Comment ajouter rapidement et de manière rentable une solution de charge sans fil aux dispositifs étanches à espace limité

La demande croissante en matière de dispositifs sans fil étanches miniatures requiert des solutions de charge plus efficaces. Les approches de charge conventionnelles ne sont pas satisfaisantes pour les utilisateurs finaux, posent des problèmes dans les dispositifs à espace limité et sont mal adaptées aux environnements difficiles. Bien que la charge sans fil résolve bon nombre de ces problèmes, les solutions disponibles ne répondent pas aux exigences d'intégration, de puissance et d'efficacité de ces dispositifs.

Cet article traite de la nécessité d'améliorer les solutions de charge pour les dispositifs étanches et à espace limité. Il présente ensuite une solution de charge sans fil polyvalente d'Analog Devices et montre comment les développeurs peuvent l'utiliser pour facilement mettre en œuvre une charge adaptée, sûre et efficace.

Demande croissante de solutions de charge plus efficaces

La demande croissante de dispositifs électroniques portables plus compacts, tels que des casques, des appareils intra-auriculaires et des appareils de fitness, continue de générer un besoin de solutions de charge répondant aux contraintes de taille physique de ces applications et garantissant l'intégrité des unités étanches dans divers environnements opérationnels. Les méthodes de charge conventionnelles qui s'appuient sur des connecteurs physiques ne parviennent pas à répondre à ces exigences en raison de leur sensibilité à l'usure et à des facteurs environnementaux tels que la poussière et l'humidité. Par conséquent, les technologies de charge sans fil ne constituent pas seulement une nouvelle fonctionnalité, mais une exigence fondamentale pour cette catégories de produits.

En éliminant le besoin de ports de charge externes, les systèmes de transmission d'énergie sans fil (WPT) offrent une solution potentielle en fonctionnant sur un entrefer entre une source de charge et un dispositif fermé. Dans la pratique, cependant, la conception de solutions WPT efficaces se heurte à de nombreux défis techniques, y compris le rendement de transmission de puissance, la gestion des défaillances et la gestion thermique et de la batterie. La nécessité de satisfaire aux contraintes d'espace rend les choses encore plus compliquées.

Des dispositifs hautement intégrés simplifient la conception WPT

Le chargeur Li-ion sans fil LTC4124 et l'émetteur de puissance sans fil LTC4125 d'Analog Devices ont été développés pour aider les concepteurs à répondre aux exigences d'intégration, de puissance et d'efficacité élevées requises par les dispositifs étanches et à espace limité.

Fourni en boîtier LQFN mesurant seulement 2 millimètres (mm) × 2 mm avec une hauteur de 0,74 mm, le LTC4124 intègre l'ensemble complet de fonctions requises pour charger une batterie Li-ion avec un courant de charge sélectionnable jusqu'à 100 milliampères (mA) (Figure 1).

Figure 1 : Grâce à ses capacités fonctionnelles étendues, le chargeur Li-ion sans fil LTC4124 simplifie les implémentations WPT. (Source de l'image : Analog Devices)

Grâce à sa fonction de charge complète intégrée, le dispositif peut servir de chargeur de batterie Li-ion autonome sans composants supplémentaires. Ses capacités de charge batterie linéaire à courant constant/tension constante (CC/CV) complètes et programmables par broches sont accompagnées d'une terminaison de temporisateur de sécurité, d'une détection de batterie défectueuse et d'une recharge automatique.

La capacité de déconnexion de batterie faible du LTC4124 contribue à protéger les batteries dans un état de charge très faible contre une décharge supplémentaire, susceptible de réduire leur durée de vie. La fonction de déconnexion provoque l'arrêt du LTC4124 lorsqu'aucune alimentation d'entrée n'est disponible et que la tension de la batterie tombe en dessous d'un minimum spécifié. Lors de l'arrêt, le dispositif ouvre un sectionneur (M3 dans la Figure 1) qui empêche une décharge supplémentaire de la batterie. Grâce à la fonction de mode d'envoi, le LTC4124 empêche la décharge de la batterie tant qu'aucune alimentation n'est appliquée à sa broche ACIN ou DCIN.

