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DIY 手机无线充电:不破保固千元改机、步骤讲解、充电效率实

DIY 手机无线充电:不破保固千元改机、步骤讲解、充电效率实还在用 USB 充电吗?古早的 PHS J88 都能无线充电,智慧型手机还用线材传输会不会太逊?其实花点小钱买个 TouchStone 套件,智慧型手机也能大玩隔空充电。我们先从无线充电的原理讲起,然后告诉大家要準备那些材料与工具,并动手进行实做与充电效率测试。

快速浏览:无线充电技术介绍 / 无线供电优势与全球共通标準 Qi改造材料、施工工具介绍改造实作 Step by Step:以 Samsung Galaxy S3 做示範无线充电效率实测

智慧型手机人手一支已经非常普遍,随着技术的进步,智慧型手机的软硬体也不停地进步。过去的双核心到现在的四核心,处理器时脉也逐步提高到1GHz,甚至到1.7GHz以上,另外还有高容量记忆体、上千万画素的内建相机与卫星导航也都渐渐成为标準配备,那还有什幺新技术是少见又正夯的呢?是的,还有我们现在要谈的无线充电。

无线充电10年前就有

严格说起来无线充电并不是什幺新技术,大概早在10年前就出现在 PHS 手机上。好吧讲PHS可能有点小众,只有笔者这类科技宅比较清楚,若不说 PHS 手机,那电动牙刷总听过吧!几乎市面上所有中高阶的充电型电动牙刷,就是应用了无线充电的技术。既然连牙刷都能无线充电,为什幺手机普遍做不到?在大改我们的手机之前,先了解无线充电是怎幺办到。

谈到无线充电,就一定会谈到这行的先驱者尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla),这位后世被称为与爱迪生一样伟大的美籍塞尔维亚裔科学家( 2006 年电影顶尖对决也就是在讲尼古拉.特斯拉),他在1891年发明特斯拉线圈,并通过电磁共振原理实现了人类最早的无线能量传输,同时奠定未来无线充电技术的基础理论。甚至在1900 年,特斯拉也尝试筹建 29 公尺高的沃登克里佛广播塔(Wardenclyffe Tower),来实现远距离的无线电力传输。当时因为技术不成熟和其他组织的阻扰因此试验失败,不过这也为了未来无线充电埋下了梦想的种子。

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▲当年PHS经典机种J88,也支援无线充电技术。

3种主流无线供电技术

进入二十一世纪,无线充电技术逐渐成熟,并从理论中获得几种实作的可能性。无线充电(或称为无线供电)技术简单地说是电与电之间的无线连接,目前的技术大多会让电力透过二次转换,像是电力转磁力、磁力转电力,以达到「无接触」供电的目的。

也因为二次转换的关係,供电效率自然会受到影响,这也是目前需要克服的困境。目前来看成熟的无线电力传输技术有3种主要方式,分别是电磁感应式、电磁共振式与无线电波式,接下来看这些技术的差异在哪里。

1.电磁感应式:

电磁感应是最为常见的无线电力传输方式,通过发射端和接收端的线圈相互感应産生电流,从而实现电力传输的技术。简单来说就是国中物理课本中就有提到的法拉第电磁感应定律,而我们这次土砲的套件,也是透过电磁感应式的原理运作。运作方式也很容易,首先从电力端(充电器)的线圈提供电力,充电器的线圈因此产生磁力,而接收电力端(如手机、行动电源)线圈感应到磁力,进而将磁力转换成电力。

使用时2个线圈不需要接触就能透过电磁感应达到传导的目的,当然设计上没这幺简单,还要考虑双方线圈的尺寸、接触距离等因素,这些变因都会影响到充电效率。目前电磁感应式传输,可用範围大约在30mm以内,属于短距离传输。

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▲这是1800年代用于解释电磁感应的教材,读者更为熟悉的应该是线圈、磁铁与指南针,从中可看出电磁转换机制。(图片来源:Wikipedia)

