引言

很多產(chǎn)品都用電池作為主電源。當然，我們都知道那些名字以字母“i”開(kāi)頭、有水果標識的產(chǎn)品。然而，還有大量不那么光鮮亮麗、但所提供的應用同樣很有價(jià)值的產(chǎn)品，它們也使用電池。我在談?wù)摰氖潜銛y式醫療設備、工業(yè)傳感器甚至旋轉型或移動(dòng)型設備。與和緩的消費者環(huán)境不同，這類(lèi)應用具有更加嚴格的要求，例如需要消毒，甚至周?chē)�環(huán)境可能引起爆炸，在煉油廠(chǎng)和化學(xué)處理設施中，就常見(jiàn)到這類(lèi)環(huán)境。

在很多這類(lèi)應用中，充電時(shí)難以或不能使用連接器。例如，有些產(chǎn)品需要密封罩，以保護敏感電子組件免受惡劣環(huán)境影響。還有一些產(chǎn)品也許只是太小，無(wú)法容納連接器。如果電池供電產(chǎn)品使用時(shí)涉及移動(dòng)或旋轉動(dòng)作，那就幾乎不可能用導線(xiàn)充電。

那么，還有哪些方法可用來(lái)應對這類(lèi)環(huán)境? 一種顯然的方法是，去掉連接器并提供無(wú)線(xiàn)充電。在這類(lèi)不能使用連接器的應用中，無(wú)線(xiàn)充電解決方案增加了價(jià)值、可靠性和堅固性。

無(wú)線(xiàn)功率傳輸

在這些不能使用連接器的情況下，如果無(wú)線(xiàn)充電是一種好的解決方案，那么什么是無(wú)線(xiàn)充電? 怎樣實(shí)現無(wú)線(xiàn)充電? 一種簡(jiǎn)單直接的定義也許是：無(wú)線(xiàn)充電不使用人造導體，從電源向用電負載傳輸電能。

然而，這往往有點(diǎn)兒過(guò)于簡(jiǎn)化了，無(wú)法顯示無(wú)線(xiàn)充電過(guò)程面臨的挑戰。因此，在繼續探討應對挑戰所受限制和應對方法之前，我想更深入地解釋一下。那么，讓我們從基礎知識開(kāi)始：通過(guò)導體 (例如導線(xiàn)) 流動(dòng)的電流攜帶電能。電流經(jīng)過(guò)電路 (或導線(xiàn)時(shí))，在導體周?chē)�存在磁�?chǎng)。

在交流電流流過(guò)的電路中，導線(xiàn)附近存在一個(gè)隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)。如果在這個(gè)隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中放置一塊導體，那么就會(huì )引起電流。

在電子系統中，一種常見(jiàn)的現象是電瞬態(tài)，例如來(lái)自外部的雷擊或電容器放電，電容器放電有可能是一種內部的重復干擾，例如點(diǎn)火系統的冷凝器放電。

磁場(chǎng)密度與導體中流過(guò)的電流之幅度成正比。通過(guò)上述定義的磁耦合，能量從產(chǎn)生磁場(chǎng)的導體 (主端) 傳送給受該磁場(chǎng)影響的任何導體 (副端)。在松耦合系統中，耦合系數很小，高頻電流不能沿導體傳送很長(cháng)距離，會(huì )由于沿電纜的阻抗失配而快速失去能量，這使得能量被反射回最初的來(lái)源，或輻射到空氣中。參見(jiàn)圖 1，該圖顯示了通過(guò)磁場(chǎng)連接的松耦合繞組。應該特別提到的是，這個(gè)圖還顯示，該電路使用了 LTC4120，本文稍后將更詳細地討論這款器件。

圖 1：從主端發(fā)送線(xiàn)圈 (Tx) 向副端接收線(xiàn)圈 (Rx) 傳送無(wú)線(xiàn)功率，副端包括 LTC4120

用無(wú)線(xiàn)功率給電池充電

設計無(wú)線(xiàn)功率充電系統時(shí)，關(guān)鍵參數是實(shí)際上用來(lái)給電池增加能量之充電功率的大小。這一接收功率取決于很多因素，包括所傳輸功率的大小、發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的距離和對準度 (又稱(chēng)為線(xiàn)圈之間的耦合) 以及發(fā)送和接收組件的容限。

任何無(wú)線(xiàn)功率充電設計的主要目標都是，在最差的功率傳送條件下，確保提供所需功率。然而，同樣重要的是，在最好的條件下，避免熱壓力和電氣壓力過(guò)大。在輸出功率要求很低時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。例如，在電池滿(mǎn)充電或接近滿(mǎn)充電且線(xiàn)圈相互靠近時(shí)。在這種情況下，無(wú)線(xiàn)系統提供的可用功率很大，但是所需功率很小。一般情況下，這種多余的功率會(huì )導致很高的整流電壓，或者需要以熱量形式消耗這些多余的功率。

在所需接收器功率很小時(shí)，有幾種方法應對多余功率問(wèn)題�？梢杂霉β数R納二極管或瞬態(tài)電壓抑制器箝位整流電壓。然而，這種解決方案尺寸一般很大，產(chǎn)生相當大的熱量�？梢越档桶l(fā)送器功率，但是這么做或者會(huì )限制可用接收功率，或者會(huì )縮短發(fā)送距離。也可以將所接收的功率送回發(fā)送器，并相應調節發(fā)送功率。無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟 (Wireless Power Consortium) Qi 標準等無(wú)線(xiàn)功率充電標準采用的就是這種方法。不過(guò)，還可以用一種緊湊和高效的解決方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，而無(wú)需求助于復雜的數字通信技術(shù)。通過(guò)在發(fā)送功率的微小變化通信的方法要求一個(gè)最少量的功率傳輸，并可能無(wú)法用于發(fā)送距離可變的系統。
一款易于使用、適合無(wú)線(xiàn)充電的 IC

