Компоненты Analog Devices для беспроводных зарядных систем

6 октября

потребительская электроникаAnalog DevicesстатьяInternet-of-Thingsбатарейное питаниеWireless charger

Александр Русу (г. Одесса)

Analog Devices предлагает не только линейку специализированных микросхем для построения передающих и приемных узлов беспроводных зарядных устройств, но и набор демонстрационных плат на их основе, которые можно использовать в разработках в качестве готовых решений.

Количество приложений, питающихся от аккумуляторных батарей, увеличивается с каждым годом. При этом далеко не в каждом оборудовании имеется возможность физического подключения зарядного устройства. В некоторых случаях, например, в беспроводных наушниках, это связано с малыми разъемами приложения, в некоторых – с особенностями эксплуатации, например, в жидкой или агрессивной среде. Если в устройстве имеется возможность проводного соединения с внешним источником питания, то, как показывает статистика сервисных центров, такое решение далеко не всегда надежно, а разъемы для подключения зарядных устройств являются одними из самых часто заменяемых радиоэлементов.

Эффективным вариантом решения этой проблемы является полный отказ от электрических подключений и переход на беспроводные технологии передачи энергии. Отсутствие проводного соединения имеет множество преимуществ, основными из которых являются возможность герметизации корпуса, упрощение конструкции, уменьшение размеров и повышение надежности конечного оборудования. Неудивительно, что многие ведущие производители электронных компонентов предлагают разработчикам решения, позволяющие организовать беспроводные энергетические каналы разной мощности. Среди них – компания Analog Devices, разработавшая комплект микросхем, позволяющих легко интегрировать узлы беспроводного заряда аккумуляторов практически в любое устройство.

Особенности беспроводной передачи энергии

Типовая система беспроводной зарядки аккумуляторов состоит из четырех элементов (рисунок 1): передатчика, приемника и двух катушек (передающей и приемной). Электрическая энергия от источника питания поступает на вход передатчика, возбуждающего в витках передающей катушки переменный ток высокой частоты. Этот ток формирует в активной зоне передающей катушки переменное магнитное поле, конфигурация и напряженность которого зависят от ее параметров. Если поместить в это поле катушку приемника, то на ее выводах, согласно закону Фарадея, появится высокочастотное напряжение, а при включении ее в замкнутую электрическую цепь по ее виткам начнет протекать ток. Высокочастотное напряжение приемной катушки выпрямляется и стабилизируется приемником, а полученная энергия направляется в аккумулятор устройства.

Рис. 1. Структурная схема беспроводного зарядного устройства

Рис. 1. Структурная схема беспроводного зарядного устройства

Передающая и приемная катушки образуют трансформатор. Однако, в отличие от обычных силовых трансформаторов, передающих во вторичные цепи не менее 95% энергии, катушка приемника может располагаться относительно катушки передатчика далеко не самым оптимальным образом, в том числе – и на значительном расстоянии от нее. Из-за этого коэффициент связи между катушками трансформатора беспроводной системы передачи энергии находится в пределах 0,05…0,8, что является достаточно малым для энергетических систем.

Кроме слабой связи приемной и передающей частей, в процессе эксплуатации беспроводных зарядных устройств возникает высокая вероятность попадания в активную зону передающей катушки посторонних металлических предметов, например, монет. Под действием высокочастотного магнитного поля в металле могут возникнуть вихревые токи большой величины, способные разогреть этот предмет до высокой температуры. При этом возможно как повреждение зарядного устройства, например, выход из строя транзисторов передатчика из-за резкого увеличения потребляемого тока, так и ожог пользователя при касании разогретого предмета. Из-за этого обнаружение посторонних металлических предметов в активной зоне передающей катушки с последующим ограничением выходной мощности передатчика является одной из обязательных функций большинства беспроводных зарядных устройств.

