Hoe u snel en kosteneffectief draadloos opladen toevoegt aan apparaten met beperkte ruimte en afgesloten apparaten

De toenemende vraag naar kleine verzegelde draadloze apparaten vereist effectievere oplaadoplossingen. Conventionele oplaadmethoden zijn onbevredigend voor eindgebruikers, vormen een uitdaging voor apparaten met beperkte ruimte en zijn niet geschikt voor ruwe omgevingen. Hoewel draadloos opladen veel van deze problemen aanpakt, voldoen de beschikbare oplossingen niet aan de integratie-, energie- en efficiëntievereisten van deze apparaten.

Dit artikel bespreekt de behoefte aan verbeterde oplaadoplossingen voor apparaten met beperkte ruimte en verzegelde apparaten. Vervolgens wordt een veelzijdige draadloze oplaadoplossing van Analog Devices geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze ontwikkelaars helpt om op eenvoudige wijze geschikt, veilig en efficiënt opladen te implementeren.

Groeiende vraag naar effectievere oplaadoplossingen

Door de toenemende vraag naar compactere draagbare elektronica, zoals headsets, in-ear apparaten en fitnessapparaten, blijft er behoefte aan oplaadoplossingen die voldoen aan de fysieke beperkingen van deze toepassingen en die de integriteit van afgedichte eenheden in diverse operationele omgevingen garanderen. Conventionele oplaadmethoden die vertrouwen op fysieke connectors voldoen niet aan deze eisen vanwege hun gevoeligheid voor slijtage en omgevingsfactoren zoals stof en vocht. Hierdoor zijn draadloze oplaadtechnologieën meer dan een nieuwe functie geworden en zijn ze een fundamentele vereiste geworden voor deze klasse van producten.

Doordat er geen externe oplaadpoorten nodig zijn, bieden systemen voor draadloze energieoverdracht (WPT) een potentiële oplossing doordat ze werken via een luchtspleet tussen een oplaadbron en een ingesloten apparaat. In de praktijk kent het ontwerpen van effectieve WPT-oplossingen echter meerdere technische uitdagingen, waaronder de efficiëntie van de vermogensoverdracht, het omgaan met storingen en het batterij- en thermisch beheer. De noodzaak om te voldoen aan de beperkte ruimte maakt het nog ingewikkelder.

Sterk geïntegreerde apparaten vereenvoudigen het WPT-ontwerp

De LTC4124 draadloze Li-ion lader en LTC4125 draadloze vermogenszender van Analog Devices werden ontwikkeld om ontwerpers te helpen voldoen aan de vereisten van hoge integratie, vermogen en efficiëntie die vereist zijn voor apparaten met beperkte ruimte en verzegelde apparaten.

Aangeboden in een LQFN-pakket van slechts 2 × 2 millimeter met een hoogte van 0,74 mm, integreert de LTC4124 de volledige aanvulling van functies die nodig zijn om een Li-ion batterij op te laden met een selecteerbare laadstroom van maximaal 100 milliampère (mA) (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Met zijn uitgebreide functionele mogelijkheden vereenvoudigt de LTC4124 draadloze Li-ion lader WPT-implementaties. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Dankzij de uitgebreide, geïntegreerde oplaadfunctionaliteit kan het apparaat dienen als een standalone oplader voor Li-ion-batterijen zonder extra componenten. De volledig functionele, pin-programmeerbare lineaire CC/CV (constante stroom/constante spanning)-batterijlaadfuncties zijn voorzien van veiligheidstimerbeëindiging, detectie van slechte batterijen en automatische herlading.

De mogelijkheid van de LTC4124 om de batterij los te koppelen bij lage accuspanning helpt accu's in een zeer lage ladingstoestand te beschermen tegen verdere ontlading, wat de levensduur van de accu kan verkorten. De uitschakelfunctie zorgt ervoor dat de LTC4124 uitschakelt wanneer er geen ingangsspanning beschikbaar is en de batterijspanning onder een gespecificeerd minimum zakt. Als het apparaat uitschakelt, opent het een uitschakelaar (M3 in Afbeelding 1) die verdere ontlading van de batterij voorkomt. Met de verzendmodusfunctie voorkomt de LTC4124 batterijontlading totdat er spanning op de ACIN- of DCIN-pin wordt gezet.

