Langattoman latausratkaisun nopea ja kustannustehokas lisääminen tilarajoitteisiin ja suljettuihin laitteisiin

Pienten tiivistettyjen/suljettujen langattomien laitteiden kysynnän kasvu vaatii tehokkaampia latausratkaisuja. Perinteiset latausmenetelmät eivät ole loppukäyttäjien kannalta tyydyttäviä, aiheuttavat haasteita tilarajoitteisissa laitteissa ja soveltuvat huonosti vaativiin ympäristöihin. Vaikka langaton lataus ratkaiseekin monia näistä ongelmista, saatavilla olevat ratkaisut eivät täytä näiden laitteiden integrointi-, teho- ja hyötysuhde/tehokkuusvaatimuksia.

Tässä artikkelissa käsitellään tarvetta parantaa latausratkaisujen tilarajoitteisissa ja tiivistetyissä/suljetuissa laitteissa. Siinä esitellään sen jälkeen Analog Devices -yrityksen monipuolinen langaton latausratkaisu ja osoitetaan, miten kehittäjät voivat toteuttaa sen avulla helposti sopivan, turvallisen ja tehokkaan lataussovelluksen.

Kasvava tehokkaampien latausratkaisujen kysyntä

Entistä kompaktimpien puettavien elektroniikkalaitteiden, kuten kuulokkeiden, korvakuulokkeiden ja kuntoilulaitteiden, kysynnän kasvu lisää sellaisten latausratkaisujen tarvetta, jotka täyttävät näiden sovellusten fyysiset kokorajoitukset ja takaavat suljettujen laitteiden eheyden erilaisissa käyttöympäristöissä. Perinteiset fyysisiin liittimiin perustuvat latausmenetelmät eivät täytä näitä vaatimuksia, koska ne altistuvat kulumiselle ja ympäristötekijöille, kuten pölylle ja kosteudelle. Tämän seurauksena langattomista lataustekniikoista on tullut enemmän kuin uusi ominaisuus, niistä on tullut tämän tuoteluokan perusvaatimus.

Langattomat tehonsiirtojärjestelmät (WPT) poistavat ulkoisten latausporttien tarpeen ja tarjoavat siten potentiaalisen ratkaisun, sillä ne toimivat latauslähteen ja suljetun laitteen välisen ilmavälin ylitse. Tehokkaiden langattomien tehonsiirtoratkaisujen suunnitteluun liittyy kuitenkin käytännössä monia teknisiä haasteita, kuten tehonsiirron hyötysuhde, virheiden käsittely sekä akun- ja lämmönhallinta. Tilanpuutteen asettamat rajoitukset mutkistavat asioita lisää.

Pitkälle integroidut laitteet yksinkertaistavat langattomien tehonsiirtoratkaisujen suunnittelua

Langaton litiumionilaturi Analog Devices LTC4124 ja langaton virtalähetin LTC4125 on kehitetty suunnittelijoiden avuksi täyttämään tilarajoitteisten ja suljettujen laitteiden korkeat integrointi-, teho- ja hyötysuhdevaatimukset.

Vain 2 × 2 millimetrin kokoiseen ja 0,74 mm korkeaan LQFN-koteloon rakennettu LTC4124 sisältää kaikki toiminnot, jotka tarvitaan litiumioniakun lataamiseen valittavissa olevalla latausvirralla, joka voi olla jopa 100 milliampeeria (mA) (kuva 1).

Kuva 1: Langaton litiumionilaturi LTC4124 yksinkertaistaa langattoman tehonsiirron toteutuksia kattavien toimintojensa ansiosta. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Laite voi toimia itsenäisenä litiumioniakkujen laturina ilman lisäkomponentteja siihen integroitujen kattavien lataustoimintojen ansiosta. Sen monipuolisia nastojen kautta ohjelmoitavia lineaarisia CC/CV-akkulataustoimintoja (vakiovirta/vakiojännite) täydentävät turva-ajastin, viallisen akun tunnistus sekä automaattinen uudelleenlataus.

LTC4124-laturin sisältämä katkaisutoiminto katkaisee yhteyden akkuun sen varaustason laskiessa liian alhaiseksi. Tämä suojelee akkuja estämällä matalan varaustason akkua purkautumasta lisää, sillä tämä lyhentäisi akun kestoikää. Katkaisutoiminto kytkee LTC4124-laturin pois päältä, jos tulovirtaa ei ole saatavilla ja akun jännite laskee alle tietyn vähimmäisarvon. Kun laturi kytketään pois päältä, se avaa katkaisukytkimen (M3 kuvassa 1), jolloin akun purkautuminen estyy. LTC4124-laturin kuljetustilatoiminto estää akun purkautumisen, kunnes sen ACIN- tai DCIN-nastaan kytketään virta.

