无线功率传输

功率的无线传输拥有众多的优势。例如,它使易于发生故障的插头成为多余。可以将设备内置在具备防潮能力的外壳中。用户也无须忍受插入电缆的麻烦。大多数无线功率传输应用存在于便携式设备电池充电领域。

在该领域中有几项已经确立的标准。不过,有很多应用不需要任何标准。因此,可以使用个别优化的功率传输。图 1 示出了一种感应式功率传输概念。将两个线圈紧靠在一起,在原边线圈中会产生交流电。像在变压器中一样,通过产生的磁场,在副边线圈中感生交流电。

图 1. 具有原边控制和接收器的感应式功率传输概念。

原则上,原边发送器可采用一个简单的振荡器和少量分立组件构建而成。这对于低功率级别的传输是十分有效的。对于较高的功率,应采用一个诸如 Analog Devices 的 LTC4125 等集成化发送器电路。发送器非常精确地调节到给定的谐振频率。这使得可利用特定的组件实现最大功率传输。LTC4125 还能检测原边线圈上的异物。例如,倘若一块金属紧靠在线圈上,就会在该金属中形成涡流。它们使这块金属升温(尤其是在高功率的场合),并会导致人员受伤。在低功率级别,异物仅会引起极其微弱的发热,并不会产生重大的风险。LTC4125 能检测到金属物体,然后降低功率或中断功率传输。

为节省电能,LTC4125 可依据副边的功率要求调整发送功率。

图 2 显示了一个采用特定组件的演示电路实例。该图示出了当两个线圈之间存在特定的偏移或间隔量时会发生什么。在变压器中,耦合系数通常介于 0.95 和 1 之间。在无线功率传输系统中,0.8 至 0.05 的耦合系数是很常见的。在图 2 中,线圈偏移(单位:毫米) 示于 x 轴。在 y 轴上显示了两个线圈之间的间隔(也以毫米为单位)。因此,对于 1 W 的电池充电功率,假如两个线圈完全垂直对准(比如,线圈偏移为零),则两个线圈的间 隔距离最大可为 12 mm。功率越高,两个线圈必须越靠近和更精确地对准。可发送功率可以通过电路元件的选择进行调整。然而,线圈偏移和线圈间隔之间的关系将与例中所示的相似。

图 2. 两个线圈之间的偏移和间隔所产生的影响。

F对于更长距离的无线功率传输,可使用 RF 功率传输。有工作在 ISM 频段的测试装置。不过,与这里所述的感应式耦合方法相比,它们的可发送功率和传输效率要低得多。


作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根-纽伦堡大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任多种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了4年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,现担任位于德国慕尼黑的ADI公司的电源管理现场应用工程师。