無線充電器接收器和發(fā)射器之間的閉環(huán)無需數(shù)字控制器

無線充電越來越多地用于小型可穿戴設(shè)備，因為它消除了設(shè)備上對電纜或任何裸露連接器的需求。對于充電電流小于10 mA的應(yīng)用，由于功耗較低，因此不需要無線充電器接收器和發(fā)射器之間的閉環(huán)控制。但是，對于更高的充電電流，發(fā)射器必須根據(jù)接收器的要求和兩側(cè)之間的耦合系數(shù)主動調(diào)整其輸出功率。否則，接收器可能不得不以熱量的形式耗散額外的功率，從而影響用戶體驗并對電池的健康構(gòu)成威脅。從接收器到發(fā)射器的數(shù)字通信通常用于閉合此環(huán)路，但數(shù)字控制增加了整體設(shè)計的復(fù)雜性，并增加了應(yīng)用的尺寸。

本文介紹了一種在不增加接收器板上元件數(shù)量（以及寶貴的整體尺寸）的情況下閉合接收器和發(fā)射器之間環(huán)路的方法。采用 LTC4125 自諧振器構(gòu)建了一個閉環(huán)受控?zé)o線充電器原型?發(fā)射器和一個 LTC4124 無線鋰離子電池充電器接收器來演示這一概念。

具有占空比控制輸入的自動諧振發(fā)射器

LTC?4125 是一款單片式、全橋自動諧振式無線電源發(fā)送器，專為最大限度地提高接收器的可用功率、提高整體效率并為無線充電系統(tǒng)提供全面保護(hù)而設(shè)計。

LTC4125 實施了一個自諧振轉(zhuǎn)換器，以驅(qū)動由發(fā)射線圈 （L德克薩斯州）和發(fā)射電容（C德克薩斯州).自動諧振驅(qū)動器使用過零檢測器將其驅(qū)動頻率與油箱的諧振頻率相匹配。SW1 和 SW2 引腳是 LTC4125 內(nèi)部兩個半橋的輸出。當(dāng)SWx引腳檢測到其輸出電流從負(fù)到正過零的方向時，SWx設(shè)置為V在占空比與其相應(yīng)的PTHx引腳電壓成正比。當(dāng) SWx 引腳設(shè)置為 V 時在，在發(fā)射器諧振槽中流動的電流增加。因此，每個橋式驅(qū)動器的占空比控制著諧振電流的幅度，該幅值與發(fā)射功率成正比。圖1顯示了占空比小于50%時的諧振電流和電壓波形。諧振幅的絕對值由總諧振阻抗決定，包括來自無線接收器的反射負(fù)載阻抗。

圖1.自諧振LC諧振諧振電路電壓和電流波形，方波輸入占空比小于50%。

在典型操作中，LTC4125 利用一個內(nèi)部 5 位 DAC 掃描 SWx 占空比，該 DAC 設(shè)定 PTHx 電壓以搜索一個有效負(fù)載。如果FB引腳看到某些電壓變化模式，則停止掃描，占空比在該水平上保持可編程時間段（通常設(shè)置為約3 s至5 s）。然后開始新的掃描循環(huán)，重復(fù)相同的步驟。如果負(fù)載條件在一個掃描期間發(fā)生變化，則 LTC4125 將在下一個掃描周期開始時做出響應(yīng)。

為了形成閉環(huán)，橋式驅(qū)動器的發(fā)射功率應(yīng)根據(jù)控制輸入進(jìn)行調(diào)整。LTC4125 的一個特點是，PTHx 引腳不僅是橋式驅(qū)動器占空比的指示器，而且還可作為輸入來驅(qū)動以設(shè)定占空比。內(nèi)部 5 位 DAC 利用一個內(nèi)部上拉電阻設(shè)置 PTHx 引腳的電壓目標(biāo)。但是，如圖2所示，可以實現(xiàn)一個與FET串聯(lián)的外部下拉電阻，以主動放電PTHx引腳上的電容，從而降低PTHx引腳的平均電壓。該下拉式FET柵極處PWM信號的占空比控制PTHx引腳上的平均電壓。

