智慧型手機人手一支已經非常普遍，隨著技術的進步，智慧型手機的軟硬體也不停地進步。過去的雙核心到現在的四核心，處理器時脈也逐步提高到1GHz，甚至到1.7GHz以上，另外還有高容量記憶體、上千萬畫素的內建相機與衛星導航也都漸漸成為標準配備，那還有什麼新技術是少見又正夯的呢？是的，還有我們現在要談的無線充電。
嚴格說起來無線充電並不是什麼新技術，大概早在10年前就出現在 PHS 手機上。好吧講PHS可能有點小眾，只有筆者這類科技宅比較清楚，若不說 PHS 手機，那電動牙刷總聽過吧！幾乎市面上所有中高階的充電型電動牙刷，就是應用了無線充電的技術。既然連牙刷都能無線充電，為什麼手機普遍做不到？在大改我們的手機之前，先了解無線充電是怎麼辦到。
談到無線充電，就一定會談到這行的先驅者尼古拉．特斯拉（Nikola Tesla），這位後世被稱為與愛迪生一樣偉大的美籍塞爾維亞裔科學家（ 2006 年電影頂尖對決也就是在講尼古拉．特斯拉），他在1891年發明特斯拉線圈，並通過電磁共振原理實現了人類最早的無線能量傳輸，同時奠定未來無線充電技術的基礎理論。甚至在1900 年，特斯拉也嘗試籌建 29 公尺高的沃登克裡佛廣播塔（Wardenclyffe Tower），來實現遠距離的無線電力傳輸。當時因為技術不成熟和其他組織的阻擾因此試驗失敗，不過這也為了未來無線充電埋下了夢想的種子。
▲當年PHS經典機種J88，也支援無線充電技術。
進入二十一世紀，無線充電技術逐漸成熟，並從理論中獲得幾種實作的可能性。無線充電（或稱為無線供電）技術簡單地說是電與電之間的無線連接，目前的技術大多會讓電力透過二次轉換，像是電力轉磁力、磁力轉電力，以達到「無接觸」供電的目的。
也因為二次轉換的關係，供電效率自然會受到影響，這也是目前需要克服的困境。目前來看成熟的無線電力傳輸技術有3種主要方式，分別是電磁感應式、電磁共振式與無線電波式，接下來看這些技術的差異在哪裡。
電磁感應是最為常見的無線電力傳輸方式，通過發射端和接收端的線圈相互感應産生電流，從而實現電力傳輸的技術。簡單來說就是國中物理課本中就有提到的法拉第電磁感應定律，而我們這次土砲的套件，也是透過電磁感應式的原理運作。運作方式也很容易，首先從電力端（充電器）的線圈提供電力，充電器的線圈因此產生磁力，而接收電力端（如手機、行動電源）線圈感應到磁力，進而將磁力轉換成電力。
使用時2個線圈不需要接觸就能透過電磁感應達到傳導的目的，當然設計上沒這麼簡單，還要考慮雙方線圈的尺寸、接觸距離等因素，這些變因都會影響到充電效率。目前電磁感應式傳輸，可用範圍大約在30mm以內，屬於短距離傳輸。
▲這是1800年代用於解釋電磁感應的教材，讀者更為熟悉的應該是線圈、磁鐵與指南針，從中可看出電磁轉換機制。（圖片來源：Wikipedia）
▲Intel在2010年CES曾展示無線供電技術，透過2個巨大線圈，傳輸的電量可供60W燈泡使用。
電磁共振是正在研究中的無線電力傳輸方式，利用將能量發送和接收裝置調整到相同的頻率或者特定的頻率，可讓對應的電器產生共振現象，進而實現能量交換的目的。電磁共振的距離比起電磁感應遠一些，最多約可到3m左右。除了距離增加之外，功率可達數千瓦以上，功率比電磁感應式更高也是它的特點。
