采用緊湊和高效率解決方案以無線方式給電池充電

引言

電池給多種行業(yè)的許多不同應(yīng)用供電。在很多這類應(yīng)用中，難以使用或根本不能使用充電連接器。例如，有些產(chǎn)品需要密封外殼來保護敏感電子組件免受嚴酷環(huán)境的影響，或允許便利的清潔或消毒。另一些產(chǎn)品也許太小了，容納不下連接器。另外，在電池供電應(yīng)用包括移動或旋轉(zhuǎn)部件時，就請徹底忘記用導(dǎo)線充電這回事吧。無線充電在這些以及其他一些應(yīng)用中很有價值，增強了可靠性和堅固性。

無線電源系統(tǒng)概述

如圖 1 所示，無線電源系統(tǒng)由兩部分組成，即發(fā)送電路和接收電路，中間有一道間隙。發(fā)送電路包括一個發(fā)送線圈，接收電路包括一個接收線圈。發(fā)送電路圍繞發(fā)送線圈產(chǎn)生一個高頻交變磁場。該磁場耦合至接收線圈，并轉(zhuǎn)換為電能，可用這部分電能給電池充電，或給其他電路供電。

圖 1: 無線電池充電器系統(tǒng)概述

當設(shè)計一個無線電源充電系統(tǒng)時，關(guān)鍵參數(shù)是給電池增加能量的實際充電功率。所接收功率的大小取決于很多因素，包括發(fā)送功率的大小、距離和發(fā)送線圈與接收線圈的擺放 (也稱為線圈之間的耦合)，以及發(fā)送和接收組件的容限。

任何無線電源設(shè)計的主要目標都是，確保在功率傳送條件最差的情況下提供所需功率。然而，同樣重要的是，在最好條件下，要避免接收器的熱量和電氣過應(yīng)力。當輸出功率要求很低時，例如，當電池充滿電或接近滿充電時，這一點尤其重要。在這類情況下，來自無線系統(tǒng)的可用功率很高，但是所需功率很低。這種多余的功率一般導(dǎo)致高整流電壓，或者需要消耗這種多余的功率，使其變成熱量。

當接收器所需功率較低時，有幾種方法應(yīng)對多余功率問題?？梢杂霉β数R納二極管或瞬態(tài)電壓抑制器箝位整流電壓。不過，這種解決方案一般尺寸較大，產(chǎn)生的熱量也相當大。假定沒有來自接收器的反饋，那么可以降低發(fā)送器最大功率，但是這或者會限制可用接收功率，或者會縮短發(fā)送距離。還可以將接收功率信息發(fā)送回發(fā)送器，以實時調(diào)節(jié)發(fā)送功率。無線充電聯(lián)盟 (Wireless Power Consortium) Qi 標準等無線功率標準采用了這種方法。不過，還可以用緊湊和高效率的解決方案解決這類問題，而不必訴諸復(fù)雜的數(shù)字通信方法。

為了在所有情況下高效地管理從發(fā)送器到接收器的功率傳送，LTC4120 無線功率接收器集成了 PowerbyProxi 的專利技術(shù)，PowerbyProxi 是凌力爾特的合作伙伴。PowerbyProxi 已獲得專利的動態(tài)協(xié)調(diào)控制 (DHC) 技術(shù)可高效率實現(xiàn)非接觸式充電，而且在接收器中不會出現(xiàn)熱量或電氣過應(yīng)力的問題。采用這種技術(shù)，在長達 1.2cm 的距離上可傳送高達 2W 的功率。

通過將接收器的諧振頻率從“調(diào)諧”狀態(tài)調(diào)節(jié)到“失諧”狀態(tài)，DHC 確保在最差情況下也能提供所需功率，而且不必擔心在未加載的最好情況下出現(xiàn)問題。這使基于 LTC4120 的無線充電系統(tǒng)能夠在很長的距離和具有明顯的線圈錯位情況下傳送功率。此外，僅通過在接收器端控制功率傳送，基于 LTC4120 的系統(tǒng)消除了所有潛在的通信干擾問題，這類干擾如果存在，有可能中斷功率傳送。

系統(tǒng)性能

那么基于 LTC4120 的系統(tǒng)的工作效果有多好呢? 圖 2 顯示了隨著發(fā)送線圈和接收線圈之間的距離以及中心至中心對準度的變化，通過一個 LTC4120 無線功率接收器接收的電池充電功率。在距離為 10mm 時，可獲得 2W 的充電功率，而且線圈之間的錯位可以很大而不會導(dǎo)致可用功率顯著下降。盡管有許多不同的無線功率發(fā)送器可用，但是圖 2 所示數(shù)據(jù)是由基本 DC-AC 發(fā)送器產(chǎn)生的。這種基本發(fā)送器是一種開源基準設(shè)計。如需有關(guān)這一電流饋送型推拉式發(fā)送器的更多信息，可登陸凌力爾特公司的網(wǎng)站，查看相關(guān)應(yīng)用指南。

