Jak rychle a cenově efektivně přidat bezdrátové nabíjení k uzavřeným zařízením s prostorovým omezením

Rostoucí poptávka po malých uzavřených bezdrátových zařízeních vyžaduje efektivnější řešení nabíjení. Konvenční přístupy k nabíjení jsou pro koncové uživatele neuspokojivé, představují problémy v zařízeních s omezeným prostorem a nejsou vhodné pro náročná prostředí. Ačkoli bezdrátové nabíjení se na mnohé z těchto problémů zaměřují, dostupná řešení nesplňují požadavky na integraci, napájení a účinnost těchto zařízení.

Tento článek pojednává o potřebě vylepšených řešení nabíjení pro uzavřená zařízení s prostorovým omezením. Poté představuje všestranné řešení bezdrátového nabíjení od společnosti Analog Devices a ukazuje, jak pomáhá vývojářům snadno implementovat vhodné, bezpečné a efektivní nabíjení.

Rostoucí poptávka po účinnějších řešeních nabíjení

Rostoucí poptávka po kompaktnější nositelné elektronice, například náhlavních soupravách, sluchátek do uší a fitness zařízení, nadále vyvolává potřebu nabíjecích řešení, která vyhovují omezením fyzické velikosti těchto aplikací a zajišťují integritu utěsněných jednotek v různých provozních prostředích. Konvenční metody nabíjení spoléhající se na fyzické konektory tyto požadavky nesplňují kvůli jejich náchylnosti k opotřebení a faktorům prostředí, jako jsou prach a vlhkost. Technologie bezdrátového nabíjení se tak staly více než jen novinkou představující základní požadavek pro tuto třídu produktů.

Díky eliminaci potřeby externích nabíjecích portů nabízejí systémy bezdrátového přenosu energie (WPT) potenciální řešení prostřednictvím provozu přes vzduchovou mezeru mezi nabíjecím zdrojem a uzavřeným zařízením. V praxi má však návrh efektivních řešení WPT řadu technických problémů, včetně účinnosti přenosu energie, zpracování chyb a správy baterie a regulace tepla. Situaci dále komplikuje potřeba vyhovět těsným prostorovým omezením.

Návrh systémů WPT zjednodušují vysoce integrovaná zařízení

Bezdrátová Li-ion nabíječka LTC4124 a bezdrátový vysílač energie LTC4125 od společnosti Analog Devices byly vyvinuty s cílem pomoci konstruktérům splnit požadavky na vysokou integraci, výkon a účinnost, které jsou nutné u prostorově omezených a uzavřených zařízení.

Nabíječka LTC4124 dodávaná v pouzdru LQFN o rozměrech pouze 2 × 2 mm a výšce 0,74 mm integruje kompletní sadu funkcí potřebných k nabíjení Li-ion baterie nastavitelným nabíjecím proudem až 100 mA (obrázek 1).

Obrázek 1: bezdrátová Li-ion nabíječka LTC4124 díky svým komplexním funkčním možnostem zjednodušuje implementaci systémů WPT. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Tento obvod může díky své komplexní integrované funkci nabíjení sloužit jako samostatná nabíječka Li-ion baterií bez dalších součástí. Jeho plnohodnotné možnosti lineárního nabíjení baterií konstantním proudem/konstantním napětím (CC/CV) na programovatelných pinech jsou doplněny bezpečnostním ukončením pomocí časovače, detekcí vadné baterie a automatickým dobíjením.

Schopnost obvodu LTC4124 odpojit slabé baterie pomáhá chránit baterie ve velmi nízkém stavu nabití před dalším vybíjením, což může zkrátit její životnost. Funkce odpojení způsobí vypnutí obvodu LTC4124 v případě nepřítomnosti vstupního napájení a při poklesu napětí baterie pod zadané minimum. Při vypnutí obvodu se rozpojí odpojovač (M3 na obrázku 1) zabraňující dalšímu vybíjení baterie. Díky funkci přepravního režimu obvod LTC4124 zabraňuje vybití baterie, dokud není přivedeno napětí na jeho pin ACIN nebo DCIN.