共振是相當有效率的傳輸方式，單就技術層面來說，只要能設計出共振頻率相同的電源與電力捕捉裝置，就能達到Resonant Magnetic Coupling（磁共振偶合）。共振存在於相當多的物理環境，舉例來說，歌手（或音響）的歌聲將遠端的玻璃震破，就是因為玻璃的頻率與歌手的頻率達到一致，使得玻璃獲得歌手能量，導致玻璃碎裂。
此種無線電力傳輸方式，利用與早期礦石收音機相似的原理，即利用微型高效接收電路捕捉從障礙物反射回來的無線電波，並轉化為穩定的直流電壓。在實作上，只要將發射器安裝在插頭上，產品即可捕捉從牆壁反彈的無線電波能量，並隨著負載調整的同時保持穩定的直流電壓。如此一來就能將電能傳遞置範圍內的裝置，有效範圍約為1m左右。像是PowerCast就是使用該技術，接收器尺寸約只有硬幣大小，而且成本只有5美元（折合新台幣約150元）。不過這技術喊了多年，仍未有重大突破，離成熟仍有很長的路要走。
此篇中提到的應用面，幾乎都是採用電磁感應原理。當然以目前的技術，無線傳送的距離、功率與成本還是受到非常大的限制，但已經進步到可以輕鬆應用到一般資訊產品如智慧型手機、行動電源等產品上，讓消費者可以馬上享受到無線充電的優點與帶來的方便性。
▲這是 PowerCast 無線充電的關鍵晶片，有P1110與P2110版本，前者用於短距離、高功率，後者則是長距離傳輸。
既然無線充電原理簡單也應用了這麼多年，那本篇是騙稿費的嗎？當然不是，實際上受到技術限制，以前無線充電僅適用於耗電量較低的設備上，前面提到的電動牙刷與PHS手機都是這樣的例子。
隨著技術進步，近年來開始在特殊需求領域，如日系防水手機上應用，後來也有不少手機支援，像是Palm Pre 系列手機（不過此系列已停產），Sony、Samsung、 Nokia 等廠牌智慧型手機上出現。無線充電應用可以帶來什麼優點？當然，高科技的酷炫感是一定有的，但是除了這種 Geek 科技狂熱者所愛好的理由之外，無線充電還有一些優勢。
隨放即充更便利
無線充電器通常是以盤狀、碟狀的方式設計，或以磁力吸附做為固定方式，和一般 USB 等有線充電纜線不同，並沒有方向性限制。回家後只要將手機放在充電器，就能夠自動充電，操作起來更加方便與直覺。智慧型手機若搭配無線充電，舊沒有一條尾巴的限制，要接聽手機或使用直接拿起來即可，沒有了線的束縛更加自由、更加人性，正是所謂的科技始終來自於惰性。
由於無線充電沒有傳統纜線方向性的限制，同時也少了插入這個動作，自然也就沒有介面故障損壞的問題，可降低設備故障與出錯的可能性。同時若無線充電應用於防水手機上，由於手機可減少使用的傳輸介面，間接強化手機的結構性，防水效果與設計可以做更好，提供更出色的防水、防塵或防潮效果。
▲Nokia Lumia 920 支援Qi 無線充電技術，也是首款內建Qi技術標準的智慧型手機。
▲日本高階手機常見防水功能，Docomo ARROWS Kiss F-03D就是主打無線充電並具備防水性能的Android智慧型手機。
如同 Wi-Fi是無線網路的標準，藍牙（Bluetooth）是近距離交換數據標準，無線充電也有全球共通的標準Qi。早期無線充電技術較為複雜，雖然大多都是相同基於電池感應模式，但是大多各自為政，設備、電池與技術大多不能共通或相容，不同廠牌的無線充電手機，充電器與電池都不能交替互換使用。
