如何以快速且符合成本效益的方式為空間受限和密封式裝置添加無線充電能力

密封式小型無線裝置的需求不斷增長，需要更有效的充電解決方案。傳統的充電作法對最終使用者來說不夠令人滿意，對空間受限的裝置更帶來挑戰，而且不適用於嚴峻的環境。儘管無線充電可因應其中許多問題，但現有的解決方案仍無法符合這些裝置對整合性、功率和效率的要求。

本文將探討空間受限和密封式裝置對增強型充電解決方案的需求。接著會介紹 Analog Devices 的多功能無線充電解決方案，並展示其如何協助開發人員輕鬆實作合適、安全且高效的充電。

對更有效的充電方案的需求不斷成長

對更緊湊的穿戴式電子裝置 (如耳機、入耳式裝置和健身裝置) 的需求不斷成長，也因此不斷推升對充電方案的需求，以符合這些應用的實體尺寸限制，並確保密封單元在眾多操作環境中的完整性。仰賴實體連接器的傳統充電方法由於容易磨損及受到灰塵和濕氣等環境因素的影響，因此無法滿足這些要求。有鑑於此，無線充電技術不僅是一項新穎的功能，更成為這類產品的基本要求。

由於不需要外部充電埠，無線電力傳輸 (WPT) 系統可透過充電源和封閉式裝置之間的氣隙運作，因此成為一種潛在的解決方案。然而，在實務上，要設計有效的 WPT 方案具有多種技術難題，包括電力傳輸效率、故障處理以及電池和熱管理。為了要符合緊湊空間的限制，會讓情況更為複雜。

高整合度裝置可簡化 WPT 的設計

Analog Devices 的 LTC4124 無線鋰離子充電器和 LTC4125 無線電力發射器的開發，就是為了協助設計人員符合空間受限和密封型裝置對高整合度、功率和效率的要求。

LTC4124 採用 LQFN 封裝，尺寸僅有 2 × 2 mm，高度為 0.74 mm，整合了鋰離子電池充電所需的全部功能，並可選擇充電電流，最高可達 100 mA (圖 1)。

圖 1：憑藉其完善的功能，LTC4124 無線鋰離子充電器可簡化 WPT 的實作。(圖片來源：Analog Devices)

憑藉其完善的整合式充電功能，此裝置可當作獨立的鋰離子電池充電器，無需額外元件。具備全功能、引腳可編程的恆定電流／恆定電壓 (CC/CV) 線性電池充電功能，更搭載安全計時器終止、電池不良偵測和自動再充電功能。

LTC4124 的低電量斷開功能有助於保護處於極低充電狀態的電池，以免進一步放電而縮短電池壽命。此斷開功能會在沒有輸入電源，且電池電壓降低至指定最小值時將 LTC4124 關閉。關閉後，此裝置會打開一個斷開開關 (圖 1 中的 M3)，以免電池進一步放電。透過運輸模式功能，LTC4124 可避免電池放電，直到 ACIN 或 DCIN 引腳通電為止。

LTC4124 還可以配置成在電池溫度過高時避免充電，而且還可以添加負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻和發光二極體 (LED)，就可目視查看充電狀態 (圖 2)。

圖 2：開發人員只需使用兩個元件 (一個 LED 和一個 NTC 電阻)，搭配 LTC4124 充電器，即可實作具有視覺化充電狀態指示器的完整溫度合格充電器。(圖片來源：Analog Devices)

將外部並聯電感電容 (LC) 諧振槽電路連接到 LTC4124 的 ACIN 引腳，開發人員就可輕易地擴充這個基本的設計，打造 WPT 系統的接收器側。只要搭配 Analog Devices 的 LTC4125，這個作法就可提供完整的 100 mA WPT 解決方案 (圖 3)。

圖 3：LTC4125 發射器和 LTC4124 充電器提供緊湊的 100 mA WPT 解決方案。(圖片來源：Analog Devices)

就像 LTC4124 一樣，LTC4125 也是高度整合的裝置，專為 WPT 應用而設計。採用尺寸為 5 × 4 × 0.75 mm 的 QFN 封裝，能以 3 至 5 V 電源提供超過 5 W 的功率 (圖 4)。

圖 4：Analog Devices 的 LTC4125 無線電力發射器整合了必要的完整功能模塊，能向正確調諧的接收器提供超過 5 W 功率。(圖片來源：Analog Devices)

