《電子技術(shù)應(yīng)用》
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技術(shù)文章—采用無線電源實(shí)現(xiàn)無電池應(yīng)用

2019-07-07
關(guān)鍵詞: 無線電源 WPT

  問題:

  我的應(yīng)用沒有電池,。是否可以采用無線供電,?

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  答案:

  當(dāng)然可以,可使用最初設(shè)計用于能量收集的簡單的集成式納安功耗解決方案。

  無線功率傳輸(WPT)系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成: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)(見圖1),。與典型的變壓器系統(tǒng)非常相似,發(fā)射線圈中產(chǎn)生的交流電通過磁場感應(yīng)在接收線圈中生成交流電,。然而,,與典型的變壓器系統(tǒng)不同的是,原邊(發(fā)射端)和副邊(接收端)之間的耦合程度通常很低,。這是由于存在非磁性材料(空氣)間隙,。

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  圖1.無線功率傳輸系統(tǒng)。

  目前大多數(shù)無線功率傳輸應(yīng)用都采用無線電池充電器配置,??沙潆婋姵匚挥诮邮斩耍灰邪l(fā)射端,,就可對其進(jìn)行無線充電,。充電完成后,將電池與充電器分離,,可充電電池即可為終端應(yīng)用供電,。后端負(fù)載既可直接連接到電池,也可通過PowerPath?理想二極管間接連接到電池,,或連接到充電器IC中集成的電池供電穩(wěn)壓器的輸出端,。在所有三種情況下(見圖2),終端應(yīng)用既可在充電器上運(yùn)行,,也可脫離充電器運(yùn)行,。

  但是,如果特定應(yīng)用根本沒有電池,,取而代之的是,,當(dāng)無線電源可用時,,只需提供一個穩(wěn)壓的電壓軌,那又會如何呢,?在遠(yuǎn)程傳感器,、計量、汽車診斷和醫(yī)療診斷領(lǐng)域,,此類應(yīng)用的例子極為常見,。例如,如果遠(yuǎn)程傳感器無需持續(xù)供電,,那么它就不需要電池,,而使用電池需要定期更換(若是原電池)或充電(若是可充電電池)。如果該遠(yuǎn)程傳感器僅需要用戶在其附近時給出讀數(shù),,則可按需進(jìn)行無線供電,。

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  圖2.無線Rx電池充電器,后端負(fù)載連接到a)電池,、b)PowerPath理想二極管和c)穩(wěn)壓器輸出端,。

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  圖3.WPT采用LTC3588-1提供穩(wěn)定的3.3 V電壓軌。

  我們來看LTC3588-1納安功耗能量收集電源解決方案,。雖然LTC3588-1最初為傳感器(如壓電,、太陽能等)供電的能量收集(EH)應(yīng)用而設(shè)計,但它也可用于無線電源應(yīng)用,。圖3顯示了采用LTC3588-1的完整發(fā)射端和接收端WPT解決方案,。在發(fā)射端,使用基于LTC6992 TimerBlox?硅振蕩器的簡單開環(huán)無線發(fā)射器,。在此設(shè)計中,,將驅(qū)動頻率設(shè)置為216 kHz,低于LC諧振電路的諧振頻率266 kHz,。fLC_TX與fDRIVE的精確比值最好是憑經(jīng)驗(yàn)來確定,,旨在最大程度地減小由零電壓開關(guān)(ZVS)引起的M1開關(guān)損耗。關(guān)于發(fā)射端線圈選擇和工作頻率的設(shè)計考慮,,與其他WPT解決方案沒有什么不同,,也就是說,在接收端采用LTC3588-1并無任何獨(dú)特之處,。

  在接收端,,將LC諧振電路的諧振頻率設(shè)置為與216 kHz的驅(qū)動頻率相等。鑒于許多EH應(yīng)用需要進(jìn)行交流到直流的整流(就像WPT一樣),,因此LTC3588-1已經(jīng)內(nèi)置了這項(xiàng)功能,,允許LC諧振電路直接連接到LTC3588-1的PZ1和PZ2引腳。該整流為寬帶整流:直流到>10 MHz。與LTC4123/LTC4124/LTC4126的VCC 引腳類似,,將LTC3588-1的VIN引腳調(diào)節(jié)至適合為后端輸出供電的電平,。對LTC3588-1而言,,是遲滯降壓型DC-DC穩(wěn)壓器的輸出而不是電池充電器的輸出,。可通過引腳選擇四種輸出電壓:1.8 V,、2.5 V,、3.3 V和3.6 V可選,連續(xù)輸出電流高達(dá)100 mA,。只要平均輸出電流不超過100 mA,,就可以選擇大小合適的輸出電容來提供較高的短期突發(fā)電流。當(dāng)然,,要完全實(shí)現(xiàn)100 mA輸出電流能力,,還取決于是否具有適當(dāng)大小的發(fā)射端、線圈對以及是否充分耦合,。

  如果負(fù)載需求低于支持的可用無線輸入功率,,則VIN電壓會增加。雖然LTC3588-1集成了一個輸入保護(hù)分流器,,可在VIN電壓上升至20 V時,,提供高達(dá)25 mA的拉電流,但這個功能并非必需的,。隨著VIN電壓上升,,接收線圈上的峰值交流電壓也會上升,這相當(dāng)于可提供給LTC3588-1的交流量下降,,而不只是在接收諧振電路中循環(huán),。如果在VIN上升至20 V之前就達(dá)到了接收線圈的開路電壓(VOC),則后端電路受到保護(hù),,接收端IC中不會產(chǎn)生熱量造成能耗,。

  測試結(jié)果:針對圖3所示氣隙為2 mm的應(yīng)用,測得在3.3 V下可提供的最大輸出電流為30 mA,,而無負(fù)載時測得的VIN電壓為9.1 V,。當(dāng)氣隙接近為零時,可提供的最大輸出電流增加至大約90 mA,,而無負(fù)載時的VIN電壓僅增加至16.2 V,,遠(yuǎn)低于輸入保護(hù)分流電壓(見圖4)。

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  圖4.在3.3 V下各種距離可提供的最大輸出電流,。

  針對采用無線電源的無電池應(yīng)用,,LTC3588-1提供了一種簡單的集成解決方案,可提供低電流穩(wěn)壓電壓軌,還帶有完整的輸入保護(hù)功能,。


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