2008年12月17日，全球首個無線充電技術標準化聯盟 WPC（Wireless Power Consortium）正式成立，並在 2010 年制定並發表無線充電的全球標準 Qi。只需將支援Qi 的移動設備放在Qi充電器上即可充電。從此設備能共通使用，也不需事先做任何配對或是設定。目前 WPC 無線充電聯盟已經有超過 100 家的企業加入，包含Samsung、Nokia、Motorola、LG、Panasonic、Sony、Philips 等消費電子產品大廠，並且各家也陸續推出支援 Qi 標準的智慧型手機、行動電源等產品。
不管是何種無線充電的標準包含Qi在內，都必須在線圈在對準的情況下，電池才能獲得最佳的充電效果。通常無線充電產品在商品化時，為了達到充電的最佳效率，都會使用一些小手法讓使用者不經意放對位置。例如Palm TouchStone是利用磁鐵輔助手機自動固定至正確位置，Pansonic Qi充電板則利用偵測技術，透過機械結構將充電線圈移動到正確的位置，並依照擺放順序充電（如果充電設備有一個以上的情況）。理論搞懂了，接下來我們試試如何讓一般智慧型手機也能無線充電。
▲Qi標準與支援Qi標準的充電板、行動電源產品。
Tips：Qi怎麼唸？
Qi可不是什麼英文單字的縮寫，是由中文字的「氣」轉成英文而來，讀法就是氣。會用氣（Qi）做為無線充電技術代號，官方說法是該技術有如氣功一樣，是股無形的流動力量，因此而命名。下次看到Qi別拆成Q跟I來唸，應該讀成氣才對。
改造工具
| 項目 | 說明 | 物品來源與參考價格 |
| TouchStone點金石組 | 無線充電的電力源 | 淘寶網，約人民幣45元，新台幣約200元 |
| TouchStone線圈組合 | 改裝進手機背蓋中，用於接收電力 | 淘寶網，約人民幣65元，新台幣約300元 |
| TouchStone點金石、線圈組合 | 上述兩者的組合包 |
露天拍賣，新台幣700元（不含變壓器）
|
| Samsung S3背蓋 | 改裝用零件 | 手機內建免費，淘寶網約人民幣22元，新台幣約100元 |
| Samsung S3書蓋型背蓋 | 改裝用零件 | 一般門市或網路商店，新台幣約1200元 |
| 廢棄SD記憶卡或是轉接卡 | 金屬端子用於殺肉改造用 | 自己有免費，或是買一張轉接卡新台幣約50元 |
TouchStone 點金石
TouchStone是過去知名Palm公司，在2009年隨著Palm Pre所推出提供選購的無線充電配件，TouchStone也常被稱為點金石。推出後被應用在Palm系列產品Palm Pre2、Pre3、Pixi等裝置上，在當時的智慧型手機市場中，是非常少見且技術領先的無線充電解決方案。
▲TouchStone本來是給Plam系列使用，由於便宜且取得便利，自然成為土砲的最佳選擇。從結果來看Palm算失敗了，但是WebOS Device一直到現在，筆者都認為是優雅的硬體與優美的系統的最佳代表。
▲淘寶網真的很便宜，原廠TouchStone只要新台幣200元。
Tips：TouchStone有分版本嗎？手機背蓋
其實從Pre 1/2/3一直到Pixi都是使用相同的TouchStone，只有充電背蓋因機型而有所不同，因此不需要擔心買錯。唯一的例外是在後期，有針對平板TouchPad推出TouchStone for TouchPad。因為平板較大台，因此TouchPad版本TouchStone是採用立架設計，外型差距很大不需要擔心買錯，而且要買到TouchStone for TouchPad還蠻有難度。
為了將線圈塞到手機內，因此要打磨手機背蓋，這是屬於破壞型改裝。不過S3出廠就預留無線充電的電源接點，因此除了背蓋不會對手機造成任何破壞保固的行為，讀者可以放心操作。
