Вэньвэй Ли (Wenwei Li)
Создаем замкнутый контур обратной связи между приемником и передатчиком беспроводного зарядного устройства без использования цифровых контроллеров
Введение
Беспроводные зарядные устройства с каждым годом получают все большее распространение на рынке небольших носимых устройств, что главным образом связано с возможностью исключения из них дополнительных кабелей и разъемов, а значит удешевлением конечного продукта и сокращением его габаритов. В тех случаях, когда ток заряда аккумулятора составляет менее 10мА необходимость наличия обратной связи между приемником заряда и передатчиком не требуется, что обусловлено низким значением рассеиваемой мощности. Однако при более высоких значениях тока заряда возникает необходимость регулировки выходной мощности передатчика в зависимости от требований приемника и коэффициента передачи. В случае отсутствия такой регулировки может возникнуть ситуация, когда приемнику придется рассеивать лишнюю энергию в виде тепла, что в конечном итоге может повлиять на работу устройства и создать риск выхода из строя аккумулятора. Организация процесса регулировки подразумевает собой создание контура обратной связи между приемником и передатчиком, который, как правило, строится на базе цифрового управления, что довольно сильно усложняет дизайн приложения и увеличивает габариты устройства.
В данной статье описывается способ организации замкнутого контура обратной связи между приемником и передатчиком без использования дополнительных цифровых контроллеров и увеличения занимаемой площади на стороне приемника. Для демонстрации будет использовано зарядное устройство, построенное на базе передатчика LTC4125 AutoResonant и приемника Li-Ion LTC4124 от компании Analog Devices.
Передатчик LTC4125 AutoResonant с возможностью настройки коэффициента заполнения
Передатчик LTC4125 построен на базе полномостового преобразователя и имеет встроенный драйвер авторезонанса. LTC4125 прекрасно подходит для решений где необходимо увеличить поток энергии, поступающей на приемник, повысить эффективность передачи и обеспечить безопасность системы беспроводной зарядки.
Использование LTC4125 подразумевает под собой включение в схему как минимум двух дополнительных компонентов, которые образуют собой резонансный контур – это передающая катушка индуктивности (transmit coil, LTX) и передающий конденсатор (transmit capacitor, CTX). Встроенный драйвер AutoResonant позволяет согласовать частоту возбуждения с резонансной частотой LC-контура посредством фиксации перехода через ноль. Контакты SW1 и SW2 передатчика являются выходами двух полумостов LTC4125. При переходе через ноль фронта импульса тока на одном из выводов SWx, напряжение на данном выводе становится равным VIN, которое пропорционально напряжению на выводе PTHx. Как только напряжение на выводе SWx установлено на VIN, ток, текущий в резонансном контуре передатчика, увеличивается. Таким образом, драйвер полумоста управляет амплитудой тока в резонансном контуре передатчика. На рисунке 1 показаны кривые тока и напряжения в резонансном контуре LTC4125 при коэффициенте заполнения менее 50%. Абсолютное значение амплитуды тока в контуре рассчитывается при учете полного сопротивления контура, включая сопротивление нагрузки беспроводного приемника.
Беспроводные зарядные устройства с каждым годом получают все большее распространение на рынке небольших носимых устройств, что главным образом связано с возможностью исключения из них дополнительных кабелей и разъемов, а значит удешевлением конечного продукта и сокращением его габаритов. В тех случаях, когда ток заряда аккумулятора составляет менее 10мА необходимость наличия обратной связи между приемником заряда и передатчиком не требуется, что обусловлено низким значением рассеиваемой мощности. Однако при более высоких значениях тока заряда возникает необходимость регулировки выходной мощности передатчика в зависимости от требований приемника и коэффициента передачи. В случае отсутствия такой регулировки может возникнуть ситуация, когда приемнику придется рассеивать лишнюю энергию в виде тепла, что в конечном итоге может повлиять на работу устройства и создать риск выхода из строя аккумулятора. Организация процесса регулировки подразумевает собой создание контура обратной связи между приемником и передатчиком, который, как правило, строится на базе цифрового управления, что довольно сильно усложняет дизайн приложения и увеличивает габариты устройства.
В данной статье описывается способ организации замкнутого контура обратной связи между приемником и передатчиком без использования дополнительных цифровых контроллеров и увеличения занимаемой площади на стороне приемника. Для демонстрации будет использовано зарядное устройство, построенное на базе передатчика LTC4125 AutoResonant и приемника Li-Ion LTC4124 от компании Analog Devices.
