Cum să adăugați încărcarea wireless la dispozitivele cu spațiu limitat și sigilate, într-un mod rapid și rentabil

Cererea tot mai mare de dispozitive wireless mici și sigilate necesită soluții de încărcare mai eficiente. Abordările convenționale de încărcare sunt nesatisfăcătoare pentru utilizatorii finali, pun probleme în cazul dispozitivelor cu spațiu limitat și nu sunt adecvate pentru mediile dificile. Deși încărcarea wireless rezolvă multe dintre aceste probleme, soluțiile disponibile nu au reușit să satisfacă cerințele de integrare, putere și eficiență ale acestor dispozitive.

Acest articol analizează necesitatea unor soluții de încărcare îmbunătățite pentru dispozitivele cu spațiu limitat și sigilate. În continuare este prezentată o soluție versatilă de încărcare wireless de la Analog Devices și se arată cum îi ajută pe dezvoltatori să implementeze cu ușurință o încărcare adecvată, sigură și eficientă.

Cerere tot mai mare pentru soluții de încărcare mai eficiente

Cererea tot mai mare de dispozitive electronice portabile mai compacte, cum ar fi căștile, dispozitivele intraauriculare și dispozitivele de fitness, continuă să determine nevoia de soluții de încărcare care să respecte constrângerile legate de dimensiunea fizică ale acestor aplicații și să asigure integritatea unităților sigilate în diverse medii operaționale. Metodele convenționale de încărcare care se bazează pe conectori fizici nu reușesc să satisfacă aceste cerințe din cauza susceptibilității acestora la uzură și la factori de mediu precum praful și umiditatea. Drept urmare, tehnologiile de încărcare wireless au devenit mai mult decât o caracteristică nouă, devenind o cerință fundamentală pentru această clasă de produse.

Prin eliminarea necesității porturilor de încărcare externe, sistemele de transfer de energie wireless (WPT) oferă o soluție potențială prin funcționarea într-un interval de aer dintre o sursă de încărcare și un dispozitiv închis. Cu toate acestea, în practică, conceperea unor soluții WPT eficiente întâmpină multiple provocări tehnice, inclusiv eficiența transferului de energie, gestionarea defecțiunilor, dar și gestionarea termică și a bateriilor. Necesitatea de a îndeplini cerințele privind limitările de spațiu îngust complică și mai mult lucrurile.

Dispozitivele cu grad ridicat de integrare simplifică proiectarea WPT

Încărcătorul wireless Li-ion LTC4124 și emițătorul de putere wireless LTC4125 de la Analog Devices au fost dezvoltate pentru a-i ajuta pe proiectanți să îndeplinească cerințele ridicate de integrare, putere și eficiență, impuse de dispozitivele cu spațiu limitat și sigilate.

Oferit într-o capsulă LQFN care măsoară doar 2 × 2 milimetri cu o înălțime de 0,74 mm, LTC4124 integrează toate funcțiile necesare pentru a încărca o baterie Li-ion cu un curent de încărcare selectabil de până la 100 miliamperi (mA) (Figura 1).

Figura 1: Cu capacitățile sale funcționale cuprinzătoare, încărcătorul wireless Li-ion LTC4124 simplifică implementările WPT. (Sursă imagine: Analog Devices)

Datorită funcționalității sale complete și integrate de încărcare, dispozitivul poate servi ca încărcător de baterii Li-ion de sine stătător, fără componente suplimentare. Capacitățile sale complete de încărcare liniară a bateriei cu curent constant/tensiune constantă (CC/CV), programabile prin pin, sunt completate de terminația temporizatorului de siguranță, detectarea bateriei defecte și reîncărcarea automată.

Capacitatea de deconectare a bateriei la nivel scăzut a LTC4124 ajută la protejarea bateriilor cu un nivel foarte scăzut de încărcare împotriva descărcării continue, ceea ce poate reduce durata de viață a bateriei. Funcția de deconectare determină oprirea dispozitivului LTC4124 atunci când nu este disponibilă nicio putere de intrare și când tensiunea bateriei scade sub un nivel minim specificat. Pe măsură ce se oprește, dispozitivul deschide un întrerupător de deconectare (M3 în Figura 1) care împiedică descărcarea suplimentară a bateriei. Prin caracteristica modului de expediere, LTC4124 previne descărcarea bateriei până când se aplică energie la pinul ACIN sau DCIN.

