Szybkie i ekonomiczne dodawanie funkcji bezprzewodowego ładowania do urządzeń szczelnych o ograniczonej przestrzeni

Rosnące zapotrzebowanie na miniaturowe uszczelnione urządzenia bezprzewodowe wymaga coraz bardziej efektywnych rozwiązań ładowania. Konwencjonalne metody ładowania są niezadowalające dla użytkowników końcowych, stwarzają wyzwania w urządzeniach o ograniczonej przestrzeni i są nieprzystosowane do trudnych warunków środowiskowych. Chociaż ładowanie bezprzewodowe rozwiązuje wiele z tych problemów, dostępne rozwiązania nie spełniają wymagań dotyczących integracji, mocy i sprawności wspomnianych urządzeń.

W niniejszym artykule omówiono potrzebę opracowania udoskonalonych rozwiązań do ładowania uszczelnionych urządzeń o ograniczonej przestrzeni. Następnie przedstawiono uniwersalne rozwiązanie do ładowania bezprzewodowego firmy Analog Devices i pokazano, w jaki sposób pomaga ono deweloperom w łatwym wdrażaniu odpowiedniego, bezpiecznego i wydajnego ładowania.

Rosnące zapotrzebowanie na bardziej efektywne rozwiązania ładowania

Rosnące zapotrzebowanie na bardziej kompaktową elektronikę ubieralną, taką jak zestawy słuchawkowe, urządzenia douszne i urządzenia do fitnessu, nadal stwarza zapotrzebowanie na rozwiązania ładowania, które wpasowałyby się w ograniczenia rozmiarów fizycznych tych zastosowań i zapewniłyby integralność urządzeń szczelnych w różnych środowiskach pracy. Konwencjonalne metody ładowania, które opierają się na fizycznych złączach, nie spełniają tych wymagań ze względu na podatność na zużycie i czynniki środowiskowe, takie jak kurz i wilgoć. W rezultacie technologie ładowania bezprzewodowego stały się czymś więcej niż tylko nową funkcją - stały się podstawowym wymogiem dla tej klasy produktów.

Dzięki eliminacji potrzeby stosowania zewnętrznych portów ładowania, systemy bezprzewodowego przesyłania energii (WPT) stanowią potencjalne rozwiązanie, działając w szczelinie powietrznej między źródłem ładowania a urządzeniem zamkniętym. W praktyce jednak projektowanie skutecznych rozwiązań do bezprzewodowego przesyłania energii (WPT) wiąże się z wieloma wyzwaniami technicznymi, takimi jak sprawność przenoszenia energii, obsługa usterek oraz zarządzanie bateriami i odprowadzanie ciepła. Sprawę dodatkowo komplikuje potrzeba spełnienia ograniczeń dotyczących niewielkich przestrzeni.

Wysoce zintegrowane urządzenia upraszczają projektowanie systemów bezprzewodowego przesyłania energii (WPT)

Bezprzewodowa ładowarka baterii litowo-jonowych LTC4124 oraz nadajnik zasilania bezprzewodowego LTC4125 firmy Analog Devices opracowano, aby pomóc projektantom spełnić wymagania w zakresie wysokiej integracji, mocy i sprawności, niezbędne w ograniczonych przestrzeniach i uszczelnionych urządzeniach.

Urządzenia LTC4124 oferowane są w obudowach LQFN o wymiarach zaledwie 2 × 2mm i wysokości 0,74mm oraz posiadają pełny zestaw funkcji wymaganych do ładowania baterii litowo-jonowych wybieranym prądem ładowania do 100mA (ilustracja 1).

Ilustracja 1: dzięki rozbudowanym możliwościom funkcjonalnym, bezprzewodowa ładowarka baterii litowo-jonowych LTC4124 upraszcza wdrażanie systemów bezprzewodowego przesyłania energii (WPT). (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Dzięki rozbudowanym, zintegrowanym funkcjom ładowania, urządzenie może służyć jako autonomiczna ładowarka baterii litowo-jonowych bez dodatkowych komponentów. Obok funkcji liniowego ładowania baterii ze stałym napięciem i prądem (CC/CV) programowanej za pomocą wtyku, przewidziano wyjście układu czasowego bezpieczeństwa, wykrywanie uszkodzonej baterii i automatyczne doładowywanie.

Zdolność odłączania baterii o niskim poziomie naładowania w urządzeniu LTC4124 pomaga chronić baterie o bardzo niskim stanie naładowania przed dalszym rozładowaniem, co mogłoby skrócić okres ich użytkowania. Funkcja odłączania powoduje wyłączenie urządzenia LTC4124, gdy zasilanie wejściowe nie jest dostępne, a napięcie baterii spadnie poniżej określonego minimum. Wyłączając się, urządzenie otwiera odłącznik (M3 na ilustracji 1), który zapobiega dalszemu rozładowaniu baterii. Dzięki funkcji trybu wysyłkowego, urządzenie LTC4124 zapobiega rozładowaniu baterii do czasu podania zasilania na wtyk ACIN lub DCIN.

