经避开了让QI止步的几大桎梏，具备普及开来的资本。目前展出的Rezence规范无线充电板大致只有鼠标垫那么大，鉴于实际应用环境对接触基板的面积要求并不太高，比如办公桌、茶几、沙发扶手上，或者咖啡厅、快餐店的餐桌上，甚至汽车中控台边，有那么一小块地方能放下手机、平板就足矣。而且此类相对小巧的产品能更好控制成本。当然，从磁谐振的技术原来说，更大的面积实现起来并不困难，关键看有无实际需求。

　　另外，从Roadmap上我们也看见了笔记本电脑的身影，这意味着Rezence规范已经具备相当强的供电能力和足够出色的效率，否则无法满足PC这类电力需求相对较高的设备。更令人兴奋的还是A4WP的终极目标，它们是希望磁谐振能为电动汽车提供无线快速充电，甚至发展出无线充电车道！想必“特斯拉”车主们可能已经迫不及待了！

　　Rezence的成就已经让大家初窥了磁谐振的魅力，WPC显然也不打算坐以待毙。在经历了QIl.x版本遇冷后，WPC的Roadmap中也显示在将来会渐渐让磁谐振技术取代掉电磁感应技术，来纠正实际应用中一些不友好的问题。也即是说磁谐振将成为未来无线充电标准的普遍技术基础。

　　只是从目前了解到的情况来看，基于磁谐振技术的Rezence规范遇到了成本难以降低的问题，至少比起QI来要贵不少。这主要是lC控制器方面，尚缺全功能整合式的解决方案，最终导致多数终端厂商没研发出可行的工程样品。只能期望Rezence别倒在成本与实现难度这道坎上，尽快将便捷、实用的无线充电体验带到消费者面前。