很多產品都以電池作為主電源。當然，我們都會先想到智慧型手機、娛樂裝置等消費性電子產品，然而，還有大量不那麼光鮮亮麗，但所提供的應用同樣很有價值的產品，它們也使用電池。在此談論的是工業感測器、可攜式醫療設備、甚至旋轉型或移動型裝置。與和緩的消費用環境不同，這類應用必須面對更加嚴
苛的環境要求，例如需要噴灑消毒，甚至周圍環境可能引起火花爆炸，在煉油廠和化學處理設施中，就常見到這類環境。
在很多此類應用中，充電時難以使用連接器。例如，有些產品需要密封罩，以保護敏感電子元件免受惡劣環境影響。還有一些產品也許只是太小，無法容納連接器。如果電池供電產品使用時涉及移動或旋轉動作，那就幾乎不可能用導線充電。
藉由磁場連接導體磁耦合 實現無線功率傳輸
那麼，還有哪些方法可用來因應這類環境？一種方法是，移除連接器並提供無線充電。在這類不能使用連接器的應用中，無線充電解決方案增加了價值、可靠性和堅固性。
在這些不能使用連接器的情況下，無線充電往往是較佳的解決方案。那麼什麼是無線充電？怎樣實現無線充電？一種簡單而直接的定義是：無線充電不使用人造導體，從電源向用電負載傳輸電能。
然而，這個解釋有點過於簡化，無法顯示無線充電過程面臨的挑戰。因此，在繼續探討應對挑戰所受限制和應對方法之前，我們可以更深入地解釋一下。讓我們從基礎知識開始：透過導體(例如導線)流動的電流攜帶電能。電流經過電路(或導線時)，在導體周圍將存在磁場。
在交流電流流過的電路中，導線附近存在一個隨時間變化的磁場。如果在這個隨時間變化的磁場中放置一塊導體，那麼就會引起電流。
在電子系統中，一種常見的現象是電瞬變，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部的重複干擾，例如點火系統的冷凝器放電。
磁場密度與導體中流過的電流之幅度成正比。透過上述定義的磁耦合，能量從產生磁場的導體(主端)傳送給受該磁場影響的任何導體(副端)。在鬆耦合系統中，耦合係數很小，高頻電流不能沿導體傳送很長距離，會由於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，該圖顯示了透過磁場連接的鬆耦合繞組。應該特別提到的是，圖中還顯示該電路使用了LTC4120，本文稍後將更詳細地討論這款元件。
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| 圖1 從主端發送線圈(Tx)向副端接收線圈(Rx)傳送無線功率，副端包括LTC4120。 |
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| 圖2 LTC4120應用原理圖，說明了一個完整的無線電池充電電路。 |
以無線功率為電池充電 傳輸太弱太強都不行
設計無線功率充電系統時，關鍵參數是實際上用來給電池增加能量之充電功率的大小。這一接收功率取決於很多因素，包括所傳輸功率的大小、發送線圈和接收線圈之間的距離和對準度(又稱為線圈之間的耦合)以及傳送接收群組件的容限。
任何無線功率充電設計的主要目標，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。當輸出功率要求很低時，這一點尤其重要。例如，在電池滿充電或接近滿充電且線圈相互靠近時。在這種情況下，無線系統提供的可用功率很大，但是所需
功率很小。一般情況下，這種多餘的功率會導致很高的整流電壓，或者需要以熱量形式消耗這些多餘的功率。
在所需接收器功率很小時，有幾種方法應對多餘功率問題。首先，可以用功率齊納二極體或瞬變電壓抑制器箝位元整流電壓，然而這種解決方案尺寸通常很大，產生相當大的熱量。或者可以降低發送器功率，但是這麼做若非限制了可用接收功率，就是會縮短發送距離。也可以將所接收的功率送回發送器，並相應調
節發送功率，例如無線充電聯盟(Wireless Power Consortium)的Qi無線功率充電標準採用的就是這種方法。不過，還可以用一種精巧和高效的解決方案來解決這個問題，而無須求助於複雜的數位通訊技術。
綜合考量功率、範圍及尺寸 打造易用無線充電元件
為了實現這些目標，已有相關業者投入布局，如凌力爾特(Linear)的LTC4120無線功率接收器和電池充電器整合了PowerbyProxi開發的技術，該公司是凌力爾特的技術合作夥伴，其擁有專利的動態協調控制(Dynamic Harmonization Control-DHC)技術，因而得以實現高效率非接觸式充電，不會產生接收器熱壓力或電氣壓力過大的問題。運用這種技術，可以在長達1.2cm的距離上傳送高達2W的功率。不過，就單顆鋰離子電池而言，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。類似地，2W最大功率將使兩顆鋰離子電池(8.4V最高充電電壓)的充電電流限制到240mA。
功率、效率、範圍和尺寸這些參數決定了系統性能，因此基於LTC4120的無線功率系統被設計為，與幾種可選發送器之一使用時，可透過長達1.2cm的距離在電池端接收高達2W功率。所用方法和元件不同，效率計算會有很大不同。一般情況下，在基於LTC4120的系統中，對於饋送到發送器的DC輸入功率，電池將接收其45%至55%。
相較於其他無線功率充電解決方案，嵌入到LTC4120中的PowerbyProxi的DHC微調技術，為了回應環境和負載變化，能動態地改變接收器上諧振電路的諧振頻率，實現了更高的功率傳送效率、更小的接收器尺寸，甚至允許更大的傳輸範圍。與其他無線功率傳送技術不同，DHC將功率級管理作為感應電場管理的一部分，實現了內在功率級管理，而在電池充電周期中，可無須透過單獨的通透通道來證實接收器的存在或管理負載需求變化。
這可說解決了所有無線功率系統的基本問題。每個系統都必須設計為：在給定最大發送距離上接收一定量的功率。但在此同時，每個系統還必須設計為：在最短發送距離時可承受無負載情況，而不會損壞。其他同類解決方案用複雜的數位通訊系統解決這一問題，但缺點是提高了複雜性和成本，並限制了功率傳輸距
離。基於LTC4120的無線功率充電系統則透過採用PowerbyProxi的DHC技術來解決這一問題。
布局工業感測與醫療市場 無線充電為物聯網裝置必備
PowerbyProxi自2007年以來，持續為工業客戶提供無線功率充電解決方案。該公司不透過大量的市場行銷投資，而是選擇自主開發和改良技術，然後與業界領導廠商合作，為市場提供其技術和產品。在此模式下，該公司取得了一定的成就，產品和技術亦獲得肯定。凌力爾特與PowerbyProxi合作的關鍵原因之一，是該公司擁有大量智慧財產權和解決方案設計經驗，可為客戶提供技術，同時確保智慧財產權的支援。PowerbyProxi有超過三十項申請中的專利，同時還有許多處於審查和備案階段。
在智慧型手機或居家用機器人等大眾消費市場以外，無線充電技術還有可攜式工業和醫療產品的廣大市場，在這類產品中，透過長達1cm左右的空氣隙或非鐵氧體材料為這類產品內部的電池無線充電是「必備」的要求，但過去以來，設計工程師的選擇一直有限，這妨礙了最終產品的成功和可行性。LTC4120將可望改變這個情況，這顆高度整合的IC可以無線接收從一個相距1.2cm的線圈發送的功率，並為電池充電，從而提供了一種簡單有效的解決方案，更輕鬆實現無需連接器的無線充電產品。
(本文作者為凌力爾特電源產品部產品行銷總監)