单片全桥式 AutoResonant 发送器 IC简化无线电池充电器设计

作者：凌力尔特公司电源产品部设计部门负责人 Eko Lisuwandi

背景信息

电池在日常设备中的使用变得越来越普及了。在很多这类产品中，充电连接器是难以或无法使用的。例如，有些产品需要密封机壳，以针对严酷环境保护敏感的电子组件，以及允许便利地清洁或消毒。另一些产品可能是因为太小而容纳不下连接器，而且如果电池供电应用包括移动或旋转部件，那么在这类应用的产品中，就不用再考虑有线充电的可能性了。在这类以及其他一些应用中，无线充电很有用，提高了可靠性和坚固性。

无线功率传送有很多方式。在不到几英寸的短距离上，常用电容或电感耦合。本文中讨论的是使用电感耦合的解决方案。

在典型的电感耦合无线功率传送系统中，AC 磁场由发送线圈产生，然后该磁场再在接收线圈中引起 AC 电流，就像一个典型的变压器系统。变压器系统与无线功率传送系统的主要差别是，在无线功率传送系统中，用空气隙或其他非磁性材料构成的间隙隔离发送器和接收器。此外，发送线圈和接受线圈之间的耦合在典型情况下是非常弱的。0.95 至 1 的耦合在变压器系统中很常见，但在无线功率传送系统中，耦合系数则在 0.8 到低至 0.05 之间。

无线电池充电的基本原理

无线功率传送系统由两部分组成，中间由空气隙隔开：发送 (Tx) 电路，包括一个发送线圈；接收 (Rx) 电路，包括一个接收线圈。

当设计无线功率传送电池充电系统时，主要参数是真正给电池增加能量的功率之大小。这一接收到的功率取决于很多因素，包括：

•    发送功率的大小；
•    发送线圈和接收线圈之间的距离和对准度，常常用两个线圈之间的耦合因数表示；
•    发送和接收组件的容限。

任何无线功率发送器设计的主要目标都是，发送电路能够产生强大的磁场，以确保在最差的功率传送条件下，提供所需接收功率。不过，同样重要的是，在最佳情况下，要避免接收器过热以及电气压力过大。当输出功率要求较低，耦合较强时，这一点尤其重要。一个例子是，电池充满电且 Rx 线圈靠近 Tx 线圈放置时的电池充电器。

用 LTC4125 实现简单但完整的发送器解决方案

发送器 IC 专为与凌力尔特产品库中多种不同电池充电器 IC 配套使用而设计，这配套器件作为接收器，例如 LTC4120，其为一款无线功率接收器和电池充电器 IC。


图 1：在一个把 LTC4120-4.2 作为接收器上的 400mA 单节锂离子电池充电器的无线功率系统中，LTC4125 在 103kHz 驱动一个 24μH 发送线圈，并采用 1.3A 输入电流门限，119kHz 频率限值和 41.5ºC 发送线圈表面温度限值

AIR GAP：空气隙
SINGLE CELL Li-Ion BATTERY PACK：单节锂离子电池包

LTC4125 提供一个简单、强大和安全的无线功率发送器电路所需的全部功能。尤其是，该器件能够按照接收器负载需求调节输出功率，以及检测传导性异物的存在。

如之前提到的那样，无线电池充电器系统中的发送器需要产生一个强大的磁场，以确保在最差功率传送条件下，提供所需接收功率。为了实现这个目标，LTC4125 采用了凌力尔特公司专有的 AutoResonant 技术。


图 2：LTC4125 AutoResonant 驱动电路

LTC4125 AutoResonant 驱动电路确保每个 SW 引脚的电压始终与进入该引脚的电流同相。参见图 2：当电流从 SW1 流向 SW2 时，开关 A 和 C 接通，开关 D 和 B 断开，反之亦然。用这种方法逐周期锁定驱动频率，可确保 LTC4125 始终以谐振频率驱动外部 LC 网络。这一点总是能够保证，即使在连续地改变影响 LC 谐振电路谐振频率的变量时也不例外，例如温度和附近接收器的反射阻抗。

运用这种技术，LTC4125 连续调节集成全桥式开关电路的驱动频率，以匹配串联 LC 网络的实际谐振频率。通过这种方式，无需很高的 DC 输入电压，也不需要精确度很高的 LC 值，LTC4125 就能够在发送器线圈中高效地产生一个幅度很大的 AC 电流。

通过改变全桥式开关电路的占空比，LTC4125 还调节串联 LC 网络波形的脉冲宽度。通过调高占空比，串联 LC 网络产生更大的电流，因此可向接收器负载提供更大的功率。


图 3：LTC4125 脉冲宽度扫描 —— 随占空比提高，Tx 线圈中的电压和电流增大

LTC4125 周期性地扫描占空比，以针对接收器负载情况找到最佳工作点。这种最佳功率点搜索在所有工作情况下都容许很大的空气隙和线圈之间较大的错位，同时避免接收器电路过热和电气压力过大。扫描周期很容易用单个外部电容器设定。

图 1 所示系统能够容许相当大的线圈错位。当线圈错位显著时，LTC4125 能够调节所产生的磁场强度，以确保 LTC4120 接收全部充电电流。在图 1 所示系统中，可以在长达 12mm 的距离上传送高达 2W 的功率。