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無線電力傳輸
 

【作者: Frederik Dostal】   2019年09月02日 星期一

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無線電力傳輸具有著許多優點。舉例來說,其可徹底擺脫容易出錯的插頭接觸點。密封在外殼內的元件再也不會因溼氣受潮而銹蝕,使用者也可以省去插線的麻煩。目前,大多數無線電力傳輸應用主要為可攜式裝置的電池充電。


業界目前已建立許多標準。然而,就許多應用而言,這些標準並沒有必要性 - 因此可採用個別優化的電力傳輸機制。圖一顯示一種感應式電力傳輸概念。兩個線圈靠近後,在一次側線圈上產生交流電流。透過產生的磁場作為感應媒介,在二次側線圈上也產生交流電流,其狀況類似變壓器。



圖一 : 感應式電力傳輸概念,採用一次側控制與接收器
圖一 : 感應式電力傳輸概念,採用一次側控制與接收器

原則上來說,一次側發送器可採用一個簡單的共振器以及少數幾個分立元件構成。這種設計對於傳輸低電力的情境相當實用。但若需要傳輸更高的電力,則應採用諸如Analog Devices旗下的LTC4125 這類整合式發送器電路。發送器能針對特定共振頻率進行極精準的調整,藉此配合特定元件進行最大功率的傳輸。另外LTC4125還能偵測置放在一次側線圈上的外來物。


舉例來說,若一個金屬物置於線圈附近,該金屬物四周就會產生渦電流(eddy current)。這些電流會導致金屬加熱升溫,特別是在高功率情況,其可能導致人員受傷。在低功率狀態下,外來物只會造成微幅升溫,不會產生嚴重風險。LTC4125這款元件則能偵測金屬物體並降低功率,或是切斷電力傳輸。


為節省能源,LTC4125可根據電力需求在二次側調整傳輸功率。



圖二 : 兩個線圈的偏置與間距效應
圖二 : 兩個線圈的偏置與間距效應

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圖二顯示的例子展示一個內含特殊元件的電路。圖中顯示兩個線圈以特定數量進行偏置與分隔後發生的狀況。在一個變壓器中,耦合因數通常介於0.95到1之間。在無線電力傳輸系統中,耦合因數通常在0.8到0.05之間。在圖2中,線圈在x軸方向偏置了數公釐。兩個線圈之間的間距也是數公釐,方向為y軸方向。因此,倘若兩個線圈在垂直方向對齊(線圈偏置數值為零),電池充電功率為1瓦,兩個線圈之間的距離可達到12mm。功率越高,兩個線圈必須靠得更近,並更精準地對齊。可傳輸功率可藉由選用電路元件來進行調整。然而,線圈偏置與線圈間距的關係依然類似上述例子。


在透過更長距離進行無線電力傳輸方面,可採用射頻(RF)電力傳輸技術。目前業界已在ISM頻帶進行了許多的測試,但傳輸功率以及傳輸效率仍遠低於上述的感應式耦合方法。


(本文作者Frederik Dostal為ADI電源管理技術專家)


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