采用紧凑和高效率解决方案以无线方式给电池充电

引言

电池给多种行业的许多不同应用供电。在很多这类应用中，难以使用或根本不能使用充电连接器。例如，有些产品需要密封外壳来保护敏感电子组件免受严酷环境的影响，或允许便利的清洁或消毒。另一些产品也许太小了，容纳不下连接器。另外，在电池供电应用包括移动或旋转部件时，就请彻底忘记用导线充电这回事吧。无线充电在这些以及其他一些应用中很有价值，增强了可靠性和坚固性。

无线电源系统概述

如图 1 所示，无线电源系统由两部分组成，即发送电路和接收电路，中间有一道间隙。发送电路包括一个发送线圈，接收电路包括一个接收线圈。发送电路围绕发送线圈产生一个高频交变磁场。该磁场耦合至接收线圈，并转换为电能，可用这部分电能给电池充电，或给其他电路供电。

图 1: 无线电池充电器系统概述

当设计一个无线电源充电系统时，关键参数是给电池增加能量的实际充电功率。所接收功率的大小取决于很多因素，包括发送功率的大小、距离和发送线圈与接收线圈的摆放 (也称为线圈之间的耦合)，以及发送和接收组件的容限。

任何无线电源设计的主要目标都是，确保在功率传送条件最差的情况下提供所需功率。然而，同样重要的是，在最好条件下，要避免接收器的热量和电气过应力。当输出功率要求很低时，例如，当电池充满电或接近满充电时，这一点尤其重要。在这类情况下，来自无线系统的可用功率很高，但是所需功率很低。这种多余的功率一般导致高整流电压，或者需要消耗这种多余的功率，使其变成热量。

当接收器所需功率较低时，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。不过，这种解决方案一般尺寸较大，产生的热量也相当大。假定没有来自接收器的反馈，那么可以降低发送器最大功率，但是这或者会限制可用接收功率，或者会缩短发送距离。还可以将接收功率信息发送回发送器，以实时调节发送功率。无线充电联盟 (Wireless Power Consortium) Qi 标准等无线功率标准采用了这种方法。不过，还可以用紧凑和高效率的解决方案解决这类问题，而不必诉诸复杂的数字通信方法。

为了在所有情况下高效地管理从发送器到接收器的功率传送，LTC4120 无线功率接收器集成了 PowerbyProxi 的专利技术，PowerbyProxi 是凌力尔特的合作伙伴。PowerbyProxi 已获得专利的动态协调控制 (DHC) 技术可高效率实现非接触式充电，而且在接收器中不会出现热量或电气过应力的问题。采用这种技术，在长达 1.2cm 的距离上可传送高达 2W 的功率。

通过将接收器的谐振频率从“调谐”状态调节到“失谐”状态，DHC 确保在最差情况下也能提供所需功率，而且不必担心在未加载的最好情况下出现问题。这使基于 LTC4120 的无线充电系统能够在很长的距离和具有明显的线圈错位情况下传送功率。此外，仅通过在接收器端控制功率传送，基于 LTC4120 的系统消除了所有潜在的通信干扰问题，这类干扰如果存在，有可能中断功率传送。

系统性能

那么基于 LTC4120 的系统的工作效果有多好呢? 图 2 显示了随着发送线圈和接收线圈之间的距离以及中心至中心对准度的变化，通过一个 LTC4120 无线功率接收器接收的电池充电功率。在距离为 10mm 时，可获得 2W 的充电功率，而且线圈之间的错位可以很大而不会导致可用功率显著下降。尽管有许多不同的无线功率发送器可用，但是图 2 所示数据是由基本 DC-AC 发送器产生的。这种基本发送器是一种开源基准设计。如需有关这一电流馈送型推拉式发送器的更多信息，可登陆凌力尔特公司的网站，查看相关应用指南。

图 2: 发送距离 – 接收功率分析

选择发送器时，有几个因素需要考虑。发送器备用功率 (当接收器不存在时) 重要吗? 发送器需要区分有效接收器和无关的金属异物吗? 周边电路对 EMI 的敏感度高吗?

基本发送器是一种简单、低价的解决方案。由于采用了无源谐振滤波，所以 EMI 频谱在发送器基频 (约 130kHz) 处得到了很好的控制。然而，无论基于 LTC4120 的接收器是否存在，该发送器都发送全功率，因此其备用功率相对较高。该发送器也不区分 LTC4120 和金属异物，因此无关金属物体可能因感应涡流而发热。