如何快速且经济高效地为空间受限和密封的设备添加无线充电

作者：Stephen Evanczuk

对微型密封无线设备的需求不断增长，需要更有效的充电解决方案。传统的充电方法对最终用户来说并不令人满意，在空间受限的设备中带来了挑战，并且不适合恶劣的环境。尽管无线充电解决了其中的许多问题，但现有的解决方案仍无法满足这些设备的集成度、功率和效率要求。

本文讨论了对空间受限和密封设备增强充电解决方案的需求。然后[介绍了ADI公司的]多功能无线充电解决方案，并展示了它如何帮助开发人员轻松实现合适、安全、高效的充电。

对更有效的充电解决方案的需求不断增长

对更紧凑的可穿戴电子设备（如耳机、入耳式设备和健身设备）的需求不断增长，继续推动对充电解决方案的需求，以满足这些应用的物理尺寸限制，并确保密封单元在各种操作环境中的完整性。依赖物理连接器的传统充电方法由于易磨损以及灰尘和湿气等环境因素而无法满足这些要求。因此，无线充电技术已经不仅仅是一项新颖的功能，而是成为此类产品的基本要求。

通过消除对外部充电端口的需求，无线电力传输 （WPT） 系统通过在充电源和封闭设备之间的气隙上运行，提供了一种潜在的解决方案。然而，在实践中，设计有效的 WPT 解决方案存在多种技术挑战，包括功率传输效率、故障处理以及电池和热管理。满足狭小空间限制的需求使问题进一步复杂化。

高度集成的器件简化了 WPT 设计

ADI公司的[LTC4124]无线锂离子充电器和[LTC4125]无线电源发射器旨在帮助设计人员满足空间受限和密封器件对高集成度、功耗和效率的要求。

该LTC4124采用 LQFN 封装，尺寸仅为 2 × 2 mm，高度为 0.74 mm，集成了为锂离子电池充电所需的全部功能，可选充电电流高达 100 毫安 （mA）（图 1）。

[]图 1：凭借其全面的功能，LTC4124 无线锂离子充电器简化了 WPT 的实现。（图片来源：Analog Devices）

凭借其全面的集成充电功能，该器件可用作独立的锂离子电池充电器，无需额外组件。其全功能、引脚可编程恒流/恒压 （CC/CV） 线性电池充电功能包括安全定时器终止、电池不良检测和自动再充电功能。

该LTC4124的低电池断开功能有助于保护处于极低充电状态的电池免于进一步放电，从而缩短电池寿命。断开功能使LTC4124在没有可用输入电源且电池电压低于指定最小值时关闭。当它关闭时，该器件会打开一个断开开关（图 1 中的 M3），以防止电池进一步放电。借助运输模式功能，LTC4124可防止电池放电，直到其ACIN或DCIN引脚通电。

该LTC4124还可以配置为在电池温度过高时防止充电，并且可以通过添加负温度系数 （NTC） 热敏电阻和发光二极管 （LED） 直观地指示充电状态（图 2）。

图 2：仅使用两个组件（一个 LED 和一个 NTC 电阻器）以及 LTC4124 充电器，开发人员就可以实现具有可视充电状态指示器的完整温度合格充电器。（图片来源：Analog Devices）

通过将外部并联电感电容 （LC） 谐振腔电路连接到 LTC4124 的 ACIN 引脚，开发人员可以轻松扩展此基本设计，以创建 WPT 系统的接收器侧。与 Analog Devices 的 LTC4125 配合使用，该方法可提供完整的 100 mA WPT 解决方案（图 3）。

[]图 3：LTC4125 变送器和LTC4124充电器提供紧凑的 100 mA WPT 解决方案。（图片来源：Analog Devices）

与 LTC4124 一样，LTC4125 是一款高度集成的器件，专为 WPT 应用而设计。它采用尺寸为 5 × 4 × 0.75 mm 的 QFN 封装，采用 3 至 5 V 电源可提供超过 5 瓦的功率（图 4）。

[]图 4：Analog Devices LTC4125无线电源发送器集成了向正确调谐的接收器提供超过 5 W 功率所需的全套功能模块。（图片来源：Analog Devices）

