引言

很多產(chǎn)品都用電池作為主電源。當(dāng)然，我們都知道那些名字以字母“i”開頭、有水果標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品。然而，還有大量不那么光鮮亮麗、但所提供的應(yīng)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(yī)療設(shè)備、工業(yè)傳感器甚至旋轉(zhuǎn)型或移動(dòng)型設(shè)備。與和緩的消費(fèi)者環(huán)境不同，這類應(yīng)用具有更加嚴(yán)格的要求，例如需要消毒，甚至周圍環(huán)境可能引起爆炸，在煉油廠和化學(xué)處理設(shè)施中，就常見到這類環(huán)境。

在很多這類應(yīng)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(hù)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(zhuǎn)動(dòng)作，那就幾乎不可能用導(dǎo)線充電。

那么，還有哪些方法可用來應(yīng)對(duì)這類環(huán)境?  一種顯然的方法是，去掉連接器并提供無線充電。在這類不能使用連接器的應(yīng)用中，無線充電解決方案增加了價(jià)值、可靠性和堅(jiān)固性。

無線功率傳輸

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

然而，這往往有點(diǎn)兒過于簡化了，無法顯示無線充電過程面臨的挑戰(zhàn)。因此，在繼續(xù)探討應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)所受限制和應(yīng)對(duì)方法之前，我想更深入地解釋一下。那么，讓我們從基礎(chǔ)知識(shí)開始：通過導(dǎo)體  (例如導(dǎo)線) 流動(dòng)的電流攜帶電能。電流經(jīng)過電路 (或?qū)Ь€時(shí))，在導(dǎo)體周圍存在磁場(chǎng)。

在交流電流流過的電路中，導(dǎo)線附近存在一個(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(dǎo)體，那么就會(huì)引起電流。

在電子系統(tǒng)中，一種常見的現(xiàn)象是電瞬態(tài)，例如來自外部的雷擊或電容器放電，電容器放電有可能是一種內(nèi)部的重復(fù)干擾，例如點(diǎn)火系統(tǒng)的冷凝器放電。

磁場(chǎng)密度與導(dǎo)體中流過的電流之幅度成正比。通過上述定義的磁耦合，能量從產(chǎn)生磁場(chǎng)的導(dǎo)體 (主端) 傳送給受該磁場(chǎng)影響的任何導(dǎo)體  (副端)。在松耦合系統(tǒng)中，耦合系數(shù)很小，高頻電流不能沿導(dǎo)體傳送很長距離，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源，或輻射到空氣中。參見圖  1，該圖顯示了通過磁場(chǎng)連接的松耦合繞組。應(yīng)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(xì)地討論這款器件。

圖 1：從主端發(fā)送線圈 (Tx) 向副端接收線圈 (Rx) 傳送無線功率，副端包括 LTC4120

用無線功率給電池充電

設(shè)計(jì)無線功率充電系統(tǒng)時(shí)，關(guān)鍵參數(shù)是實(shí)際上用來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)送線圈和接收線圈之間的距離和對(duì)準(zhǔn)度  (又稱為線圈之間的耦合) 以及發(fā)送和接收組件的容限。

任何無線功率充電設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)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，在電池滿充電或接近滿充電且線圈相互靠近時(shí)。在這種情況下，無線系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)對(duì)多余功率問題?？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(dāng)大的熱量。可以降低發(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(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)送功率。無線充電聯(lián)盟  (Wireless Power Consortium) Qi  標(biāo)準(zhǔn)等無線功率充電標(biāo)準(zhǔn)采用的就是這種方法。不過，還可以用一種緊湊和高效的解決方案來解決這個(gè)問題，而無需求助于復(fù)雜的數(shù)字通信技術(shù)。通過在發(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，并可能無法用于發(fā)送距離可變的系統(tǒng)。