Hvordan raskt og kostnadseffektivt legge til trådløs lading til plassbegrensede og forseglede enheter

Den økende etterspørselen etter små forseglede trådløse enheter krever mer effektive ladeløsninger. Konvensjonelle ladingstilnærminger er utilfredsstillende for sluttbrukere, utgjør utfordringer i plassbegrensede enheter og er dårlig egnet for tøffe miljøer. Selv om trådløs lading løser mange av disse problemene, har de tilgjengelige løsningene ikke dekket kravene til integrering, strøm og effektivitet for disse enhetene.

Denne artikkelen tar for seg behovet for forbedrede ladeløsninger for plassbegrensede og forseglede enheter. Deretter introduserer den en allsidig trådløs ladeløsning fra Analog Devices og viser hvordan det hjelper utviklere enkelt å implementere passende, sikker lading med høy virkningsgrad.

Økende etterspørsel etter mer effektive ladeløsninger

Økende etterspørsel etter mer kompakt bærbar elektronikk, som hodesett, øretelefoner (In-ear-monitorer) og treningsenheter, fortsetter å skape et behov for ladeløsninger som tilfredsstiller de fysiske størrelsesbegrensningene til disse utrustningene og sikrer integriteten til forseglede enheter i forskjellige driftsmiljøer. Konvensjonelle lademetoder som er avhengige av fysiske kontakter, oppfyller ikke disse kravene på grunn av deres følsomhet for slitasje og miljøfaktorer som støv og fuktighet. Som et resultat har trådløse ladeteknologier blitt mer enn en ny funksjon som dukker opp som et grunnleggende krav for denne klassen av produkter.

Ved å eliminere behovet for eksterne ladeporter, tilbyr trådløse strømoverføringssystemer (wireless power transfer – WPT) en potensiell løsning ved å operere over et luftgap mellom en ladekilde og en lukket enhet. I praksis har imidlertid utforming av effektive løsninger med trådløse strømoverføringssystemer flere tekniske utfordringer som innbefatter virkningsgrad for strømoverføring, feilhåndtering og batteri- og termisk styring. Behovet for å tilfredsstille trange plassbegrensninger kompliserer saken ytterligere.

Høyintegrerte enheter forenkler trådløs strømoverføring

Den trådløse Li-ion-laderen LTC4124 og den trådløse strømsenderen LTC4125 fra Analog Devices ble utviklet for å hjelpe designere med å oppfylle kravene til høy integrasjon, strøm og effektivitet som kreves av plassbegrensede og forseglede enheter.

LTC4124 leveres i en LQFN-kapsling som bare måler 2 × 2 millimeter med en høyde på 0,74 mm, og integrerer alle funksjonene som kreves for å lade et Li-ionebatteri med en valgbar ladestrøm på opptil 100 milliamper (mA) (figur 1).

Figur 1: Med sine omfattende funksjoner forenkler den trådløse litiumioneladeren LTC4124 implementeringen (WPT-implementeringen) av trådløse stømoverføringssystemer. (Bildekilde: Analog Devices)

Med sin omfattende, integrerte ladefunksjonalitet kan enheten fungere som en frittstående Li-ionebatterilader uten ekstra komponenter. De fullverdige, pin-programmerbare, lineære batteriladefunksjonene for konstant strøm/konstant spenning (constant current/constant voltage – CC/CV) leveres komplett med sikkerhetstimer-terminering, deteksjon for dårlig batteri og automatisk opplading.

WPTLTC4124s evne til å koble fra lavt batteri bidrar til å beskytte batterier i svært lav ladetilstand mot ytterligere utlading, noe som kan redusere levetiden for batterier. Frakoblingsfunksjonen får LTC4124 til å slå seg av når ingen inngangseffekt er tilgjengelig og batterispenningen faller under et spesifisert minimum. Når den slås av, åpner enheten en frakoblingsbryter (M3 i figur 1) som forhindrer ytterligere utlading av batteriet. Med funksjonen for fraktmodus forhindrer LTC4124 utlading av batteriet inntil strømmen er tilført ACIN- eller DCIN-stiften.

