【導(dǎo)讀】小尺寸可穿戴設(shè)備越來越多地采用無線充電，因?yàn)檫@樣無需使用充電線，在設(shè)備上也無需配備外露式接口。對于充電電流小于10 mA的應(yīng)用，由于功耗很低，因此無需在無線充電器接收器和發(fā)射器之間實(shí)施閉環(huán)控制。
小尺寸可穿戴設(shè)備越來越多地采用無線充電，因?yàn)檫@樣無需使用充電線，在設(shè)備上也無需配備外露式接口。對于充電電流小于10 mA的應(yīng)用，由于功耗很低，因此無需在無線充電器接收器和發(fā)射器之間實(shí)施閉環(huán)控制。但是，要獲得更高的充電電流，就需要發(fā)射器根據(jù)其接收器的需求，以及兩端之間的耦合系數(shù)，主動調(diào)節(jié)其輸出功率。否則，接收器可能需要以熱量的形式消耗多余的功率，這會影響用戶體驗(yàn)，并且可能損害電池性能。無線充電發(fā)射器和接收器間的控制回路通常用數(shù)字通信的方式來實(shí)現(xiàn)閉合，但是數(shù)字控制會增加總體設(shè)計的復(fù)雜性和增大應(yīng)用的大小。
本文介紹一種方法，可以在不增加接收器電路板上組件數(shù)量（和寶貴的整體尺寸）的情況下，閉合接收器和發(fā)射器之間的控制環(huán)路。我們使用LTC4125 AutoResonant™發(fā)射器和LTC4124無線鋰離子充電器接收器來構(gòu)建閉環(huán)控制無線充電器原型，以演示此理念。
搭建帶占空比控制輸入的AutoResonant發(fā)射器
LTC4125是一款單芯片全橋AutoResonant無線功率發(fā)射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整體效率，并為無線充電系統(tǒng)提供全面保護(hù)。
LTC4125采用AutoResonant轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動串聯(lián)LC諧振電路；該諧振電路由發(fā)射線圈(LTX)和諧振電容(CTX組成。AutoResonant驅(qū)動器使用電流過零檢測器，使其驅(qū)動頻率與LC諧振電路的諧振頻率一致。SW1和SW2引腳是LTC4125內(nèi)部兩個半橋的輸出。當(dāng)SWx引腳檢測到其輸出電流的方向是從負(fù)極過零位到正極時，SWx與VIN導(dǎo)通，占空比與其對應(yīng)的PTHx引腳電壓成比例。當(dāng)SWx引腳與 VIN導(dǎo)通時，流經(jīng)發(fā)射器諧振電路的電流量增加。因此，每個電橋驅(qū)動器的占空比控制發(fā)射端諧振電路電流的幅值，電流幅值與發(fā)射功率成比例。圖1所示為占空比低于50%的諧振電路電流和電壓波形。諧振電路電流幅值的絕對值由總體電路阻抗決定，包括來自無線接收器的折算負(fù)載阻抗。
圖1. 占空比低于50%、具有方波輸入的AutoResonant LC電路電壓和電流波形
在傳統(tǒng)工作模式下，LTC4125使用內(nèi)部5位DAC來掃描SWx占空比；該DAC設(shè)置PTHx電壓以搜索有效負(fù)載。如果FB引腳出現(xiàn)某種形式的電壓變化，掃描將停止，占空比在可調(diào)節(jié)的掃描周期內(nèi)（一般設(shè)置為約3到5秒）保持不變。然后，開始新掃描周期，重復(fù)上述相同步驟。如果負(fù)載條件在掃描周期內(nèi)發(fā)生變化，LTC4125會在下一個掃描周期開始時做出響應(yīng)。
為了形成閉環(huán)，電橋驅(qū)動器的發(fā)射功率應(yīng)可以根據(jù)控制輸入來調(diào)節(jié)。LTC4125具備多項特性，其中PTHx引腳不僅可用于指示電橋驅(qū)動器占空比，還可作為輸入驅(qū)動，以設(shè)置占空比。芯片內(nèi)部5位DAC使用內(nèi)部上拉電阻來設(shè)置PTHx引腳的電壓目標(biāo)值。但是，如圖2所示，可將外部下拉電阻與FET串聯(lián)，用于使PTHx引腳上的電容放電，從而降低PTHx引腳的平均電壓。這個下拉FET柵級的PWM信號占空比可以控制PTHx引腳的平均電壓，從而控制輸出功率。
圖2. PTHx受PWM輸入信號控制。
