無線充電——可穿戴設(shè)備應(yīng)用最廣泛的充電技術(shù)

 

大多數(shù)市場數(shù)據(jù)都表明，設(shè)備兩次充電之間的可用時間長度是影響消費(fèi)者便捷式設(shè)備購買選擇的關(guān)鍵因素。由于對于連續(xù)使用的需要，可穿戴設(shè)備的電池續(xù)航時間需要超出消費(fèi)者的期望。這意味著除了集成更多傳感器和功能，可穿戴設(shè)備還需要能在兩次充電之間使用更長的時間。

 

達(dá)到此目的有兩種方法，其一是補(bǔ)充電池電量，其二則是尋找可穿戴設(shè)備充電的創(chuàng)新途徑，如能量采集或無線充電。截止目前，可穿戴設(shè)備最廣泛使用的充電技術(shù)就是無線充電技術(shù)。無線充電技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢，例如，它使易于發(fā)生故障的插頭成為多余?？梢詫⒃O(shè)備內(nèi)置在具備防潮能力的外殼中。用戶也無須忍受插入電纜的麻煩。

 

具有原邊控制和接收器的感應(yīng)式功率傳輸概念

 

另一方面，無線充電技術(shù)的種類及標(biāo)準(zhǔn)多樣。在可穿戴市場興起之前，幾乎每家電源管理廠商的設(shè)備都處于各自為戰(zhàn)的狀態(tài)下，無法通用。不過近年來隨著谷歌、微軟、蘋果等公司相繼大舉進(jìn)入可穿戴市場，無線充電技術(shù)的通用性得到了很大的改觀。各大電源管理的器件及設(shè)備廠商也都拿出了符合無線電源協(xié)會規(guī)定的互操作性標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。事實上，ADI公司就為可穿戴設(shè)備提供了廣泛的電源管理組合，包括無線充電的可穿戴設(shè)備電源解決方案。

 

如何解決高效與散熱難題？這里有DHC方法論

 

LTC4120，這是一款無線功率接收器和電池充電器。該器件集成了已獲專利的動態(tài)協(xié)調(diào)控制(Dynamic Harmonization Control，簡稱DHC)技術(shù)實現(xiàn)了高效率非接觸式充電，而且在接收器中不會產(chǎn)生熱量或電氣負(fù)擔(dān)過重問題。采用這種技術(shù)，可以通過長達(dá)1.2cm 的距離傳送高達(dá)2W功率。然而，對單節(jié)鋰離子(Li-Ion)電池而言，最高充電電壓為4.2V，最大充電電流為400mA，這將使DHC技術(shù)的傳送功率限制到1.7W。類似地，2W最大功率將兩節(jié)鋰離子電池(8.4V最高充電電壓) 的充電電流限制到240mA。

 

 

功率、效率、距離和尺寸的大小決定了系統(tǒng)性能，因此，基于LTC4120的無線電源系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)使用幾種可選發(fā)送器的其中一款時，通過長達(dá)1.2cm的距離在電池端接收高達(dá)2W的功率。視所采用方法和組件的不同而不同，效率計算結(jié)果會有很大變化。在基于LTC4120的系統(tǒng)中，一般情況下，電池會接收 45%~55% 饋送到發(fā)送器的DC輸入功率。

 

LTC4120中嵌入的DHC調(diào)諧技術(shù)與其他無線電源解決方案相比有一些顯著優(yōu)勢。為了響應(yīng)環(huán)境和負(fù)載變化，DHC動態(tài)改變接收器上諧振儲能電路的諧振頻率。DHC在允許更長傳送距離的同時，實現(xiàn)了更高的功率傳送效率，從而使接收器尺寸能夠更小。顯然，DHC解決了所有無線電源系統(tǒng)的基本問題。所有系統(tǒng)都必須設(shè)計為通過給定最長傳送距離接收一定量的功率，所有系統(tǒng)也都必須設(shè)計為在最短傳送距離時能夠承受無負(fù)載情況而不被損壞。其他同類解決方案用復(fù)雜的數(shù)字通信系統(tǒng)解決這一問題，但增加了復(fù)雜性和成本，限制了功率傳送距離，而基于LTC4120的無線電源系統(tǒng)用DHC技術(shù)簡便地解決了這一問題。

