如何快速且經濟高效地為空間受限和密封的設備添加無線充電

作者：Stephen Evanczuk

對微型密封無線設備的需求不斷增長，需要更有效的充電解決方案。傳統的充電方法對最終用戶來說并不令人滿意，在空間受限的設備中帶來了挑戰，并且不適合惡劣的環境。盡管無線充電解決了其中的許多問題，但現有的解決方案仍無法滿足這些設備的集成度、功率和效率要求。

本文討論了對空間受限和密封設備增強充電解決方案的需求。然后[介紹了ADI公司的]多功能無線充電解決方案，并展示了它如何幫助開發人員輕松實現合適、安全、高效的充電。

對更有效的充電解決方案的需求不斷增長

對更緊湊的可穿戴電子設備（如耳機、入耳式設備和健身設備）的需求不斷增長，繼續推動對充電解決方案的需求，以滿足這些應用的物理尺寸限制，并確保密封單元在各種操作環境中的完整性。依賴物理連接器的傳統充電方法由于易磨損以及灰塵和濕氣等環境因素而無法滿足這些要求。因此，無線充電技術已經不僅僅是一項新穎的功能，而是成為此類產品的基本要求。

通過消除對外部充電端口的需求，無線電力傳輸 （WPT） 系統通過在充電源和封閉設備之間的氣隙上運行，提供了一種潛在的解決方案。然而，在實踐中，設計有效的 WPT 解決方案存在多種技術挑戰，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題進一步復雜化。

高度集成的器件簡化了 WPT 設計

ADI公司的[LTC4124]無線鋰離子充電器和[LTC4125]無線電源發射器旨在幫助設計人員滿足空間受限和密封器件對高集成度、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 100 毫安 （mA）（圖 1）。

[]圖 1：憑借其全面的功能，LTC4124 無線鋰離子充電器簡化了 WPT 的實現。（圖片來源：Analog Devices）

憑借其全面的集成充電功能，該器件可用作獨立的鋰離子電池充電器，無需額外組件。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器終止、電池不良檢測和自動再充電功能。

該LTC4124的低電池斷開功能有助于保護處于極低充電狀態的電池免于進一步放電，從而縮短電池壽命。斷開功能使LTC4124在沒有可用輸入電源且電池電壓低于指定最小值時關閉。當它關閉時，該器件會打開一個斷開開關（圖 1 中的 M3），以防止電池進一步放電。借助運輸模式功能，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高時防止充電，并且可以通過添加負溫度系數 （NTC） 熱敏電阻和發光二極管 （LED） 直觀地指示充電狀態（圖 2）。

圖 2：僅使用兩個組件（一個 LED 和一個 NTC 電阻器）以及 LTC4124 充電器，開發人員就可以實現具有可視充電狀態指示器的完整溫度合格充電器。（圖片來源：Analog Devices）

通過將外部并聯電感電容 （LC） 諧振腔電路連接到 LTC4124 的 ACIN 引腳，開發人員可以輕松擴展此基本設計，以創建 WPT 系統的接收器側。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。（圖片來源：Analog Devices）

與 LTC4124 一樣，LTC4125 是一款高度集成的器件，專為 WPT 應用而設計。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 5 瓦的功率（圖 4）。

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

ADI公司專有的AutoResonant技術是該器件的核心，可自動檢測并匹配連接在其開關引腳（SW1和SW2）上的串聯LC電路的諧振頻率。除了優化發射功率外，自動諧振技術在異物檢測中也起著至關重要的作用。當異物放置在發射線圈附近時，有效線圈電感明顯降低，LTC4125驅動頻率增加。如下所述，驅動頻率的增加被用作異物存在的指示。

優化 WPT

在 WPT 期間，LTC4124接收機的集成無線電源管理器從 WPT 系統發射機/接收機對的發射線圈發射線圈產生的交變磁場中整流交流電壓。LTC4124無線電源管理器使用其集成比較器 （CP1） 和開關 （SW1 和 SW2），將整流電壓保持在 V 上抄送引腳設置到剛好高于電池電壓 （V 巴特 ） 通過將諧振腔電路分流到地面，當它接收的能量超過為電池充電所需的能量時。

然而，這種分流機制消耗的功率會增加器件的熱負荷。LTC4125發射器提供了一種更直接的機制來減少到達接收器的能量。

雖然其自動諧振技術優化了功率傳輸，但該LTC4125具有最佳的功率搜索功能，可監控和調整發射機功率輸出，以匹配連續搜索周期中的接收器負載。在每個周期中，LTC4125通過逐步增加脈寬電壓（V PTH系列 ），它與傳遞到驅動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 ）表示發射功率足以滿足或超過接收機負載，搜索在該脈寬電壓處停止，該脈沖寬度電壓保持所需的發射機輸出功率電平，直到下一個搜索周期（圖5）。

[]圖 5：LTC4125 發射機最佳功率搜索功能通過執行逐步搜索以找到合適的輸出電平，將功率輸出與接收機負載相匹配。（圖片來源：Analog Devices）

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

圖 6：在執行最佳功率搜索算法時，LTC4125 變送器繼續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。（圖片來源：Analog Devices）

在此過程中，LTC4125識別幾個預定義的有效退出條件，指示最佳發射功率。此外，開發人員可以指定兩個可編程退出條件，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），以優化發射和接收線圈之間耦合不良的使用場景中的發射功率。

該LTC1425可自動檢測可能影響電力傳輸安全性和效率的幾種故障情況：

• 超過NTC電壓（V NTC技術 ） 在其 NTC 輸入引腳上檢測到
• 超過通過 FB 引腳電壓 V 檢測到的諧振腔電壓的最大閾值 臉書 >V在
• 超過內部芯片過溫閾值（典型值為 150°C）
• 超過頻率閾值，表明由于發射線圈電感的降低和驅動頻率的相應增加而存在異物
• 超過輸入電流限值 （ILIM）
• 在未找到有效退出條件的情況下完成搜索坡道

發生任何這些故障情況都會導致設備停止供電，直到下一個搜索間隔。

對于開發人員來說，自動諧振驅動和最佳功率搜索等功能會根據退出和故障條件自動運行。盡管其中一些條件的閾值在器件中是固定的，但開發人員對用于確定電源設置、退出條件和故障條件的不同方面保持相當大的控制。

使用ADI公司的[DC2770A-A-KIT]演示套件和100 mA [DC2770A-B-KIT]演示套件，開發人員可以快速評估LTC4124接收器和LTC4125發射器在以高達100 mA的電流為鋰離子電池充電時的性能。每個套件包括一個基于 LTC4125 的發射器板和一個基于 LTC4124 的接收器板。兩者都配備了跳線和連接點，用于設置設備性能特征和監控結果。

結論

緊湊、密封設備的趨勢使得為其所依賴的電池充電的有效方法的設計變得復雜。WPT提供了一種有效的解決方案，但實現高效的無線充電設計具有挑戰性。ADI公司的無線電源接收器和發射器旨在應對這些挑戰，簡化WPT在空間受限和密封設備中的實現。