单片全桥式 AutoResonant 发送器 IC 简化无线电池充电器设计
发布日期:2023-08-25
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ko Lisuwandi 凌力尔特公司电源产品部 设计部门负责人
背景信息
电池在日常设备中的使用变得越来越普及了。在很多这类产品中，充电连接器是难以或无法使用的。例如，有些产品需要密封机壳，以针对严酷环境保护敏感的电子组件，以及允许便利地清洁或消毒。另一些产品可能是因为太小而容纳不下连接器，而且如果电池供电应用包括移动或旋转部件，那么在这类应用的产品中，就不用再考虑有线充电的可能性了。在这类以及其他一些应用中，无线充电很有用，提高了可靠性和坚固性。
无线功率传送有很多方式。在不到几英寸的短距离上，常用电容或电感耦合。本文中讨论的是使用电感耦合的解决方案。
在典型的电感耦合无线功率传送系统中，AC 磁场由发送线圈产生，然后该磁场再在接收线圈中引起 AC 电流，就像一个典型的变压器系统。变压器系统与无线功率传送系统的主要差别是，在无线功率传送系统中，用空气隙或其他非磁性材料构成的间隙隔离发送器和接收器。此外，发送线圈和接受线圈之间的耦合在典型情况下是非常弱的。0.95 至 1 的耦合在变压器系统中很常见，但在无线功率传送系统中，耦合系数则在 0.8 到低至 0.05 之间。
无线电池充电的基本原理
无线功率传送系统由两部分组成，中间由空气隙隔开：发送 (Tx) 电路，包括一个发送线圈；接收 (Rx) 电路，包括一个接收线圈。
当设计无线功率传送电池充电系统时，主要参数是真正给电池增加能量的功率之大小。这一接收到的功率取决于很多因素，包括：
·发送功率的大小；
·发送线圈和接收线圈之间的距离和对准度，常常用两个线圈之间的耦合因数表示；
·发送和接收组件的容限。
任何无线功率发送器设计的主要目标都是，发送电路能够产生强大的磁场，以确保在最差的功率传送条件下，提供所需接收功率。不过，同样重要的是，在最佳情况下，要避免接收器过热以及电气压力过大。当输出功率要求较低，耦合较强时，这一点尤其重要。一个例子是，电池充满电且 Rx 线圈靠近 Tx 线圈放置时的电池充电器。
用 LTC4125 实现简单但完整的发送器解决方案
发送器 IC 专为与凌力尔特产品库中多种不同电池充电器 IC 配套使用而设计，这配套器件作为接收器，例如 LTC4120，其为一款无线功率接收器和电池充电器 IC。
AIR GAP：空气隙
SINGLE CELL Li-Ion BATTERY PACK：单节锂离子电池包
图 1：在一个把 LTC4120-4.2 作为接收器上的 400mA 单节锂离子电池充电器的无线功率系统中，LTC4125 在 103kHz 驱动一个 24μH 发送线圈，并采用 1.3A 输入电流门限，119kHz 频率限值和 41.5ºC 发送线圈表面温度限值
LTC4125 提供一个简单、强大和安全的无线功率发送器电路所需的全部功能。尤其是，该器件能够按照接收器负载需求调节输出功率，以及检测传导性异物的存在。
如之前提到的那样，无线电池充电器系统中的发送器需要产生一个强大的磁场，以确保在最差功率传送条件下，提供所需接收功率。为了实现这个目标，LTC4125 采用了凌力尔特公司专有的 AutoResonant 技术。
图 2：LTC4125 AutoResonant 驱动电路
LTC4125 AutoResonant 驱动电路确保每个 SW 引脚的电压始终与进入该引脚的电流同相。参见图 2：当电流从 SW1 流向 SW2 时，开关 A 和 C 接通，开关 D 和 B 断开，反之亦然。用这种方法逐周期锁定驱动频率，可确保 LTC4125 始终以谐振频率驱动外部 LC 网络。这一点总是能够保证，即使在连续地改变影响 LC 谐振电路谐振频率的变量时也不例外，例如温度和附近接收器的反射阻抗。
运用这种技术，LTC4125 连续调节集成全桥式开关电路的驱动频率，以匹配串联 LC 网络的实际谐振频率。通过这种方式，无需很高的 DC 输入电压，也不需要精确度很高的 LC 值，LTC4125 就能够在发送器线圈中高效地产生一个幅度很大的 AC 电流。
通过改变全桥式开关电路的占空比，LTC4125 还调节串联 LC 网络波形的脉冲宽度。通过调高占空比，串联 LC 网络产生更大的电流，因此可向接收器负载提供更大的功率。