Obvod LTC4124 lze nakonfigurovat také tak, aby blokoval nabíjení, je-li teplota baterie příliš vysoká, a po přidání termistoru se záporným teplotním koeficientem (NTC) a světelné diody (LED) mohl vizuálně indikovat stav nabití (obrázek 2).

Obrázek 2: přidáním pouhých dvou součástek k nabíječce LTC4124 (LED diody a NTC odporu) mohou vývojáři implementovat nabíječku s kompletní teplotní kvalifikací a vizuálním indikátorem stavu nabití. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Připojením externího, paralelního, induktivně-kapacitního (LC) rezonančního zásobníkového obvodu k pinu ACIN obvodu LTC4124 mohou vývojáři tuto základní konstrukci snadno rozšířit a vytvořit tak přijímací stranu systému WPT. Ve spojení s obvodem LTC4125 od společnosti Analog Devices poskytuje tato koncepce kompletní řešení 100mA systému WPT (obrázek 3).

Obrázek 3: vysílač LTC4125 a nabíječka LTC4124 poskytují kompaktní 100mA řešení systému WPT. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Stejně jako obvod LTC4124 je i vysílač LTC4125 vysoce integrovaná součástka navržená speciálně pro aplikace WPT. Dodává se v pouzdru QFN o rozměrech 5 × 4 × 0,75 mm a je schopný poskytovat výkon přes 5 W při napájecím napětí 3 až 5 V (obrázek 4).

Obrázek 4: bezdrátový vysílač energie LTC4125 od společnosti Analog Devices integruje kompletní sadu funkčních bloků potřebných k dodávce výkonu nad 5 W do správně vyladěného přijímače. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Srdce tohoto obvodu tvoří patentovaná technologie AutoResonant od společnosti Analog Devices, která automaticky detekuje a porovnává rezonanční frekvenci sériového LC obvodu připojeného k jeho spínacím pinům (SW1 a SW2). Kromě optimalizace vysílacího výkonu hraje technologie AutoResonant zásadní roli při detekci cizích objektů. Pokud se v blízkosti vysílací cívky nachází cizí předmět, efektivní indukčnost cívky výrazně klesá a budící frekvence vysílače LTC4125 se zvyšuje. Jak je uvedeno dále, toto zvýšení budicí frekvence se používá jako indikace přítomnosti cizího předmětu.

Optimalizace systému WPT

Během provozu systému WPT integrovaný správce bezdrátového přenosu energie v přijímači LTC4124 usměrňuje střídavé napětí ze střídavého magnetického pole generovaného cívkou vysílací části páru vysílač/přijímač systému WPT. Správce bezdrátového přenosu energie v přijímači LTC4124 pomocí integrovaného komparátoru (CP1) a přepínačů (SW1 a SW2) udržuje usměrněné napětí na pinu V_CC na úrovni těsně nad hodnotou napětí baterie (V_BATT) zkratováním rezonančního obvodu na zem, pokud do něj vstupuje více energie, než je potřeba k nabíjení baterie.

Výkon odváděný tímto zkratovacím mechanismem však může zvýšit tepelnou zátěž obvodu. Vysílač LTC4125 poskytuje na snížení množství energie vstupující do přijímače přímější mechanismus.

Zatímco jeho technologie AutoResonant optimalizuje dodávku energie, obvod LTC4125 nabízí schopnost vyhledávání optimálního výkonu, která pomocí nepřetržité sekvence vyhledávacích cyklů monitoruje a upravuje výstupní výkon vysílače tak, aby odpovídal zatížení přijímače. Vysílač LTC4125 v každém cyklu postupně zvyšuje výkon krokovým nárůstem napětí pulzně-šířkové modulace (V_PTH), které je úměrná šířce impulzů vstupujících do budicího můstku proudu cívky. Významná změna zpětnovazebního napětí rezonančního obvodu (V_FB) sděluje, že vysílací výkon je dostatečný k pokrytí nebo překročení zátěže přijímače a vyhledávání se na tomto napětí pulzně-šířkové modulace zastaví. Toto napětí pak udržuje požadovanou úroveň výstupního výkonu vysílače až do dalšího vyhledávacího cyklu (obrázek 5).

