一、引言
無線充電技術最早出現於19世紀末，當時的物理學家Nikola Tesla演示了磁共振耦合——在兩個電路（一個發射器一個接收器）之間建立磁場，通過空氣來傳輸電能。但在之后的大約100年時間里，這項技術並沒有得到多少實際應用。直到近年來智能終端設備的廣泛應用，尤其是智能手機的普及，才讓無線充電技術得以重新發展和推廣。
二、基本原理
1. 技術概覽
目前，無線充電的方式主要有四種類型：通過電磁感應的磁耦合方式，通過電磁波近場諧振的磁共振方式，通過電場進行能量傳輸的電場耦合方式，以及通過電磁波輻射的微波傳輸方式。四種方式的對比如下表：
以上四種類型中，電磁感應的磁耦合方式在目前的便攜式設備中應用最廣泛，方案也最成熟；而微波傳輸的自由度更高，更為便捷，是未來便攜式設備“隔空充電”，“追蹤充電”方案實現的基礎，但目前方案並不成熟；磁共振方式則更多應用於電動汽車的無線充電。
本文將主要介紹以磁耦合方式為基礎的手機無線充電技術。
2. 手機無線充電原理
法拉第電磁感應定律：閉合電路的一部分導體在磁場里做切割磁感線的運動時，導體中就會產生電流。這是無線充電最基礎的原理。
當電流通過線圈時，會產生磁場；當閉合電路磁通量發生變化時，會產生感應電動勢。
結合手機無線充電來說，充電底座和手機背部各有一個線圈，充電底座通過線圈將電流轉化為磁場，並且是不斷變化的磁場。而手機背部的線圈也因為底座磁場不斷的變化，其中的磁通量也在不斷變化，產生感應電動勢，有了感應電流，再轉化為直流電進行充電。
以常見的變壓器舉例，變壓器的初級和次級線圈沒有直接連接，而是通過磁場耦合將電能從初級傳輸到次級。初級和次級通過鐵芯相連提高耦合的效率。
而手機背部和底座的線圈之間沒有鐵芯，如圖3所示，初級線圈的磁場在空間上是發射的。這樣就需要次級線圈貼近初級線圈，同時保持對齊才可以獲得較大的傳輸效率。因此磁耦合方式的無線充電，充電距離和自由度相對比較小。
並且，由於能量轉化效率和有線充電相比並不高，多余的能量會以熱量的形式散發，導致無線充電一段時間后，手機和底座都會發燙。這也是很多無線充電底座都會配置風扇的原因。同時，由於金屬有電磁屏蔽的作用，所以帶有無線充電的手機的背蓋都不會用金屬，一般會采用玻璃、陶瓷，或者塑料。
盡管磁耦合的方式有以上這些缺陷和限制，但它仍然是目前手機無線充電最成熟、高效和通用的解決方案。
三、方案介紹
1. Qi協議
Qi（發音與命名來自中文字“氣”），是一種由無線充電聯盟（Wireless Power Consortium，縮寫WPC）所制定的短距離（40mm, 1.6英寸）低功率無線感應式電力傳輸的互連標准，主要目的是提供移動電話手機與其他便攜式電子設備便利與通用的無線充電。這也是當前最主流的手機無線充電協議。
2. 硬件框圖
圖5為QI協議無線充電電路基本框架。一般我們將發射端稱為TX，接收端稱為RX。如圖，發射端的逆變橋將DC適配器輸入的直流電轉換為高頻交流電供給TX線圈，將能量耦合到RX線圈上，線圈部分還會加補償電容，提高功率因數。整流橋和穩壓器將RX線圈上的交流電轉換成直流電給電池供電。
其中，發射端是由初級線圈（Lp）和串聯電容（Cp）組成的諧振電路，接收端是由次級線圈（Ls）和串聯電容（Cs）組成的功率接收回路。TX端通過調整輸入電壓、諧振頻率以及PWM占空比來調整輸出功率，而RX端通過監測接收整流輸出電壓Vrect，來告知TX升功率或是減小功率。
3. 通信協議
（1）通信原理
Qi的數據通信采用的是backscatter調制方式，是一種負載調制方式。如圖6所示，接收端通過開關Cm或者Rm調制數據到功率載波上，發射端通過采樣發射線圈的電流或者電壓波形，解調負載的變化接收數據。
詳細來說，RX提供數字信息給TX，如識別信息和所需傳遞的能量要求。RX控制器可以通過集成的LDO來做負載控制，更改其阻抗調節功率量。此操作將導致TX的線圈電流或線圈電壓周期性變化，TX通過檢測線圈電流或線圈電壓變化，解調出交流負載中的各種數字通信信息，根據RX的請求調整對其輸出功率水平。
（2） 數據包的構成
數據通信包含接收端RX發出的ASK和發射端TX發出的FSK信號。
ASK:Rx通過改變自身諧振腔參數，（切入/切出通訊電容），改變所傳遞的能量大小，引起TX 端電壓或輸入電流產生規律性的波動，用於傳遞信息；
FSK:TX 通過往復增大/減小驅動頻率，改變RX端接收到能量的波動。當這種波動按照特定的規律波動，就可以傳遞信息。
接下來以ASK為例，講解一下數據包的構成。
ASK數據包由四部分構成：Preamble序言，Header包頭，Message數據幀和Checksum校驗幀。序言是一組全部為1的脈沖，作用是使功率發射器同步輸入數據並准確檢測包頭的起始位；包頭包含一個byte，由01組合構成，用於告訴Tx包的種類；數據幀包含1-27個byte，由01組合構成，用於存儲包的數據；校驗幀包含一個byte，是提供給Tx用來識別包信息是否正確。包頭、數據、校驗等都是由一個或者多個byte 構成，每個byte數據又由不同的位（bit）構成。
