Sklenjena zanka med sprejemnikom brezžičnega polnilnika in oddajnikom brez uporabe digitalnih krmilnikov

Revija logo analog 300x84 - Sklenjena zanka med sprejemnikom brezžičnega polnilnika in oddajnikom brez uporabe digitalnih krmilnikovTa članek predstavlja metodo za sklenitev zanke med sprejemnikom in oddajnikom brez povečanja števila komponent (in dragocenega prostora) na plošči sprejemnika. Prototip zaprtozračnega nadzorovanega brezžičnega polnilnika je izdelan z uporabo LTC4125 AutoResonant ™ oddajnika in LTC4124 Li-Ion polnilnika in brezžičnega sprejemnika, ki demonstrira ta koncept.

Analog Devices, Inc.
Avtor: Wenwei Li, Aplikacijski inženir
2021-298-14

Brezžično polnjenje se vedno bolj uporablja za majhne nosljive naprave, saj odpravlja potrebo po kablih ali kakršnih koli izpostavljenih konektorjih na napravi. Za aplikacije s polnilnim tokom, nižjim kot 10 mA, krmiljenje s sklenjeno zanko med sprejemnikom brezžičnega polnilnika in oddajnikom ni potrebno, saj so izgube moči majhne.Vendar pa je za višji polnilni tok nujno, da oddajnik aktivno prilagaja svojo izhodno moč glede na zahteve sprejemnika in koeficient sklopke med obema stranema. V nasprotnem primeru bo sprejemnik morda moral odvajati dodatno moč v obliki toplote, kar bo vplivalo na uporabniško izkušnjo in ogrožalo zdravje baterije. Za sklenitev te zanke se običajno uporablja digitalna komunikacija od sprejemnika do oddajnika, vendar digitalno krmiljenje prispeva k zapletenosti celotne zasnove in povečuje velikost vezja.

Samodejno resonančni oddajnik z vhodom za nadzor delovnega cikla
LTC4125 je monolitni brezžični močnostni avtoresonančni oddajnik, ki je zasnovan tako, da poveča razpoložljivo moč sprejemnika, poveča splošno učinkovitost in zagotovi temeljito zaščito sistema za brezžično polnjenje.

LTC4125 uporablja avtoresonančni pretvornik za krmiljenje serijskega resonančnega nihajnega kroga, sestavljenega iz oddajne tuljave (LTX) in oddajnega kondenzatorja (CTX). Krmilnik avtoresonančnega pretvornika uporablja detektor prehoda skozi nič zato, da svojo frekvenco uskladi z resonančno frekvenco nihajnega kroga. Priključka SW1 in SW2 sta izhoda obeh polovičnih mostičev znotraj LTC4125. Ko SWx priključek zazna, da smer njegovega izhodnega toka prečka ničlo z negativne na pozitivno, se SWx nastavi na VIN za delovni cikel, ki je sorazmeren z ustrezno napetostjo PTHx priključka. Ko je SWx priključek nastavljen na VIN, se tok, ki teče v resonančni krog oddajnika, poveča. Zato delovni cikel vsakega krmilnika mostiča nadzoruje amplitudo toka nihajnega kroga, ki je sorazmerna z oddajno močjo. Slika 1 prikazuje valovne oblike toka in napetosti nihajnega kroga z delovnim ciklom manj kot 50%. Absolutna vrednost amplitude toka nihajnega kroga je določena s skupno impedanco nihajnega kroga, vključno z reflektirano impedanco bremena brezžičnega sprejemnika.

V tipičnem načinu LTC4125 spremlja obratovalni cikel SWx z uporabo notranjega 5-bitnega DAC-a, ki nastavi napetost PTHx na iskanje veljavnega bremena. Če FB priključek opazi določene vzorce spremembe napetosti, se spremljanje ustavi in obratovalni cikel ostane na tej ravni za nastavljivo časovno obdobje (običajno nastavljeno na približno 3 do 5 sekund). Nato se začne nov cikel spremljanja, ki ponavlja iste korake. Če se med obdobjem spremljanja stanje obremenitve spremeni, se bo LTC4125 odzval na začetku naslednjega obdobja spremljanja.

Za oblikovanje sklenjene zanke se mora oddajna moč krmilnika mostiča prilagoditi glede na krmilni vhod. Ena od značilnosti LTC4125 je, da PTHx priključek ni samo indikator delovnega cikla krmilnika mostiča, temveč ga je mogoče tudi krmiliti kot vhod za nastavitev delovnega cikla. Notranji 5-bitni DAC nastavi napetostni cilj PTHx priključka z notranjim pull-up uporom. Kot je prikazano na sliki 2, je mogoče vgraditi zunanji pull-down upor zaporedno s FET-om, da se aktivno izprazni kondenzator na PTHx priključku, s čimer se zmanjša povprečna napetost PTHx priključka. Delovni cikel PWM signala na vratih tega pull-down FET-a nadzoruje povprečno napetost na PTHx priključku.

