Cierra el bucle entre el receptor y el transmisor del cargador inalámbrico sin un controlador digital

Introducción

La carga inalámbrica se utiliza cada vez más para los pequeños dispositivos portátiles, ya que elimina la necesidad de cables o conectores expuestos en el dispositivo. Para las aplicaciones con una corriente de carga inferior a 10 mA, no es necesario el control en bucle cerrado entre el receptor y el transmisor del cargador inalámbrico, porque la disipación de energía es baja. Sin embargo, para una mayor corriente de carga, es esencial que el transmisor ajuste activamente su potencia de salida en función de las demandas de su receptor y del coeficiente de acoplamiento entre las dos partes. De lo contrario, el receptor puede tener que disipar la energía extra en forma de calor, lo que repercute en la experiencia del usuario y supone una amenaza para la salud de la batería. La comunicación digital entre el receptor y el transmisor suele utilizarse para cerrar este bucle, pero el control digital añade complejidad al diseño general y aumenta el tamaño de la aplicación.

Este artículo presenta un método para cerrar el bucle entre el receptor y el transmisor sin aumentar el número de componentes (y la valiosa huella global) en la placa del receptor. Se construye un prototipo de cargador inalámbrico controlado en bucle cerrado utilizando un LTC4125 AutoResonante^™ transmisor y receptor del cargador inalámbrico de iones de litio LTC4124 para demostrar este concepto.

Transmisor autorresonante con entrada de control del ciclo de trabajo

El LTC4125 es un transmisor de potencia inalámbrico monolítico, de puente completo y autorresonante, diseñado para maximizar la potencia disponible para el receptor, aumentar la eficiencia general y proporcionar una protección completa al sistema de carga inalámbrica.

El LTC4125 implementa un convertidor AutoResonante para accionar el tanque resonante en serie formado por la bobina de transmisión (L_TX) y el condensador de emisión (C_TX). El controlador AutoResonante utiliza un detector de paso por cero para hacer coincidir su frecuencia de accionamiento con la frecuencia de resonancia del tanque. Los pines SW1 y SW2 son las salidas de los dos semipuentes del LTC4125. Cuando el pin SWx detecta que la dirección de su corriente de salida cruza el cero de negativo a positivo, SWx se pone en V_EN para un ciclo de trabajo proporcional a la tensión del pin PTHx correspondiente. Cuando el pin SWx se pone en V_ENla corriente que fluye en el tanque resonante del transmisor aumenta. Por tanto, el ciclo de trabajo de cada conductor de puente controla la magnitud de la corriente del depósito, que es proporcional a la potencia de transmisión. La figura 1 muestra las formas de onda de corriente y tensión del depósito con un ciclo de trabajo inferior al 50%. El valor absoluto de la amplitud de la corriente del depósito está determinado por la impedancia global del depósito, incluida la impedancia de carga reflejada del receptor inalámbrico.

En el funcionamiento típico, el LTC4125 escanea el ciclo de trabajo de SWx mediante un convertidor digital-analógico interno de 5 bits que ajusta la tensión PTHx para buscar una carga válida. Si la patilla FB ve determinados patrones de cambio de tensión, el escaneo se detiene y el ciclo de trabajo permanece en ese nivel durante un periodo de tiempo programable (normalmente ajustado a unos 3 s a 5 s). A continuación, comienza un nuevo ciclo de exploración, repitiendo los mismos pasos. Si el estado de carga cambia durante un periodo de exploración, el LTC4125 responderá al inicio del siguiente periodo de exploración.

Para formar un bucle cerrado, la potencia de transmisión del conductor del puente debe ajustarse en función de la entrada de control. Una de las características del LTC4125 es que la patilla PTHx no sólo es un indicador del ciclo de trabajo del conductor del puente, sino que también puede controlarse como entrada para ajustar el ciclo de trabajo. El DAC interno de 5 bits establece la tensión objetivo del pin PTHx con una resistencia interna de pull-up. Sin embargo, como se muestra en la Figura 2, se puede implementar una resistencia pull-down externa en serie con un FET para descargar activamente un condensador en el pin PTHx, reduciendo así la tensión media del pin PTHx. El ciclo de trabajo de la señal PWM en la puerta de este FET pull-down controla la tensión media del pin PTHx.