Jos LTC4124-laturiin yhdistetään NTC (Negative Temperature Coefficient) -termistori ja valodiodi (LED), se voidaan konfiguroida estämään lataaminen, jos akun lämpötila on liian korkea, ja se voi lisäksi ilmaista lataustilan visuaalisesti (kuva 2).

Kuva 2: Kehittäjät voivat toteuttaa lämpötilaa valvovan laturin visuaalisella lataustilan ilmaisimella yhdistämällä LTC4124-laturiin vain kaksi komponenttia, ledin ja NTC-vastuksen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kehittäjät voivat laajentaa helposti tätä perusrakennetta ja luoda langattoman tehonsiirtojärjestelmän vastaanotinpuolen liittämällä ulkoisen, rinnakkaisen induktori-kondensaattorin (LC) resonanssitankkipiirin LTC4124-laturin ACIN-nastaan. Tämä lähestymistapa tarjoaa Analog Devices LTC4125 -lähettimeen yhdistettynä kattavan 100 mA:n langattoman tehonsiirtoratkaisun (kuva 3).

Kuva 3: LTC4125-lähetin ja LTC4124-laturi muodostavat kompaktin 100 mA:n langattoman tehonsiirtoratkaisun. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTC4125-lähetin on LTC4124-laturin tavoin pitkälle integroitu laite, joka on suunniteltu erityisesti langattomiin tehonsiirtosovelluksiin. Se toimitetaan QFN-kotelossa, jonka mitat ovat 5 × 4 × 0,75 mm, ja se voi syöttää yli 5 wattia 3–5 voltin jännitteellä (kuva 4).

Kuva 4: Langaton teholähetin Analog Devices LTC4125 sisältää kaikki toimilohkot, jotka tarvitaan yli 5 watin tehon syöttämiseen oikein viritettyyn vastaanottimeen. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämän laitteen ytimenä toimii Analog Devices -yrityksen oma AutoResonant-tekniikka, joka tunnistaa ja sovittaa automaattisesti sen kytkentänastoihin (SW1 ja SW2) liitetyn LC-sarjapiirin resonanssitaajuuden. AutoResonant-tekniikalla on lähetystehon optimoinnin lisäksi ratkaiseva merkitys vieraiden esineiden tunnistuksessa. Kun lähetyskäämin lähelle asetetaan vieras esine, käämin tehollinen induktanssi pienenee merkittävästi ja LTC4125-lähettimen ohjaustaajuus kasvaa. Kuten jäljempänä todetaan, tämä ohjaustaajuuden kasvu ilmaisee vieraan esineen läsnäolon.

Langattoman tehonsiirron optimointi

LTC4124-laturin vastaanottimeen integroitu langaton tehonhallinta tasasuuntaa vaihtelevan magneettikentän AC-jännitteen, jonka langattoman tehonsiirtojärjestelmän lähetin-vastaanotinparin lähetinpuolen lähetyskäämi synnyttää langattoman tehonsiirron aikana. LTC4124-laturin langaton tehonhallinta pitää integroidun komparaattorin (CP1) ja kytkimien (SW1 ja SW2) avulla tasasuunnatun jännitteen V_CC-nastassa hieman akun jännitteen (V_BATT) yläpuolella ja johtaa resonanssitankkipiirin maahan silloin, kun se vastaanottaa enemmän energiaa kuin mitä akun lataamiseen tarvitaan.

Tämän mekanismin poisjohtama teho voi kuitenkin lisätä laitteen lämpökuormaa. LTC4125-lähetin tarjoaa suoremman mekanismin vastaanottimen vastaanottaman energiamäärän vähentämiseksi,

nimittäin optimaalisen tehon hakutoiminnon. Samalla kun LTC4125-lähettimen AutoResonant-tekniikka optimoi tehonjakelun, tämä hakutoiminto valvoo lähettimen lähtötehoa ja säätää sen vastaanottimen kuormaa vastaavaksi jatkuvassa hakusyklien sarjassa. LTC4125-lähetin lisää jokaisessa syklissä lähetystehoa kasvattamalla vaiheittain pulssinleveysjännitettä (V_PTH), joka on verrannollinen käämivirtaa ohjaavaan siltaan syötettyjen pulssien leveyteen. Resonanssitankin takaisinkytkentäjännitteen (V_FB) merkittävä muutos ilmaisee, että lähetysteho riittää vastaanotinkuorman täyttämiseen tai ylittämiseen. Silloin haku pysähtyy kyseiseen pulssinleveysjännitteeseen ja pitää lähettimen lähtötehotason halutulla tasolla seuraavaan hakusykliin asti (kuva 5).