為了實(shí)現這些目標，凌力爾特的 LTC4120 無(wú)線(xiàn)功率接收器和電池充電器集成了 PowerbyProxi 公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)，該公司是凌力爾特的技術(shù)合作伙伴。PowerbyProxi 獲得專(zhuān)利的動(dòng)態(tài)協(xié)調控制 (Dynamic Harmonization Control - DHC) 技術(shù)實(shí)現了高效率非接觸式充電，不會(huì )產(chǎn)生接收器熱壓力或電氣壓力過(guò)大的問(wèn)題。運用這種技術(shù)，可以在長(cháng)達 1.2cm 的距離上傳送高達 2W 的功率。不過(guò)，就單節鋰離子電池而言，4.2V 最高充電電壓和 400mA 最大充電電流將使這一功率值限制到 1.7W。類(lèi)似地，2W 最大功率將使兩節鋰離子電池 (8.4V 最高充電電壓) 的充電電流限制到 240mA。

功率、效率、范圍和尺寸這些參數決定了系統性能，因此基于 LTC4120 的無(wú)線(xiàn)功率系統被設計為，與幾種可選發(fā)送器之一使用時(shí)，通過(guò)長(cháng)達 1.2cm 的距離，在電池端接收高達 2W 功率。所用方法和組件不同，效率計算會(huì )有很大不同。一般情況下，在基于 LTC4120 的系統中，對于饋送到發(fā)送器的 DC 輸入功率，電池將接收其 45% 至 55%。

與其他無(wú)線(xiàn)功率充電解決方案相比，嵌入到 LTC4120 中的 PowerbyProxi 的 DHC 微調技術(shù)帶來(lái)了顯著(zhù)優(yōu)勢。為了響應環(huán)境和負載變化，DHC 動(dòng)態(tài)地改變接收器上諧振電路的諧振頻率。DHC 實(shí)現了更高的功率傳送效率、更小的接收器尺寸，該技術(shù)甚至允許更大的傳輸范圍。與其他無(wú)線(xiàn)功率傳送技術(shù)不同，DHC 將功率級管理作為感應電場(chǎng)管理的一部分，實(shí)現了內在功率級管理，從而在電池充電周期中，無(wú)需單獨的通信通道來(lái)證實(shí)接收器的存在或管理負載需求變化。

顯然，DHC 解決了所有無(wú)線(xiàn)功率系統的基本問(wèn)題。每個(gè)系統都必須設計為，在給定最大發(fā)送距離上，接收一定量的功率。每個(gè)系統還必須設計為，在最短發(fā)送距離時(shí)，可承受無(wú)負載情況而不會(huì )損壞。其他同類(lèi)解決方案用復雜的數字通信系統解決這一問(wèn)題，提高了復雜性和成本，限制了功率傳輸距離�；�于 LTC4120 的無(wú)線(xiàn)功率充電系統通過(guò)采用 PowerbyProxi 的 DHC 技術(shù)就可輕松地解決這一問(wèn)題。

圖 2：LTC4120 應用原理圖，說(shuō)明了一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)電池充電電路

凌力爾特與 PowerbyProxi 的合作

PowerbyProxi 自 2007 年以來(lái)，一直致力于為工業(yè)客戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)功率充電解決方案。該公司沒(méi)有大量投資開(kāi)展市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)，而是選擇自己開(kāi)發(fā)和改進(jìn)技術(shù)，然后與凌力爾特等業(yè)界領(lǐng)導者合作，向市場(chǎng)提供其技術(shù)和產(chǎn)品。該公司取得了巨大成功，擁有豐富的產(chǎn)品和技術(shù)，值得稱(chēng)道�，F在，PowerbyProxi 作為領(lǐng)先無(wú)線(xiàn)功率充電產(chǎn)品公司，已經(jīng)獲得了全球認可。

凌力爾特與 PowerbyProxi 合作的關(guān)鍵原因之一是，該公司擁有大量知識產(chǎn)權和解決方案設計經(jīng)驗，可為客戶(hù)提供業(yè)內領(lǐng)先的技術(shù)，還可確保其技術(shù)得到知識產(chǎn)權的全面支持。PowerbyProxi 有超過(guò) 30 項專(zhuān)利處于申請中，還有很多處于審查和備案階段，因此成為無(wú)線(xiàn)功率領(lǐng)域的領(lǐng)先創(chuàng )新公司和知識產(chǎn)權領(lǐng)導者。
結論

在給這種“i”開(kāi)頭的產(chǎn)品或那種“機器人”進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電的大眾消費市場(chǎng)以外，還有一類(lèi)便攜式工業(yè)和醫療產(chǎn)品市場(chǎng)，在這類(lèi)產(chǎn)品中，通過(guò)長(cháng)達 1cm 左右的空氣隙或非鐵氧體材料給這類(lèi)產(chǎn)品內部的電池無(wú)線(xiàn)充電是“必須具有”的要求。直到現在，設計工程師的選擇一直有限，這妨礙了最終產(chǎn)品的成功和可行性。幸運的是，凌力爾特最近推出了 LTC4120，因此情況將徹底改變。這一高度集成的 IC 可以無(wú)線(xiàn)接收從一個(gè)相距 1.2cm 的線(xiàn)圈發(fā)送的功率，并給電池充電，因此提供了一種簡(jiǎn)單有效的解決方案。它是輕松搞定無(wú)線(xiàn)充電的典型 ── 無(wú)需連接器！