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Di Wenwei Li, Applications Engineer, Analog Devices
Introduzione
Nei dispositivi indossabili di piccole dimensioni la carica wireless viene utilizzata sempre più di frequente, poiché elimina la necessità di cavi o la presenza di qualsiasi connettore esposto sugli apparati. Per applicazioni con correnti di carica inferiori a 10 mA, il controllo ad anello chiuso tra ricevitore e trasmettitore wireless del caricatore non è necessario, perché la potenza dissipata è bassa. Tuttavia, per correnti di carica più elevate, è essenziale che il trasmettitore regoli in modo attivo la propria potenza d’uscita, in base alla richiesta del relativo ricevitore e al coefficiente di accoppiamento tra le parti. In caso contrario, il ricevitore dovrebbe dissipare l’eccesso di potenza sotto forma di calore, compromettendo l’esperienza di utilizzo e mettendo a rischio la salute della batteria. Di solito, per chiudere questo anello tra ricevitore e trasmettitore viene usata la comunicazione digitale, ma il controllo numerico aumenta il livello di complessità generale del progetto e le dimensioni dell’applicazione.
Questo articolo presenta un metodo per chiudere il loop di controllo tra ricevitore e trasmettitore senza aumentare il numero di componenti (e utilizzare ulteriore spazio prezioso) sulla scheda del ricevitore. Per dimostrare questo concetto, è stato realizzato un prototipo di caricabatteria wireless Li-Ion con controllo ad anello chiuso, basato sul trasmettitore LTC4125 AutoResonant™ e il ricevitore LTC4124.
Trasmettitore AutoResonant con ingresso di controllo del duty cycle
LTC4125 è un trasmettitore di potenza monolitico wireless a ponte H auto-risonante (AutoResonant), progettato per massimizzare la potenza disponibile al ricevitore, aumentare l’efficienza complessiva e fornire protezione integrale al sistema di carica wireless.
LTC4125 implementa un convertitore AutoResonant per pilotare un tank risonante LC serie, composto da una bobina (LTX) e un condensatore di trasmissione (CTX). Per far corrispondere la propria frequenza di pilotaggio a quella di risonanza del circuito LC, il driver AutoResonant utilizza un rilevatore di passaggio per lo zero. I pin SW1 e SW2 rappresentano le uscite dei due stadi half-bridge all’interno dell’LTC4125. Quando il pin SWx rileva che la direzione della corrente d’uscita attraversa lo zero, passando da valori negativi a positivi, SWx viene posto a VIN con un duty cycle proporzionale alla tensione presente sul pin PTHx corrispondente. Quando il pin SWx viene portato a VIN, la corrente che scorre nel circuito risonante LC del trasmettitore aumenta. Perciò, il duty cycle di ciascun semi-ponte controlla l’ampiezza della corrente del circuito LC, che è proporzionale alla potenza di trasmissione. La Figura 1 illustra le forme d’onda di corrente e tensione di questo circuito con un duty cycle inferiore al 50%. Il valore assoluto dell’ampiezza di corrente che oscilla nel tank risonante è determinata dall’impedenza complessiva del circuito LC, la quale comprende anche l’impedenza riflessa dal carico del ricevitore wireless.
Nel funzionamento nominale, LTC4125 fa variare il duty cycle SWx, usando un DAC interno a 5-bit che regola la tensione su PTHx per cercare un carico valido. Se il pin FB rileva uno determinato schema di variazione della tensione, la scansione del duty cycle viene arrestata ed esso viene mantenuto fisso a quel livello per un periodo di tempo programmabile (di solito impostato tra 3s e 5s). In seguito viene avviato un nuovo ciclo di scansione, ripetendo gli stessi passaggi. Se durante il periodo di scansione la condizione di carico è cambiata, LTC4125 reagirà di conseguenza all’inizio del ciclo di scansione successivo.
Figura 1.Forme d’onda di tensione e corrente del circuito risonante LC “AutoResonant” con ingresso a onda quadra con duty cycle inferiore al 50%.
Per formare un anello chiuso, la potenza di trasmissione del bridge driver dovrebbe essere regolata mediante un ingresso di controllo. Una delle caratteristiche del LTC4125 è che il pin PTHx non è soltanto un indicatore del duty cycle del bridge driver, ma può anche essere pilotato come ingresso per regolare il duty cycle stesso. Il DAC interno a 5-bit regola la tensione target sul pin PTHx con una resistenza interna di pull-up. Tuttavia, come illustrato in Figura 2, è possibile utilizzare una resistenza esterna di pull-down in serie a un FET per scaricare in modo attivo un condensatore sul pin PTHx, riducendo in questo modo il valore medio della tensione sul pin PTHx. Il duty cycle del segnale PWM al gate di questo FET di pulldown controlla la tensione media sul pin PTHx.
Figura 2. PTHx controllato da un segnale d’ingresso PWM.
