問題:
我的應用沒有電池,是否可採用無線供電?

答案:
當然可以,可使用最初設計用於能量採集的簡單的整合式nanopower解決方案。

無線功率傳輸(WPT)系統是由氣隙分隔的兩部份所組成:發射(Tx)電路(包括發射線圈)和接收(Rx)電路(包括接收線圈;見圖1)。與典型的變壓器系統非常相似,發射線圈中產生的交流電透過磁場感應在接收線圈中生成交流電。然而,與典型變壓器系統不同的是,原邊(發射端)和副邊(接收端)之間的耦合程度通常很低,這是由於其存在非磁性材料(空氣)間隙。

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圖1:無線功率傳輸系統

目前大多數無線功率傳輸應用都採用無線電池充電器配置。可充電電池位於接收端,只要有發射端,就可對其進行無線充電。充電完成後,將電池與充電器分離,可充電電池即可為終端應用供電。後端負載既可直接連接到電池,也可透過PowerPath理想二極體間接連接到電池,或連接到充電器IC中整合的電池供電穩壓器的輸出端。在所有三種情況下(見圖2),終端應用既可在充電器上運行,也可脫離充電器運行。

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圖2:無線Rx電池充電器,後端負載連接到a)電池;b) PowerPath理想二極體以及c)穩壓器輸出端

但是,如果特定應用根本沒有電池,那麼,取而代之的是,當無線電源可用時,只需提供一個穩壓的電壓軌,而這又會如何呢?在遠端感測器、電表、汽車診斷和醫療診斷領域中,此類應用的例子極為常見。例如,如果遠端感測器無需持續供電,那麼它就不需要電池,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)。如果該遠端感測器僅需要用戶在其附近時給出讀數,則可按需進行無線供電。

在此以LTC3588-1作為nanopower能量採集電源解決方案。雖然LTC3588-1最初為感測器(如壓電、太陽能等)供電的能量採集(EH)應用而設計,但它也可用於無線電源應用。圖3顯示採用LTC3588-1的完整發射端和接收端WPT解決方案。在發射端,使用基於LTC6992 TimerBlox 矽振盪器的簡單開迴無線發射器。在此設計中,將驅動頻率設定為216 kHz,低於LC諧振電路的諧振頻率266 kHz。FLC_TX與fDRIVE的精準比值最好是憑經驗來確定,旨在最大程度地減小由零電壓切換開關(ZVS)引起的M1切換開關損耗。關於發射端線圈選擇和操作頻率的設計考量,與其他WPT解決方案沒有什麼不同,也就是說,在接收端採用LTC3588-1並無任何獨特之處。

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圖3:WPT採用LTC3588-1以提供穩定的3.3V電源軌

在接收端,將LC諧振電路的諧振頻率設定為與216 kHz的驅動頻率相等。鑑於許多EH應用需要進行交流到直流的整流(如同WPT一樣),因此LTC3588-1已經內建了該項功能,允許LC諧振電路直接連接到LTC3588-1的PZ1和PZ2針腳。該整流為寬頻整流:直流到> 10MHz。與LTC4123/LTC4124/LTC4126的VCC針腳類似,將LTC3588-1的VIN針腳調節至適合為後端輸出供電的位準。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。其可透過針腳選擇四種輸出電壓:1.8V、2.5V、3.3V和3.6V可選,連續輸出電流高達100mA。只要平均輸出電流不超過100mA,就可以選擇大小合適的輸出電容來提供較高的短期突發電流。當然,要完全實現100mA輸出電流能力,還取決於是否具有適當大小的發射端、線圈對以及是否充分耦合。

如果負載需求低於支援的可用無線輸入功率,則VIN電壓會增加。雖然LTC3588-1整合了一個輸入保護分流器,可在VIN電壓上升至20V時提供高達25mA的拉電流,但這個功能並非必需的。隨著VIN電壓上升,接收線圈上的峰值交流電壓也會上升, 這相當於可提供給LTC3588-1的交流量下降,而不只是在接收諧振電路中循環。如果在VIN上升至20V之前就達到了接收線圈的開路電壓(VOC),則後端電路受到保護,接收端IC中不會產生熱量造成能耗。測試結果顯示:針對圖3所示氣隙為2mm的應用,測得在3.3V下可提供的最大輸出電流為30mA,而無負載時測得的VIN電壓為9.1V。當氣隙接近為零時,可提供的最大輸出電流增加至大約90mA,而無負載時的VIN電壓僅增加至16.2V,遠低於輸入保護分流電壓(見圖4)。

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圖4:在3.3V下各種距離可提供的最大輸出電流

針對採用無線電源的無電池應用,諸如LTC3588-1超低功耗靜態電流源提供了一種簡單的整合式解決方案,除可提供低電流穩壓電壓軌,還具備了完整的輸入保護功能。