Le LTC4124 peut également être configuré pour empêcher la charge si la température de la batterie est trop élevée, et il peut indiquer visuellement l'état de charge avec l'ajout d'une thermistance à coefficient de température négatif (NTC) et d'une diode électroluminescente (LED) (Figure 2).

Figure 2 : En utilisant seulement deux composants, une LED et une résistance NTC, et le chargeur LTC4124, les développeurs peuvent mettre en œuvre un chargeur complet qualifié en température avec un indicateur visuel de l'état de charge. (Source de l'image : Analog Devices)

En connectant un circuit oscillant résonant inductance-condensateur (LC) parallèle externe à la broche ACIN du LTC4124, les développeurs peuvent facilement étendre cette conception de base pour créer le côté récepteur d'un système WPT. Associée au LTC4125 d'Analog Devices, cette approche fournit une solution WPT de 100 mA complète (Figure 3).

Figure 3 : L'émetteur LTC4125 et le chargeur LTC4124 fournissent une solution WPT de 100 mA compacte. (Source de l'image : Analog Devices)

Comme le LTC4124, le LTC4125 est un dispositif hautement intégré conçu spécifiquement pour les applications WPT. Il est fourni en boîtier QFN de 5 mm × 4 mm × 0,75 mm et peut délivrer plus de 5 watts (W) à partir d'une alimentation de 3 volts (V) à 5 V (Figure 4).

Figure 4 : L'émetteur de puissance sans fil LTC4125 d'Analog Devices intègre l'ensemble complet des blocs fonctionnels requis pour délivrer plus de 5 W à un récepteur correctement accordé. (Source de l'image : Analog Devices)

Au cœur de ce dispositif, la technologie AutoResonant propriétaire d'Analog Devices détecte et adapte automatiquement la fréquence de résonance du circuit LC série connecté à ses broches de commutation (SW1 et SW2). Outre l'optimisation de la puissance de transmission, la technologie AutoResonant joue un rôle crucial dans la détection d'objets étrangers. Lorsqu'un objet étranger est placé à proximité de la bobine de transmission, l'inductance de bobine effective diminue considérablement et la fréquence de commande du LTC4125 augmente. Comme indiqué ci-dessous, cette augmentation de la fréquence de commande est utilisée comme indication de la présence d'un objet étranger.

Optimisation WPT

Durant la transmission d'énergie sans fil, le gestionnaire de puissance sans fil intégré du récepteur LTC4124 redresse la tension CA du champ magnétique alternatif généré par la bobine de transmission de la partie émettrice d'une paire émetteur/récepteur de système WPT. Grâce à son comparateur (CP1) et à ses commutateurs (SW1 et SW2) intégrés, le gestionnaire de puissance sans fil LTC4124 maintient la tension redressée sur la broche V_CC à un niveau juste au-dessus de la tension de la batterie (V_BATT) en shuntant le circuit oscillant résonant à la terre lorsqu'il reçoit plus d'énergie que nécessaire pour charger la batterie.

Cependant, la puissance dissipée par ce mécanisme de shunt peut augmenter la charge thermique du dispositif. L'émetteur LTC4125 fournit un mécanisme plus direct pour réduire la quantité d'énergie atteignant le récepteur.

Alors que sa technologie AutoResonant optimise la distribution de puissance, le LTC4125 dispose d'une capacité de recherche de puissance optimale qui surveille et ajuste la puissance de sortie de l'émetteur pour correspondre à la charge du récepteur dans une séquence continue de cycles de recherche. À chaque cycle, le LTC4125 augmente progressivement la puissance d'émission en effectuant des augmentations par étapes de la tension de largeur d'impulsion (V_PTH), qui est proportionnelle à la largeur des impulsions délivrées au pont qui commande le courant de bobine. Un changement significatif de la tension de rétroaction (V_FB) de cuve résonante indique que la puissance de transmission est suffisante pour atteindre ou dépasser la charge du récepteur, et la recherche s'arrête à cette tension de largeur d'impulsion, qui maintient le niveau de puissance de sortie de l'émetteur souhaité jusqu'au prochain cycle de recherche (Figure 5).

