Hur man snabbt och kostnadseffektivt lägger till trådlös laddning i enheter med begränsat utrymme och i förseglade enheter

Den ökande efterfrågan på små förseglade trådlösa enheter kräver mer effektiva laddningslösningar. Konventionella laddningsmetoder är otillfredsställande för slutanvändarna, innebär utmaningar i enheter med begränsat utrymme och är dåligt lämpade för tuffa miljöer. Även om trådlös laddning löser många av dessa problem har de tillgängliga lösningarna inte uppfyllt kraven på integration, effekt och verkningsgrad för dessa enheter.

Artikeln diskuterar behovet av förbättrade laddningslösningar för enheter med begränsat utrymme och i förseglade enheter. Därefter introduceras en mångsidig lösning för trådlös laddning från Analog Devices och visar hur den gör det lättare för utvecklare att implementera lämplig, säker och effektiv laddning på ett enkelt sätt.

Ökad efterfrågan på mer effektiva laddningslösningar

En större efterfrågan på mer kompakt bärbar elektronik, som headsets, hörlurar och fitness-enheter, fortsätter att driva på behovet av laddningslösningar som uppfyller de fysiska storlekskraven i dessa tillämpningar och garanterar integriteten hos förseglade enheter i olika driftsmiljöer. Konventionella laddningsmetoder baserade på fysiska kontakter uppfyller inte dessa krav på grund av deras känslighet för slitage och miljöfaktorer som damm och fukt. Därför har teknik för trådlös laddning blivit mer än en ny funktion, det har blivit ett grundläggande krav för den här typen av produkter.

Genom att eliminera behovet av externa laddningsportar erbjuder trådlösa kraftöverföringssystem (WPT) en potentiell lösning genom att arbeta via en luftspalt mellan en laddningskälla och en försluten enhet. I praktiken innebär dock utformningen av effektiva lösningar för trådlösa kraftöverföringssystem, flera tekniska utmaningar, inklusive kraftöverföringens verkningsgrad, felhantering samt batteri- och värmehantering. Behovet av att uppfylla snäva utrymmesbegränsningar komplicerar saken ytterligare.

Högintegrerade enheter förenklar konstruktionen av trådlösa kraftöverföringssystem

Den trådlösa litiumjon-laddaren LTC4124 och trådlösa kraftsändaren LTC4125 från Analog Devices har utvecklats för att hjälpa konstruktörer att uppfylla de krav på hög integration, effekt och verkningsgrad som ställs på enheter med begränsat utrymme och i förseglade enheter.

LTC4124, som finns i en LQFN-kapsling med måtten 2 x 2 mm och en höjd på 0,74 mm, integrerar alla de funktioner som krävs för att ladda ett litiumjon-batteri med en valbar laddningsström på upp till 100 mA (figur 1).

Figur 1: Med sina omfattande funktionsegenskaper förenklar den trådlösa litiumjon-laddaren LTC4124 implementeringen av trådlösa kraftöverföringssystem. (Bildkälla: Analog Devices)

Med sin omfattande, integrerade laddningsfunktion kan enheten användas som en fristående Litiumjon-batteriladdare utan ytterligare komponenter. Den kompletta, stiftprogrammerbara CC/CV-laddningen (konstant ström/konstant spänning) för linjära batterier är komplett med avstängning via säkerhetstimer, avkänning av dåligt batteri och automatisk laddning.

Frånkopplingsfunktionen för låga batterinivåer i LTC4124 skyddar batterier med mycket låg laddning från ytterligare urladdning, vilket kan minska batteriets livslängd. Frånkopplingsfunktionen får LTC4124 att stängas av när ingen matningsspänning finns tillgänglig och batterispänningen sjunker under ett angivet minimum. När den stängs av, öppnar den en frånkopplingsbrytare (M3 i figur 1) som förhindrar ytterligare urladdning av batteriet. Med funktionen "leveransläge" förhindrar LTC4124 att batteriet laddas ur förrän en spänning läggs på stiftet ACIN eller DCIN.

