如何快速且經(jīng)濟(jì)高效地為空間受限和密封的設(shè)備添加無(wú)線充電

作者：Stephen Evanczuk

對(duì)微型密封無(wú)線設(shè)備的需求不斷增長(zhǎng)，需要更有效的充電解決方案。傳統(tǒng)的充電方法對(duì)最終用戶來(lái)說(shuō)并不令人滿意，在空間受限的設(shè)備中帶來(lái)了挑戰(zhàn)，并且不適合惡劣的環(huán)境。盡管無(wú)線充電解決了其中的許多問(wèn)題，但現(xiàn)有的解決方案仍無(wú)法滿足這些設(shè)備的集成度、功率和效率要求。

本文討論了對(duì)空間受限和密封設(shè)備增強(qiáng)充電解決方案的需求。然后[介紹了ADI公司的]多功能無(wú)線充電解決方案，并展示了它如何幫助開(kāi)發(fā)人員輕松實(shí)現(xiàn)合適、安全、高效的充電。

對(duì)更有效的充電解決方案的需求不斷增長(zhǎng)

對(duì)更緊湊的可穿戴電子設(shè)備（如耳機(jī)、入耳式設(shè)備和健身設(shè)備）的需求不斷增長(zhǎng)，繼續(xù)推動(dòng)對(duì)充電解決方案的需求，以滿足這些應(yīng)用的物理尺寸限制，并確保密封單元在各種操作環(huán)境中的完整性。依賴物理連接器的傳統(tǒng)充電方法由于易磨損以及灰塵和濕氣等環(huán)境因素而無(wú)法滿足這些要求。因此，無(wú)線充電技術(shù)已經(jīng)不僅僅是一項(xiàng)新穎的功能，而是成為此類產(chǎn)品的基本要求。

通過(guò)消除對(duì)外部充電端口的需求，無(wú)線電力傳輸 （WPT） 系統(tǒng)通過(guò)在充電源和封閉設(shè)備之間的氣隙上運(yùn)行，提供了一種潛在的解決方案。然而，在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)有效的 WPT 解決方案存在多種技術(shù)挑戰(zhàn)，包括功率傳輸效率、故障處理以及電池和熱管理。滿足狹小空間限制的需求使問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。

高度集成的器件簡(jiǎn)化了 WPT 設(shè)計(jì)

ADI公司的[LTC4124]無(wú)線鋰離子充電器和[LTC4125]無(wú)線電源發(fā)射器旨在幫助設(shè)計(jì)人員滿足空間受限和密封器件對(duì)高集成度、功耗和效率的要求。

該LTC4124采用 LQFN 封裝，尺寸僅為 2 × 2 mm，高度為 0.74 mm，集成了為鋰離子電池充電所需的全部功能，可選充電電流高達(dá) 100 毫安 （mA）（圖 1）。

[]圖 1：憑借其全面的功能，LTC4124 無(wú)線鋰離子充電器簡(jiǎn)化了 WPT 的實(shí)現(xiàn)。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

憑借其全面的集成充電功能，該器件可用作獨(dú)立的鋰離子電池充電器，無(wú)需額外組件。其全功能、引腳可編程恒流/恒壓 （CC/CV） 線性電池充電功能包括安全定時(shí)器終止、電池不良檢測(cè)和自動(dòng)再充電功能。

該LTC4124的低電池?cái)嚅_(kāi)功能有助于保護(hù)處于極低充電狀態(tài)的電池免于進(jìn)一步放電，從而縮短電池壽命。斷開(kāi)功能使LTC4124在沒(méi)有可用輸入電源且電池電壓低于指定最小值時(shí)關(guān)閉。當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，該器件會(huì)打開(kāi)一個(gè)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)（圖 1 中的 M3），以防止電池進(jìn)一步放電。借助運(yùn)輸模式功能，LTC4124可防止電池放電，直到其ACIN或DCIN引腳通電。

該LTC4124還可以配置為在電池溫度過(guò)高時(shí)防止充電，并且可以通過(guò)添加負(fù)溫度系數(shù) （NTC） 熱敏電阻和發(fā)光二極管 （LED） 直觀地指示充電狀態(tài)（圖 2）。

圖 2：僅使用兩個(gè)組件（一個(gè) LED 和一個(gè) NTC 電阻器）以及 LTC4124 充電器，開(kāi)發(fā)人員就可以實(shí)現(xiàn)具有可視充電狀態(tài)指示器的完整溫度合格充電器。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

通過(guò)將外部并聯(lián)電感電容 （LC） 諧振腔電路連接到 LTC4124 的 ACIN 引腳，開(kāi)發(fā)人員可以輕松擴(kuò)展此基本設(shè)計(jì)，以創(chuàng)建 WPT 系統(tǒng)的接收器側(cè)。與 Analog Devices 的 LTC4125 配合使用，該方法可提供完整的 100 mA WPT 解決方案（圖 3）。

[]圖 3：LTC4125 變送器和LTC4124充電器提供緊湊的 100 mA WPT 解決方案。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

與 LTC4124 一樣，LTC4125 是一款高度集成的器件，專為 WPT 應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用尺寸為 5 × 4 × 0.75 mm 的 QFN 封裝，采用 3 至 5 V 電源可提供超過(guò) 5 瓦的功率（圖 4）。

[]圖 4：Analog Devices LTC4125無(wú)線電源發(fā)送器集成了向正確調(diào)諧的接收器提供超過(guò) 5 W 功率所需的全套功能模塊。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