Передатчик LTC4125 AutoResonant с возможностью настройки коэффициента заполнения
Передатчик LTC4125 построен на базе полномостового преобразователя и имеет встроенный драйвер авторезонанса. LTC4125 прекрасно подходит для решений где необходимо увеличить поток энергии, поступающей на приемник, повысить эффективность передачи и обеспечить безопасность системы беспроводной зарядки.
Использование LTC4125 подразумевает под собой включение в схему как минимум двух дополнительных компонентов, которые образуют собой резонансный контур – это передающая катушка индуктивности (transmit coil, LTX) и передающий конденсатор (transmit capacitor, CTX). Встроенный драйвер AutoResonant позволяет согласовать частоту возбуждения с резонансной частотой LC-контура посредством фиксации перехода через ноль. Контакты SW1 и SW2 передатчика являются выходами двух полумостов LTC4125. При переходе через ноль фронта импульса тока на одном из выводов SWx, напряжение на данном выводе становится равным VIN, которое пропорционально напряжению на выводе PTHx. Как только напряжение на выводе SWx установлено на VIN, ток, текущий в резонансном контуре передатчика, увеличивается. Таким образом, драйвер полумоста управляет амплитудой тока в резонансном контуре передатчика. На рисунке 1 показаны кривые тока и напряжения в резонансном контуре LTC4125 при коэффициенте заполнения менее 50%. Абсолютное значение амплитуды тока в контуре рассчитывается при учете полного сопротивления контура, включая сопротивление нагрузки беспроводного приемника.
Рисунок 1. Графики напряжения и тока в LC -контуре с авторезонансом при значении коэффициента заполнения менее 50%.
При работе в обычном режиме, LTC4125 регулирует коэффициент заполнения импульсов тока на SWx, используя внутренний 5-битный ЦАП, который подстраивает напряжение PTHx для поиска оптимального значения мощности передачи в соответствии с параметрами нагрузки. Если на выводе FB передатчика наблюдаются определенные закономерности изменения напряжения, поиск останавливается и коэффициент заполнения остается на прежнем уровне в течение программируемого периода времени (обычно устанавливается от 3 до 5 с). Затем начинается новый цикл подстройки с повторением описанных выше шагов. В том случае если параметры нагрузки изменятся во время цикла подстройки мощности передатчика, последний ответит на это изменение в начале следующего цикла.
Для того, чтобы сформировать замкнутый контур обратной связи, мощность передатчика должна регулироваться в зависимости от некоторого сигнала управления. Одна из особенностей LTC4125 заключается в том, что вывод PTHx является не только индикатором коэффициента заполнения импульсов на SWx, но также может использоваться в качестве входа для установки данного коэффициента. 5-битный ЦАП, интегрированный в LTC4125, устанавливает напряжение на выводе PTHx с помощью внутреннего подтягивающего резистора. Однако, используя внешний резистор, включенный последовательно с полевым транзистором, как показано на рисунке 2, можно провести активный разряд конденсатора, тем самым снизив значение напряжения на выводе PTHx. Таким образом коэффициент заполнения ШИМ на затворе данного транзистора устанавливает также среднее напряжение на выводе PTHx.
Для того, чтобы сформировать замкнутый контур обратной связи, мощность передатчика должна регулироваться в зависимости от некоторого сигнала управления. Одна из особенностей LTC4125 заключается в том, что вывод PTHx является не только индикатором коэффициента заполнения импульсов на SWx, но также может использоваться в качестве входа для установки данного коэффициента. 5-битный ЦАП, интегрированный в LTC4125, устанавливает напряжение на выводе PTHx с помощью внутреннего подтягивающего резистора. Однако, используя внешний резистор, включенный последовательно с полевым транзистором, как показано на рисунке 2, можно провести активный разряд конденсатора, тем самым снизив значение напряжения на выводе PTHx. Таким образом коэффициент заполнения ШИМ на затворе данного транзистора устанавливает также среднее напряжение на выводе PTHx.
Рисунок 2. PTHx, управляемый входным сигналом ШИМ.
