单片全桥自谐振发射器IC简化无线电池充电器设计

电池在日常设备中的使用越来越普遍。在许多这些产品中，充电连接器很难或不可能使用。例如，某些产品需要密封外壳，以保护敏感的电子设备免受恶劣环境的影响，并实现方便的清洁或消毒。其他产品可能太小而无法包含连接器，并且在电池供电应用包括移动或旋转的产品中，忘记用电线充电。无线充电在这些和其他应用中增加了价值、可靠性和鲁棒性。

有许多方法可以无线供电。在小于几英寸的短距离内，通常使用电容或电感耦合。本文讨论了使用电感耦合的解决方案。

在典型的电感耦合无线电源系统中，发射线圈产生交流磁场，然后发射线圈在接收线圈中感应交流电，就像典型的变压器系统一样。变压器系统和无线电源系统之间的主要区别在于，气隙或其他非磁性材料间隙将发射器和接收器分开。此外，发射线圈和接收线圈之间的耦合系数通常非常低。虽然变压器系统中常见的耦合为0.95：1，但无线电源系统中的耦合系数从0.8到低至0.05不等。

图1.LTC4125在无线电源系统中以103 kHz驱动24 μHz发射线圈，具有1.3 A输入电流阈值、119 kHz频率限制和41.5°C发射线圈表面温度限制，LTC4120-4.2用作接收器处的400 mA单节锂离子电池充电器。

无线电池充电基础知识

无线电源系统由气隙隔开的两部分组成：发射（Tx）电路（包括发射线圈）和接收（Rx）电路（包括接收线圈）。

在设计无线动力电池充电系统时，一个关键参数是实际为电池增加能量的电量。这种接收功率取决于许多因素，包括：;

传输的功率量

发射线圈和接收线圈之间的距离和对齐方式，通常表示为线圈之间的耦合系数

发送和接收组件的容差

任何无线电源发射器设计的主要目标是发射电路能够产生强磁场，以保证在最坏情况下提供所需的接收功率。然而，在最佳情况下，避免接收器中的热应力和电应力同样重要。当输出功率要求低且耦合性高时，这一点尤其重要。一个例子是电池充电器，当电池充满电时，接收线圈放置在发射线圈附近。

采用 LTC4125 的简单而完整的发送器解决方案

LTC4125 发送器 IC 专为与线性功率™投资组合作为接收者;例如，LTC4120 — 一款无线电源接收器和电池充电器 IC。

LTC4125 具有简单、强大且安全的无线电源发送器电路所需的所有功能。特别是，它能够根据接收器负载要求调整其输出功率，以及检测导电异物的存在。

如前所述，无线电池充电器系统中的发射器需要产生强磁场，以保证在最坏情况下的电力传输条件下传输电力。为实现这一目标，LTC4125 采用一种专有的自谐振技术。

图2.LTC4125 自谐振驱动。

LTC4125 自谐振驱动可确保每个 SW 引脚上的电压始终与进入引脚的电流同相。参考图2，当电流从SW1流向SW2时，开关A和C导通，而开关D和B关断，反之亦然。采用此方法逐周期锁定驱动频率可确保 LTC4125 始终以其谐振频率驱动外部 LC 网络。即使连续变化的变量会影响LC谐振电路的谐振频率，例如温度和附近接收器的反射阻抗，也是如此。

利用这项技术，LTC4125 不断调整集成全桥开关的驱动频率，以匹配串联 LC 网络的实际谐振频率。通过这种方式，LTC4125 能够在发送器线圈中高效地构建一个大幅度的交流电流，而无需高 DC 输入电压，也不需要高精度的 LC 值。

LTC4125 还通过改变全桥开关的占空比来调节串联 LC 网络上波形的脉冲宽度。通过将占空比调整得更高，串联LC网络中会产生更多的电流，因此接收器负载可以获得更多的功率。

图3.LTC4125 脉冲宽度扫描 — Tx 线圈中的电压和电流随着占空比的增加而增加。

LTC4125 执行此占空比的周期性扫描，以找到接收器负载条件的最佳工作点。这种最佳的功率点搜索允许操作容许大气隙和线圈未对准，同时避免在所有情况下对接收器电路产生热应力和电应力过大。每次扫描之间的周期可通过单个外部电容器轻松设置。

图1所示的系统可以容忍相当大的错位。当线圈明显未对准时，LTC4125 能够调整产生的磁场强度，以确保 LTC4120 接收完整的充电电流。在图1所示的系统中，可以在最远12 mm的距离内传输高达2 W的功率。

异物导电物体检测

任何可行的无线电力传输电路的另一个基本特征是能够检测放置在发射线圈产生的磁场中的导电异物的存在。设计用于向接收器提供超过几百毫瓦的发射电路需要能够检测导电异物的存在，以防止物体中形成涡流并导致不良加热。

LTC4125 的自谐振架构为 IC 提供了一种独特的方法来检测导电异物的存在。导电异物会降低串联LC网络中的有效电感值。这导致自谐振驱动器增加集成的全桥驱动频率。

图4.LTC4125 发送器 LC 槽电压频率在存在和不存在导电异物的情况下的比较。

图5.LTC4125在无线电源系统中以103 kHz、119 kHz频率限值和41.5°C发射线圈表面温度限值驱动24 μHz发射线圈的示意图，LT3652HV用作接收器上的1 A单节LiFePO4（3.6 V浮子）电池充电器

通过一个电阻分压器来设置一个频率限值，LTC4125 在自谐振驱动超过此频率限值的一段时间内将驱动脉冲宽度减小至零。以这种方式，LTC4125 在检测到导电异物的存在时停止提供任何功率。

请注意，通过使用这种频移现象来检测导电异物的存在，可以直接与谐振电容器（C）的元件容差和发射线圈电感（L）进行权衡。对于L和C值的典型5%初始容差，该频率限值可以设置为比典型LC值的预期固有频率高10%，以实现合理灵敏的异物检测和稳健的发射器电路设计。但是，可以使用更严格的容差1%元件，频率限值仅比典型预期固有频率高3%，以获得更高的检测灵敏度，同时仍保持设计的稳健性。

功率级灵活性和性能

通过一些简单的电阻和电容值变化，同一应用电路可以与不同的接收器IC配对，以实现更高功率的充电。

由于发射电路上的高效全桥驱动器，以及接收电路的高效降压开关拓扑，可实现高达70%的整体系统效率。该整体系统效率是根据发射电路的直流输入到接收电路的电池输出计算得出的。请注意，两个线圈的品质因数及其耦合对于系统的整体效率与电路实现的其余部分一样重要。

LTC4125 中的所有这些功能都是在不发送器和接收器线圈之间实现任何直接通信的情况下实现的。这允许简单的应用设计，涵盖高达 5 W 的各种功率要求以及许多不同的物理线圈布置。

图6.采用LTC4125的典型完整无线电源发送器板。

图 6 展示了典型 LTC4125 应用电路的小尺寸及其简单性。如前所述，大多数功能都可以使用外部电阻器或电容器进行定制。

结论

LTC®4125 是一款功能强大的新型 IC，可提供构成安全、简单和高效的无线电源发送器所需的所有功能。自谐振技术、最佳功率搜索和通过频移检测导电异物简化了具有出色距离和对准公差的全功能无线电源发射器的设计。LTC®4125 是稳健的无线电源发送器设计中的一款简单而卓越的选择。

审核编辑：郭婷