不用连接器给电池充电 —— 轻松搞定

引言

很多产品都用电池作为主电源。当然，我们都了解那些名字以字母i开头、有水果标识的产品。然而，还有大量不那么光鲜亮丽、但所供应的应用同样很有价值的产品，它们也使用电池。我在谈论的是便携式医疗设备、工业传感器甚至旋转型或移动型设备。与和缓的消费者环境不同，这类应用具有更加严格的要求，例如要消毒，甚至周围环境可能引起爆炸，在炼油厂和化学处理设施中，就常见到这类环境。

在很多这类应用中，充电时难以或不能使用连接器。例如，有些产品要密封罩，以保护敏感电子组件免受恶劣环境影响。还有一些产品也许只是太小，无法容纳连接器。假如电池供电产品使用时涉及移动或旋转动作，那就几乎不可能用导线充电。

那么，还有什么方法可用来应对这类环境?一种显然的方法是，去掉连接器并供应无线充电。在这类不能使用连接器的应用中，无线充电解决方法新增了价值、可靠性和坚固性。

无线功率传输

在这些不能使用连接器的情况下，假如无线充电是一种好的解决方法，那么什么是无线充电?怎么样实现无线充电?一种简单直接的含义也许是：无线充电不使用人造导体，从电源向用电负载传输电能。

然而，这往往有点儿过于简化了，无法显示无线充电过程面对的挑战。因此，在继续探讨应对挑战所受限制和应对方法之前，我想更深入地解释一下。那么，让我们从基础知识开始：通过导体(例如导线)流动的电流携带电能。电流经过电路(或导线时)，在导体周围存在磁场。

在交流电流流过的电路中，导线附近存在一个随时间变化的磁场。假如在这个随时间变化的磁场中放置一块导体，那么就会引起电流。

在电子系统中，一种常见的现象是电瞬态，例如来自外部的雷击或电容器放电，电容器放电有可能是一种内部的重复干扰，例如点火系统的冷凝器放电。

磁场密度与导体中流过的电流之幅度成正比。通过上述含义的磁耦合，能量从出现磁场的导体(主端)传送给受该磁场影响的任何导体(副端)。在松耦合系统中，耦合系数很小，高频电流不能沿导体传送很长距离，会由于沿电缆的阻抗失配而快速失去能量，这使得能量被反射回最初的来源，或辐射到空气中。参见图1，该图显示了通过磁场连接的松耦合绕组。应该特别提到的是，这个图还显示，该电路使用了LTC4120，本文稍后将更详细地讨论这款器件。

图1：从主端发送线圈(Tx)向副端接收线圈(Rx)传送无线功率，副端包括LTC4120

用无线功率给电池充电

设计无线功率充电系统时，关键参数是实际上用来给电池新增能量之充电功率的大小。这一接收功率取决于很多因素，包括所传输功率的大小、发送线圈和接收线圈之间的距离和对准度(又称为线圈之间的耦合)以及发送和接收组件的容限。

任何无线功率充电设计的重要目标都是，在最差的功率传送条件下，确保供应所需功率。然而，同样重要的是，在最好的条件下，防止热压力和电气压力过大。在输出功率要求很低时，这一点尤其重要。例如，在电池满充电或接近满充电且线圈相互靠近时。在这种情况下，无线系统供应的可用功率很大，但是所需功率很小。一般情况下，这种多余的功率会导致很高的整流电压，或者要以热量形式消耗这些多余的功率。

在所需接收器功率很小时，有几种方法应对多余功率问题。可以用功率齐纳二极管或瞬态电压抑制器箝位整流电压。然而，这种解决方法尺寸一般很大，出现相当大的热量。可以降低发送器功率，但是这么做或者会限制可用接收功率，或者会缩短发送距离。也可以将所接收的功率送回发送器，并相应调节发送功率。无线充电联盟(WirelesspowerConsortium)Qi标准等无线功率充电标准采用的就是这种方法。不过，还可以用一种紧凑和高效的解决方法来解决这个问题，而无需求助于复杂的数字通信技术。通过在发送功率的微小变化通信的方法要求一个最少量的功率传输，并可能无法用于发送距离可变的系统。