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▲Intel在2010年CES曾展示无线供电技术,透过2个巨大线圈,传输的电量可供60W灯泡使用。

2.电磁共振式:

电磁共振是正在研究中的无线电力传输方式,利用将能量发送和接收装置调整到相同的频率或者特定的频率,可让对应的电器产生共振现象,进而实现能量交换的目的。电磁共振的距离比起电磁感应远一些,最多约可到3m左右。除了距离增加之外,功率可达数千瓦以上,功率比电磁感应式更高也是它的特点。

共振是相当有效率的传输方式,单就技术层面来说,只要能设计出共振频率相同的电源与电力捕捉装置,就能达到Resonant Magnetic Coupling(磁共振偶合)。共振存在于相当多的物理环境,举例来说,歌手(或音响)的歌声将远端的玻璃震破,就是因为玻璃的频率与歌手的频率达到一致,使得玻璃获得歌手能量,导致玻璃碎裂。

3.无线电波式:

此种无线电力传输方式,利用与早期矿石收音机相似的原理,即利用微型高效接收电路捕捉从障碍物反射回来的无线电波,并转化为稳定的直流电压。在实作上,只要将发射器安装在插头上,产品即可捕捉从墙壁反弹的无线电波能量,并随着负载调整的同时保持稳定的直流电压。如此一来就能将电能传递置範围内的装置,有效範围约为1m左右。像是PowerCast就是使用该技术,接收器尺寸约只有硬币大小,而且成本只有5美元(折合新台币约150元)。不过这技术喊了多年,仍未有重大突破,离成熟仍有很长的路要走。

此篇中提到的应用面,几乎都是採用电磁感应原理。当然以目前的技术,无线传送的距离、功率与成本还是受到非常大的限制,但已经进步到可以轻鬆应用到一般资讯产品如智慧型手机、行动电源等产品上,让消费者可以马上享受到无线充电的优点与带来的方便性。

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▲这是 PowerCast 无线充电的关键晶片,有P1110与P2110版本,前者用于短距离、高功率,后者则是长距离传输。

无线供电优势与阵营

既然无线充电原理简单也应用了这幺多年,那本篇是骗稿费的吗?当然不是,实际上受到技术限制,以前无线充电仅适用于耗电量较低的设备上,前面提到的电动牙刷与PHS手机都是这样的例子。

随着技术进步,近年来开始在特殊需求领域,如日系防水手机上应用,后来也有不少手机支援,像是Palm Pre 系列手机(不过此系列已停产),Sony、Samsung、 Nokia 等厂牌智慧型手机上出现。无线充电应用可以带来什幺优点?当然,高科技的酷炫感是一定有的,但是除了这种 Geek 科技狂热者所爱好的理由之外,无线充电还有一些优势。

随放即充更便利

无线充电器通常是以盘状、碟状的方式设计,或以磁力吸附做为固定方式,和一般 USB 等有线充电缆线不同,并没有方向性限制。回家后只要将手机放在充电器,就能够自动充电,操作起来更加方便与直觉。智慧型手机若搭配无线充电,旧没有一条尾巴的限制,要接听手机或使用直接拿起来即可,没有了线的束缚更加自由、更加人性,正是所谓的科技始终来自于惰性。

安全、耐用还强化结构

由于无线充电没有传统缆线方向性的限制,同时也少了插入这个动作,自然也就没有介面故障损坏的问题,可降低设备故障与出错的可能性。同时若无线充电应用于防水手机上,由于手机可减少使用的传输介面,间接强化手机的结构性,防水效果与设计可以做更好,提供更出色的防水、防尘或防潮效果。

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▲Nokia Lumia 920 支援Qi 无线充电技术,也是首款内建Qi技术标準的智慧型手机。

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▲日本高阶手机常见防水功能,Docomo ARROWS Kiss F-03D就是主打无线充电并具备防水性能的Android智慧型手机。