LTC4125 рассчитан на мощность передачи от 5 Вт и более при условии наличия соответствующего приемника. Однако использование его в паре с приемником LTC4124 позволяет уменьшить мощность передачи, отключив один из полумостовых драйверов. Для отключения необходимо оставить один из контактов SW2 висящим в воздухе, а PTH2 замкнуть на землю (GND). В результате чего LTC4125 из полномостового передатчика становится полумостовым, что позволяет обеспечить более низкий коэффициент заполнения и более широкий диапазон напряжений на выводе PTH1.
Генерация сигнала обратной связи приемника беспроводного зарядного устройства на основе LTC4124
LTC4124 – это приемник беспроводного зарядного устройства, предназначенный в первую очередь для зарядки литий-ионных аккумуляторов с током заряда до 100мА в разного рода решениях. LTC4124 обладает высокой степенью интеграции и прекрасно подходит для использования в приложениях с ограниченным свободным пространством. LTC4124 включает в себя полнофункциональное линейное зарядное устройство и контроллер управления питанием на основе технологии PowerPath.
Генерация сигнала обратной связи приемника беспроводного зарядного устройства на основе LTC4124
LTC4124 – это приемник беспроводного зарядного устройства, предназначенный в первую очередь для зарядки литий-ионных аккумуляторов с током заряда до 100мА в разного рода решениях. LTC4124 обладает высокой степенью интеграции и прекрасно подходит для использования в приложениях с ограниченным свободным пространством. LTC4124 включает в себя полнофункциональное линейное зарядное устройство и контроллер управления питанием на основе технологии PowerPath.
Рисунок 3. Пример решения для беспроводной зарядки с использованием приемника LTC4124 с занимаемым местом на плате всего 6 мм.
Приемник LTC4124 подключается к параллельному резонансному контору через вывод ACIN, тем самым организуя связь и получение заряда по беспроводной сети посредством магнитного поля, создаваемого катушкой передатчика. В тех случаях, когда LTC4124 получает энергии больше, чем это необходимо для зарядки аккумулятора, лишняя энергия уходит на заряд конденсатора зарядного устройства, подключенного на вывод VCC. Когда напряжение на контакте VCC достигнет 1,05 от значения напряжения VBAT, контроллер управления питанием LTC4124 шунтирует резонансный LC-контур на землю, пока напряжение VCC не упадет до значения 0,85 VBAT. Таким образом, входная мощность зарядного устройства аккумулятора всегда оказывается немного выше выходной, что говорит о высокой эффективности устройства.
Рисунок 4. Выпрямление входного напряжения и регулировка напряжения питания приемника LTC4124.
Шунтирование резонансного контура LTC4124 снижает сопротивление нагрузки для передатчика, что приводит к увеличению амплитуды тока и напряжения на его резонансном контуре. Так как шунтирование контура приемника на землю показывает, что значение передаваемой энергии превышает необходимое значение, рост пикового значения напряжения на контуре передатчика может служить своего рода сигналом обратной связи, который позволяет регулировать выходную мощность передатчика в соответствии с требованиями приемника.
Рисунок 5. Рост пикового значения напряжения на резонансном контуре передатчика (VTX) во время шунтирования контура приемника LTC4124 на землю.
Демодуляция сигнала обратной связи
Теперь, когда мы знаем как получить сигнал обратной связи со стороны приемника на стороне передатчика, этот сигнал необходимо преобразовать в соответствующую форму и подать на управляющий вход передатчика, подав тем самым команду контуру управления. Пиковое напряжение на LC-контуре может быть выявлено с помощью однополупериодного выпрямителя, состоящего из диода и конденсатора CFB1, как показано на рисунке 6. Напряжение дополнительно делится резисторами RFB1 и RFB2. Для получения усредненного значения пикового напряжения в схему добавлен фильтр нижних частот, образованный резистором RAVG и конденсатором CAVG. Сравнивая сигнал с усредненным значением напряжения с исходным сигналом пикового напряжения, можно сгенерировать прямоугольный импульс, который затем будет подан на вход управления LTC4125 для подстройки коэффициента заполнения и, как следствие, регулировки выходной мощности передатчика.
