Vezeték nélküli töltési képesség gyors és hatékony megvalósítása helyszűkös és teljesen zárt eszközöknél

A kisméretű és teljesen zárt vezeték nélküli eszközök iránti növekvő kereslet egyre hatékonyabb töltési megoldásokat követel. A hagyományos töltési megoldások nem kielégítőek a végfelhasználók számára, kivitelezésük akadályokba ütközhet a kevés rendelkezésre álló helyet kínáló eszközöknél, továbbá zord környezetekben nem alkalmazhatók. Bár vezeték nélküli töltéssel ezen problémák nagy része orvosolható, a rendelkezésre álló megoldások nem felelnek meg ezen eszközök integrációs, energiahasználati és hatékonysági követelményeinek.

Ez a cikk egy olyan továbbfejlesztett töltési megoldással foglalkozik, amelyek használatára a kevés rendelkezésre álló helyet kínáló és teljesen zárt eszközöknél van szükség. Bemutat egy sokoldalú vezeték nélküli töltési megoldást az Analog Devices-től, valamint azt, hogy ez hogyan nyújt segítséget a fejlesztők számára a megfelelő, biztonságos és hatékony töltés megvalósításában.

Növekszik a kereslet a hatékonyabb töltési megoldások iránt

Az egyre kompaktabb viselhető elektronikai eszközök, például fejhallgatók, fülhallgatós készülékek és fitneszeszközök iránti növekvő kereslet miatt folyamatos az igény, hogy olyan töltési megoldások legyenek elérhetők, amelyek méreteikben és formájukban is ezen eszközök fizikai felhasználásának megfelelők, és nem veszélyeztetik ezen zárt készülékek épségét a különböző működési környezetekben. A fizikai csatlakozóaljzatos hagyományos töltési módszerek nem felelnek meg ezen követelményeknek és igényeknek, mivel hajlamosak a kopásra valamint a különböző környezeti tényezőkre, mint például a porra és a nedvességre is érzékenyen reagálnak. Ennek egyenes következményeként a vezeték nélküli töltési technológiák ma már nem csupán kuriózumnak számítanak, hanem ez egy alapvető követelmény az ehhez osztályhoz tartozó termékeknél.

A külső töltőaljzatok kiiktatásával a vezeték nélküli energiaátviteli (WPT) rendszerek ígéretes megoldást nyújtanak, mivel ezen rendszerek működése a töltőforrás és a burkolatba zárt eszköz közötti légrésen alapul. Ugyanakkor a hatékony vezeték nélküli energiaátviteli (WPT) megoldások gyakorlati megvalósítása számos megoldandó technikai kihívással jár, ideértve az energiaátvitel hatékonyságát, a hibakezelést, valamint a hőszabályozást, és a korlátozott rendelkezésre hely is tovább növeli a bonyolultságot.

Vezeték nélküli energiaátviteli rendszerek egyszerűbb tervezése nagyfokúan integrált eszközök segítségével

Az Analog Devices LTC4124 vezeték nélküli Li-ion töltőjét és LTC4125 vezeték nélküli energiaátviteli-adóját arra fejlesztették ki, hogy segítsenek a tervezőknek megfelelni a kevés rendelkezésre álló helyet kínáló és teljesen zárt eszközöknél megkövetelt nagyfokú integrációs, teljesítmény- és hatékonysági követelményeknek.

A mindössze 2 × 2 milliméteres, 0,74 mm magas LQFN-tokozású LTC4124 integráltan tartalmazza a Li-ion akkumulátorok töltéséhez szükséges összes funkciót, 100 mA felső határértékű választható töltési árammal (1. ábra).

1. ábra: Az LTC4124 vezeték nélküli Li-ion töltő az átfogó funkcionális képességeivel egyszerűsíti a vezeték nélküli energiaátvitel (WPT) megvalósítását (kép: Analog Devices)

Átfogó, integrált töltési funkcióinak köszönhetően ez az eszköz további kiegészítő alkatrészek nélküli, önálló Li-ion akkumulátortöltőként használható. A lábak szintjén programozható, állandó áram vagy állandó feszültség (CC/CV) alapú teljes körű lineáris akkumulátortöltési képességeket a biztonsági időzítő, a rossz akkumulátor érzékelése és az automatikus újratöltés funkciók jelenléte teszik teljessé.