Решения Analog Devices для беспроводных зарядных устройств

В простейшем случае передатчик для беспроводных систем передачи энергии можно создать на основе дискретных компонентов по любой из схем, поддерживающих автоколебательные режимы, например, на основе симметричного мультивибратора (рисунок 2). В этой схеме два полевых транзистора M1 и M2 возбуждают в выходном колебательном контуре LxСx колебания напряжения и тока с частотой f0, определяемой по формуле Томпсона:

$$f_{0}=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_{X}C_{X}}}.$$

Рис. 2. Схема передатчика на дискретных компонентах

Рис. 2. Схема передатчика на дискретных компонентах

Схема управления транзисторами M1 и M2 состоит из двух токоограничивающих резисторов R1 и R2, зашунтированных конденсаторами C4, С5. Параметры стабилитронов D1…D4 выбраны таким образом, чтобы защитить цепи затворов и стоков транзисторов M1, M2 от возможного пробоя высоким напряжением, возникающим на выводах передающей катушки Lx. Дроссели LB1 и LB2 необходимы для изоляции колебательной системы LxCx от источника питания по высокой частоте.

Рассмотренная схема начинает работать сразу после подачи питания и не нуждается в настройке и дополнительном управлении, что является ее очевидным преимуществом. При необходимости, подобную схему можно как собрать самостоятельно, так и приобрести в готовом виде, например, заказав демонстрационную плату DC1968A (рисунок 3), содержащую, кроме передатчика с передающей катушкой, еще и понижающий преобразователь, позволяющий системе работать в диапазоне питающих напряжений от 8 до 36 В (сам передатчик питается напряжением 5 В).

Рис. 3. Внешний вид демонстрационной платы DC1968A

Рис. 3. Внешний вид демонстрационной платы DC1968A

Демонстрационная плата DC1968A рекомендуется для использования в составе некоторых отладочных комплектов, например, DC1969A-KIT или демонстрационной платы DC2181A, ориентированных на разработку приемной части беспроводных зарядных устройств мощностью до 2 Bт. Фактически она является простым и недорогим источником переменного магнитного поля с частотой 130 кГц, создаваемым  передающей катушкой (рисунок 4). Использовать эту схему в практических разработках не рекомендуется, поскольку в ней не реализованы две ключевые функции, которые должны присутствовать в любом беспроводном зарядном устройстве: регулировка выходной мощности и обнаружение посторонних металлических предметов.

Рис.4. Диаграммы работы передатчика на дискретных компонентах при работе с приемником, потребляющим мощность 1,7 Вт

Рис.4. Диаграммы работы передатчика на дискретных компонентах при работе с приемником, потребляющим мощность 1,7 Вт

Для реальных приложений наилучшим образом подходит специализированная микросхема LTC4125 (рисунок 5), содержащая полный комплект узлов для построения полнофункциональных передатчиков беспроводных зарядных систем мощностью до 5 Вт, приемная часть которых может быть построена на основе любой из микросхем семейства Power by Linear, например, LTC4120 или LTC4124.

Рис. 5 Передатчик беспроводного зарядного устройства на основе LTC4125

Рис. 5 Передатчик беспроводного зарядного устройства на основе LTC4125

Одним из ключевых требований, предъявляемых к любым передатчикам, в том числе и к передатчикам беспроводных зарядных устройств, является высокое значение КПД, которое в данном случае может быть достигнуто, только если частота тока в передающей катушке будет соответствовать резонансной частоте колебательного контура, образованного передающей катушкой LTX и конденсатором CTX. В реальных устройствах значения параметров радиоэлементов постоянно меняются в зависимости от срока службы, температуры, влажности и других факторов. На резонансную частоту влияет даже само наличие приемника в активной зоне, ведь его элементы изменяют индуктивность и добротность катушки LTX. Это значит, что параметры выходного колебательного контура LTXCTX в процессе работы будут постоянно меняться, и для поддержания высокого КПД выходного каскада передатчика потребуется постоянная подстройка его рабочей частоты.