除了使用手機原廠背蓋直接改造外，也可以選擇多買1個背蓋，或是買原廠的FlipCover書蓋型背蓋來改裝都可以，FlipCover書蓋型背蓋的材質和一般背蓋外型略為不同，規格上比較厚一點，但背蓋改造時，我們都必須打磨以符合線圈體積，反而較厚的書蓋型背蓋加工起來比較簡單。
▲左方式S3原廠背蓋，右方則是選購FlipCover書蓋型背蓋，厚度是兩者最大的差別。
SD卡或轉接卡倒是不見得一定要具備，只是要把接點取下改造成我們要的接點。較正式的作法是在電子材料行買焊片推疊焊接，但我們只需要做出2個接點而已，找找一下低容量、廢棄的記憶卡即可，或是找個轉接卡也行，破壞卡片取出金手指部分的金屬片，就可以供我們改造使用。破壞取出並不困難，結構也不是很硬，金屬片用箝子彎折再加工，再稍微剪裁即可。
▲我們只需要金手指部分來使用，因此轉接卡是最容易取得而且便宜的選擇。
| 工具 | 操作與規格說明 |
| 烙鐵 | 必備，一般選擇45W即可，市售價約150元 |
| 焊錫 | 必備，少量即可，大約20元 |
| 打磨器或砂紙 | 非必備，用於打磨背蓋，使用打磨機比較好操作，打磨器約300元。若覺得價位偏高，也可用砂紙取代，砂紙1張約5元，若沒有經常使用的需求，建議選擇成本較低的砂紙 |
| 美工刀 | 必備，要刮除電路絕緣層，用一般美工刀即可 |
| 雜項工具 | 非必備，家裡書桌找找大多能找到改造需要的輔助工具，這些工具包括剪刀、箝子（可用指甲剪或是巧手取代）與雙面膠帶 |
要土砲除了套件之外，當然還是需要一些輔助工具，必備工具只有烙鐵和焊錫，認真一點的話多準備一下砂紙與一些基本工具即可，操作與使用上沒有太大難度。這些工具都能在一般五金行購得，費用也不高大約幾百元就能搞定。
▲所有工具中大概只有烙鐵必須具備，打磨機有的話比較方便，不然砂紙也能達到相同效果。
改造實作 Step by Step：以 Samsung Galaxy S3 做示範
前面說了這麼多，終於要動手改造。如果不土砲，要買到官方有無線充電的設備還真的很困難。除非你想要用外接背夾式充電器，但是這種外接套件一點爽度都沒有了。土砲萬歲！等官方出套件太慢了，我們自己動手來做，以下我們就以Samsung S3為例，發揮土砲精神讓TouchStone跟S3大合體。
Tips：其他手機改造方法
其實改造原理都相同，由於S3內建無線充電的接點（Sony Xperia S也有），因此改裝完成度最高，實作也最方便。絕大多數手機充電電壓幾乎都是5V，因此改造原理都相同。但要注意若是內建電池的機種，因為沒辦法將線圈藏在手機內，就得安裝在外側或是保護殼中。還有個無法土砲的特例是金屬外殼的手機，受到金屬屏蔽的影響，並不適合改裝無線充電模組，就算完成的充電效果也會大打折扣。
步驟1：標記充電定位點
Samsung S3出廠已經預留無線充電的接點位置，我們改裝最重要的一步就是把充電接點位置標出來，請把背蓋拿出來並翻到內側，請仔細看在右側中間有2道淡淡的模線痕跡。在2個模線「內緣」兩側，各用鉛筆畫上1個2.5 x 2.5（mm）的正方形方框，這是等下我們要固定接點的位置。
▲我們先看看S3改造完成的充電背蓋，正中間應該可以看到線圈與機器的接點位置。
▲因為怕讀者看不清楚，直接拍攝深藍色版本的背蓋，並用鉛筆畫出實際的框框出來。（點圖片可看大圖）
