工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線充電的利器LTC4125

傳統(tǒng)上，用在這類工廠中的各種類型傳感器都是靠導(dǎo)線連接到電源的。然而，未來在工廠中可能沒有到處安裝和維護(hù)電纜的挑戰(zhàn)和費(fèi)用，因為現(xiàn)在可以安裝可靠的、工業(yè)強(qiáng)度的無線傳感器，而且這些傳感器可以靠小型電池甚至靠從光、振動或溫度梯度等來源收集的能量運(yùn)行數(shù)年。也有可能組合使用充電電池和多種環(huán)境能源。

先進(jìn)和現(xiàn)成有售的能量收集 (EH) 技術(shù)，例如振動能源收集和室內(nèi)或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦級功率。盡管這么低功率也許看似用處有限，但是無線傳感器節(jié)點等能量收集組件的多年運(yùn)行可能意味著，無論就能量提供還是從所提供的每單位能量的成本上看，能量收集技術(shù)與長壽命主電池都是大致相當(dāng)?shù)?。盡管主電池聲稱能夠提供長達(dá) 10 年的壽命，但是這在很大程度上取決于從主電池吸取功率的水平以及從主電池吸取功率發(fā)生的頻度。提供 EH 功能的系統(tǒng)一般能夠在能量耗盡后再充電，而靠主電池供電的系統(tǒng)則做不到這一點。然而，大多數(shù)部署都將使用環(huán)境能源作為主電源，用主電池作為對這個主電源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能源消失或中斷了，可以接入主電池。這可以被認(rèn)為是一種 “電池壽命延長器” 功能，為系統(tǒng)提供了更長的工作壽命 (接近電池的工作壽命)，就鋰亞硫酰氯化學(xué)組成的電池而言，通常約為 12 年。此外，出于固有的安全性考慮，有些充電電池不能通過導(dǎo)線充電，而需要通過無線功率傳輸技術(shù)充電。

在很多這類應(yīng)用中，難以使用或不能使用連接器充電。例如，有些產(chǎn)品要求密封的外殼，以針對嚴(yán)酷的環(huán)境保護(hù)敏感電子組件。另一些產(chǎn)品也許只是因為太小，而無法裝入連接器，而在電池供電應(yīng)用可能移動或旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)品中，幾乎不可能用導(dǎo)線充電。那么可以采用什么樣的可替代方法來應(yīng)對這類環(huán)境呢? 顯然，需要一種無需連接器并能夠無線充電的方法。無線充電解決方案在這類不能使用連接器的應(yīng)用中提高了價值、可靠性和堅固性。

在歐姆連接器不能使用的那些例子中，無線供電是一個良好的解決方案。那么什么是無線供電? 簡言之，無線功率傳輸就是通過電絕緣體從電源向一個電負(fù)載傳輸電能。以這種方式傳輸功率有幾項挑戰(zhàn)。當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)體時，會產(chǎn)生磁場。尤其是，當(dāng)交替變化的電流流經(jīng)導(dǎo)體時，就會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生變化的磁場。如果另一個導(dǎo)體放置在這個磁場中，在第二個導(dǎo)體中就會感應(yīng)出交替變化的電流。

磁場密度與流經(jīng)導(dǎo)體的電流幅度成比例。能量從產(chǎn)生磁場 (主端磁場) 的導(dǎo)體向主磁場通過上述磁耦合對其產(chǎn)生顯著影響的任何導(dǎo)體 (副端磁場) 傳送。在松散耦合的系統(tǒng)中，耦合系數(shù)很低，高頻電流不會沿著導(dǎo)體流過很長距離，而會迅速丟失能量，因為沿著電纜的阻抗不匹配，這會導(dǎo)致能量反射回源端，或輻射到空氣中。圖 1 用圖形表述了通過磁場連接的松耦合線圈。

圖 1：從主端發(fā)送線圈 (Tx) 向副端接收線圈 (Rx) (包括 LTC4120) 的無線功率傳輸

LTC4120 是一款無線同步降壓型充電器。該器件不遵循 Qi 標(biāo)準(zhǔn)；這款解決方案為滿足高可靠性應(yīng)用的需求而設(shè)計。LTC4120 采用的底層技術(shù)和無線供電架構(gòu)允許基于 LTC4120 的系統(tǒng)提供更長的功率傳輸距離，對錯位的容限更大。這些結(jié)果都是高效率實現(xiàn)的，以使接收器不會遭遇過熱問題。此外，大多數(shù)工業(yè) WSN、IoT 和醫(yī)療應(yīng)用都不喜歡與消費(fèi)類產(chǎn)品實現(xiàn)互操作。