В микросхеме LTC4125 реализован метод автоподстройки частоты передатчика, обеспечивающий переключение полевых транзисторов A…D его выходного каскада в моменты изменения направления протекания выходного тока (рисунок 6). При таком алгоритме работы транзисторы A и C включаются, когда ток передающей катушки LTX начинает протекать от вывода SW1 к SW2, а транзисторы D и B – когда его направление меняется на противоположное. Это позволяет в каждом рабочем цикле автоматически подстраивать частоту переключения транзисторов выходного каскада под резонансную частоту контура и отслеживать как медленные, так и быстрые изменения параметров элементов LTXCTX. Такой метод управления позволяет также значительно упростить требования к выходному каскаду и отказаться от использования прецизионных радиоэлементов.

Рис. 6. Принцип работы выходного каскада микросхемы LTC4125

Рис. 6. Принцип работы выходного каскада микросхемы LTC4125

Выходная мощность передатчика регулируется путем изменения длительности открытого состояния транзисторов (рисунок 7) – чем больше ширина импульса, подаваемого на затворы транзисторов, тем больше амплитуда тока в передающей катушке. Микросхема LTC4125 периодически изменяет ширину импульсов в диапазоне от нуля до максимума с целью определения наиболее оптимального режима передачи, обеспечивающего максимум передаваемой мощности. При этом периодичность подобного сканирования устанавливается с помощью единственного внешнего конденсатора.

Рис. 7. Принцип регулировки выходной мощности микросхемы LTC4125

Рис. 7. Принцип регулировки выходной мощности микросхемы LTC4125

Подобный алгоритм работы позволяет также гибко подстроиться под реальные характеристики трансформатора, образованного передающей и приемной катушками, и эффективно передавать энергию даже при наличии достаточно больших смещений их осей, а также при расположении их на большом расстоянии друг от друга. В частности, в системе беспроводной зарядки на основе микросхем LTC4125 (передатчик) и LTC4120 (приемник) подобный алгоритм обеспечивает мощность заряда аккумулятора до 2 Вт при расположении передающей и приемной катушек на расстоянии 12 мм друг от друга.

Наличие в активной зоне передающей катушки посторонних металлических предметов приводит к резкому уменьшению ее индуктивности и, как следствие, к резкому увеличению частоты переключения транзисторов выходного каскада. Как видно из осциллограмм (рисунок 8), появление в активной зоне постороннего металлического предмета приводит к увеличению резонансной частоты выходного контура почти в три раза. Для обнаружения этого состояния в микросхему LTC4125 интегрирован специальный узел, формирующий на выходе напряжение, пропорциональное рабочей частоте, а также дополнительный компаратор, сравнивающий это напряжение с напряжением, устанавливаемым на выводе FTH с помощью внешнего резистивного делителя напряжения. Это позволяет при значительном увеличении резонансной частоты выходного контура блокировать работу микросхемы и предотвратить разогрев предмета, попавшего в активную зону передающей катушки.

Рис. 8. Диаграммы напряжения в передающей катушке при наличии и отсутствии в ее активной зоне посторонних металлических предметов

Рис. 8. Диаграммы напряжения в передающей катушке при наличии и отсутствии в ее активной зоне посторонних металлических предметов

При стандартной точности изготовления элементов выходного резонансного контура LxCx (5%) порог блокировки следует устанавливать при отклонении резонансной частоты не менее чем на 10% от расчетного значения, в противном случае микросхема LTC4125 может блокироваться из-за отклонения параметров элементов выходного контура. При использовании более точных элементов, например, с допуском 1%, чувствительность детектора наличия посторонних металлических предметов может быть увеличена. Например, его можно настроить таким образом, чтобы блокировка микросхемы происходила, если рабочая частота будет отличаться от расчетной более чем на 3%.

Кроме рассмотренных выше элементов, являющихся специфическими для беспроводных зарядных устройств, микросхема LTC4125 имеет ряд дополнительных узлов, расширяющих ее функциональность. В частности она имеет возможность контроля температуры аккумулятора, величины потребляемого тока, а также содержит узел индикации передачи энергии в приемник. Микросхема LTC4125 может работать в диапазоне напряжения питания 3…5,5 В и выпускается в компактном корпусе QFN20 с размерами 4 х 5 мм. При этом она способна работать с выходными контурами, резонансная частота которых может находиться в диапазоне 50…250 кГц.

