如何快速、經(jīng)濟(jì)高效地為空間受限型密封設(shè)備添加無線充電功能

作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了應(yīng)對(duì)微型密封無線設(shè)備需求的日益增長，就需要更有效的充電解決方案。傳統(tǒng)充電方法無法滿足終端用戶的需求，既給空間受限型設(shè)備帶來挑戰(zhàn)，又不能適應(yīng)惡劣環(huán)境。盡管無線充電解決了其中的許多問題，但現(xiàn)有解決方案仍無法滿足這些設(shè)備對(duì)集成度、功率和效率的要求。

本文將討論為空間受限型密封設(shè)備提供更強(qiáng)充電解決方案的必要性。然后介紹 [Analog Devices]的多功能無線充電解決方案，并展示該解決方案如何幫助開發(fā)人員輕松實(shí)現(xiàn)合適、安全和高效的充電。

對(duì)更有效的充電解決方案的需求在不斷增長

對(duì)耳機(jī)、入耳式設(shè)備和健身器材等較緊湊型可穿戴電子設(shè)備的需求在不斷增長，這將繼續(xù)推動(dòng)對(duì)充電解決方案的需求，以適應(yīng)這些應(yīng)用的在物理尺寸方面的限制，并確保密封設(shè)備在不同工作環(huán)境下的完整性。依靠物理連接器的傳統(tǒng)充電方法易發(fā)生磨損，也會(huì)受到灰塵和濕氣等環(huán)境因素的影響，是無法滿足這些要求的。因此，無線充電技術(shù)已不僅僅是一種新功能，而是這類產(chǎn)品的基本要求。

無線功率傳輸 (WPT) 系統(tǒng)無需外部充電端口，通過在充電源和封閉設(shè)備之間的空氣間隙上運(yùn)行，提供了一種潛在的解決方案。但實(shí)際上，設(shè)計(jì)有效的 WPT 解決方案面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，包括功率傳輸效率、故障處理以及電池管理和熱管理。由于需要適應(yīng)狹小的空間，情況也將變得更加復(fù)雜。

高度集成的設(shè)備簡(jiǎn)化了 WPT 設(shè)計(jì)

Analog Devices 的 [LTC4124]無線鋰離子充電器和 [LTC4125]無線電源發(fā)射器旨在幫助設(shè)計(jì)人員滿足空間受限型密封器件對(duì)高集成度、高功率和高效率的要求。

LTC4124 采用尺寸僅為 2 × 2 mm、高度僅為 0.74 mm 的 LQFN 封裝，集成了以高達(dá) 100 mA 的可選充電電流為鋰離子電池充電所需的全部功能（圖 1）。

圖 1：憑借其全面的功能特性，LTC4124 無線鋰離子充電器簡(jiǎn)化了 WPT 的實(shí)現(xiàn)。（圖片來源：Analog Devices）

該設(shè)備的集成充電功能全面，可用作獨(dú)立的鋰離子電池充電器，且無需額外組件。這款充電器具有全功能、引腳可編程的恒流/恒壓 (CC/CV) 線性電池充電功能，包括安全定時(shí)器終止、壞電池檢測(cè)和自動(dòng)充電功能。

LTC4124 的低電量斷開功能有助于保護(hù)處于極低電荷狀態(tài)的電池，防止其進(jìn)一步放電，以避免因放電而縮短電池壽命。當(dāng)沒有輸入電源且電池電壓低于指定的最低值時(shí)，斷開功能會(huì)使 LTC4124 關(guān)斷。關(guān)斷時(shí)，設(shè)備會(huì)打開一個(gè)斷開開關(guān)（圖 1 中的 M3），防止電池進(jìn)一步放電。利用送貨模式功能，LTC4124 可防止電池放電，直到向其 ACIN 或 DCIN 引腳供電。

LTC4124 還可配置為在電池溫度過高時(shí)阻止充電，并通過增加一個(gè)負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻和一個(gè)發(fā)光二極管 (LED) 來直觀地顯示充電狀態(tài)（圖 2）。

圖 2：開發(fā)人員只需使用兩個(gè)元件（一個(gè) LED 和一個(gè) NTC 電阻器）以及 LTC4124 充電器，就能實(shí)現(xiàn)具有可視充電狀態(tài)指示器的、完整的溫度合格型充電器。（圖片來源：Analog Devices）

通過將外部并聯(lián)電感電容 (LC) 諧振電路連接到 LTC4124 的 ACIN 引腳，開發(fā)人員可以輕松擴(kuò)展這一基本設(shè)計(jì)，創(chuàng)建 WPT 系統(tǒng)的接收器端。將這種方法與 Analog Devices 的 LTC4125 器件搭配使用，可提供完整的 100 mA WPT 解決方案（圖 3）。

圖 3：LTC4125 發(fā)射器和 LTC4124 充電器實(shí)現(xiàn)了一種緊湊型 100 mA WPT 解決方案。（圖片來源：Analog Devices）

與 LTC4124 一樣，LTC4125 也是一款專為 WPT 應(yīng)用設(shè)計(jì)的高集成度器件。該器件采用 QFN 封裝，尺寸為 5 × 4 × 0.75 mm，在 3 V 至 5 V 電源下輸出功率超過 5 W（圖 4）。

圖 4：Analog Devices 的 LTC4125 無線電源發(fā)射器集成了全部功能模塊，能向經(jīng)過適當(dāng)調(diào)諧的接收器提供 5 W 以上的功率。（圖片來源：Analog Devices）

