電池在日常設(shè)備中的使用越來越普遍。在許多這些產(chǎn)品中，充電連接器很難或不可能使用。例如，某些產(chǎn)品需要密封外殼，以保護敏感的電子設(shè)備免受惡劣環(huán)境的影響，并實現(xiàn)方便的清潔或消毒。其他產(chǎn)品可能太小而無法包含連接器，并且在電池供電應用包括移動或旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)品中，忘記用電線充電。無線充電在這些和其他應用中增加了價值、可靠性和魯棒性。

有許多方法可以無線供電。在小于幾英寸的短距離內(nèi)，通常使用電容或電感耦合。本文討論了使用電感耦合的解決方案。

在典型的電感耦合無線電源系統(tǒng)中，發(fā)射線圈產(chǎn)生交流磁場，然后發(fā)射線圈在接收線圈中感應交流電，就像典型的變壓器系統(tǒng)一樣。變壓器系統(tǒng)和無線電源系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于，氣隙或其他非磁性材料間隙將發(fā)射器和接收器分開。此外，發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合系數(shù)通常非常低。雖然變壓器系統(tǒng)中常見的耦合為0.95：1，但無線電源系統(tǒng)中的耦合系數(shù)從0.8到低至0.05不等。

圖1.LTC4125在無線電源系統(tǒng)中以103 kHz驅(qū)動24 μHz發(fā)射線圈，具有1.3 A輸入電流閾值、119 kHz頻率限制和41.5°C發(fā)射線圈表面溫度限制，LTC4120-4.2用作接收器處的400 mA單節(jié)鋰離子電池充電器。

無線電池充電基礎(chǔ)知識

無線電源系統(tǒng)由氣隙隔開的兩部分組成：發(fā)射（Tx）電路（包括發(fā)射線圈）和接收（Rx）電路（包括接收線圈）。

在設(shè)計無線動力電池充電系統(tǒng)時，一個關(guān)鍵參數(shù)是實際為電池增加能量的電量。這種接收功率取決于許多因素，包括：;

傳輸?shù)墓β柿?/p>

發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離和對齊方式，通常表示為線圈之間的耦合系數(shù)

發(fā)送和接收組件的容差

任何無線電源發(fā)射器設(shè)計的主要目標是發(fā)射電路能夠產(chǎn)生強磁場，以保證在最壞情況下提供所需的接收功率。然而，在最佳情況下，避免接收器中的熱應力和電應力同樣重要。當輸出功率要求低且耦合性高時，這一點尤其重要。一個例子是電池充電器，當電池充滿電時，接收線圈放置在發(fā)射線圈附近。

采用 LTC4125 的簡單而完整的發(fā)送器解決方案

LTC4125 發(fā)送器 IC 專為與線性功率?投資組合作為接收者;例如，LTC4120 — 一款無線電源接收器和電池充電器 IC。

LTC4125 具有簡單、強大且安全的無線電源發(fā)送器電路所需的所有功能。特別是，它能夠根據(jù)接收器負載要求調(diào)整其輸出功率，以及檢測導電異物的存在。

如前所述，無線電池充電器系統(tǒng)中的發(fā)射器需要產(chǎn)生強磁場，以保證在最壞情況下的電力傳輸條件下傳輸電力。為實現(xiàn)這一目標，LTC4125 采用一種專有的自諧振技術(shù)。

圖2.LTC4125 自諧振驅(qū)動。

LTC4125 自諧振驅(qū)動可確保每個 SW 引腳上的電壓始終與進入引腳的電流同相。參考圖2，當電流從SW1流向SW2時，開關(guān)A和C導通，而開關(guān)D和B關(guān)斷，反之亦然。采用此方法逐周期鎖定驅(qū)動頻率可確保 LTC4125 始終以其諧振頻率驅(qū)動外部 LC 網(wǎng)絡(luò)。即使連續(xù)變化的變量會影響LC諧振電路的諧振頻率，例如溫度和附近接收器的反射阻抗，也是如此。

利用這項技術(shù)，LTC4125 不斷調(diào)整集成全橋開關(guān)的驅(qū)動頻率，以匹配串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)的實際諧振頻率。通過這種方式，LTC4125 能夠在發(fā)送器線圈中高效地構(gòu)建一個大幅度的交流電流，而無需高 DC 輸入電壓，也不需要高精度的 LC 值。

LTC4125 還通過改變?nèi)珮蜷_關(guān)的占空比來調(diào)節(jié)串聯(lián) LC 網(wǎng)絡(luò)上波形的脈沖寬度。通過將占空比調(diào)整得更高，串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)中會產(chǎn)生更多的電流，因此接收器負載可以獲得更多的功率。

