วิธีเพิ่มการชาร์จแบบไร้สายอย่างรวดเร็วและคุ้มค่าไปยังอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัดและปิดแน่น

ความต้องการอุปกรณ์ไร้สายปิดแน่นขนาดเล็กที่เพิ่มขึ้นนั้นต้องการโซลูชันการชาร์จที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น วิธีการชาร์จแบบเดิมไม่เป็นที่น่าพอใจสำหรับผู้ใช้ปลายทาง ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายในอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัด และไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง แม้ว่าการชาร์จแบบไร้สายจะแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้หลายประการ แต่โซลูชันที่มีอยู่ยังขาดข้อกำหนดในการบูรณาการ ด้านพลังงาน และประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านี้

บทความนี้กล่าวถึงความจำเป็นในโซลูชันการชาร์จที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัดและมีการปิดแน่น จากนั้นจึงแนะนำโซลูชันการชาร์จไร้สายอเนกประสงค์จาก Analog Devices และแสดงให้เห็นว่าช่วยให้นักพัฒนาใช้งานการชาร์จที่เหมาะสม ปลอดภัย และมีประสิทธิภาพได้อย่างไร

ความต้องการโซลูชันการชาร์จที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นมีเพิ่มมากขึ้น

ความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้ขนาดกะทัดรัด เช่น ชุดหูฟัง หูฟังแบบอินเอียร์ และอุปกรณ์ออกกำลังกาย ยังคงผลักดันความต้องการโซลูชันการชาร์จที่ตอบสนองข้อจำกัดด้านขนาดทางกายภาพของการใช้งานเหล่านี้ และรับประกันความสมบูรณ์ของอุปกรณ์ที่ปิดสนิทในสภาพแวดล้อมการทำงานที่หลากหลาย วิธีการชาร์จแบบเดิมๆ ที่ต้องคอนเนคเตอร์ไม่สามารถตอบสนองความต้องการเหล่านี้ได้ เนื่องจากความอ่อนไหวต่อการสึกหรอและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ฝุ่นและความชื้น ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีการชาร์จแบบไร้สายจึงเป็นมากกว่าคุณสมบัติใหม่ ซึ่งกลายเป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับผลิตภัณฑ์ประเภทนี้

ด้วยการขจัดความจำเป็นในการใช้พอร์ตชาร์จภายนอก ระบบถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สาย (WPT) นำเสนอโซลูชันที่เป็นไปได้โดยการทำงานบนช่องว่างอากาศระหว่างแหล่งชาร์จและอุปกรณ์ปิดแน่น อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การออกแบบโซลูชัน WPT ที่มีประสิทธิภาพนั้นมีความท้าทายทางเทคนิคหลายประการ รวมถึงประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงาน การจัดการข้อผิดพลาด และการจัดการแบตเตอรี่และความร้อน ความจำเป็นในการตอบสนองข้อจำกัดของพื้นที่ที่จำกัดยิ่งทำให้เรื่องซับซ้อนยิ่งขึ้น

อุปกรณ์ที่มีการบูรณาการสูงทำให้การออกแบบ WPT ง่ายขึ้น

เครื่องชาร์จ Li-ion ไร้สาย LTC4124 และเครื่องส่งสัญญาณพลังงานไร้สาย LTC4125 ได้รับการพัฒนาเพื่อช่วยให้นักออกแบบตอบสนองความต้องการของการบูรณาการ พลังงาน และประสิทธิภาพในระดับสูงที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัดและปิดแน่น

ในแพ็คเกจ LQFN ขนาดเพียง 2 × 2 มม. และมีความสูง 0.74 มม. LTC4124 ผสานรวมฟังก์ชันครบครันที่จำเป็นสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนด้วยกระแสไฟชาร์จที่เลือกได้สูงสุดถึง 100 มิลลิแอมแปร์ (mA) (รูปที่ 1) )

