在不增加电路板组价数量下如何改善无线充电器？

　　小尺寸可穿戴设备越来越多地采用无线充电，因为这样无需使用充电线，在设备上也无需配备外露式接口。对于充电电流小于 10 mA 的应用，由于功耗很低，因此无需在无线充电器接收器和发射器之间实施闭环控制。但是，要获得更高的充电电流，就需要发射器根据其接收器的需求，以及两端之间的耦合系数，主动调节其输出功率。否则，接收器可能需要以热量的形式消耗多余的功率，这会影响用户体验，并且可能损害电池性能。无线充电发射器和接收器间的控制回路通常用数字通信的方式来实现闭合，但是数字控制会增加总体设计的复杂性和增大应用的大小。
　　本文介绍一种方法，可以在不增加接收器电路板上组件数量（和宝贵的整体尺寸）的情况下，闭合接收器和发射器之间的控制环路。我们使用 LTC4125 AutoResonant™发射器和 LTC4124 无线锂离子充电器接收器来构建闭环控制无线充电器原型，以演示此理念。
　　搭建带占空比控制输入的 AutoResonant 发射器
　　LTC4125 是一款单芯片全桥 AutoResonant 无线功率发射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整体效率，并为无线充电系统提供全面保护。
　　LTC4125 采用 AutoResonant 转换器来驱动串联 LC 谐振电路；该谐振电路由发射线圈（LTX）和谐振电容（CTX 组成。AutoResonant 驱动器使用电流过零检测器，使其驱动频率与 LC 谐振电路的谐振频率一致。SW1 和 SW2 引脚是 LTC4125 内部两个半桥的输出。当 SWx 引脚检测到其输出电流的方向是从负极过零位到正极时，SWx 与 VIN 导通，占空比与其对应的 PTHx 引脚电压成比例。当 SWx 引脚与 VIN 导通时，流经发射器谐振电路的电流量增加。因此，每个电桥驱动器的占空比控制发射端谐振电路电流的幅值，电流幅值与发射功率成比例。图 1 所示为占空比低于 50%的谐振电路电流和电压波形。谐振电路电流幅值的绝对值由总体电路阻抗决定，包括来自无线接收器的折算负载阻抗。
　　
　　图 1. 占空比低于 50%、具有方波输入的 AutoResonant LC 电路电压和电流波形
　　在传统工作模式下，LTC4125 使用内部 5 位 DAC 来扫描 SWx 占空比；该 DAC 设置 PTHx 电压以搜索有效负载。如果 FB 引脚出现某种形式的电压变化，扫描将停止，占空比在可调节的扫描周期内（一般设置为约 3 到 5 秒）保持不变。然后，开始新扫描周期，重复上述相同步骤。如果负载条件在扫描周期内发生变化，LTC4125 会在下一个扫描周期开始时做出响应。
　　为了形成闭环，电桥驱动器的发射功率应可以根据控制输入来调节。LTC4125 具备多项特性，其中 PTHx 引脚不仅可用于指示电桥驱动器占空比，还可作为输入驱动，以设置占空比。芯片内部 5 位 DAC 使用内部上拉电阻来设置 PTHx 引脚的电压目标值。但是，如图 2 所示，可将外部下拉电阻与 FET 串联，用于使 PTHx 引脚上的电容放电，从而降低 PTHx 引脚的平均电压。这个下拉 FET 栅级的 PWM 信号占空比可以控制 PTHx 引脚的平均电压，从而控制输出功率。
　　
　　图 2. PTHx 受PWM 输入信号控制。
　　LTC4125 旨在为合适的接收器提供超过 5 W 的功率。与 LTC4124 接收器配对时，可通过停用其中一个半桥驱动器来降低发射功率。这可以通过让 SW2 引脚保持开路，让 PTH2 短接至 GND 来实现。然后，可以在 SW1 引脚和 GND 之间连接发射谐振电路。这样 LTC4125 就成为半桥发射器，可以在 PTH1 引脚上实现更低的增益，提高 PTH1 引脚有效控制电压的范围。
　　使用 LTC4124 从无线充电器接收器生成反馈信号
　　LTC4124 是一款高度集成的 100 mA 无线锂离子充电器，专为空间受限的应用而设计。它包含一个高效的无线电源管理器、一个引脚可编程的全功能线性电池充电器以及一个理想的二极管 PowerPath™控制器。
　　
　　图 3. 在 6 mm 应用电路板上使用 LTC4124 的完整无线电池充电器解决方案
　　LTC4124 中的无线电源管理器通过 ACIN 引脚连接至并联谐振电路，从而允许线性充电器从发射线圈产生的交变磁场无线接收电源。当 LTC4124 接收的电能超过以设定速率为电池充电所需的电能时，多余的电能将对 VCC 引脚上的线性充电器的输入电容充电。当 VCC 引脚电压升高至电池电压 VBAT + 1.05 V 时，无线电源管理器将接收器谐振电路分流至地，直到 VCC 降低至 VBAT + 0.85 V。这样，线性充电器将非常高效，因为其输入始终恰好高于其输出。
　　
　　图 4. LTC4124 接收器的交流输入整流和直流轨电压调节。
　　LTC4124 将接收器谐振电路分流至地也会降低发射谐振电路上的折算负载阻抗，导致发射谐振电路的电流和电压幅度上升。因为分流意味着接收器已从发射器获得足够功率，所以发射器谐振电路峰值电压升高可以用作发射器调节其输出功率的反馈信号。