LTC4124 kan även konfigureras för att förhindra laddning om batteritemperaturen är för hög, och den kan visuellt indikera laddningsstatus med hjälp av en NTC-termistor (negativ temperaturkoefficient) och en lysdiod (LED) (figur 2).

Figur 2: Med bara två komponenter, en lysdiod och ett NTC-motstånd, tillsammans med laddaren LTC4124, kan utvecklare implementera en komplett temperaturkvalificerad laddare med visuell indikering av laddningsstatus. (Bildkälla: Analog Devices)

Genom att ansluta en extern, parallell, resonanskrets med en induktor-kondensator (LC) till stiftet ACIN på LTC4124, kan utvecklare enkelt utöka denna grundkonstruktion för att skapa mottagarsidan i ett trådlöst kraftöverföringssystem. Tillsammans med LTC4125 från Analog Devices ger detta en komplett lösning för trådlös kraftöverföring med 100 mA (figur 3).

Figur 3: Sändaren LTC4125 och laddaren LTC4124 är en kompakt lösning för trådlös kraftöverföring med 100 mA. (Bildkälla: Analog Devices)

På samma sätt som LTC4124 är LTC4125 en högintegrerad enhet som utformats speciellt för tillämpningar med trådlös kraftöverföring. Den levereras i en QFN-kapsling med måtten 5 x 4 x 0,75 mm och kan ge mer än 5 W från en matning på 3 till 5 V (figur 4).

Bild 4: Den trådlösa kraftöverföringssändaren LTC4125 från Analog Devices integrerar alla de funktionsblock som krävs för att ge mer än 5 W till en korrekt inställd mottagare. (Bildkälla: Analog Devices)

Analog Devices egenutvecklade teknik AutoResonant, är kärnan i denna enhet, och upptäcker och matchar automatiskt resonansfrekvensen hos den seriella LC-krets som är ansluten till dess switchningsstift (SW1 och SW2). Förutom att optimera sändareffekten spelar tekniken AutoResonant en avgörande roll vid avkänning av främmande föremål. När ett främmande föremål placeras nära sändarspolen minskar den effektiva induktansen i spolen avsevärt och driftfrekvensen för LTC4125 ökar. Som framgår nedan används denna ökning av driftfrekvensen som en indikering på förekomsten av ett främmande föremål.

Optimering av trådlös kraftöverföring

Vid trådlös kraftöverföring likriktar mottagarens integrerade trådlösa strömhanterare i LTC4124 växelspänningen från det växlande magnetfält som genereras av sändarspolen i sändarhalvan av ett sändar/mottagarpar i det trådlösa kraftöverföringssystemet. Med hjälp av den integrerade komparatorn (CP1) och omkopplarna (SW1 och SW2) håller den trådlösa strömhanteraren LTC4124 den likriktade spänningen på stiftet V_VCC på en nivå strax över batterispänningen (V_BATT) genom att förbikoppla resonanskretsen till jord när den tar emot mer energi än vad som krävs för att ladda batteriet.

Den effekt som avleds av denna förbikopplingsmekanism kan dock öka enhetens termiska belastning. Sändaren LTC4125 har en mer direkt mekanism för att minska den mängd energi som når mottagaren.

Samtidigt som tekniken AutoResonant optimerar effekttillförseln, har LTC4125 en funktion för sökning av optimal effekt som övervakar och justerar sändarens uteffekt för att matcha mottagarens belastning i en kontinuerlig sekvens av sökcykler. LTC4125 ökar sändareffekten stegvis i varje cykel genom att stegvis öka pulsbreddsspänningen (V_PTH), som är proportionell mot bredden på de pulser som levereras till den brygga som driver spolens ström. En betydande förändring i resonanskretsens återkopplingsspänning (V_FB) indikerar att sändareffekten är tillräcklig för att uppfylla eller överskrida mottagarens belastning, och sökningen stannar vid denna pulsbreddsspänning, vilket bibehåller den önskade effektnivån på sändarutgången till nästa sökcykel (figur 5).