Urządzenie LTC4124 można również skonfigurować tak, aby zapobiegało ładowaniu, jeśli temperatura baterii jest zbyt wysoka oraz wskazywało wizualnie stan naładowania za pomocą termistora o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) i diody elektroluminescencyjnej (LED) (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wykorzystując zaledwie dwa komponenty, diodę LED i rezystor o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC), a także ładowarkę LTC4124, deweloperzy mogą wdrożyć kompletną ładowarkę reagującą na temperaturę, z wizualnym wskaźnikiem stanu naładowania. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podłączając zewnętrzny, równoległy obwód rezonansowy w postaci cewki indukcyjnej i kondensatora (LC) do wtyku ACIN urządzenia LTC4124, deweloperzy mogą z łatwością rozbudować ten podstawowy projekt, tworząc odbiornik systemu bezprzewodowego przesyłania energii (WPT). W połączeniu z urządzeniem LTC4125 firmy Analog Devices, takie podejście zapewnia kompletne rozwiązanie bezprzewodowego przesyłania energii (WPT) o prądzie 100mA (ilustracja 3).

Ilustracja 3: kombinacja nadajnika LTC4125 i ładowarki LTC4124 stanowi kompaktowe rozwiązanie bezprzewodowego przesyłania energii (WPT) o prądzie 100mA. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Podobnie jak urządzenie LTC4124, również LTC4125 jest wysoce zintegrowanym urządzeniem zaprojektowanym specjalnie do zastosowań bezprzewodowego przesyłania energii (WPT). Jest on dostarczane w obudowie QFN o wymiarach 5 × 4 × 0,75mm i może dostarczyć ponad 5W mocy przy napięciu zasilania od 3 do 5V (ilustracja 4).

Ilustracja 4: nadajnik zasilania bezprzewodowego LTC4125 firmy Analog Devices zawiera pełny zestaw bloków funkcjonalnych, wymaganych do dostarczania mocy powyżej 5W do prawidłowo zestrojonego odbiornika. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

Sercem tego urządzenia jest zastrzeżona technologia AutoResonant firmy Analog Devices, która automatycznie wykrywa częstotliwość rezonansową obwodu LC podłączonego na wtykach przełącznika (SW1 i SW2) i dopasowuje do niej swą częstotliwość. Oprócz optymalizacji mocy nadawania, technologia AutoResonant odgrywa kluczową rolę w wykrywaniu ciał obcych. Gdy w pobliżu cewki nadawczej pojawi się ciało obce, efektywna indukcyjność cewki znacznie spada, a częstotliwość sterowania LTC4125 wzrasta. Jak opisano poniżej, ten wzrost częstotliwości sterowania jest wykorzystywany jako wskaźnik obecności ciała obcego.

Optymalizacja bezprzewodowego przesyłania energii (WPT)

Podczas bezprzewodowego przesyłania energii (WPT), zintegrowany bezprzewodowy menedżer zasilania odbiornika LTC4124 prostuje napięcie prądu zmiennego indukowanego przez zmienne pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę nadawczą części nadajnikowej systemu bezprzewodowego przesyłania energii (WPT). Wykorzystując zintegrowany komparator (CP1) i przełączniki (SW1 oraz SW2), bezprzewodowy menedżer zasilania LTC4124 utrzymuje wyprostowane napięcie na wtyku V_CC na poziomie tuż powyżej poziomu napięcia baterii (V_BATT) poprzez bocznikowanie obwodu rezonansowego z masą, gdy otrzyma on więcej energii niż jest to potrzebne do ładowania baterii.

Jednak moc rozpraszana przez ten mechanizm bocznikowy może zwiększać obciążenie termiczne urządzenia. Nadajnik LTC4125 zapewnia bardziej bezpośredni mechanizm redukcji ilości energii docierającej do odbiornika.

Podczas gdy technologia AutoResonant optymalizuje dostarczanie mocy, urządzenie LTC4125 posiada funkcję wyszukiwania optymalnej mocy, która monitoruje i dostosowuje moc wyjściową nadajnika do obciążenia odbiornika w ciągłej sekwencji cykli wyszukiwania. W każdym cyklu urządzenie LTC4125 zwiększa moc nadawania poprzez stopniowe zwiększanie napięcia szerokości impulsu (V_PTH) proporcjonalnie do szerokości impulsów dostarczanych do mostka sterującego prądem cewki. Znacząca zmiana napięcia sprzężenia zwrotnego obwodu rezonansowego (V_FB) wskazuje, że moc nadawania jest wystarczająca do osiągnięcia co najmniej obciążenia odbiornika, a wyszukiwanie zatrzymuje się przy tym napięciu szerokości impulsu, które utrzymuje żądany poziom mocy wyjściowej nadajnika do następnego cyklu wyszukiwania (ilustracja 5).