▲如果真的感受不到那2條內緣，請參考圖片中紅色標示的位置，就是模線的位置。（點圖片可看大圖）
重點來了，因為我們是拿Palm Pre使用的TouchStone線圈做修改，因此保證腳位跟S3完全不合，所以得改造才行（真是廢話），線圈是由4個部位所組成，包括線圈、金屬隔片、塑膠隔離貼紙、金屬零件。
首先，線圈本體和電路板是一體的，請小心呵護它，溫柔一點地拿它，待會再粗暴個改造。其次是金屬隔片，這元件的正式名稱筆者不太確定，到時候安裝好線圈時，要隔在線圈背後。這個東西非常重要，不安裝的話輸出電壓不穩定且可能會無法充電。再來是塑膠隔離貼紙，這個東西買回來可能是黑色或白色，並沒有差別，用途是完成後貼在線圈上做隔絕，避免拆卸時受損，另外能避免不小心短路的情況。最後是4個金屬零件，主要是用來固定線圈位置，使用時會和TouchStone上面的磁石貼在一起，後面會再說明安裝方法。
▲線圈套件組合，缺一不可，請檢查買到的零件是否有缺少了。
線圈是我們主要要動工的部分，這部分筆者已經幫各位量好接點，可參考說明圖片加工。簡單來說我們要做出1個總寬度7mm，左右各1個2 x 2 x 2（mm）的正負接點出來，而對照線圈線路圖，建議各位用最簡單的方式，B接點不動，然後在A區域對應的位置，刮出對應新接點的方式來做會比較容易。
▲線圈電路標示圖。
| 編號 | 說明 |
| A 接點 | + 正極輸出 |
| A 區域 | 表面絕緣面下都是 + 正極輸出 |
| B 接點 | - 負極輸出 |
| C 接點 | + 正極輸出 |
| D 接點 | - 負極輸出 |
Tips：C、D接點的用途
正所謂馬有失蹄、人有失足，偶爾還是有失手的時候。萬一加工失敗，可以從C接點與D接點2點利用漆包線或是OK線拉出正負極，也可以加工處理。另有一種特別情況就是如果改裝手機的線圈安裝空間不足，其實也可以將電路板A、B區域整個剪掉，利用從C、D接點拉線的方式，來做到變更充電電路形狀、體積的效果。
依照解說圖，在A區域中小心地用美工刀將表面絕緣層刮開，露出金屬電極面（暫且稱為A2接點）。這邊注意請小心輕柔的刮開，若刮太過頭刮破了金屬層，就短路再見了。接著我們要來做出2個接點出來，拿出先前準備的SD卡或是轉接卡，並且粗魯地破壞取出金屬片（金手指）。
金屬片取出後，用美工刀或是小刀剪裁成2 x 4（mm）的小長條，然後將金屬片對折一共要做2組，接著拿出準備好的烙鐵，將2個對摺的小金屬片，用烙鐵和焊錫固定在B接點與新做出來的A2接點上。
▲用美工刀小心的刮開表面的保護層，說實在也沒多可怕，看到金屬露出來了就減輕力道就好了。
▲原來的B點，與新做出來的A2點。
▲稍微用力，或是用箝子扭開轉接卡，就可以取出金手指零件。
▲像這樣對折金手指，然後剪下做為接點零件。
▲用烙鐵和悍錫將金手指固定上去
線圈與電路完成後還沒結束，要將線圈放入手機還會面臨新的難題「厚度」。現在手機製作精密度都很高，若在原有背蓋中加入充電線圈之後，會產生2個新問題。首先是厚度改變，背蓋安裝時會無法緊密貼合，其次是充電效率的問題，因為背蓋厚度越厚，線圈與TouchStone間隔就越大，會直接影響到充電效率，甚至可能感應不良。
先利用砂紙或打磨器，針對背蓋安裝線圈的空間，盡可能地打磨使其變薄。至於要打磨多少就看功力了，在不磨穿且不影響結構的前提下盡量處理。打磨時會產生大量的塑膠粉塵，會產生健康與清潔問題，筆者建議操作時一邊加水一邊打磨，可降低粉塵飛散的機會，搭配口罩與抹布就能減輕這困擾。