ADI公司專有的AutoResonant技術(shù)是該器件的核心，可自動(dòng)檢測(cè)并匹配連接在其開(kāi)關(guān)引腳（SW1和SW2）上的串聯(lián)LC電路的諧振頻率。除了優(yōu)化發(fā)射功率外，自動(dòng)諧振技術(shù)在異物檢測(cè)中也起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)異物放置在發(fā)射線圈附近時(shí)，有效線圈電感明顯降低，LTC4125驅(qū)動(dòng)頻率增加。如下所述，驅(qū)動(dòng)頻率的增加被用作異物存在的指示。

優(yōu)化 WPT

在 WPT 期間，LTC4124接收機(jī)的集成無(wú)線電源管理器從 WPT 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)對(duì)的發(fā)射線圈發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中整流交流電壓。LTC4124無(wú)線電源管理器使用其集成比較器 （CP1） 和開(kāi)關(guān) （SW1 和 SW2），將整流電壓保持在 V 上抄送引腳設(shè)置到剛好高于電池電壓 （V 巴特 ） 通過(guò)將諧振腔電路分流到地面，當(dāng)它接收的能量超過(guò)為電池充電所需的能量時(shí)。

然而，這種分流機(jī)制消耗的功率會(huì)增加器件的熱負(fù)荷。LTC4125發(fā)射器提供了一種更直接的機(jī)制來(lái)減少到達(dá)接收器的能量。

雖然其自動(dòng)諧振技術(shù)優(yōu)化了功率傳輸，但該LTC4125具有最佳的功率搜索功能，可監(jiān)控和調(diào)整發(fā)射機(jī)功率輸出，以匹配連續(xù)搜索周期中的接收器負(fù)載。在每個(gè)周期中，LTC4125通過(guò)逐步增加脈寬電壓（V PTH系列 ），它與傳遞到驅(qū)動(dòng)線圈電流的電橋的脈沖寬度成正比。諧振腔反饋電壓（V 臉書(shū) ）表示發(fā)射功率足以滿足或超過(guò)接收機(jī)負(fù)載，搜索在該脈寬電壓處停止，該脈沖寬度電壓保持所需的發(fā)射機(jī)輸出功率電平，直到下一個(gè)搜索周期（圖5）。

[]圖 5：LTC4125 發(fā)射機(jī)最佳功率搜索功能通過(guò)執(zhí)行逐步搜索以找到合適的輸出電平，將功率輸出與接收機(jī)負(fù)載相匹配。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

LTC4125 的最佳功率搜索通過(guò)固定的工藝流程執(zhí)行每個(gè)搜索周期，直到檢測(cè)到有效的退出條件或多種故障條件之一（圖 6）。

圖 6：在執(zhí)行最佳功率搜索算法時(shí)，LTC4125 變送器繼續(xù)以一系列步驟增加功率輸出，直到遇到有效的退出條件或多種故障條件之一。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

在此過(guò)程中，LTC4125識(shí)別幾個(gè)預(yù)定義的有效退出條件，指示最佳發(fā)射功率。此外，開(kāi)發(fā)人員可以指定兩個(gè)可編程退出條件，包括輸入電流閾值 （V ITH公司 ）限制輸入電流和差分諧振電路電壓閾值（DTH），以優(yōu)化發(fā)射和接收線圈之間耦合不良的使用場(chǎng)景中的發(fā)射功率。

該LTC1425可自動(dòng)檢測(cè)可能影響電力傳輸安全性和效率的幾種故障情況：

• 超過(guò)NTC電壓（V NTC技術(shù) ） 在其 NTC 輸入引腳上檢測(cè)到
• 超過(guò)通過(guò) FB 引腳電壓 V 檢測(cè)到的諧振腔電壓的最大閾值 臉書(shū) >V在
• 超過(guò)內(nèi)部芯片過(guò)溫閾值（典型值為 150°C）
• 超過(guò)頻率閾值，表明由于發(fā)射線圈電感的降低和驅(qū)動(dòng)頻率的相應(yīng)增加而存在異物
• 超過(guò)輸入電流限值 （ILIM）
• 在未找到有效退出條件的情況下完成搜索坡道

發(fā)生任何這些故障情況都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備停止供電，直到下一個(gè)搜索間隔。

對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，自動(dòng)諧振驅(qū)動(dòng)和最佳功率搜索等功能會(huì)根據(jù)退出和故障條件自動(dòng)運(yùn)行。盡管其中一些條件的閾值在器件中是固定的，但開(kāi)發(fā)人員對(duì)用于確定電源設(shè)置、退出條件和故障條件的不同方面保持相當(dāng)大的控制。

使用ADI公司的[DC2770A-A-KIT]演示套件和100 mA [DC2770A-B-KIT]演示套件，開(kāi)發(fā)人員可以快速評(píng)估LTC4124接收器和LTC4125發(fā)射器在以高達(dá)100 mA的電流為鋰離子電池充電時(shí)的性能。每個(gè)套件包括一個(gè)基于 LTC4125 的發(fā)射器板和一個(gè)基于 LTC4124 的接收器板。兩者都配備了跳線和連接點(diǎn)，用于設(shè)置設(shè)備性能特征和監(jiān)控結(jié)果。

結(jié)論

緊湊、密封設(shè)備的趨勢(shì)使得為其所依賴的電池充電的有效方法的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。WPT提供了一種有效的解決方案，但實(shí)現(xiàn)高效的無(wú)線充電設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。ADI公司的無(wú)線電源接收器和發(fā)射器旨在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，簡(jiǎn)化WPT在空間受限和密封設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)。