Ilustracja 5: funkcja wyszukiwania optymalnej mocy nadajnika LTC4125 dopasowuje moc wyjściową do obciążenia odbiornika, wykonując krokowe wyszukiwanie w celu znalezienia odpowiedniego poziomu wyjściowego. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W ramach wyszukiwania optymalnej mocy w urządzeniu LTC4125, każdy cykl wyszukiwania wykonywany jest według ustalonego toku procesu, aż do wykrycia prawidłowego warunku wyjścia lub jednego z kilku stanów usterki (ilustracja 6).

Ilustracja 6: podczas wykonywania algorytmu wyszukiwania optymalnej mocy, nadajnik LTC4125 kontynuuje zwiększanie mocy wyjściowej w serii kroków, aż napotka prawidłowy warunek wyjścia lub jeden z kilku stanów usterki. (Źródło ilustracji: Analog Devices)

W tym procesie urządzenie LTC4125 rozpoznaje kilka wstępnie zdefiniowanych, prawidłowych warunków wyjścia, wskazujących optymalną moc nadawania. Ponadto deweloper może określić dwa programowane warunki wyjścia, w tym wartość progową prądu wejściowego (V_ITH) w celu ograniczenia prądu wejściowego oraz wartość progową napięcia różnicowego zbiornika (DTH) w celu optymalizacji mocy nadawania w scenariuszach użytkowania, które wiążą się ze słabym sprzężeniem między cewkami nadawczymi i odbiorczymi.

Urządzenie LTC1425 automatycznie wykrywa kilka stanów usterek, które mogą zagrażać bezpieczeństwu i ograniczać sprawność przesyłania energii:

• Przekroczenie wartości progowej temperatury cewki określonej przez napięcie termistora o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC) (V_NTC) na wtyku NTC
• Przekroczenie maksymalnej wartości progowej napięcia obwodu rezonansowego wykrytego za pomocą napięcia V_FB>V_IN na wtyku FB
• Przekroczenie wartości progowej nadmiernej temperatury struktury wewnętrznej (zazwyczaj 150°C)
• Przekroczenie wartości progowej częstotliwości, sygnalizujące obecność ciała obcego w wyniku zmniejszenia indukcyjności cewki nadawczej i związany z tym wzrost częstotliwości sterującej
• Przekroczenie wartości granicznej prądu wejściowego (ILIM)
• Ukończenie cyklu zwiększania napięcia podczas przeszukiwania bez znalezienia prawidłowego warunku wyjścia

Wystąpienie któregokolwiek z tych stanów usterki powoduje, że urządzenie przerywa podawanie energii do czasu następnego interwału wyszukiwania.

Z perspektywy deweloperów, funkcje technologii AutoResonant oraz funkcja wyszukiwania optymalnej mocy działają automatycznie, zależnie od warunków wyjścia i stanów usterek. Chociaż wartości progowe dla niektórych ze wspomnianych warunków są ustalone w urządzeniu, deweloperzy zachowują znaczną kontrolę nad różnymi aspektami wykorzystywanymi do określania ustawień mocy, warunków wyjścia i stanów usterek.

Korzystając z zestawu demonstracyjnego DC2770A-A-KIT i zestawu demonstracyjnego 100mA DC2770A-B-KIT firmy Analog Devices, deweloperzy mogą przeprowadzić szybką ewaluację parametrów działania odbiornika LTC4124 i nadajnika LTC4125 podczas ładowania baterii litowo-jonowej prądem o natężeniu do 100mA. Każdy zestaw zawiera płytkę nadajnika bazującą na urządzeniu LTC4125 oraz płytkę odbiornika bazującą na urządzeniu LTC4124. Oba są wyposażone w mostki i punkty połączeniowe do ustawiania charakterystyki działania urządzenia i monitorowania wyników.

Podsumowanie

Trend ku kompaktowym, szczelnym urządzeniom komplikuje projektowanie skutecznych metod ładowania baterii, od których są one zależne. Bezprzewodowe przesyłanie energii (WPT) stanowi skuteczne rozwiązanie, ale wdrożenie wydajnych projektów ładowania bezprzewodowego jest trudne. Odbiornik zasilania bezprzewodowego oraz nadajnik zasilania bezprzewodowego firmy Analog Devices, zaprojektowane z myślą o tych wyzwaniach, upraszczają implementację bezprzewodowego przesyłania energii (WPT) w urządzeniach szczelnych o ograniczonej przestrzeni.