圖2.PTHx 由 PWM 輸入信號控制。

LTC4125設(shè)計用于向合適的接收器提供超過5 W的功率。當(dāng)與 LTC4124 接收器配對時，可通過停用其中一個半橋驅(qū)動器來降低發(fā)射功率。這是通過保持SW2引腳開路并將PTH2短路至GND來完成的。然后可以在SW1引腳和GND之間連接發(fā)射諧振電路。這樣，LTC4125 就變成了一個半橋發(fā)射器，以在 PTH1 引腳上實現(xiàn)較低的增益和更寬的控制范圍。

利用 LTC4124 從無線充電器接收器產(chǎn)生反饋信號

LTC?4124是一款高度集成的100 mA無線鋰離子電池充電器，專為空間受限的應(yīng)用而設(shè)計。它包括一個高效的無線電源管理器、一個引腳可編程、功能齊全的線性電池充電器和一個理想的二極管PowerPath?控制器。

圖3.在6 mm應(yīng)用板上使用LTC4124的完整無線電池充電器解決方案。

LTC4124 中的無線電源管理器通過一個 ACIN 引腳連接至一個并聯(lián)諧振電路，從而允許線性充電器從發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場無線接收電源。當(dāng) LTC4124 接收的能量多于以編程速率為電池充電所需的能量時，線性充電器的輸入電容器位于 V抄送PIN 充電以吸收額外的能量。當(dāng) V抄送引腳電壓在電池電壓上達(dá)到 1.05 V，V.BAT，無線電源管理器將接收器諧振電路分流到地，直到 V抄送回落至 0.85 V （高于 V）.BAT.通過這種方式，線性充電器非常高效，因為它的輸入始終保持在輸出上方。

圖4.LTC4124 接收器上的交流輸入整流和直流軌電壓調(diào)節(jié)。

LTC4124 的分流事件還降低了發(fā)射諧振電路上的反射負(fù)載阻抗，從而導(dǎo)致發(fā)射諧振電路電流和電壓的幅度上升。由于分流事件表明接收器從發(fā)射器獲得足夠的功率，因此發(fā)射槽峰值電壓的上升可以作為發(fā)射器調(diào)節(jié)其輸出功率的反饋信號。

圖5.發(fā)射槽電壓上升（V德克薩斯州），在 LTC4124 接收器的分流期間。

解調(diào)反饋信號并閉環(huán)

現(xiàn)在來自接收器側(cè)的反饋信號在發(fā)射器側(cè)可用，該反饋信號需要轉(zhuǎn)換并饋送到發(fā)射器的控制輸入以閉合控制環(huán)路。峰值罐電壓可以從由二極管和電容器C組成的半波整流器獲得認(rèn)知障礙，如圖 6 所示。該電壓進(jìn)一步由電阻R分頻認(rèn)知障礙和 RFB2.為了檢測峰值電流的變化，峰值電壓信號通過電阻（R平均） 和電容器 （C平均).通過將該平均信號與原始峰值電壓信號進(jìn)行比較，可以產(chǎn)生方波脈沖。然后，該脈沖被饋入 LTC4125 的占空比控制輸入，以調(diào)節(jié)發(fā)射器的輸出功率。

圖6.發(fā)射器側(cè)的反饋信號解調(diào)電路。

當(dāng)接收器未獲得足夠的能量時，LTC4125 應(yīng)增加其輸出功率。這可以通過設(shè)置PTHx引腳的內(nèi)部電壓目標(biāo)來實現(xiàn)。內(nèi)部電壓目標(biāo)可由 PTHM 引腳設(shè)定，因為它在 LTC4125 搜索周期開始之前設(shè)定初始 5 位 DAC 電壓電平。可以在IMON引腳上連接一個1 V基準(zhǔn)電壓源以禁用搜索，從而在工作期間將PTHx引腳目標(biāo)電壓固定在其初始值。如果 LTC4124 接收器需要更多功率，則分流事件將停止，PTHx 放電 FET 將不會激活。PTHx 電壓將向內(nèi)部電壓目標(biāo)充電，直到 LTC4124 接收到足夠的功率來啟動分流事件。

