單片式全橋AutoResonant發(fā)送器IC簡(jiǎn)化了無(wú)線電池充電器設(shè)計(jì)

Eko Lisuwandi ADI公司設(shè)計(jì)部門(mén)主管

背景知識(shí)

電池在日常設(shè)備中的使用越來(lái)越普遍。在許多日常產(chǎn)品中，很難或無(wú)法使用充電連接器。例如，有些產(chǎn)品需要密封外殼，以保護(hù)敏感電子產(chǎn)品免受惡劣環(huán)境的影響，并方便清潔或消毒。其他產(chǎn)品可能太小，無(wú)法提供連接器，而在電池供電應(yīng)用（包含移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)部件）產(chǎn)品中，則無(wú)法通過(guò)連接線充電。在這些及其他應(yīng)用中，無(wú)線充電能夠帶來(lái)更多增值，性能可靠魯棒。無(wú)線供電有很多種方式。通常在不到幾英寸的距離采用容性或感性耦合方式。本文討論使用感性耦合的解決方案。

在典型的感性耦合無(wú)線電源系統(tǒng)中，由發(fā)射線圈產(chǎn)生交流磁場(chǎng)，然后在接收線圈中感應(yīng)產(chǎn)生交流電，就像典型的變壓器系統(tǒng)一樣。變壓器系統(tǒng)和無(wú)線電源系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，變壓器系統(tǒng)通過(guò)氣隙或其他非磁性材料形成的間隙將發(fā)射器和接收器分開(kāi)。此外，發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)通常很低。變壓器系統(tǒng)的耦合系數(shù)通常為0.95至1，而無(wú)線電源系統(tǒng)的耦合系數(shù)為0.8至0.05。

無(wú)線電池充電基礎(chǔ)知識(shí)

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。

使用LTC4125的簡(jiǎn)單而完整的發(fā)送器解決方案LTC4125發(fā)送器IC旨在與Power by Linear?產(chǎn)品系列中的一款電池充電器IC配對(duì)，將后者用作接收器；例如，LTC4120—無(wú)線功率接收器和電池充電器IC。

LTC4125具有簡(jiǎn)單、強(qiáng)大且安全的無(wú)線功率發(fā)送器電路所需的所有功能。尤其能夠根據(jù)接收器負(fù)載要求調(diào)整其輸出功率，以及檢測(cè)是否存在導(dǎo)電異物。

如前所述，無(wú)線電池充電器系統(tǒng)中的發(fā)送器需要產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，以保證在最壞的功率傳輸條件下傳遞功率。為此，LTC4125采用了一種專(zhuān)有AutoResonant技術(shù)。

LTC4125 AutoResonant驅(qū)動(dòng)可確保每個(gè)SW引腳上的電壓始終與引腳輸入電流同相。參考圖2，當(dāng)電流從SW1流向SW2時(shí)，開(kāi)關(guān)A和C打開(kāi)，同時(shí)開(kāi)關(guān)D和B關(guān)閉，反之亦然。用這種方法循環(huán)鎖定驅(qū)動(dòng)頻率，確保LTC4125始終以其諧振頻率驅(qū)動(dòng)外部LC網(wǎng)絡(luò)。即使連續(xù)變化的變量影響LC諧振器的諧振頻率，如溫度和附近接收器的反射阻抗，也是如此。

利用這種技術(shù)，LTC4125不斷調(diào)整集成全橋開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)頻率，以便與串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際諧振頻率相匹配。這樣，LTC4125就能夠在發(fā)射器線圈中有效地建立一個(gè)大振幅交流電流，既不需要高直流輸入電壓，也不需要高精度LC值。

LTC4125還通過(guò)改變?nèi)珮蜷_(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)整串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)上的波形的脈沖寬度。通過(guò)調(diào)高占空比，串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)中將產(chǎn)生更多的電流，從而為接收器負(fù)載提供更高的功率。

LTC4125定期掃描此占空比，針對(duì)接收器端的負(fù)載條件尋找最佳操作點(diǎn)。這種最佳功率點(diǎn)搜索允許較大的氣隙容限和線圈錯(cuò)位容限，同時(shí)避免在所有情況下造成接收器電路過(guò)熱和電氣過(guò)載。使用單個(gè)外部電容即可對(duì)掃描間隔輕松編程。

圖1中所示的系統(tǒng)具有較高的錯(cuò)位容限。當(dāng)線圈明顯錯(cuò)位時(shí)，LTC4125能夠調(diào)整產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度以確保LTC4120接收到滿負(fù)荷充電電流。在圖1所示的系統(tǒng)中，長(zhǎng)達(dá)12 mm的距離可傳輸高達(dá)2 W。

