IoT可以使用WPT　

作者/ Tony Armstrong 凌力爾特公司(現隸屬ADI 公司)電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監

摘要：隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)趨勢日漸成風(fēng)，先進(jìn)和現成有售的能量收集技術(shù)將在未來(lái)工廠(chǎng)中得到大量應用，本文介紹了一款無(wú)線(xiàn)同步降壓型充電器LTC4120和一款對無(wú)線(xiàn)充電解決方案領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)接收器 IC 起到了補充作用的無(wú)線(xiàn)功率發(fā)送器LTC4125。

引言

　　“物聯(lián)網(wǎng)(IoT)”指的是一種不斷持續的趨勢，即不僅將人和電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)，還將各類(lèi)“物體”連接到互聯(lián)網(wǎng)及使各類(lèi)“物體”相互連接。例如，如果你將部署工業(yè)制造設施或大型基礎設施項目，那么，在更多地方連接更多的傳感器(或傳動(dòng)器)可以提高效率、改善安全性，并實(shí)現全新的業(yè)務(wù)模式。這種數據交換水平的不斷提高通常也被稱(chēng)為“工業(yè)4.0”。

　　傳統上，用在這類(lèi)工廠(chǎng)中的各種類(lèi)型傳感器都是靠導線(xiàn)連接到電源的。然而，未來(lái)在工廠(chǎng)中可能沒(méi)有到處安裝和維護電纜的挑戰和費用，因為現在可以安裝可靠的、工業(yè)強度的無(wú)線(xiàn)傳感器，而且這些傳感器可以靠小型電池，甚至靠從光、振動(dòng)或溫度梯度等來(lái)源收集的能量運行數年。也有可能組合使用充電電池和多種環(huán)境能源。

　　先進(jìn)和現成有售的能量收集(EH)技術(shù)，例如振動(dòng)能源收集和室內或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦級功率。盡管這么低功率也許看似用處有限，但是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)等能量收集組件的多年運行可能意味著(zhù)，無(wú)論就能量提供，還是從所提供的每單位能量的成本上看，能量收集技術(shù)與長(cháng)壽命主電池都是大致相當的。盡管主電池聲稱(chēng)能夠提供長(cháng)達 10 年的壽命，但是這在很大程度上取決于從主電池吸取功率的水平以及從主電池吸取功率發(fā)生的頻度。提供EH功能的系統一般能夠在能量耗盡后再充電，而靠主電池供電的系統則做不到這一點(diǎn)。然而，大多數部署都將使用環(huán)境能源作為主電源，用主電池作為對這個(gè)主電源的補充，如果環(huán)境能源消失或中斷了，可以接入主電池。這可以被認為是一種“電池壽命延長(cháng)器”功能，為系統提供了更長(cháng)的工作壽命(接近電池的工作壽命)，就鋰亞硫酰氯化學(xué)組成的電池而言，通常約為12年。此外，出于固有的安全性考慮，有些充電電池不能通過(guò)導線(xiàn)充電，而需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)功率傳輸技術(shù)充電。

　　在很多這類(lèi)應用中，難以使用或不能使用連接器充電。例如，有些產(chǎn)品要求密封的外殼，以針對嚴酷的環(huán)境保護敏感電子組件。另一些產(chǎn)品也許只是因為太小，而無(wú)法裝入連接器，而在電池供電應用可能移動(dòng)或旋轉的產(chǎn)品中，幾乎不可能用導線(xiàn)充電。那么，可以采用什么樣的可替代方法來(lái)應對這類(lèi)環(huán)境呢?顯然，需要一種無(wú)需連接器并能夠無(wú)線(xiàn)充電的方法。無(wú)線(xiàn)充電解決方案在這類(lèi)不能使用連接器的應用中提高了價(jià)值、可靠性和堅固性。

