單片全橋式 AutoResonant 發(fā)送器 IC 簡化無線電池充電器設(shè)計
發(fā)布日期:2023-08-25
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ko Lisuwandi 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部 設(shè)計部門負(fù)責(zé)人
背景信息
電池在日常設(shè)備中的使用變得越來越普及了。在很多這類產(chǎn)品中，充電連接器是難以或無法使用的。例如，有些產(chǎn)品需要密封機(jī)殼，以針對嚴(yán)酷環(huán)境保護(hù)敏感的電子組件，以及允許便利地清潔或消毒。另一些產(chǎn)品可能是因?yàn)樘《菁{不下連接器，而且如果電池供電應(yīng)用包括移動或旋轉(zhuǎn)部件，那么在這類應(yīng)用的產(chǎn)品中，就不用再考慮有線充電的可能性了。在這類以及其他一些應(yīng)用中，無線充電很有用，提高了可靠性和堅固性。
無線功率傳送有很多方式。在不到幾英寸的短距離上，常用電容或電感耦合。本文中討論的是使用電感耦合的解決方案。
在典型的電感耦合無線功率傳送系統(tǒng)中，AC 磁場由發(fā)送線圈產(chǎn)生，然后該磁場再在接收線圈中引起 AC 電流，就像一個典型的變壓器系統(tǒng)。變壓器系統(tǒng)與無線功率傳送系統(tǒng)的主要差別是，在無線功率傳送系統(tǒng)中，用空氣隙或其他非磁性材料構(gòu)成的間隙隔離發(fā)送器和接收器。此外，發(fā)送線圈和接受線圈之間的耦合在典型情況下是非常弱的。0.95 至 1 的耦合在變壓器系統(tǒng)中很常見，但在無線功率傳送系統(tǒng)中，耦合系數(shù)則在 0.8 到低至 0.05 之間。
無線電池充電的基本原理
無線功率傳送系統(tǒng)由兩部分組成，中間由空氣隙隔開：發(fā)送 (Tx) 電路，包括一個發(fā)送線圈；接收 (Rx) 電路，包括一個接收線圈。
當(dāng)設(shè)計無線功率傳送電池充電系統(tǒng)時，主要參數(shù)是真正給電池增加能量的功率之大小。這一接收到的功率取決于很多因素，包括：
·發(fā)送功率的大??；
·發(fā)送線圈和接收線圈之間的距離和對準(zhǔn)度，常常用兩個線圈之間的耦合因數(shù)表示；
·發(fā)送和接收組件的容限。
任何無線功率發(fā)送器設(shè)計的主要目標(biāo)都是，發(fā)送電路能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，以確保在最差的功率傳送條件下，提供所需接收功率。不過，同樣重要的是，在最佳情況下，要避免接收器過熱以及電氣壓力過大。當(dāng)輸出功率要求較低，耦合較強(qiáng)時，這一點(diǎn)尤其重要。一個例子是，電池充滿電且 Rx 線圈靠近 Tx 線圈放置時的電池充電器。
用 LTC4125 實(shí)現(xiàn)簡單但完整的發(fā)送器解決方案
發(fā)送器 IC 專為與凌力爾特產(chǎn)品庫中多種不同電池充電器 IC 配套使用而設(shè)計，這配套器件作為接收器，例如 LTC4120，其為一款無線功率接收器和電池充電器 IC。
AIR GAP：空氣隙
SINGLE CELL Li-Ion BATTERY PACK：單節(jié)鋰離子電池包
圖 1：在一個把 LTC4120-4.2 作為接收器上的 400mA 單節(jié)鋰離子電池充電器的無線功率系統(tǒng)中，LTC4125 在 103kHz 驅(qū)動一個 24μH 發(fā)送線圈，并采用 1.3A 輸入電流門限，119kHz 頻率限值和 41.5ºC 發(fā)送線圈表面溫度限值
LTC4125 提供一個簡單、強(qiáng)大和安全的無線功率發(fā)送器電路所需的全部功能。尤其是，該器件能夠按照接收器負(fù)載需求調(diào)節(jié)輸出功率，以及檢測傳導(dǎo)性異物的存在。
