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简化控制电路,这个无线充电方案让可穿戴设备远离充电烦恼

关键词:无线充电方案 可穿戴设备 健康跟踪

时间:2020-11-05 14:34:50      来源:网络

2012年,Google Glass首次惊艳亮相,让智能可穿戴设备的概念走入了人们的视野。近年来,以智能手表为代表的越来越多新型健康跟踪设备纷纷登场,使得这些小巧的便携式硬件设备通过无处不在的云端数据交互极大地丰富了我们的日常生活。据2020年3月IDC发布的最新报告显示,2019年全年中国可穿戴设备市场出货量高达9924万台,同比增长37.1%,预计到2023年,可穿戴设备市场出货将达到2亿台。

2012年,Google Glass首次惊艳亮相,让智能可穿戴设备的概念走入了人们的视野。近年来,以智能手表为代表的越来越多新型健康跟踪设备纷纷登场,使得这些小巧的便携式硬件设备通过无处不在的云端数据交互极大地丰富了我们的日常生活。据2020年3月IDC发布的最新报告显示,2019年全年中国可穿戴设备市场出货量高达9924万台,同比增长37.1%,预计到2023年,可穿戴设备市场出货将达到2亿台。

高集成度可穿戴设备引发充电技术升级挑战

如何在庞大的市场竞争中胜出,对行业内采用以往的众多惯用技术的企业提出了严峻的挑战,充电方式的选择首当其冲。因为需要长时间佩戴,决定了它们看起来不能太过显眼,必须做到小巧、轻薄、不笨重,因此留给电池和相关电路的空间少之又少。与之相对,这类设备的功能却在不断增加,以智能手表为例,这种最常见的可穿戴智能设备不仅提供健身追踪功能,通常还会配备全彩色触摸屏、打电话、发消息等耗电量巨大的功能,即便采用当今最高效的锂离子(Li-Ion)和锂聚合物(Li-Pol)电池技术也拯救不了它们的续航表现。从产品评测来看,大多数智能手表用不了一两天就必须进行充电(有的甚至可能连一天都撑不到)。在频繁充电的问题为用户带来巨大困扰的情况下,有必要采取一种比插电充更加简单的充电方式——无线充电。

典型的可穿戴设备——智能手表

在无线充电的场景下,智能设备的充电流程变得非常简单,通常只需将其放在充电底座上即可。同时,无线充电还能够让可穿戴设备采用完全密封或防水的设计,这对于穿戴在身体上的电子设备而言也是一种非常具有吸引力的保护特性。然而,和通过USB或充电头充电相比,无线充电会存在额外的能量转换损耗,因而充电效率较低,导致充电时间更长,这会影响用户体验,并且可能损害电池性能。电源管理厂商通常会采用调整无线充电发射器和接收器间的数字控制回路的方式来减小影响,但是数字控制又会增加总体设计的复杂性和增大设备的尺寸。针对此种情况,高性能模拟芯片厂商ADI基于广泛的电源管理组合设计经验,推出了可以在不增加接收器电路板上组件数量(和宝贵的整体尺寸)的情况下构建闭环控制无线充电器原型的解决方案。

无线电源系统如何为电池供电

无线电源系统由气隙分隔的两部分组成:发射(Tx)电路(包括发射线圈)和接收(Rx)电路(包括接收线圈)。

在设计无线电源电池充电系统时,实际能够增加电池能量的电量是一个关键参数。接收功率取决于许多因素,包括:

·发射的功率值

·发射线圈和接收线圈之间的距离和对准状况,通常用线圈之间的耦合系数来表示

·发射和接收组件的容差

任何无线电源发射器设计的主要目标都是使发射电路能够产生一个强场,确保在最坏的功率传输条件下提供所需的接收功率。但是,避免在最佳情况下接收器过热和电气过载也同样重要。当输出功率要求较低且耦合性能出色时,这一点尤为重要。例如,电池使用靠近发射线圈的接收线圈充满电时的电池充电器。

无线功率传输系统

构建高效、安全、小尺寸的完整无线功率传输供电方案

LTC4124是一款高度集成的100 mA无线锂离子充电器芯片,专为空间受限的应用而设计。它包含一个高效的无线电源管理器、一个引脚可编程的全功能线性电池充电器以及一个理想的二极管PowerPath控制器。在运行时,它首先将来自无线谐振电路的交流电压转换为稳定的直流电压,然后,该直流电压会馈入功能齐全的线性电池充电器中,以提供良好的电池充电功能。有着如此高的集成度,仅需添加一个接收器谐振电路和电池本身,即可实现非常小巧且功能齐全的无线充电装置。

如下图所示,如果LTC4124接收的能量超出为电池充电所需的能量,IC中的无线功率管理器通过将接收器谐振电路分流接地,可以使IC的输入电压 VCC保持低电平。这样,线性充电器将非常高效,因为其输入始终正好保持在电池电压 VBATT之上。接合分流电路时,接收器谐振频率将与发射器频率失调,谐振电路也因此会接收较小的能量。

完整的6 mm无线电池充电器解决方案

交流输入整流和直流轨电压调节

LTC4125是一款单芯片全桥AutoResonant无线功率发射器,用于最大限度提高接收器可用功率,提升整体效率,并为无线充电系统提供全面保护。它具有针对无线充电应用的完整保护功能。LTC4125中的优化功率搜索功能可根据接收器负载需求来调节发射功率。LTC4125 还包括多种异物检测方法,以防止其他物体从发射器接收无用功率。

LTC4124 100 mA充电器接收器与运行优化功率搜索的LTC4125 AutoResonant 发送器配对使用

与LTC4124配对使用时,可将LTC4125全桥谐振驱动器转换为半桥驱动器,以利用更精细的搜索步长,从而使低功率接收器接收恰好足够的功率来为电池充电。当电池接近充满电的状态时,LTC4124进入恒定电压模式,使调节充电电流降低。LTC4125将自动降低其功率传输水平,以匹配接收器的更低功率需求。这有助于减少整个充电周期的功耗,使LTC4124充电器和电池保持较低温度。

下图显示了满功率和限流恒压模式下接收器电路的温度。在室温下,两种模式的温度均低于40°C。

热性能比较:(a) 4.1 V输出时100 mA充电电流,(b) 4.2 V输出时10 mA充电电流

从发送器上移开充电器接收器时,LTC4125找不到有源负载,其功率将降至待机模式。下图显示了在发送器上放置金属异物时的情况:LTC4125检测到高谐振频率并进入待机模式。

LTC4125未检测到接收器时的运行情况

LTC4125检测到异物

总结

无线充电正变得越来越流行。设备没有裸露的连接器和端口将更加可靠,最终用户体验也更轻松简便。通过采用LTC4125&LTC4124无线充电解决方案,最终用户将接收器放置在发射器上方时,可以允许更大偏差,无需担心接收器是否能够获取所需的功率。此外,这种闭环方法可以让发射器输出功率始终匹配接收器的功率需求,从而提高了整体效率,使整个充电周期更加安全可靠。

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