采用緊湊和高效率解決方案以無線方式給電池充電

引言

電池給多種行業(yè)的許多不同應(yīng)用供電。在很多這類應(yīng)用中，難以使用或根本不能使用充電連接器。例如，有些產(chǎn)品需要密封外殼來保護敏感電子組件免受嚴(yán)酷環(huán)境的影響，或允許便利的清潔或消毒。另一些產(chǎn)品也許太小了，容納不下連接器。另外，在電池供電應(yīng)用包括移動或旋轉(zhuǎn)部件時，就請徹底忘記用導(dǎo)線充電這回事吧。無線充電在這些以及其他一些應(yīng)用中很有價值，增強了可靠性和堅固性。

無線電源系統(tǒng)概述

如圖 1 所示，無線電源系統(tǒng)由兩部分組成，即發(fā)送電路和接收電路，中間有一道間隙。發(fā)送電路包括一個發(fā)送線圈，接收電路包括一個接收線圈。發(fā)送電路圍繞發(fā)送線圈產(chǎn)生一個高頻交變磁場。該磁場耦合至接收線圈，并轉(zhuǎn)換為電能，可用這部分電能給電池充電，或給其他電路供電。

圖 1: 無線電池充電器系統(tǒng)概述

當(dāng)設(shè)計一個無線電源充電系統(tǒng)時，關(guān)鍵參數(shù)是給電池增加能量的實際充電功率。所接收功率的大小取決于很多因素，包括發(fā)送功率的大小、距離和發(fā)送線圈與接收線圈的擺放 (也稱為線圈之間的耦合)，以及發(fā)送和接收組件的容限。

任何無線電源設(shè)計的主要目標(biāo)都是，確保在功率傳送條件最差的情況下提供所需功率。然而，同樣重要的是，在最好條件下，要避免接收器的熱量和電氣過應(yīng)力。當(dāng)輸出功率要求很低時，例如，當(dāng)電池充滿電或接近滿充電時，這一點尤其重要。在這類情況下，來自無線系統(tǒng)的可用功率很高，但是所需功率很低。這種多余的功率一般導(dǎo)致高整流電壓，或者需要消耗這種多余的功率，使其變成熱量。

當(dāng)接收器所需功率較低時，有幾種方法應(yīng)對多余功率問題。可以用功率齊納二極管或瞬態(tài)電壓抑制器箝位整流電壓。不過，這種解決方案一般尺寸較大，產(chǎn)生的熱量也相當(dāng)大。假定沒有來自接收器的反饋，那么可以降低發(fā)送器最大功率，但是這或者會限制可用接收功率，或者會縮短發(fā)送距離。還可以將接收功率信息發(fā)送回發(fā)送器，以實時調(diào)節(jié)發(fā)送功率。無線充電聯(lián)盟 (Wireless Power Consortium) Qi 標(biāo)準(zhǔn)等無線功率標(biāo)準(zhǔn)采用了這種方法。不過，還可以用緊湊和高效率的解決方案解決這類問題，而不必訴諸復(fù)雜的數(shù)字通信方法。

為了在所有情況下高效地管理從發(fā)送器到接收器的功率傳送，LTC4120 無線功率接收器集成了 PowerbyProxi 的專利技術(shù)，PowerbyProxi 是凌力爾特的合作伙伴。PowerbyProxi 已獲得專利的動態(tài)協(xié)調(diào)控制 (DHC) 技術(shù)可高效率實現(xiàn)非接觸式充電，而且在接收器中不會出現(xiàn)熱量或電氣過應(yīng)力的問題。采用這種技術(shù)，在長達 1.2cm 的距離上可傳送高達 2W 的功率。

通過將接收器的諧振頻率從“調(diào)諧”狀態(tài)調(diào)節(jié)到“失諧”狀態(tài)，DHC 確保在最差情況下也能提供所需功率，而且不必?fù)?dān)心在未加載的最好情況下出現(xiàn)問題。這使基于 LTC4120 的無線充電系統(tǒng)能夠在很長的距離和具有明顯的線圈錯位情況下傳送功率。此外，僅通過在接收器端控制功率傳送，基于 LTC4120 的系統(tǒng)消除了所有潛在的通信干擾問題，這類干擾如果存在，有可能中斷功率傳送。

系統(tǒng)性能

那么基于 LTC4120 的系統(tǒng)的工作效果有多好呢? 圖 2 顯示了隨著發(fā)送線圈和接收線圈之間的距離以及中心至中心對準(zhǔn)度的變化，通過一個 LTC4120 無線功率接收器接收的電池充電功率。在距離為 10mm 時，可獲得 2W 的充電功率，而且線圈之間的錯位可以很大而不會導(dǎo)致可用功率顯著下降。盡管有許多不同的無線功率發(fā)送器可用，但是圖 2 所示數(shù)據(jù)是由基本 DC-AC 發(fā)送器產(chǎn)生的。這種基本發(fā)送器是一種開源基準(zhǔn)設(shè)計。如需有關(guān)這一電流饋送型推拉式發(fā)送器的更多信息，可登陸凌力爾特公司的網(wǎng)站，查看相關(guān)應(yīng)用指南。

圖 2: 發(fā)送距離 – 接收功率分析

選擇發(fā)送器時，有幾個因素需要考慮。發(fā)送器備用功率 (當(dāng)接收器不存在時) 重要嗎? 發(fā)送器需要區(qū)分有效接收器和無關(guān)的金屬異物嗎? 周邊電路對 EMI 的敏感度高嗎?