無(wú)線(xiàn)功率傳輸

　　在歐姆連接器不能使用的那些例子中，無(wú)線(xiàn)供電是一個(gè)良好的解決方案。無(wú)線(xiàn)功率傳輸就是通過(guò)電絕緣體從電源向一個(gè)電負載傳輸電能，以這種方式傳輸功率有幾項挑戰。當電流流經(jīng)導體時(shí)，會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，尤其是當交替變化的電流流經(jīng)導體時(shí)，就會(huì )在導體周?chē)a(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。如果另一個(gè)導體放置在這個(gè)磁場(chǎng)中，在第二個(gè)導體中就會(huì )感應出交替變化的電流。

　　磁場(chǎng)密度與流經(jīng)導體的電流幅度成比例。能量從產(chǎn)生磁場(chǎng)(主端磁場(chǎng))的導體向主磁場(chǎng)通過(guò)上述磁耦合對其產(chǎn)生顯著(zhù)影響的任何導體(副端磁場(chǎng))傳送。在松散耦合的系統中，耦合系數很低，高頻電流不會(huì )沿著(zhù)導體流過(guò)很長(cháng)距離，而會(huì )迅速丟失能量，因為沿著(zhù)電纜的阻抗不匹配，這會(huì )導致能量反射回源端，或輻射到空氣中。圖1用圖形表述了通過(guò)磁場(chǎng)連接的松耦合線(xiàn)圈。

　　LTC4120是一款無(wú)線(xiàn)同步降壓型充電器。該器件不遵循 Qi 標準;這款解決方案為滿(mǎn)足高可靠性應用的需求而設計。LTC4120 采用的底層技術(shù)和無(wú)線(xiàn)供電架構允許基于 LTC4120 的系統提供更長(cháng)的功率傳輸距離，對錯位的容限更大。這些結果都是高效率實(shí)現的，以使接收器不會(huì )遭遇過(guò)熱問(wèn)題。此外，大多數工業(yè) WSN、IoT和醫療應用都不喜歡與消費類(lèi)產(chǎn)品實(shí)現互操作。

　　LTC4120 中嵌入了動(dòng)態(tài)協(xié)調控制(DHC)調諧技術(shù)，這使該器件與其他無(wú)線(xiàn)供電解決方案相比具有顯著(zhù)優(yōu)勢。為了適應環(huán)境和負載變化，DHC 動(dòng)態(tài)地改變接收器的諧振頻率。DHC 實(shí)現了更高的功率傳輸效率，允許更小的接收器尺寸，產(chǎn)生微不足道的電磁干擾，甚至允許更長(cháng)的傳輸距離。與其他無(wú)線(xiàn)功率傳輸技術(shù)不同，DHC 本身就允許通過(guò)感應能量場(chǎng)進(jìn)行固有的功率級管理，從而無(wú)需單獨的通信信道來(lái)確認接收器或在電池充電周期中管理負載需求變化。

通過(guò)無(wú)線(xiàn)供電進(jìn)行電池充電

　　采用LTC4120進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電能實(shí)現或改善很多不同應用。例如，可以去掉在嚴酷的工業(yè)環(huán)境中易于出故障和昂貴的連接器。兩個(gè)很好的例子是化學(xué)處理廠(chǎng)和煉油廠(chǎng)。類(lèi)似地，對于需要消毒的應用，例如旋轉機器人和醫療成像系統，無(wú)線(xiàn)充電允許完全密封的外殼。顯然，去除導線(xiàn)后，可將充電電池放置在這類(lèi)移動(dòng)或旋轉設備中。另一種例子是尺寸太小，以至于無(wú)法使用常規連接器的應用。

　　那么，功率怎樣傳輸到LTC4120以能夠給電池充電呢?這就需要一種無(wú)線(xiàn)發(fā)送器電路和線(xiàn)圈。為此，凌力爾特設計了 LTC4125，這是一款無(wú)線(xiàn)功率發(fā)送器，對無(wú)線(xiàn)充電解決方案領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)接收器 IC 起到了補充作用。LTC4125是一款簡(jiǎn)單、高性能的單片全橋式諧振驅動(dòng)器，能以無(wú)線(xiàn)方式向正確調諧的接收器提供高達5W功率。在由發(fā)送電路、發(fā)送線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈和接收電路組成的完整無(wú)線(xiàn)功率傳輸系統中，該器件作為發(fā)送電路組件使用。

