單片全橋自諧振發(fā)射器IC簡化無線電池充電器設(shè)計(jì)

電池在日常設(shè)備中的使用越來越普遍。在許多這些產(chǎn)品中，充電連接器很難或不可能使用。例如，某些產(chǎn)品需要密封外殼，以保護(hù)敏感的電子設(shè)備免受惡劣環(huán)境的影響，并實(shí)現(xiàn)方便的清潔或消毒。其他產(chǎn)品可能太小而無法包含連接器，并且在電池供電應(yīng)用包括移動或旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)品中，忘記用電線充電。無線充電在這些和其他應(yīng)用中增加了價(jià)值、可靠性和魯棒性。

有許多方法可以無線供電。在小于幾英寸的短距離內(nèi)，通常使用電容或電感耦合。本文討論了使用電感耦合的解決方案。

在典型的電感耦合無線電源系統(tǒng)中，發(fā)射線圈產(chǎn)生交流磁場，然后發(fā)射線圈在接收線圈中感應(yīng)交流電，就像典型的變壓器系統(tǒng)一樣。變壓器系統(tǒng)和無線電源系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于，氣隙或其他非磁性材料間隙將發(fā)射器和接收器分開。此外，發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)通常非常低。雖然變壓器系統(tǒng)中常見的耦合為0.95：1，但無線電源系統(tǒng)中的耦合系數(shù)從0.8到低至0.05不等。

圖1.LTC4125在無線電源系統(tǒng)中以103 kHz驅(qū)動24 μHz發(fā)射線圈，具有1.3 A輸入電流閾值、119 kHz頻率限制和41.5°C發(fā)射線圈表面溫度限制，LTC4120-4.2用作接收器處的400 mA單節(jié)鋰離子電池充電器。

無線電池充電基礎(chǔ)知識

無線電源系統(tǒng)由氣隙隔開的兩部分組成：發(fā)射（Tx）電路（包括發(fā)射線圈）和接收（Rx）電路（包括接收線圈）。

在設(shè)計(jì)無線動力電池充電系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是實(shí)際為電池增加能量的電量。這種接收功率取決于許多因素，包括：;

傳輸?shù)墓β柿?/p>

發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離和對齊方式，通常表示為線圈之間的耦合系數(shù)

發(fā)送和接收組件的容差

任何無線電源發(fā)射器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是發(fā)射電路能夠產(chǎn)生強(qiáng)磁場，以保證在最壞情況下提供所需的接收功率。然而，在最佳情況下，避免接收器中的熱應(yīng)力和電應(yīng)力同樣重要。當(dāng)輸出功率要求低且耦合性高時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。一個(gè)例子是電池充電器，當(dāng)電池充滿電時(shí)，接收線圈放置在發(fā)射線圈附近。

采用 LTC4125 的簡單而完整的發(fā)送器解決方案

LTC4125 發(fā)送器 IC 專為與線性功率?投資組合作為接收者;例如，LTC4120 — 一款無線電源接收器和電池充電器 IC。

LTC4125 具有簡單、強(qiáng)大且安全的無線電源發(fā)送器電路所需的所有功能。特別是，它能夠根據(jù)接收器負(fù)載要求調(diào)整其輸出功率，以及檢測導(dǎo)電異物的存在。

如前所述，無線電池充電器系統(tǒng)中的發(fā)射器需要產(chǎn)生強(qiáng)磁場，以保證在最壞情況下的電力傳輸條件下傳輸電力。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，LTC4125 采用一種專有的自諧振技術(shù)。

圖2.LTC4125 自諧振驅(qū)動。

LTC4125 自諧振驅(qū)動可確保每個(gè) SW 引腳上的電壓始終與進(jìn)入引腳的電流同相。參考圖2，當(dāng)電流從SW1流向SW2時(shí)，開關(guān)A和C導(dǎo)通，而開關(guān)D和B關(guān)斷，反之亦然。采用此方法逐周期鎖定驅(qū)動頻率可確保 LTC4125 始終以其諧振頻率驅(qū)動外部 LC 網(wǎng)絡(luò)。即使連續(xù)變化的變量會影響LC諧振電路的諧振頻率，例如溫度和附近接收器的反射阻抗，也是如此。

利用這項(xiàng)技術(shù)，LTC4125 不斷調(diào)整集成全橋開關(guān)的驅(qū)動頻率，以匹配串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際諧振頻率。通過這種方式，LTC4125 能夠在發(fā)送器線圈中高效地構(gòu)建一個(gè)大幅度的交流電流，而無需高 DC 輸入電壓，也不需要高精度的 LC 值。

LTC4125 還通過改變?nèi)珮蜷_關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)上波形的脈沖寬度。通過將占空比調(diào)整得更高，串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生更多的電流，因此接收器負(fù)載可以獲得更多的功率。

