無(wú)線充電方案簡(jiǎn)化控制電路，讓可穿戴設(shè)備遠(yuǎn)離充電煩惱

Google Glass讓智能可穿戴設(shè)備的概念走入了人們的視野。近年來(lái)，以智能手表為代表的越來(lái)越多新型健康跟蹤設(shè)備紛紛登場(chǎng)，使得這些小巧的便攜式硬件設(shè)備通過(guò)無(wú)處不在的云端數(shù)據(jù)交互極大地豐富了我們的日常生活。據(jù)2020年3月IDC發(fā)布的最新報(bào)告顯示，2019年全年中國(guó)可穿戴設(shè)備市場(chǎng)出貨量高達(dá)9924萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)37．1％，預(yù)計(jì)到2023年，可穿戴設(shè)備市場(chǎng)出貨將達(dá)到2億臺(tái)。

高集成度可穿戴設(shè)備引發(fā)充電技術(shù)升級(jí)挑戰(zhàn)

如何在龐大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中勝出，對(duì)行業(yè)內(nèi)采用以往的眾多慣用技術(shù)的企業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，充電方式的選擇首當(dāng)其沖。因?yàn)樾枰L(zhǎng)時(shí)間佩戴，決定了它們看起來(lái)不能太過(guò)顯眼，必須做到小巧、輕薄、不笨重，因此留給電池和相關(guān)電路的空間少之又少。與之相對(duì)，這類(lèi)設(shè)備的功能卻在不斷增加，以智能手表為例，這種最常見(jiàn)的可穿戴智能設(shè)備不僅提供健身追蹤功能，通常還會(huì)配備全彩色觸摸屏、打電話、發(fā)消息等耗電量巨大的功能，即便采用當(dāng)今最高效的鋰離子（Li－Ion）和鋰聚合物（Li－Pol）電池技術(shù)也拯救不了它們的續(xù)航表現(xiàn)。從產(chǎn)品評(píng)測(cè)來(lái)看，大多數(shù)智能手表用不了一兩天就必須進(jìn)行充電（有的甚至可能連一天都撐不到）。在頻繁充電的問(wèn)題為用戶(hù)帶來(lái)巨大困擾的情況下，有必要采取一種比插電充更加簡(jiǎn)單的充電方式——無(wú)線充電。

典型的可穿戴設(shè)備——智能手表

在無(wú)線充電的場(chǎng)景下，智能設(shè)備的充電流程變得非常簡(jiǎn)單，通常只需將其放在充電底座上即可。同時(shí)，無(wú)線充電還能夠讓可穿戴設(shè)備采用完全密封或防水的設(shè)計(jì)，這對(duì)于穿戴在身體上的電子設(shè)備而言也是一種非常具有吸引力的保護(hù)特性。然而，和通過(guò)USB或充電頭充電相比，無(wú)線充電會(huì)存在額外的能量轉(zhuǎn)換損耗，因而充電效率較低，導(dǎo)致充電時(shí)間更長(zhǎng)，這會(huì)影響用戶(hù)體驗(yàn)，并且可能損害電池性能。電源管理廠商通常會(huì)采用調(diào)整無(wú)線充電發(fā)射器和接收器間的數(shù)字控制回路的方式來(lái)減小影響，但是數(shù)字控制又會(huì)增加總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和增大設(shè)備的尺寸。針對(duì)此種情況，高性能模擬芯片廠商ADI基于廣泛的電源管理組合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，推出了可以在不增加接收器電路板上組件數(shù)量（和寶貴的整體尺寸）的情況下構(gòu)建閉環(huán)控制無(wú)線充電器原型的解決方案。

無(wú)線電源系統(tǒng)如何為電池供電

無(wú)線電源系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成：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(wú)線電源電池充電系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際能夠增加電池能量的電量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。接收功率取決于許多因素，包括：

·發(fā)射的功率值

·發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離和對(duì)準(zhǔn)狀況，通常用線圈之間的耦合系數(shù)來(lái)表示

·發(fā)射和接收組件的容差

任何無(wú)線電源發(fā)射器設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)都是使發(fā)射電路能夠產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)場(chǎng)，確保在最壞的功率傳輸條件下提供所需的接收功率。但是，避免在最佳情況下接收器過(guò)熱和電氣過(guò)載也同樣重要。當(dāng)輸出功率要求較低且耦合性能出色時(shí)，這一點(diǎn)尤為重要。例如，電池使用靠近發(fā)射線圈的接收線圈充滿電時(shí)的電池充電器。

