無(wú)線供電，脫離電池

無(wú)線供電，是一種方便安全的新技術(shù)，無(wú)需任何物理上的連接，電能可以近距離無(wú)接觸地傳輸給負(fù)載。實(shí)際上近距離的無(wú)線供電技術(shù)早在一百多年前就已經(jīng)出現(xiàn)，而我們現(xiàn)在生活中的很多小東西，都已經(jīng)在使用無(wú)線供電。也許不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們還會(huì)看到遠(yuǎn)距離和室內(nèi)距離的無(wú)線供電產(chǎn)品，而不會(huì)看到電線桿和高壓線，“插頭”也將會(huì)變成一個(gè)歷史名詞。

圖1 無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)

目前大多數(shù)無(wú)線功率傳輸應(yīng)用都采用無(wú)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(duì)其進(jìn)行無(wú)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(guò)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(jiàn)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。

a)電池、b)PowerPath理想二極管和c)穩(wěn)壓器輸出端。

但是，如果特定應(yīng)用根本沒(méi)有電池，取而代之的是，當(dāng)無(wú)線電源可用時(shí)，只需提供一個(gè)穩(wěn)壓的電壓軌，那又會(huì)如何呢?在遠(yuǎn)程傳感器、計(jì)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(jiàn)。例如，如果遠(yuǎn)程傳感器無(wú)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(shí)給出讀數(shù)，則可按需進(jìn)行無(wú)線供電。

我們來(lái)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(yáng)能等)供電的能量收集(EH)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但它也可用于無(wú)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(jiǎn)單開(kāi)環(huán)無(wú)線發(fā)射器。在此設(shè)計(jì)中，將驅(qū)動(dòng)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(lái)確定，旨在最大程度地減小由零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)引起的M1開(kāi)關(guān)損耗。關(guān)于發(fā)射端線圈選擇和工作頻率的設(shè)計(jì)考慮，與其他WPT解決方案沒(méi)有什么不同，也就是說(shuō)，在接收端采用LTC3588-1并無(wú)任何獨(dú)特之處。

Figure 3 WPT employing the LTC3588-1 to supply a regulated 3.3 V rail

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(dòng)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(duì)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?？赏ㄟ^(guò)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(guò)100 mA，就可以選擇大小合適的輸出電容來(lái)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(duì)以及是否充分耦合。

如果負(fù)載需求低于支持的可用無(wú)線輸入功率，則VIN電壓會(huì)增加。雖然LTC3588-1集成了一個(gè)輸入保護(hù)分流器，可在VIN電壓上升至20 V時(shí)，提供高達(dá)25 mA的拉電流，但這個(gè)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(huì)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(kāi)路電壓(VOC)，則后端電路受到保護(hù)，接收端IC中不會(huì)產(chǎn)生熱量造成能耗。測(cè)試結(jié)果：針對(duì)圖3所示氣隙為2 mm的應(yīng)用，測(cè)得在3.3 V下可提供的最大輸出電流為30 mA，而無(wú)負(fù)載時(shí)測(cè)得的VIN電壓為9.1 V。當(dāng)氣隙接近為零時(shí)，可提供的最大輸出電流增加至大約90 mA，而無(wú)負(fù)載時(shí)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(jiàn)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(duì)采用無(wú)線電源的無(wú)電池應(yīng)用，LTC3588-1提供了一種簡(jiǎn)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。