无线充电阵营 Qi

如同 Wi-Fi是无线网路的标準,蓝牙(Bluetooth)是近距离交换数据标準,无线充电也有全球共通的标準Qi。早期无线充电技术较为複杂,虽然大多都是相同基于电池感应模式,但是大多各自为政,设备、电池与技术大多不能共通或相容,不同厂牌的无线充电手机,充电器与电池都不能交替互换使用。

2008年12月17日,全球首个无线充电技术标準化联盟 WPC(Wireless Power Consortium)正式成立,并在 2010 年制定并发表无线充电的全球标準 Qi。只需将支援Qi 的移动设备放在Qi充电器上即可充电。从此设备能共通使用,也不需事先做任何配对或是设定。目前 WPC 无线充电联盟已经有超过 100 家的企业加入,包含Samsung、Nokia、Motorola、LG、Panasonic、Sony、Philips 等消费电子产品大厂,并且各家也陆续推出支援 Qi 标準的智慧型手机、行动电源等产品。

位置对準才能用

不管是何种无线充电的标準包含Qi在内,都必须在线圈在对準的情况下,电池才能获得最佳的充电效果。通常无线充电产品在商品化时,为了达到充电的最佳效率,都会使用一些小手法让使用者不经意放对位置。例如Palm TouchStone是利用磁铁辅助手机自动固定至正确位置,Pansonic Qi充电板则利用侦测技术,透过机械结构将充电线圈移动到正确的位置,并依照摆放顺序充电(如果充电设备有一个以上的情况)。理论搞懂了,接下来我们试试如何让一般智慧型手机也能无线充电。

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▲Qi标準与支援Qi标準的充电板、行动电源产品。

Tips:Qi怎幺唸?

Qi可不是什幺英文单字的缩写,是由中文字的「气」转成英文而来,读法就是气。会用气(Qi)做为无线充电技术代号,官方说法是该技术有如气功一样,是股无形的流动力量,因此而命名。下次看到Qi别拆成Q跟I来唸,应该读成气才对。

 

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(后面还有:改造材料、施工工具介绍)

改造工具改造材料项目说明物品来源与参考价格TouchStone点金石组无线充电的电力源淘宝网,约人民币45元,新台币约200元TouchStone线圈组合改装进手机背盖中,用于接收电力淘宝网,约人民币65元,新台币约300元TouchStone点金石、线圈组合上述两者的组合包

露天拍卖,新台币700元(不含变压器)

Samsung S3背盖改装用零件手机内建免费,淘宝网约人民币22元,新台币约100元Samsung S3书盖型背盖改装用零件一般门市或网路商店,新台币约1200元废弃SD记忆卡或是转接卡金属端子用于杀肉改造用自己有免费,或是买一张转接卡新台币约50元

 

TouchStone 点金石

TouchStone是过去知名Palm公司,在2009年随着Palm Pre所推出提供选购的无线充电配件,TouchStone也常被称为点金石。推出后被应用在Palm系列产品Palm Pre2、Pre3、Pixi等装置上,在当时的智慧型手机市场中,是非常少见且技术领先的无线充电解决方案。

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▲TouchStone本来是给Plam系列使用,由于便宜且取得便利,自然成为土砲的最佳选择。从结果来看Palm算失败了,但是WebOS Device一直到现在,笔者都认为是优雅的硬体与优美的系统的最佳代表。

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▲淘宝网真的很便宜,原厂TouchStone只要新台币200元。

Tips:TouchStone有分版本吗?

