電池給多種行業(yè)的許多不同應用供電。在很多這類(lèi)應用中，難以使用或根本不能使用充電連接器。例如，有些產(chǎn)品需要密封外殼來(lái)保護敏感電子組件免受?chē)揽岘h(huán)境的影響，或允許便利的清潔或消毒。另一些產(chǎn)品也許太小了，容納不下連接器。另外，在電池供電應用包括移動(dòng)或旋轉部件時(shí)，就請徹底忘記用導線(xiàn)充電這回事吧。無(wú)線(xiàn)充電在這些以及其他一些應用中很有價(jià)值，增強了可靠性和堅固性。

無(wú)線(xiàn)電源系統概述

如圖 1 所示，無(wú)線(xiàn)電源系統由兩部分組成，即發(fā)送電路和接收電路，中間有一道間隙。發(fā)送電路包括一個(gè)發(fā)送線(xiàn)圈，接收電路包括一個(gè)接收線(xiàn)圈。發(fā)送電路圍繞發(fā)送線(xiàn)圈產(chǎn)生一個(gè)高頻交變磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)耦合至接收線(xiàn)圈，并轉換為電能，可用這部分電能給電池充電，或給其他電路供電。

圖 1: 無(wú)線(xiàn)電池充電器系統概述

當設計一個(gè)無(wú)線(xiàn)電源充電系統時(shí)，關(guān)鍵參數是給電池增加能量的實(shí)際充電功率。所接收功率的大小取決于很多因素，包括發(fā)送功率的大小、距離和發(fā)送線(xiàn)圈與接收線(xiàn)圈的擺放 (也稱(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)電源設計的主要目標都是，確保在功率傳送條件最差的情況下提供所需功率。然而，同樣重要的是，在最好條件下，要避免接收器的熱量和電氣過(guò)應力。當輸出功率要求很低時(shí)，例如，當電池充滿(mǎn)電或接近滿(mǎn)充電時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。在這類(lèi)情況下，來(lái)自無(wú)線(xiàn)系統的可用功率很高，但是所需功率很低。這種多余的功率一般導致高整流電壓，或者需要消耗這種多余的功率，使其變成熱量。

當接收器所需功率較低時(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。不過(guò)，這種解決方案一般尺寸較大，產(chǎn)生的熱量也相當大。假定沒(méi)有來(lái)自接收器的反饋，那么可以降低發(fā)送器最大功率，但是這或者會(huì )限制可用接收功率，或者會(huì )縮短發(fā)送距離。還可以將接收功率信息發(fā)送回發(fā)送器，以實(shí)時(shí)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)功率標準采用了這種方法。不過(guò)，還可以用緊湊和高效率的解決方案解決這類(lèi)問(wèn)題，而不必訴諸復雜的數字通信方法。

為了在所有情況下高效地管理從發(fā)送器到接收器的功率傳送，LTC4120 無(wú)線(xiàn)功率接收器集成了 PowerbyProxi 的專(zhuān)利技術(shù)，PowerbyProxi 是凌力爾特的合作伙伴。PowerbyProxi 已獲得專(zhuān)利的動(dòng)態(tài)協(xié)調控制 (DHC) 技術(shù)可高效率實(shí)現非接觸式充電，而且在接收器中不會(huì )出現熱量或電氣過(guò)應力的問(wèn)題。采用這種技術(shù)，在長(cháng)達 1.2cm 的距離上可傳送高達 2W 的功率。

通過(guò)將接收器的諧振頻率從“調諧”狀態(tài)調節到“失諧”狀態(tài)，DHC 確保在最差情況下也能提供所需功率，而且不必擔心在未加載的最好情況下出現問(wèn)題。這使基于 LTC4120 的無(wú)線(xiàn)充電系統能夠在很長(cháng)的距離和具有明顯的線(xiàn)圈錯位情況下傳送功率。此外，僅通過(guò)在接收器端控制功率傳送，基于 LTC4120 的系統消除了所有潛在的通信干擾問(wèn)題，這類(lèi)干擾如果存在，有可能中斷功率傳送。

系統性能

那么基于 LTC4120 的系統的工作效果有多好呢? 圖 2 顯示了隨著(zhù)發(fā)送線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈之間的距離以及中心至中心對準度的變化，通過(guò)一個(gè) LTC4120 無(wú)線(xiàn)功率接收器接收的電池充電功率。在距離為 10mm 時(shí)，可獲得 2W 的充電功率，而且線(xiàn)圈之間的錯位可以很大而不會(huì )導致可用功率顯著(zhù)下降。盡管有許多不同的無(wú)線(xiàn)功率發(fā)送器可用，但是圖 2 所示數據是由基本 DC-AC 發(fā)送器產(chǎn)生的。這種基本發(fā)送器是一種開(kāi)源基準設計。如需有關(guān)這一電流饋送型推拉式發(fā)送器的更多信息，可登陸凌力爾特公司的網(wǎng)站，查看相關(guān)應用指南。

圖 2: 發(fā)送距離 – 接收功率分析

選擇發(fā)送器時(shí)，有幾個(gè)因素需要考慮。發(fā)送器備用功率 (當接收器不存在時(shí)) 重要嗎? 發(fā)送器需要區分有效接收器和無(wú)關(guān)的金屬異物嗎? 周邊電路對 EMI 的敏感度高嗎?