รูปที่ 1: ด้วยความสามารถด้านการทำงานที่ครอบคลุมของเครื่องชาร์จ Li-ion ไร้สาย LTC4124 ช่วยให้การใช้งาน WPT ง่ายขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้วยฟังก์ชันการชาร์จแบบครอบคลุม อุปกรณ์นี้สามารถใช้เป็นเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion แบบสแตนด์อโลนได้โดยไม่ต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติม ความสามารถในการชาร์จแบตเตอรี่เชิงเส้นแบบกระแสคงที่/แรงดันคงที่ (CC/CV) ที่มีคุณลักษณะครบถ้วนและตั้งโปรแกรมด้วยพินได้ มาพร้อมกับระบบตั้งเวลาเพื่อความปลอดภัย การตรวจจับแบตเตอรี่ทำงานผิดปกติ และการชาร์จใหม่อัตโนมัติ

ความสามารถในการตัดการเชื่อมต่อเมื่อแบตเตอรี่ต่ำของ LTC4124 ช่วยปกป้องแบตเตอรี่ในสถานะประจุต่ำมากจากการคายประจุเพิ่มเติม ซึ่งสามารถลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ โดยคุณลักษณะการตัดการเชื่อมต่อทำให้ LTC4124 ปิดเครื่องเมื่อไม่มีพลังงานอินพุตและแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่ระบุ ขณะที่ปิดเครื่อง อุปกรณ์จะเปิดสวิตช์ตัดการเชื่อมต่อ (M3 ในรูปที่ 1) เพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่หมด ด้วยคุณสมบัติโหมดชิพ LTC4124 จะป้องกันการคายประจุแบตเตอรี่จนกว่าจะจ่ายไฟไปที่พิน ACIN หรือ DCIN

นอกจากนี้ ยังสามารถกำหนดค่า LTC4124 เพื่อป้องกันการชาร์จหากอุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงเกินไป และสามารถระบุสถานะการชาร์จด้วยสายตาได้ด้วยการเพิ่มเทอร์มิสเตอร์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเชิงลบ (NTC) และไดโอดเปล่งแสง (LED) (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การใช้ส่วนประกอบเพียง 2 ชิ้น ได้แก่ LED และตัวต้านทาน NTC พร้อมด้วยเครื่องชาร์จ LTC4124 นักพัฒนาสามารถใช้เครื่องชาร์จที่มีคุณสมบัติตามอุณหภูมิที่สมบูรณ์พร้อมไฟแสดงสถานะการชาร์จ (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ด้วยการเชื่อมต่อวงจรถังเรโซแนนซ์ตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (LC) ภายนอกแบบขนานเข้ากับพิน ACIN ของ LTC4124 นักพัฒนาจึงสามารถขยายการออกแบบพื้นฐานนี้ได้อย่างง่ายดายเพื่อสร้างด้านตัวรับของระบบ WPT เมื่อจับคู่กับ LTC4125 ของ Analog Devices วิธีการนี้จะให้โซลูชัน WPT 100 mA ที่สมบูรณ์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: เครื่องส่ง LTC4125 และเครื่องชาร์จ LTC4124 มีโซลูชัน WPT ขนาด 100 mA ขนาดกะทัดรัด (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

LTC4125 เป็นอุปกรณ์ที่มีการผสานรวมในระดับสูงเช่นเดียวกับ LTC4124 ซึ่งออกแบบมาสำหรับการใช้งาน WPT โดยเฉพาะ มาในแพ็คเกจ QFN ขนาด 5 × 4 × 0.75 มม. และสามารถส่งกำลังได้มากกว่า 5 วัตต์จากแหล่งจ่ายไฟ 3 ถึง 5 โวลต์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เครื่องส่งพลังงานไร้สาย LTC4125 ของ Analog Devices ผสานรวมบล็อกการทำงานที่สมบูรณ์ซึ่งจำเป็นในการส่งกำลังมากกว่า 5 วัตต์ไปยังเครื่องรับที่ปรับจูนอย่างเหมาะสม (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

หัวใจสำคัญของอุปกรณ์นี้ เทคโนโลยี AutoResonant ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ Analog Devices จะตรวจจับและจับคู่ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจร LC ซีรีส์ที่เชื่อมต่อที่พินสวิตช์ (SW1 และ SW2) โดยอัตโนมัติ นอกจากการปรับกำลังส่งให้เหมาะสมแล้ว เทคโนโลยี AutoResonant ยังมีบทบาทสำคัญในการตรวจจับวัตถุแปลกปลอมอีกด้วย เมื่อวางวัตถุแปลกปลอมไว้ใกล้กับคอยล์ส่ง ความเหนี่ยวนำของคอยล์ที่มีประสิทธิภาพจะลดลงอย่างมาก และความถี่ในการขับขี่ LTC4125 จะเพิ่มขึ้น ตามที่ระบุไว้ด้านล่าง ความถี่ที่เพิ่มขึ้นของไดรฟ์นี้ถูกใช้เพื่อบ่งชี้ว่ามีวัตถุแปลกปลอมอยู่