其实从Pre 1/2/3一直到Pixi都是使用相同的TouchStone,只有充电背盖因机型而有所不同,因此不需要担心买错。唯一的例外是在后期,有针对平板TouchPad推出TouchStone for TouchPad。因为平板较大台,因此TouchPad版本TouchStone是採用立架设计,外型差距很大不需要担心买错,而且要买到TouchStone for TouchPad还蛮有难度。

 

手机背盖

为了将线圈塞到手机内,因此要打磨手机背盖,这是属于破坏型改装。不过S3出厂就预留无线充电的电源接点,因此除了背盖不会对手机造成任何破坏保固的行为,读者可以放心操作。

除了使用手机原厂背盖直接改造外,也可以选择多买1个背盖,或是买原厂的FlipCover书盖型背盖来改装都可以,FlipCover书盖型背盖的材质和一般背盖外型略为不同,规格上比较厚一点,但背盖改造时,我们都必须打磨以符合线圈体积,反而较厚的书盖型背盖加工起来比较简单。

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▲左方式S3原厂背盖,右方则是选购FlipCover书盖型背盖,厚度是两者最大的差别。

SD卡或转接卡

SD卡或转接卡倒是不见得一定要具备,只是要把接点取下改造成我们要的接点。较正式的作法是在电子材料行买焊片推叠焊接,但我们只需要做出2个接点而已,找找一下低容量、废弃的记忆卡即可,或是找个转接卡也行,破坏卡片取出金手指部分的金属片,就可以供我们改造使用。破坏取出并不困难,结构也不是很硬,金属片用箝子弯折再加工,再稍微剪裁即可。

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▲我们只需要金手指部分来使用,因此转接卡是最容易取得而且便宜的选择。

施工工具工具操作与规格说明烙铁必备,一般选择45W即可,市售价约150元焊锡必备,少量即可,大约20元打磨器或砂纸非必备,用于打磨背盖,使用打磨机比较好操作,打磨器约300元。若觉得价位偏高,也可用砂纸取代,砂纸1张约5元,若没有经常使用的需求,建议选择成本较低的砂纸美工刀必备,要刮除电路绝缘层,用一般美工刀即可杂项工具非必备,家里书桌找找大多能找到改造需要的辅助工具,这些工具包括剪刀、箝子(可用指甲剪或是巧手取代)与双面胶带

 

要土砲除了套件之外,当然还是需要一些辅助工具,必备工具只有烙铁和焊锡,认真一点的话多準备一下砂纸与一些基本工具即可,操作与使用上没有太大难度。这些工具都能在一般五金行购得,费用也不高大约几百元就能搞定。

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▲所有工具中大概只有烙铁必须具备,打磨机有的话比较方便,不然砂纸也能达到相同效果。

(后面还有:改造实作 Step by Step - 以 Samsung Galaxy S3 做示範)

Samsung S3 改造实作

前面说了这幺多,终于要动手改造。如果不土砲,要买到官方有无线充电的设备还真的很困难。除非你想要用外接背夹式充电器,但是这种外接套件一点爽度都没有了。土砲万岁!等官方出套件太慢了,我们自己动手来做,以下我们就以Samsung S3为例,发挥土砲精神让TouchStone跟S3大合体。

Tips:其他手机改造方法

其实改造原理都相同,由于S3内建无线充电的接点(Sony Xperia S也有),因此改装完成度最高,实作也最方便。绝大多数手机充电电压几乎都是5V,因此改造原理都相同。但要注意若是内建电池的机种,因为没办法将线圈藏在手机内,就得安装在外侧或是保护壳中。还有个无法土砲的特例是金属外壳的手机,受到金属屏蔽的影响,并不适合改装无线充电模组,就算完成的充电效果也会大打折扣。

 

步骤1:标记充电定位点

Samsung S3出厂已经预留无线充电的接点位置,我们改装最重要的一步就是把充电接点位置标出来,请把背盖拿出来并翻到内侧,请仔细看在右侧中间有2道淡淡的模线痕迹。在2个模线「内缘」两侧,各用铅笔画上1个2.5 x 2.5(mm)的正方形方框,这是等下我们要固定接点的位置。

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▲我们先看看S3改造完成的充电背盖,正中间应该可以看到线圈与机器的接点位置。

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▲因为怕读者看不清楚,直接拍摄深蓝色版本的背盖,并用铅笔画出实际的框框出来。(点图片可看大图)

