無線電池充電器設計太繁瑣?試試感性這條路

2020-11-23 電子工程專輯


電池在日常設備中的使用越來越普遍。在許多日常產品中，很難或無法使用充電連接器。例如，有些產品需要密封外殼，以保護敏感電子產品免受惡劣環境的影響，並方便清潔或消毒。其他產品可能太小，無法提供連接器，而在電池供電應用（包含移動或旋轉部件）產品中，則無法通過連接線充電。在這些及其他應用中，無線充電能夠帶來更多增值，性能可靠魯棒。


無線供電有很多種方式。通常在不到幾英寸的距離採用容性或感性耦合方式。本文討論使用感性耦合的解決方案。


在典型的感性耦合無線電源系統中，由發射線圈產生交流磁場，然後在接收線圈中感應產生交流電，就像典型的變壓器系統一樣。變壓器系統和無線電源系統的主要區別在於，變壓器系統通過氣隙或其他非磁性材料形成的間隙將發射器和接收器分開。此外，發射線圈和接收線圈之間的耦合係數通常很低。變壓器系統的耦合係數通常為0.95至1，而無線電源系統的耦合係數為0.8至0.05。


圖1. 在無線電源系統中，LTC4125在103 kHz下驅動24 H發射線圈，輸入電流閾值為1.3 A，頻率限值為119 kHz，發射線圈表面溫度限值為41.5°C，LTC4120-4.2在接收器端用作400 mA單節鋰離子電池充電器。

無線電源系統由氣隙分隔的兩部分組成：發射(Tx)電路（包括發射線圈）和接收(Rx)電路（包括接收線圈）。


在設計無線電源電池充電系統時，實際能夠增加電池能量的電量是一個關鍵參數。接收功率取決於許多因素，包括：


任何無線電源發射器設計的主要目標都是使發射電路能夠產生一個強場，確保在最壞的功率傳輸條件下提供所需的接收功率。但是，避免在最佳情況下接收器過熱和電氣過載也同樣重要。當輸出功率要求較低且耦合性能出色時，這一點尤為重要。例如，電池使用靠近發射線圈的接收線圈充滿電時的電池充電器。


LTC4125 發送器 IC 旨在與 Power by Linear™ 產品系列中的一款電池充電器 IC 配對，將後者用作接收器；例如，LTC4120—無線功率接收器和電池充電器IC。


LTC4125具有簡單、強大且安全的無線功率發送器電路所需的所有功能。尤其能夠根據接收器負載要求調整其輸出功率，以及檢測是否存在導電異物。


如前所述，無線電池充電器系統中的發送器需要產生強磁場，以保證在最壞的功率傳輸條件下傳遞功率。為此，LTC4125採用了一種專有 AutoResonant 技術。


LTC4125 AutoResonant 驅動可確保每個SW引腳上的電壓始終與引腳輸入電流同相。參考圖2，當電流從SW1流向SW2時，開關A和C打開，同時開關D和B關閉，反之亦然。用這種方法循環鎖定驅動頻率，確保LTC4125始終以其諧振頻率驅動外部LC網絡。即使連續變化的變量影響LC諧振器的諧振頻率，如溫度和附近接收器的反射阻抗，也是如此。


圖2. LTC4125 AutoResonant驅動


利用這種技術，LTC4125 不斷調整集成全橋開關的驅動頻率，以便與串聯LC網絡的實際諧振頻率相匹配。這樣，LTC4125就能夠在發射器線圈中有效地建立一個大振幅交流電流，既不需要高直流輸入電壓，也不需要高精度LC值。


LTC4125還通過改變全橋開關的佔空比來調整串聯LC網絡上的波形的脈衝寬度。通過調高佔空比，串聯LC網絡中將產生更多的電流，從而為接收器負載提供更高的功率。


LTC4125定期掃描此佔空比，針對接收器端的負載條件尋找最佳操作點。這種最佳功率點搜索允許較大的氣隙容限和線圈錯位容限，同時避免在所有情況下造成接收器電路過熱和電氣過載。使用單個外部電容即可對掃描間隔輕鬆編程。



圖3. LTC4125脈衝寬度掃描 — Tx線圈中的電壓和電流隨佔空比增加而增大。


圖1中所示的系統具有較高的錯位容限。當線圈明顯錯位時，LTC4125 能夠調整產生的磁場強度以確保 LTC4120 接收到滿負荷充電電流。在圖1所示的系統中，長達 12 mm 的距離可傳輸高達 2 W。


任何可行無線功率傳輸電路的另一個基本特徵是能夠檢測發射線圈產生的磁場中是否存在導電異物。發射電路旨在向接收器提供數百毫瓦以上的功率，需要能夠檢測是否存在導電異物，以防止異物中形成渦流，導致發熱。


LTC4125 的 AutoResonant 架構允許採用獨特方式，讓 IC 檢測是否存在導電異物。導電異物會降低串聯 LC 網絡中的有效電感值。從而導致AutoResonant驅動器提高集成全橋驅動頻率。


圖4. 存在和不存在導電異物時有LTC4125發送器LC諧振器電壓頻率比較。


圖5. 在無線電源系統中，LTC4125在103 kHz下驅動24 H發射線圈，頻率限值為119 kHz，發射線圈表面溫度限值為41.5°C，LT3652HV在接收器端用作1 A單節LiFePO4（3.6 V浮動）電池充電器。


通過電阻分壓器對頻率限值進行編程設置後，LTC4125在AutoResonant驅動超過此頻率限值時，可在一段時間內將驅動脈衝寬度減小到零。這樣，當LTC4125檢測到存在導電異物時，將停止傳輸功率。


注意，利用這種頻移現象來檢測是否存在導電異物，即可用諧振電容(C)和發射線圈電感(L)的容限換取檢測靈敏度的提高。對於每一個L值和C值的5%典型初始公差，可以用比典型LC值的預期固有頻率高10%的頻率進行頻率限值編程，以獲得合理的異物檢測靈敏度和可靠的發送器電路設計。但是，更緊密的公差1%的元件設置的頻率限值僅比典型的預期固有頻率高3%，就可以獲得較高的檢測靈敏度，同時仍保持設計的魯棒性。


通過調整電阻和電容值，還可採用相同的應用電路與不同的接收器IC配對，獲得更高的充電功率。


由於發射電路具有高效全橋驅動器，並且接收電路採用高效降壓開關拓撲，系統整體效率可高達70%。系統整體效率根據發射電路的直流輸入和接收電路的電池輸出數據計算得出。請注意，對於系統整體效率而言，兩個線圈的品質因數及其耦合狀況，與電路的其餘部分同樣重要。


LTC4125 的所有這些特性都是在發射器和接收器線圈之間未進行直接通信的情況下實現的。因此可形成一個簡單的應用設計，包括各種高達5 W的功率要求，以及許多不同的物理線圈配置。


圖6. 使用LTC4125的典型全無線功率發送器電路板。


圖6顯示典型的 LTC4125 應用電路具有小尺寸，布局簡潔的特性。如前所述，大多數特性都可使用外部電阻或電容定製。


LTC4125 是一款功能強大的新型 IC，可提供創建安全、簡單且高效的無線功率發送器所需的所有特性。AutoResonant 技術、最佳功率搜索以及通過頻移檢測導電異物的功能，簡化了全功能無線功率發送器設計，並提供出色的距離和對準容限。LTC4125 是獲得無線功率發送器可靠設計的一種不錯的選擇。



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