無線充電——可穿戴設備應用最廣泛的充電技術(shù)

 

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

 

達到此目的有兩種方法，其一是補充電池電量，其二則是尋找可穿戴設備充電的創(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式功率傳輸概念

 

另一方面，無線充電技術(shù)的種類及標準多樣。在可穿戴市場興起之前，幾乎每家電源管理廠商的設備都處于各自為戰(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)定的互操作性標準的產(chǎn)品。事實上，ADI公司就為可穿戴設備提供了廣泛的電源管理組合，包括無線充電的可穿戴設備電源解決方案。

 

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)生熱量或電氣負擔過重問題。采用這種技術(shù)，可以通過長達1.2cm 的距離傳送高達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)設計當使用幾種可選發(fā)送器的其中一款時，通過長達1.2cm的距離在電池端接收高達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。為了響應環(huán)境和負載變化，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)也都必須設計為在最短傳送距離時能夠承受無負載情況而不被損壞。其他同類解決方案用復雜的數(shù)字通信系統(tǒng)解決這一問題，但增加了復雜性和成本，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、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，設計用于助聽器、無線耳機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，可將整個設計安裝在助聽器或耳塞的內(nèi)部（直徑為6 mm 的應用板）。

 

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功能確保充電周期正常運行，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，遍及硬件設計和軟件體驗。目前市場關(guān)注的焦點雖然主要在消費市場，但在商業(yè)與工業(yè)應用中，可穿戴設備在例如瓦斯檢測、輔助物流管理等許多地方也已經(jīng)開始嶄露頭角?？梢灶A見的是，未來可穿戴設備與物聯(lián)網(wǎng)應用的進一步結(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用潛能。

 

 

推薦閱讀：