De LTC4124 kan ook worden geconfigureerd om het opladen te voorkomen als de accutemperatuur te hoog is, en hij kan de oplaadstatus visueel aangeven door toevoeging van een thermistor met negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) en een lichtgevende diode (LED) (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Met behulp van slechts twee componenten, een LED en een NTC-weerstand, en de LTC4124-lader kunnen ontwikkelaars een complete temperatuurgekwalificeerde lader met een visuele laadstatusindicator implementeren. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Door een extern, parallel, inductor-capacitor (LC) resonantietankcircuit aan te sluiten op de ACIN-pin van de LTC4124 kunnen ontwikkelaars dit basisontwerp eenvoudig uitbreiden om de ontvangerkant van een WPT-systeem te maken. In combinatie met de LTC4125 van Analog Devices biedt deze aanpak een complete 100 mA WPT-oplossing (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De LTC4125-zender en LTC4124-lader bieden een compacte 100 mA WPT-oplossing. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Net als de LTC4124 is de LTC4125 een sterk geïntegreerd apparaat dat speciaal is ontworpen voor WPT-toepassingen. Hij wordt geleverd in een QFN-pakket van 5 × 4 × 0,75 mm en kan meer dan 5 watt leveren uit een voeding van 3 tot 5 volt (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Analog Devices LTC4125 draadloze vermogenszender integreert de volledige aanvulling van functionele blokken die nodig zijn om meer dan 5 watt te leveren aan een goed afgestelde ontvanger. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In het hart van dit apparaat detecteert de gepatenteerde AutoResonant-technologie van Analog Devices automatisch de resonantiefrequentie van het serie LC-circuit dat is aangesloten op de schakelaarpinnen (SW1 en SW2) en past deze aan. Naast het optimaliseren van het zendvermogen, speelt de AutoResonant-technologie een cruciale rol in de detectie van vreemde voorwerpen. Wanneer een vreemd voorwerp in de buurt van de zendspoel wordt geplaatst, neemt de effectieve spoelinductie aanzienlijk af en stijgt de frequentie van de LTC4125. Zoals hieronder wordt opgemerkt, wordt deze toename in de aandrijffrequentie gebruikt als indicatie voor de aanwezigheid van een vreemd voorwerp.

WPT optimaliseren

Tijdens WPT rectificeert de geïntegreerde draadloze vermogensmanager van de LTC4124-ontvanger de wisselspanning van het wisselende magnetische veld dat wordt opgewekt door de zendspoel van de zenderhelft van een zender/ontvangerpaar van een WPT-systeem. Met behulp van de geïntegreerde comparator (CP1) en schakelaars (SW1 en SW2) houdt de LTC4124 draadloze vermogensmanager de gelijkgerichte spanning op de V_CC-pin op een niveau net boven de batterijspanning (V_BATT) door het resonantietankcircuit naar massa te rangeren wanneer het meer energie ontvangt dan nodig is om de batterij op te laden.

Het vermogen dat door dit shuntmechanisme wordt gedissipeerd, kan echter de thermische belasting van het apparaat verhogen. De LTC4125-zender biedt een directer mechanisme om de hoeveelheid energie die de ontvanger bereikt te verminderen.