El LTC4125 está diseñado para suministrar más de 5 W a un receptor adecuado. Cuando se utiliza con el receptor LTC4124, la potencia de transmisión puede reducirse desactivando uno de los controladores de medio puente. Para ello, deja el pin SW2 abierto y PTH2 en cortocircuito con GND. El tanque resonante de transmisión puede entonces conectarse entre el pin SW1 y GND. De este modo, el LTC4125 se convierte en un transmisor de medio puente que permite una ganancia menor y un rango de control más amplio en el pin PTH1.

Genera una señal de retroalimentación del receptor del cargador inalámbrico mediante el LTC4124

El LTC4124 es un cargador inalámbrico de iones de litio de 100 mA altamente integrado, diseñado para aplicaciones con limitaciones de espacio. Incluye un eficiente gestor de energía inalámbrico, un cargador de baterías lineal con todas las funciones y programable por pines, y un diodo ideal PowerPath^™ controlador.

El gestor de energía inalámbrica del LTC4124 se conecta a un tanque resonante paralelo a través de una patilla ACIN, lo que permite al cargador lineal recibir energía inalámbrica de un campo magnético alterno generado por una bobina transmisora. Cuando el LTC4124 recibe más energía de la que necesita para cargar la batería al ritmo programado, el condensador de entrada del cargador lineal en la V_DC cargas para absorber la energía extra. Cuando el V_CC la tensión de la clavija alcanza 1,05 V por encima de la tensión de la batería, V_BATel gestor de energía inalámbrico desvía el tanque resonante del receptor a tierra hasta que V_CC cae a 0,85 V en V_BAT. De este modo, el cargador lineal es muy eficiente porque su entrada se mantiene siempre justo por encima de su salida.

El evento de derivación del LTC4124 también reduce la impedancia de carga reflejada en el tanque resonante de transmisión, lo que resulta en un aumento de la magnitud de la corriente y la tensión del tanque de transmisión. Como el evento de derivación indica que el receptor está recibiendo suficiente potencia del transmisor, el aumento del pico de tensión del depósito de transmisión puede utilizarse como señal de retroalimentación para que el transmisor regule su potencia de salida.

Demodula la señal de retroalimentación y cierra el bucle

Ahora que la señal de retroalimentación del lado del receptor está disponible en el lado del transmisor, esta señal de retroalimentación debe traducirse e introducirse en la entrada de control del transmisor para cerrar el bucle de control. La tensión de pico del depósito puede obtenerse con un rectificador de media onda formado por un diodo y un condensador C_FB1como se muestra en la figura 6. Esta tensión se divide por las resistencias R_FB1 y R_FB2. Para detectar la variación del pico de corriente, la señal de pico de tensión se promedia a través de un filtro de paso bajo formado por una resistencia (R_AVG) y un condensador (C_AVG). Comparando esta señal media con la señal de tensión de pico original, se puede generar un impulso de onda cuadrada. Este impulso se introduce en la entrada de control del ciclo de trabajo del LTC4125 para regular la potencia de salida del transmisor.

Cuando el receptor no recibe suficiente potencia, el LTC4125 debe aumentar su potencia de salida. Esto se puede conseguir ajustando el objetivo de tensión interna para el pin PTHx. El objetivo de voltaje interno puede establecerse mediante el pin PTHM, ya que define el nivel de voltaje inicial del DAC de 5 bits antes de que comience el periodo de búsqueda del LTC4125. Se puede conectar una referencia de voltaje de 1 V al pin IMON para desactivar la búsqueda, manteniendo el voltaje objetivo del pin PTHx fijo en su valor inicial durante el funcionamiento. Si el receptor LTC4124 necesita más potencia, la derivación se detendrá y el FET de descarga PTHx no se activará. El voltaje del pin PTHx se cargará hasta el objetivo de voltaje interno hasta que el LTC4124 reciba suficiente energía para iniciar el evento de derivación.