此裝置的核心是 Analog Devices 專有的自動諧振技術，可針對連接在開關引腳上 (SW1 和SW2) 的串聯 LC 電路諧振頻率進行自動偵測並進行匹配。除了發射功率最佳化，自動諧振技術在異物偵測上也具有關鍵作用。若有異物放置在發射線圈附近，有效的線圈電感會大幅降低，LTC4125 的驅動頻率就會增加。如下所述，驅動頻率的提升會被視為具有異物的象徵。

WPT 最佳化

在 WPT 期間，LTC4124 接收器的整合式無線電力管理器會針對 WPT 系統發射器／接收器對的發射器側，其中的發射線圈所產生之交流磁場的 AC 電壓進行整流。當接收到的能量多於電池充電所需時，LTC4124 無線電力管理器會運用其整合式比較器 (CP1) 和開關 (SW1 和 SW2)，將諧振槽電路分流至接地，藉此將 V_CC 引腳上的整流電壓維持在剛好高於電池電壓 (V_BATT)。

然而，這種分流機制所耗散的功率會增加裝置的熱負荷。LTC4125 發射器提供一種更直接的機制，將抵達接收器的能量減少。

雖然自動諧振技術可將電力傳輸最佳化，但 LTC4125 具有最佳的電力搜索功能，可監測和調整發射器的功率輸出，以便在一連串的搜索週期中與接收器負載匹配。在每個週期中，LTC4125 會逐步增加脈寬電壓 (V_PTH)，藉此逐漸提高發射功率，此電壓與傳輸到驅動線圈電流之電橋的脈衝寬度成正比。諧振槽回授電壓 (V_FB) 若顯著變化，則表示發射功率足以滿足或超過接收器負載，並且搜索會在該脈寬電壓處停止，如此就可維持所需的發射器輸出功率位準，直到下一個搜索週期 (圖 5)。

圖 5：LTC4125 發射器的最佳功率搜索功能可透過逐步搜索，找到合適的輸出位準，藉此將功率輸出與接收器負載匹配。(圖片來源：Analog Devices)

LTC4125 的最佳功率搜索可透過固定流程執行每個搜索週期，直到偵測到有效的退出條件，或多種故障條件之一為止 (圖 6)。

圖 6：在執行最佳功率搜索演算法時，LTC4125 發射器會繼續以一系列步驟增加功率輸出，直到遇到有效的退出條件或多種故障條件之一。(圖片來源：Analog Devices)

在此過程中，LTC4125 會識別幾個預定義的有效退出條件，指出最佳發射功率。此外，開發人員可以指定兩個可編程的退出條件，包括用來限制輸入電流的輸入電流臨界值 (V_ITH) 以及差動諧振槽電壓臨界值 (DTH)，以在發射線圈和接收線圈之間耦合不良的使用場景中將發射功率最佳化。

LTC1425 可自動偵測有損電力傳輸安全性和效率的幾種故障情況：

• NTC 輸入引腳會偵測 NTC 電壓(V_NTC)，再由此判斷是否超出線圈溫度臨界值
• FB 引腳的電壓 V_FB>V_IN，可藉此偵測諧振腔電壓是否超過最大臨界值
• 超過內部晶粒過溫臨界值 (典型值 150°C)
• 超過頻率臨界值，這代表具有異物，判定方法是發射線圈電感降低且驅動頻率跟著提升。
• 超過輸入電流限值 (ILIM)
• 在未找到有效退出條件的情況下完成搜索週期

若有上述任何故障情況，都會導致裝置停止電力傳輸，直到下一個搜索間隔為止。

對開發人員來說，自動諧振驅動和最佳化功率搜索等特點會根據退出和故障情況自動運作。儘管其中一些條件的臨界值在裝置中是固定的，但開發人員仍對用來確定功率設定值、退出條件和故障條件的不同層面保有相當大的控制。

透過 Analog Devices 的 DC2770A-A-KIT 展示套件和 100 mA DC2770A-B-KIT 展示套件，開發人員就可迅速評估 LTC4124 接收器和 LTC4125 發射器在以高達 100 mA 的電流對鋰離子電池充電時的效能。每個套件都含有一個 LTC4125 架構發射器板和一個 LTC4124 架構的接收器板。兩者都配備跳接器和連接點，可用來設定裝置的效能特徵並監測結果。

結論

緊湊、密封式裝置的趨勢，會讓其仰賴的有效電池充電方法，在設計上更加複雜。WPT 可提供有效的解決方案，但要實作高效的無線充電設計並不容易。Analog Devices 的無線電力接收器和發射器可因應這些難題，能簡化 WPT 在空間受限和密封裝置中的實作。