LTC4125旨在為合適的接收器提供超過5 W的功率。與LTC4124接收器配對時，可通過停用其中一個半橋驅(qū)動器來降低發(fā)射功率。這可以通過讓SW2引腳保持開路，讓PTH2短接至GND來實(shí)現(xiàn)。然后，可以在SW1引腳和GND之間連接發(fā)射諧振電路。這樣LTC4125就成為半橋發(fā)射器，可以在PTH1引腳上實(shí)現(xiàn)更低的增益，提高PTH1引腳有效控制電壓的范圍。
使用LTC4124從無線充電器接收器生成反饋信號
LTC4124是一款高度集成的100 mA無線鋰離子充電器，專為空間受限的應(yīng)用而設(shè)計。它包含一個高效的無線電源管理器、一個引腳可編程的全功能線性電池充電器以及一個理想的二極管PowerPath™控制器。
圖3. 在6 mm應(yīng)用電路板上使用LTC4124的完整無線電池充電器解決方案
LTC4124中的無線電源管理器通過ACIN引腳連接至并聯(lián)諧振電路，從而允許線性充電器從發(fā)射線圈產(chǎn)生的交變磁場無線接收電源。當(dāng)LTC4124接收的電能超過以設(shè)定速率為電池充電所需的電能時，多余的電能將對VCC引腳上的線性充電器的輸入電容充電。當(dāng)VCC引腳電壓升高至電池電壓VBAT + 1.05 V時，無線電源管理器將接收器諧振電路分流至地，直到VCC降低至VBAT + 0.85 V。這樣，線性充電器將非常高效，因?yàn)槠漭斎胧冀K恰好高于其輸出。
圖4. LTC4124接收器的交流輸入整流和直流軌電壓調(diào)節(jié)。
LTC4124將接收器諧振電路分流至地也會降低發(fā)射諧振電路上的折算負(fù)載阻抗，導(dǎo)致發(fā)射諧振電路的電流和電壓幅度上升。因?yàn)榉至饕馕吨邮掌饕褟陌l(fā)射器獲得足夠功率，所以發(fā)射器諧振電路峰值電壓升高可以用作發(fā)射器調(diào)節(jié)其輸出功率的反饋信號。
圖5. TLTC4124接收器分流期間的發(fā)射電路電壓(VTX)升高。
解調(diào)反饋信號并閉合控制環(huán)路
諧振發(fā)射器一側(cè)得到接收器的反饋信號后，需要將反饋信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并饋送至發(fā)射器的控制輸入，以閉合控制環(huán)路。如圖6所示，峰值電路電壓信號可從由二極管和電容CFB1構(gòu)成的半波整流器獲取。此電壓信號由電阻RFB1和RFB2進(jìn)一步分壓。為了檢測峰值電壓的變化，使用由電阻(RAVG)和電容(CAVG)構(gòu)成的低通濾波器來過濾峰值電壓信號，以得到電壓信號的均值。通過比較這個均值信號和原始峰值電壓信號，可生成方波脈沖。然后，將這個脈沖饋送至LTC4125的占空比控制輸入，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射器輸出功率的調(diào)節(jié)。
圖6. 發(fā)射器一側(cè)的反饋信號解調(diào)電路。
當(dāng)接收器未獲取足夠電能時，LTC4125應(yīng)增加其輸出功率。這可以通過為PTHx引腳設(shè)置內(nèi)部電壓目標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部電壓目標(biāo)可通過PTHM引腳設(shè)置，它在開始LTC4125搜索周期之前設(shè)置了初始5位DAC電壓電平。可以在IMON引腳連接1V基準(zhǔn)電壓以禁用搜索，使得PTHx引腳目標(biāo)電壓在運(yùn)行期間始終保持初始值。如果LTC4124接收器需要更多功率，分流會停止，給PTHx放電的FET將不會導(dǎo)通。LTC4125將以內(nèi)部電壓目標(biāo)為基準(zhǔn)，對PTHx電壓充電，直至LTC4124接收到足夠功率來啟用分流。
當(dāng)接收器在應(yīng)用中最糟糕的耦合系數(shù)位置，輸出預(yù)設(shè)的最大充電電流時，通過測量PTHx電壓可以確定所需的最大發(fā)射功率。設(shè)置PTHM引腳電壓時，應(yīng)滿足最大發(fā)射功率要求。
基于LTC4124/5的閉環(huán)控制無線充電器的特性和性能
