Питание безбатарейных приложений беспроводной энергией

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2020

Mark Vitunic, Analog Devices

Analog Dialogue

Вопрос:

В моем приложении нет батареи. Возможно ли питать его без подключения проводов?

Ответ:

Да, конечно – имеется простое интегральное малопотребляющее решение, уже изначально разработанное для сбора энергии.

Система беспроводной передачи энергии (БПЭ) состоит из двух частей, разделенных воздушным промежутком: схемы передатчика (Tx) с передающей катушкой и схемы приемника (Rx) с приемной катушкой (Рисунок 1). Как и в обычной трансформаторной системе, переменный ток, генерируемый в передающей катушке, через магнитное поле индуцирует переменный ток в приемной катушке. Однако, в отличие от типичной трансформаторной системы, связь между первичной стороной (передатчиком) и вторичной (приемником) обычно очень слаба. Это связано с немагнитным материалом зазора (воздух).

Рисунок 1.	Использование повышающего драйвера светодиодов с выводом LEVEL, дополняющим вывод EN, и добавление к схеме драйвера RC фильтра нижних частот (R4-C3) уменьшает пульсации тока.

Большинство используемых сегодня приложений беспроводной передачи энергии предназначено для устройств беспроводной зарядки. Аккумуляторная батарея находится на стороне приемника и заряжается без проводов до тех пор, пока рядом присутствует передатчик. После завершения зарядки и последующего извлечения аккумулятора из зарядного устройства аккумулятор питает конечное приложение. Нисходящие нагрузки могут быть подключены либо непосредственно к аккумулятору, либо опосредствованно через идеальный диод PowerPath, либо к выходу питающегося от аккумулятора регулятора, интегрированного в микросхему зарядного устройства. Во всех трех сценариях (см. Рисунок 2) конечное приложение может работать как при включенном, так и при выключенном зарядном устройстве.

Рисунок 2.	Приемник беспроводной энергии с нисходящей нагрузкой, подключенной а) к аккумулятору, б) к идеальному диоду PowerPath, в) к выходу стабилизатора.

Но что, если какое-то приложение вообще не имеет батареи, а вместо нее требуется только шина стабилизированного напряжения, существующего лишь во время поступления беспроводной энергии? Примеры таких приложений в большом количестве имеются в удаленных датчиках, приборах учета, средствах автомобильной и медицинской диагностики. Например, если удаленный датчик не нуждается в постоянном питании, то в нем не должно быть батареи, которую необходимо либо периодически заменять (если это первичный элемент), либо заряжать (если это аккумулятор). Если информация из этого удаленного датчика нужна только тогда, когда пользователь находится рядом с ним, то в нужный момент датчику можно передать беспроводную энергию.

Теперь перейдем к микромощному источнику питания на основе микросхемы LTC3588-1. Несмотря на то, что изначально LTC3588-1 была разработана для приложений сбора энергии, питаемых от преобразователей (например, пьезоэлектрических, солнечных и т. д.), она также может использоваться для беспроводного питания. На Рисунке 3 показано законченное решение – передатчик плюс приемник беспроводной энергии, – в котором использована микросхема LTC3588-1. На передающей стороне используется простой передатчик без обратной связи, основанный на микросхеме генератора LTC6992 семейства TimerBlox. Задающая частота f_DRIVE рассматриваемой схемы установлена равной 216 кГц, что ниже резонансной частоты LC-контура (f_{LC_TX}), которая составляет 266 кГц. Точное соотношение f_{LC_TX} и f_DRIVE лучше всего определить опытным путем с целью минимизации коммутационных потерь в M1 из-за переключения транзистора при нулевом напряжении. Подход к конструированию передающей стороны в отношении выбора катушки и рабочей частоты ничем не отличается от того, что используется для других решений БПЭ, то есть, наличие на приемной стороне микросхемы LTC3588-1 не привносит никакой уникальной специфики.

Рисунок 3.	Система беспроводной передачи энергии на основе LTC3588-1 для питания шины стабилизированным напряжением 3.3 В

Резонансная частота LC-контура на приемной стороне (f_{LC_RX}) установлена равной задающей частоте 216 кГц. Поскольку многие приложения сбора энергии требуют выпрямления переменного напряжения в постоянное (как и в случае БПЭ), в LTC3588-1 уже есть интегрированный выпрямитель, позволяющий подключать приемную катушку непосредственно к выводам PZ1 и PZ2 микросхемы. Выпрямитель широкополосный; его рабочий диапазон превышает 10 МГц. Аналогично выводу V_CC у микросхем LTC4123/ LTC4124 /LTC4126, вывод V_IN у LTC3588-1 регулируется до уровня, подходящего для питания нагрузки, подключенной к ее нисходящему выходу. В случае LTC3588-1 вместо зарядного устройства выходом служит гистерезисный понижающий DC/DC преобразователь. С помощью двух управляющих входов можно установить четыре значения выходного напряжения: 1.8 В, 2.5 В, 3.3 В и 3.6 В, для каждого из которых максимальный непрерывный выходной не должен превышать 100 мА. Емкость выходного конденсатора можно выбрать такой, чтобы работать с более высокими кратковременными бросками тока, при условии, что средний выходной ток не будет превышать 100 мА. Конечно, возможность получения полного выходного тока 100 мА зависит от соответствующих размеров передатчика, параметров пары катушек и степени их связи.

Рисунок 4.	Зависимость максимального отдаваемого тока от расстояния между катушками при выходном напряжении 3.3 В.

Если потребляемая нагрузкой мощность меньше мощности, доступной на входе БПЭ, напряжение V_IN будет увеличиваться. Хотя LTC3588-1 имеет встроенный защитный шунт на стабилитроне, способный принимать ток до 25 мА в случае повышения напряжения V_IN до 20 В, эта функция может оказаться ненужной. Когда напряжение V_IN увеличивается, пиковое переменное напряжение на приемной катушке также увеличивается в соответствии с падением количества энергии, доставляемой в LTC3588-1. Если напряжение холостого хода приемной катушки устанавливается до того, как V_IN поднимется до 20 В, нисходящая схема защищается без рассеивания тепла в микросхеме приемника.

Результаты тестов:
Для показанной на Рисунке 3 схемы с воздушным промежутком 2 мм измеренный максимальный отдаваемый выходной ток при напряжении 3.3 В составил 30 мА, а измеренное напряжение холостого хода V_IN – 9.1 В. При ширине воздушного зазора, близком к нулю, максимальный отдаваемый выходной ток увеличился приблизительно до 90 мА, в то время как напряжение холостого хода V_IN выросло только до 16.2 В, что значительно ниже допустимого напряжения входного защитного шунта (Рисунок 4).

Безбатарейным приложениям, где доступен беспроводной источник питания, LTC3588-1 предоставляет простое комплексное решение для поддержки слаботочной шины со стабилизированным напряжением и полной защитой входа.

Материалы по теме