　　LTC4125功率控制器提供3種關(guān)鍵功能，改善了基本無(wú)線(xiàn)功率發(fā)送器，這3種功能是：自動(dòng)諧振(Auto Resonant)功能，這一功能最大限度提高了可提供給接收器的功率;最佳功率搜索(Optimum Power Search)算法，該算法最大限度地提高了無(wú)線(xiàn)供電系統的總體效率;異物檢測，該功能確保在存在傳導性異物的環(huán)境中工作時(shí)可安全和可靠地運行。LTC4125自動(dòng)調節其驅動(dòng)頻率，以匹配LC網(wǎng)絡(luò )諧振頻率。這種“自動(dòng)諧振”切換允許該器件從低壓輸入電源(3V至5.5V)向凌力爾特 LTC4120 無(wú)線(xiàn)接收器和電池充電器等調諧接收器提供最大功率。無(wú)線(xiàn)功率接收器還可以用LTC4071并聯(lián)電池充電器或LT3652HV多種化學(xué)組成電池充電器設計。為了優(yōu)化系統效率，LTC4125采用周期性發(fā)送功率搜索，并基于接收器負載要求調節傳輸功率。該器件在故障情況下或在檢測到異物時(shí)停止供電。如圖2所示，LTC4120和LTC4125能用來(lái)實(shí)現完整的無(wú)線(xiàn)功率傳輸和電池充電解決方案。

　　LTC4125還包括可編程最大電流限制和一個(gè)NTC輸入，以針對異物和過(guò)載提供額外的保護。應用包括手持式儀器、工業(yè)/軍用傳感器和用于嚴酷環(huán)境中的類(lèi)似設備、便攜式醫療設備以及電隔離設備?；贚TC4125的系統提供堅固、獨立的解決方案，能支持長(cháng)達15mm的傳輸距離，并容許由于錯位導致的線(xiàn)圈耦合不佳的情況。

結論

　　近年來(lái)，IoT市場(chǎng)出現了爆炸性增長(cháng)，并涉及多種用于醫療、軍事和工業(yè)應用領(lǐng)域的產(chǎn)品。新一波產(chǎn)品，包括塞滿(mǎn)傳感器的醫療保健產(chǎn)品和監視環(huán)境條件以改善安全性的工業(yè)傳感器在內，正在快速增長(cháng)。類(lèi)似地，在改善建筑物能效以及針對機器和橋梁進(jìn)行系統健康監視等應用中，用于WSN的EH出現了激增，這是低功率轉換解決方案的關(guān)鍵驅動(dòng)因素。因此，盡管運用無(wú)線(xiàn)功率傳輸給處于嚴酷環(huán)境中的小電流設備供電也許看似是個(gè)令人望而卻步的任務(wù)，凌力爾特卻提供了現成有售、易于使用的解決方案，以方便完成這項任務(wù)。

　　參考文獻：

　　[1]曹永,鄧華秋.一種高性能可智能控制型LED路燈驅動(dòng)電源的設計.電子產(chǎn)品世界,2015(2-3):45-48

　　[2]呂增曉,宋益偉.LED照明電源電路拓補結構的演進(jìn)過(guò)程.電子產(chǎn)品世界,2015(4):16-18

　　[3]Dialog公司.為什么數字驅動(dòng)器是使LED在舊有電氣基礎設施環(huán)境中表現更出色的關(guān)鍵.電子產(chǎn)品世界,2015(5):19-21

　　[4] 迎九,葉木子.LED驅動(dòng)器：正搭上“照明”航空母艦出海.電子產(chǎn)品世界,2015(1):24

　　[5]顏重光.LED燈絲燈創(chuàng )新技術(shù)新析.電子產(chǎn)品世界,2015(6):28-30

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第32頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。