Figur 5: Sökfunktionen för optimal uteffekt i LTC4125 anpassar uteffekten till mottagarens belastning genom att utföra en stegvis sökning för att hitta rätt uteffektnivå. (Bildkälla: Analog Devices)

Sökningen efter optimal uteffekt i LTC4125 utför varje sökcykel med ett fast processflöde tills den upptäcker ett giltigt utgångstillstånd eller ett av flera feltillstånd (figur 6).

Figur 6: När sändaren LTC4125 utför sin algoritm för sökning av optimal effekt fortsätter den att öka uteffekten i en serie steg tills den stöter på ett giltigt utgångstillstånd eller något av flera feltillstånd. (Bildkälla: Analog Devices)

I denna process känner LTC4125 igen flera fördefinierade, giltiga utgångstillstånd som indikerar den optimala sändningseffekten. Utvecklaren kan dessutom ange två programmerbara utgångstillstånd, inklusive inströmmens gränsvärde (V_ITH) för att begränsa inströmmen och ett gränsvärde för den differentiella spänningen (DTH), för att optimera sändareffekten i användningsscenarier som innebär dålig anslutning mellan sändarens och mottagarens spolar.

LTC1425 känner automatiskt av flera feltillstånd som kan äventyra kraftöverföringens säkerhet och verkningsgrad:

• Överskridande av spolens gränsvärde för temperatur som bestäms av NTC-spänningen (V_NTC) som känns av på NTC-ingångsstiftet.
• Överskridande av det maximala gränsvärdet för den lagrade spänningen som känns av via FB-stiftets spänning V_FB>V_IN
• Överskrider gränsvärdet för övertemperatur i kretsplattan (typiskt 150 °C)
• Överskrider gränsvärdet för frekvens, vilket indikerar förekomsten av ett främmande föremål på grund av en minskning av sändarspolens induktans och en därmed sammanhängande ökning av driftfrekvensen
• Överskridande av gränsen för inström (ILIM)
• Slutför den stegvisa sökningen utan att hitta ett giltigt avslutningstillstånd

Om något av dessa feltillstånd inträffar kommer enheten att avbryta strömförsörjningen fram till nästa sökintervall.

För utvecklare fungerar funktioner som AutoResonant drift och optimal effektsökning automatiskt, beroende på utgångs- och feltillstånd. Även om gränsvärdet för vissa av dessa villkor är fasta i enheten, behåller utvecklaren en betydande kontroll över de olika aspekter som används för att bestämma effektinställningar, utgångstillstånd och feltillstånd.

Med demonstrationssatsen DC2770A-A-KIT och demonstrationssatsen DC2770A-B-KIT för 100 mA från Analog Devices, kan utvecklare snabbt utvärdera prestanda hos mottagaren LTC4124 och sändaren LTC4125 vid laddning av ett Litiumjon-batteri med upp till 100 mA. Respektive sats består av ett sändarkort baserat på LTC4125 och ett mottagarkort baserat på LTC4124. Båda är utrustade med byglar och anslutningspunkter för att ställa in enhetens prestandaegenskaper och övervaka resultaten.

Sammanfattning

Trenden mot kompakta, förslutna enheter försvårar utformningen av effektiva metoder för laddning av de batterier som de är beroende av. Trådlös kraftöverföring är en effektiv lösning, men det är en utmaning att implementera effektiva konstruktioner för trådlös laddning. En sändare och mottagare för trådlös kraftöverföring från Analog Devices, som utformats för att möta dessa utmaningar, förenklar implementeringen av trådlös kraftöverföring i enheter med begränsat utrymme eller i förseglade enheter.