采用LTC4125自諧振器完成閉合接收器和發(fā)射器之間環(huán)路的方法

無線充電越來越多地用于小型可穿戴設備，因為它消除了設備上對電纜或任何裸露連接器的需求。對于充電電流小于10 mA的應用，由于功耗較低，因此不需要無線充電器接收器和發(fā)射器之間的閉環(huán)控制。但是，對于更高的充電電流，發(fā)射器必須根據(jù)接收器的要求和兩側之間的耦合系數(shù)主動調(diào)整其輸出功率。否則，接收器可能不得不以熱量的形式耗散額外的功率，從而影響用戶體驗并對電池的健康構成威脅。從接收器到發(fā)射器的數(shù)字通信通常用于閉合此環(huán)路，但數(shù)字控制增加了整體設計的復雜性，并增加了應用的尺寸。

本文介紹了一種在不增加接收器板上元件數(shù)量（以及寶貴的整體尺寸）的情況下閉合接收器和發(fā)射器之間環(huán)路的方法。采用 LTC4125 自諧振器構建了一個閉環(huán)受控無線充電器原型?發(fā)射器和一個 LTC4124 無線鋰離子電池充電器接收器來演示這一概念。

具有占空比控制輸入的自動諧振發(fā)射器

LTC?4125 是一款單片式、全橋自動諧振式無線電源發(fā)送器，專為最大限度地提高接收器的可用功率、提高整體效率并為無線充電系統(tǒng)提供全面保護而設計。

LTC4125 實施了一個自諧振轉換器，以驅動由發(fā)射線圈 （L德克薩斯州）和發(fā)射電容（C德克薩斯州).自動諧振驅動器使用過零檢測器將其驅動頻率與油箱的諧振頻率相匹配。SW1 和 SW2 引腳是 LTC4125 內(nèi)部兩個半橋的輸出。當SWx引腳檢測到其輸出電流從負到正過零的方向時，SWx設置為V在占空比與其相應的PTHx引腳電壓成正比。當 SWx 引腳設置為 V 時在，在發(fā)射器諧振槽中流動的電流增加。因此，每個橋式驅動器的占空比控制著諧振電流的幅度，該幅值與發(fā)射功率成正比。圖1顯示了占空比小于50%時的諧振電流和電壓波形。諧振幅的絕對值由總諧振阻抗決定，包括來自無線接收器的反射負載阻抗。

圖1.自諧振LC諧振諧振電路電壓和電流波形，方波輸入占空比小于50%。

在典型操作中，LTC4125 利用一個內(nèi)部 5 位 DAC 掃描 SWx 占空比，該 DAC 設定 PTHx 電壓以搜索一個有效負載。如果FB引腳看到某些電壓變化模式，則停止掃描，占空比在該水平上保持可編程時間段（通常設置為約3 s至5 s）。然后開始新的掃描循環(huán)，重復相同的步驟。如果負載條件在一個掃描期間發(fā)生變化，則 LTC4125 將在下一個掃描周期開始時做出響應。

為了形成閉環(huán)，橋式驅動器的發(fā)射功率應根據(jù)控制輸入進行調(diào)整。LTC4125 的一個特點是，PTHx 引腳不僅是橋式驅動器占空比的指示器，而且還可作為輸入來驅動以設定占空比。內(nèi)部 5 位 DAC 利用一個內(nèi)部上拉電阻設置 PTHx 引腳的電壓目標。但是，如圖2所示，可以實現(xiàn)一個與FET串聯(lián)的外部下拉電阻，以主動放電PTHx引腳上的電容，從而降低PTHx引腳的平均電壓。該下拉式FET柵極處PWM信號的占空比控制PTHx引腳上的平均電壓。

圖2.PTHx 由 PWM 輸入信號控制。

LTC4125設計用于向合適的接收器提供超過5 W的功率。當與 LTC4124 接收器配對時，可通過停用其中一個半橋驅動器來降低發(fā)射功率。這是通過保持SW2引腳開路并將PTH2短路至GND來完成的。然后可以在SW1引腳和GND之間連接發(fā)射諧振電路。這樣，LTC4125 就變成了一個半橋發(fā)射器，以在 PTH1 引腳上實現(xiàn)較低的增益和更寬的控制范圍。

利用 LTC4124 從無線充電器接收器產(chǎn)生反饋信號

LTC?4124是一款高度集成的100 mA無線鋰離子電池充電器，專為空間受限的應用而設計。它包括一個高效的無線電源管理器、一個引腳可編程、功能齊全的線性電池充電器和一個理想的二極管PowerPath?控制器。

圖3.在6 mm應用板上使用LTC4124的完整無線電池充電器解決方案。

LTC4124 中的無線電源管理器通過一個 ACIN 引腳連接至一個并聯(lián)諧振電路，從而允許線性充電器從發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場無線接收電源。當 LTC4124 接收的能量多于以編程速率為電池充電所需的能量時，線性充電器的輸入電容器位于 V抄送PIN 充電以吸收額外的能量。當 V抄送引腳電壓在電池電壓上達到 1.05 V，V.BAT，無線電源管理器將接收器諧振電路分流到地，直到 V抄送回落至 0.85 V （高于 V）.BAT.通過這種方式，線性充電器非常高效，因為它的輸入始終保持在輸出上方。

圖4.LTC4124 接收器上的交流輸入整流和直流軌電壓調(diào)節(jié)。

LTC4124 的分流事件還降低了發(fā)射諧振電路上的反射負載阻抗，從而導致發(fā)射諧振電路電流和電壓的幅度上升。由于分流事件表明接收器從發(fā)射器獲得足夠的功率，因此發(fā)射槽峰值電壓的上升可以作為發(fā)射器調(diào)節(jié)其輸出功率的反饋信號。

