Eko Lisuwandi 凌力爾特公司電源產品部 設計部門負責人
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背景信息
電池在日常設備中的使用變得越來越普及了。
在很多這類產品中，充電連接器是難以或無法使用的。
例如，有些產品需要密封機殼，以針對嚴酷環(huán)境保護敏感的電子組件，以及允許便利地清潔或消毒。
另一些產品可能是因為太小而容納不下連接器，而且如果電池供電應用包括移動或旋轉部件，那么在這類應用的產品中，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用中，無線充電很有用，提高了可靠性和堅固性。
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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。
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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，耦合系數則在 0.8 到低至 0.05 之間。
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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。
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當設計無線功率傳送電池充電系統(tǒng)時，主要參數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：
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·發(fā)送功率的大小；
·發(fā)送線圈和接收線圈之間的距離和對準度，常常用兩個線圈之間的耦合因數表示；
·發(fā)送和接收組件的容限。
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任何無線功率發(fā)送器設計的主要目標都是，發(fā)送電路能夠產生強大的磁場，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。
當輸出功率要求較低，耦合較強時，這一點尤其重要。
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。
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用 LTC4125 實現簡單但完整的發(fā)送器解決方案
發(fā)送器 IC 專為與凌力爾特產品庫中多種不同電池充電器 IC 配套使用而設計，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。
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AIR GAP：空氣隙
SINGLE CELL Li-Ion BATTERY PACK：單節(jié)鋰離子電池包
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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
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LTC4125 提供一個簡單、強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載需求調節(jié)輸出功率，以及檢測傳導性異物的存在。
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如之前提到的那樣，無線電池充電器系統(tǒng)中的發(fā)送器需要產生一個強大的磁場，以確保在最差功率傳送條件下，提供所需接收功率。
為了實現這個目標，LTC4125 采用了凌力爾特公司專有的 AutoResonant 技術。
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圖 2：LTC4125 AutoResonant 驅動電路
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LTC4125 AutoResonant 驅動電路確保每個 SW 引腳的電壓始終與進入該引腳的電流同相。
參見圖 2：當電流從 SW1 流向 SW2 時，開關 A 和 C 接通，開關 D 和 B 斷開，反之亦然。
用這種方法逐周期鎖定驅動頻率，可確保 LTC4125 始終以諧振頻率驅動外部 LC 網絡。
這一點總是能夠保證，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。
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運用這種技術，LTC4125 連續(xù)調節(jié)集成全橋式開關電路的驅動頻率，以匹配串聯(lián) LC 網絡的實際諧振頻率。
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生一個幅度很大的 AC 電流。
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通過改變全橋式開關電路的占空比，LTC4125 還調節(jié)串聯(lián) LC 網絡波形的脈沖寬度。
通過調高占空比，串聯(lián) LC 網絡產生更大的電流，因此可向接收器負載提供更大的功率。
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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
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LTC4125 周期性地掃描占空比，以針對接收器負載情況找到最佳工作點。
這種最佳功率點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定。
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圖 1 所示系統(tǒng)能夠容許相當大的線圈錯位。
當線圈錯位顯著時，LTC4125 能夠調節(jié)所產生的磁場強度，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 12mm 的距離上傳送高達 2W 的功率。
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傳導性異物檢測
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是，能夠在發(fā)送線圈產生的磁場中檢測傳導性異物的存在。
用來向接收器提供超過幾百毫瓦功率的發(fā)送電路，必須能夠檢測傳導性異物的存在，以防止在異物中形成渦流，引起不希望出現的溫度升高。
LTC4125 的 AutoResonant 架構允許該 IC 以獨特的方法檢測傳導性異物的存在。
傳導性異物會降低串聯(lián) LC 網絡中的有效電感值。
這導致 AutoResonant 驅動器提高集成全橋式電路的驅動頻率。
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圖 4：有與沒有傳導性異物存在時，LTC4125 發(fā)送器 LC 諧振電路電壓的頻率比較
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TANK VOLTAGE：諧振電路電壓
WITHOUT: 40V PEAK TO PEAK 103kHZ：沒有傳導性異物：40V 峰值至峰值，103kHz
WITH: 4V PEAK TO PEAK 303kHz：有傳導性異物：4V 峰值至峰值，303kHz
TIME：時間
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圖 4 所示圖形比較了有和沒有傳導性異物存在時，通過發(fā)送線圈所產生電壓的頻率。
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LTC4125 通過一個電阻分壓器設定頻率限制，在 AutoResonant 驅動超過這一頻率限制期間，將驅動脈沖寬度減小到零。
當 LTC4125 檢測到傳導性異物存在時，就以這種方式停止傳送功率。
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請注意，通過運用這種頻率移動現象檢測傳導性異物的存在，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定為比預期的典型 LC 值形成的固有頻率高 10%，以實現靈敏度合理的異物檢測和可靠的發(fā)送器電路設計。
不過，也可以使用更嚴格的 1% 容限組件，同時頻率限制設定為僅比預期的典型固有頻率高 3%，以實現更高的檢測靈敏度，同時仍然保持設計的可靠堅固性。
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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，同樣的應用電路就可以與不同的接收器 IC 配對使用，以實現更高瓦數的充電。
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圖 5：在這個無線功率傳送系統(tǒng)中，LTC4125 以 103kHz 頻率驅動 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
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AIR GAP：空氣隙
SYSTEM LOAD：系統(tǒng)負載
SINGLE LiFePO4 CELL：單節(jié) LiFePO4 電池
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由于在發(fā)送電路上采用了高效率全橋式驅動器，接收電路采用了高效率降壓型開關拓撲，所以可實現高達 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，兩個線圈的品質因數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。
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無需在發(fā)送器和接收器線圈之間進行任何直接通信，就可實現 LTC4125 所有這些功能。
這樣一來，就可以進行簡單的應用設計，涵蓋高達 5W 的各種功率需求以及很多不同的實際線圈安排方式。
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圖 6：采用 LTC4125 典型和完整的無線功率發(fā)送器電路板
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圖 6 顯示，典型 LTC4125 應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。
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結論
LTC4125 是一款強大的新型 IC，提供了構成一個安全、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、最佳功率搜索和基于頻率變化的傳導性異物檢測，減輕了具備卓越距離和錯位容限的全功能無線功率發(fā)送器的設計負擔。
就可靠的無線功率發(fā)送器設計而言，LTC4125 是一種簡便、非凡的選擇。
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