無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)

構(gòu)建高效、安全、小尺寸的完整無(wú)線功率傳輸供電方案

LTC4124是一款高度集成的100 mA無(wú)線鋰離子充電器芯片，專(zhuān)為空間受限的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它包含一個(gè)高效的無(wú)線電源管理器、一個(gè)引腳可編程的全功能線性電池充電器以及一個(gè)理想的二極管PowerPath控制器。在運(yùn)行時(shí)，它首先將來(lái)自無(wú)線諧振電路的交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，然后，該直流電壓會(huì)饋入功能齊全的線性電池充電器中，以提供良好的電池充電功能。有著如此高的集成度，僅需添加一個(gè)接收器諧振電路和電池本身，即可實(shí)現(xiàn)非常小巧且功能齊全的無(wú)線充電裝置。

如下圖所示，如果LTC4124接收的能量超出為電池充電所需的能量，IC中的無(wú)線功率管理器通過(guò)將接收器諧振電路分流接地，可以使IC的輸入電壓 VCC保持低電平。這樣，線性充電器將非常高效，因?yàn)槠漭斎胧冀K正好保持在電池電壓 VBATT之上。接合分流電路時(shí)，接收器諧振頻率將與發(fā)射器頻率失調(diào)，諧振電路也因此會(huì)接收較小的能量。

完整的6 mm無(wú)線電池充電器解決方案

交流輸入整流和直流軌電壓調(diào)節(jié)

LTC4125是一款單芯片全橋AutoResonant無(wú)線功率發(fā)射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整體效率，并為無(wú)線充電系統(tǒng)提供全面保護(hù)。它具有針對(duì)無(wú)線充電應(yīng)用的完整保護(hù)功能。LTC4125中的優(yōu)化功率搜索功能可根據(jù)接收器負(fù)載需求來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率。LTC4125 還包括多種異物檢測(cè)方法，以防止其他物體從發(fā)射器接收無(wú)用功率。

LTC4124 100 mA充電器接收器與運(yùn)行優(yōu)化功率搜索的LTC4125 AutoResonant 發(fā)送器配對(duì)使用

與LTC4124配對(duì)使用時(shí)，可將LTC4125全橋諧振驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換為半橋驅(qū)動(dòng)器，以利用更精細(xì)的搜索步長(zhǎng)，從而使低功率接收器接收恰好足夠的功率來(lái)為電池充電。當(dāng)電池接近充滿電的狀態(tài)時(shí)，LTC4124進(jìn)入恒定電壓模式，使調(diào)節(jié)充電電流降低。LTC4125將自動(dòng)降低其功率傳輸水平，以匹配接收器的更低功率需求。這有助于減少整個(gè)充電周期的功耗，使LTC4124充電器和電池保持較低溫度。

下圖顯示了滿功率和限流恒壓模式下接收器電路的溫度。在室溫下，兩種模式的溫度均低于40°C。

熱性能比較：（a） 4．1 V輸出時(shí)100 mA充電電流，（b） 4．2 V輸出時(shí)10 mA充電電流

從發(fā)送器上移開(kāi)充電器接收器時(shí)，LTC4125找不到有源負(fù)載，其功率將降至待機(jī)模式。下圖顯示了在發(fā)送器上放置金屬異物時(shí)的情況：LTC4125檢測(cè)到高諧振頻率并進(jìn)入待機(jī)模式。

LTC4125未檢測(cè)到接收器時(shí)的運(yùn)行情況

LTC4125檢測(cè)到異物

總結(jié)

無(wú)線充電正變得越來(lái)越流行。設(shè)備沒(méi)有裸露的連接器和端口將更加可靠，最終用戶(hù)體驗(yàn)也更輕松簡(jiǎn)便。通過(guò)采用LTC4125＆LTC4124無(wú)線充電解決方案，最終用戶(hù)將接收器放置在發(fā)射器上方時(shí)，可以允許更大偏差，無(wú)需擔(dān)心接收器是否能夠獲取所需的功率。此外，這種閉環(huán)方法可以讓發(fā)射器輸出功率始終匹配接收器的功率需求，從而提高了整體效率，使整個(gè)充電周期更加安全可靠。