該器件的核心是 Analog Devices 專有的自動(dòng)共振技術(shù)，可自動(dòng)檢測(cè)并匹配開關(guān)引腳（SW1 和 SW2）上連接的串聯(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)方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)在發(fā)射線圈附近放置異物時(shí)，線圈的有效電感會(huì)顯著降低，LTC4125 的驅(qū)動(dòng)頻率會(huì)增加。如下文所述，驅(qū)動(dòng)頻率增加可用來指示異物存。

優(yōu)化 WPT

在 WPT 期間，LTC4124 接收器的集成無線電源管理器會(huì)對(duì) WPT 系統(tǒng)發(fā)射器/接收器對(duì)中一半發(fā)射器的發(fā)射線圈所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中的 AC 電壓進(jìn)行整流。LTC4124 無線電源管理器利用其集成比較器 (CP1) 和開關(guān)（SW1 和 SW2），當(dāng)接收到的能量超過電池充電所需時(shí)，將諧振電路分流至地，從而將 VCC 引腳上的整流電壓保持在略高于電池電壓 (V BATT )。

不過，這種分流機(jī)制耗散的功率會(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)制來減少到達(dá)接收器的能量。

在其自動(dòng)諧振技術(shù)優(yōu)化功率輸出的同時(shí)，LTC4125 還具有出色的功率搜索功能，可在連續(xù)的搜索周期序列中監(jiān)控并調(diào)節(jié)發(fā)射器的輸出功率，以匹配接收器負(fù)載。在每個(gè)周期內(nèi)，LTC4125 通過逐步增加脈沖寬度電壓 ( VPTH ) 來逐步提升發(fā)射功率，而脈沖寬度電壓與輸送至線圈電流驅(qū)動(dòng)橋的脈沖寬度成正比。諧振電路反饋電壓 (V FB ) 發(fā)生明顯變化時(shí)表明發(fā)射功率足以滿足或超過接收器負(fù)載，并且會(huì)在該脈寬電壓處停止搜索，從而在直至在下個(gè)搜索周期前保持所需的發(fā)射器輸出功率水平（圖 5）。

圖 5：LTC4125 發(fā)射器的最佳功率搜索功能通過執(zhí)行逐步搜索來找到合適的輸出水平，從而將輸出功率與接收器負(fù)載相匹配。（圖片來源：Analog Devices）

LTC4125 的最佳功率搜索功能通過固定流程執(zhí)行每個(gè)搜索周期，直至檢測(cè)到有效的退出條件或若干故障條件之一（圖 6）。

圖 6：在執(zhí)行其最佳功率搜索算法時(shí)，LTC4125 發(fā)射器繼續(xù)逐步遞增輸出功率，直至遇到有效的退出條件或若干故障條件之一。（圖片來源：Analog Devices）

在此過程中，LTC4125 可識(shí)別多個(gè)預(yù)先設(shè)定的有效退出條件，以指示最佳發(fā)射功率。此外，開發(fā)人員還可以指定兩個(gè)可編程退出條件，包括用于限制輸入電流的輸入電流閾值 (V ITH ) 和差分振蕩壓閾值 (DTH)，以便在涉及發(fā)射線圈和接收線圈之間耦合不良的使用場(chǎng)景中優(yōu)化發(fā)射功率。

LTC1425 可自動(dòng)檢測(cè)幾種可能影響功率傳輸安全和效率的故障情況：

• 超過由 NTC 電壓 (V NTC ) 確定的線圈溫度閾值，其中，NTC 電壓在 NTC 輸入引腳上測(cè)得
• 超過由 FB 引腳電壓檢測(cè)到的振蕩電壓的最大閾值：VFB > VIN
• 超過內(nèi)部芯片的超溫閾值（典型值為 150°C）
• 超過頻率閾值，表明存在異物，原因是發(fā)射線圈電感減小，驅(qū)動(dòng)頻率隨之增加
• 超過輸入電流限制值 (ILIM)
• 在未找到有效退出條件的情況下完成搜索斜坡

存在任何一種故障條件時(shí)，都會(huì)在進(jìn)入下一個(gè)搜索期間使設(shè)備保持供電停止?fàn)顟B(tài)。

對(duì)于開發(fā)人員來說，自動(dòng)諧振驅(qū)動(dòng)和最佳功率搜索等功能可根據(jù)退出條件和故障條件自動(dòng)運(yùn)行。雖然其中一些條件的閾值在設(shè)備中是固定的，但開發(fā)人員對(duì)于用來確定功率設(shè)置、退出條件和故障條件的不同方面仍有相當(dāng)大的控制權(quán)。

使用 Analog Devices 的 [DC2770A-A-KIT] 演示套件和 100 mA [DC2770A-B-KIT]8266) 演示套件，開發(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)套件均包括一塊基于 LTC4125 的發(fā)射器電路板和一塊基于 LTC4124 的接收器電路板。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，并監(jiān)控結(jié)果。

結(jié)語

設(shè)備變得越來越緊湊并采用密封結(jié)構(gòu)，這一發(fā)展趨勢(shì)使得設(shè)備所依賴的有效充電方法的設(shè)計(jì)日益復(fù)雜化。WPT 提供了一種有效的解決方案，但實(shí)施高效的無線充電設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。Analog Devices 的無線功率接收器和發(fā)射器專為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了空間受限型密封設(shè)備中 WPT 的實(shí)施過程。