Come aggiungere in modo rapido ed economico la ricarica wireless a dispositivi stagni e con vincoli di spazio

La crescente domanda di piccoli dispositivi wireless stagni richiede soluzioni di ricarica più efficaci. Gli approcci di ricarica convenzionali sono insoddisfacenti per gli utenti finali, causano problemi ai dispositivi con limitazioni di spazio e non sono adatti agli ambienti difficili. Sebbene la ricarica wireless affronti molti di questi problemi, le soluzioni disponibili non soddisfano i requisiti di integrazione, potenza ed efficienza dei dispositivi.

Questo articolo analizza la necessità di soluzioni di ricarica avanzate per dispositivi stagni e con vincoli di spazio. Presenta quindi una versatile soluzione di ricarica wireless di Analog Devices e mostra come aiuti gli sviluppatori a implementare facilmente la ricarica adeguata, sicura ed efficiente.

Crescente richiesta di soluzioni di ricarica più efficaci

La crescente domanda di dispositivi elettronici indossabili più compatti, come cuffie, dispositivi intrauricolari e per il fitness, continua ad alimentare l'esigenza di soluzioni di ricarica che soddisfino i vincoli di dimensione fisica di queste applicazioni e garantiscano l'integrità delle unità stagne in vari ambienti operativi. I metodi di ricarica convenzionali che si basano su connettori fisici non soddisfano queste esigenze a causa della loro suscettibilità all'usura e a fattori ambientali come polvere e umidità. Di conseguenza, le tecnologie di ricarica wireless sono diventate più di una novità, ma un requisito fondamentale per questa classe di prodotti.

Eliminando la necessità di porte di ricarica esterne, i sistemi di trasferimento wireless dell'energia elettrica (WPT) sono una potenziale soluzione, operando in un traferro tra una fonte di ricarica e un dispositivo chiuso. In pratica però la progettazione di soluzioni WPT efficaci porta con sé molteplici sfide tecniche, tra cui l'efficienza del trasferimento di potenza, la gestione dei guasti e la gestione termica e delle batterie. L'esigenza di soddisfare le limitazioni di spazi angusti complica ulteriormente le cose.

I dispositivi altamente integrati semplificano la progettazione del WPT

Il caricatore wireless agli ioni di litio LTC4124 e il trasmettitore di potenza wireless LTC4125 di Analog Devices sono stati sviluppati per aiutare i progettisti a soddisfare le esigenze di elevata integrazione, potenza ed efficienza richieste dai dispositivi stagni e con vincoli di spazio.

Disponibile in un contenitore LQFN di soli 2 × 2 mm con un'altezza di 0,74 mm, LTC4124 integra tutte le funzioni necessarie per caricare una batteria agli ioni di litio con una corrente selezionabile fino a 100 mA (Figura 1).

Figura 1: Grazie alle sue funzionalità complete, il caricabatterie wireless agli ioni di litio LTC4124 semplifica le implementazioni di WPT. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Grazie alla funzionalità di ricarica completa e integrata, il dispositivo può fungere da caricabatterie autonomo per batterie agli ioni di litio senza componenti aggiuntivi. Le sue funzionalità di carica lineare a corrente costante/tensione costante (CC/CV), programmabili tramite pin, sono complete di terminazione timer di sicurezza, rilevamento di batteria guasta e ricarica automatica.

La capacità di scollegamento del dispositivo LTC4124 contribuisce a proteggere le batterie in uno stato di carica molto basso da ulteriori scariche, che possono ridurne la durata. La funzione di scollegamento fa sì che LTC4124 si spenga quando non è disponibile l'alimentazione di ingresso e la tensione della batteria scende al di sotto di un valore minimo specificato. Quando si spegne, il dispositivo apre un sezionatore (M3 nella Figura 1) che impedisce l'ulteriore scarica della batteria. Con il modo di spedizione, LTC4124 impedisce la scarica della batteria finché non viene applicata l'alimentazione al suo pin ACIN o DCIN.

LTC4124 può anche essere configurato per impedire la carica se la temperatura della batteria è troppo alta e può indicare visivamente lo stato di carica con l'aggiunta di un termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC) e di un diodo luminescente (LED) (Figura 2).

Figura 2: Utilizzando solo due componenti, un LED e un resistore NTC, insieme al caricabatterie LTC4124, gli sviluppatori possono implementare un caricabatterie completo qualificato per la temperatura con un indicatore visivo dello stato di carica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Collegando al pin ACIN di LTC4124 un circuito di tank risonante parallelo induttore-condensatore (LC) esterno, gli sviluppatori possono facilmente estendere questo progetto di base per creare il lato ricevitore di un sistema WPT. Abbinato a LTC4125 di Analog Devices, questo approccio fornisce una soluzione WPT completa da 100 mA (Figura 3).

Figura 3: Il trasmettitore LTC4125 e il caricatore LTC4124 sono una soluzione WPT compatta da 100 mA. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Come LTC4124, anche LTC4125 è un dispositivo altamente integrato progettato specificamente per le applicazioni WPT. È disponibile in un contenitore QFN di 5 × 4 × 0,75 mm e può erogare oltre 5 W da un'alimentazione da 3 a 5 V (Figura 4).

Figura 4: Il trasmettitore di potenza wireless LTC4125 di Analog Devices integra tutti i blocchi funzionali necessari per fornire oltre 5 W a un ricevitore opportunamente accordato. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Il centro di questo dispositivo è la tecnologia proprietaria AutoResonant di Analog Devices, che rileva e adatta automaticamente la frequenza di risonanza del circuito LC in serie collegato ai pin di commutazione (SW1 e SW2). Oltre a ottimizzare la potenza di trasmissione, la tecnologia AutoResonant svolge un ruolo fondamentale nel rilevamento di corpi estranei. Quando un corpo estraneo viene posizionato vicino alla bobina di trasmissione, l'induttanza effettiva della bobina diminuisce notevolmente e la frequenza di pilotaggio aumenta. Come indicato di seguito, questo aumento della frequenza di pilotaggio viene utilizzato come indicazione della presenza di un corpo estraneo.