Для быстрого ознакомления с возможностями микросхем LTC4125 можно приобрести специализированные демонстрационные платы, содержащие готовые к использованию передатчики для беспроводных зарядных устройств вместе с передающей катушкой. Например, микросхема LTC4125 установлена на демонстрационных платах DC2556A (рисунок 9) и DC2773A (рисунок 10), входящих в состав нескольких отладочных наборов, в частности, DC2554A-KIT (DC2556A) и DC2770A-A-KIT (DC2773A).

Рис. 9. Внешний вид демонстрационной платы DC2556A

Рис. 9. Внешний вид демонстрационной платы DC2556A

Рис. 10. Внешний вид демонстрационной платы DC2773A

Рис. 10. Внешний вид демонстрационной платы DC2773A

Приемную часть беспроводных зарядных устройств можно разработать на основе микросхем LTC4120 и LTC4124. Микросхема LTC4124 предназначена для приложений, питающихся от одноэлементных литий-ионных аккумуляторов. Для ее работы необходимо всего несколько внешних радиоэлементов (рисунок 11), что позволяет использовать ее в самых компактных приложениях.

Рис. 11. Приемник беспроводного зарядного устройства на основе микросхемы LTC4124

Рис. 11. Приемник беспроводного зарядного устройства на основе микросхемы LTC4124

Микросхемы LTC4124 имеют возможность дискретной установки максимального тока заряда (10, 25, 50 или 100 мА), максимального напряжения ячейки (4,0, 4,1, 4,2 или 4,35 В) а также порога отключения аккумулятора при разряде (2,7 или 3,2 В). Настройка микросхемы производится путем непосредственного соединения выводов ISEL1, ISEL2, VSEL1, VSEL2 и LBSEL либо с шиной питания VCC, либо с общим проводом GND без использования дополнительных токоограничивающих резисторов. Возможность конфигурирования позволяет использовать эту микросхему с наиболее распространенными типами литий-ионных аккумуляторов и устанавливать ток заряда, соответствующий их емкости. Кроме этого, микросхема LTC4124 имеет возможность подключения внешнего терморезистора, что позволяет прекратить заряд, если температура ячейки находится за пределами допустимых значений.

Микросхемы LTC4124 выпускаются в компактных 12-выводных корпусах LQFN с размерами 2х2х0,74 мм и могут работать при температурах окружающей среды от -20 до 85⁰С. Дополнительным преимуществом этих приборов является практически нулевой ток, потребляемый от аккумулятора после его отключения при разряде, что немаловажно для литий-ионных элементов.

Основной областью применения микросхем LTC4124 является широкий спектр компактных приложений, таких как медицинская техника, носимые устройства, в том числе и для военных применений, беспроводные наушники, пульты дистанционного управления, устройства интернета вещей и многие другие.

Для быстро ознакомления с возможностями микросхем LTC4124 можно пробрести демонстрационную плату DC2775A (рисунок 12), входящую в состав отладочных наборов DC2769A-A-KIT и DC2770A-B-KIT. На плате DC2775A смонтирован полностью готовый к использованию приемник беспроводного зарядного устройства с подключенной приемной катушкой диаметром около 1 см. Кроме этого, на плате установлены конфигурационные перемычки для настройки микросхемы, а также разъемы для подключения внешнего терморезистора, аккумуляторной батареи и измерительных устройств.

Рис. 12 Внешний вид демонстрационной платы DC2775A

Рис. 12 Внешний вид демонстрационной платы DC2775A

Вторым вариантом для построения приемной части беспроводного зарядного устройства являются микросхемы LTC4120 (рисунок 13). В составе этих полупроводниковых приборов присутствует импульсный понижающий преобразователь напряжения, позволяющий заряжать аккумуляторную батарею стабилизированным током до 400 мА, устанавливаемым с помощью  внешнего резистора, подключаемого между выводом PROG и общим проводом GND. Максимальное выходное напряжение стабилизатора может быть фиксированным (для микросхем LTC4120-4.2, ориентированных на работу с литий-полимерными аккумуляторами с напряжением 4,2 В) или устанавливаться в пределах от 2,4 до 11 В с помощью внешнего делителя напряжения (для микросхем LTC4120 без суффикса в обозначении). Для уменьшения тока утечки аккумуляторной батареи нижний (по схеме) вывод резистивного делителя, подключается не к общему проводу, а к выводу FBG, соединяющего его с общим проводом GND лишь во время проведения измерений.