LTC4125 è progettato per fornire una potenza di oltre 5 W a un ricevitore adatto. Se accoppiato al ricevitore LTC4124, è possibile ridurre la potenza trasmessa disattivando uno dei driver half-bridge. Ciò si ottiene lasciando aperto il pin SW2 pin e collegando verso GND PTH2. Il circuito risonante LC del trasmettitore può essere quindi collegato tra il pin SW1 pin e GND. In questo modo, l’LTC4125 diventa un trasmettitore di tipo half-bridge consentendo un guadagno inferiore e un intervallo di controllo più ampio sul pin PTH1.
Figura 3. Soluzione completa di caricabatteria wireless, che utilizza LTC4124 su una scheda applicativa dal diametro di 6 mm.
Generare il segnale di feedback dal ricevitore del caricatore wireless con LTC4124
LTC4124 è un caricabatteria wireless Li-Ion da 100 mA altamente integrato, progettato per applicazioni con limiti di spazio. Include un efficiente wireless power manager, un caricabatteria lineare completo, programmabile mediante pin, nonché un controllore PowerPath™a diodo ideale.
Il wireless power manager del LTC4124 si collega a un tank risonante LC parallelo mediante il pin ACIN, permettendo al caricatore lineare di ricevere potenza – in modalità wireless – da un campo magnetico alternato generato dalla bobina di trasmissione. Quando LTC4124 riceve più energia del necessario per caricare la batteria alla velocità programmata, il condensatore d’ingresso del caricatore lineare sul pin VCC si carica per assorbire l’energia in eccesso. Quando la tensione sul pin VCC supera di 1,05 V quella di batteria, VBAT, il wireless power manager connette a massa il circuito risonante LC, finché VCC scende fino a 0,85 V al di sopra di VBAT.
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In questo modo, il caricatore lineare risulta molto efficiente, perché il proprio ingresso viene tenuto costantemente appena al di sopra del livello d’uscita.
Figura 4. Raddrizzamento dell’ac di ingresso e regolazione della tensione di linea dc sul ricevitore LTC4124.
La connessione a massa (shunt) operata dal LTC4124 riduce anche l’impedenza del carico riflesso sul circuito risonante LC del trasmettitore, provocando l’aumento dei valori di corrente e tensione del medesimo circuito. Poiché l’evento di shunt indica che il ricevitore sta ricevendo una potenza sufficiente dal trasmettitore, l’aumento della tensione di picco del circuito LC del trasmettitore può servire come segnale di feedback per regolare la potenza d’uscita dello stesso.
Figura 5. L’aumento della tensione (VTX) del circuito LC del trasmettitore durante il periodo di shunt del ricevitore LTC4124.
Demodulare il segnale di feedback e chiudere l’anello
Una volta che il segnale di feedback, proveniente dal ricevitore, è disponibile sul lato del trasmettitore, deve essere elaborato e inviato all’ingresso di controllo di quest’ultimo per chiudere l’anello. Il picco della tensione del circuito LC si può ottenere da un raddrizzatore a semionda, che consiste di un diodo e un condensatore CFB1, come illustrato in Figura 6. Questa tensione viene poi ripartita tra le resistenze RFB1 e RFB2. Per rilevare le variazioni del picco di corrente, il segnale di tensione di picco viene mediato tramite un filtro passa basso formato da una resistenza (RAVG) e un condensatore (CAVG). Confrontando il segnale mediato con la tensione di picco originale, si può generare un impulso a onda quadra. Questo impulso viene quindi inviato all’ingresso di controllo del duty cycle del LTC4125 per regolare la potenza in uscita dal trasmettitore.
Figura 6. Circuito di demodulazione del segnale di feedback sul lato del trasmettitore.
Quando il ricevitore non ottiene energia sufficiente, il LTC4125 deve aumentare la potenza d’uscita. Ciò si può ottenere predisponendo la tensione target per il pin PTHx. Quest’ultima si può stabilire attraverso il pin PTHM, poiché questo regola il livello di tensione iniziale del DAC a 5-bit prima che inizi il periodo di ricerca del LTC4125. Per disabilitare la ricerca, è possibile applicare la tensione di riferimento di 1 V sul pin IMON, mantenendo fissa al suo valore iniziale la tensione target sul pin PTHx durante l’operazione. Se il ricevitore LTC4124 richiederà più potenza, l’evento di shunt verrà interrotto e il FET per la scarica di PTHx non sarà attivato. La tensione PTHx salirà verso il valore target interno finché LTC4124 riceverà una potenza di entità sufficiente ad attivare nuovamente l’evento di shunt.
La potenza di trasmissione massima si definisce misurando la tensione su PTHx quando il ricevitore sta regolando al massimo la corrente di carica, in presenza del coefficiente di accoppiamento peggiore consentito nell’applicazione. La tensione sul pin PTHM dovrebbe essere predisposta per soddisfare i requisiti previsti per la potenza di trasmissione massima.