圖3.LTC4125 脈沖寬度掃描 — Tx 線圈中的電壓和電流隨著占空比的增加而增加。

LTC4125 執(zhí)行此占空比的周期性掃描，以找到接收器負(fù)載條件的最佳工作點(diǎn)。這種最佳的功率點(diǎn)搜索允許操作容許大氣隙和線圈未對準(zhǔn)，同時(shí)避免在所有情況下對接收器電路產(chǎn)生熱應(yīng)力和電應(yīng)力過大。每次掃描之間的周期可通過單個(gè)外部電容器輕松設(shè)置。

圖1所示的系統(tǒng)可以容忍相當(dāng)大的錯(cuò)位。當(dāng)線圈明顯未對準(zhǔn)時(shí)，LTC4125 能夠調(diào)整產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，以確保 LTC4120 接收完整的充電電流。在圖1所示的系統(tǒng)中，可以在最遠(yuǎn)12 mm的距離內(nèi)傳輸高達(dá)2 W的功率。

異物導(dǎo)電物體檢測

任何可行的無線電力傳輸電路的另一個(gè)基本特征是能夠檢測放置在發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場中的導(dǎo)電異物的存在。設(shè)計(jì)用于向接收器提供超過幾百毫瓦的發(fā)射電路需要能夠檢測導(dǎo)電異物的存在，以防止物體中形成渦流并導(dǎo)致不良加熱。

LTC4125 的自諧振架構(gòu)為 IC 提供了一種獨(dú)特的方法來檢測導(dǎo)電異物的存在。導(dǎo)電異物會降低串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)中的有效電感值。這導(dǎo)致自諧振驅(qū)動器增加集成的全橋驅(qū)動頻率。

圖4.LTC4125 發(fā)送器 LC 槽電壓頻率在存在和不存在導(dǎo)電異物的情況下的比較。

圖5.LTC4125在無線電源系統(tǒng)中以103 kHz、119 kHz頻率限值和41.5°C發(fā)射線圈表面溫度限值驅(qū)動24 μHz發(fā)射線圈的示意圖，LT3652HV用作接收器上的1 A單節(jié)LiFePO4（3.6 V浮子）電池充電器

通過一個(gè)電阻分壓器來設(shè)置一個(gè)頻率限值，LTC4125 在自諧振驅(qū)動超過此頻率限值的一段時(shí)間內(nèi)將驅(qū)動脈沖寬度減小至零。以這種方式，LTC4125 在檢測到導(dǎo)電異物的存在時(shí)停止提供任何功率。

請注意，通過使用這種頻移現(xiàn)象來檢測導(dǎo)電異物的存在，可以直接與諧振電容器（C）的元件容差和發(fā)射線圈電感（L）進(jìn)行權(quán)衡。對于L和C值的典型5%初始容差，該頻率限值可以設(shè)置為比典型LC值的預(yù)期固有頻率高10%，以實(shí)現(xiàn)合理靈敏的異物檢測和穩(wěn)健的發(fā)射器電路設(shè)計(jì)。但是，可以使用更嚴(yán)格的容差1%元件，頻率限值僅比典型預(yù)期固有頻率高3%，以獲得更高的檢測靈敏度，同時(shí)仍保持設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

功率級靈活性和性能

通過一些簡單的電阻和電容值變化，同一應(yīng)用電路可以與不同的接收器IC配對，以實(shí)現(xiàn)更高功率的充電。

由于發(fā)射電路上的高效全橋驅(qū)動器，以及接收電路的高效降壓開關(guān)拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)高達(dá)70%的整體系統(tǒng)效率。該整體系統(tǒng)效率是根據(jù)發(fā)射電路的直流輸入到接收電路的電池輸出計(jì)算得出的。請注意，兩個(gè)線圈的品質(zhì)因數(shù)及其耦合對于系統(tǒng)的整體效率與電路實(shí)現(xiàn)的其余部分一樣重要。

LTC4125 中的所有這些功能都是在不發(fā)送器和接收器線圈之間實(shí)現(xiàn)任何直接通信的情況下實(shí)現(xiàn)的。這允許簡單的應(yīng)用設(shè)計(jì)，涵蓋高達(dá) 5 W 的各種功率要求以及許多不同的物理線圈布置。

圖6.采用LTC4125的典型完整無線電源發(fā)送器板。

圖 6 展示了典型 LTC4125 應(yīng)用電路的小尺寸及其簡單性。如前所述，大多數(shù)功能都可以使用外部電阻器或電容器進(jìn)行定制。

結(jié)論

LTC?4125 是一款功能強(qiáng)大的新型 IC，可提供構(gòu)成安全、簡單和高效的無線電源發(fā)送器所需的所有功能。自諧振技術(shù)、最佳功率搜索和通過頻移檢測導(dǎo)電異物簡化了具有出色距離和對準(zhǔn)公差的全功能無線電源發(fā)射器的設(shè)計(jì)。LTC?4125 是穩(wěn)健的無線電源發(fā)送器設(shè)計(jì)中的一款簡單而卓越的選擇。

審核編輯：郭婷