Kuva 5: LTC4125-lähettimen optimaalisen tehon hakutoiminto sovittaa lähtötehon vastaanottimen kuormaan suorittamalla vaiheittaisen haun oikean lähtötason löytämiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTC4125-lähettimen optimaalisen tehon haku suorittaa jokaisen hakusyklin käyttäen kiinteää prosessimenetelmää, kunnes se tunnistaa validin poistumistilan tai jonkin useista vikatiloista (kuva 6).

Kuva 6: Kun LTC4125-lähetin suorittaa optimaalisen tehon hakualgoritmia, se kasvattaa tehoa vaiheittain, kunnes se tunnistaa validin poistumistilan tai jonkin useista vikatiloista. (Kuvan lähde: Analog Devices)

LTC4125-lähetin tunnistaa tässä prosessissa useita ennalta määriteltyjä valideja poistumistiloja, jotka ilmaisevat optimaalisen lähetystehon. Lisäksi kehittäjä voi määritellä kaksi ohjelmoitavaa poistumistilaa, mukaan lukien tulovirran kynnysarvo (V_ITH) tulovirran rajoittamiseksi ja differentiaalinen tankkijännitekynnys (DTH), jolla lähetystehoa voidaan optimoida käyttöskenaarioissa, joissa kytkentä lähetys- ja vastaanottokäämien välillä on heikko.

LTC1425-lähetin tunnistaa automaattisesti monia vikatiloja, jotka voivat heikentää tehonsiirron turvallisuutta ja tehokkuutta:

• käämilämpötilakynnyksen ylittyminen, joka määritetään sen NTC-tulonastasta mitatun NTC-jännitteen (V_NTC) mukaan
• tankkijännitteen enimmäiskynnyksen ylittyminen, joka tunnistetaan FB-nastan jännitteen V_FB>V_IN kautta
• piirin sisäisen ylilämpötilakynnyksen ylittyminen (tyypillisesti 150 °C)
• taajuuskynnyksen ylitys, mikä viittaa vieraan esineen läsnäoloon lähetyskäämin induktanssin pienenemisen ja siihen liittyvän ohjaustaajuuden nousun vuoksi
• tulovirran raja-arvon (ILIM) ylitys
• hakurampin päättyminen ilman validin poistumistilan löytymistä.

Jos laite tunnistaa jonkin näistä vikatiloista, se pysäyttää virransyötön seuraavaan hakuväliin asti.

Kehittäjille tarkoitetut ominaisuudet, kuten AutoResonant-ohjaus ja optimaalisen tehon haku, toimivat automaattisesti poistumis- ja vikatilojen mukaan. Vaikka joidenkin tilojen kynnysarvot ovat laitteessa kiinteitä, kehittäjät voivat kuitenkin hallita huomattavasti eri ominaisuuksia, joita käytetään tehoasetusten, poistumis- ja vikatilojen määrittämiseen.

Kehittäjät voivat Analog Devices DC2770A-A-KIT-esittelysarjan ja 100 mA:n DC2770A-B-KIT-esittelysarjan avulla arvioida nopeasti LTC4124-vastaanottimen ja LTC4125-lähettimen suorituskykyä ladattaessa litiumioniakkua enintään 100 mA:n virralla. Kumpikin sarja sisältää LTC4125-lähetinkortin ja LTC4124-vastaanotinkortin. Kumpikin on varustettu jumppereilla ja liitäntäpisteillä laitteen suorituskykyominaisuuksien säätöä ja tulosten monitorointia varten.

Yhteenveto

Trendi kohti kompakteja tiivistettyjä/suljettuja laitteita hankaloittaa tehokkaiden menetelmien suunnittelua niiden akkujen lataamista varten. Langaton tehonsiirto tarjoaa tehokkaan ratkaisun, mutta tehokkaiden langattomien latausratkaisuiden toteuttaminen on haastavaa. Analog Devices -yrityksen langaton virtavastaanotin ja -lähetin, joka on kehitetty ratkaisemaan nämä haasteet, yksinkertaistaa langattoman tehonsiirron toteuttamista tilarajoitteisissa ja suljetuissa laitteissa.