Sådan tilføjer du hurtigt og omkostningseffektivt trådløs opladning til pladsbegrænsede og forseglede enheder

Den stigende efterspørgsel efter bittesmå, forseglede trådløse enheder kræver mere effektive opladningsløsninger. Konventionelle opladningsmetoder er utilfredsstillende for slutbrugerne, giver udfordringer i enheder med begrænset plads og er dårligt egnet til barske miljøer. Selvom trådløs opladning løser mange af disse problemer, har de tilgængelige løsninger ikke levet op til disse enheders krav til integration, strøm og effektivitet.

Denne artikel diskuterer behovet for forbedrede opladningsløsninger til enheder med begrænset plads og forseglede enheder. Derefter introduceres en alsidig trådløs opladningsløsning fra Analog Devices, og det vises, hvordan den hjælper udviklere med nemt at implementere passende, sikker og effektiv opladning.

Stigende efterspørgsel efter mere effektive opladningsløsninger

Den stigende efterspørgsel efter mere kompakt bærbar elektronik, såsom headsets, enheder der stikkes i ørene og fitnessudstyr, skaber fortsat et behov for opladningsløsninger, der opfylder de fysiske størrelsesbegrænsninger i disse applikationer og sikrer integriteten af forseglede enheder i forskellige driftsmiljøer. Konventionelle opladningsmetoder, der er afhængige af fysiske stik, opfylder ikke disse krav på grund af deres følsomhed over for slid og miljøfaktorer som støv og fugt. Som et resultat er trådløse opladningsteknologier blevet mere end en ny funktion, de er blevet et grundlæggende krav til denne klasse af produkter.

Ved at eliminere behovet for eksterne opladningsporte tilbyder trådløse strømoverførselssystemer (WPT) en potentiel løsning ved at fungere over en luftspalte mellem en opladningskilde og en lukket enhed. I praksis er der dog flere tekniske udfordringer forbundet med at designe effektive WPT-løsninger, herunder strømoverførselseffektivitet, fejlhåndtering samt batteri- og varmestyring. Behovet for at opfylde snævre pladsbegrænsninger komplicerer tingene yderligere.

Højt integrerede enheder forenkler WPT-design

Analog Devices' LTC4124 trådløse Li-ion-oplader og LTC4125 trådløse strømtransmitter er udviklet til at hjælpe designere med at opfylde kravene om høj integration, effekt og effektivitet, som kræves af enheder med begrænset plads og lukkede enheder.

LTC4124 leveres i en LQFN-pakke, der kun måler 2 × 2 mm med en højde på 0,74 mm, og integrerer alle de funktioner, der kræves for at oplade et Li-ion-batteri med en valgbar ladestrøm på op til 100 milliampere (mA) (figur 1).

Figur 1: Med sine omfattende funktionelle egenskaber forenkler den trådløse Li-ion-oplader LTC4124 implementeringen af WPT. (Billedkilde: Analog Devices)

Med sin omfattende, integrerede opladningsfunktion kan enheden fungere som en selvstændig Li-ion-batterioplader uden yderligere komponenter. Den fuldt udstyrede, lineære CC/CV-batteriopladning med programmerbare ben og konstant strøm/konstant spænding, leveres komplet med sikkerhedstimerafbrydelse, detektering af dårligt batteri og automatisk genopladning.

LTC4124's frakoblingsfunktion ved lavt batteriniveau hjælper med at beskytte batterier i en meget lav opladningstilstand mod yderligere afladning, hvilket kan reducere batteriets levetid. Frakoblingsfunktionen får LTC4124 til at lukke ned, når der ikke er nogen indgangsstrøm tilgængelig, og batterispændingen falder til under et specificeret minimum. Når den lukker ned, åbner enheden en afbryderkontakt (M3 i figur 1), der forhindrer yderligere afladning af batteriet. Med funktionen ship-tilstand forhindrer LTC4124, at batteriet aflades, indtil der sættes strøm til ACIN- eller DCIN-benet.

LTC4124 kan også konfigureres til at forhindre opladning, hvis batteritemperaturen er for høj, og den kan visuelt indikere opladningsstatus med tilføjelsen af en NTC-termistor (negativ temperaturkoefficient) og en lysdiode (LED) (figur 2).

Figur 2: Ved hjælp af blot to komponenter, en LED og en NTC-modstand, kan udviklere sammen med LTC4124-opladeren implementere en komplet temperaturkvalificeret oplader med en visuel indikator for opladningsstatus. (Billedkilde: Analog Devices)

Ved at forbinde et eksternt, parallelt, induktor-kondensator (LC)-resonanskredsløb til LTC4124's ACIN-ben kan udviklere nemt udvide dette grundlæggende design til at skabe modtagersiden af et WPT-system. Sammen med Analog Devices' LTC4125 giver denne tilgang en komplet 100 mA WPT-løsning (figur 3).

Figur 3: LTC4125-transmitteren og LTC4124-opladeren giver en kompakt 100 mA WPT-løsning. (Billedkilde: Analog Devices)

Ligesom LTC4124 er LTC4125 en meget integreret enhed, der er designet specielt til WPT-applikationer. Den leveres i en QFN-pakke, der måler 5 × 4 × 0,75 mm og kan levere over 5 watt fra en 3 til 5 volt forsyning (figur 4).