LTC4124 kan også konfigureres for å hindre lading hvis batteritemperaturen er for høy, og den kan visuelt indikere ladestatus med tillegg av en termistor med negativ temperaturkoeffisient (NTC) og en lysdiode (LED) (figur 2).

Figur 2: Ved hjelp av bare to komponenter, en lysdiode (LED) og en NTC-motstand, sammen med LTC4124-laderen, kan utviklere implementere en komplett temperaturkvalifisert lader med en visuell ladestatusindikator. (Bildekilde: Analog Devices)

Ved å koble en ekstern, parallell, induktor-kondensator (LC) resonanskrets til ACIN-pinnen på LTC4124, kan utviklere enkelt utvide denne grunnleggende utformingen for å lage mottakersiden av et trådløst strømoverføringssystem. Sammen med LTC4125 fra Analog Devices, gir denne tilnærmingen en komplett 100 mA trådløs strømoverføringsløsning (figur 3).

Figur 3: LTC4125-senderen og LTC4124-laderen gir en kompakt 100 mA WPT-løsning. (Bildekilde: Analog Devices)

I likhet med LTC4124 er LTC4125 en høyintegrert enhet som er konstruert spesielt for WPT-utrustninger. Den kommer i en QFN-kapsling som måler 5 × 4 × 0,75 mm og kan levere over 5 watt fra en 3 til 5 volt-tilførsel (figur 4).

Figur 4: Trådløs strømsender LTC4125 fra Analog Devices integrerer hele utvalget av funksjonsblokker som kreves for å levere over 5 watt til en riktig innstilt mottaker. (Bildekilde: Analog Devices)

I hjertet av denne enheten oppdager Analog Devices sin proprietære AutoResonant-teknologi automatisk og samsvarer med resonansfrekvensen til serie-LC-kretsen som er koblet til bryterpinnene (SW1 og SW2). I tillegg til å optimalisere sendeeffekten, spiller AutoResonant-teknologien en avgjørende rolle i gjenkjenning av fremmedlegemer. Når et fremmedlegeme plasseres i nærheten av sendespolen, reduseres den effektive spoleinduktansen betydelig, og LTC4125-driftfrekvensen øker. Som bemerket nedenfor, brukes denne økningen i driftfrekvensen som en indikasjon på tilstedeværelsen av et fremmed objekt.

Optimalisering av trådløs strømoverføring

Under trådløs strømoverføring korrigerer LTC4124-mottakerens integrerte trådløse strømstyring vekselspenningen fra det vekslende magnetfeltet som genereres av senderspolen på senderhalvdelen av et trådløst strømoverføringssystem med sender/mottaker-par. Ved hjelp av den integrerte komparatoren (CP1) og bryterne (SW1 og SW2) opprettholder den trådløse strømstyringsenheten LTC4124 den likerettede spenningen på V_CC-pinnen til et nivå like over batterispenningen (V_BATT) ved å rangere resonanstankens krets til jord når den mottar mer energi enn det som trengs for å lade batteriet.

Imidlertid kan strømmen som spres av denne shuntmekanismen øke enhetens termiske belastning. LTC4125-senderen gir en mer direkte mekanisme for å redusere mengden energi som når mottakeren.

Mens AutoResonant-teknologien optimaliserer strømtilførselen, har LTC4125 en optimal effektsøkefunksjon som overvåker og justerer senderens utgangseffekt for å matche mottakerbelastningen i en kontinuerlig sekvens av søkesykluser. I hver syklus øker LTC4125 trinnvis sendereffekten ved å utføre trinnvise økninger i pulsbreddespenningen (V_PTH), som er proporsjonal med bredden på pulsene som leveres til broen som driver spolestrømmen. En betydelig endring i resonanstankens tilbakekoblingsspenning (V_FB) indikerer at sendereffekten er tilstrekkelig til å møte eller overskride mottakerbelastningen, og søket stopper ved den pulsbreddespenningen, som opprettholder det ønskede senderutgangseffektnivået til neste søkesyklus (figur 5).

