作者：Stephen Evanczuk

投稿人：DigiKey 北美編輯

為了應對微型密封無線設備需求的日益增長，就需要更有效的充電解決方案。傳統充電方法無法滿足終端用戶的需求，既給空間受限型設備帶來挑戰，又不能適應惡劣環境。盡管無線充電解決了其中的許多問題，但現有解決方案仍無法滿足這些設備對集成度、功率和效率的要求。

本文將討論為空間受限型密封設備提供更強充電解決方案的必要性。然后介紹 [Analog Devices]的多功能無線充電解決方案，并展示該解決方案如何幫助開發人員輕松實現合適、安全和高效的充電。

對更有效的充電解決方案的需求在不斷增長

對耳機、入耳式設備和健身器材等較緊湊型可穿戴電子設備的需求在不斷增長，這將繼續推動對充電解決方案的需求，以適應這些應用的在物理尺寸方面的限制，并確保密封設備在不同工作環境下的完整性。依靠物理連接器的傳統充電方法易發生磨損，也會受到灰塵和濕氣等環境因素的影響，是無法滿足這些要求的。因此，無線充電技術已不僅僅是一種新功能，而是這類產品的基本要求。

無線功率傳輸 (WPT) 系統無需外部充電端口，通過在充電源和封閉設備之間的空氣間隙上運行，提供了一種潛在的解決方案。但實際上，設計有效的 WPT 解決方案面臨著諸多技術挑戰，包括功率傳輸效率、故障處理以及電池管理和熱管理。由于需要適應狹小的空間，情況也將變得更加復雜。

高度集成的設備簡化了 WPT 設計

Analog Devices 的 [LTC4124]無線鋰離子充電器和 [LTC4125]無線電源發射器旨在幫助設計人員滿足空間受限型密封器件對高集成度、高功率和高效率的要求。

LTC4124 采用尺寸僅為 2 × 2 mm、高度僅為 0.74 mm 的 LQFN 封裝，集成了以高達 100 mA 的可選充電電流為鋰離子電池充電所需的全部功能（圖 1）。

圖 1：憑借其全面的功能特性，LTC4124 無線鋰離子充電器簡化了 WPT 的實現。（圖片來源：Analog Devices）

該設備的集成充電功能全面，可用作獨立的鋰離子電池充電器，且無需額外組件。這款充電器具有全功能、引腳可編程的恒流/恒壓 (CC/CV) 線性電池充電功能，包括安全定時器終止、壞電池檢測和自動充電功能。

LTC4124 的低電量斷開功能有助于保護處于極低電荷狀態的電池，防止其進一步放電，以避免因放電而縮短電池壽命。當沒有輸入電源且電池電壓低于指定的最低值時，斷開功能會使 LTC4124 關斷。關斷時，設備會打開一個斷開開關（圖 1 中的 M3），防止電池進一步放電。利用送貨模式功能，LTC4124 可防止電池放電，直到向其 ACIN 或 DCIN 引腳供電。

LTC4124 還可配置為在電池溫度過高時阻止充電，并通過增加一個負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻和一個發光二極管 (LED) 來直觀地顯示充電狀態（圖 2）。

圖 2：開發人員只需使用兩個元件（一個 LED 和一個 NTC 電阻器）以及 LTC4124 充電器，就能實現具有可視充電狀態指示器的、完整的溫度合格型充電器。（圖片來源：Analog Devices）

通過將外部并聯電感電容 (LC) 諧振電路連接到 LTC4124 的 ACIN 引腳，開發人員可以輕松擴展這一基本設計，創建 WPT 系統的接收器端。將這種方法與 Analog Devices 的 LTC4125 器件搭配使用，可提供完整的 100 mA WPT 解決方案（圖 3）。

圖 3：LTC4125 發射器和 LTC4124 充電器實現了一種緊湊型 100 mA WPT 解決方案。（圖片來源：Analog Devices）

與 LTC4124 一樣，LTC4125 也是一款專為 WPT 應用設計的高集成度器件。該器件采用 QFN 封裝，尺寸為 5 × 4 × 0.75 mm，在 3 V 至 5 V 電源下輸出功率超過 5 W（圖 4）。

圖 4：Analog Devices 的 LTC4125 無線電源發射器集成了全部功能模塊，能向經過適當調諧的接收器提供 5 W 以上的功率。（圖片來源：Analog Devices）