最大發(fā)射功率是通過測量接收器在應(yīng)用中最差耦合系數(shù)位置調(diào)節(jié)最大充電電流時的PTHx電壓來定義的。PTHM 引腳電壓應(yīng)設(shè)置為滿足最大發(fā)射功率要求。

基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器的特性和性能

圖7顯示了基于LTC4125的閉環(huán)控制發(fā)射器和基于LTC4124的100 mA接收器的完整原理圖。如原理圖所示，接收器側(cè)只需要很少的元件，從而降低了成本并減小了接收器的體積。在發(fā)送器側(cè)，與 LTC4125 的典型應(yīng)用相比，僅使用幾個額外的組件來實現(xiàn)閉環(huán)控制。保留了 LTC4125 的大部分特性，包括自諧振開關(guān)、多種外來檢測方法、過熱保護(hù)和諧振電路過壓保護(hù)。有關(guān)這些功能的詳細(xì)信息，請參見 LTC4125 的產(chǎn)品手冊。

圖7.100 mA LTC4124充電器接收器與LTC4125自諧振閉環(huán)控制發(fā)射器配對。

基于 LTC4125 的閉環(huán)無線發(fā)送器能夠動態(tài)調(diào)節(jié)其輸出功率以匹配接收器的功率需求。圖8顯示了當(dāng)接收器線圈遠(yuǎn)離發(fā)射器線圈中心，然后快速移回原始位置時，該無線充電器的行為。LTC4125 發(fā)送器的輸出功率，由峰值發(fā)射槽電壓 V 指示TX_PEAK，平滑地響應(yīng)兩個線圈之間耦合系數(shù)的變化，以保持充電電流恒定。

圖8.基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器可響應(yīng)發(fā)射器和接收器之間耦合系數(shù)的突然變化。

在充電電流瞬態(tài)上升期間，LTC4124 分流事件停止，從而使 LTC4125 能夠在內(nèi)部對其 PTH1 引腳進(jìn)行充電。因此，LTC4125 增加了其半橋驅(qū)動器占空比以提升發(fā)射功率。一旦發(fā)射功率足夠大，足以讓 LTC4124 調(diào)節(jié)其充電電流，分流事件就會恢復(fù)，并且占空比將保持在最佳水平。在充電電流瞬態(tài)下降期間，LTC4124 分流的頻率要高得多。LTC4125 可對其 PTH1 引腳上的電容器快速放電，以降低占空比并降低 LTC4125 的發(fā)射功率。

圖9.基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器對充電電流的階躍做出響應(yīng)。

圖 10.基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器可響應(yīng)充電電流的降壓。

圖 11.放形，顯示圖10所示瞬態(tài)的詳細(xì)信息。

由于發(fā)射功率始終與接收器的需求相匹配，因此與基于 LTC4124 和 LTC4125 的無線充電器的典型配置（無閉環(huán)控制）相比，整體效率得到了極大的改善。在 LTC4125 最佳功率搜索操作中，效率曲線無需內(nèi)部 DAC 步進(jìn)即可更加平滑。由于功率損耗大大降低，LTC4124 充電器和電池在整個充電期間保持接近室溫。

圖 12.基于 LTC4125 和 LTC4124 的無線充電器在 3.5 mm 氣隙下的各種配置的效率。

結(jié)論

LTC4125 可配置為具有一個控制輸入的功率可調(diào)發(fā)送器。LTC4124 無線充電器接收器的分流事件可用于向發(fā)送器提供反饋信號。然后可以使用半波整流器、分壓器、低通濾波器和比較器對該反饋信號進(jìn)行解調(diào)。然后，可將處理后的信號饋入基于 LTC4125 的功率可調(diào)發(fā)送器，以閉合控制環(huán)路。已經(jīng)建立了一個原型來證明這個概念。該原型可以快速平穩(wěn)地響應(yīng)耦合系數(shù)和充電電流的變化。這種方法允許最終用戶將接收器放置在錯位程度更高的發(fā)射器頂部，而不必?fù)?dān)心接收器會獲得所需的功率。此外，這種閉環(huán)方法還通過始終使發(fā)射器輸出功率與接收器的功率需求相匹配來提高整體效率，從而使整個充電周期更加安全可靠。

審核編輯：郭婷