如之前提到的那樣，無線電池充電器系統(tǒng)中的發(fā)送器需要產(chǎn)生一個強(qiáng)大的磁場，以確保在最差功率傳送條件下，提供所需接收功率。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，LTC4125 采用了凌力爾特公司專有的 AutoResonant 技術(shù)。
圖 2：LTC4125 AutoResonant 驅(qū)動電路
LTC4125 AutoResonant 驅(qū)動電路確保每個 SW 引腳的電壓始終與進(jìn)入該引腳的電流同相。參見圖 2：當(dāng)電流從 SW1 流向 SW2 時，開關(guān) A 和 C 接通，開關(guān) D 和 B 斷開，反之亦然。用這種方法逐周期鎖定驅(qū)動頻率，可確保 LTC4125 始終以諧振頻率驅(qū)動外部 LC 網(wǎng)絡(luò)。這一點(diǎn)總是能夠保證，即使在連續(xù)地改變影響 LC 諧振電路諧振頻率的變量時也不例外，例如溫度和附近接收器的反射阻抗。
運(yùn)用這種技術(shù)，LTC4125 連續(xù)調(diào)節(jié)集成全橋式開關(guān)電路的驅(qū)動頻率，以匹配串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際諧振頻率。通過這種方式，無需很高的 DC 輸入電壓，也不需要精確度很高的 LC 值，LTC4125 就能夠在發(fā)送器線圈中高效地產(chǎn)生一個幅度很大的 AC 電流。
通過改變?nèi)珮蚴介_關(guān)電路的占空比，LTC4125 還調(diào)節(jié)串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)波形的脈沖寬度。通過調(diào)高占空比，串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更大的電流，因此可向接收器負(fù)載提供更大的功率。
圖 3：LTC4125 脈沖寬度掃描 —— 隨占空比提高，Tx 線圈中的電壓和電流增大
LTC4125 周期性地掃描占空比，以針對接收器負(fù)載情況找到最佳工作點(diǎn)。這種最佳功率點(diǎn)搜索在所有工作情況下都容許很大的空氣隙和線圈之間較大的錯位，同時避免接收器電路過熱和電氣壓力過大。掃描周期很容易用單個外部電容器設(shè)定。
圖 1 所示系統(tǒng)能夠容許相當(dāng)大的線圈錯位。當(dāng)線圈錯位顯著時，LTC4125 能夠調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，以確保 LTC4120 接收全部充電電流。在圖 1 所示系統(tǒng)中，可以在長達(dá) 12mm 的距離上傳送高達(dá) 2W 的功率。
傳導(dǎo)性異物檢測
就任何可行的無線功率傳送電路而言，另一個必不可少的特點(diǎn)是，能夠在發(fā)送線圈產(chǎn)生的磁場中檢測傳導(dǎo)性異物的存在。用來向接收器提供超過幾百毫瓦功率的發(fā)送電路，必須能夠檢測傳導(dǎo)性異物的存在，以防止在異物中形成渦流，引起不希望出現(xiàn)的溫度升高。
LTC4125 的 AutoResonant 架構(gòu)允許該 IC 以獨(dú)特的方法檢測傳導(dǎo)性異物的存在。傳導(dǎo)性異物會降低串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)中的有效電感值。這導(dǎo)致 AutoResonant 驅(qū)動器提高集成全橋式電路的驅(qū)動頻率。
圖 4：有與沒有傳導(dǎo)性異物存在時，LTC4125 發(fā)送器 LC 諧振電路電壓的頻率比較