การเพิ่มประสิทธิภาพ WPT

ในระหว่าง WPT ตัวจัดการพลังงานไร้สายในตัวของตัวรับ LTC4124 จะแก้ไขแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับจากสนามแม่เหล็กสลับที่สร้างโดยคอยล์ส่งของตัวส่งครึ่งหนึ่งของคู่ตัวส่ง/ตัวรับของระบบ WPT ด้วยการใช้ตัวเปรียบเทียบในตัว (CP1) และสวิตช์ (SW1 และ SW2) ตัวจัดการพลังงานไร้สาย LTC4124 จะรักษาแรงดันไฟฟ้าที่แก้ไขแล้วบน V_CC ปักหมุดไว้ที่ระดับที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ (V_BATT) โดยการแบ่งวงจรถังเรโซแนนซ์ลงกราวด์เมื่อได้รับพลังงานมากกว่าที่จำเป็นในการชาร์จแบตเตอรี่

อย่างไรก็ตาม พลังงานที่กระจายไปโดยกลไกการแบ่งส่วนนี้สามารถเพิ่มภาระความร้อนของอุปกรณ์ได้ เครื่องส่ง LTC4125 มีกลไกที่ตรงมากขึ้นในการลดปริมาณพลังงานที่ไปถึงเครื่องรับ

แม้ว่าเทคโนโลยี AutoResonant จะปรับการส่งพลังงานให้เหมาะสม แต่ LTC4125 ก็มีความสามารถในการค้นหาพลังงานที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งจะตรวจสอบและปรับเอาต์พุตกำลังของเครื่องส่งสัญญาณเพื่อให้ตรงกับโหลดของตัวรับสัญญาณในวงจรการค้นหาตามลำดับที่ต่อเนื่อง ในแต่ละรอบ LTC4125 จะเพิ่มกำลังส่งแบบค่อยเป็นค่อยไปโดยเพิ่มแรงดันไฟฟ้าความกว้างพัลส์ทีละขั้นตอน (V_PTH) ซึ่งเป็นสัดส่วนกับความกว้างของพัลส์ที่ส่งไปยังบริดจ์ที่ขับเคลื่อนกระแสคอยล์ การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในแรงดันป้อนกลับของถังเรโซแนนซ์ (V_FB) บ่งชี้ว่ากำลังส่งเพียงพอที่จะตอบสนองหรือเกินกว่าโหลดของตัวรับ และการค้นหาจะหยุดที่แรงดันความกว้างพัลส์นั้น ซึ่งจะรักษาระดับกำลังเอาต์พุตของตัวส่งสัญญาณที่ต้องการไว้จนกระทั่งถึงรอบการค้นหาถัดไป (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: คุณลักษณะการค้นหาพลังงานที่เหมาะสมที่สุดของเครื่องส่งสัญญาณ LTC4125 จะจับคู่กำลังไฟฟ้าเอาท์พุตกับโหลดของตัวรับ โดยดำเนินการค้นหาแบบขั้นตอนเพื่อค้นหาระดับเอาต์พุตที่เหมาะสม (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

การค้นหาพลังงานที่เหมาะสมที่สุดของ LTC4125 จะดำเนินการแต่ละรอบการค้นหาผ่านกระบวนการที่คงที่ จนกว่าจะตรวจพบเงื่อนไขทางออกที่ถูกต้องหรือเงื่อนไขข้อบกพร่องข้อใดข้อหนึ่ง (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ในการดำเนินการอัลกอริธึมการค้นหาพลังงานอย่างเหมาะสม เครื่องส่งสัญญาณ LTC4125 ยังคงเพิ่มกำลังเอาท์พุตเป็นชุดขั้นตอนต่างๆ จนกว่าจะพบเงื่อนไขทางออกที่ถูกต้องหรือเงื่อนไขข้อบกพร่องข้อใดข้อหนึ่ง (แหล่งที่มาภาพ: Analog Devices)

