简介
小尺度可穿戴设备越来越多地选用无线充电，因为这样无需运用充电线，在设备上也无需装备显露式接口。关于充电电流小于10 mA的运用，因为功耗很低，因此无需在无线充电器接纳器和发射器之间施行闭环操控。可是，要取得更高的充电电流，就需求发射器依据其接纳器的需求，以及两头之间的耦合系数，自动调理其输出功率。不然，接纳器或许需求以热量的办法耗费剩余的功率，这会影响用户体会，而且或许危害电池功能。无线充电发射器和接纳器间的操控回路通常用数字通信的办法来完成闭合，可是数字操控会添加全体规划的复杂性和增大运用的巨细。
本文介绍一种办法，能够在不添加接纳器电路板上组件数量（和名贵的全体尺度）的情况下，闭合接纳器和发射器之间的操控环路。咱们运用LTC4125 AutoResonant™ 发射器和LTC4124无线锂离子充电器接纳器来构建闭环操控无线充电器原型，以演示此理念。
建立带占空比操控输入的AutoResonant发射器
LTC4125是一款单芯片全桥AutoResonant无线功率发射器，用于最大极限进步接纳器可用功率，进步全体功率，并为无线充电体系供给全面维护。
LTC4125选用AutoResonant转化器来驱动串联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驱动器运用电流过零检测器，使其驱动频率与LC谐振电路的谐振频率共同。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引脚电压成份额。当SWx引脚与VIN导通时，流经发射器谐振电路的电流量添加。因此，每个电桥驱动器的占空比操控发射端谐振电路电流的幅值，电流幅值与发射功率成份额。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全体电路阻抗决议，包含来自无线接纳器的折算负载阻抗。
在传统作业方式下，LTC4125运用内部5位DAC来扫描SWx占空比；该DAC设置PTHx电压以查找有用负载。假如FB引脚呈现某种办法的电压改变，扫描将中止，占空比在可调理的扫描周期内（一般设置为约3到5秒）坚持不变。然后，开端新扫描周期，重复上述相同过程。假如负载条件在扫描周期内发生改变，LTC4125会在下一个扫描周期开端时做出呼应。
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。
为了构成闭环，电桥驱动器的发射功率应能够依据操控输入来调理。LTC4125具有多项特性，其间PTHx引脚不只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运用内部上拉电阻来设置PTHx引脚的电压方针值。可是，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，然后下降PTHx引脚的均匀电压。这个下拉FET栅级的PWM信号占空比能够操控PTHx引脚的均匀电压，然后操控输出功率[LW1] 。
图2.PTHx受PWM输入信号操控。
LTC4125旨在为适宜的接纳器供给超越5 W的功率。与LTC4124接纳器配对时，可经过停用其间一个半桥驱动器来下降发射功率。这能够经过让SW2引脚坚持开路，让PTH2短接至GND来完成。然后，能够在SW1引脚和GND之间衔接发射谐振电路。这样LTC4125就成为半桥发射器，能够在PTH1引脚上完成更低的增益，进步PTH1引脚有用操控电压的规模。
图3.在6 mm运用电路板上运用LTC4124的完好无线电池充电器解决方案。
运用LTC4124从无线充电器接纳器生成反应信号
LTC4124是一款高度集成的100 mA无线锂离子充电器，专为空间受限的运用而规划。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抱负的二极管PowerPath™操控器。
LTC4124中的无线电源管理器经过ACIN引脚衔接至并联谐振电路，然后答应线性充电器从发射线圈发生的交变磁场无线接纳电源。当LTC4124接纳的电能超越以设定速率为电池充电所需的电能时，剩余的电能将对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[LW2] 时，无线电源管理器将接纳器谐振电路分流至地，直到VCC下降至VBAT + 0.85 V。这样，线性充电器将十分高效，因为其输入一直刚好高于其输出。
图4.LTC4124接纳器的沟通输入整流和直流轨电压调理。
LTC4124将接纳器谐振电路分流至地也会下降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起伏上升。因为分流意味着接纳器已从发射器取得满意功率，所以发射器谐振电路峰值电压升高能够用作发射器调理其输出功率的反应信号。