Caratteristiche e prestazioni del caricatore wireless ad anello chiuso basato su LTC4124 e LTC4125
La Figura 7 mostra lo schema completo del trasmettitore controllato ad anello chiuso basato su LTC4125 e del ricevitore da 100 mA, realizzato con LTC4124. Come si può notare, dal lato ricevitore il numero dei componenti necessari è molto limitato, riducendo i costi e le dimensioni del dispositivo stesso. Dal lato del trasmettitore, rispetto alle applicazioni tipiche del LTC4125, per ottenere il controllo ad anello chiuso è necessario aggiungere solo qualche componente. Le caratteristiche del LTC4125 vengono in gran parte conservate, comprendendo la commutazione AutoResonant, i vari metodi di rilevazione di oggetti estranei, la protezione di sovra-temperatura e di sovra-tensione del circuito risonante LC. I dettagli di queste caratteristiche si possono ricavare consultando la documentazione tecnica del LTC4125.
Figura 7. Il ricevitore-caricatore da 100 mA LTC4124, accoppiato con il trasmettitore ad anello chiuso controllato AutoResonant LTC4125.
Il trasmettitore wireless ad anello chiuso basato su LTC4125 può regolare dinamicamente la propria potenza d’uscita, per farla corrispondere a quella richiesta dal ricevitore. La Figura 8 mostra il comportamento di questo caricatore wireless quando la bobina del ricevitore viene allontanata dal centro di quella del trasmettitore, per poi essere riportata velocemente nella posizione originale. La potenza d’uscita del trasmettitore LTC4125, indicata dalla tensione di picco del circuito LC del trasmettitore VTX_PEAK, risponde in modo uniforme alla variazione del coefficiente di accoppiamento tra le due bobine, per mantenere costante la corrente di carica.
Figura 8. La risposta a un cambiamento improvviso del coefficiente di accoppiamento tra trasmettitore e ricevitore, nel caricatore wireless ad anello chiuso basato su LTC4124 e LTC4125.
Durante un transitorio positivo della corrente di carica, l’evento di shunt del LTC4124 si interrompe, permettendo all’LTC4125 di caricare internamente il proprio pin PTH1. Di conseguenza, LTC4125 aumenta il duty cycle del proprio driver half-bridge per aumentare la potenza di trasmissione. Una volta che quest’ultima è sufficiente a far si che LTC4124 riesca a regolare la propria corrente di carica, lo shunt viene ripristinato e il duty cycle rimane a un valore ottimale. Durante un transiente negativo della corrente di carica, l’LTC4124 esegue lo shunt molto più di frequente. LTC4125 scarica velocemente il condensatore sul proprio pin PTH1 pin, per ridurre il duty cycle e la propria potenza di trasmissione.
Figura 9. Risposta a un incremento della corrente di carica del caricatore wireless ad anello chiuso basato su LTC4124 e LTC4125.
Figura 10. Risposta a una diminuzione della corrente di carica del caricatore wireless a loop chiuso basato su LTC4124 e LTC4125.
Figura 11. Ingrandimento della forma d’onda per illustrare i dettagli del transiente di Figura 10.
Essendo la potenza di trasmissione sempre corrispondente a quella richiesta dal ricevitore, il livello di efficienza complessivo risulta notevolmente aumentato, se paragonato alle configurazioni tipiche di un caricatore wireless basato su LTC4124 e LTC4125 senza controllo ad anello chiuso. In assenza degli step del DAC interno al LTC4125 nel funzionamento in modalità “optimum power search”, la curva di efficienza risulta più uniforme. Poiché la perdita di potenza risulta notevolmente ridotta, sia il caricatore LTC4124 che la batteria rimangono pressoché a temperatura ambiente durante il periodo di carica.
Figura 12. Livelli di efficienza a 3,5 mm di distanza, in diverse configurazioni, del caricatore wireless basato su LTC4125 e LTC4124.
Conclusioni
LTC4125 può essere configurato come un trasmettitore a potenza regolabile con un ingresso di controllo. L’evento di shunt del ricevitore caricatore wireless LTC4124 può essere utilizzato per fornire un segnale di feedback al trasmettitore. Questo segnale può essere quindi demodulato utilizzando un raddrizzatore a semionda, un partitore di tensione, un filtro passa basso e un comparatore. Una volta elaborato, per chiudere l’anello di controllo il segnale può essere inviato al trasmettitore a potenza regolabile basato su LTC4125. Per dimostrare questo concetto è stato realizzato un prototipo. Quest’ultimo risponde velocemente e in modo progressivo alle variazioni del coefficiente di accoppiamento e della corrente di carica. Questo metodo consente agli utenti finali di collocare il ricevitore al di sopra del trasmettitore anche con un disallineamento piuttosto pronunciato, senza doversi preoccupare che il ricevitore ottenga la potenza necessaria. Inoltre, questo metodo ad anello chiuso migliora anche il livello complessivo di efficienza, facendo sempre corrispondere la potenza d’uscita del trasmettitore con quella richiesta dal ricevitore, rendendo molto più sicuro l’intero processo di carica.
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