不用連接器給電池充電 —— 輕松搞定

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(kāi)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(lèi)應(yīng)用具有更加嚴(yán)格的要求，例如需要消毒，甚至周?chē)h(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(jiàn)到這類(lèi)環(huán)境。

在很多這類(lèi)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(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(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(lái)應(yīng)對(duì)這類(lèi)環(huán)境? 一種顯然的方法是，去掉連接器并提供無(wú)線充電。在這類(lèi)不能使用連接器的應(yīng)用中，無(wú)線充電解決方案增加了價(jià)值、可靠性和堅(jiān)固性。

無(wú)線功率傳輸

在這些不能使用連接器的情況下，如果無(wú)線充電是一種好的解決方案，那么什么是無(wú)線充電? 怎樣實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電? 一種簡(jiǎn)單直接的定義也許是：無(wú)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(guò)于簡(jiǎn)化了，無(wú)法顯示無(wú)線充電過(guò)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(kāi)始：通過(guò)導(dǎo)體 (例如導(dǎo)線) 流動(dòng)的電流攜帶電能。電流經(jīng)過(guò)電路 (或?qū)Ь€時(shí))，在導(dǎo)體周?chē)嬖诖艌?chǎng)。

在交流電流流過(guò)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(jiàn)的現(xiàn)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(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(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(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(zhǎng)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(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(wú)線功率，副端包括 LTC4120

用無(wú)線功率給電池充電

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

任何無(wú)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(guò)大。在輸出功率要求很低時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。例如，在電池滿充電或接近滿充電且線圈相互靠近時(shí)。在這種情況下，無(wú)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(wèn)題。可以用功率齊納二極管或瞬態(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(wú)線充電聯(lián)盟 (Wireless Power Consortium) Qi 標(biāo)準(zhǔn)等無(wú)線功率充電標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的數(shù)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(tǒng)。[!--empirenews.page--]

一款易于使用、適合無(wú)線充電的 IC

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，凌力爾特的 LTC4120 無(wú)線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(diào)控制 (Dynamic Harmonization Control - DHC) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yùn)用這種技術(shù)，可以在長(zhǎng)達(dá) 1.2cm 的距離上傳送高達(dá) 2W 的功率。不過(guò)，就單節(jié)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(jié)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(shù)決定了系統(tǒng)性能，因此基于 LTC4120 的無(wú)線功率系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為，與幾種可選發(fā)送器之一使用時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 1.2cm 的距離，在電池端接收高達(dá) 2W 功率。所用方法和組件不同，效率計(jì)算會(huì)有很大不同。一般情況下，在基于 LTC4120 的系統(tǒng)中，對(duì)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)線功率充電解決方案相比，嵌入到 LTC4120 中的 PowerbyProxi 的 DHC 微調(diào)技術(shù)帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)。為了響應(yīng)環(huán)境和負(fù)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(xiàn)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)線功率傳送技術(shù)不同，DHC 將功率級(jí)管理作為感應(yīng)電場(chǎng)管理的一部分，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)在功率級(jí)管理，從而在電池充電周期中，無(wú)需單獨(dú)的通信通道來(lái)證實(shí)接收器的存在或管理負(fù)載需求變化。

顯然，DHC 解決了所有無(wú)線功率系統(tǒng)的基本問(wèn)題。每個(gè)系統(tǒng)都必須設(shè)計(jì)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(tǒng)還必須設(shè)計(jì)為，在最短發(fā)送距離時(shí)，可承受無(wú)負(fù)載情況而不會(huì)損壞。其他同類(lèi)解決方案用復(fù)雜的數(shù)字通信系統(tǒng)解決這一問(wèn)題，提高了復(fù)雜性和成本，限制了功率傳輸距離?；? LTC4120 的無(wú)線功率充電系統(tǒng)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(yīng)用原理圖，說(shuō)明了一個(gè)完整的無(wú)線電池充電電路

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)客戶提供無(wú)線功率充電解決方案。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(dǎo)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(xiàn)在，PowerbyProxi 作為領(lǐng)先無(wú)線功率充電產(chǎn)品公司，已經(jīng)獲得了全球認(rèn)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(shí)產(chǎn)權(quán)和解決方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可為客戶提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)，還可確保其技術(shù)得到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全面支持。 PowerbyProxi 有超過(guò) 30 項(xiàng)專(zhuān)利處于申請(qǐng)中，還有很多處于審查和備案階段，因此成為無(wú)線功率領(lǐng)域的領(lǐng)先創(chuàng)新公司和知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)導(dǎo)者。

結(jié)論

在給這種“i”開(kāi)頭的產(chǎn)品或那種“機(jī)器人”進(jìn)行無(wú)線充電的大眾消費(fèi)市場(chǎng)以外，還有一類(lèi)便攜式工業(yè)和醫(yī)療產(chǎn)品市場(chǎng)，在這類(lèi)產(chǎn)品中，通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 1cm 左右的空氣隙或非鐵氧體材料給這類(lèi)產(chǎn)品內(nèi)部的電池?zé)o線充電是“必須具有”的要求。直到現(xiàn)在，設(shè)計(jì)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(yùn)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)線接收從一個(gè)相距 1.2cm 的線圈發(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)線充電的典型 ── 無(wú)需連接器![!--empirenews.page--]