Рис. 13. Приемник беспроводного зарядного устройства на основе микросхемы LTC4120

Рис. 13. Приемник беспроводного зарядного устройства на основе микросхемы LTC4120

Ключевой особенностью микросхем LTC4120 является функция динамического управления резонансной частотой приемного контура (Dynamic Harmonization Control, DHC). Во время заряда аккумулятора, когда от системы беспроводной зарядки требуется повышенная мощность, приемный контур формируется последовательным резонансным контуром, образованным приемной катушкой LR, и конденсатором C2S, настроенным на рабочую частоту передатчика (рисунок 14). Вывод DHC при этом находится в высокоимпедансном состоянии, поэтому конденсатор C2P не принимает участия в процессе приема энергии. По мере заряда аккумулятора мощность, проходящая через зарядное устройство, уменьшается, что приводит к увеличению напряжения на выводе IN VIN. Как только напряжение VIN станет больше порогового напряжения VIN(DHC), вывод DHC будет соединен с общим проводом GND, в результате чего конденсатор C2P окажется подключенным параллельно приемной катушке LR. Такое соединение приведет к изменению резонансной частоты приемного контура, образованного, в данном случае, элементами LR, C2S и C2P, в результате чего мощность, потребляемая от передатчика зарядного устройства, уменьшится.

Рис. 14. Принцип работы системы управления резонансной частотой приемного контура (DHC)

Рис. 14. Принцип работы системы управления резонансной частотой приемного контура (DHC)

Уменьшение потребляемой мощности после окончания заряда эквивалентно выводу приемника из активной зоны передающей катушки. Таким образом, построение приемной части беспроводной зарядки на основе микросхем LTC4120 с активной функцией DHC позволяет заряжать от одного передатчика одновременно несколько приемников, например, два беспроводных наушника. Это является одним из ключевых отличий микросхем LTC4120 от рассмотренных выше микросхем LTC4124, шунтирующих приемную катушку после окончания заряда. Поскольку короткое замыкание приемной катушки эквивалентно попаданию в активную зону передающей катушки посторонних металлических предметов, то при использовании микросхем LTC4124 окончание заряда аккумулятора приведет к отключению передатчика, что сделает затруднительным одновременную зарядку нескольких устройств.

Кроме рассмотренных выше элементов, микросхемы LTC4120 содержат все необходимые узлы для построения приемной части беспроводного зарядного устройства с расширенным функционалом, в том числе узлы для контроля температуры аккумуляторных ячеек, узлы индикации окончания заряда и повреждения аккумулятора, таймер для автоматического ограничения времени заряда и многое другое. Микросхемы LTC4120 выпускаются в 16-выводных корпусах QFN с размерами 3х3х0,75 мм и могут работать в диапазоне температур окружающей среды от -20 до 85⁰С.

Приемники беспроводных зарядных устройств на основе микросхем LTC4120 для оценки возможности использования их в конечных приложениях можно приобрести в виде отладочных плат DC2181A (рисунок 15) или DC1967A (рисунок 16). Как и в рассмотренных выше демонстрационных продуктах, на данных платах смонтированы полностью готовые к использованию приемные комплекты, содержащие, кроме микросхем LTC4120, также приемную катушку, конфигурационные элементы и разъемы для подключения внешних элементов и измерительного оборудования.