Figure 5 : La fonction de recherche de puissance optimale de l'émetteur LTC4125 adapte la puissance de sortie à la charge du récepteur en effectuant une recherche par étapes pour trouver le niveau de sortie approprié. (Source de l'image : Analog Devices)

La recherche de puissance optimale du LTC4125 effectue chaque cycle de recherche via un flux de processus fixe jusqu'à la détection d'une condition de sortie valide ou de l'une des nombreuses conditions de défaut (Figure 6).

Figure 6 : En exécutant son algorithme de recherche de puissance optimale, l'émetteur LTC4125 continue d'augmenter progressivement la puissance de sortie en une série d'étapes jusqu'à ce qu'il rencontre une condition de sortie valide ou l'une des nombreuses conditions de défaut. (Source de l'image : Analog Devices)

Dans ce processus, le LTC4125 reconnaît plusieurs conditions de sortie prédéfinies et valides indiquant la puissance de transmission optimale. De plus, le développeur peut spécifier deux conditions de sortie programmables, notamment le seuil de courant d'entrée (V_ITH) pour limiter le courant d'entrée et le seuil de tension de cuve (DTH) différentielle pour optimiser la puissance de transmission dans des scénarios d'utilisation impliquant un mauvais couplage entre les bobines d'émission et de réception.

Le LTC4125 détecte automatiquement plusieurs conditions de défaut pouvant compromettre la sécurité et l'efficacité de la transmission d'énergie :

• Dépassement du seuil de température de la bobine déterminé par la tension NTC (V_NTC) détectée sur sa broche d'entrée NTC
• Dépassement du seuil maximum de tension de cuve tel que détecté via la tension de broche FB V_FB>V_IN
• Dépassement du seuil de surchauffe de la puce interne (150°C typ.)
• Dépassement du seuil de fréquence, indiquant la présence d'un objet étranger en raison d'une réduction de l'inductance de la bobine de transmission et d'une augmentation associée de la fréquence de commande
• Dépassement de la limite de courant d'entrée (ILIM)
• Fin de la rampe de recherche sans trouver de condition de sortie valide

L'apparition de l'une de ces conditions de défaut entraîne l'arrêt de la distribution de puissance du dispositif jusqu'au prochain intervalle de recherche.

Pour les développeurs, les fonctionnalités telles que la commande AutoResonant et la recherche de puissance optimale sont automatiquement opérationnelles, sous réserve des conditions de sortie et de panne. Bien que les seuils pour certaines de ces conditions soient fixés dans le dispositif, les développeurs conservent un contrôle considérable sur les différents aspects utilisés pour déterminer les paramètres de puissance, les conditions de sortie et les conditions de défaut.

En utilisant le kit de démonstration DC2770A-A-KIT et le kit de démonstration DC2770A-B-KIT 100 mA, les développeurs peuvent évaluer rapidement les performances du récepteur LTC4124 et de l'émetteur LTC4125 pendant la charge d'une batterie Li-ion jusqu'à 100 mA. Chaque kit comprend une carte d'émetteur basée sur le LTC4125 et une carte de récepteur basée sur LTC4124. Les deux kits sont équipés de cavaliers et de points de connexion pour définir les caractéristiques de performances du dispositif et surveiller les résultats.

Conclusion

La tendance en matière de dispositifs compacts et étanches complique la conception de méthodes efficaces pour charger les batteries dont ils dépendent. La transmission WPT offre une solution efficace, mais la mise en œuvre de conceptions de charge sans fil efficaces est un défi. Un émetteur et un récepteur de puissance sans fil d'Analog Devices, conçus pour relever ces défis, simplifient l'implémentation WPT dans les dispositifs étanches et à espace limité.