De asemenea, LTC4124 poate fi configurat pentru a împiedica încărcarea dacă temperatura bateriei este prea ridicată și poate indica vizual starea de încărcare prin adăugarea unui termistor cu coeficient negativ de temperatură (NTC) și a unei diode emițătoare de lumină (led) (Figura 2).

Figura 2: Utilizând doar două componente, un led și un rezistor NTC, împreună cu încărcătorul LTC4124, dezvoltatorii pot implementa un încărcător complet calificat pentru temperatură, cu un indicator vizual al stării de încărcare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Prin conectarea unui circuit oscilant rezonant extern, paralel, cu inductor și condensator (LC) la pinul ACIN al LTC4124, dezvoltatorii pot extinde cu ușurință acest proiect de bază pentru a crea partea de recepție a unui sistem WPT. Împreună cu LTC4125 de la Analog Devices, această abordare oferă o soluție WPT completă de 100 mA (Figura 3).

Figura 3: Emițătorul LTC4125 și încărcătorul LTC4124 oferă o soluție WPT compactă de 100 mA. (Sursă imagine: Analog Devices)

La fel ca și LTC4124, LTC4125 este un dispozitiv cu grad foarte ridicat de integrare, proiectat special pentru aplicații WPT. Acesta vine într-o capsulă QFN de 5 × 4 × 0,75 mm și poate furniza peste 5 wați de la o sursă de 3 până la 5 volți (Figura 4).

Figura 4: Emițătorul de putere wireless LTC4125 de la Analog Devices integrează toate blocurile funcționale necesare pentru a furniza peste 5 wați unui receptor reglat corespunzător. (Sursă imagine: Analog Devices)

La baza acestui dispozitiv se află tehnologia AutoResonant, proprietate a Analog Devices, care detectează automat și se adaptează la frecvența de rezonanță a circuitului LC în serie conectat la pinii săi de comutare (SW1 și SW2). Pe lângă optimizarea puterii de transmisie, tehnologia AutoResonant joacă un rol crucial și în detectarea obiectelor străine. Atunci când un obiect străin este plasat în apropierea bobinei de transmisie, inductanța efectivă a bobinei scade semnificativ, iar frecvența de comandă a LTC4125 crește. După cum se menționează mai jos, această creștere a frecvenței de acționare este utilizată ca o indicație a prezenței unui obiect străin.

Optimizarea WPT

În timpul WPT, gestionarul de energie wireless integrat al receptorului LTC4124 rectifică tensiunea c.a. din câmpul magnetic alternativ generat de bobina de emisie a jumătății de emisie a unei perechi de emițător/receptor a sistemului WPT. Cu ajutorul comparatorului integrat (CP1) și a comutatoarelor (SW1 și SW2), gestionarul de energie wireless LTC4124 menține tensiunea rectificată pe pinul V_CC la un nivel imediat peste tensiunea bateriei (V_BATT), prin trecerea circuitului oscilant rezonant la masă atunci când primește mai multă energie decât este necesar pentru a încărca bateria.

Cu toate acestea, puterea disipată de acest mecanism de șuntare poate crește sarcina termică a dispozitivului. Emițătorul LTC4125 oferă un mecanism mai direct pentru a reduce cantitatea de energie care ajunge la receptor.

În timp ce tehnologia sa AutoResonant optimizează livrarea de putere, LTC4125 dispune de o capacitate de căutare a puterii optime care monitorizează și ajustează puterea de ieșire a emițătorului, pentru a se potrivi cu sarcina receptorului într-o secvență continuă de cicluri de căutare. În fiecare ciclu, LTC4125 crește incremental puterea de transmisie prin creșterea treptată a tensiunii în lățime a impulsurilor (V_PTH), care este proporțională cu lățimea impulsurilor furnizate punții care conduce curentul bobinei. O schimbare semnificativă a tensiunii oscilante rezonante de reacție (V_FB) indică faptul că puterea de emisie este suficientă pentru a satisface sau a depăși sarcina receptorului, iar căutarea se oprește la acea tensiune de lățime a impulsului, care menține nivelul dorit al puterii de ieșire a emițătorului până la următorul ciclu de căutare (Figura 5).