Рис. 15. Внешний вид демонстрационной платы DC2181A

Рис. 15. Внешний вид демонстрационной платы DC2181A

Рис. 16. Внешний вид демонстрационной платы DC1967A

Рис. 16. Внешний вид демонстрационной платы DC1967A

Оценочные комплекты Analog Devices

Беспроводные зарядные устройства состоят из двух независимых частей (передающей и приемной), каждая из которых может быть построена по разным технологиям и поддерживать разную функциональность. Это приводит к тому, что на этапе разработки могут возникать совершенно разные задачи, требующие различных вспомогательных инструментов для их решения. Например, разработчик приложений с беспроводным питанием больше сосредоточен на работе с приемной частью, поэтому для его работы, в большинстве случаев, достаточно любого источника электромагнитного поля нужной мощности. В то же время для разработки беспроводных зарядных станций в подавляющем большинстве случаев вполне достаточно нескольких тестовых потребителей (приемников), поддерживающих заданный алгоритм заряда.

Учитывая это, компания Analog Devices предлагает своим клиентам как отдельные демонстрационные платы, позволяющие быстро разобраться в особенностях работы той или иной микросхемы, так и готовые наборы, состоящие из приемной и передающей плат (таблица 1).

Таблица 1.  Наборы демонстрационных плат для разработки беспроводных зарядных устройств

Набор Передатчик Приемник Особенности
Плата Микросхема Плата Микросхема
DC1969A-KIT DC1968A На дискретных компонентах DC1967A LTC4120 Для разработки приемной части
DC2554A-KIT

DC2554B-KIT

DC2556A LTC4125 DC2555A-A

DC2555A-B

LT3652HV Для заряда одноэлементного литий-ионного аккумулятора током до 650 мА с зазором между катушками 3…12 мм
DC2770A-A-KIT DC2773A-B LTC4125 DC2775A-D LTC4124 Для заряда одноэлементного литий-ионного аккумулятора током до 100 мА с зазором между катушками 3…5 мм
DC2769A-A-KIT DC2771A-A LTC6990 DC2775A-A LTC4124 Для заряда одноэлементного литий-ионного аккумулятора током до 10 мА с зазором между катушками 0,5 мм
DC2386A-B DC2330A LTC4125 DC2445A-A

DC2445A-B

LTC4120 Зарядное устройство мощностью до 1,68 Вт с зазором между катушками до 12 мм
DC2181A DC1968A или PowerByProxi DC2181A LTC4120 Приемная часть зарядного устройства мощностью до 2 Вт с зазором между катушками до 10 мм

Ключевым преимуществом приобретения готовых комплектов является возможность быстрого запуска всей системы без необходимости решения вопросов пространственного и электрического сопряжения приемной и передающей частей. В большинстве случаев геометрические размеры и взаимное расположение компонентов на платах приемной и передающей частей соответствуют друг другу (рисунок 17) и оптимизированы для максимального удобства исследования и отладки системы.

Рис. 17 Демонстрационные платы набора DC2770A-B-KIT в рабочем положении

Рис. 17 Демонстрационные платы набора DC2770A-B-KIT в рабочем положении

Заключение

Передача электрической энергии беспроводным способом отличается от традиционных методов электроснабжения и имеет ряд особенностей, которые нужно в обязательном порядке учитывать при создании приложений, использующих этот метод питания. Поэтому при  разработке устройств с беспроводным питанием очень важным является наличие комплексных решений с уже реализованными специализированными функциями, позволяющих не отвлекаться на стандартные вопросы, а сосредоточить все усилия на решении конкретных прикладных задач. Таким образом, использование продуктов, предлагаемых компанией Analog Devices, позволяет не только разработать устройства, отвечающие современным требованиям к беспроводным зарядным системам, но и сократить время выхода конечной продукции на рынок.

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
LTC4125EUFD#PBF (AD)
LTC4125EUFD#PBF (AD-LTC)
LTC4120EUD#PBF (AD)
LTC4120EUD#PBF (AD-LTC)
LTC4120EUD-4.2#PBF (AD)
LTC4120EUD-4.2#PBF (AD-LTC)
LTC4124EV#TRMPBF/500 pcs (AD)
LTC4124EV#TRMPBF (AD)