LTC4125 je zasnovan tako, da do ustreznega sprejemnika oddaja več kot 5 W. Ko je seznanjen z LTC4124 sprejemnikom, se lahko oddajna moč zmanjša z deaktiviranjem enega od krmilnikov polmostiča. To naredimo tako, da pustimo SW2 priključek odprt in PTH2 priklopimo na GND. Nato lahko oddajni resonančni krog povežemo med SW1 priključkom in GND. Na ta način LTC4125 postane polmostični oddajnik, ki omogoča nižje ojačenje in širši obseg nadzora na PTH1 priključku.

Generajte povratni signal od sprejemnika brezžičnega polnilnika z uporabo LTC4124
LTC4124 je visoko integriran 100 mA brezžični Li-Ion polnilnik, zasnovan za prostorsko omejene aplikacije. Vključuje učinkovit brezžični krmilnik napajanja, vgrajen linearni polnilnik baterij, ki ga je mogoče programirati s priključkom, in idealen PowerPath ™ diodni krmilnik.

Brezžični močnostni krmilnik v LTC4124 se prek ACIN priključka poveže z vzporednim resonančnim krogom, kar linearnemu polnilniku omogoča brezžično sprejemanje energije iz izmeničnega magnetnega polja, ki ga ustvarja oddajna tuljava. Ko LTC4124 prejme več energije, kot jo potrebuje za polnjenje baterije s programirano hitrostjo, se vhodni kondenzator linearnega polnilnika na VCC priključku napolni in tako absorbira dodatno energijo. Ko napetost VCC priključka doseže 1,05 V nad napetostjo akumulatorja, VBAT, brezžični krmilnik napajanja zaduši resonančni krog sprejemnika, dokler VCC ne pade nazaj na 0,85 V nad VBAT. Na ta način je linearni polnilnik zelo učinkovit, saj je njegov vhod vedno malo nad izhodom.

Dogodek dušenja LTC4124 prav tako zmanjša odbojno impedanco obremenitve na oddajnem resonančnem krogu, kar povzroči povečanje amplitude toka in napetosti oddajnega nihajnega kroga. Ko dogodek dušenja kaže, da sprejemnik dobiva dovolj moči od oddajnika, lahko naraščanje največje napetosti oddajnega nihajnega kroga služi kot povratni signal za oddajnik za uravnavanje njegove izhodne moči.

Demodulirajte signal povratne vezave in sklenite zanko
Zdaj, ko je signal povratne vezave s strani sprejemnika na voljo na strani oddajnika, je treba ta signal prevesti in pripeljati v krmilni vhod oddajnika, da sklene zanko. Vršno napetost nihajnega kroga lahko dobimo iz polvalnega usmernika, sestavljenega iz diode in CFB1 kondenzatorja, kot je prikazano na sliki 6. To napetost nadalje delita upora RFB1 in RFB2. Da bi zaznali spremembo največjega toka, je signal najvišje napetosti poprečen preko nizkopasovnega filtra, ki ga tvorita upor (RAVG) in kondenzator (CAVG). S primerjavo tega poprečnega signala z izvirnim signalom največje napetosti lahko ustvarimo kvadratni signal. Ta signal se nato vodi v krmilni vhod delovnega cikla LTC4125 za uravnavanje izhodne moči oddajnika.

Ko sprejemnik ne dobiva dovolj energije, mora LTC4125 povečati svojo izhodno moč. To lahko dosežemo z nastavitvijo notranjega cilja napetosti za PTHx priključek. Notranji napetostni cilj lahko nastavite z PTHM priključkom, saj nastavi začetni 5-bitni nivo DAC napetosti pred začetkom iskalnega obdobja LTC4125. Na IMON priključek je možno priključiti 1V referenčno napetost, da onemogočite iskanje, pri čemer med delovanjem zadržite ciljno napetost PTHx priključka na začetni vrednosti. Če sprejemnik LTC4124 zahteva več moči, se dogodek dušenja ustavi in FET za praznjenje PTHx ne bo aktiviran. Napetost na PTHx se bo dvigovala proti notranjemu napetostnemu cilju, dokler LTC4124 ne dobi dovolj moči za začetek dušenja.