TANK VOLTAGE：諧振電路電壓
WITHOUT: 40V PEAK TO PEAK 103kHZ：沒有傳導(dǎo)性異物：40V 峰值至峰值，103kHz
WITH: 4V PEAK TO PEAK 303kHz：有傳導(dǎo)性異物：4V 峰值至峰值，303kHz
TIME：時間
圖 4 所示圖形比較了有和沒有傳導(dǎo)性異物存在時，通過發(fā)送線圈所產(chǎn)生電壓的頻率。
LTC4125 通過一個電阻分壓器設(shè)定頻率限制，在 AutoResonant 驅(qū)動超過這一頻率限制期間，將驅(qū)動脈沖寬度減小到零。當(dāng) LTC4125 檢測到傳導(dǎo)性異物存在時，就以這種方式停止傳送功率。
請注意，通過運(yùn)用這種頻率移動現(xiàn)象檢測傳導(dǎo)性異物的存在，就可以直接在檢測靈敏度與諧振電容器(C) 及發(fā)送線圈電感 (L) 的組件容限之間做出權(quán)衡。就每個 L 和 C 值 5% 的典型初始容限而言，這一頻率限制可以設(shè)定為比預(yù)期的典型 LC 值形成的固有頻率高 10%，以實(shí)現(xiàn)靈敏度合理的異物檢測和可靠的發(fā)送器電路設(shè)計。不過，也可以使用更嚴(yán)格的 1% 容限組件，同時頻率限制設(shè)定為僅比預(yù)期的典型固有頻率高 3%，以實(shí)現(xiàn)更高的檢測靈敏度，同時仍然保持設(shè)計的可靠堅固性。
功率變動的靈活性和性能
通過簡單地改變電阻器和電容器的值，同樣的應(yīng)用電路就可以與不同的接收器 IC 配對使用，以實(shí)現(xiàn)更高瓦數(shù)的充電。
圖 5：在這個無線功率傳送系統(tǒng)中，LTC4125 以 103kHz 頻率驅(qū)動 24μH 發(fā)送線圈，頻率限制為 119kHz，發(fā)送線圈表面溫度限制為 41.5ºC，在接收器端，LT3652HV 作為 1A 單節(jié) LiFePO4 (3.6V 浮置電壓) 電池充電器使用
AIR GAP：空氣隙
SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負(fù)載
SINGLE LiFePO4 CELL：單節(jié)LiFePO4 電池
由于在發(fā)送電路上采用了高效率全橋式驅(qū)動器，接收電路采用了高效率降壓型開關(guān)拓?fù)?，所以可?shí)現(xiàn)高達(dá) 70% 的總體系統(tǒng)效率。這個總體系統(tǒng)效率是用發(fā)送電路的 DC 輸入和接收電路的電池輸出計算得出的。請注意，兩個線圈的品質(zhì)因數(shù)以及它們的耦合對系統(tǒng)的總體效率和對電路其余部分是同樣重要的。
無需在發(fā)送器和接收器線圈之間進(jìn)行任何直接通信，就可實(shí)現(xiàn) LTC4125 所有這些功能。這樣一來，就可以進(jìn)行簡單的應(yīng)用設(shè)計，涵蓋高達(dá) 5W 的各種功率需求以及很多不同的實(shí)際線圈安排方式。
圖 6：采用 LTC4125典型和完整的無線功率發(fā)送器電路板
圖 6 顯示，典型 LTC4125 應(yīng)用電路的總體尺寸很小，也很簡單。如之前提到的那樣，大部分功能都可通過外部電阻器或電容器定制。
結(jié)論
LTC4125 是一款強(qiáng)大的新型 IC，提供了構(gòu)成一個安全、簡單和高效率的無線功率發(fā)送器所需的全部功能。AutoResonant 技術(shù)、最佳功率搜索和基于頻率變化的傳導(dǎo)性異物檢測，減輕了具備卓越距離和錯位容限的全功能無線功率發(fā)送器的設(shè)計負(fù)擔(dān)。就可靠的無線功率發(fā)送器設(shè)計而言，LTC4125 是一種簡便、非凡的選擇。
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