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▲如果真的感受不到那2条内缘,请参考图片中红色标示的位置,就是模线的位置。(点图片可看大图)

步骤2:充电线圈加工

重点来了,因为我们是拿Palm Pre使用的TouchStone线圈做修改,因此保证脚位跟S3完全不合,所以得改造才行(真是废话),线圈是由4个部位所组成,包括线圈、金属隔片、塑胶隔离贴纸、金属零件。

首先,线圈本体和电路板是一体的,请小心呵护它,温柔一点地拿它,待会再粗暴个改造。其次是金属隔片,这元件的正式名称笔者不太确定,到时候安装好线圈时,要隔在线圈背后。这个东西非常重要,不安装的话输出电压不稳定且可能会无法充电。再来是塑胶隔离贴纸,这个东西买回来可能是黑色或白色,并没有差别,用途是完成后贴在线圈上做隔绝,避免拆卸时受损,另外能避免不小心短路的情况。最后是4个金属零件,主要是用来固定线圈位置,使用时会和TouchStone上面的磁石贴在一起,后面会再说明安装方法。

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▲线圈套件组合,缺一不可,请检查买到的零件是否有缺少了。

步骤3:线圈电路加工

线圈是我们主要要动工的部分,这部分笔者已经帮各位量好接点,可参考说明图片加工。简单来说我们要做出1个总宽度7mm,左右各1个2 x 2 x 2(mm)的正负接点出来,而对照线圈线路图,建议各位用最简单的方式,B接点不动,然后在A区域对应的位置,刮出对应新接点的方式来做会比较容易。

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▲线圈电路标示图。

编号说明A 接点+ 正极输出A 区域表面绝缘面下都是 + 正极输出B 接点- 负极输出C 接点+ 正极输出D 接点- 负极输出

 

Tips:C、D接点的用途

正所谓马有失蹄、人有失足,偶尔还是有失手的时候。万一加工失败,可以从C接点与D接点2点利用漆包线或是OK线拉出正负极,也可以加工处理。另有一种特别情况就是如果改装手机的线圈安装空间不足,其实也可以将电路板A、B区域整个剪掉,利用从C、D接点拉线的方式,来做到变更充电电路形状、体积的效果。

 

依照解说图,在A区域中小心地用美工刀将表面绝缘层刮开,露出金属电极面(暂且称为A2接点)。这边注意请小心轻柔的刮开,若刮太过头刮破了金属层,就短路再见了。接着我们要来做出2个接点出来,拿出先前準备的SD卡或是转接卡,并且粗鲁地破坏取出金属片(金手指)。

金属片取出后,用美工刀或是小刀剪裁成2 x 4(mm)的小长条,然后将金属片对折一共要做2组,接着拿出準备好的烙铁,将2个对摺的小金属片,用烙铁和焊锡固定在B接点与新做出来的A2接点上。

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▲用美工刀小心的刮开表面的保护层,说实在也没多可怕,看到金属露出来了就减轻力道就好了。

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▲原来的B点,与新做出来的A2点。

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▲稍微用力,或是用箝子扭开转接卡,就可以取出金手指零件。

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▲像这样对折金手指,然后剪下做为接点零件。

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▲用烙铁和悍锡将金手指固定上去

步骤4:打磨手机背盖

线圈与电路完成后还没结束,要将线圈放入手机还会面临新的难题「厚度」。现在手机製作精密度都很高,若在原有背盖中加入充电线圈之后,会产生2个新问题。首先是厚度改变,背盖安装时会无法紧密贴合,其次是充电效率的问题,因为背盖厚度越厚,线圈与TouchStone间隔就越大,会直接影响到充电效率,甚至可能感应不良。

先利用砂纸或打磨器,针对背盖安装线圈的空间,尽可能地打磨使其变薄。至于要打磨多少就看功力了,在不磨穿且不影响结构的前提下尽量处理。打磨时会产生大量的塑胶粉尘,会产生健康与清洁问题,笔者建议操作时一边加水一边打磨,可降低粉尘飞散的机会,搭配口罩与抹布就能减轻这困扰。