Figura 5: Funcția de căutare a puterii optime a emițătorului LTC4125 adaptează puterea de ieșire la sarcina receptorului prin efectuarea unei căutări în trepte pentru a găsi nivelul de ieșire adecvat. (Sursă imagine: Analog Devices)

Căutarea de putere optimă a LTC4125 efectuează fiecare ciclu de căutare printr-un flux de proces fix până când detectează o condiție de ieșire validă sau una din mai multe condiții de eroare (Figura 6).

Figura 6: În realizarea algoritmului său de căutare a puterii optime, emițătorul LTC4125 continuă să mărească puterea de ieșire într-o serie de pași până când întâlnește o condiție de ieșire validă sau una dintre cele câteva condiții de eroare. (Sursă imagine: Analog Devices)

În acest proces, LTC4125 recunoaște mai multe condiții de ieșire predefinite valide, care indică puterea de transmisie optimă. În plus, dezvoltatorul poate specifica două condiții de ieșire programabile, inclusiv pragul de curent de intrare (V_ITH) pentru a limita curentul de intrare și pragul de tensiune oscilantă rezonantă diferențială (DTH), pentru a optimiza puterea de transmisie în scenarii de utilizare care implică o cuplare slabă între bobinele de emisie și recepție.

LTC1425 detectează automat mai multe condiții de defecțiune care pot compromite siguranța și eficiența transferului de energie:

• Depășirea pragului de temperatură a bobinei, determinat de tensiunea NTC (V_NTC) detectată pe pinul de intrare NTC al acestuia
• Depășirea pragului maxim al tensiunii rezonante, detectată prin tensiunea pinului FB V_FB>V_IN
• Depășirea pragului intern de supratemperatură a matriței (150 °C tipic)
• Depășirea pragului de frecvență, indicând prezența unui obiect străin ca urmare a reducerii inductanței bobinei de transmisie și a creșterii asociate a frecvenței de comandă
• Depășirea limitei curentului de intrare (ILIM)
• Finalizarea rampei de căutare fără a găsi o condiție de ieșire validă

Apariția oricăreia dintre aceste condiții de defecțiune face ca dispozitivul să oprească furnizarea de energie până la următorul interval de căutare.

Pentru dezvoltatori, caracteristicile precum unitatea AutoResonant și căutarea puterii optime funcționează automat, în funcție de condițiile de ieșire și de defecțiune. Deși pragurile pentru unele dintre aceste condiții sunt fixate în dispozitiv, dezvoltatorii păstrează un control considerabil asupra diferitelor aspecte utilizate pentru a determina setările de putere, condițiile de ieșire și condițiile de defecțiune.

Folosind kitul demonstrativ DC2770A-A-KIT și kitul demonstrativ DC2770A-B-KIT de 100 mA de la Analog Devices, dezvoltatorii pot evalua rapid performanța receptorului LTC4124 și a emițătorului LTC4125 la încărcarea unei baterii Li-ion la o intensitate de până la 100 mA. Fiecare kit include o placă de emițător bazată pe LTC4125 și o placă de receptor bazată pe LTC4124. Ambele sunt echipate cu jumpere și puncte de conectare pentru setarea caracteristicilor de performanță ale dispozitivului și monitorizarea rezultatelor.

Concluzie

Tendința către dispozitive compacte și sigilate complică proiectarea unor metode eficiente de încărcare a bateriilor pe care acestea se bazează. WPT oferă o soluție eficientă, dar implementarea unor modele eficiente de încărcare wireless este o provocare. Un receptor și un emițător de putere wireless de la Analog Devices, conceput pentru a aborda aceste provocări, simplifică implementarea WPT în dispozitive cu spațiu limitat și sigilate.