采用無線電源實現無電池應用

Mark Vitunie

問題：我的應用沒有電池。是否可以采用無線供電？

答案：當然可以，可使用最初設計用于能量收集的簡單的集成式納安功耗解決方案。

無線功率傳輸（WPT）系統由氣隙分隔的兩部分組成：發射（TX）電路（包括發射線圈）和接收（Rx）電路（包括接收線圈）（見圖1）。與典型的變壓器系統非常相似，發射線圈中產生的交流電通過磁場感應在接收線圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統不同的是，原邊（發射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

目前大多數無線功率傳輸應用都采用無線電池充電器配置。可充電電池位于接收端，只要有發射端，就可對其進行無線充電。充電完成后，將電池與充電器分離，可充電電池即可為終端應用供電。后端負載既可直接連接到電池，也可通過PowerPath理想二極管間接連接到電池，或連接到充電器IC中集成的電池供電穩壓器的輸出端。在所有三種情況下（見圖2），終端應用既可在充電器上運行，也可脫離充電器運行。

但是，如果特定應用根本沒有電池，取而代之的是，當無線電源可用時，只需提供一個穩壓的電壓軌，那又會如何呢？在遠程傳感器、計量、汽車診斷和醫療診斷領域，此類應用的例子極為常見。例如，如果遠程傳感器無需持續供電，那么它就不需要電池，而使用電池需要定期更換（若是原電池）或充電（若是可充電電池）。如果該遠程傳感器僅需要用戶在其附近時給出讀數，則可按需進行無線供電。

我們來看LTC3588-1納安功耗能量收集電源解決方案。雖然LTC3588-1最初為傳感器（如壓電、太陽能等）供電的能量收集（EH）應用而設計，但它也可用于無線電源應用。圖3顯示了采用LTC3588-1的完整發射端和接收端WPT解決方案。在發射端，使用基于LTC6992 TimerBloxf&振蕩器的簡單開環無線發射器。在此設計中，將驅動頻率設置為216kHz，低于LC諧振電路的諧振頻率266kHz。fLC_TX與fDRIVE的精確比值最好是憑經驗來確定，旨在最大程度地減小由零電壓開關（ZVS）引起的M1開關損耗。關于發射端線圈選擇和工作頻率的設計考慮，與其他WPT解決方案沒有什么不同，也就是說，在接收端采用LTC3588-1并無任何獨特之處。

在接收端，將LC諧振電路的諧振頻率設置為與216kHz的驅動頻率相等。鑒于許多EH應用需要進行交流到直流的整流（就像WPT-樣），因此LTC3588-1已經內置了這項功能，允許LC諧振電路直接連接到LTC3588-1的PZ1和PZ2引腳。該整流為寬帶整流：直流到>10MHz。與LTC4123/LTC4124/LTC4126MVCCq[腳類似，將LTC3588-1的VIN引腳調節至適合為后端輸出供電的電平。對LTC3588-1而言，是遲滯降壓型DC-DC穩壓器的輸出而不是電池充電器的輸出。可通過引腳選擇四種輸出電壓：1.8V、2.5V、3.3V和3.6V可選，連續輸出電流高達100mA。只要平均輸出電流不超過100mA，就可以選擇大小合適的輸出電容來提供較高的短期突發電流。當然，要完全實現100mA輸出電流能力，還取決于是否具有適當大小的發射端、線圈對以及是否充分耦合。

如果負載需求低于支持的可用無線輸入功率，則VIN電壓會增加。雖然LTC3588-1集成了一個輸入保護分流器，可在VIN電壓上升至20V時提供高達25mA的拉電流，但這個功能并非必需的。隨著VIN電壓上升，接收線圈上的峰值交流電壓也會上升，這相當于可提供給LTC3588-1的交流量下降，而不只是在接收諧振電路中循環。如果在VIN上升至20V之前就達到了接收線圈的開路電壓（VOC），則后端電路受到保護，接收端IC中不會產生熱量造成能耗。

測試結果：針對圖3所示氣隙為2mm的應用，測得在3.3V下可提供的最大輸出電流為30mA，而無負載時測得的VIN電壓為9.1V。當氣隙接近為零時，可提供的最大輸出電流增加至大約90mA，而無負載時的VIN電壓僅增加至16.2V，遠低于輸入保護分流電壓（見圖4）。

針對采用無線電源的無電池應用，LTC3588-1提供了一種簡單的集成解決方案，可提供低電流穩壓電壓軌，還帶有完整的輸入保護功能。