Теперь, когда мы знаем как получить сигнал обратной связи со стороны приемника на стороне передатчика, этот сигнал необходимо преобразовать в соответствующую форму и подать на управляющий вход передатчика, подав тем самым команду контуру управления. Пиковое напряжение на LC-контуре может быть выявлено с помощью однополупериодного выпрямителя, состоящего из диода и конденсатора CFB1, как показано на рисунке 6. Напряжение дополнительно делится резисторами RFB1 и RFB2. Для получения усредненного значения пикового напряжения в схему добавлен фильтр нижних частот, образованный резистором RAVG и конденсатором CAVG. Сравнивая сигнал с усредненным значением напряжения с исходным сигналом пикового напряжения, можно сгенерировать прямоугольный импульс, который затем будет подан на вход управления LTC4125 для подстройки коэффициента заполнения и, как следствие, регулировки выходной мощности передатчика.
Рисунок 6. Схема демодуляции сигнала обратной связи на стороне передатчика.
В тех случаях, когда приемник не получает достаточного количества энергии, необходимо увеличить выходную мощность LTC4125. Увеличение мощности может быть организовано путем установки соответствующего уровня напряжения на выводе PTHx. Целевое значение напряжения может быть установлено с помощью вывода PTHM, поскольку именно он устанавливает начальный уровень напряжения ЦАП перед началом цикла подстройки коэффициента заполнения LTC4125. Для остановки цикла подстройки коэффициента заполнения, при условии сохранения значения PTHx на прежнем уровне, необходимо подать напряжение величиной 1В на вывод IMON. Если же приемнику LTC4124 потребуется больше мощности, шунтирование контура на его стороне прекратится и разрядный полевой транзистор PTHx не будет активирован. Таким образом напряжение PTHx будет расти по направлению к уровню внутреннего целевого напряжения, пока LTC4124 не получит достаточного количества энергии для активации шунтирования резонансного контура на землю.
Напряжение на выводе PTHM должно быть установлено в соответствии с требованиями максимальной мощности передачи, которая определяется путем измерения напряжения PTHx, в тот момент, когда приемник выдает максимальный ток заряда при наихудшем значении коэффициента связи.
Характеристики и производительность беспроводного зарядного устройства с замкнутым контуром на базе LTC4124 и LTC4125
На рисунке 7 показана схема беспроводного зарядного устройства на основе передатчика LTC4125 с замкнутым контуром и приемника LTC4124 с выдаваемым током заряда 100 мА. Как видно из схемы, на стороне приемника используется достаточно небольшое количество дополнительных компонентов. На стороне передатчика в свою очередь используется несколько дополнительных компонентов, необходимых для организации управления посредством управляющего сигнала обратной связи. Функционал LTC4125 сохранен в полной мере, включая функцию авторезонанса, обнаружение посторонних предметов на линии связи, защиту от перегрева и защиту от перенапряжения на резонансом контуре. Подробную информацию об этих функциях можно найти в техническом описании передатчика LTC4125.
Напряжение на выводе PTHM должно быть установлено в соответствии с требованиями максимальной мощности передачи, которая определяется путем измерения напряжения PTHx, в тот момент, когда приемник выдает максимальный ток заряда при наихудшем значении коэффициента связи.
Характеристики и производительность беспроводного зарядного устройства с замкнутым контуром на базе LTC4124 и LTC4125
На рисунке 7 показана схема беспроводного зарядного устройства на основе передатчика LTC4125 с замкнутым контуром и приемника LTC4124 с выдаваемым током заряда 100 мА. Как видно из схемы, на стороне приемника используется достаточно небольшое количество дополнительных компонентов. На стороне передатчика в свою очередь используется несколько дополнительных компонентов, необходимых для организации управления посредством управляющего сигнала обратной связи. Функционал LTC4125 сохранен в полной мере, включая функцию авторезонанса, обнаружение посторонних предметов на линии связи, защиту от перегрева и защиту от перенапряжения на резонансом контуре. Подробную информацию об этих функциях можно найти в техническом описании передатчика LTC4125.
Рисунок 7. Схема беспроводного зарядного устройства на основе приемника LTC4124 на 100 мА и передатчика LTC4125 AutoResonant с обратной связью.
Передатчик с обратной связью LTC4125 может динамически регулировать выходную мощность в соответствии с потребляемой мощностью приемника. На рисунке 8 показано поведение приведенного выше беспроводного зарядного устройства в момент перемещения катушки приемника от центра передатчика, а затем быстрого возвращения в исходное положение.
Из рисунка видно, что выходная мощность передатчика LTC4125, которая пропорциональна пиковому напряжению резонансного контура VTX_PEAK, плавно реагирует на изменение коэффициента связи между двумя катушками, с целью поддержания постоянного значения тока заряда.
