Kompletne i wydajne rozwiązanie do ładowania bezprzewodowego 100 mA

Bezprzewodowe ładowanie jest coraz bardziej popularne w urządzeniach przenośnych. Dzięki temu stają się one bardziej niezawodne bez widocznych złączy i portów, a ich obsługa jest prostsza. Dla urządzeń takich jak np. aparaty słuchowe lub słuchawki ładowanie bezprzewodowe jest w stanie zapewnić wyjątkową użyteczność. LTC4124 zawiera kontroler zarządzający zasilaniem. Przekształca on energię prądu przemiennego płynącą z odbiorczego układu rezonansowego na stabilizowane napięcie stałe. Jest ono następnie podawane do ładowarki (liniowej) zapewniającej prawidłowy cykl ładowania i poziomy napięć wymagane przez chemię ogniwa litowo-jonowego. Dzięki temu realizacja ładowania bezprzewodowego zabiera w urządzeniu niewiele miejsca, zwłaszcza gdy cewka układu rezonansowego zostanie wykonana na PCB lub elastycznym laminacie i małej grubości (rys. 1).

Rys. 1. System ładowania bezprzewodowego i jego kompletna realizacja w postaci układu o średnicy 6 mm

Rys. 2. Oscylogram procesu prostowania wejściowego prądu przemiennego i przebieg wyjściowego napięcia stałego

Jak pokazano na rysunku 2, gdy LTC4124 otrzymuje więcej energii, niż potrzebuje do ładowania akumulatora, kontroler zasilania bezprzewodowego utrzymuje napięcie wejściowe VCC na niskim poziomie poprzez bocznikowanie odbiornika rezonansowego do masy. W ten sposób ładowarka liniowa zapewnia dobre parametry i sprawność, ponieważ napięcie na jej wejściu jest zawsze utrzymywane minimalnie powyżej napięcia panującego na akumulatorze (VBATT). Regulacja mocy przekazywanej przez sprzężenie indukcyjne za pomocą bocznikowania cewki jest także realizowana poprzez zmianę częstotliwości rezonansowej obwodu LC w odbiorniku. Oddalanie się od rezonansu po zbocznikowaniu cewki ogranicza wielkość transmitowanej energii i odwrotnie.

Nadajnik

Nadajnik LTC4125 pokazany wraz ze schematem aplikacyjnym na rysunku 3 to wydajne rozwiązanie Auto-Resonant zapewniające komplet funkcji ochronnych niezbędnych do realizacji nowoczesnych aplikacji ładowania bezprzewodowego. Zapewnia on optymalne wyszukiwanie punktu maksymalnej mocy, dostosowanie poziomu transmitowanej mocy do wymagań odbiornika. LTC4125 obsługuje również wiele metod wykrywania ciał obcych, które mogą znaleźć się w obwodzie rezonansowym i zakłócić transfer energii.

Rys. 3. Układ aplikacyjny kompletnego 100-miliamperowego systemu ładowania z układami LTC4124 i LTC4125

Po sparowaniu z LTC4124, w pełni rezonansowa topologia pracy nadajnika LTC4125 może zostać zmieniona w klasyczny układ półmostkowy, co umożliwia regulację zasilania z małym krokiem (dużą rozdzielczością), pozwalając na precyzyjną regulację mocy oraz współpracę z odbiornikami małej mocy, dla których prąd ładowania 100 mA jest o wiele za duży. Co więcej, gdy akumulator jest całkowicie naładowany, LTC4124 przechodzi z trybu regulacji stałego prądu (constant current) w tryb stałego napięcia wyjściowego (constant voltage), co zmniejsza do minimum prąd ładowania i podtrzymuje akumulator w stanie naładowanym. W takiej sytuacji LTC4125 automatycznie obniża poziom transmitowanej mocy, aby dopasować się do niższego wymaganego zapotrzebowania na moc odbiornika. Pomaga to zmniejszyć straty mocy w trakcie cyklu ładowania i tym samym konieczność chłodzenia ładowarki i akumulatora podczas pracy. Rysunek 4 pokazuje temperaturę układu odbiornika przy pełnej mocy wyjściowej i przy pracy w trybie stałego napięcia wyjściowego (po naładowaniu). W obu przypadkach temperatura wynosi poniżej 40°C w temperaturze pokojowej.

Rys. 4. Termogram układu ładowarki bezprzewodowej: (a) dla prądu ładowania 100 mA przy napięciu wyjściowym 4,1 V, (b) przy prądzie ładowania 10 mA i napięciu na wyjściu 4,2 V

Kiedy odbiornik zostanie odsunięty od nadajnika, LTC4125 nie jest w stanie znaleźć aktywnego obciążenia i redukuje moc wyjściową do poziomu trybu gotowości, jak pokazano na rysunku 5. Rysunek 6 pokazuje natomiast, co dzieje się w ładowarce, gdy metalowy przedmiot zostanie umieszczony na nadajniku (obcy obiekt) – LTC4125 wykrywa wówczas, że częstotliwość rezonansowa cewki transmisyjnej jest wysoka i przechodzi do trybu gotowości.