無線電池充電器使用感性耦合的解決方案

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無線電池充電器使用感性耦合的解決方案電池在日常設備中的使用越來越普遍。在許多日常產(chǎn)品中，很難或無法使用充電連接器。例如，有些產(chǎn)品需要密封外殼，以保護敏感電子產(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，無法提供連接器，而在電池供電應用（包含移動或旋轉(zhuǎn)部件）產(chǎn)品中，則無法通過連接線充電。在這些及其他應用中，無線充電能夠帶來更多增值，性能可靠魯棒。

無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線電源系統(tǒng)中，由發(fā)射線圈產(chǎn)生交流磁場，然后在接收線圈中感應產(chǎn)生交流電，就像典型的變壓器系統(tǒng)一樣。變壓器系統(tǒng)和無線電源系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，變壓器系統(tǒng)通過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。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，而無線電源系統(tǒng)的耦合系數(shù)為0.8至0.05。

圖1.在無線電源系統(tǒng)中，LTC4125在103kHz下驅(qū)動24H發(fā)射線圈，輸入電流閾值為1.3A，頻率限值為119kHz，發(fā)射線圈表面溫度限值為41.5°C，LTC4120-4.2在接收器端用作400mA單節(jié)鋰離子電池充電器。

無線電池充電根底知識

無線電源系統(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）。

在設計無線電源電池充電系統(tǒng)時，實際能夠增加電池能量的電量是一個關鍵參數(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準狀況，通常用線圈之間的耦合系數(shù)來表示

●發(fā)射和接收組件的容差

任何無線電源發(fā)射器設計的主要目標都是使發(fā)射電路能夠產(chǎn)生一個強場，確保在壞的功率傳輸條件下提供所需的接收功率。但是，防止在佳情況下接收器過熱和電氣過載也同樣重要。當輸出功率要求較低且耦合性能出色時，這一點尤為重要。例如，電池使用靠近發(fā)射線圈的接收線圈充滿電時的電池充電器。

使用LTC4125的簡單而完整的發(fā)送器解決方案

LTC4125發(fā)送器IC旨在與PowerbyLinear產(chǎn)品系列中的一款電池充電器IC配對，將后者用作接收器；例如，LTC4120—無線功率接收器和電池充電器IC。

LTC4125具有簡單、強大且安全的無線功率發(fā)送器電路所需的所有功能。尤其能夠根據(jù)接收器負載要求調(diào)整其輸出功率，以及檢測是否存在導電異物。

如前所述，無線電池充電器系統(tǒng)中的發(fā)送器需要產(chǎn)生強磁場，以保證在壞的功率傳輸條件下傳遞功率。為此，LTC4125采用了一種專有AutoResonant技術。

LTC4125AutoResonant驅(qū)動可確保每個SW引腳上的電壓始終與引腳輸入電流同相。參考圖2，當電流從SW1流向SW2時，開關A和C打開，同時開關D和B關閉，反之亦然。用這種方法循環(huán)鎖定驅(qū)動頻率，確保LTC4125始終以其諧振頻率驅(qū)動外部LC網(wǎng)絡。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。

“圖2.圖2.LTC4125AutoResonant驅(qū)動

利用這種技術，LTC4125不斷調(diào)整集成全橋開關的驅(qū)動頻率，以便與串聯(lián)LC網(wǎng)絡的實際諧振頻率相匹配。這樣，LTC4125就能夠在發(fā)射器線圈中有效地建立一個大振幅交流電流，既不需要高直流輸入電壓，也不需要高LC值。

LTC4125還通過改變?nèi)珮蜷_關的占空比來調(diào)整串聯(lián)LC網(wǎng)絡上的波形的脈沖寬度。通過調(diào)高占空比，串聯(lián)LC網(wǎng)絡中將產(chǎn)生更多的電流，從而為接收器負載提供更高的功率。

LTC4125定期掃描此占空比，針對接收器端的負載條件尋找佳操作點。這種佳功率點搜索允許較大的氣隙容限和線圈錯位容限，同時防止在所有情況下造成接收器電路過熱和電氣過載。使用單個外部電容即可對掃描間隔輕松編程。

“圖3.圖3.LTC4125脈沖寬度掃描—Tx線圈中的電壓和電流隨占空比增加而增大。

圖1中所示的系統(tǒng)具有較高的錯位容限。當線圈明顯錯位時，LTC4125能夠調(diào)整產(chǎn)生的磁場強度以確保LTC4120接收到滿負荷充電電流。在圖1所示的系統(tǒng)中，長達12mm的距離可傳輸高達2W。

導電異物檢測

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

LTC4125的AutoResonant架構允許采用獨特方式，讓IC檢測是否存在導電異物。導電異物會降低串聯(lián)LC網(wǎng)絡中的有效電感值。從而導致AutoResonant驅(qū)動器提高集成全橋驅(qū)動頻率。

圖4.存在和不存在導電異物時有LTC4125發(fā)送器LC諧振器電壓頻率比較。

“”

圖5.在無線電源系統(tǒng)中，LTC4125在103kHz下驅(qū)動24H發(fā)射線圈，頻率限值為119kHz，發(fā)射線圈表面溫度限值為41.5°C，LT3652HV在接收器端用作1A單節(jié)LiFePO4（3.6V浮動）電池充電器。

通過電阻分壓器對頻率限值開展編程設置后，LTC4125在AutoResonant驅(qū)動超過此頻率限值時，可在一段時間內(nèi)將驅(qū)動脈沖寬度減小到零。這樣，當LTC4125檢測到存在導電異物時，將停止傳輸功率。

注意，利用這種頻移現(xiàn)象來檢測是否存在導電異物，即可用諧振電容(C)和發(fā)射線圈電感(L)的容限換取檢測靈敏度的提高。對于每一個L值和C值的5%典型初始公差，可以用比典型LC值的預期固有頻率高10%的頻率開展頻率限值編程，以獲得合理的異物檢測靈敏度和可靠的發(fā)送器電路設計。但是，更嚴密的公差1%的元件設置的頻率限值僅比典型的預期固有頻率高3%，就可以獲得較高的檢測靈敏度，同時仍保持設計的魯棒性。

功率電平靈活性和性能

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

由于發(fā)射電路具有高效全橋驅(qū)動器，并且接收電路采用高效降壓開關拓撲，系統(tǒng)整體效率可高達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)計算得出。請注意，對于系統(tǒng)整體效率而言，兩個線圈的品質(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開展直接通信的情況下實現(xiàn)的。因此可形成一個簡單的應用設計，包括各種高達5W的功率要求，以及許多不同的物理線圈配置。

“圖6.圖6.使用LTC4125的典型全無線功率發(fā)送器電路板。

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

結論

LTC