采用無(wú)線(xiàn)電源實(shí)現無(wú)電池應用

問(wèn)題：

我的應用沒(méi)有電池。是否可以采用無(wú)線(xiàn)供電？

答案：

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

無(wú)線(xiàn)功率傳輸(WPT)系統由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射(Tx)電路（包括發(fā)射線(xiàn)圈）和接收(Rx)電路（包括接收線(xiàn)圈）（見(jiàn)圖1）。與典型的變壓器系統非常相似，發(fā)射線(xiàn)圈中產(chǎn)生的交流電通過(guò)磁場(chǎng)感應在接收線(xiàn)圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統不同的是，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(wú)線(xiàn)功率傳輸系統。

目前大多數無(wú)線(xiàn)功率傳輸應用都采用無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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用供電。后端負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壓器的輸出端。在所有三種情況下（見(jiàn)圖2），終端應用既可在充電器上運行，也可脫離充電器運行。

但是，如果特定應用根本沒(méi)有電池，取而代之的是，當無(wú)線(xiàn)電源可用時(shí)，只需提供一個(gè)穩壓的電壓軌，那又會(huì )如何呢？在遠程傳感器、計量、汽車(chē)診斷和醫療診斷領(lǐng)域，此類(lèi)應用的例子極為常見(jiàn)。例如，如果遠程傳感器無(wú)需持續供電，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）。如果該遠程傳感器僅需要用戶(hù)在其附近時(shí)給出讀數，則可按需進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電。

圖2.無(wú)線(xiàn)Rx電池充電器，后端負載連接到a)電池、b)PowerPath理想二極管和c)穩壓器輸出端。

圖3.WPT采用LTC3588-1提供穩定的3.3 V電壓軌。

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)應用而設計，但它也可用于無(wú)線(xiàn)電源應用。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(xiàn)發(fā)射器。在此設計中，將驅動(dòng)頻率設置為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(xiàn)圈選擇和工作頻率的設計考慮，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)任何獨特之處。

在接收端，將LC諧振電路的諧振頻率設置為與216 kHz的驅動(dòng)頻率相等。鑒于許多EH應用需要進(jìn)行交流到直流的整流（就像WPT一樣），因此LTC3588-1已經(jīng)內置了這項功能，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(lèi)似，將LTC3588-1的VIN引腳調節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，連續輸出電流高達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。當然，要完全實(shí)現100 mA輸出電流能力，還取決于是否具有適當大小的發(fā)射端、線(xiàn)圈對以及是否充分耦合。

如果負載需求低于支持的可用無(wú)線(xiàn)輸入功率，則VIN電壓會(huì )增加。雖然LTC3588-1集成了一個(gè)輸入保護分流器，可在VIN電壓上升至20 V時(shí)，提供高達25 mA的拉電流，但這個(gè)功能并非必需的。隨著(zhù)VIN電壓上升，接收線(xiàn)圈上的峰值交流電壓也會(huì )上升，這相當于可提供給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之前就達到了接收線(xiàn)圈的開(kāi)路電壓(VOC)，則后端電路受到保護，接收端IC中不會(huì )產(chǎn)生熱量造成能耗。

測試結果：針對圖3所示氣隙為2 mm的應用，測得在3.3 V下可提供的最大輸出電流為30 mA，而無(wú)負載時(shí)測得的VIN電壓為9.1 V。當氣隙接近為零時(shí)，可提供的最大輸出電流增加至大約90 mA，而無(wú)負載時(shí)的VIN電壓僅增加至16.2 V，遠低于輸入保護分流電壓（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。

針對采用無(wú)線(xiàn)電源的無(wú)電池應用，LTC3588-1提供了一種簡(jiǎn)單的集成解決方案，可提供低電流穩壓電壓軌，還帶有完整的輸入保護功能。

Mark   Vitunic [mark.vitunic@analog.com]是ADI公司Power by Linear?部門(mén)的設計經(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負責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目開(kāi)發(fā)工作，專(zhuān)注于無(wú)線(xiàn)功率傳輸、超低功耗IC、能量收集、主動(dòng)電池平衡和多通道DC-DC穩壓器開(kāi)發(fā)。Mark擁有卡內基梅隆大學(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