　　
　　图 5. TLTC4124 接收器分流期间的发射电路电压（VTX）升高。
　　解调反馈信号并闭合控制环路
　　谐振发射器一侧得到接收器的反馈信号后，需要将反馈信号进行转换，并馈送至发射器的控制输入，以闭合控制环路。如图 6 所示，峰值电路电压信号可从由二极管和电容 CFB1 构成的半波整流器获取。此电压信号由电阻 RFB1 和 RFB2 进一步分压。为了检测峰值电压的变化，使用由电阻（RAVG）和电容（CAVG）构成的低通滤波器来过滤峰值电压信号，以得到电压信号的均值。通过比较这个均值信号和原始峰值电压信号，可生成方波脉冲。然后，将这个脉冲馈送至 LTC4125 的占空比控制输入，即可实现发射器输出功率的调节。
　　
　　图 6. 发射器一侧的反馈信号解调电路。
　　当接收器未获取足够电能时，LTC4125 应增加其输出功率。这可以通过为 PTHx 引脚设置内部电压目标来实现。内部电压目标可通过 PTHM 引脚设置，它在开始 LTC4125 搜索周期之前设置了初始 5 位 DAC 电压电平。可以在 IMON 引脚连接 1V 基准电压以禁用搜索，使得 PTHx 引脚目标电压在运行期间始终保持初始值。如果 LTC4124 接收器需要更多功率，分流会停止，给 PTHx 放电的 FET 将不会导通。LTC4125 将以内部电压目标为基准，对 PTHx 电压充电，直至 LTC4124 接收到足够功率来启用分流。
　　当接收器在应用中最糟糕的耦合系数位置，输出预设的最大充电电流时，通过测量 PTHx 电压可以确定所需的最大发射功率。设置 PTHM 引脚电压时，应满足最大发射功率要求。

　　基于 LTC4124/5 的闭环控制无线充电器的特性和性能
　　图 7 所示为基于 LTC4125 的闭环控制发射器和基于 LTC4124 的 100mA 接收器的完整示意图。如图所示，接收器一侧所需的组件数量极少，从而可以降低成本，缩减接收器尺寸。与 LTC4125 典型应用 相比，发射器一侧只需增加几个额外组件即可实现闭环控制。LTC4125 的大部分特性都得以保留，包括 AutoResonant 开关、多种异物检测方法、过温保护和谐振电路过压保护。有关这些特性的详情，请参考 LTC4125 数据手册。
　　
　　图 7. 100 mA LTC4124 充电器接收器与 LTC4125 AutoResonant 闭环控制发射器配对
　　基于 LTC4125 的闭环无线发射器可以动态调节其输出功率，以匹配接收器的功率要求。图 8 显示了在接收器线圈偏离发射器线圈中心，然后快速回到原始位置时，这款无线充电器的响应。LTC4125 发射器的输出功率由峰值发射电路电压 VTX_PEAK 表示，它会对两个线圈之间的耦合系数变化做出平稳响应，以使充电电流保持恒定不变。
　　
　　图 8. 基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器会响应发射器和接收器之间耦合系数的突然变化。
　　在充电电流瞬态上升期间，LTC4124 分流停止，允许 LTC4125 从内部为其 PTH1 引脚充电。因此，LTC4125 会增加其半桥驱动器占空比，以提高发射功率。一旦发射功率足够高，使 LTC4124 能够调节其充电电流，就会恢复分流，占空比则保持在效能最佳水平。在充电电流瞬态降低期间，LTC4124 会更频繁地分流。LTC4125 的外部电路使其 PTH1 引脚上的电容快速放电，以降低占空比，并降低 LTC4125 的发射功率。
　　
　　图 9. 基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器会响应充电电流上升。
　　
　　图 10. 基于 LTC4124 和 LTC4125 的闭环无线充电器会响应充电电流下降。
　　
　　图 11. 放大波形，用于显示图 10 所示的瞬变详情。
　　因为发射功率始终匹配接收器的需求，所以与无闭环控制的基于 LTC4124 和 LTC4125 的无线充电器典型配置相比，整体效率得到大幅提高。由于没有采用 LTC4125 原本的最佳功率搜索模式，因而不产生 DAC 的步进效应，该配置的效率曲线更加平稳。由于功率损耗大幅降低，所以 LTC4124 充电器和电池在整个充电期间始终保持接近室温的状态。
　　
　　图 12. 基于 LTC4125 和 LTC4124 的无线充电器多种配置在 3.5 mm 气隙下的效率。
　　LTC4125 可以配置为带控制输入的功率可调发射器。通过 LTC4124 无线充电器接收器分流可以为发射器提供反馈信号。通过半波整流器、分压器、低通滤波器和比较器，可对反馈信号进行解调。将处理后的信号馈送至基于 LTC4125 的功率可调发射器中，以闭合控制环路。我们已构建了原型，用于验证此概念。此原型能够对耦合系数和充电电流的变化做出快速平稳的响应。通过这种方法，最终用户将接收器放置在发射器上方时，可以允许更大偏差，无需担心接收器是否能够获取所需的功率。此外，这种闭环方法可以让发射器输出功率始终匹配接收器的功率需求，从而提高了整体效率，使整个充电周期更加安全可靠。