ในกระบวนการนี้ LTC4125 จดจำเงื่อนไขทางออกที่ถูกต้องที่กำหนดไว้ล่วงหน้าหลายเงื่อนไข ซึ่งบ่งชี้ถึงกำลังส่งที่เหมาะสมที่สุด นอกจากนี้ นักพัฒนายังสามารถระบุเงื่อนไขทางออกที่ตั้งโปรแกรมได้สองเงื่อนไข รวมถึงเกณฑ์กระแสอินพุต (V_ITH) เพื่อจำกัดกระแสอินพุตและเกณฑ์แรงดันแตกต่าง (DTH) เพื่อปรับกำลังส่งให้เหมาะสมในสถานการณ์การใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการจับคู่ที่ไม่ดีระหว่างคอยล์ตัวส่งและตัวรับ

LTC1425 จะตรวจจับสภาวะความผิดปกติหลายประการโดยอัตโนมัติซึ่งอาจส่งผลต่อความปลอดภัยและประสิทธิภาพของการถ่ายโอนพลังงาน:

• เกินเกณฑ์อุณหภูมิคอยล์ที่กำหนดโดยแรงดันไฟฟ้า NTC (V_NTC) ตรวจพบบนพินอินพุต NTC
• เกินขีดจำกัดสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าของถังตามที่ตรวจพบผ่านแรงดันพิน FB V_FB >V_IN
• เกินขีดจำกัดอุณหภูมิดายภายใน (ปกติ 150°C)
• เกินเกณฑ์ความถี่ ซึ่งบ่งชี้ว่ามีวัตถุแปลกปลอมอยู่เนื่องจากการเหนี่ยวนำขดลวดส่งลดลงและความถี่ของไดรฟ์ที่เกี่ยวข้องเพิ่มขึ้น
• เกินขีดจำกัดกระแสอินพุต (ILIM)
• ค้นหาแรมป์เสร็จสิ้นโดยไม่พบเงื่อนไขทางออกที่ถูกต้อง

การเกิดขึ้นของเงื่อนไขความผิดปกติใดๆ เหล่านี้จะทำให้อุปกรณ์หยุดการจ่ายพลังงานจนกว่าจะถึงช่วงการค้นหาถัดไป

สำหรับนักพัฒนา คุณลักษณะต่างๆ เช่น ไดรฟ์ AutoResonant และการค้นหาพลังงานที่เหมาะสมที่สุดจะทำงานโดยอัตโนมัติ ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการออกและข้อบกพร่อง แม้ว่าเกณฑ์สำหรับเงื่อนไขบางประการเหล่านี้จะได้รับการแก้ไขในอุปกรณ์แล้ว นักพัฒนายังคงสามารถควบคุมด้านต่างๆ ที่ใช้ในการกำหนดการตั้งค่าพลังงาน เงื่อนไขการเสร็จสิ้น และเงื่อนไขข้อบกพร่องได้

การใช้ชุดสาธิต DC2770A-A-KIT ของ Analog Devices และชุดสาธิต 100 mA DC2770A-B-KIT ทำให้นักพัฒนาสามารถประเมินประสิทธิภาพของเครื่องรับ LTC4124 และเครื่องส่งสัญญาณ LTC4125 ได้อย่างรวดเร็ว เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion สูงถึง 100 mA แต่ละชุดประกอบด้วยบอร์ดตัวส่งสัญญาณที่ใช้ LTC4125 และบอร์ดตัวรับที่ใช้ LTC4124 ทั้งสองมาพร้อมกับจัมเปอร์และจุดเชื่อมต่อสำหรับตั้งค่าคุณลักษณะประสิทธิภาพของอุปกรณ์และติดตามผลลัพธ์

สรุป

แนวโน้มของอุปกรณ์ที่มีขนาดกะทัดรัดและปิดแน่นทำให้การออกแบบวิธีการชาร์จแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพซับซ้อนยิ่งขึ้น โดย WPT นำเสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพ แต่การใช้งานการออกแบบการชาร์จไร้สายที่มีประสิทธิภาพนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทาย ตัวรับและตัวส่งสัญญาณพลังงานไร้สายจาก Analog Devices ออกแบบมาเพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ ช่วยลดความยุ่งยากในการใช้งาน WPT ในอุปกรณ์ที่มีพื้นที่จำกัดและปิดแน่น