圖 2: 發(fā)送距離 – 接收功率分析

選擇發(fā)送器時，有幾個因素需要考慮。發(fā)送器備用功率 (當接收器不存在時) 重要嗎? 發(fā)送器需要區(qū)分有效接收器和無關(guān)的金屬異物嗎? 周邊電路對 EMI 的敏感度高嗎?

基本發(fā)送器是一種簡單、低價的解決方案。由于采用了無源諧振濾波，所以 EMI 頻譜在發(fā)送器基頻 (約 130kHz) 處得到了很好的控制。然而，無論基于 LTC4120 的接收器是否存在，該發(fā)送器都發(fā)送全功率，因此其備用功率相對較高。該發(fā)送器也不區(qū)分 LTC4120 和金屬異物，因此無關(guān)金屬物體可能因感應(yīng)渦流而發(fā)熱。

從 PowerbyProxi 公司可購得兩種現(xiàn)成有售的發(fā)送器：Proxi-Point 和 Proxi-2D。這些發(fā)送器的發(fā)送距離和對準度容限性能幾乎與基本發(fā)送器相同。然而，這些更先進的發(fā)送器，可檢測基于 LTC4120 的有效接收器是否存在。這一功能使這兩款發(fā)送器能夠在接收器不存在時降低備用功率，而如果附近是無關(guān)金屬異物，這些發(fā)送器就終止功率發(fā)送。

由于 LTC4120 充電器的高效率降壓型開關(guān)拓撲以及 DHC 技術(shù)，所以系統(tǒng)總體效率約為 50% 至 55%。用電池充電功率除以提供給發(fā)送器的 DC 輸入功率，就能計算出這個效率值?？傮w效率與耦合及負載有很大關(guān)聯(lián)。當以 400mA 電流給單節(jié)鋰離子電池充電時，基于 LTC4120 的接收器電路板上之組件保持在 10ºC 的環(huán)境溫度之內(nèi)?；?LTC4120 的接收器如圖 3 所示。

圖 3: LTC4120 接收器演示電路板組件

其他系統(tǒng)配置

基于 LTC4120 的無線充電系統(tǒng)能夠跨過一個令人印象深刻的間隙，以 400mA 電流給電池充電。基于鋰的可再充電電池為許多手持式應(yīng)用供電，1S (標稱 3.7V) 和 2S (標稱 7.4V) 鋰離子電池組很常見。生命周期延長和安全功能改進也為磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池創(chuàng)造了極大的市場空間。此外，由于客戶需要在初始電池容量、生命周期以及隨時間推移的保留容量變化之間做出精細的權(quán)衡，所以這類電池組有種類繁多的目標充電電壓。LTC4120 不需要任何額外的電路，就能夠給一節(jié)和兩節(jié)鋰電池以及一節(jié)、兩節(jié)和 3 節(jié)磷酸鐵鋰電池充電，因此可滿足多種目標充電電壓的需求。充電電流可以在 50mA 至 400mA 范圍內(nèi)設(shè)定，而充電電壓可以在 3.5V 至 11V 范圍內(nèi)設(shè)定。

除了內(nèi)置恒定電流 / 恒定電壓充電算法，LTC4120 還提供多種電池安全功能。終止定時器安全結(jié)束電周期。一個 NTC 輸入提供電池溫度監(jiān)視，并在溫度條件不安全時自動暫停充電。兩個充電狀態(tài)引腳提供充電周期及故障狀態(tài)信息。

結(jié)論

在很多不同類型的應(yīng)用中，無線充電很有價值，可增強可靠性和堅固性。重要的是，要考慮應(yīng)用需要多少功率以及功率必須在多遠的距離上傳送、對準度容限多大。決定怎樣應(yīng)對最大負載功率以及發(fā)送器和接收器之間耦合最小的最差情況常常非常容易。在輕負載或無負載以及最大耦合情況下管理額外的可用功率可能富有挑戰(zhàn)性。為了幫助應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，凌力爾特開發(fā)了 LTC4120，這款全新 IC 為制造緊湊和高效率無線電源電池充電器提供了所需的一切。其 DHC 技術(shù)允許非常寬的傳送間隙，對發(fā)送線圈至接收線圈的對準度極其不敏感。LTC4120 是堅固的非接觸式充電系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。