Беспроводное устройство зарядки Li-Ion аккумуляторов для носимых гаджетов

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2019

Wenwei Li, Analog Devices

Design Note

LTC4126 представляет собой полнофункциональное беспроводное зарядное устройство для литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов, отдающее ток до 7.5 мА и предназначенное для слуховых аппаратов, беспроводных наушников и других носимых продуктов ограниченного объема, требующих беспроводной зарядки. Чтобы создать законченное беспроводное зарядное устройство, микросхему LTC4126 можно объединить с однотранзисторным передатчиком на основе микросхемы LTC6990, переключающимся при нулевом напряжении (Zero Voltage Switching – ZVS).

Эффективный контроллер питания с беспроводным входом

Зарядку аккумуляторов носимых устройств все чаще делают беспроводной, что повышает удобство использования, устраняя необходимость в кабелях или открытых разъемах на носимых устройствах. DC/DC преобразователь зарядного устройства  LTC4126 оснащен беспроводным контроллером питания, позволяющим ему беспроводным путем принимать энергию от переменного магнитного поля, создаваемого передающей катушкой (например, в решении с микросхемой LTC6990). Беспроводной контроллер питания выпрямляет переменное напряжение, поступающее с резонансного контура приемной стороны, в постоянное напряжение на выводе V_CC. Это постоянное напряжение питает линейное зарядное устройство, которое регулирует заряд аккумулятора.

Когда микросхема LTC4126 принимает больше энергии, чем ей требуется, беспроводной контроллер питания регулирует входное напряжение V_CC линейного зарядного устройства, шунтируя резонансный контур на землю. Благодаря этому линейное зарядное устройство работает с высоким КПД, поскольку напряжение, поддерживаемое на его входе, лишь ненамного выше напряжения аккумулятора V_BAT (Рисунок 1). Кроме того, при подключенной шунтирующей цепочки резонансный контур принимает меньше энергии, поскольку резонансная частота отстраивается от частоты передатчика.

Рисунок 1.	Выпрямление переменного входного напряжения и стабилизация постоянного напряжения на шине питания.

Полнофункциональное линейное зарядное устройство

Интегрированное в LTC4126 устройство зарядки Li-Ion аккумуляторов, поддерживающее режимы стабилизации тока и напряжения, обеспечивает надежность циклов заряда благодаря полному набору защитных функций, включающему автоматическую перезарядку, автоматическое отключение по таймеру безопасности, обнаружение неисправного аккумулятора и приостановку зарядки при выходе температуры аккумулятора из заданного диапазона. LTC4126 формирует выходные сигналы индикатора статуса зарядки и уровня напряжения батареи, которые могут быть переданы системному микроконтроллеру.

Безындуктивный малошумящий DC/DC преобразователь

LTC4126 содержит безындуктивный интегральный DC/DC преобразователь на основе зарядового насоса, обеспечивающей стабилизированным напряжением системную нагрузку, питающуюся от батареи. Микропроцессор может управлять включением и выключением DC/DC преобразователя LTC4126 с помощью вывода EN. Альтернативно вывод EN может использоваться вместе с выводом PBEN для реализации кнопочного управления; при этом никаких дополнительных схем устранения дребезга не потребуется.

Для повышения общего КПД, преобразователь на основе зарядового насоса имеет три режима работы, зависящих от напряжения батареи (Рисунок 2).

Рисунок 2.	Зависимость теоретического максимума КПД преобразователя от напряжения батареи.

Законченная практическая схема на крошечной печатной плате

Благодаря высокоинтегрированной конструкции LTC4126, для создания законченного приемника беспроводного зарядного устройства требуется всего несколько внешних компонентов (Рисунок 3). При диаметре прикладной платы, равном 6 мм, вся конструкция может разместиться внутри слухового аппарата или в наушниках.

Рисунок 3.	Законченное беспроводное зарядное устройство на печатной плате диаметром 6 мм с интегрированным DC/DC преобразователем и индикатором статуса зарядки.

Однотранзисторный резонансный передатчик беспроводной энергии с переключением при нулевом напряжении

Рисунок 4.	Законченное решение для беспроводной зарядки с однотранзисторным ZVS-передатчиком и приемником LTC4126.

Изображенный на Рисунке 4 однотранзисторный передатчик представляет собой простую резонансную схему, основанную на генераторе LTC6990, который управляет маломощным транзистором. Чтобы обеспечить режим ZVS, резонансная частота контура устанавливается равной 1.29 частоты генератора (Рисунок 5). Благодаря этому потери переключения значительно уменьшаются, а общий КПД беспроводной зарядки увеличивается. Этот передатчик, для которого требуется лишь несколько компонентов, может быть размещен в небольшом корпусе.

Рисунок 5.	Режим переключения при нулевом напряжении. (fTX_TANK = 1.29 × fDRIVE).

Заключение

LTC4126 – это хорошо защищенный, высокоинтегрированный и исключительно компактный приемник беспроводного зарядного устройства, идеально подходящий для носимых устройств. Законченную систему беспроводной зарядки легко создать путем объединения LTC4126 (со стороны носимого устройства) с однотранзисторным ZVS-каскадом передатчика, управляемым LTC6990 (со стороны зарядной станции). Полное решение, основанное на этих устройствах, отличается низкими потерями энергии и низкой стоимостью.

Материалы по теме