Az LTC4124 azon képessége, hogy leválassza az alacsony töltöttségű akkumulátorokat segít megvédeni a nagyon alacsony töltöttségi állapotban lévő akkumulátorokat az élettartamukat csökkenthető további lemerülésről. A leválasztási funkció alatt azt kell érteni, hogy az LTC4124 leáll, ha nincs bemeneti tápellátás és az akkumulátor feszültsége egy meghatározott minimum alá esik. Kikapcsoláskor az eszköz nyitott állapotba állít egy leválasztó kapcsolót (M3 az 1. ábrán), amely megakadályozza az akkumulátor további lemerülését. A raktározási (ship) üzemmód funkcióval az LTC4124 megakadályozza, hogy az akkumulátor lemerüljön, amíg az ACIN vagy DCIN lábakra feszültséget nem kapcsolnak.

Az LTC4124 úgy is konfigurálható, hogy megakadályozza a töltést, ha az akkumulátor hőmérséklete túl magas, és egy negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTC) termisztor és egy fénykibocsátó dióda (LED) segítségével vizuálisan is jelzi a töltés állapotát (2. ábra).

2. ábra: Mindössze két kiegészítő alkatrész (egy LED és egy NTC ellenállás), valamint az LTC4124 töltő használatával a fejlesztők egy hőmérséklet-figyelésre képes teljeskörű töltőt építhetnek, vizuális töltési állapotjelzővel (kép: Analog Devices)

Ha egy külső, párhuzamos LC-rezgőkört kapcsolnak az LTC4124 ACIN lábára, a fejlesztők könnyen kibővíthetik ennek az alapvető kialakításnak a képességeit és létrehozhatják a WPT-rendszer vevőoldali tagját. Az Analog Devices LTC4125 eszközével párosítva ez a módszer egy teljeskörű 100 mA-es vezeték nélküli energiaátviteli megoldást biztosít (3. ábra).

3. ábra: Az LTC4125 adó és az LTC4124 töltő kombinációja egy kompakt 100 mA-es vezeték nélküli energiaátviteli megoldás (kép: Analog Devices)

Az LTC4124-hez hasonlóan az LTC4125 is egy nagyfokúan integrált, kifejezetten vezeték nélküli energiaátviteli áramkörökben való használatra tervezett eszköz. 5 × 4 × 0,75 mm-es QFN-tokozásban kapható, és 3-5 voltos tápfeszültségről több mint 5 watt teljesítmény leadására képes (4. ábra).

4. ábra: Az Analog Devices LTC4125 jelű vezeték nélküli energiaátviteli adója teljeskörű funkcionális blokk-készletet tartalmaz integrált formában, amelyek ahhoz szükségesek, hogy egy megfelelően hangolt vevő számára 5 watton felüli teljesítményt biztosítson (kép: Analog Devices)

Az eszköz központi része az Analog Devices szabadalmaztatott AutoResonant technológiája, amely automatikusan érzékeli és összeegyezteti a működést a kapcsolóérintkezőkre (SW1 és SW2) kapcsolt soros LC áramkör rezonanciafrekvenciájával. Az adási teljesítmény optimalizálása mellett az AutoResonant technológiának döntő szerepe van az idegen tárgyak felismerésekor. Ha egy idegen tárgy kerül az adótekercs közelébe, a tekercs effektív induktivitása jelentősen csökken, és az LTC4125 meghajtófrekvenciája megnő. Mint fentebb már utaltunk rá, a meghajtófrekvencia növekedése idegen tárgy jelenlétének jelzésére szolgál.

A vezeték nélküli energiaátvitel optimalizálása

Vezeték nélküli energiaátvitel során az LTC4124 vevő integrált vezeték nélküli energiaátviteli-szabályozója egyenirányítja a váltakozó mágneses mező által generált váltakozó áramú feszültséget, amelyet a WPT-rendszer adó-vevő párosában az adóban lévő tekercs generál. Az integrált komparátor (CP1) és kapcsolók (SW1 és SW2) segítségével az LTC4124 áramellátás-szabályozója a V_CC láb egyenirányított feszültségét az akkumulátor feszültsége (V_BATT) fölött tartja a rezgőkör söntölésével, amikor több energiát kap, mint amennyi az akkumulátor töltéséhez szükséges.

A söntölő áramkör által disszipált teljesítmény azonban növelheti az eszköz által generált hőt. Az LTC4125 adó egy közvetlenebb módszert biztosít a vevőhöz érkező energiamennyiség csökkentésére.

