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自動調節功率並檢測傳導異物　無線充電設計化繁為簡

2016-10-10

Eko Lisuwandi

在日常裝置中，電池的使用已變得越來越普及了，但在很多這類產品中，充電連接器是難以或無法使用的。例如，有些產品需要密封機殼，以針對嚴酷環境保護敏感的電子元件，以及允許便利地清潔或消毒；另一些產品可能因為太小而容納不下連接器，而且如果電池供電應用包括移動或旋轉零組件，那麼在這類應用的產品中，就不須再考慮有線充電的可能性了。在這類以及其他一些應用中，無線充電非常實用，同時也提高了可靠性和堅固性。

無線功率傳送的方式有很多類型，在不到幾英吋的短距離上，通常會使用電容或電感耦合。本文中則將討論使用電感耦合之解決方案。

在典型的電感耦合無線功率傳送系統中，AC磁場由發送線圈產生，然後該磁場再在接收線圈中引起AC電流，就如同一個典型的變壓器系統。變壓器系統與無線功率傳送系統的主要差別，在於無線功率傳送系統中是以空氣隙或其他非磁性材料構成的間隙隔離發送器和接收器。此外，發送線圈和接收線圈之間的耦合在典型情況下是非常弱的。0.95至1的耦合在變壓器系統中很常見，但在無線功率傳送系統中，耦合係數則在0.8到低至0.05之間。

無線電池充電基本原理

無線功率傳送系統由兩部分組成，中間由空氣隙隔開：發送(Tx)電路，包括一個發送線圈；接收(Rx)電路，包括一個接收線圈。

當設計無線功率傳送電池充電系統時，主要參數是真正為電池增加能量的功率之大小。此接收到的功率取決於許多因素，包括：

．發送功率的大小

．發送線圈和接收線圈之間的距離和對準度，常常用兩個線圈之間的耦合因數表示

．傳送接收群組件的容限

任何無線功率發送器的設計，主要目標都在於發送電路能夠產生強大的磁場，以確保在最差的功率傳送條件下提供所需的接收功率。不過，同樣重要的是，在最佳情況下，要避免接收器過熱以及電氣壓力過大。當輸出功率要求較低，耦合較強時，這一點尤其重要。一個簡單的例子是，電池充滿電且Rx線圈靠近Tx線圈放置時的電池充電器。

AutoResonant技術加持　發送器IC功能大噴發

以下本文將以凌力爾特LTC4125發送器IC為例，解釋發送器完整的解決方案。 LTC4125發送器IC專為與凌力爾特產品庫中多種不同電池充電器IC配套使用而設計，該配套元件作為接收器，例如LTC4120為一款無線功率接收器和電池充電器IC(圖1)。

圖1 在一個把LTC4120-4.2作為接收器上的400mA單顆鋰離子電池充電器的無線功率系統中，LTC4125在103kHz驅動一個24μH發送線圈，並採用1.3A輸入電流門檻，119kHz頻率限值和41.5℃發送線圈表面溫度限值。

LTC4125針對簡單、強大和安全的無線功率發送器電路提供了所需的全部功能。尤其該元件能夠按照接收器負載需求調節輸出功率，以及檢測傳導性異物的存在。

如之前所提，無線電池充電器系統中的發送器需要產生一個強大的磁場，以確保在最差功率傳送條件下可提供所需接收功率。LTC4125則透過凌力爾特專利的AutoResonant技術實現了這個目標。

LTC4125 AutoResonant驅動電路確保每個SW接腳的電壓始終與進入該接腳的電流同相。請參見圖2，當電流從SW1流向SW2時，開關A和C接通，開關D和B斷開，反之亦然。用這種方法逐週期鎖定驅動頻率可確保LTC4125始終以諧振頻率驅動外部LC網路。此點總是能夠獲得保證，即使在連續改變影響LC諧振電路諧振頻率的變數時也不例外，例如溫度和附近接收器的反射阻抗。

圖2 LTC4125 AutoResonant驅動電路

運用此種技術，LTC4125可連續調節整合式全橋開關電路的驅動頻率，以匹配串聯LC網路的實際諧振頻率。透過這種方式，無需很高的DC輸入電壓，也不需要精準度很高的LC值，LTC4125就能夠在發送器線圈中高效地產生一個幅度很大的AC電流。

透過改變全橋式開關電路的工作週期，LTC4125還調節串聯LC網路波形的脈衝寬度。透過調高工作週期，串聯LC網路產生更大的電流，因此可向接收器負載提供更大的功率。

LTC4125週期性地掃描工作週期，以針對接收器負載情況找到最佳工作點。這種最佳功率點搜索在所有工作情況下都容許很大的空氣隙和線圈之間較大的錯位，同時避免接收器電路過熱和電氣壓力過大(圖3)。掃描週期很簡單地使用單一外部電容設定。

圖1所示系統能夠容許相當大的線圈錯位。當線圈錯位顯著時，LTC4125能夠調節所產生的磁場強度，以確保LTC4120接收全部充電電流。在圖1所示系統中，可以在長達12mm的距離上傳送高達2W的功率。

圖3 LTC4125脈衝寬度掃描。隨工作週期提高，Tx線圈中的電壓和電流增大。

傳導性異物檢測

就任何可行的無線功率傳送電路而言，另一個必不可少的特點，是能夠在發送線圈產生的磁場中檢測傳導性異物的存在。用來向接收器提供超過幾百毫瓦功率的發送電路，必須能夠檢測傳導性異物的存在，以防止在異物中形成渦流，引起不希望出現的溫度升高。

LTC4125的AutoResonant架構允許該IC以獨特的方法檢測傳導性異物的存在。傳導性異物會降低串聯LC網路中的有效電感值。這導致AutoResonant驅動器提高整合式橋式電路的驅動頻率。。

圖4所示圖形為比較有和沒有傳導性異物存在時，透過發送線圈所產生電壓的頻率。 LTC4125透過一個電阻分壓設定頻率限制，在AutoResonant驅動超過這一頻率限制期間，將驅動脈衝寬度減小到零。當LTC4125檢測到傳導性異物存在時，就以這種方式停止傳送功率。

圖4 比較有與沒有傳導性異物存在時，LTC4125發送器LC諧振電路電壓的頻率。

請注意，透過運用此種頻率移動現象檢測傳導性異物的存在，就可以直接在檢測靈敏度與諧振電容器(C)及發送線圈電感(L)的元件容限之間做出權衡。就每個L和C值5%的典型初始容限而言，這一頻率限制可以設定為比預期的典型LC值形成的固有頻率高10%，以實現靈敏度合理的異物檢測和可靠的發送器電路設計。不過，也可以使用更嚴格的1%容限元件，同時頻率限制設定為僅比預期的典型固有頻率高3%，以實現更高的檢測靈敏度，同時仍然保持設計的可靠堅固性。

功率變動彈性和性能

透過簡單地改變電阻和電容的值，同樣的應用電路就可以與不同的接收器IC配對使用，以實現更高瓦數的充電(圖5)。