小尺寸可穿戴設備越來越多地采用無線充電，因為這樣無需使用充電線，在設備上也無需配備外露式接口。對于充電電流小于10 mA的應用，由于功耗很低，因此無需在無線充電器接收器和發(fā)射器之間實施閉環(huán)控制。但是，要獲得更高的充電電流，就需要發(fā)射器根據(jù)其接收器的需求，以及兩端之間的耦合系數(shù)，主動調節(jié)其輸出功率。否則，接收器可能需要以熱量的形式消耗多余的功率，這會影響用戶體驗，并且可能損害電池性能。無線充電發(fā)射器和接收器間的控制回路通常用數(shù)字通信的方式來實現(xiàn)閉合，但是數(shù)字控制會增加總體設計的復雜性和增大應用的大小。
本文介紹一種方法，可以在不增加接收器電路板上組件數(shù)量（和寶貴的整體尺寸）的情況下，閉合接收器和發(fā)射器之間的控制環(huán)路。我們使用LTC4125AutoResonant 發(fā)射器和LTC4124 無線鋰離子充電器接收器來構建閉環(huán)控制無線充電器原型，以演示此理念。
搭建帶占空比控制輸入的AutoResonant發(fā)射器
LTC4125是一款單芯片全橋AutoResonant無線功率發(fā)射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整體效率，并為無線充電系統(tǒng)提供全面保護。
LTC4125采用AutoResonant轉換器來驅動串聯(lián)LC諧振電路；該諧振電路由發(fā)射線圈（LTX）和諧振電容（CTX）組成。AutoResonant驅動器使用電流過零檢測器，使其驅動頻率與LC諧振電路的諧振頻率一致。SW1和SW2引腳是LTC4125內部兩個半橋的輸出。當SWx引腳檢測到其輸出電流的方向是從負極過零位到正極時，SWx 與VIN導通，占空比與其對應的PTHx引腳電壓成比例。當SWx引腳與VIN導通時，流經發(fā)射器諧振電路的電流量增加。因此，每個電橋驅動器的占空比控制發(fā)射端諧振電路電流的幅值，電流幅值與發(fā)射功率成比例。圖1所示為占空比低于50%的諧振電路電流和電壓波形。諧振電路電流幅值的絕對值由總體電路阻抗決定，包括來自無線接收器的折算負載阻抗。
在傳統(tǒng)工作模式下，LTC4125使用內部5位DAC來掃描SWx占空比；該DAC設置PTHx電壓以搜索有效負載。如果FB引腳出現(xiàn)某種形式的電壓變化，掃描將停止，占空比在可調節(jié)的掃描周期內（一般設置為約3到5秒）保持不變。然后，開始新掃描周期，重復上述相同步驟。如果負載條件在掃描周期內發(fā)生變化，LTC4125會在下一個掃描周期開始時做出響應。
圖1.占空比低于50%、具有方波輸入的AutoResonant LC電路電壓和電流波形。
為了形成閉環(huán)，電橋驅動器的發(fā)射功率應可以根據(jù)控制輸入來調節(jié)。LTC4125具備多項特性，其中PTHx引腳不僅可用于指示電橋驅動器占空比，還可作為輸入驅動，以設置占空比。芯片內部5位DAC使用內部上拉電阻來設置PTHx引腳的電壓目標值。但是，如圖2所示，可將外部下拉電阻與FET串聯(lián)，用于使PTHx引腳上的電容放電，從而降低PTHx引腳的平均電壓。這個下拉FET柵級的PWM信號占空比可以控制PTHx引腳的平均電壓，從而控制輸出功率。
圖2.PTHx受PWM輸入信號控制。
LTC4125旨在為合適的接收器提供超過5 W的功率。與LTC4124接收器配對時，可通過停用其中一個半橋驅動器來降低發(fā)射功率。這可以通過讓SW2引腳保持開路，讓PTH2短接至GND來實現(xiàn)。然后，可以在SW1引腳和GND之間連接發(fā)射諧振電路。這樣LTC4125就成為半橋發(fā)射器，可以在PTH1引腳上實現(xiàn)更低的增益，提高PTH1引腳有效控制電壓的范圍。
圖3.在6 mm應用電路板上使用LTC4124的完整無線電池充電器解決方案。
使用LTC4124從無線充電器接收器生成反饋信號
LTC4124是一款高度集成的100 mA無線鋰離子充電器，專為空間受限的應用而設計。它包含一個高效的無線電源管理器、一個引腳可編程的全功能線性電池充電器以及一個理想的二極管PowerPath?控制器。
LTC4124中的無線電源管理器通過ACIN引腳連接至并聯(lián)諧振電路，從而允許線性充電器從發(fā)射線圈產生的交變磁場無線接收電源。當LTC4124接收的電能超過以設定速率為電池充電所需的電能時，多余的電能將對VCC引腳上的線性充電器的輸入電容充電。當VCC引腳電壓升高至電池電壓VBAT + 1.05 V時，無線電源管理器將接收器諧振電路分流至地，直到VCC降低至VBAT + 0.85 V。這樣，線性充電器將非常高效，因為其輸入始終恰好高于其輸出。
圖4.LTC4124接收器的交流輸入整流和直流軌電壓調節(jié)。
LTC4124將接收器諧振電路分流至地也會降低發(fā)射諧振電路上的折算負載阻抗，導致發(fā)射諧振電路的電流和電壓幅度上升。因為分流意味著接收器已從發(fā)射器獲得足夠功率，所以發(fā)射器諧振電路峰值電壓升高可以用作發(fā)射器調節(jié)其輸出功率的反饋信號。
圖5.TLTC4124接收器分流期間的發(fā)射電路電壓（VTX）升高。
解調反饋信號并閉合控制環(huán)路
