Bezdrátová bateriová zařízení bývají často miniaturních rozměrů a konektory pro nabíjení přestavují pro designéra i pro hardwarového inženýra nemalý problém. Konektor je totiž často slabinou celého zařízení, jelikož způsobuje problémy v nepříznivých podmínkách. Řešením je využít bezdrátového nabíjení, a díky němu získat uzavřený prachotěsný a vodotěsný design vhodný do jakéhokoliv prostředí. V článku si představíme řešení od Analog Devices, díky kterému získáme bezpečné a efektivní bezdrátové nabíjení.
Mezi zařízení, které využívají bezdrátové nabíjení, patří například náhlavní soupravy, sluchátka do uší či fitness zařízení. Konektory u těchto zařízeních vzhledem k jejich velikosti často nepřipadají v úvahu. Navíc jsou tyto konektory náchylné na opotřebení, jelikož nabíjení se provádí prakticky každý den. Konektory špatně odolávají prachu a vlhkosti, a to časem způsobí problémy s nabíjením. V důsledku toho se technologie bezdrátového nabíjení stala základním požadavkem pro tuto třídu produktů. Bezdrátové nabíjení se často označuje zkratkou WPT (Wireless Power Transfer). Návrh efektivního řešení WPT není jednoduchou záležitostí, jelikož se musí dosáhnout co nejvyšší účinnosti přenosu energie a k tomu implementovat inteligentní řízení baterie včetně měření teploty. To vše řešit na velmi omezeném uzavřeném prostoru, kde teplotu nelze efektivně eliminovat.
Návrh WPT pomocí integrovaných obvodů
Bezdrátová Li-ion nabíječka LTC4124 a bezdrátový vysílač energie LTC4125 byly vyvinuty, aby pomohly splnit požadavky na vysokou integraci, výkon a účinnost, kterou vyžadují prostorově omezená a utěsněná zařízení. LTC4124 je nabízen v pouzdře LQFN o rozměrech 2 x 2 mm a výšce 0,74 mm. Obsahuje kompletní sadu funkcí potřebných k nabíjení Li-ion baterie s volitelným nabíjecím proudem do 100 mA (obrázek 1 ).
Obrázek 1: Bezdrátová Li-ion nabíječka LTC4124 se svými komplexními funkcemi zjednodušuje implementaci bezdrátového nabíjení. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
LTC4124 obsahuje vše potřebné, takže ke své činnosti nepotřebuje žádné vnější komponenty. Plnohodnotné lineární nabíjení baterií konstantním proudem/konstantním napětím (CC/CV) je doplněno bezpečnostními funkcemi jako je ukončení nabíjení časovačem, detekce špatné baterie a automatické dobíjení. LTC4124 má také integrovanou funkci odpojení slabé baterie. Díky tomu pomáhá chránit baterii ve velmi nízkém stavu nabití před dalším vybíjením. Bez této funkce by docházelo ke zkrácení životnosti baterie.
Další speciální funkcí je odpojení LTC4124, když není k dispozici žádné vstupní napájení a napětí baterie klesne pod specifikované minimum. Když se LTC4124 vypne (přejde do speciálního ship režimu), otevře se odpojovací spínač (M3 na obrázku 1), který fyzicky baterii odpojí a tím zabraní dalšímu vybíjení baterie. Díky ship režimu LTC4124 se zabraňuje vybití baterie, dokud není připojeno napájení k ACIN nebo DCIN pinu. Nabíječku LTC4124 lze také nakonfigurovat tak, aby zabránila nabíjení, pokud je teplota baterie příliš vysoká. Navíc může vizuálně indikovat stav nabití přidáním termistoru se záporným teplotním koeficientem (NTC) a světelné diody (LED) (obrázek 2).
Obrázek 2: Pomocí pouhých dvou přidaných komponent LED a NTC rezistoru lze vytvořit teplotně kvalifikovanou nabíječku s vizuálním indikátorem stavu nabití. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Pokud připojíme paralelní rezonanční obvod LC k pinu ACIN LTC4124 vytvoříme přijímač energie. V kombinací s LTC4125 získáme ucelený systém s přenosem až 100 mA (obrázek 3).
Obrázek 3: Vysílač LTC4125 a nabíječka LTC4124 poskytují kompaktní 100 mA WPT řešení. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Stejně jako LTC4124 je LTC4125 vysoce integrovaný obvod navržen speciálně pro aplikace WPT. Dodává se v pouzdře QFN o rozměrech 5 x 4 x 0,75 mm a může dodávat více než 5 W ze zdroje 3 až 5 V (obrázek 4).