Из рисунка видно, что выходная мощность передатчика LTC4125, которая пропорциональна пиковому напряжению резонансного контура VTX_PEAK, плавно реагирует на изменение коэффициента связи между двумя катушками, с целью поддержания постоянного значения тока заряда.
Рисунок. 8. Реакция беспроводного зарядного устройства на основе LTC4124 и LTC4125 с обратной связью на изменение коэффициента связи между передатчиком и приемником.
При необходимости увеличения тока заряда, шунтирование на приемнике LTC4124, производящее замыкание резонансного контура на землю, прекращается, позволяя тем самым передатчику LTC4125 увеличить напряжение на контакте PTH1. LTC4125 увеличивает коэффициент заполнения и величину передаваемой мощности. В том случае, когда значение передаваемой мощности LTC4125 становится больше необходимой для корректной работы LTC4124, шунтирование резонансного контура приемника возобновляется, тем самым вынуждая передатчик снизить значение коэффициента заполнения.
Рисунок. 9. Реакция беспроводного зарядного устройства на основе LTC4124 и LTC4125 с обратной связью на увеличение тока заряда аккумулятора.
Рисунок. 10. Реакция беспроводного зарядного устройства на основе LTC4124 и LTC4125 с обратной связью на снижение тока заряда аккумулятора.
Рисунок 11. Более детальное увеличение графиков, показанных на Рисунке 10.
Поскольку мощность, выдаваемая передатчиком, всегда соответствует требованиям приемника, общая эффективность устройства на основе LTC4124 и LTC4125 значительно повышается по сравнению с другими типичными конфигурациями беспроводных зарядных устройств без управления с обратной связью. График значения КПД при использовании замкнутого контура обратной связи имеет более гладкую форму, чем график аналогичного устройства, где мощность передатчика будет выставляться посредством поиска оптимального значения. Одним из плюсов снижения потерь мощности является то, что температура как самого зарядного устройства, построенного на базе приемника LTC4124, так и температура аккумулятора остаются близкими к комнатной температуре в течение всего процесса зарядки.
Рисунок. 12. Эффективность различных конфигураций беспроводного зарядного устройства на базе LTC4125 и LTC4124 с воздушным зазором 3,5 мм.
Заключение
При построении беспроводного зарядного устройства LTC4125 может быть сконфигурирован как передатчик с регулируемой мощностью с управляющим входом. Одним из методов организации обратной связи и получения управляющего сигнала является использование события шунтирования приемника LTC4124. Полученный управляющий сигнал необходимо демодулировать с помощью полуволнового выпрямителя, делителя напряжения, фильтра нижних частот и компаратора, после чего обработанный сигнал может быть подан в передатчик LTC4125, что позволит замкнуть контур управления. Для подтверждения данной концепции был построен прототип. Прототип быстро и плавно реагирует на изменение коэффициента связи и тока заряда.
Использование описанного в статье метода позволит конечным пользователям размещать приемник и передатчик с более высокой степенью рассогласования, не беспокоясь о том, что приемник не получит необходимую мощность. Кроме того, использование данной методики повышает общую эффективность схемы за счет согласовывая мощности передатчика с потребляемой мощностью приемника, делая тем самым процесс зарядки более безопасным и надежным.
При построении беспроводного зарядного устройства LTC4125 может быть сконфигурирован как передатчик с регулируемой мощностью с управляющим входом. Одним из методов организации обратной связи и получения управляющего сигнала является использование события шунтирования приемника LTC4124. Полученный управляющий сигнал необходимо демодулировать с помощью полуволнового выпрямителя, делителя напряжения, фильтра нижних частот и компаратора, после чего обработанный сигнал может быть подан в передатчик LTC4125, что позволит замкнуть контур управления. Для подтверждения данной концепции был построен прототип. Прототип быстро и плавно реагирует на изменение коэффициента связи и тока заряда.
Использование описанного в статье метода позволит конечным пользователям размещать приемник и передатчик с более высокой степенью рассогласования, не беспокоясь о том, что приемник не получит необходимую мощность. Кроме того, использование данной методики повышает общую эффективность схемы за счет согласовывая мощности передатчика с потребляемой мощностью приемника, делая тем самым процесс зарядки более безопасным и надежным.