導(dǎo)電異物檢測(cè)

任何可行無(wú)線功率傳輸電路的另一個(gè)基本特征是能夠檢測(cè)發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)中是否存在導(dǎo)電異物。發(fā)射電路旨在向接收器提供數(shù)百毫瓦以上的功率，需要能夠檢測(cè)是否存在導(dǎo)電異物，以防止異物中形成渦流，導(dǎo)致發(fā)熱。

LTC4125的AutoResonant架構(gòu)允許采用獨(dú)特方式，讓IC檢測(cè)是否存在導(dǎo)電異物。導(dǎo)電異物會(huì)降低串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)中的有效電感值。從而導(dǎo)致AutoResonant驅(qū)動(dòng)器提高集成全橋驅(qū)動(dòng)頻率。

通過(guò)電阻分壓器對(duì)頻率限值進(jìn)行編程設(shè)置后，LTC4125在AutoResonant驅(qū)動(dòng)超過(guò)此頻率限值時(shí)，可在一段時(shí)間內(nèi)將驅(qū)動(dòng)脈沖寬度減小到零。這樣，當(dāng)LTC4125檢測(cè)到存在導(dǎo)電異物時(shí)，將停止傳輸功率。

注意，利用這種頻移現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)是否存在導(dǎo)電異物，即可用諧振電容(C)和發(fā)射線圈電感(L)的容限換取檢測(cè)靈敏度的提高。對(duì)于每一個(gè)L值和C值的5%典型初始公差，可以用比典型LC值的預(yù)期固有頻率高10%的頻率進(jìn)行頻率限值編程，以獲得合理的異物檢測(cè)靈敏度和可靠的發(fā)送器電路設(shè)計(jì)。但是，更緊密的公差1%的元件設(shè)置的頻率限值僅比典型的預(yù)期固有頻率高3%，就可以獲得較高的檢測(cè)靈敏度，同時(shí)仍保持設(shè)計(jì)的魯棒性。

功率電平靈活性和性能

通過(guò)調(diào)整電阻和電容值，還可采用相同的應(yīng)用電路與不同的接收器IC配對(duì)，獲得更高的充電功率。

由于發(fā)射電路具有高效全橋驅(qū)動(dòng)器，并且接收電路采用高效降壓開(kāi)關(guān)拓?fù)?，系統(tǒng)整體效率可高達(dá)70%。系統(tǒng)整體效率根據(jù)發(fā)射電路的直流輸入和接收電路的電池輸出數(shù)據(jù)計(jì)算得出。請(qǐng)注意，對(duì)于系統(tǒng)整體效率而言，兩個(gè)線圈的品質(zhì)因數(shù)及其耦合狀況，與電路的其余部分同樣重要。

LTC4125的所有這些特性都是在發(fā)射器和接收器線圈之間未進(jìn)行直接通信的情況下實(shí)現(xiàn)的。因此可形成一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用設(shè)計(jì)，包括各種高達(dá)5 W的功率要求，以及許多不同的物理線圈配置。

圖6顯示典型的LTC4125應(yīng)用電路具有小尺寸，布局簡(jiǎn)潔的特性。如前所述，大多數(shù)特性都可使用外部電阻或電容定制。

結(jié)論

LTC4125是一款功能強(qiáng)大的新型IC，可提供創(chuàng)建安全、簡(jiǎn)單且高效的無(wú)線功率發(fā)送器所需的所有特性。AutoResonant技術(shù)、最佳功率搜索以及通過(guò)頻移檢測(cè)導(dǎo)電異物的功能，簡(jiǎn)化了全功能無(wú)線功率發(fā)送器設(shè)計(jì)，并提供出色的距離和對(duì)準(zhǔn)容限。LTC4125是獲得無(wú)線功率發(fā)送器可靠設(shè)計(jì)的一種不錯(cuò)的選擇。

作者簡(jiǎn)介

Eko Lisuwandi于2002年加入ADI公司波士頓設(shè)計(jì)中心擔(dān)任設(shè)計(jì)工程師。Eko之前從事采用CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)電源監(jiān)控器和高壓功率路徑混合信號(hào)產(chǎn)品的工作。后來(lái)，他的工作內(nèi)容擴(kuò)展到多通道雙極功率轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在作為一名技術(shù)資產(chǎn)管理人員和部門(mén)負(fù)責(zé)人，Eko負(fù)責(zé)研究利用BiCMOS技術(shù)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)電池充電器和無(wú)線電源集成電路。他于2001年和2002年分別獲得MIT電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)理學(xué)士和工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式： eko.lisuwandi@analog.com 。