該器件的核心是 Analog Devices 專有的自動共振技術，可自動檢測并匹配開關引腳（SW1 和 SW2）上連接的串聯 LC 電路的諧振頻率。除了優化發射功率外，自動諧振技術在異物檢測方面也發揮著至關重要的作用。當在發射線圈附近放置異物時，線圈的有效電感會顯著降低，LTC4125 的驅動頻率會增加。如下文所述，驅動頻率增加可用來指示異物存。

優化 WPT

在 WPT 期間，LTC4124 接收器的集成無線電源管理器會對 WPT 系統發射器/接收器對中一半發射器的發射線圈所產生的交變磁場中的 AC 電壓進行整流。LTC4124 無線電源管理器利用其集成比較器 (CP1) 和開關（SW1 和 SW2），當接收到的能量超過電池充電所需時，將諧振電路分流至地，從而將 VCC 引腳上的整流電壓保持在略高于電池電壓 (V BATT )。

不過，這種分流機制耗散的功率會增加器件的熱負荷。LTC4125 發射器提供了一種更直接的機制來減少到達接收器的能量。

在其自動諧振技術優化功率輸出的同時，LTC4125 還具有出色的功率搜索功能，可在連續的搜索周期序列中監控并調節發射器的輸出功率，以匹配接收器負載。在每個周期內，LTC4125 通過逐步增加脈沖寬度電壓 ( VPTH ) 來逐步提升發射功率，而脈沖寬度電壓與輸送至線圈電流驅動橋的脈沖寬度成正比。諧振電路反饋電壓 (V FB ) 發生明顯變化時表明發射功率足以滿足或超過接收器負載，并且會在該脈寬電壓處停止搜索，從而在直至在下個搜索周期前保持所需的發射器輸出功率水平（圖 5）。

圖 5：LTC4125 發射器的最佳功率搜索功能通過執行逐步搜索來找到合適的輸出水平，從而將輸出功率與接收器負載相匹配。（圖片來源：Analog Devices）

LTC4125 的最佳功率搜索功能通過固定流程執行每個搜索周期，直至檢測到有效的退出條件或若干故障條件之一（圖 6）。

圖 6：在執行其最佳功率搜索算法時，LTC4125 發射器繼續逐步遞增輸出功率，直至遇到有效的退出條件或若干故障條件之一。（圖片來源：Analog Devices）

在此過程中，LTC4125 可識別多個預先設定的有效退出條件，以指示最佳發射功率。此外，開發人員還可以指定兩個可編程退出條件，包括用于限制輸入電流的輸入電流閾值 (V ITH ) 和差分振蕩壓閾值 (DTH)，以便在涉及發射線圈和接收線圈之間耦合不良的使用場景中優化發射功率。

LTC1425 可自動檢測幾種可能影響功率傳輸安全和效率的故障情況：

• 超過由 NTC 電壓 (V NTC ) 確定的線圈溫度閾值，其中，NTC 電壓在 NTC 輸入引腳上測得
• 超過由 FB 引腳電壓檢測到的振蕩電壓的最大閾值：VFB > VIN
• 超過內部芯片的超溫閾值（典型值為 150°C）
• 超過頻率閾值，表明存在異物，原因是發射線圈電感減小，驅動頻率隨之增加
• 超過輸入電流限制值 (ILIM)
• 在未找到有效退出條件的情況下完成搜索斜坡

存在任何一種故障條件時，都會在進入下一個搜索期間使設備保持供電停止狀態。

對于開發人員來說，自動諧振驅動和最佳功率搜索等功能可根據退出條件和故障條件自動運行。雖然其中一些條件的閾值在設備中是固定的，但開發人員對于用來確定功率設置、退出條件和故障條件的不同方面仍有相當大的控制權。

使用 Analog Devices 的 [DC2770A-A-KIT] 演示套件和 100 mA [DC2770A-B-KIT]8266) 演示套件，開發人員可以快速評估 LTC4124 接收器和 LTC4125 發射器在以高達 100 mA 的電流為鋰離子電池充電時的性能。每個套件均包括一塊基于 LTC4125 的發射器電路板和一塊基于 LTC4124 的接收器電路板。兩者都配備了跳線和連接點，用于設置設備性能特征，并監控結果。

結語

設備變得越來越緊湊并采用密封結構，這一發展趨勢使得設備所依賴的有效充電方法的設計日益復雜化。WPT 提供了一種有效的解決方案，但實施高效的無線充電設計具有挑戰性。Analog Devices 的無線功率接收器和發射器專為應對這些挑戰而設計，簡化了空間受限型密封設備中 WPT 的實施過程。