Figur 5: LTC4125-senderens optimale effektsøkefunksjon tilpasser effektutgangen til mottakerbelastningen ved å utføre et trinnvis søk for å finne riktig utgangsnivå. (Bildekilde: Analog Devices)

LTC4125s optimale effektsøk utfører hver søkesyklus gjennom en fast prosessflyt til den oppdager en gyldig utgangstilstand eller en av flere feiltilstander (figur 6).

Figur 6: Når LTC4125-senderen utfører sin optimale effektsøkealgoritme, fortsetter den å øke effektutgangen i en serie trinn inntil den støter på en gyldig utgangstilstand eller én av flere feiltilstander. (Bildekilde: Analog Devices)

I denne prosessen gjenkjenner LTC4125 flere forhåndsdefinerte, gyldige utgangsbetingelser som indikerer den optimale sendeeffekten. I tillegg kan utvikleren spesifisere to programmerbare utgangsbetingelser, inkludert inngangsstrømterskel (V_ITH) for å begrense inngangsstrøm og differensialtankspenningterskel (DTH), for å optimalisere sendeeffekten i bruksscenarier som involverer dårlig kobling mellom sender- og mottakerspolene.

LTC1425 oppdager automatisk flere feiltilstander som kan kompromittere sikkerheten og virkningsgraden til kraftoverføringen:

• Overskridelse av spoletemperaturterskelen bestemt av NTC-spenningen (V_NTC) detektert på sin NTC-inngangspinne
• Overskridelse av den maksimale terskelen for tankspenning som detekteres gjennom FB-pinspenningen V_FB>V_IN
• Overskridelse av intern overtemperaturterskel for dysen (typisk 150 °C)
• Overskridelse av frekvensterskelen, som indikerer tilstedeværelsen av et fremmedlegeme på grunn av en reduksjon i sendespoleinduktansen og en tilhørende økning i driftfrekvensen
• Overskridelse av inngangsstrømgrensen (ILIM)
• Fullføre søkerampen uten å finne en gyldig avslutningsbetingelse

Forekomsten av noen av disse feiltilstandene gjør at enheten stopper strømforsyningen til neste søkeintervall.

For utviklere fungerer funksjoner som AutoResonant-stasjon og optimalt effektsøk automatisk, avhengig av utgangsforhold og feiltilstander. Selv om tersklene for noen av disse forholdene er faste i enheten, har utviklerne betydelig styring over de ulike aspektene som brukes til å bestemme strøminnstillinger, utgangsforhold og feiltilstander.

Ved å benytte demosettet DC2770A-A-KIT og 100 mA-demo-settet DC2770A-B-KIT fra Analog Devices, kan utviklere raskt evaluere ytelsen til LTC4124-mottakeren og LTC4125-senderen når de lader et Li-ion-batteri med opptil 100 mA. Hvert sett inneholder et LTC4125-basert senderkort og et LTC4124-basert mottakerkort. Begge er utstyrt med hoppere og tilkoblingspunkter for å stille inn enhetens ytelsesegenskaper og overvåke resultatene.

Konklusjon

Trenden mot kompakte, forseglede enheter kompliserer utformingen av effektive metoder for lading av batteriene de stoler på. Trådløs strømoverføring tilbyr en effektiv løsning, men implementeringen av virkningsfull trådløse ladekonstruksjoner er utfordrende. En trådløs strømmottaker og sender fra Analog Devices, utformet for å takle disse utfordringene, forenkler implementeringen av trådløs strømoverføring i plassbegrensede og forseglede enheter.