无线充电器接收器和发射器之间的闭环无需数字控制器

无线充电越来越多地用于小型可穿戴设备，因为它消除了设备上对电缆或任何裸露连接器的需求。对于充电电流小于10 mA的应用，由于功耗较低，因此不需要无线充电器接收器和发射器之间的闭环控制。但是，对于更高的充电电流，发射器必须根据接收器的要求和两侧之间的耦合系数主动调整其输出功率。否则，接收器可能不得不以热量的形式耗散额外的功率，从而影响用户体验并对电池的健康构成威胁。从接收器到发射器的数字通信通常用于闭合此环路，但数字控制增加了整体设计的复杂性，并增加了应用的尺寸。

本文介绍了一种在不增加接收器板上元件数量（以及宝贵的整体尺寸）的情况下闭合接收器和发射器之间环路的方法。采用 LTC4125 自谐振器构建了一个闭环受控无线充电器原型™发射器和一个 LTC4124 无线锂离子电池充电器接收器来演示这一概念。

具有占空比控制输入的自动谐振发射器

LTC®4125 是一款单片式、全桥自动谐振式无线电源发送器，专为最大限度地提高接收器的可用功率、提高整体效率并为无线充电系统提供全面保护而设计。

LTC4125 实施了一个自谐振转换器，以驱动由发射线圈 （L德克萨斯州）和发射电容（C德克萨斯州).自动谐振驱动器使用过零检测器将其驱动频率与油箱的谐振频率相匹配。SW1 和 SW2 引脚是 LTC4125 内部两个半桥的输出。当SWx引脚检测到其输出电流从负到正过零的方向时，SWx设置为V在占空比与其相应的PTHx引脚电压成正比。当 SWx 引脚设置为 V 时在，在发射器谐振槽中流动的电流增加。因此，每个桥式驱动器的占空比控制着谐振电流的幅度，该幅值与发射功率成正比。图1显示了占空比小于50%时的谐振电流和电压波形。谐振幅的绝对值由总谐振阻抗决定，包括来自无线接收器的反射负载阻抗。

图1.自谐振LC谐振谐振电路电压和电流波形，方波输入占空比小于50%。

在典型操作中，LTC4125 利用一个内部 5 位 DAC 扫描 SWx 占空比，该 DAC 设定 PTHx 电压以搜索一个有效负载。如果FB引脚看到某些电压变化模式，则停止扫描，占空比在该水平上保持可编程时间段（通常设置为约3 s至5 s）。然后开始新的扫描循环，重复相同的步骤。如果负载条件在一个扫描期间发生变化，则 LTC4125 将在下一个扫描周期开始时做出响应。

为了形成闭环，桥式驱动器的发射功率应根据控制输入进行调整。LTC4125 的一个特点是，PTHx 引脚不仅是桥式驱动器占空比的指示器，而且还可作为输入来驱动以设定占空比。内部 5 位 DAC 利用一个内部上拉电阻设置 PTHx 引脚的电压目标。但是，如图2所示，可以实现一个与FET串联的外部下拉电阻，以主动放电PTHx引脚上的电容，从而降低PTHx引脚的平均电压。该下拉式FET栅极处PWM信号的占空比控制PTHx引脚上的平均电压。

图2.PTHx 由 PWM 输入信号控制。

LTC4125设计用于向合适的接收器提供超过5 W的功率。当与 LTC4124 接收器配对时，可通过停用其中一个半桥驱动器来降低发射功率。这是通过保持SW2引脚开路并将PTH2短路至GND来完成的。然后可以在SW1引脚和GND之间连接发射谐振电路。这样，LTC4125 就变成了一个半桥发射器，以在 PTH1 引脚上实现较低的增益和更宽的控制范围。

利用 LTC4124 从无线充电器接收器产生反馈信号

LTC®4124是一款高度集成的100 mA无线锂离子电池充电器，专为空间受限的应用而设计。它包括一个高效的无线电源管理器、一个引脚可编程、功能齐全的线性电池充电器和一个理想的二极管PowerPath™控制器。

图3.在6 mm应用板上使用LTC4124的完整无线电池充电器解决方案。

LTC4124 中的无线电源管理器通过一个 ACIN 引脚连接至一个并联谐振电路，从而允许线性充电器从发射线圈产生的交变磁场无线接收电源。当 LTC4124 接收的能量多于以编程速率为电池充电所需的能量时，线性充电器的输入电容器位于 V抄送PIN 充电以吸收额外的能量。当 V抄送引脚电压在电池电压上达到 1.05 V，V.BAT，无线电源管理器将接收器谐振电路分流到地，直到 V抄送回落至 0.85 V （高于 V）.BAT.通过这种方式，线性充电器非常高效，因为它的输入始终保持在输出上方。

图4.LTC4124 接收器上的交流输入整流和直流轨电压调节。

LTC4124 的分流事件还降低了发射谐振电路上的反射负载阻抗，从而导致发射谐振电路电流和电压的幅度上升。由于分流事件表明接收器从发射器获得足够的功率，因此发射槽峰值电压的上升可以作为发射器调节其输出功率的反馈信号。

