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，我们都知道那些名字以字母“i”开头、有水果标识的产品。然而，还有大量不那么光鲜亮丽、但所提供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，例如需要消毒，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，有些产品需要密封罩，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。如果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，还有哪些方法可用来应对这类环境?  一种显然的方法是，去掉连接器并提供无线充电。在这类不能使用连接器的应用中，无线充电解决方案增加了价值、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，如果无线充电是一种好的解决方案，那么什么是无线充电? 怎样实现无线充电?  一种简单直接的定义也许是：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临的挑战。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。如果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。通过上述定义的磁耦合，能量从产生磁场的导体 (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增加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主要目标都是，在最差的功率传送条件下，确保提供所需功率。然而，同样重要的是，在最好的条件下，避免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，无线系统提供的可用功率很大，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，或者需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，这种解决方案尺寸一般很大，产生相当大的热量。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  (Wireless Power Consortium) 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案来解决这个问题，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。