沒有電池的應(yīng)用,是否可以采用無線供電?
發(fā)布時間:2021-06-04 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】沒有電池的應(yīng)用,是否可以采用無線供電?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。
圖片圖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。可充電電池位于接收端,只要有發(fā)射端,就可對其進行無線充電。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行,也可脫離充電器運行。
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
c)穩(wěn)壓器輸出端。
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)。如果該遠程傳感器僅需要用戶在其附近時給出讀數(shù),則可按需進行無線供電。
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并無任何獨特之處。
圖3. WPT采用LTC3588-1提供穩(wěn)定的3.3 V電壓軌。
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分流器,可在VIN電壓上升至20 V時,提供高達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之前就達到了接收線圈的開路電壓(VOC),則后端電路受到保護,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,遠低于輸入保護分流電壓(見圖4)。
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功能。
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