打磨时可採用逐步处理的方式,依照打磨、试装、打磨、试装的步骤进行,可让背盖做到最适合的厚度。处理完毕后安装时就不会发生扣不上的窘境,另外背盖本来就很薄,装上后会感觉背盖线圈的部分略微凸起,这是正常现象不用担心。

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▲将下半部线圈的安装空间努力的打磨,把背盖尽量磨薄就是了。

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▲打磨完成后的背盖可完全密合,塞入线圈会略微凸起是正常情况。

步骤5:固定线圈与收尾

背盖打磨完毕,最后还要固定线圈。前面有提到无线充电设备与充电器关键在于线圈,线圈位置需要妥善选择,不然会影响到充电效率。TouchStone和充电背盖的固定方式是靠TouchStone的强力磁铁,配合4个金属元件做为固定使用。线圈位置必须对準TouchStone,且4个金属元件也要对应TouchStone上的强力磁铁,才能获得最佳效率。

安装时先将线圈放置到对应的位置,并用双面胶带稍微固定。接着将点金石放在背盖之后,然后在背盖内放上4个金属元件,此时金属元件会受到磁力影响自行吸附到最佳位置。

现在是安装关键,依照线圈的位置,移动调整点金石和金属元件位置,务必让注意2个要点。首先是让线圈本体固定于金属元件的中央,其次是4个金属元件位置要对準TouchStone磁石相对位置,且接触的背盖需厚度相同,避免金属元件位于不同的水平线上。固定完毕将金属元件用双面胶固定,若担心不够牢靠也能改用AB胶或快乾胶固定。固定之后盖上金属隔片,注意金属隔片要完整覆盖金属线圈,最后黏上塑胶隔离贴纸就完成了。

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▲点金石上的磁力很强,其实稍微把金属件丢上去,就会吸附到正确位置。

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▲利用无痕胶带固定线圈位置,并注意金属元件是否对应TouchStone磁石的位置。

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▲接着贴上T型金属隔片,确认后再贴上塑胶隔离贴纸。

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▲完成后的背盖只看的到隔离贴纸与2个金属接点,完成度相当高。

(后面还有:无线充电效率实测)

充电效率实测

秉持着实验精神,改造完成当然要实机测试,我们将同支手机,在相同变压器与环境下,比较有线与无线充电的充电时间,来看看充电效率相差多少。测试环境是,S3 安装 SIM 卡并开启 Wi-Fi,关闭Push相关服务,不执行任何背景程式,仅开启电池记录用Widget。每20分钟记录充电百分比,设备都先放电到关机无法启动的状态,此时电量为0%。并以此状态接上充电装置,一直到机器出现充电已完成的讯息出现。

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▲无线充电很方便,回家只要放上手机,内建磁石就会自动吸附,不用插线亦不用对準,就是这样的轻鬆。

转换效率约54%

TouchStone提供的官方转换效率数据是85%,不过这应该是理论数值,跟实测的结果还是有些差距。实测在使用相同变压器的情况下,无线充电的时间约为有线充电的1.87倍,换算效率约为 54% 。

随着技术的进步,Nokia、Samsung、Sony等大厂陆续投入无线充电技术,并将技术商品化,无线充电技术可望在数年内普及。相较于传统充电方式,无线充电也许有效率较差的问题,但是带来的便利性也是无庸置疑的,你的手机还在用USB充电吗?试试土砲无线充电包准你会上瘾。

无线供电效率实测

对照组:Samsung原厂充电器、有线充电套件

0~100%时间:2小时22分(142分钟)

测试组:Samsung原厂充电器、TouchStone

0~100%时间:4 小时25分(265分钟)

 

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▲充电曲线图,相对起来无线充电的确比较慢,不过可以看到也是稳定的线性充电曲线。

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