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在不使用數(shù)字控制器的情況下,閉合無(wú)線(xiàn)充電器接收器和發(fā)射器之間的控制環(huán)路

作者:Wenwei Li 時(shí)間:2020-06-29 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  Wenwei Li (ADI電源產(chǎn)品 應(yīng)用工程師)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202006/414826.htm

  摘 要:小尺寸設(shè)備越來(lái)越多地采用,因?yàn)檫@樣無(wú)須使用充電線(xiàn),在設(shè)備上也無(wú)須配備外露式接口。對(duì)于充電電流小于10 mA的應(yīng)用,由于功耗很低,因此無(wú)須在之間實(shí)施閉環(huán)控制。但是,要獲得更高的充電電流,就需要根據(jù)其的需求,以及兩端之間的耦合系數(shù),主動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出功率。否則,可能需要以熱量的形式消耗多余的功率,這會(huì)影響用戶(hù)體驗(yàn),并且可能損害電池性能。和接收器間的控制回路通常用數(shù)字通信的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)閉合,但是數(shù)字控制會(huì)增加總體設(shè)計(jì)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(wú)線(xiàn)鋰離子充電器接收器來(lái)構(gòu)建閉環(huán)控制無(wú)線(xiàn)充電器原型,以演示此理念。

  關(guān)鍵詞:;無(wú)線(xiàn)充電;接收器;發(fā)射器

  1 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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)提供全面保護(hù)。

  LTC4125采用AutoResonant轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LC諧振電路;該諧振電路由發(fā)射線(xiàn)圈(LTX)和諧振電容(CTX)組成。AutoResonant驅(qū)動(dòng)器使用電流過(guò)零檢測(cè)器,使其驅(qū)動(dòng)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?jī)蓚€(gè)半橋的輸出。當(dāng)SWx引腳檢測(cè)到其輸出電流的方向是從負(fù)極過(guò)零位到正極時(shí),SWx與VIN導(dǎo)通,占空比與其對(duì)應(yīng)的PTHx引腳電壓成比例。當(dāng)SWx引腳與VIN導(dǎo)通時(shí),流經(jīng)發(fā)射器諧振電路的電流量增加。因此,每個(gè)電橋驅(qū)動(dòng)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(duì)值由總體電路阻抗決定,包括來(lái)自無(wú)線(xiàn)接收器的折算負(fù)載阻抗。

  在傳統(tǒng)工作模式下,LTC4125使用內(nèi)部5位DAC來(lái)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3~5 s)保持不變。然后,開(kāi)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(huì)在下一個(gè)掃描周期開(kāi)始時(shí)做出響應(yīng)。

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  為了形成閉環(huán),電橋驅(qū)動(dòng)器的發(fā)射功率應(yīng)可以根據(jù)控制輸入來(lái)調(diào)節(jié)。LTC4125具備多項(xiàng)特性,其中PTHx引腳不僅可用于指示電橋驅(qū)動(dòng)器占空比,還可作為輸入驅(qū)動(dòng),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(lái)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(gè)下拉FET柵級(jí)的PWM信號(hào)占空比可以控制PTHx引腳的平均電壓,從而控制輸出功率。

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  LTC4125旨在為合適的接收器提供超過(guò)5 W的功率。與LTC4124接收器配對(duì)時(shí),可通過(guò)停用其中1個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器來(lái)降低發(fā)射功率。這可以通過(guò)讓SW2引腳保持開(kāi)路,讓PTH2短接至GND來(lái)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。

  2 使用LTC4124從無(wú)線(xiàn)充電器接收器生成反饋信號(hào)

  LTC4124是一款高度集成的100 mA無(wú)線(xiàn)鋰離子充電器,專(zhuān)為空間受限的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它包含1個(gè)高效的無(wú)線(xiàn)電源管理器、1個(gè)引腳可編程的全功能線(xiàn)性電池充電器以及1個(gè)理想的二極管PowerPath?控制器。

  LTC4124中的無(wú)線(xiàn)電源管理器通過(guò)ACIN引腳連接至并聯(lián)諧振電路,從而允許線(xiàn)性充電器從發(fā)射線(xiàn)圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)無(wú)線(xiàn)接收電源。當(dāng)LTC4124接收的電能超過(guò)以設(shè)定速率為電池充電所需的電能時(shí),多余的電能將對(duì)VCC引腳上的線(xiàn)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(shí),無(wú)線(xiàn)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(xiàn)性充電器將非常高效,因?yàn)槠漭斎胧冀K恰好高于其輸出。

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  LTC4124將接收器諧振電路分流至地也會(huì)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(如圖5)。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(hào)。

  3 解調(diào)反饋信號(hào)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(hào)后,需要將反饋信號(hào)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(hào)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(hào)由電阻RFB1和RFB2進(jìn)一步分壓。為了檢測(cè)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(lái)過(guò)濾峰值電壓信號(hào),以得到電壓信號(hào)的均值。通過(guò)比較這個(gè)均值信號(hào)和原始峰值電壓信號(hào),可生成方波脈沖。然后,將這個(gè)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)。

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  當(dāng)接收器未獲取足夠電能時(shí),LTC4125應(yīng)增加其輸出功率。這可以通過(guò)為PTHx引腳設(shè)置內(nèi)部電壓目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。內(nèi)部電壓目標(biāo)可通過(guò)PTHM引腳設(shè)置,它在開(kāi)始LTC4125搜索周期之前設(shè)置了初始5位DAC電壓電平??梢栽贗MON引腳連接1 V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(huì)停止,給PTHx放電的FET將不會(huì)導(dǎo)通。LTC4125將以?xún)?nèi)部電壓目標(biāo)為基準(zhǔn),對(duì)PTHx電壓充電,直至LTC4124接收到足夠功率來(lái)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(shí),通過(guò)測(cè)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(shí),應(yīng)滿(mǎn)足最大發(fā)射功率要求。

  4 基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)控制無(wú)線(xiàn)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100 mA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(gè)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(kāi)關(guān)、多種異物檢測(cè)方法、過(guò)溫保護(hù)和諧振電路過(guò)壓保護(hù)。有關(guān)這些特性的詳情,請(qǐng)參考LTC4125數(shù)據(jù)手冊(cè)。

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  基于LTC4125的閉環(huán)無(wú)線(xiàn)發(fā)射器可以動(dòng)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(xiàn)圈偏離發(fā)射器線(xiàn)圈中心,然后快速回到原始位置時(shí),這款無(wú)線(xiàn)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(huì)對(duì)兩個(gè)線(xiàn)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。

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  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(huì)增加其半橋驅(qū)動(dòng)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(huì)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(huì)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。

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  因?yàn)榘l(fā)射功率始終匹配接收器的需求,所以與無(wú)閉環(huán)控制的基于LTC4124和LTC4125的無(wú)線(xiàn)充電器典型配置相比,整體效率得到大幅提高。由于沒(méi)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(xiàn)更加平穩(wěn)。由于功率損耗大幅降低,所以L(fǎng)TC4124充電器和電池在整個(gè)充電期間始終保持接近室溫的狀態(tài)。

  5 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(guò)LTC4124無(wú)線(xiàn)充電器接收器分流可以為發(fā)射器提供反饋信號(hào)。通過(guò)半波整流器、分壓器、低通濾波器和比較器,可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。將處理后的信號(hào)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(guò)這種方法,最終用戶(hù)將接收器放置在發(fā)射器上方時(shí),可以允許更大偏差,無(wú)須擔(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(gè)充電周期更加安全可靠。

 ?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第11頁(yè),歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處。)



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