無線充電是什麼？手機放上去就能充電的原理

生活中的例子

把手機放到充電座上，不必插充電線，就會開始充電。無線耳機的充電盒、智慧手錶也一樣。只要放在座上，或吸附在背面，電池就會充電。

另一個身邊的例子是電動牙刷。例如飛利浦的「Sonicare」，充電座和握柄裡各有1個線圈（拆解文章，EE World）。握柄上沒有金屬插孔，所以在容易碰到水的洗手台也方便使用。

日本埼玉大學2016年的資料也說明，電動刮鬍刀、電動牙刷、無線電話子機等的充電，都少不了這項技術。本文以手機為中心，依序看看放上去就能充電的原理。

原理①：變化的磁場，讓遠處的線圈產生電流

把電線一圈圈繞起來的零件，稱為線圈。電流流過線圈時，周圍會出現一種力的場。它能像磁鐵一樣吸引鐵，或讓指南針轉動。這種場稱為磁場。

1831年，英國的麥可·法拉第在鐵環上繞了2個線圈做實驗。把一個線圈接上電池或拆下電池的瞬間，另一個線圈才有電流流過。一直接著不動，就什麼也沒發生（英國皇家研究院）。

也就是說，磁場「改變」的時候，附近的線圈才會產生電壓。這種現象稱為電磁感應。重點在於必須有變化。所以充電座會讓方向每秒切換約9萬至20萬次的電流流過線圈，讓磁場持續變化（Qi的基本方式。WPC）。

利用同樣原理改變電壓的器材，就是變壓器。為什麼需要變化、和交流電有什麼關係，請見「交流電和直流電有什麼不同？」。

原理②：從插座到電池，電走的路

從插座到電池，電會改變好幾次形式。首先，電源轉接器把插座的交流電轉成直流電。充電座裡負責發射的半導體晶片（發射端IC），會讓直流電快速導通、關斷，變成方向快速切換的電流，送進線圈。把直流電轉成交流電的這種電路，稱為逆變器（「逆變器是什麼？」）。

在手機這一側，接收線圈會產生方向會變的電流。接收用的晶片（接收端IC）先把它整理成單一方向的流動。這種作用稱為整流，詳見「二極體是什麼？」。有些接收端晶片不用二極體，而是用電晶體開關整理方向，減少變成熱的損失。這稱為同步整流。

變回直流的電，會交給充電用的晶片。接下來就和用充電線充電時一樣：調整成適合電池的電流和電壓，依照固定的步驟充電（「鋰電池是什麼？」）。

發射端與接收端的「對話」

充電座和手機在充電期間，一直互相傳送訊號。接收端晶片會送出「再強一點」「弱一點」「充滿了，請停止」之類的訊號。方法是在自己這一側，細微改變接收電的方式。這個變化會變成充電座線圈電流的起伏，傳到對方。

有了這些訊號，充電座只會送出需要的電量。沒放手機時，也能停止送電待命。Qi早期的版本，訊號只能從接收端單向傳到發射端。從1.2版起，才能雙向溝通（WPC）。

原理③：為什麼擺放位置和距離很重要

充電座線圈產生的磁場，在線圈正上方最強。一旦遠離或橫向偏移，就會急速減弱。穿過手機線圈的磁場變少，產生的電壓也會變小。

為了補足不夠的部分，充電座會加大送出的電流。這樣一來，在線圈和電路中變成熱的電也會增加。TDK在2016年的展示中，說明了傳統方式的弱點。2個線圈的中心偏移10 mm以上，效率就會大幅下降（MONOist）。效率是指送出的電之中，實際送達的比例。

夾著厚手機殼，或在背面貼了指環扣等，距離拉開，也會發生同樣的事。擺放位置只要稍微偏一點，充電就變慢或停止，原因就在這裡。

原理④：用共振彌補鬆散的耦合

把線圈和暫時儲存電的零件（電容器）組合起來，會得到一種電路。它只在某個頻率（每秒方向切換的次數）強烈反應。這種現象稱為共振。這和收音機能只選一個電台，是同樣的原理（共振電路）。

無線充電的充電座和手機線圈，也都搭配了電容器。在送電頻率附近產生共振，即使線圈之間的耦合很鬆，也比較容易送電（意法半導體）。充電座會一點一點改變頻率或電壓，來調整送電的強弱。

更強烈地利用共振，也能送到較遠的地方。2007年，美國MIT的研究團隊在超過2 m的距離，送出了60瓦，效率約40 %（《Science》期刊）。不過，距離越遠，效率越低。手機廣泛使用的，是讓線圈靠近使用的方式。

原理⑤：Qi標準，以及用磁吸對準的Qi2

不同公司的充電座和手機也能互相充電，是因為有共同的規則。制定這套規則的，是2008年成立的業界組織WPC（無線充電聯盟）。蘋果、三星等許多公司都參與其中。

WPC的標準名稱是Qi（讀音近似「氣」）。第一版在2010年7月推出，能送的電力是5瓦。2015年的1.2版，加入了最高15瓦的等級（WPC）。

2020年10月，蘋果在iPhone 12推出了MagSafe磁吸充電。它在充電線圈周圍排了一圈磁鐵，讓充電器準確吸附在正確位置（蘋果）。剛推出時的MagSafe充電器，最高是15瓦。