一款易于使用、适合无线充电的IC

为了实现这些目标，凌力尔特的LTC4120无线功率接收器和电池充电器集成了powerbyproxi公司开发的技术，该公司是凌力尔特的技术合作伙伴。powerbyproxi获得专利的动态协调控制(DynamicHarmonizationControl-DHC)技术实现了高效率非接触式充电，不会出现接收器热压力或电气压力过大的问题。运用这种技术，可以在长达1.2cm的距离上传送高达2W的功率。不过，就单节锂离子电池而言，4.2V最高充电电压和400mA最大充电电流将使这一功率值限制到1.7W。类似地，2W最大功率将使两节锂离子电池(8.4V最高充电电压)的充电电流限制到240mA。

功率、效率、范围和尺寸这些参数决定了系统性能，因此基于LTC4120的无线功率系统被设计为，与几种可选发送器之一使用时，通过长达1.2cm的距离，在电池端接收高达2W功率。所用方法和组件不同，效率计算会有很大不同。一般情况下，在基于LTC4120的系统中，关于馈送到发送器的DC输入功率，电池将接收其45%至55%。

与其他无线功率充电解决方法相比，嵌入到LTC4120中的powerbyproxi的DHC微调技术带来了显著优势。为了响应环境和负载变化，DHC动态地改变接收器上谐振电路的谐振频率。DHC实现了更高的功率传送效率、更小的接收器尺寸，该技术甚至允许更大的传输范围。与其他无线功率传送技术不同，DHC将功率级管理作为感应电场管理的一部分，实现了内在功率级管理，从而在电池充电周期中，无需单独的通信通道来证实接收器的存在或管理负载需求变化。

显然，DHC解决了所有无线功率系统的基本问题。每个系统都必须设计为，在给定最大发送距离上，接收一定量的功率。每个系统还必须设计为，在最短发送距离时，可承受无负载情况而不会损坏。其他同类解决方法用复杂的数字通信系统解决这一问题，提高了复杂性和成本，限制了功率传输距离。基于LTC4120的无线功率充电系统通过采用powerbyproxi的DHC技术就可轻松地解决这一问题。

图2：LTC4120应用原理图，说明了一个完整的无线电池充电电路

凌力尔特与powerbyproxi的合作

powerbyproxi自2007年以来，一直致力于为工业客户供应无线功率充电解决方法。该公司没有大量投资开展市场营销，而是选择自己开发和改进技术，然后与凌力尔特等业界领导者合作，向市场供应其技术和产品。该公司取得了巨大成功，拥有丰富的产品和技术，值得称道。现在，powerbyproxi作为领先无线功率充电产品公司，已经获得了全球认可。

凌力尔特与powerbyproxi合作的关键原因之一是，该公司拥有大量知识产权和解决方法设计相关经验，可为客户供应业内领先的技术，还可确保其技术得到知识产权的全面支持。powerbyproxi有超过30项专利处于申请中，还有很多处于审查和备案阶段，因此成为无线功率领域的领先创新公司和知识产权领导者。

结论

在给这种i开头的产品或那种机器人进行无线充电的大众消费市场以外，还有一类便携式工业和医疗产品市场，在这类产品中，通过长达1cm左右的空气隙或非铁氧体材料给这类产品内部的电池无线充电是必须具有的要求。直到现在，设计工程师的选择一直有限，这妨碍了最终产品的成功和可行性。幸运的是，凌力尔特最近推出了LTC4120，因此情况将彻底改变。这一高度集成的IC可以无线接收从一个相距1.2cm的线圈发送的功率，并给电池充电，因此供应了一种简单有效的解决方法。它是轻松搞定无线充电的典型──无需连接器!