采用無線電源實(shí)現(xiàn)無電池應(yīng)用

問題：

我的應(yīng)用沒有電池。是否可以采用無線供電？

答案：

當(dāng)然可以，可使用最初設(shè)計用于能量收集的簡單的集成式納安功耗解決方案。

無線功率傳輸(WPT)系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射(Tx)電路（包括發(fā)射線圈）和接收(Rx)電路（包括接收線圈）（見圖1）。與典型的變壓器系統(tǒng)非常相似，發(fā)射線圈中產(chǎn)生的交流電通過磁場感應(yīng)在接收線圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統(tǒng)不同的是，原邊（發(fā)射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

圖1.無線功率傳輸系統(tǒng)。

目前大多數(shù)無線功率傳輸應(yīng)用都采用無線電池充電器配置?？沙潆婋姵匚挥诮邮斩?，只要有發(fā)射端，就可對其進(jìn)行無線充電。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。

但是，如果特定應(yīng)用根本沒有電池，取而代之的是，當(dāng)無線電源可用時，只需提供一個穩(wěn)壓的電壓軌，那又會如何呢？在遠(yuǎn)程傳感器、計量、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。例如，如果遠(yuǎn)程傳感器無需持續(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給出讀數(shù)，則可按需進(jìn)行無線供電。

圖2.無線Rx電池充電器，后端負(fù)載連接到a)電池、b)PowerPath理想二極管和c)穩(wěn)壓器輸出端。

圖3.WPT采用LTC3588-1提供穩(wěn)定的3.3 V電壓軌。

我們來看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、太陽能等）供電的能量收集(EH)應(yīng)用而設(shè)計，但它也可用于無線電源應(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?硅振蕩器的簡單開環(huán)無線發(fā)射器。在此設(shè)計中，將驅(qū)動頻率設(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)來確定，旨在最大程度地減小由零電壓開關(guān)(ZVS)引起的M1開關(guān)損耗。關(guān)于發(fā)射端線圈選擇和工作頻率的設(shè)計考慮，與其他WPT解決方案沒有什么不同，也就是說，在接收端采用LTC3588-1并無任何獨(dú)特之處。

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。可通過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100 mA，就可以選擇大小合適的輸出電容來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、線圈對以及是否充分耦合。

如果負(fù)載需求低于支持的可用無線輸入功率，則VIN電壓會增加。雖然LTC3588-1集成了一個輸入保護(hù)分流器，可在VIN電壓上升至20 V時，提供高達(dá)25 mA的拉電流，但這個功能并非必需的。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)到了接收線圈的開路電壓(VOC)，則后端電路受到保護(hù)，接收端IC中不會產(chǎn)生熱量造成能耗。

測試結(jié)果：針對圖3所示氣隙為2 mm的應(yīng)用，測得在3.3 V下可提供的最大輸出電流為30 mA，而無負(fù)載時測得的VIN電壓為9.1 V。當(dāng)氣隙接近為零時，可提供的最大輸出電流增加至大約90 mA，而無負(fù)載時的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。

針對采用無線電源的無電池應(yīng)用，LTC3588-1提供了一種簡單的集成解決方案，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。

Mark   Vitunic [mark.vitunic@analog.com]是ADI公司Power by Linear?部門的設(shè)計經(jīng)理。他于2017年正式加入ADI公司（隨ADI收購凌力爾特公司加入），之前他已在凌力爾特公司工作了19年。Mark負(fù)責(zé)管理美國馬薩諸塞州北切姆斯福德和德國慕尼黑的眾多項(xiàng)目開發(fā)工作，專注于無線功率傳輸、超低功耗IC、能量收集、主動電池平衡和多通道DC-DC穩(wěn)壓器開發(fā)。Mark擁有卡內(nèi)基梅隆大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和加州大學(xué)伯克利分校電氣工程碩士學(xué)位。

Mark Vitunic