Ottimizzazione del WPT

Durante il WPT, il gestore di alimentazione wireless integrato nel ricevitore LTC4124 raddrizza la tensione c.a. del campo magnetico alternato generato dalla bobina di trasmissione del trasmettitore della metà di una coppia trasmettitore/ricevitore del sistema WPT. Grazie al comparatore integrato (CP1) e agli interruttori (SW1 e SW2), il gestore di alimentazione wireless LTC4124 mantiene la tensione raddrizzata sul pin V_CC a un livello appena superiore alla tensione della batteria (V_BATT), deviando a terra il circuito del tank risonante quando riceve più energia di quella necessaria per caricare la batteria.

Tuttavia, la potenza dissipata da questo meccanismo di derivazione può aumentare il carico termico del dispositivo. Il trasmettitore LTC4125 offre un meccanismo più diretto per ridurre la quantità di energia che raggiunge il ricevitore.

Mentre la tecnologia AutoResonant ottimizza la distribuzione dell'energia elettrica, LTC4125 è dotato di una funzionalità di ricerca della potenza ottimale che monitora e regola l'uscita di potenza del trasmettitore per adattarla al carico del ricevitore in una sequenza continua di cicli di ricerca. In ogni ciclo, LTC4125 aumenta in modo incrementale la potenza di trasmissione aumentando gradualmente la tensione impulsiva (V_PTH), che è proporzionale alla larghezza degli impulsi forniti al ponte che pilota la corrente di bobina. Una variazione significativa della tensione di retroazione del tank risonante (V_FB) indica che la potenza di trasmissione è sufficiente a soddisfare o superare il carico del ricevitore e la ricerca si ferma a quella tensione impulsiva, che mantiene il livello desiderato di potenza di uscita del trasmettitore fino al ciclo di ricerca successivo (Figura 5).

Figura 5: La funzione di ricerca della potenza ottimale del trasmettitore LTC4125 abbina la potenza in uscita al carico del ricevitore eseguendo una ricerca graduale per trovare il livello di uscita corretto. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

La ricerca della potenza ottimale di LTC4125 esegue ogni ciclo di ricerca attraverso un flusso di processo fisso finché non rileva una condizione di uscita valida o una delle diverse condizioni di errore (Figura 6).

Figura 6: Quando esegue l'algoritmo di ricerca della potenza ottimale, il trasmettitore LTC4125 continua a incrementare la potenza in uscita in una serie di passi finché non rileva una condizione di uscita valida o una delle diverse condizioni di errore. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

In questo processo, LTC4125 riconosce diverse condizioni di uscita predefinite e valide che indicano la potenza di trasmissione ottimale. Inoltre, lo sviluppatore può specificare due condizioni di uscita programmabili, tra cui la soglia di corrente di ingresso (V_ITH) per limitare la corrente di ingresso e la soglia di tensione del tank differenziale (DTH), per ottimizzare la potenza di trasmissione in scenari d'uso che comportano uno scarso accoppiamento tra le bobine di trasmissione e ricezione.

LTC1425 rileva automaticamente diverse condizioni di guasto che possono compromettere la sicurezza e l'efficienza del trasferimento di potenza:

• Superamento della soglia di temperatura della bobina determinata dalla tensione NTC (V_NTC) rilevata sul pin di ingresso NTC
• Superamento della soglia massima di tensione del tank rilevata attraverso la tensione del pin FB V_FB>V_IN
• Superamento della soglia di sovratemperatura interna del die (150 °C tipico)
• Superamento della soglia di frequenza, che indica la presenza di un corpo estraneo a causa della riduzione dell'induttanza della bobina di trasmissione e dell'aumento associato della frequenza di pilotaggio
• Superamento del limite di corrente di ingresso (ILIM)
• Completamento della rampa di ricerca senza trovare una valida condizione di uscita

Una qualsiasi di queste condizioni di guasto provoca l'interruzione dell'alimentazione del dispositivo fino al successivo intervallo di ricerca.

Per gli sviluppatori, funzioni come il pilotaggio AutoResonant e la ricerca della potenza ottimale funzionano automaticamente, in base alle condizioni di uscita e di guasto. Sebbene le soglie per alcune di queste condizioni siano fissate nel dispositivo, gli sviluppatori mantengono un notevole controllo sui diversi aspetti utilizzati per determinare le impostazioni di potenza, le condizioni di uscita e le condizioni di guasto.

Utilizzando i kit dimostrativi DC2770A-A-KIT e DC2770A-B-KIT da 100 mA di Analog Devices, gli sviluppatori possono valutare rapidamente le prestazioni del ricevitore LTC4124 e del trasmettitore LTC4125 durante la ricarica di una batteria agli ioni di litio fino a 100 mA. Ciascun kit comprende una scheda trasmettitore basata su LTC4125 e una scheda ricevitore basata su LTC4124. Entrambi sono dotati di ponticelli e punti di connessione per impostare le caratteristiche di prestazione del dispositivo e monitorare i risultati.

Conclusione

La tendenza verso dispositivi compatti e stagni complica la progettazione di metodi efficaci per la ricarica delle batterie su cui si basano. Il WPT offre una soluzione efficace, ma l'implementazione di progetti di ricarica wireless efficienti è impegnativa. Un ricevitore e trasmettitore di potenza wireless di Analog Devices, progettato per affrontare queste sfide, semplifica l'implementazione del WPT in dispositivi stagni e con vincoli di spazio.