圖3.LTC4125 脈沖寬度掃描 — Tx 線圈中的電壓和電流隨著占空比的增加而增加。

LTC4125 執(zhí)行此占空比的周期性掃描，以找到接收器負載條件的最佳工作點。這種最佳的功率點搜索允許操作容許大氣隙和線圈未對準，同時避免在所有情況下對接收器電路產(chǎn)生熱應力和電應力過大。每次掃描之間的周期可通過單個外部電容器輕松設(shè)置。

圖1所示的系統(tǒng)可以容忍相當大的錯位。當線圈明顯未對準時，LTC4125 能夠調(diào)整產(chǎn)生的磁場強度，以確保 LTC4120 接收完整的充電電流。在圖1所示的系統(tǒng)中，可以在最遠12 mm的距離內(nèi)傳輸高達2 W的功率。

異物導電物體檢測

任何可行的無線電力傳輸電路的另一個基本特征是能夠檢測放置在發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場中的導電異物的存在。設(shè)計用于向接收器提供超過幾百毫瓦的發(fā)射電路需要能夠檢測導電異物的存在，以防止物體中形成渦流并導致不良加熱。

LTC4125 的自諧振架構(gòu)為 IC 提供了一種獨特的方法來檢測導電異物的存在。導電異物會降低串聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)中的有效電感值。這導致自諧振驅(qū)動器增加集成的全橋驅(qū)動頻率。

圖4.LTC4125 發(fā)送器 LC 槽電壓頻率在存在和不存在導電異物的情況下的比較。

圖5.LTC4125在無線電源系統(tǒng)中以103 kHz、119 kHz頻率限值和41.5°C發(fā)射線圈表面溫度限值驅(qū)動24 μHz發(fā)射線圈的示意圖，LT3652HV用作接收器上的1 A單節(jié)LiFePO4（3.6 V浮子）電池充電器

通過一個電阻分壓器來設(shè)置一個頻率限值，LTC4125 在自諧振驅(qū)動超過此頻率限值的一段時間內(nèi)將驅(qū)動脈沖寬度減小至零。以這種方式，LTC4125 在檢測到導電異物的存在時停止提供任何功率。

請注意，通過使用這種頻移現(xiàn)象來檢測導電異物的存在，可以直接與諧振電容器（C）的元件容差和發(fā)射線圈電感（L）進行權(quán)衡。對于L和C值的典型5%初始容差，該頻率限值可以設(shè)置為比典型LC值的預期固有頻率高10%，以實現(xiàn)合理靈敏的異物檢測和穩(wěn)健的發(fā)射器電路設(shè)計。但是，可以使用更嚴格的容差1%元件，頻率限值僅比典型預期固有頻率高3%，以獲得更高的檢測靈敏度，同時仍保持設(shè)計的穩(wěn)健性。

功率級靈活性和性能

通過一些簡單的電阻和電容值變化，同一應用電路可以與不同的接收器IC配對，以實現(xiàn)更高功率的充電。

由于發(fā)射電路上的高效全橋驅(qū)動器，以及接收電路的高效降壓開關(guān)拓撲，可實現(xiàn)高達70%的整體系統(tǒng)效率。該整體系統(tǒng)效率是根據(jù)發(fā)射電路的直流輸入到接收電路的電池輸出計算得出的。請注意，兩個線圈的品質(zhì)因數(shù)及其耦合對于系統(tǒng)的整體效率與電路實現(xiàn)的其余部分一樣重要。

LTC4125 中的所有這些功能都是在不發(fā)送器和接收器線圈之間實現(xiàn)任何直接通信的情況下實現(xiàn)的。這允許簡單的應用設(shè)計，涵蓋高達 5 W 的各種功率要求以及許多不同的物理線圈布置。

圖6.采用LTC4125的典型完整無線電源發(fā)送器板。

圖 6 展示了典型 LTC4125 應用電路的小尺寸及其簡單性。如前所述，大多數(shù)功能都可以使用外部電阻器或電容器進行定制。

結(jié)論

LTC?4125 是一款功能強大的新型 IC，可提供構(gòu)成安全、簡單和高效的無線電源發(fā)送器所需的所有功能。自諧振技術(shù)、最佳功率搜索和通過頻移檢測導電異物簡化了具有出色距離和對準公差的全功能無線電源發(fā)射器的設(shè)計。LTC?4125 是穩(wěn)健的無線電源發(fā)送器設(shè)計中的一款簡單而卓越的選擇。

審核編輯：郭婷