Terwijl de AutoResonant-technologie de vermogensafgifte optimaliseert, heeft de LTC4125 een zoekfunctie voor optimaal vermogen die de vermogensafgifte van de zender bewaakt en aanpast aan de belasting van de ontvanger in een continue opeenvolging van zoekcycli. In elke cyclus verhoogt de LTC4125 stapsgewijs het zendvermogen door stapsgewijze verhogingen van de pulsbreedtespanning (V_PTH) uit te voeren, die evenredig is met de breedte van de pulsen die worden geleverd aan de brug die de spoelstroom aandrijft. Een significante verandering in de terugkoppelspanning van de resonantietank (V_FB) geeft aan dat het zendvermogen voldoende is om aan de ontvangerbelasting te voldoen of deze te overschrijden, en het zoeken stopt bij die pulsbreedtespanning, waardoor het gewenste uitgangsvermogenniveau van de zender gehandhaafd blijft tot de volgende zoekcyclus (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De optimale vermogenszoekfunctie van de LTC4125-zender stemt het uitgangsvermogen af op de belasting van de ontvanger door een stapsgewijze zoekopdracht uit te voeren om het juiste uitgangsniveau te vinden. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Het zoeken naar optimaal vermogen van de LTC4125 voert elke zoekcyclus uit via een vaste processtroom totdat het een geldige uitgangsconditie of een van de verschillende foutcondities detecteert (afbeelding 6).

Afbeelding 6: Bij het uitvoeren van het optimale zoekalgoritme voor vermogen blijft de LTC4125-zender het uitgangsvermogen in een reeks stappen verhogen totdat het een geldige uitgangsconditie of een van de verschillende foutcondities tegenkomt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In dit proces herkent de LTC4125 verschillende vooraf gedefinieerde, geldige uitgangscondities die het optimale zendvermogen aangeven. Daarnaast kan de ontwikkelaar twee programmeerbare uitgangsvoorwaarden specificeren, waaronder de ingangsstroomdrempel (V_ITH) om de ingangsstroom te beperken en de differentiële tankspanningsdrempel (DTH) om het zendvermogen te optimaliseren in gebruiksscenario's met een slechte koppeling tussen de zend- en ontvangerspoelen.

De LTC1425 detecteert automatisch diverse foutcondities die de veiligheid en efficiëntie van de stroomoverdracht in gevaar kunnen brengen:

• Overschrijding van de drempelwaarde voor de spoeltemperatuur bepaald door de NTC-spanning (V_NTC) gedetecteerd op de NTC-ingangspin.
• Overschrijding van de maximumdrempel van de tankspanning zoals gedetecteerd door de spanning op de FB-pen V_FB>V_IN
• Overschrijding van de interne drempel voor overtemperatuur van de matrijs (150 °C nominaal)
• Overschrijding van de frequentiedrempel, wat duidt op de aanwezigheid van een vreemd voorwerp door een verlaging van de inductie van de zendspoel en een bijbehorende verhoging van de aandrijffrequentie.
• Overschrijding van de ingangsstroomlimiet (ILIM)
• De zoekschans voltooien zonder een geldige uitgangsvoorwaarde te vinden

Als een van deze foutcondities optreedt, stopt het apparaat met het leveren van stroom tot het volgende zoekinterval.

Voor ontwikkelaars werken functies zoals AutoResonante aandrijving en het zoeken naar optimaal vermogen automatisch, afhankelijk van exit- en foutcondities. Hoewel de drempelwaarden voor sommige van deze condities vastliggen in het apparaat, behouden ontwikkelaars aanzienlijke controle over de verschillende aspecten die worden gebruikt om vermogensinstellingen, exitcondities en foutcondities te bepalen.

Met de DC2770A-A-KIT-demokit en 100 mA DC2770A-B-KIT-demokit van Analog Devices kunnen ontwikkelaars snel de prestaties van de LTC4124-ontvanger en LTC4125-zender evalueren bij het opladen van een Li-ion batterij tot 100 mA. Elke kit bevat een LTC4125-gebaseerde zenderprintplaat en een LTC4124-gebaseerde ontvangerprintplaat. Beide zijn voorzien van jumpers en aansluitpunten om de prestatiekenmerken van het apparaat in te stellen en de resultaten te controleren.

Conclusie

De trend naar compacte, afgedichte apparaten bemoeilijkt het ontwerp van effectieve methoden voor het opladen van de batterijen waar ze van afhankelijk zijn. WPT biedt een effectieve oplossing, maar de implementatie van efficiënte draadloze oplaadontwerpen is een uitdaging. Een draadloze stroomontvanger en -zender van Analog Devices, ontworpen om deze uitdagingen aan te gaan, vereenvoudigt de implementatie van WPT in apparaten met beperkte ruimte en verzegelde apparaten.