 

探尋良好保護(hù)、緊湊的無線充電器接收器解決方案——

 

繼LTC4120之后，ADI又發(fā)布了多款新型無線充電器，其中包括LTC4126，該芯片是帶有1.2 V無電感DC-DC轉(zhuǎn)換器的全功能7.5 mA 無線鋰離子電池充電器，設(shè)計用于助聽器、無線耳機(jī)和其他需要無線充電的空間受限可穿戴產(chǎn)品。與基于 LTC6990的ZVS 單晶體管發(fā)射器組合使用，可獲得完整的無線充電解決方案。

 

LTC4126的設(shè)計高度集成，只需幾個外部組件即可創(chuàng)建完整的無線充電器接收器解決方案，可將整個設(shè)計安裝在助聽器或耳塞的內(nèi)部（直徑為6 mm 的應(yīng)用板）。

 

具有集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器和充電器狀態(tài)輸出的完整6 mm直徑無線電池充電器接收器

 

LTC4126充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器（充電泵DC-DC轉(zhuǎn)換器具有三種操作模式，具體取決于電池電壓，以提高整體效率）具有一個無線功率控制器，使其能夠從發(fā)射線圈（LTC6990）產(chǎn)生的交流磁場無線接收功率。無線功率控制器將接收器端諧振電路的交流電壓整流成VCC引腳的直流電壓。此直流電壓饋入線性充電器，線性充電器再調(diào)節(jié)對電池的充電。

 

如果LTC4126接收的能量超出所需能量，無線功率控制器通過將接收器諧振電路分流接地來調(diào)節(jié)線性充電器的輸入VCC。這樣，線性充電器將高效運(yùn)行，因為其輸入正好保持在電池電壓VBAT之上。接合分流電路時，諧振電路也會接收較少的功率，因為諧振頻率與發(fā)射器頻率失調(diào)。

 

 

同時LTC4126中的集成式恒流(CC)/恒壓(CV)線性鋰離子電池充電器可通過一組完整的保護(hù)功能確保充電周期正常運(yùn)行，包括安全計時器的自動充電和自動終止、不良電池檢測和超出溫度范圍充電暫停功能。LTC4126包括可傳遞至系統(tǒng)微控制器的充電器狀態(tài)和電池電壓電平信號。

 

下圖為使用LTC6990作為振蕩器來驅(qū)動低功率晶體管的簡單諧振電路。為實現(xiàn)ZVS操作，發(fā)射器諧振回路頻率設(shè)置為振蕩頻率的1.29倍。通過這種方式，大幅減少了開關(guān)損耗，并提高了整體無線充電效率。此發(fā)射器只需幾個組件，并可安裝在小型外殼中。

 

具有單晶體管ZVS發(fā)射器和LTC4126接收器的完整無線充電解決方案

 

結(jié)論

 

事實上，可穿戴設(shè)備的發(fā)展才剛剛起步，業(yè)界有許多的創(chuàng)新，遍及硬件設(shè)計和軟件體驗。目前市場關(guān)注的焦點雖然主要在消費(fèi)市場，但在商業(yè)與工業(yè)應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備在例如瓦斯檢測、輔助物流管理等許多地方也已經(jīng)開始嶄露頭角?？梢灶A(yù)見的是，未來可穿戴設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的進(jìn)一步結(jié)合將具有非常大的發(fā)展?jié)摿Γ鵁o線充電解決方案性能的繼續(xù)優(yōu)化將為便攜產(chǎn)品增加更多的市場和應(yīng)用潛能。

 

 

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