Míg az AutoResonant technológia optimalizálja a teljesítmény leadását, az LTC4125 optimális teljesítménykereső képességgel is rendelkezik, amely folyamatos keresési ciklusokat végezve figyeli és úgy állítja be az adó kimenő teljesítményét, hogy az a vevő terheléséhez igazodjon. Az LTC4125 minden ciklusban fokozatosan növeli az adási teljesítményt az impulzusszélesség-feszültség (V_VPTH) fokozatos növelésével, amely a tekercsáramot vezérlő hídnak adott impulzusok szélességével arányos. A rezgőkör visszacsatolási feszültségének (V_FB) jelentős változása jelzi, hogy az adási teljesítmény elegendő a vevő igényének kielégítéséhez illetve meghaladja azt, és ezzel a keresés az adott impulzusszélesség-feszültségnél megáll, ami azt eredményezi, hogy az adó a következő keresési ciklusig fenntartja a kimeneti teljesítmény szintjét (5. ábra).

5. ábra: Az LTC4125 adó optimális teljesítménykereső funkciója a kimeneti teljesítményt a vevő terheléséhez igazítja a megfelelő adási teljesítmény megtalálása érdekében végzett lépcsőzetes kereséssel (kép: Analog Devices)

Az LTC4125 által végzett optimális teljesítménykeresés minden egyes keresési ciklusban egy fix algoritmusnak megfelelően történik addig, amíg a rendszer egy érvényes kilépési feltételt nem észlel vagy a számos hibaállapot egyikének bekövetkezéséig (6. ábra).

6. ábra: Az optimális teljesítménykeresési algoritmus végrehajtása során az LTC4125 adó addig növeli lépésenként a kimeneti teljesítményt, amíg érvényes kilépési feltételhez vagy a különböző hibaállapotok egyikéhez nem jut (kép: Analog Devices)

Ennek során az LTC4125 az optimális adási teljesítményt jelző, több előre meghatározott, érvényes kilépési feltételt képes felismerni. Ezenkívül, az adási teljesítmény optimalizálására olyan felhasználási esetekben, amikor gyenge a csatolás az adó- és a vevőtekercsek között a fejlesztők két programozható kilépési feltételt is megadhatnak, többek között küszöbértéket a bemeneti áram (V_ITH) korlátozására és küszöbértéket a differenciális rezgőkör-feszültségre (DTH) .

Az LTC1425 automatikusan felismer számos olyan hibaállapotot, amelyek veszélyeztethetik az energiaátvitel biztonságát és hatékonyságát:

• A bemeneti NTC lábon érzékelt feszültség (V_NTC) által meghatározott tekercshőmérsékleti küszöbérték túllépése
• A maximális rezgőkör-feszültség túllépése, az FB-láb feszültségén keresztüli érzékeléssel V_FB>V_IN
• A lapka belső hőmérsékleti küszöbértékének túllépése (150 °C tipikusan)
• A frekvencia-küszöbérték túllépése, ami idegen tárgy jelenlétét jelzi az adótekercs induktivitásának csökkenése és ennek következtében a meghajtófrekvencia növekedése által
• Bemeneti áramkorlát (ILIM) túllépése
• A keresési algoritmus befejezése érvényes kilépési feltétel észlelése nélkül

Ha ezen hibaállapotok bármelyike bekövetkezik, az eszköz áramellátása leáll a következő keresési intervallumig.

A fejlesztőket illetően az olyan funkciók, mint az AutoResonant általi vezérlés és az optimális teljesítmény keresése automatikusan működnek, a kilépési és hibaállapotok függvényében. Noha e feltételek némelyikének küszöbértékei az eszközben rögzítettek, a fejlesztők jelentős mértékben ellenőrzésük alatt tudják tartani a teljesítménybeállítások, a kilépési feltételek és a hibaállapotok meghatározásához használt különböző paramétereket.

Az Analog Devices DC2770A-A-KIT-je és a 100 mA-es DC2770A-B-KIT demókészlet segítségével a fejlesztők gyorsan kiértékelhetik az LTC4124 vevő és az LTC4125 adó működését Li-ion akkumulátorok töltésekor max. 100 mA-ig. Mindegyik készlet tartalmaz egy LTC4125-alapú adó- és egy LTC4124-alapú vevőkártyát. Mindkettő rendelkezik jumperekkel és bekötési pontokkal az eszköz működési pramétereinek beállításához és az eredmények ellenőrzéséhez.

Összegzés

A kompakt és teljesen zárt eszközök iránti igény nem csökken, és emiatt a tervezőknek hatékony módszereket kell biztosítaniuk, amelyekkel az eszközökbe épített akkumulátorok bonyolult töltése megvalósítható. A vezeték nélküli energiaátvitel megoldást kínál erre, de a vezeték nélküli töltést hatékonyan megvalósító konstrukciók megépítése leküzdendő problémákkal jár. Az Analog Devices célra tervezett vezeték nélküli energiaátviteli-vevője és -adója egyszerűsíti az energiaátvitel megvalósítását a kevés rendelkezésre álló helyet kínáló és teljesen zárt eszközökben.