Obrázek 5: funkce vyhledávání optimálního výkonu vysílače LTC4125 přizpůsobuje výstupní výkon zátěži přijímače pomocí krokového vyhledávání správné výstupní úrovně. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Funkce vyhledávání optimálního výkonu vysílače LTC4125 provádí každý vyhledávací cyklus s pevným průběhem zpracování, dokud nenalezne platný výstupní stav nebo jeden z několika poruchových stavů (obrázek 6).

Obrázek 6: během provádění algoritmu vyhledávání optimálního výkonu vysílač LTC4125 pokračuje ve zvyšování výstupního výkonu v sérii kroků, dokud nenalezne platný výstupní stav nebo jeden z několika chybových stavů. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Vysílač LTC4125 v tomto procesu rozpozná několik předem definovaných platných výstupních podmínek indikujících optimální vysílací výkon. Vývojář může dále specifikovat dva programovatelné výstupní stavy, včetně vstupního prahového proudu (V_ITH) na omezení vstupního proudu a prahové hodnoty diferenčního rezonančního napětí (DTH) na optimalizaci vysílacího výkonu pro aplikační scénáře zahrnující nevyhovující vazbu mezi vysílací a přijímací cívkou.

Vysílač LTC1425 automaticky detekuje několik poruchových stavů, které mohou ohrozit bezpečnost a efektivitu přenosu energie:

• Překročení prahové hodnoty teploty cívky určené napětím NTC (V_NTC) detekovaný na jeho vstupním pinu NTC
• Překročení maximálního prahu rezonančního napětí detekovaného prostřednictvím napětí na FB pinu V_FB>V_IN
• Překročení prahu přehřátí vnitřní matrice (typicky 150 °C)
• Překročení frekvenčního prahu indikující přítomnost cizího předmětu v důsledku snížení indukčnosti vysílací cívky a souvisejícího zvýšení budicí frekvence
• Překročení vstupního proudového limitu (ILIM)
• Dokončení vyhledávací rampy bez nalezení platného výstupního stavu

Výskyt kteréhokoli z těchto poruchových stavů způsobí, že vysílač přeruší dodávku energie až do příštího vyhledávacího intervalu.

Funkce, jako jsou buzení pomocí technologie AutoResonant a vyhledávání optimálního výkonu pracují pro vývojáře automaticky v závislosti na výstupních a poruchových stavech. Ačkoli jsou prahové hodnoty pro některé z těchto stavů v obvodu pevně dané, vývojáři mají významnou kontrolu nad různými aspekty používanými k stanovení nastavení výkonu, výstupních a poruchových stavů.

Vývojáři mohou provádět rychlé vyhodnocování výkonu přijímače LTC4124 a vysílače LTC4125 během nabíjení Li-ion baterie proudem až 100 mA pomocí demonstračních souprav DC2770A-A-KIT a 100mA DC2770A-B-KIT od společnosti Analog Devices. Každá souprava obsahuje desku vysílače na bázi obvodu LTC4125 a desku přijímače na bázi obvodu LTC4124. Obě soupravy jsou vybaveny propojkami a připojovacími body pro nastavení výkonnostních charakteristik zařízení a sledování výsledků.

Závěr

Trend směřující ke kompaktním a uzavřeným zařízením komplikuje návrh efektivních metod nabíjení baterií, na které se spoléhají. Systém WPT nabízí efektivní řešení, implementace návrhů účinného bezdrátového nabíjení je však náročná. Bezdrátový přijímač a vysílač energie od společnosti Analog Devices navržený na řešení těchto problémů, zjednodušuje implementaci systému WPT v prostorově omezených a uzavřených zařízeních.