其中的byte 構成如下圖。電源接收端（移動設備端）采用 11 位異步串行格式傳輸數據字節。數據編碼格式為：起始位0、 8 位數據位、一個奇偶校驗位（如果數據字節包含偶數個 1 位，則奇偶校驗位為 1。否則為零）和一個停止位1組成。
每個byte數據又由位（bit）構成。如下圖，協議規定時鍾頻率2Kbit/s，所以每一位的傳輸時間約0.5ms。數據0為0.5ms的高電平或者0.5ms的低電平，數據1為0.25ms高電平+0.25ms低電平，或者0.25ms低電平+0.25ms高電平。
一些常見的ASK數據包類型：
以上為ASK數據包的構成，而FSK數據包與ASK的主要差別在於發包方式、校驗方式，以及數據包結構沒有序言。
（3） 通信流程
QI無線充電協議目前包含兩個功率模式：BPP和EPP。BPP（Baseline Power Profile） 支持最高傳輸5W的功率，EPP（ExtendedPower Profile）支持傳輸最高15W的功率。要實現EPP高功率模式的傳輸，需要底座的支持。而一些更高功率的私有協議（手機廠商自有的），一般是在識別BPP模式后，再識別私有協議，並且需要適配器和底座的支持。
BPP和EPP兩者在通信上的差異就在於前面講到的兩種通信方式：BPP 僅ASK單向通信；EPP 需要ASK 和 FSK雙向通信。
通信的主要流程包含四個階段：selection，ping，identification& configuration， power transfer。后面三個階段就是通過發數據包的方式進行通信。
1）selection階段:用於檢測是否有RX存在，檢測方法可以是定期發射固定頻率的信號（Analog Ping），也可以使用檢測電容的變化來實現檢測；
2）ping階段：檢測到RX后，TX會發送足夠能量的信號（Digital Ping）啟動RX的通訊功能。RX回應信號強度指示包，TX收到信號強度包后，會維持電源信號，系統進入下一階段；
3）identification & configuration階段:RX將WPC信息參數，比如所需最大輸出功率等參數發送給TX。如果是EPP模式，由於其包含5W，10W，15W三種功率水平，不同的底座支持的最大傳輸功率不同。因此在這里會多出Negotiation階段和Calibration階段，用於協商來確定最終的傳輸功率，以及過程中的功率大小。
4）power transfer階段: 完成配置后，進入電力傳輸階段。RX會檢測整流后的電壓電流，發送錯誤包（Error Packet）使TX增大或減少發射功率。此外，RX會定期發送收到功率包發給TX，如果TX發現收到功率與所發射功率差異過大，為確保傳輸安全,會停止發射功率並關閉系統。如果RX不再需要電源（電池已經充滿）時，會發送結束功率傳輸包，TX接收到后返回selection階段。
通信中的詳細過程，可以通過sniffer工具抓包分析日志，來了解每個階段的通信結果。
（4） 異物檢測（FOD）
在無線充電功率傳輸的過程中，一旦金屬物體出現在正在進行電源傳輸的TX和RX線圈之間時，金屬物體就會因在其內部生成的渦狀電流而發熱，如果沒有采取任何安全措施，金屬物體就會變得越來越熱，引發危險。因此，無線充電有一項很重要的檢測，叫做異物檢測（Foreign Object Detection）。
其原理是檢測功率的損耗:RX會定期發送收到的功率包發給TX，如果TX發現收到功率與所發射功率差異過大，超過某個閾值，為確保電源傳輸安全，會停止功率傳輸。
四、未來發展方向
本文主要講解了無線充電的基本原理，以及目前手機無線充電應用最廣泛的Qi協議。就如前面提到的，這種基於電磁感應的磁耦合方式仍然存在較多缺陷，比如自由度不高，能量轉換效率不高等等。這些缺陷在日常應用中就會被放大：只能放在底座上不能拿開、無線充容易發熱、無線功率比不上有線。這也是無線充電至今還沒有取代有線充的原因。
而無線充電未來的發展方向，大概可以歸為兩類：一是功率的提高，二是方式的改變。功率的提高用於解決無線充電較慢的問題，但也要面臨更嚴重的發熱。如何做到速度與溫度得兼，是提高功率必須要考慮的。而無線充電方式的改變，則是解決充電自由度的問題。怎樣才能擺脫充電線和底座的束縛？前文也提到過了，目前已經有一些基於電磁波輻射的微波傳輸方式的預研，用來實現便攜式設備“隔空充電”，“追蹤充電”的方案。但目前方案的缺陷較多，市面上暫時沒有落地的產品。
礙於當前技術限制，目前無線充電功能更像是錦上添花的作用。但隨着技術的發展，幾乎可以預見的是，未來的手機充電，甚至各種設備的充電，無線都終將取代有線。目前幾家手機廠商都曾推出過探索未來手機形態的“無孔”概念手機，僅保留無線充電方式。或許就像手機實體鍵的消失一樣，在未來某一天，人們回想現在，還會感慨：以前充電，居然還要線？