諧振發(fā)射器一側得到接收器的反饋信號后，需要將反饋信號進行轉換，并饋送至發(fā)射器的控制輸入，以閉合控制環(huán)路。如圖6所示，峰值電路電壓信號可從由二極管和電容CFB1構成的半波整流器獲取。此電壓信號由電阻RFB1和RFB2進一步分壓。為了檢測峰值電壓的變化，使用由電阻（RAVG）和電容（CAVG）構成的低通濾波器來過濾峰值電壓信號，以得到電壓信號的均值。通過比較這個均值信號和原始峰值電壓信號，可生成方波脈沖。然后，將這個脈沖饋送至LTC4125的占空比控制輸入，即可實現(xiàn)發(fā)射器輸出功率的調節(jié)。
圖6.發(fā)射器一側的反饋信號解調電路。
當接收器未獲取足夠電能時，LTC4125應增加其輸出功率。這可以通過為PTHx引腳設置內部電壓目標來實現(xiàn)。內部電壓目標可通過PTHM引腳設置，它在開始LTC4125搜索周期之前設置了初始5位DAC電壓電平。可以在IMON引腳連接1 V基準電壓以禁用搜索，使得PTHx引腳目標電壓在運行期間始終保持初始值。如果LTC4124接收器需要更多功率，分流會停止，給PTHx放電的FET將不會導通。LTC4125將以內部電壓目標為基準，對PTHx電壓充電，直至LTC4124接收到足夠功率來啟用分流。
當接收器在應用中最糟糕的耦合系數(shù)位置，輸出預設的最大充電電流時，通過測量PTHx電壓可以確定所需的最大發(fā)射功率。設置PTHM引腳電壓時，應滿足最大發(fā)射功率要求。
基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)控制無線充電器的特性和性能
圖7所示為基于LTC4125的閉環(huán)控制發(fā)射器和基于LTC4124的100mA接收器的完整示意圖。如圖所示，接收器一側所需的組件數(shù)量極少，從而可以降低成本，縮減接收器尺寸。與LTC4125典型應用相比，發(fā)射器一側只需增加幾個額外組件即可實現(xiàn)閉環(huán)控制。LTC4125的大部分特性都得以保留，包括AutoResonant開關、多種異物檢測方法、過溫保護和諧振電路過壓保護。有關這些特性的詳情，請參考LTC4125數(shù)據(jù)手冊。
圖7.100 mA LTC4124充電器接收器與LTC4125 AutoResonant閉環(huán)控制發(fā)射器配對。
基于LTC4125的閉環(huán)無線發(fā)射器可以動態(tài)調節(jié)其輸出功率，以匹配接收器的功率要求。圖8顯示了在接收器線圈偏離發(fā)射器線圈中心，然后快速回到原始位置時，這款無線充電器的響應。LTC4125發(fā)射器的輸出功率由峰值發(fā)射電路電壓VTX_PEAK表示，它會對兩個線圈之間的耦合系數(shù)變化做出平穩(wěn)響應，以使充電電流保持恒定不變。
圖8.基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)無線充電器會響應發(fā)射器和接收器之間耦合系數(shù)的突然變化。
在充電電流瞬態(tài)上升期間，LTC4124分流停止，允許LTC4125從內部為其PTH1引腳充電。因此，LTC4125會增加其半橋驅動器占空比，以提高發(fā)射功率。一旦發(fā)射功率足夠高，使LTC4124能夠調節(jié)其充電電流，就會恢復分流，占空比則保持在效能最佳水平。在充電電流瞬態(tài)降低期間，LTC4124會更頻繁地分流。LTC4125的外部電路使其PTH1引腳上的電容快速放電，以降低占空比，并降低LTC4125的發(fā)射功率。
圖9.基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)無線充電器會響應充電電流上升。
圖10.基于LTC4124和LTC4125的閉環(huán)無線充電器會響應充電電流下降。
圖11.放大波形，用于顯示圖10所示的瞬變詳情。
因為發(fā)射功率始終匹配接收器的需求，所以與無閉環(huán)控制的基于LTC4124和LTC4125的無線充電器典型配置相比，整體效率得到大幅提高。由于沒有采用LTC4125原本的最佳功率搜索模式，因而不產生DAC的步進效應，該配置的效率曲線更加平穩(wěn)。由于功率損耗大幅降低，所以LTC4124充電器和電池在整個充電期間始終保持接近室溫的狀態(tài)。
圖12.基于LTC4125和LTC4124的無線充電器多種配置在3.5 mm氣隙下的效率。
結論
LTC4125可以配置為帶控制輸入的功率可調發(fā)射器。通過LTC4124無線充電器接收器分流可以為發(fā)射器提供反饋信號。通過半波整流器、分壓器、低通濾波器和比較器，可對反饋信號進行解調。將處理后的信號饋送至基于LTC4125的功率可調發(fā)射器中，以閉合控制環(huán)路。我們已構建了原型，用于驗證此概念。此原型能夠對耦合系數(shù)和充電電流的變化做出快速平穩(wěn)的響應。通過這種方法，最終用戶將接收器放置在發(fā)射器上方時，可以允許更大偏差，無需擔心接收器是否能夠獲取所需的功率。此外，這種閉環(huán)方法可以讓發(fā)射器輸出功率始終匹配接收器的功率需求，從而提高了整體效率，使整個充電周期更加安全可靠。
作者簡介
Wenwei Li是位于馬薩諸塞州切姆斯福德ADI公司的電源產品應用工程師。他于2014年獲中國長沙湖南大學的工學學士學位，于2016年獲俄亥俄州立大學哥倫布分校碩士學位。