ADI公司专有的AutoResonant技术是该器件的核心，可自动检测并匹配连接在其开关引脚（SW1和SW2）上的串联LC电路的谐振频率。除了优化发射功率外，自动谐振技术在异物检测中也起着至关重要的作用。当异物放置在发射线圈附近时，有效线圈电感明显降低，LTC4125驱动频率增加。如下所述，驱动频率的增加被用作异物存在的指示。

优化 WPT

在 WPT 期间，LTC4124接收机的集成无线电源管理器从 WPT 系统发射机/接收机对的发射线圈发射线圈产生的交变磁场中整流交流电压。LTC4124无线电源管理器使用其集成比较器 （CP1） 和开关 （SW1 和 SW2），将整流电压保持在 V 上抄送引脚设置到刚好高于电池电压 （V 巴特 ） 通过将谐振腔电路分流到地面，当它接收的能量超过为电池充电所需的能量时。

然而，这种分流机制消耗的功率会增加器件的热负荷。LTC4125发射器提供了一种更直接的机制来减少到达接收器的能量。

虽然其自动谐振技术优化了功率传输，但该LTC4125具有最佳的功率搜索功能，可监控和调整发射机功率输出，以匹配连续搜索周期中的接收器负载。在每个周期中，LTC4125通过逐步增加脉宽电压（V PTH系列 ），它与传递到驱动线圈电流的电桥的脉冲宽度成正比。谐振腔反馈电压（V 脸书 ）表示发射功率足以满足或超过接收机负载，搜索在该脉宽电压处停止，该脉冲宽度电压保持所需的发射机输出功率电平，直到下一个搜索周期（图5）。

[]图 5：LTC4125 发射机最佳功率搜索功能通过执行逐步搜索以找到合适的输出电平，将功率输出与接收机负载相匹配。（图片来源：Analog Devices）

LTC4125 的最佳功率搜索通过固定的工艺流程执行每个搜索周期，直到检测到有效的退出条件或多种故障条件之一（图 6）。

图 6：在执行最佳功率搜索算法时，LTC4125 变送器继续以一系列步骤增加功率输出，直到遇到有效的退出条件或多种故障条件之一。（图片来源：Analog Devices）

在此过程中，LTC4125识别几个预定义的有效退出条件，指示最佳发射功率。此外，开发人员可以指定两个可编程退出条件，包括输入电流阈值 （V ITH公司 ）限制输入电流和差分谐振电路电压阈值（DTH），以优化发射和接收线圈之间耦合不良的使用场景中的发射功率。

该LTC1425可自动检测可能影响电力传输安全性和效率的几种故障情况：

• 超过NTC电压（V NTC技术 ） 在其 NTC 输入引脚上检测到
• 超过通过 FB 引脚电压 V 检测到的谐振腔电压的最大阈值 脸书 >V在
• 超过内部芯片过温阈值（典型值为 150°C）
• 超过频率阈值，表明由于发射线圈电感的降低和驱动频率的相应增加而存在异物
• 超过输入电流限值 （ILIM）
• 在未找到有效退出条件的情况下完成搜索坡道

发生任何这些故障情况都会导致设备停止供电，直到下一个搜索间隔。

对于开发人员来说，自动谐振驱动和最佳功率搜索等功能会根据退出和故障条件自动运行。尽管其中一些条件的阈值在器件中是固定的，但开发人员对用于确定电源设置、退出条件和故障条件的不同方面保持相当大的控制。

使用ADI公司的[DC2770A-A-KIT]演示套件和100 mA [DC2770A-B-KIT]演示套件，开发人员可以快速评估LTC4124接收器和LTC4125发射器在以高达100 mA的电流为锂离子电池充电时的性能。每个套件包括一个基于 LTC4125 的发射器板和一个基于 LTC4124 的接收器板。两者都配备了跳线和连接点，用于设置设备性能特征和监控结果。

结论

紧凑、密封设备的趋势使得为其所依赖的电池充电的有效方法的设计变得复杂。WPT提供了一种有效的解决方案，但实现高效的无线充电设计具有挑战性。ADI公司的无线电源接收器和发射器旨在应对这些挑战，简化WPT在空间受限和密封设备中的实现。