图5.TLTC4124接纳器分流期间的发射电路电压(VTX)升高。
解调反应信号并闭合操控环路
谐振发射器一侧得到接纳器的反应信号后，需求将反应信号进行转化，并馈送至发射器的操控输入，以闭合操控环路。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[LW3] 电压的改变，运用由电阻(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。经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的占空比操控输入，即可完成发射器输出功率的调理。
图6.发射器一侧的反应信号解调电路。
当接纳器未获取满意电能时，LTC4125应添加其输出功率。这能够经过为PTHx引脚设置内部电压方针来完成。内部电压方针可经过PTHM引脚设置，它在开端LTC4125查找周期之前设置了初始5位DAC电压电平。能够在IMON引脚衔接1 V基准电压以禁用查找，使得PTHx引脚方针电压在运行期间一直坚持初始值。假如LTC4124接纳器需求更多功率，分流会中止，给PTHx放电的FET将不会导通。LTC4125将以内部电压方针为基准，对PTHx电压充电，直至LTC4124接纳到满意功率来启用分流。
当接纳器在运用中最糟糕的耦合系数方位，输出预设的最大充电电流时，经过丈量PTHx电压能够确认所需的最大发射功率。设置PTHM引脚电压时，应满意最大发射功率要求。
根据LTC4124和LTC4125的闭环操控无线充电器的特性和功能
图7所示为根据LTC4125的闭环操控发射器和根据LTC4124的100mA接纳器的完好示意图。如图所示，接纳器一侧所需的组件数量很少，然后能够下降成本，减缩接纳器尺度。与LTC4125典型运用比较，发射器一侧只需添加几个额组件即可完成闭环操控。LTC4125的大部分特性都得以保存，包含AutoResonant开关、多种异物检测办法、过温维护和谐振电路过压维护。有关这些特性的概况，请参阅LTC4125数据手册。
图7.100 mA LTC4124充电器接纳器与LTC4125 AutoResonant闭环操控发射器配对。
根据LTC4125的闭环无线发射器能够动态调理其输出功率，以匹配接纳器的功率要求。图8显现了在接纳器线圈违背发射器线圈中心，然后快速回到原始方位时，这款无线充电器的呼应。LTC4125发射器的输出功率由峰值发射电路电压VTX_PEAK表明，它会对两个线圈之间的耦合系数改变做出平稳呼应，以使充电电流坚持稳定不变。
图8.根据LTC4124和LTC4125的闭环无线充电器会呼应发射器和接纳器之间耦合系数的忽然改变。
在充电电流瞬态上升期间，LTC4124分流中止，答应LTC4125从内部为其PTH1引脚充电。因此，LTC4125会添加其半桥驱动器占空比，以进步发射功率。一旦发射功率满意高，使LTC4124能够调理其充电电流，就会康复分流，占空比则坚持在效能最佳水平。在充电电流瞬态下降期间，LTC4124会更频频地分流。LTC4125的外部电路[LW4] 使其PTH1引脚上的电容快速放电，以下降占空比，并下降LTC4125的发射功率。
图9.根据LTC4124和LTC4125的闭环无线充电器会呼应充电电流上升。
图10.根据LTC4124和LTC4125的闭环无线充电器会呼应充电电流下降。
图11.扩大波形，用于显现图10所示的瞬变概况。
因为发射功率一直匹配接纳器的需求，所以与无闭环操控的根据LTC4124和LTC4125的无线充电器典型装备比较，全体功率得到大幅进步。因为没有选用LTC4125本来的最佳功率查找方式，因此不发生DAC的步进效应，该装备的功率曲线愈加平稳。因为功率损耗大幅下降，所以LTC4124充电器和电池在整个充电期间一直坚持挨近室温的状况。
图12.根据LTC4125和LTC4124的无线充电器多种装备在3.5 mm气隙下的功率。
定论
LTC4125能够装备为带操控输入的功率可调发射器。经过LTC4124无线充电器接纳器分流能够为发射器供给反应信号。经过半波整流器、分压器、低通滤波器和比较器，可对反应信号进行解调。将处理后的信号馈送至根据LTC4125的功率可调发射器中，以闭合操控环路。咱们已构建了原型，用于验证此概念。此原型能够对耦合系数和充电电流的改变做出快速平稳的呼应。经过这种办法，最终用户将接纳器放置在发射器上方时，能够答应更大误差，无需忧虑接纳器是否能够获取所需的功率。此外，这种闭环办法能够让发射器输出功率一直匹配接纳器的功率需求，然后进步了全体功率，使整个充电周期愈加安全可靠。