图 3：LTC4125 脉冲宽度扫描 —— 随占空比提高，Tx 线圈中的电压和电流增大
LTC4125 周期性地扫描占空比，以针对接收器负载情况找到最佳工作点。这种最佳功率点搜索在所有工作情况下都容许很大的空气隙和线圈之间较大的错位，同时避免接收器电路过热和电气压力过大。扫描周期很容易用单个外部电容器设定。
图 1 所示系统能够容许相当大的线圈错位。当线圈错位显著时，LTC4125 能够调节所产生的磁场强度，以确保 LTC4120 接收全部充电电流。在图 1 所示系统中，可以在长达 12mm 的距离上传送高达 2W 的功率。
传导性异物检测
就任何可行的无线功率传送电路而言，另一个必不可少的特点是，能够在发送线圈产生的磁场中检测传导性异物的存在。用来向接收器提供超过几百毫瓦功率的发送电路，必须能够检测传导性异物的存在，以防止在异物中形成涡流，引起不希望出现的温度升高。
LTC4125 的 AutoResonant 架构允许该 IC 以独特的方法检测传导性异物的存在。传导性异物会降低串联 LC 网络中的有效电感值。这导致 AutoResonant 驱动器提高集成全桥式电路的驱动频率。
图 4：有与没有传导性异物存在时，LTC4125 发送器 LC 谐振电路电压的频率比较
TANK VOLTAGE：谐振电路电压
WITHOUT: 40V PEAK TO PEAK 103kHZ：没有传导性异物：40V 峰值至峰值，103kHz
WITH: 4V PEAK TO PEAK 303kHz：有传导性异物：4V 峰值至峰值，303kHz
TIME：时间
图 4 所示图形比较了有和没有传导性异物存在时，通过发送线圈所产生电压的频率。
LTC4125 通过一个电阻分压器设定频率限制，在 AutoResonant 驱动超过这一频率限制期间，将驱动脉冲宽度减小到零。当 LTC4125 检测到传导性异物存在时，就以这种方式停止传送功率。
请注意，通过运用这种频率移动现象检测传导性异物的存在，就可以直接在检测灵敏度与谐振电容器(C) 及发送线圈电感 (L) 的组件容限之间做出权衡。就每个 L 和 C 值 5% 的典型初始容限而言，这一频率限制可以设定为比预期的典型 LC 值形成的固有频率高 10%，以实现灵敏度合理的异物检测和可靠的发送器电路设计。不过，也可以使用更严格的 1% 容限组件，同时频率限制设定为仅比预期的典型固有频率高 3%，以实现更高的检测灵敏度，同时仍然保持设计的可靠坚固性。
功率变动的灵活性和性能
通过简单地改变电阻器和电容器的值，同样的应用电路就可以与不同的接收器 IC 配对使用，以实现更高瓦数的充电。
图 5：在这个无线功率传送系统中，LTC4125 以 103kHz 频率驱动 24μH 发送线圈，频率限制为 119kHz，发送线圈表面温度限制为 41.5ºC，在接收器端，LT3652HV 作为 1A 单节 LiFePO4 (3.6V 浮置电压) 电池充电器使用
AIR GAP：空气隙
SYSTEM LOAD：系统负载
SINGLE LiFePO4 CELL：单节LiFePO4 电池
由于在发送电路上采用了高效率全桥式驱动器，接收电路采用了高效率降压型开关拓扑，所以可实现高达 70% 的总体系统效率。这个总体系统效率是用发送电路的 DC 输入和接收电路的电池输出计算得出的。请注意，两个线圈的品质因数以及它们的耦合对系统的总体效率和对电路其余部分是同样重要的。
无需在发送器和接收器线圈之间进行任何直接通信，就可实现 LTC4125 所有这些功能。这样一来，就可以进行简单的应用设计，涵盖高达 5W 的各种功率需求以及很多不同的实际线圈安排方式。
图 6：采用 LTC4125典型和完整的无线功率发送器电路板
图 6 显示，典型 LTC4125 应用电路的总体尺寸很小，也很简单。如之前提到的那样，大部分功能都可通过外部电阻器或电容器定制。
结论
LTC4125 是一款强大的新型 IC，提供了构成一个安全、简单和高效率的无线功率发送器所需的全部功能。AutoResonant 技术、最佳功率搜索和基于频率变化的传导性异物检测，减轻了具备卓越距离和错位容限的全功能无线功率发送器的设计负担。就可靠的无线功率发送器设计而言，LTC4125 是一种简便、非凡的选择。
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