電池可為各種行業的各式電子裝置供電，然而，在很多應用中，電池一旦電力用盡將難以使用或根本不能使用充電連接器。舉例來說，有些產品需要密封的外殼來保護敏感電子元件免於嚴酷環境的影響，或方便清潔與消毒；另一些產品則因為體積太小，而無法容納連接器。此外，用戶在裝置電池充電時進行移動或旋轉系統零組件，更使導線充電的應用備受局限。
基於上述種種特殊狀況，新一代無線充電(Wireless Charging)技術遂應運而生，不僅可讓電子裝置更容易取得電力，亦有助強化裝置的可靠性和堅固性，已開始在一些應用中展現價值。無線電源系統主要由兩部分組成，即發送電路和接收電路，中間則有一道間隙，架構如圖1所示。
無線充電首重電源效率與散熱設計
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| 圖1 無線電池充電氣概述 |
無線充電發送電路中有一組發送線圈，而接收電路內也包含一個接收線圈，當發送電路圍繞發送線圈產生一個高頻交變磁場，該磁場將耦合至接收線圈，並轉換為電能，可用這部分電能給電池充電，或給其他電路供電。
當工程師設計無線電源充電系統時，關鍵參數是為電池增加能量的實際充電功率，所接收功率的大小取決於許多因素，包括發送功率大小、距離和發送線圈與接收線圈的擺放(線圈耦合)，以及傳送接收群組件的容限等。
任何無線電源設計的主要目標，都在於確保在功率傳送條件最差的情況下，提供所需功率；然而，同樣重要的是，在最佳條件下則要避免接收器的熱量和EOS(Electrical Overstress)，在輸出功率要求很低的情況下，當電池充滿電或接近滿充電時，這一點尤其重要。在這類情況下，來自無線系統的可用功率很高，但是所需功率很低。這種多餘的功率一般導致高整流電壓，或者須消耗這種多餘的功率，使其變成熱量，設計人員必須多加注意。
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| 圖2 無線充電發送距離與接收功率分析 |
事實上，當接收器所需功率較低時，有幾種方法可應對多餘功率問題。首先，可用功率齊納二極體或暫態電壓抑制器箝位元整流電壓；不過，這種解決方案一般尺寸較大，產生的熱量也相當大，假定沒有來自接收器的回饋，那麼可降低發送器最大功率，但是這或許會限制可用接收功率，或者會縮短發送距離。
其次，工程師亦可將接收功率資訊發送回發送器，以即時調節發送功率，無線充電聯盟(WPC)的Qi標準即採用這種方法；另外，還可以透過精小和高效率的解決方案解決這類問題，而不必訴諸複雜的數位通訊方式。
提高無線充電效率 動態調諧控制技術幫大忙
為在所有情況下均能高效率管理從發送器到接收器的功率傳送，凌力爾特(Linear Technology)近期推出的無線功率接收器特別整合PowerbyProxi的動態調諧控制(DHC)專利技術，可以高效率的方式實現非接觸式充電，而且在接收器中不會出現熱量或EOS的問題。採用這種技術，在1.2公分的距離上將可傳送高達2瓦(W)的功率。
透過將接收器的諧振頻率從「調諧」狀態調節到「失諧」狀態，DHC可確保在最差情況下也能提供無線充電系統所需功率，而且不必擔心在未載入的最佳情況下出現問題。這使無線充電系統能在很長的距離和具有明顯的線圈錯位情況下傳送功率；此外，無線充電系統如果存在通訊干擾，將可能中斷功率傳送，由於DHC方案僅透過在接收器端控制功率傳送，將有助系統消除所有潛在的通訊干擾問題，提升可靠度。
圖2顯示隨著發送線圈和接收線圈之間的距離，以及中心至中心對準度的變化，透過一個市面上最新的無線功率接收器所接收的電池充電功率。在距離為10毫米(mm)時，可獲得2瓦充電功率，而且線圈之間的錯位可以很大，而不會導致可用功率顯著下降。
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| 圖3 無線充電接收器中的電路板元件示意圖 |
儘管有許多不同的無線功率發送器可用，但圖2所示資料是由基本直流對交流(DC-AC)發送器產生的，這種基本發送器是一種開放原始碼參考設計。當工程師在選擇選擇發送器時，有幾個因素須事先考慮，包括發送器備用功率(當接收器不存在時)、發送器須區分有效接收器和無關的金屬異物，以及周邊電路對電磁干擾(EMI)的敏感度等問題。
針對上述考量，基本發送器是一種簡單、低價的解決方案，由於採用被動諧振濾波，所以EMI頻譜在發送器基頻(約130kHz)處得到良好的控制；然而，無論DHC架構接收器是否存在，該發送器都發送全功率，因此其備用功率相對較高。該發送器也不區分接收器和金屬異物，因此無關金屬物體可能因感應渦流而發熱。
目前從PowerbyProxi可購得兩種現成發送器，Proxi-Point和Proxi-2D，這些發送器的發送距離和對準度容限性能幾乎與基本發送器相同，但可檢測基於凌力爾特無線充電方案的有效接收器是否存在，使這兩款發送器能在接收器不存在時，進一步降低備用功率；而如果附近是無關金屬異物，這些發送器就終止功率發送。
在新一代無線充電器的高效率降壓型開關架構及DHC技術加持下，無線充電系統效率已達到50～55%，用電池充電功率除以供給發送器的DC輸入功率，便能計算出來，而效率與耦合及負載有很大關聯，當以400毫安培(mA)電流給單節鋰離子電池充電時，基於新型接收器電路板上的元件將保持在10℃的環境溫度之內(圖3)。
由上述內容可知，基於DHC的無線充電器設計，將使系統能以400mA電流為電池充電，透過1S(標稱3.7V)和2S(標稱7.4V)等常見的鋰電池組可為許多掌上型應用供電。另一方面，針對電子裝置生命週期延長和安全功能改良的需求，無線充電也將進一步為磷酸鋰鐵(LiFePO4)電池創造更大的市場空間。
由於客戶需要在初始電池容量、生命週期及隨時間推移的保留容量變化之間做出精細的權衡，所以這類電池組有種類繁多的目標充電電壓，利用最新內建定電流/定電壓充電演算法的無線充電解決方案，不需任何額外電路，就能為一顆和兩顆鋰電池及一顆、兩顆和三顆磷酸鐵鋰電池充電，因此可滿足多種目標充電電壓的需求。充電電流可設在50～400mA範圍內，充電電壓則可定在3.5～11伏特(V)範圍。
除定電壓和定電流演算機制外，新型收發器還提供多種安全功能，包括終止計時器安全結束電週期、溫度偵測電阻(NTC)輸入提供電池溫度監視以在溫度條件不安全時暫停充電，以及透過兩個充電狀態引腳提供充電週期及故障狀態資訊等。
無庸置疑，在各類電子裝置應用中，無線充電都相當具有價值，並可增強可靠性和堅固性。重要的是，工程師要考慮該應用需多少功率，且功率須在多遠的距離上傳送、對準度容限多大。對設計人員來說，決定如何因應最大負載功率以及發送器和接收器之間耦合最小的最差情況，往往是最容易的部分；而在輕負載或無負載狀況下，以及最大耦合情況下，管理額外的可用功率則相當富有挑戰性。
內建DHC技術的無線充電IC允許非常寬的傳送間隙，對發送線圈至接收線圈的對準度極其不敏感，可為精小和高效率無線電源電池充電器提供完整的功能支援。
(本文作者為凌力爾特電池管理產品部設計經理)