La potencia máxima de transmisión se define midiendo la tensión PTHx cuando el receptor regula la corriente de carga máxima en la posición del peor coeficiente de acoplamiento de la aplicación. La tensión de la clavija PTHM debe ajustarse para cumplir los requisitos de potencia máxima de transmisión.

Características y rendimiento del cargador inalámbrico de bucle cerrado basado en LTC4124 y LTC4125

La figura 7 muestra el esquema completo del transmisor controlado en bucle cerrado basado en el LTC4125 y el receptor de 100 mA basado en el LTC4124. Como se ve en el esquema, se necesitan muy pocos componentes en el lado del receptor, lo que abarata el coste y reduce el volumen del mismo. En el lado del transmisor, en comparación con las aplicaciones típicas del LTC4125, sólo se utilizan unos pocos componentes adicionales para lograr el control de bucle cerrado. Se mantienen la mayoría de las características del LTC4125, como la conmutación AutoResonante, los múltiples métodos de detección de cuerpos extraños, la protección contra la sobretemperatura y la protección contra la sobretensión del tanque resonante. Los detalles de estas características se encuentran en la hoja de datos del LTC4125.

El transmisor inalámbrico de bucle cerrado basado en el LTC4125 puede ajustar dinámicamente su potencia de salida para adaptarse a la demanda de potencia del receptor. La figura 8 muestra el comportamiento de este cargador inalámbrico cuando la bobina del receptor se aleja del centro de la bobina del transmisor y luego vuelve rápidamente a su posición original. La potencia de salida del transmisor LTC4125, que se indica mediante la tensión de pico del depósito del transmisor V_{PICO DE TRANSMISIÓN}responde suavemente al cambio del coeficiente de acoplamiento entre las dos bobinas para mantener constante la corriente de carga.

Durante un transitorio de aumento de la corriente de carga, el evento de derivación del LTC4124 se detiene, permitiendo que el LTC4125 cargue internamente su pin PTH1. Como resultado, el LTC4125 aumenta el ciclo de trabajo de su controlador de medio puente para aumentar la potencia de transmisión. Una vez que la potencia de transmisión es lo suficientemente grande como para que el LTC4124 regule su corriente de carga, el fenómeno de derivación se reanuda y el ciclo de trabajo se mantiene en un nivel óptimo. Durante una caída transitoria de la corriente de carga, el LTC4124 realiza derivaciones con mucha más frecuencia. El LTC4125 descarga rápidamente el condensador de su patilla PTH1 para disminuir el ciclo de trabajo y reducir la potencia de transmisión del LTC4125.

Como la potencia de transmisión siempre coincide con la demanda del receptor, la eficiencia global mejora mucho respecto a las configuraciones típicas de cargadores inalámbricos basados en el LTC4124 y el LTC4125 sin control de bucle cerrado. La curva de eficiencia es más suave sin los pasos del convertidor digital-analógico interno en el funcionamiento óptimo de búsqueda de energía del LTC4125. Como la pérdida de energía se reduce mucho, el cargador LTC4124 y la batería permanecen cerca de la temperatura ambiente durante todo el periodo de carga.

Conclusión

El LTC4125 puede configurarse como un transmisor de potencia ajustable con una entrada de control. El evento de derivación del receptor del cargador inalámbrico LTC4124 puede utilizarse para proporcionar una señal de retroalimentación al transmisor. Esta señal de retroalimentación puede demodularse mediante un rectificador de media onda, un divisor de tensión, un filtro de paso bajo y un comparador. La señal procesada puede introducirse en el transmisor de potencia ajustable basado en el LTC4125 para cerrar el bucle de control. Se ha construido un prototipo para probar este concepto. Este prototipo reacciona rápida y suavemente a los cambios en el coeficiente de acoplamiento y la corriente de carga. Este método permite a los usuarios finales colocar el receptor en el transmisor con un mayor grado de desalineación, sin temor a que el receptor reciba la potencia que necesita. Además, este método de bucle cerrado también mejora la eficiencia general al adaptar siempre la potencia de salida del transmisor a la demanda de potencia del receptor, haciendo que todo el periodo de carga sea mucho más seguro y fiable.