基本發(fā)送器是一種簡單、低價的解決方案。由于采用了無源諧振濾波，所以 EMI 頻譜在發(fā)送器基頻 (約 130kHz) 處得到了很好的控制。然而，無論基于 LTC4120 的接收器是否存在，該發(fā)送器都發(fā)送全功率，因此其備用功率相對較高。該發(fā)送器也不區(qū)分 LTC4120 和金屬異物，因此無關(guān)金屬物體可能因感應(yīng)渦流而發(fā)熱。

從 PowerbyProxi 公司可購得兩種現(xiàn)成有售的發(fā)送器：Proxi-Point 和 Proxi-2D。這些發(fā)送器的發(fā)送距離和對準(zhǔn)度容限性能幾乎與基本發(fā)送器相同。然而，這些更先進的發(fā)送器，可檢測基于 LTC4120 的有效接收器是否存在。這一功能使這兩款發(fā)送器能夠在接收器不存在時降低備用功率，而如果附近是無關(guān)金屬異物，這些發(fā)送器就終止功率發(fā)送。

由于 LTC4120 充電器的高效率降壓型開關(guān)拓?fù)湟约?DHC 技術(shù)，所以系統(tǒng)總體效率約為 50% 至 55%。用電池充電功率除以提供給發(fā)送器的 DC 輸入功率，就能計算出這個效率值。總體效率與耦合及負(fù)載有很大關(guān)聯(lián)。當(dāng)以 400mA 電流給單節(jié)鋰離子電池充電時，基于 LTC4120 的接收器電路板上之組件保持在 10oC 的環(huán)境溫度之內(nèi)?；?LTC4120 的接收器如圖 3 所示。

圖 3: LTC4120 接收器演示電路板組件

其他系統(tǒng)配置

基于 LTC4120 的無線充電系統(tǒng)能夠跨過一個令人印象深刻的間隙，以 400mA 電流給電池充電。基于鋰的可再充電電池為許多手持式應(yīng)用供電，1S (標(biāo)稱 3.7V) 和 2S (標(biāo)稱 7.4V) 鋰離子電池組很常見。生命周期延長和安全功能改進也為磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池創(chuàng)造了極大的市場空間。此外，由于客戶需要在初始電池容量、生命周期以及隨時間推移的保留容量變化之間做出精細(xì)的權(quán)衡，所以這類電池組有種類繁多的目標(biāo)充電電壓。LTC4120 不需要任何額外的電路，就能夠給一節(jié)和兩節(jié)鋰電池以及一節(jié)、兩節(jié)和 3 節(jié)磷酸鐵鋰電池充電，因此可滿足多種目標(biāo)充電電壓的需求。充電電流可以在 50mA 至 400mA 范圍內(nèi)設(shè)定，而充電電壓可以在 3.5V 至 11V 范圍內(nèi)設(shè)定。

除了內(nèi)置恒定電流 / 恒定電壓充電算法，LTC4120 還提供多種電池安全功能。終止定時器安全結(jié)束電周期。一個 NTC 輸入提供電池溫度監(jiān)視，并在溫度條件不安全時自動暫停充電。兩個充電狀態(tài)引腳提供充電周期及故障狀態(tài)信息。

結(jié)論

在很多不同類型的應(yīng)用中，無線充電很有價值，可增強可靠性和堅固性。重要的是，要考慮應(yīng)用需要多少功率以及功率必須在多遠(yuǎn)的距離上傳送、對準(zhǔn)度容限多大。決定怎樣應(yīng)對最大負(fù)載功率以及發(fā)送器和接收器之間耦合最小的最差情況常常非常容易。在輕負(fù)載或無負(fù)載以及最大耦合情況下管理額外的可用功率可能富有挑戰(zhàn)性。為了幫助應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，凌力爾特開發(fā)了 LTC4120，這款全新 IC 為制造緊湊和高效率無線電源電池充電器提供了所需的一切。其 DHC 技術(shù)允許非常寬的傳送間隙，對發(fā)送線圈至接收線圈的對準(zhǔn)度極其不敏感。LTC4120 是堅固的非接觸式充電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。