Obrázek 4: Bezdrátový výkonový vysílač LTC4125 obsahuje kompletní sadu funkčních bloků potřebných k dodání přes 5 W do správně vyladěného přijímače. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
V srdci LTC4125 je patentovaná technologie AutoResonant, která automaticky detekuje a porovnává rezonanční frekvenci sériového obvodu LC připojeného k jeho přepínacím pinům SW1 a SW2. Kromě optimalizace vysílacího výkonu hraje technologie AutoResonant zásadní roli při detekci cizích předmětů. Když je v blízkosti vysílací cívky umístěn cizí předmět, efektivní indukčnost cívky výrazně klesá a budící frekvence LTC4125 se zvyšuje. Jak je uvedeno níže, toto zvýšení frekvence se používá jako indikace přítomnosti cizího předmětu.
Optimalizace WPT
Integrovaný bezdrátový správce napájení LTC4124 usměrňuje střídavé napětí ze střídavého magnetického pole generovaného vysílací cívkou. Pomocí integrovaného komparátoru CP1 a přepínačů SW1 a SW2 udržuje usměrněné napětí na pinu VCC na úrovni těsně nad napětím baterie VBATT přivedením rezonančního obvodu k zemi, v momentě kdy přijímá více energie, než je potřeba k nabití baterie. Přebytečný výkon rozptýlený tímto bočníkem však může zvýšit tepelné zatížení zařízení.
Vysílač LTC4125 poskytuje jiný mechanismus pro snížení množství energie dopadající do přijímače. LTC4125 se vyznačuje schopností optimálního vyhledávání výkonu, která monitoruje a upravuje výstupní výkon vysílače tak, aby odpovídal zatížení přijímače v nepřetržité sekvenci vyhledávacích cyklů. V každém cyklu LTC4125 se postupně zvyšuje vysílací výkon postupným zvyšování napětí VPTH , které je úměrné šířce pulzů dodávaných do můstku, který dodává proud do cívky. Významná změna napětí zpětné vazby rezonančního obvodu VFB indikuje, že vysílací výkon je dostatečný k pokrytí nebo překročení zátěže přijímače a vyhledávání se zastaví na tomto napětí (šířky) impulsu, které udržuje požadovanou úroveň výstupního výkonu vysílače až do dalšího vyhledávacího cyklu ( Obrázek 5).
Obrázek 5: Funkce vyhledávání optimálního výkonu vysílače LTC4125 přiřazuje výkon k zátěži přijímače postupným vyhledáváním pro nalezení správné výstupní úrovně. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
Vyhledávání optimálního výkonu LTC4125 provádí každý vyhledávací cyklus pevným procesem, dokud nezjistí platný výstupní stav nebo jeden z několika poruchových stavů (obrázek 6).
Obrázek 6: Při provádění algoritmu vyhledávání optimálního výkonu vysílač LTC4125 pokračuje ve zvyšování výstupního výkonu v sérii kroků, dokud nenarazí na platný výstupní stav nebo jeden z několika chybových stavů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)
LTC4125 rozpozná několik předem definovaných platných výstupních podmínek indikujících optimální vysílací výkon. Kromě toho lze specifikovat dvě programovatelné výstupní podmínky - práh vstupního proudu (VITH ) pro omezení vstupního proudu a práh diferenciálního napětí rezonančního obvodu (DTH). LTC1425 automaticky detekuje několik poruchových stavů, které mohou ohrozit bezpečnost a efektivitu přenosu energie:
- Překročení prahu teploty cívky určeného napětím NTC (VNTC ) zjištěným na jeho vstupním pinu NTC
- Překročení maximálního prahu napětí rezonančního obvodu detekovaného prostřednictvím napětí V FB >V IN na pinu FB
- Překročení prahu přehřátí vnitřní matrice (typicky 150 °C)
- Překročení frekvenčního prahu, indikující přítomnost cizího předmětu v důsledku snížení indukčnosti vysílací cívky a souvisejícího zvýšení frekvence měniče
- Překročení limitu vstupního proudu (ILIM)
- Dokončení vyhledávací rampy bez nalezení platné výstupní podmínky
Výskyt některého z těchto poruchových stavů způsobí, že zařízení zastaví dodávku energie až do příštího intervalu vyhledávání. Funkce AutoResonant a vyhledávání optimálního výkonu fungují automaticky v závislosti na ukončení a chybových podmínkách. Přestože jsou prahové hodnoty pro některé z těchto stavů v zařízení pevně dané, vývojáři udržují značnou kontrolu nad nastavením napájení, výstupními podmínkami a poruchovými stavy. Pomocí demo sady DC2770A-A-KIT a 100 mA demo sady DC2770A-B-KIT lze rychle vyhodnotit výkon přijímače LTC4124 a vysílače LTC4125 při nabíjení Li-ion baterie proudem až 100 mA. Každá sada obsahuje desku vysílače na bázi LTC4125 a desku přijímače na bázi LTC4124. Obě sady jsou vybaveny propojkami a přípojnými body pro nastavení výkonnostních charakteristik a sledování výsledků.
Závěr
Kompaktní a uzavřené zařízením komplikuje návrh nabíjení baterií. Bezdrátové nabíjení je efektivní řešení, ale její implementace není jednoduchá. Bezdrátový napájecí přijímač a vysílač od Analog Devices řeší tento problém elegantním způsobem.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