LTC4120 中嵌入了動態(tài)協(xié)調(diào)控制 (DHC) 調(diào)諧技術(shù)，這使該器件與其他無線供電解決方案相比具有顯著優(yōu)勢。為了適應(yīng)環(huán)境和負(fù)載變化，DHC 動態(tài)地改變接收器的諧振頻率。DHC 實現(xiàn)了更高的功率傳輸效率，允許更小的接收器尺寸，產(chǎn)生微不足道的電磁干擾，甚至允許在更長傳輸距離的情況下。與其他無線功率傳輸技術(shù)不同，DHC 本身就允許通過感應(yīng)能量場進(jìn)行固有的功率級管理，從而無需單獨(dú)的通信信道來確認(rèn)接收器或在電池充電周期中管理負(fù)載需求變化。

采用 LTC4120 進(jìn)行無線充電能實現(xiàn)或改善很多不同應(yīng)用。例如，可以去掉在嚴(yán)酷的工業(yè)環(huán)境中易于出故障和昂貴的連接器。兩個很好的例子是，化學(xué)處理廠和煉油廠。類似地，對于需要消毒的應(yīng)用，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)器人和醫(yī)療成像系統(tǒng)，無線充電允許完全密封的外殼。顯然，去除導(dǎo)線后，可將充電電池放置在這類移動或旋轉(zhuǎn)設(shè)備中。另一種例子是尺寸太小以至于無法使用常規(guī)連接器的應(yīng)用。

那么，功率怎樣傳輸?shù)?LTC4120 以能夠給電池充電呢? 這就需要一種無線發(fā)送器電路和線圈。為此，凌力爾特設(shè)計和開發(fā)了 LTC4125，這是一款無線功率發(fā)送器，對無線充電解決方案領(lǐng)域的無線接收器 IC 起到了補(bǔ)充作用。LTC4125 是一款簡單、高性能的單片全橋式諧振驅(qū)動器，能以無線方式向正確調(diào)諧的接收器提供高達(dá) 5W 功率。在由發(fā)送電路、發(fā)送線圈、接收線圈和接收電路組成的完整無線功率傳輸系統(tǒng)中，該器件作為發(fā)送電路組件使用。

LTC4125 功率控制器提供 3 種關(guān)鍵功能，改善了基本無線功率發(fā)送器，這 3 種功能是：自動諧振 (Auto Resonant) 功能，這一功能最大限度提高了可提供給接收器的功率；最佳功率搜索 (Optimum Power Search) 算法，該算法最大限度提高了無線供電系統(tǒng)的總體效率；異物檢測，該功能確保在存在傳導(dǎo)性異物的環(huán)境中工作時可安全和可靠地運(yùn)行。LTC4125 自動調(diào)節(jié)其驅(qū)動頻率，以匹配 LC 網(wǎng)絡(luò)諧振頻率。這種“自動諧振”切換允許該器件從低壓輸入電源 (3V 至 5.5V) 向凌力爾特 LTC4120 無線接收器和電池充電器等調(diào)諧接收器提供最大功率。無線功率接收器還可以用 LTC4071 并聯(lián)電池充電器或 LT3652HV 多種化學(xué)組成電池充電器設(shè)計。為了優(yōu)化系統(tǒng)效率，LTC4125 采用周期性發(fā)送功率搜索，并基于接收器負(fù)載要求調(diào)節(jié)傳輸功率。該器件在故障情況下或在檢測到異物時停止供電。參見圖 2，了解 LTC4120 和 LTC4125 怎樣能用來實現(xiàn)完整的無線功率傳輸和電池充電解決方案。

圖 2：實現(xiàn)無線電池充電的 LTC4125 和 LTC4120 演示電路

LTC4125 還包括可編程最大電流限制和一個 NTC 輸入，以針對異物和過載提供額外的保護(hù)。應(yīng)用包括手持式儀器、工業(yè) / 軍用傳感器和用于嚴(yán)酷環(huán)境中的類似設(shè)備、便攜式醫(yī)療設(shè)備以及電隔離設(shè)備?；?LTC4125 的系統(tǒng)提供堅固、獨(dú)立的解決方案，能支持長達(dá) 15mm 的傳輸距離，并容許由于錯位導(dǎo)致的線圈耦合不佳的情況。