基本發(fā)送器是一種簡(jiǎn)單、低價(jià)的解決方案。由于采用了無(wú)源諧振濾波，所以 EMI 頻譜在發(fā)送器基頻 (約 130kHz) 處得到了很好的控制。然而，無(wú)論基于 LTC4120 的接收器是否存在，該發(fā)送器都發(fā)送全功率，因此其備用功率相對較高。該發(fā)送器也不區分 LTC4120 和金屬異物，因此無(wú)關(guān)金屬物體可能因感應渦流而發(fā)熱。

從 PowerbyProxi 公司可購得兩種現成有售的發(fā)送器：Proxi-Point 和 Proxi-2D。這些發(fā)送器的發(fā)送距離和對準度容限性能幾乎與基本發(fā)送器相同。然而，這些更先進(jìn)的發(fā)送器，可檢測基于 LTC4120 的有效接收器是否存在。這一功能使這兩款發(fā)送器能夠在接收器不存在時(shí)降低備用功率，而如果附近是無(wú)關(guān)金屬異物，這些發(fā)送器就終止功率發(fā)送。

由于 LTC4120 充電器的高效率降壓型開(kāi)關(guān)拓撲以及 DHC 技術(shù)，所以系統總體效率約為 50% 至 55%。用電池充電功率除以提供給發(fā)送器的 DC 輸入功率，就能計算出這個(gè)效率值�？傮w效率與耦合及負載有很大關(guān)聯(lián)。當以 400mA 電流給單節鋰離子電池充電時(shí)，基于 LTC4120 的接收器電路板上之組件保持在 10ºC 的環(huán)境溫度之內�；�于 LTC4120 的接收器如圖 3 所示。

圖 3: LTC4120 接收器演示電路板組件

其他系統配置

基于 LTC4120 的無(wú)線(xiàn)充電系統能夠跨過(guò)一個(gè)令人印象深刻的間隙，以 400mA 電流給電池充電�；�于鋰的可再充電電池為許多手持式應用供電，1S (標稱(chēng) 3.7V) 和 2S (標稱(chēng) 7.4V) 鋰離子電池組很常見(jiàn)。生命周期延長(cháng)和安全功能改進(jìn)也為磷酸鐵鋰 (LiFePO₄) 電池創(chuàng )造了極大的市場(chǎng)空間。此外，由于客戶(hù)需要在初始電池容量、生命周期以及隨時(shí)間推移的保留容量變化之間做出精細的權衡，所以這類(lèi)電池組有種類(lèi)繁多的目標充電電壓。LTC4120 不需要任何額外的電路，就能夠給一節和兩節鋰電池以及一節、兩節和 3 節磷酸鐵鋰電池充電，因此可滿(mǎn)足多種目標充電電壓的需求。充電電流可以在 50mA 至 400mA 范圍內設定，而充電電壓可以在 3.5V 至 11V 范圍內設定。

除了內置恒定電流 / 恒定電壓充電算法，LTC4120 還提供多種電池安全功能。終止定時(shí)器安全結束電周期。一個(gè) NTC 輸入提供電池溫度監視，并在溫度條件不安全時(shí)自動(dòng)暫停充電。兩個(gè)充電狀態(tài)引腳提供充電周期及故障狀態(tài)信息。

結論

在很多不同類(lèi)型的應用中，無(wú)線(xiàn)充電很有價(jià)值，可增強可靠性和堅固性。重要的是，要考慮應用需要多少功率以及功率必須在多遠的距離上傳送、對準度容限多大。決定怎樣應對最大負載功率以及發(fā)送器和接收器之間耦合最小的最差情況常常非常容易。在輕負載或無(wú)負載以及最大耦合情況下管理額外的可用功率可能富有挑戰性。為了幫助應對這一挑戰，凌力爾特開(kāi)發(fā)了 LTC4120，這款全新 IC 為制造緊湊和高效率無(wú)線(xiàn)電源電池充電器提供了所需的一切。其 DHC 技術(shù)允許非常寬的傳送間隙，對發(fā)送線(xiàn)圈至接收線(xiàn)圈的對準度極其不敏感。LTC4120 是堅固的非接觸式充電系統的關(guān)鍵組件。