无线电源的无电池应用集成解决方案
mouser 2021-09-17

作者:Mark Vitunic

问题:我的应用没有电池。是否可以采用无线供电?

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答案:当然可以,可使用最初设计用于能量收集的简单的集成式纳安功耗解决方案。

无线功率传输(WPT)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)(见图1)。与典型的变压器系统非常相似,发射线圈中产生的交流电通过磁场感应在接收线圈中生成交流电。然而,与典型的变压器系统不同的是,原边(发射端)和副边(接收端)之间的耦合程度通常很低。这是由于存在非磁性材料(空气)间隙。

“图1.图1. 无线功率传输系统。

目前大多数无线功率传输应用都采用无线电池充电器配置。可充电电池位于接收端,只要有发射端,就可对其进行无线充电。充电完成后,将电池与充电器分离,可充电电池即可为终端应用供电。后端负载既可直接连接到电池,也可通过PowerPath™理想二极管间接连接到电池,或连接到充电器IC中集成的电池供电稳压器的输出端。在所有三种情况下(见图2),终端应用既可在充电器上运行,也可脱离充电器运行。

但是,如果特定应用根本没有电池,取而代之的是,当无线电源可用时,只需提供一个稳压的电压轨,那又会如何呢?在远程传感器、计量、汽车诊断和医疗诊断领域,此类应用的例子极为常见。例如,如果远程传感器无需持续供电,那么它就不需要电池,而使用电池需要定期更换(若是原电池)或充电
(若是可充电电池)。如果该远程传感器仅需要用户在其附近时给出读数,则可按需进行无线供电。

“”

图2. 无线Rx电池充电器,后端负载连接到a)电池、b)PowerPath理想二极管和c)稳压器输出端。

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图3. WPT采用LTC3588-1提供稳定的3.3 V电压轨。

我们来看LTC3588-1纳安功耗能量收集电源解决方案。虽然LTC3588-1最初为传感器(如压电、太阳能等)供电的能量收集(EH)应用而设计,但它也可用于无线电源应用。图3显示了采用LTC3588-1的完整发射端和接收端WPT解决方案。在发射端,使用基于LTC6992 TimerBlox®硅振荡器的简单开环无线发射器。在此设计中,将驱动频率设置为216 kHz,低于LC谐振电路的谐振频率266 kHz。fLC_TX与fDRIVE的精确比值最好是凭经验来确定,旨在最大程度地减小由零电压开关(ZVS)引起的M1开关损耗。关于发射端线圈选择和工作频率的设计考虑,与其他WPT解决方案没有什么不同,也就是说,在接收端采用LTC3588-1并无任何独特之处。

在接收端,将LC谐振电路的谐振频率设置为与216 kHz的驱动频率相等。鉴于许多EH应用需要进行交流到直流的整流(就像WPT一样),因此LTC3588-1已经内置了这项功能,允许LC谐振电路直接连接到LTC3588-1的PZ1和PZ2引脚。该整流为宽带整流:直流到>10 MHz。与LTC4123/LTC4124/LTC4126的VCC 引脚类似,将LTC3588-1的VIN引脚调节至适合为后端输出供电的电平。对LTC3588-1而言,是迟滞降压型DC-DC稳压器的输出而不是电池充电器的输出。可通过引脚选择四种输出电压:1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V可选,连续输出电流高达100 mA。只要平均输出电流不超过100 mA,就可以选择大小合适的输出电容来提供较高的短期突发电流。当然,要完全实现100 mA输出电流能力,还取决于是否具有适当大小的发射端、线圈对以及是否充分耦合。

如果负载需求低于支持的可用无线输入功率,则VIN电压会增加。虽然LTC3588-1集成了一个输入保护分流器,可在VIN电压上升至20 V时,提供高达25 mA的拉电流,但这个功能并非必需的。随着VIN电压上升,接收线圈上的峰值交流电压也会上升,这相当于可提供给LTC3588-1的交流量下降,而不只是在接收谐振电路中循环。如果在VIN上升至20 V之前就达到了接收线圈的开路电压(VOC),则后端电路受到保护,接收端IC中不会产生热量造成能耗。

测试结果:针对图3所示气隙为2 mm的应用,测得在3.3 V下可提供的最大输出电流为30 mA,而无负载时测得的VIN电压为9.1 V。当气隙接近为零时,可提供的最大输出电流增加至大约90 mA,而无负载时的VIN电压仅增加至16.2 V,远低于输入保护分流电压(见图4)。

“图4.图4. 在3.3 V下各种距离可提供的最大输出电流。

针对采用无线电源的无电池应用,LTC3588-1提供了一种简单的集成解决方案,可提供低电流稳压电压轨,还带有完整的输入保护功能。 

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