圖7所示為基于LTC4125的閉環(huán)控制發(fā)射器和基于LTC4124的100mA接收器的完整示意圖。如圖所示，接收器一側(cè)所需的組件數(shù)量極少，從而可以降低成本，縮減接收器尺寸。與LTC4125典型應(yīng)用 相比，發(fā)射器一側(cè)只需增加幾個額外組件即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。LTC4125的大部分特性都得以保留，包括AutoResonant開關(guān)、多種異物檢測方法、過溫保護(hù)和諧振電路過壓保護(hù)。有關(guān)這些特性的詳情，請參考LTC4125數(shù)據(jù)手冊。
圖7. 100 mA LTC4124充電器接收器與LTC4125 AutoResonant閉環(huán)控制發(fā)射器配對
基于LTC4125的閉環(huán)無線發(fā)射器可以動態(tài)調(diào)節(jié)其輸出功率，以匹配接收器的功率要求。圖8顯示了在接收器線圈偏離發(fā)射器線圈中心，然后快速回到原始位置時，這款無線充電器的響應(yīng)。LTC4125發(fā)射器的輸出功率由峰值發(fā)射電路電壓VTX_PEAK表示，它會對兩個線圈之間的耦合系數(shù)變化做出平穩(wěn)響應(yīng)，以使充電電流保持恒定不變。
圖8. 基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)無線充電器會響應(yīng)發(fā)射器和接收器之間耦合系數(shù)的突然變化。
在充電電流瞬態(tài)上升期間，LTC4124分流停止，允許LTC4125從內(nèi)部為其PTH1引腳充電。因此，LTC4125會增加其半橋驅(qū)動器占空比，以提高發(fā)射功率。一旦發(fā)射功率足夠高，使LTC4124能夠調(diào)節(jié)其充電電流，就會恢復(fù)分流，占空比則保持在效能最佳水平。在充電電流瞬態(tài)降低期間，LTC4124會更頻繁地分流。LTC4125的外部電路使其PTH1引腳上的電容快速放電，以降低占空比，并降低LTC4125的發(fā)射功率。
圖9. 基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)無線充電器會響應(yīng)充電電流上升。
圖10. 基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)無線充電器會響應(yīng)充電電流下降。
圖11. 放大波形，用于顯示圖10所示的瞬變詳情。
因?yàn)榘l(fā)射功率始終匹配接收器的需求，所以與無閉環(huán)控制的基于LTC4124和LTC4125的無線充電器典型配置相比，整體效率得到大幅提高。由于沒有采用LTC4125原本的最佳功率搜索模式，因而不產(chǎn)生DAC的步進(jìn)效應(yīng)，該配置的效率曲線更加平穩(wěn)。由于功率損耗大幅降低，所以LTC4124充電器和電池在整個充電期間始終保持接近室溫的狀態(tài)。
圖12. 基于LTC4125和LTC4124的無線充電器多種配置在3.5 mm氣隙下的效率。
結(jié)論
LTC4125可以配置為帶控制輸入的功率可調(diào)發(fā)射器。通過LTC4124無線充電器接收器分流可以為發(fā)射器提供反饋信號。通過半波整流器、分壓器、低通濾波器和比較器，可對反饋信號進(jìn)行解調(diào)。將處理后的信號饋送至基于LTC4125的功率可調(diào)發(fā)射器中，以閉合控制環(huán)路。我們已構(gòu)建了原型，用于驗(yàn)證此概念。此原型能夠?qū)︸詈舷禂?shù)和充電電流的變化做出快速平穩(wěn)的響應(yīng)。通過這種方法，最終用戶將接收器放置在發(fā)射器上方時，可以允許更大偏差，無需擔(dān)心接收器是否能夠獲取所需的功率。此外，這種閉環(huán)方法可以讓發(fā)射器輸出功率始終匹配接收器的功率需求，從而提高了整體效率，使整個充電周期更加安全可靠。
（來源：亞德諾半導(dǎo)體）
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