打磨時可採用逐步處理的方式，依照打磨、試裝、打磨、試裝的步驟進行，可讓背蓋做到最適合的厚度。處理完畢後安裝時就不會發生扣不上的窘境，另外背蓋本來就很薄，裝上後會感覺背蓋線圈的部分略微凸起，這是正常現象不用擔心。
▲將下半部線圈的安裝空間努力的打磨，把背蓋盡量磨薄就是了。
▲打磨完成後的背蓋可完全密合，塞入線圈會略微凸起是正常情況。
背蓋打磨完畢，最後還要固定線圈。前面有提到無線充電設備與充電器關鍵在於線圈，線圈位置需要妥善選擇，不然會影響到充電效率。TouchStone和充電背蓋的固定方式是靠TouchStone的強力磁鐵，配合4個金屬元件做為固定使用。線圈位置必須對準TouchStone，且4個金屬元件也要對應TouchStone上的強力磁鐵，才能獲得最佳效率。
安裝時先將線圈放置到對應的位置，並用雙面膠帶稍微固定。接著將點金石放在背蓋之後，然後在背蓋內放上4個金屬元件，此時金屬元件會受到磁力影響自行吸附到最佳位置。
現在是安裝關鍵，依照線圈的位置，移動調整點金石和金屬元件位置，務必讓注意2個要點。首先是讓線圈本體固定於金屬元件的中央，其次是4個金屬元件位置要對準TouchStone磁石相對位置，且接觸的背蓋需厚度相同，避免金屬元件位於不同的水平線上。固定完畢將金屬元件用雙面膠固定，若擔心不夠牢靠也能改用AB膠或快乾膠固定。固定之後蓋上金屬隔片，注意金屬隔片要完整覆蓋金屬線圈，最後黏上塑膠隔離貼紙就完成了。
▲點金石上的磁力很強，其實稍微把金屬件丟上去，就會吸附到正確位置。
▲利用無痕膠帶固定線圈位置，並注意金屬元件是否對應TouchStone磁石的位置。
▲接著貼上T型金屬隔片，確認後再貼上塑膠隔離貼紙。
▲完成後的背蓋只看的到隔離貼紙與2個金屬接點，完成度相當高。
充電效率實測
秉持著實驗精神，改造完成當然要實機測試，我們將同支手機，在相同變壓器與環境下，比較有線與無線充電的充電時間，來看看充電效率相差多少。測試環境是，S3 安裝 SIM 卡並開啟 Wi-Fi，關閉Push相關服務，不執行任何背景程式，僅開啟電池記錄用Widget。每20分鐘記錄充電百分比，設備都先放電到關機無法啟動的狀態，此時電量為0%。並以此狀態接上充電裝置，一直到機器出現充電已完成的訊息出現。
▲無線充電很方便，回家只要放上手機，內建磁石就會自動吸附，不用插線亦不用對準，就是這樣的輕鬆。
TouchStone提供的官方轉換效率數據是85%，不過這應該是理論數值，跟實測的結果還是有些差距。實測在使用相同變壓器的情況下，無線充電的時間約為有線充電的1.87倍，換算效率約為 54% 。
隨著技術的進步，Nokia、Samsung、Sony等大廠陸續投入無線充電技術，並將技術商品化，無線充電技術可望在數年內普及。相較於傳統充電方式，無線充電也許有效率較差的問題，但是帶來的便利性也是無庸置疑的，你的手機還在用USB充電嗎？試試土砲無線充電包准你會上癮。
無線供電效率實測
對照組：Samsung原廠充電器、有線充電套件
0～100%時間：2小時22分（142分鐘）
測試組：Samsung原廠充電器、TouchStone
0～100%時間：4 小時25分（265分鐘）
▲充電曲線圖，相對起來無線充電的確比較慢，不過可以看到也是穩定的線性充電曲線。
圖文來源：DIY 手機無線充電：不破保固千元改機、步驟講解、充電效率實測
沒有留言:
張貼留言