2023年1月，WPC發表了以MagSafe為基礎的新標準Qi2。由蘋果提供技術，以磁鐵對準位置是標準的核心。「認證」是測試產品是否符合標準，並給予合格標示。Qi2的認證在2023年11月開始，當初的上限是15瓦。2025年7月，上限提高到25瓦的「Qi2 25W」也已開始（WPC）。

不過，實際的速度要看充電座和手機的組合。例如依蘋果的說明，在不是MagSafe、也不是Qi2的多數Qi認證充電座上，iPhone最高是7.5瓦。

原理⑥：看守硬幣和卡片的「異物偵測」

電磁感應不只發生在線圈，也會讓附近的金屬裡產生電流。硬幣或鑰匙等金屬夾在充電座和手機之間時，電流會在金屬裡像漩渦一樣打轉，讓金屬變熱。這和電磁爐（IH爐）加熱鍋子，幾乎是相同的原理（埼玉大學）。

因此Qi標準規定，充電座要能察覺金屬，在危險時停止送電。這種作用稱為異物偵測。基本想法是比較兩個電力：充電座送出的電力，以及手機回報「已收到」的電力。差距很大的話，就判斷某處的電變成了熱（WPC）。

WPC的資料中，有獨立試驗室檢測未認證充電器的例子。夾入金屬後，溫度升高到接近200 °F（約93 °C）。這是會燙傷的溫度。選擇有Qi認證標章的充電器，原因就在這裡。

卡片也要注意。蘋果建議不要在手機和充電器之間放東西，因為可能損壞信用卡的磁條，或員工證的IC晶片。使用可以放卡片的掀蓋式手機殼時，充電前請先確認裡面的東西。

原理⑦：比充電線慢、容易發熱的原因

無線充電時，電到達電池之前，會多出用充電線時沒有的步驟。也就是發射端IC的切換、線圈到線圈的傳遞，以及接收端IC的整流。每一個步驟，都有一部分電會變成熱而損失。

研究綜述介紹的試作品例子中，以5 mm的距離送出5瓦，效率約70 %（Lu 等，2016年）。維修資訊網站iFixit在2024年測量的例子也顯示，同樣的充電，無線比有線用了更多電。位置偏移的話，浪費還會更多（原理③）。

損失的電大多變成熱。而且這些熱，就在手機電池的旁邊產生。電池怕熱，所以這些熱是需要留意的地方。

依蘋果的說明，iPhone在充電時會稍微變溫。太熱時，可能會限制充到80 %以後的充電。這是為了保護電池壽命，溫度下降後就會恢復充電。會覺得「無線充電比較慢」，原因之一就在這裡。

其他的無線供電

感應卡與NFC

搭車時在閘門感應的IC卡，裡面並沒有電池。讀卡機會發出每秒往返1356萬次的磁場（13.56 MHz）。這個磁場讓卡片裡的線圈產生電流，晶片就靠這些電運作。卡片回覆時，會改變接收電的方式，以磁場的起伏回傳（意法半導體）。

這種距離只有幾公分的通訊，稱為近場通訊（NFC）。手機的感應支付，也是同樣的方式。送出的電力只夠讓晶片運作，和手機充電的大小完全不同。

電動車的無線充電

電動車也在開發一種方式：從停車場地面的線圈，送電到車底的線圈。美國的汽車技術組織SAE，在2020年發布了乘用車用的技術標準J2954。送電的大小分為3個等級，最高約11千瓦（SAE）。2024年的修訂版，也把最高定為11 kVA（千伏安，表示交流電功率大小的單位）。

也有一邊行駛、一邊充電的實驗。以日本為例，2023年10月，東京大學等單位在千葉縣柏市開始了一項實驗：從埋在道路裡的線圈，對行駛中的車輛供電。這是日本第一次在公共道路上進行這種實驗。兩者都還沒有像手機充電那樣普及。

常見的誤解

從數字來看

上限的數字，是充電座和手機雙方都支援時的最大值。充電時實際流過的電力，會隨電池剩餘電量和溫度改變。尤其接近充滿時，不論有線或無線都會變慢。

進一步學習

• 相關文章：「交流電和直流電有什麼不同？」（變壓器與共振）、「二極體是什麼？」（整流）、「鋰電池是什麼？」（充電步驟與老化）、「手機裡有哪些半導體？」（電源晶片與NFC）
• 名詞：變壓器 / 共振電路 / Q值（共振的尖銳程度） / 整流電路 / 同步整流 / USB PD（用充電線的快速充電）
• 用表格看差異：轉換器與逆變器的差異 / PN接面二極體與蕭特基二極體的差異 / LDO與切換式穩壓器的差異
• 用數字試試看：合成電阻、合成電容計算工具 / DC-DC轉換器計算工具（中級）