图5.发射槽电压上升（V德克萨斯州），在 LTC4124 接收器的分流期间。

解调反馈信号并闭环

现在来自接收器侧的反馈信号在发射器侧可用，该反馈信号需要转换并馈送到发射器的控制输入以闭合控制环路。峰值罐电压可以从由二极管和电容器C组成的半波整流器获得认知障碍，如图 6 所示。该电压进一步由电阻R分频认知障碍和 RFB2.为了检测峰值电流的变化，峰值电压信号通过电阻（R平均） 和电容器 （C平均).通过将该平均信号与原始峰值电压信号进行比较，可以产生方波脉冲。然后，该脉冲被馈入 LTC4125 的占空比控制输入，以调节发射器的输出功率。

图6.发射器侧的反馈信号解调电路。

当接收器未获得足够的能量时，LTC4125 应增加其输出功率。这可以通过设置PTHx引脚的内部电压目标来实现。内部电压目标可由 PTHM 引脚设定，因为它在 LTC4125 搜索周期开始之前设定初始 5 位 DAC 电压电平。可以在IMON引脚上连接一个1 V基准电压源以禁用搜索，从而在工作期间将PTHx引脚目标电压固定在其初始值。如果 LTC4124 接收器需要更多功率，则分流事件将停止，PTHx 放电 FET 将不会激活。PTHx 电压将向内部电压目标充电，直到 LTC4124 接收到足够的功率来启动分流事件。

最大发射功率是通过测量接收器在应用中最差耦合系数位置调节最大充电电流时的PTHx电压来定义的。PTHM 引脚电压应设置为满足最大发射功率要求。

基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器的特性和性能

图7显示了基于LTC4125的闭环控制发射器和基于LTC4124的100 mA接收器的完整原理图。如原理图所示，接收器侧只需要很少的元件，从而降低了成本并减小了接收器的体积。在发送器侧，与 LTC4125 的典型应用相比，仅使用几个额外的组件来实现闭环控制。保留了 LTC4125 的大部分特性，包括自谐振开关、多种外来检测方法、过热保护和谐振电路过压保护。有关这些功能的详细信息，请参见 LTC4125 的产品手册。

图7.100 mA LTC4124充电器接收器与LTC4125自谐振闭环控制发射器配对。

基于 LTC4125 的闭环无线发送器能够动态调节其输出功率以匹配接收器的功率需求。图8显示了当接收器线圈远离发射器线圈中心，然后快速移回原始位置时，该无线充电器的行为。LTC4125 发送器的输出功率，由峰值发射槽电压 V 指示TX_PEAK，平滑地响应两个线圈之间耦合系数的变化，以保持充电电流恒定。

图8.基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器可响应发射器和接收器之间耦合系数的突然变化。

在充电电流瞬态上升期间，LTC4124 分流事件停止，从而使 LTC4125 能够在内部对其 PTH1 引脚进行充电。因此，LTC4125 增加了其半桥驱动器占空比以提升发射功率。一旦发射功率足够大，足以让 LTC4124 调节其充电电流，分流事件就会恢复，并且占空比将保持在最佳水平。在充电电流瞬态下降期间，LTC4124 分流的频率要高得多。LTC4125 可对其 PTH1 引脚上的电容器快速放电，以降低占空比并降低 LTC4125 的发射功率。

图9.基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器对充电电流的阶跃做出响应。

图 10.基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器可响应充电电流的降压。

图 11.放形，显示图10所示瞬态的详细信息。

由于发射功率始终与接收器的需求相匹配，因此与基于 LTC4124 和 LTC4125 的无线充电器的典型配置（无闭环控制）相比，整体效率得到了极大的改善。在 LTC4125 最佳功率搜索操作中，效率曲线无需内部 DAC 步进即可更加平滑。由于功率损耗大大降低，LTC4124 充电器和电池在整个充电期间保持接近室温。

图 12.基于 LTC4125 和 LTC4124 的无线充电器在 3.5 mm 气隙下的各种配置的效率。

结论

LTC4125 可配置为具有一个控制输入的功率可调发送器。LTC4124 无线充电器接收器的分流事件可用于向发送器提供反馈信号。然后可以使用半波整流器、分压器、低通滤波器和比较器对该反馈信号进行解调。然后，可将处理后的信号馈入基于 LTC4125 的功率可调发送器，以闭合控制环路。已经建立了一个原型来证明这个概念。该原型可以快速平稳地响应耦合系数和充电电流的变化。这种方法允许最终用户将接收器放置在错位程度更高的发射器顶部，而不必担心接收器会获得所需的功率。此外，这种闭环方法还通过始终使发射器输出功率与接收器的功率需求相匹配来提高整体效率，从而使整个充电周期更加安全可靠。

审核编辑：郭婷