圖5.發(fā)射槽電壓上升（V德克薩斯州），在 LTC4124 接收器的分流期間。

解調(diào)反饋信號并閉環(huán)

現(xiàn)在來自接收器側的反饋信號在發(fā)射器側可用，該反饋信號需要轉換并饋送到發(fā)射器的控制輸入以閉合控制環(huán)路。峰值罐電壓可以從由二極管和電容器C組成的半波整流器獲得認知障礙，如圖 6 所示。該電壓進一步由電阻R分頻認知障礙和 RFB2.為了檢測峰值電流的變化，峰值電壓信號通過電阻（R平均） 和電容器 （C平均).通過將該平均信號與原始峰值電壓信號進行比較，可以產(chǎn)生方波脈沖。然后，該脈沖被饋入 LTC4125 的占空比控制輸入，以調(diào)節(jié)發(fā)射器的輸出功率。

圖6.發(fā)射器側的反饋信號解調(diào)電路。

當接收器未獲得足夠的能量時，LTC4125 應增加其輸出功率。這可以通過設置PTHx引腳的內(nèi)部電壓目標來實現(xiàn)。內(nèi)部電壓目標可由 PTHM 引腳設定，因為它在 LTC4125 搜索周期開始之前設定初始 5 位 DAC 電壓電平?？梢栽贗MON引腳上連接一個1 V基準電壓源以禁用搜索，從而在工作期間將PTHx引腳目標電壓固定在其初始值。如果 LTC4124 接收器需要更多功率，則分流事件將停止，PTHx 放電 FET 將不會激活。PTHx 電壓將向內(nèi)部電壓目標充電，直到 LTC4124 接收到足夠的功率來啟動分流事件。

最大發(fā)射功率是通過測量接收器在應用中最差耦合系數(shù)位置調(diào)節(jié)最大充電電流時的PTHx電壓來定義的。PTHM 引腳電壓應設置為滿足最大發(fā)射功率要求。

基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器的特性和性能

圖7顯示了基于LTC4125的閉環(huán)控制發(fā)射器和基于LTC4124的100 mA接收器的完整原理圖。如原理圖所示，接收器側只需要很少的元件，從而降低了成本并減小了接收器的體積。在發(fā)送器側，與 LTC4125 的典型應用相比，僅使用幾個額外的組件來實現(xiàn)閉環(huán)控制。保留了 LTC4125 的大部分特性，包括自諧振開關、多種外來檢測方法、過熱保護和諧振電路過壓保護。有關這些功能的詳細信息，請參見 LTC4125 的產(chǎn)品手冊。

圖7.100 mA LTC4124充電器接收器與LTC4125自諧振閉環(huán)控制發(fā)射器配對。

基于 LTC4125 的閉環(huán)無線發(fā)送器能夠動態(tài)調(diào)節(jié)其輸出功率以匹配接收器的功率需求。圖8顯示了當接收器線圈遠離發(fā)射器線圈中心，然后快速移回原始位置時，該無線充電器的行為。LTC4125 發(fā)送器的輸出功率，由峰值發(fā)射槽電壓 V 指示TX_PEAK，平滑地響應兩個線圈之間耦合系數(shù)的變化，以保持充電電流恒定。

圖8.基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器可響應發(fā)射器和接收器之間耦合系數(shù)的突然變化。

在充電電流瞬態(tài)上升期間，LTC4124 分流事件停止，從而使 LTC4125 能夠在內(nèi)部對其 PTH1 引腳進行充電。因此，LTC4125 增加了其半橋驅動器占空比以提升發(fā)射功率。一旦發(fā)射功率足夠大，足以讓 LTC4124 調(diào)節(jié)其充電電流，分流事件就會恢復，并且占空比將保持在最佳水平。在充電電流瞬態(tài)下降期間，LTC4124 分流的頻率要高得多。LTC4125 可對其 PTH1 引腳上的電容器快速放電，以降低占空比并降低 LTC4125 的發(fā)射功率。

圖9.基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器對充電電流的階躍做出響應。

圖 10.基于 LTC4124 和 LTC4125 的閉環(huán)無線充電器可響應充電電流的降壓。

圖 11.放形，顯示圖10所示瞬態(tài)的詳細信息。

由于發(fā)射功率始終與接收器的需求相匹配，因此與基于 LTC4124 和 LTC4125 的無線充電器的典型配置（無閉環(huán)控制）相比，整體效率得到了極大的改善。在 LTC4125 最佳功率搜索操作中，效率曲線無需內(nèi)部 DAC 步進即可更加平滑。由于功率損耗大大降低，LTC4124 充電器和電池在整個充電期間保持接近室溫。

圖 12.基于 LTC4125 和 LTC4124 的無線充電器在 3.5 mm 氣隙下的各種配置的效率。

結論

LTC4125 可配置為具有一個控制輸入的功率可調(diào)發(fā)送器。LTC4124 無線充電器接收器的分流事件可用于向發(fā)送器提供反饋信號。然后可以使用半波整流器、分壓器、低通濾波器和比較器對該反饋信號進行解調(diào)。然后，可將處理后的信號饋入基于 LTC4125 的功率可調(diào)發(fā)送器，以閉合控制環(huán)路。已經(jīng)建立了一個原型來證明這個概念。該原型可以快速平穩(wěn)地響應耦合系數(shù)和充電電流的變化。這種方法允許最終用戶將接收器放置在錯位程度更高的發(fā)射器頂部，而不必擔心接收器會獲得所需的功率。此外，這種閉環(huán)方法還通過始終使發(fā)射器輸出功率與接收器的功率需求相匹配來提高整體效率，從而使整個充電周期更加安全可靠。

審核編輯：郭婷