Največja oddajna moč je določena z merjenjem napetosti na PTHx priključku, ko sprejemnik uravnava največji polnilni tok pri najslabšem položaju koeficienta sklopke v aplikaciji. Napetost na PTHM priključku mora biti nastavljena tako, da ustreza največji zahtevani moči oddajanja.

Značilnosti in zmogljivost LTC4124 in LTC4125 brezžičnega polnilnika s sklenjeno zanko
Na sliki 7 je prikazana celotna shema oddajnika s sklenjeno zanko, ki temelji na LTC4125, in 100 mA sprejemnika na osnovi LTC4124. Kot je prikazano v shemi, je na strani sprejemnika potrebno zelo malo komponent, kar zniža stroške in zmanjša prostornino sprejemnika. Na strani oddajnika se v primerjavi s tipičnimi aplikacijami LTC4125 za dosego nadzora v sklenjeni zanki uporablja le nekaj dodatnih komponent. Večina LTC4125 funkcij je ohranjenih, vključno s samodejnim preklapljanjem, drugačnimi metodami detekcije, zaščito pred previsoko temperaturo in zaščito pred prenapetostjo resonančnega kroga. Podrobnosti o teh funkcijah najdete v podatkovnem listu za LTC4125.

LTC4125 oddajnik s sklenjeno zanko lahko dinamično prilagodi svojo izhodno moč tako, da ustreza moči sprejemnika. Slika 8 prikazuje obnašanje tega brezžičnega polnilnika, ko se sprejemna tuljava odmakne od središča oddajne tuljave in nato hitro premakne nazaj v prvotni položaj. Izhodna moč oddajnika LTC4125, ki je označena z najvišjo napetostjo VTX_PEAK oddajnega nihajnega kroga, se gladko odziva na spremembo koeficienta sklopke med obema tuljavama, da ohrani konstantni tok.
Med prehodnim pojavom polnilnega toka se dušenje LTC4124 ustavi, kar LTC4125-ju omogoči, da notranje napolni svoj PTH1 priključek. Kot rezultat LTC4125 poveča svoj delovni cikel krmilnika polmostiča, da poveča prenosno moč. Ko je oddajna moč dovolj velika, da LTC4124 uravnava svoj polnilni tok, se dušenje nadaljuje in delovni cikel ostane na optimalni ravni. Med padcem prehodnega pojava polnilnega toka se LTC4124 veliko pogosteje duši. LTC4125 hitro izprazni kondenzator na svojem PTH1 priključku, da zmanjša delovni cikel in zmanjša prenosno moč LTC4125.
Ker se moč oddajanja vedno ujema z zahtevami sprejemnika, se splošna učinkovitost močno izboljša v primerjavi s tipičnimi konfiguracijami brezžičnega polnilnika na osnovi LTC4124 in LTC4125 brez nadzora v sklenjeni zanki. Krivulja učinkovitosti je gladka brez notranjih DAC korakov v postopku iskanja optimalne moči LTC4125. Ker se izguba moči močno zmanjša, LTC4124 polnilnik in baterija ostaneta v času polnjenja blizu sobne temperature.

Zaključek
LTC4125 lahko nastavimo kot prilagodljiv oddajnik s krmilnim vhodom. Dogodek dušenja LTC4124 sprejemnika brezžičnega polnilnika lahko uporabite za oddajanje povratnega signala oddajniku. Ta povratni signal je nato mogoče demodulirati s polvalnim usmernikom, napetostnim delilnikom, nizkopasovnim filtrom in primerjalnikom. Nato se obdelani signal lahko dovede v LTC4125 oddajnik, ki mu lahko krmilimo moč in tako sklene krmilno zanko. Za dokazovanje tega koncepta je bil izdelan prototip.

Ta prototip se hitro in gladko odziva na spremembo sklopnega koeficienta in polnilnega toka. Ta metoda končnim uporabnikom omogoča, da sprejemnik postavijo na oddajnik z višjo stopnjo neusklajenosti, ne da bi skrbeli, ali bo sprejemnik dobil potrebno moč. Poleg tega ta metoda s sklenjeno zanko izboljša tudi splošno učinkovitost tako, da izhodno moč oddajnika vedno prilagodi potrebam po moči sprejemnika, tako da je celotno obdobje polnjenja veliko varnejše in zanesljivejše.

O avtorju
Wenwei Li je aplikacijski inženir za močnostne izdelke v podjetju Analog Devices v severnem Chelmsfordu, MA. Prejel je B.E. leta 2014 na univerzi Hunan v Changsha na Kitajskem, in magistriral leta 2016 na Državni univerzi Ohio v Columbusu v zvezni državi OH. Dosegljiv je na wenwei.li@analog.com.

https://www.analog.com