Figur 4: Analog Devices LTC4125 trådløse effekttransmitter integrerer alle de funktionsblokke, der kræves for at levere over 5 watt til en korrekt indstillet modtager. (Billedkilde: Analog Devices)

I hjertet af denne enhed finder Analog Devices' egen AutoResonant-teknologi automatisk og matcher resonansfrekvensen for det serie-LC-kredsløb, der er forbundet med switch-benene (SW1 og SW2). Ud over at optimere sendeeffekten spiller AutoResonant-teknologien en afgørende rolle i detekteringen af fremmedlegemer. Når der placeres et fremmedlegeme i nærheden af sendespolen, falder den effektive spoleinduktans betydeligt, og LTC4125's driverfrekvens stiger. Som nævnt nedenfor bruges denne stigning i drevfrekvensen som en indikation af, at der er et fremmedlegeme til stede.

Optimering af WPT

Under WPT ensretter LTC4124-modtagerens integrerede trådløse strømstyring vekselstrømsspændingen fra det skiftende magnetfelt, der genereres af senderspolen på senderhalvdelen af et WPT-system sender/modtager-par. Ved hjælp af den integrerede komparator (CP1) og switches (SW1 og SW2) opretholder den trådløse strømstyring LTC4124 den ensrettede spænding på V_CC-benet til et niveau lige over batterispændingen (V_BATT) ved at shunte resonansbeholderkredsløbet til jord, når det modtager mere energi, end der er brug for til at oplade batteriet.

Men den strøm, der spredes af denne shuntmekanisme, kan øge enhedens termiske belastning. LTC4125-senderen giver en mere direkte mekanisme til at reducere den mængde energi, der når frem til modtageren.

Mens AutoResonant-teknologien optimerer strømforsyningen, har LTC4125 en optimal effektsøgningsfunktion, der overvåger og justerer senderens udgangseffekt, så den passer til modtagerens belastning i en kontinuerlig sekvens af søgecyklusser. I hver cyklus øger LTC4125 trinvist sendeeffekten ved at udføre trinvise stigninger i pulsbreddespændingen (V_PTH), som er proportional med bredden af de pulser, der leveres til broen, som driver spolestrømmen. En betydelig ændring i resonanstankens feedbackspænding (V_FB) indikerer, at sendeeffekten er tilstrækkelig til at opfylde eller overstige modtagerbelastningen, og søgningen stopper ved denne pulsbreddespænding, som opretholder det ønskede sendeeffektniveau indtil næste søgecyklus (figur 5).

Figur 5: LTC4125-senderens optimale effektsøgningsfunktion matcher udgangseffekten til modtagerens belastning ved at udføre en trinvis søgning for at finde det korrekte udgangsniveau. (Billedkilde: Analog Devices)

LTC4125's søgning efter optimal effekt udfører hver søgecyklus gennem et fast procesflow, indtil den registrerer en gyldig udgangstilstand eller en af flere fejltilstande (figur 6).

Figur 6: Når LTC4125-senderen udfører sin algoritme til søgning efter optimal effekt, fortsætter den med at øge effekten i en række trin, indtil den støder på en gyldig udgangsbetingelse eller en af flere fejlbetingelser. (Billedkilde: Analog Devices)

I denne proces genkender LTC4125 flere foruddefinerede, gyldige udgangsbetingelser, der angiver den optimale sendeeffekt. Derudover kan udvikleren specificere to programmerbare udgangsbetingelser, herunder indgangsstrømstærskel (V_ITH) for at begrænse indgangsstrømmen og differentiel tankspændingstærskel (DTH) for at optimere sendeeffekten i brugsscenarier, der involverer dårlig kobling mellem sende- og modtagerspoler.

LTC1425 detekterer automatisk flere fejltilstande, der kan kompromittere sikkerheden og effektiviteten af strømoverførslen:

• Overskridelse af spoletemperaturtærsklen bestemt af NTC-spændingen (V_NTC) registreret på dens NTC-indgangsben
• Overskridelse af den maksimale tærskel for tankspænding som detekteret gennem FB-benets spænding V_FB>V_IN
• Overskridelse af den interne tærskel for overtemperatur (150 °C typisk)
• Overskridelse af frekvenstærsklen, hvilket indikerer tilstedeværelsen af et fremmedlegeme på grund af en reduktion i sendespolens induktans og en tilhørende stigning i drevfrekvensen.
• Overskridelse af grænsen for indgangsstrøm (ILIM)
• Afslutning af søgerampen uden at finde en gyldig udgangsbetingelse

Hvis en af disse fejltilstande opstår, stopper enheden med at levere strøm indtil det næste søgeinterval.

For udviklere fungerer funktioner som AutoResonant-drev og optimal strømsøgning automatisk, afhængigt af udgangs- og fejlbetingelser. Selvom tærskelværdierne for nogle af disse betingelser er faste i enheden, bevarer udviklerne en betydelig kontrol over de forskellige aspekter, der bruges til at bestemme strømindstillinger, udgangsbetingelser og fejlbetingelser.

Ved hjælp af Analog Devices' DC2770A-A-KIT demokit og 100 mA DC2770A-B-KIT demokit kan udviklere hurtigt evaluere ydelsen af LTC4124-modtageren og LTC4125-senderen, når de oplader et Li-ion-batteri med op til 100 mA. Hvert sæt indeholder et LTC4125-baseret transmitterkort og et LTC4124-baseret modtagerkort. Begge er udstyret med jumpere og tilslutningspunkter til indstilling af enhedens ydeevneegenskaber og overvågning af resultaterne.

Konklusion

Tendensen mod kompakte, forseglede enheder komplicerer designet af effektive metoder til opladning af de batterier, de er afhængige af. WPT tilbyder en effektiv løsning, men implementeringen af effektive trådløse opladningsdesigns er en udfordring. En trådløs strømmodtager og -sender fra Analog Devices, der er designet til at løse disse udfordringer, forenkler implementeringen af WPT i enheder med begrænset plads og forseglede enheder.