Come dimensionare un caricatore wireless ad anello chiuso

Di Wenwei Li, Applications Engineer, Analog Devices

 

 

Introduzione

Nei dispositivi indossabili di piccole dimensioni la carica wireless viene utilizzata sempre più di frequente, poiché elimina la necessità di cavi o la presenza di qualsiasi connettore esposto sugli apparati. Per applicazioni con correnti di carica inferiori a 10 mA, il controllo ad anello chiuso tra ricevitore e trasmettitore wireless del caricatore non è necessario, perché la potenza dissipata è bassa. Tuttavia, per correnti di carica più elevate, è essenziale che il trasmettitore regoli in modo attivo la propria potenza d’uscita, in base alla richiesta del relativo ricevitore e al coefficiente di accoppiamento tra le parti. In caso contrario, il ricevitore dovrebbe dissipare l’eccesso di potenza sotto forma di calore, compromettendo l’esperienza di utilizzo e mettendo a rischio la salute della batteria. Di solito, per chiudere questo anello tra ricevitore e trasmettitore viene usata la comunicazione digitale, ma il controllo numerico aumenta il livello di complessità generale del progetto e le dimensioni dell’applicazione.

Questo articolo presenta un metodo per chiudere il loop di controllo tra ricevitore e trasmettitore senza aumentare il numero di componenti (e utilizzare ulteriore spazio prezioso) sulla scheda del ricevitore. Per dimostrare questo concetto, è stato realizzato un prototipo di caricabatteria wireless Li-Ion con controllo ad anello chiuso, basato sul trasmettitore LTC4125 AutoResonant e il ricevitore LTC4124.

 

Trasmettitore AutoResonant con ingresso di controllo del duty cycle

LTC4125 è un trasmettitore di potenza monolitico wireless a ponte H auto-risonante (AutoResonant), progettato per massimizzare la potenza disponibile al ricevitore, aumentare l’efficienza complessiva e fornire protezione integrale al sistema di carica wireless.

LTC4125 implementa un convertitore AutoResonant per pilotare un tank risonante LC serie, composto da una bobina (LTX) e un condensatore di trasmissione (CTX). Per far corrispondere la propria frequenza di pilotaggio a quella di risonanza del circuito LC, il driver AutoResonant utilizza un rilevatore di passaggio per lo zero. I pin SW1 e SW2 rappresentano le uscite dei due stadi half-bridge all’interno dell’LTC4125. Quando il pin SWx rileva che la direzione della corrente d’uscita attraversa lo zero, passando da valori negativi a positivi, SWx viene posto a VIN con un duty cycle proporzionale alla tensione presente sul pin PTHx corrispondente. Quando il pin SWx viene portato a VIN, la corrente che scorre nel circuito risonante LC del trasmettitore aumenta. Perciò, il duty cycle di ciascun semi-ponte controlla l’ampiezza della corrente del circuito LC, che è proporzionale alla potenza di trasmissione. La Figura 1 illustra le forme d’onda di corrente e tensione di questo circuito con un duty cycle inferiore al 50%. Il valore assoluto dell’ampiezza di corrente che oscilla nel tank risonante è determinata dall’impedenza complessiva del circuito LC, la quale comprende anche l’impedenza riflessa dal carico del ricevitore wireless.

Nel funzionamento nominale, LTC4125 fa variare il duty cycle SWx, usando un DAC interno a 5-bit che regola la tensione su PTHx per cercare un carico valido. Se il pin FB rileva uno determinato schema di variazione della tensione, la scansione del duty cycle viene arrestata ed esso viene mantenuto fisso a quel livello per un periodo di tempo programmabile (di solito impostato tra 3s e 5s). In seguito viene avviato un nuovo ciclo di scansione, ripetendo gli stessi passaggi. Se durante il periodo di scansione la condizione di carico è cambiata, LTC4125 reagirà di conseguenza all’inizio del ciclo di scansione successivo.

Figura 1.Forme d’onda di tensione e corrente del circuito risonante LCAutoResonant” con ingresso a onda quadra con duty cycle inferiore al 50%.

 

Per formare un anello chiuso, la potenza di trasmissione del bridge driver dovrebbe essere regolata mediante un ingresso di controllo. Una delle caratteristiche del LTC4125 è che il pin PTHx non è soltanto un indicatore del duty cycle del bridge driver, ma può anche essere pilotato come ingresso per regolare il duty cycle stesso. Il DAC interno a 5-bit regola la tensione target sul pin PTHx con una resistenza interna di pull-up. Tuttavia, come illustrato in Figura 2, è possibile utilizzare una resistenza esterna di pull-down in serie a un FET per scaricare in modo attivo un condensatore sul pin PTHx, riducendo in questo modo il valore medio della tensione sul pin PTHx. Il duty cycle del segnale PWM al gate di questo FET di pulldown controlla la tensione media sul pin PTHx.

Figura 2. PTHx controllato da un segnale d’ingresso PWM.

LTC4125 è progettato per fornire una potenza di oltre 5 W a un ricevitore adatto. Se accoppiato al ricevitore LTC4124, è possibile ridurre la potenza trasmessa disattivando uno dei driver half-bridge. Ciò si ottiene lasciando aperto il pin SW2 pin e collegando verso GND PTH2. Il circuito risonante LC del trasmettitore può essere quindi collegato tra il pin SW1 pin e GND. In questo modo, l’LTC4125 diventa un trasmettitore di tipo half-bridge consentendo un guadagno inferiore e un intervallo di controllo più ampio sul pin PTH1.

Figura 3. Soluzione completa di caricabatteria wireless, che utilizza LTC4124 su una scheda applicativa dal diametro di 6 mm.

Generare il segnale di feedback dal ricevitore del caricatore wireless con LTC4124

LTC4124 è un caricabatteria wireless Li-Ion da 100 mA altamente integrato, progettato per applicazioni con limiti di spazio. Include un efficiente wireless power manager, un caricabatteria lineare completo, programmabile mediante pin, nonché un controllore PowerPatha diodo ideale.

Il wireless power manager del LTC4124 si collega a un tank risonante LC parallelo mediante il pin ACIN, permettendo al caricatore lineare di ricevere potenza – in modalità wireless – da un campo magnetico alternato generato dalla bobina di trasmissione. Quando LTC4124 riceve più energia del necessario per caricare la batteria alla velocità programmata, il condensatore d’ingresso del caricatore lineare sul pin VCC si carica per assorbire l’energia in eccesso. Quando la tensione sul pin VCC supera di 1,05 V quella di batteria, VBAT, il wireless power manager connette a massa il circuito risonante LC, finché VCC scende fino a 0,85 V al di sopra di VBAT.

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