小尺寸可穿戴設備越來越多地采用無線充電，因為這樣無需使用充電線，在設備上也無需配備外露式接口。對于充電電流小于10 mA的應用，由于功耗很低，因此無需在無線充電器接收器和發射器之間實施閉環控制。但是，要獲得更高的充電電流，就需要發射器根據其接收器的需求，以及兩端之間的耦合系數，主動調節其輸出功率。否則，接收器可能需要以熱量的形式消耗多余的功率，這會影響用戶體驗，并且可能損害電池性能。無線充電發射器和接收器間的控制回路通常用數字通信的方式來實現閉合，但是數字控制會增加總體設計的復雜性和增大應用的大小。
本文介紹一種方法，可以在不增加接收器電路板上組件數量（和寶貴的整體尺寸）的情況下，閉合接收器和發射器之間的控制環路。我們使用LTC4125AutoResonant 發射器和LTC4124 無線鋰離子充電器接收器來構建閉環控制無線充電器原型，以演示此理念。
搭建帶占空比控制輸入的AutoResonant發射器
LTC4125是一款單芯片全橋AutoResonant無線功率發射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整體效率，并為無線充電系統提供全面保護。
LTC4125采用AutoResonant轉換器來驅動串聯LC諧振電路；該諧振電路由發射線圈（LTX）和諧振電容（CTX）組成。AutoResonant驅動器使用電流過零檢測器，使其驅動頻率與LC諧振電路的諧振頻率一致。SW1和SW2引腳是LTC4125內部兩個半橋的輸出。當SWx引腳檢測到其輸出電流的方向是從負極過零位到正極時，SWx 與VIN導通，占空比與其對應的PTHx引腳電壓成比例。當SWx引腳與VIN導通時，流經發射器諧振電路的電流量增加。因此，每個電橋驅動器的占空比控制發射端諧振電路電流的幅值，電流幅值與發射功率成比例。圖1所示為占空比低于50%的諧振電路電流和電壓波形。諧振電路電流幅值的絕對值由總體電路阻抗決定，包括來自無線接收器的折算負載阻抗。
在傳統工作模式下，LTC4125使用內部5位DAC來掃描SWx占空比；該DAC設置PTHx電壓以搜索有效負載。如果FB引腳出現某種形式的電壓變化，掃描將停止，占空比在可調節的掃描周期內（一般設置為約3到5秒）保持不變。然后，開始新掃描周期，重復上述相同步驟。如果負載條件在掃描周期內發生變化，LTC4125會在下一個掃描周期開始時做出響應。
圖1.占空比低于50%、具有方波輸入的AutoResonant LC電路電壓和電流波形。
為了形成閉環，電橋驅動器的發射功率應可以根據控制輸入來調節。LTC4125具備多項特性，其中PTHx引腳不僅可用于指示電橋驅動器占空比，還可作為輸入驅動，以設置占空比。芯片內部5位DAC使用內部上拉電阻來設置PTHx引腳的電壓目標值。但是，如圖2所示，可將外部下拉電阻與FET串聯，用于使PTHx引腳上的電容放電，從而降低PTHx引腳的平均電壓。這個下拉FET柵級的PWM信號占空比可以控制PTHx引腳的平均電壓，從而控制輸出功率。
圖2.PTHx受PWM輸入信號控制。
LTC4125旨在為合適的接收器提供超過5 W的功率。與LTC4124接收器配對時，可通過停用其中一個半橋驅動器來降低發射功率。這可以通過讓SW2引腳保持開路，讓PTH2短接至GND來實現。然后，可以在SW1引腳和GND之間連接發射諧振電路。這樣LTC4125就成為半橋發射器，可以在PTH1引腳上實現更低的增益，提高PTH1引腳有效控制電壓的范圍。
圖3.在6 mm應用電路板上使用LTC4124的完整無線電池充電器解決方案。
使用LTC4124從無線充電器接收器生成反饋信號
LTC4124是一款高度集成的100 mA無線鋰離子充電器，專為空間受限的應用而設計。它包含一個高效的無線電源管理器、一個引腳可編程的全功能線性電池充電器以及一個理想的二極管PowerPath?控制器。
LTC4124中的無線電源管理器通過ACIN引腳連接至并聯諧振電路，從而允許線性充電器從發射線圈產生的交變磁場無線接收電源。當LTC4124接收的電能超過以設定速率為電池充電所需的電能時，多余的電能將對VCC引腳上的線性充電器的輸入電容充電。當VCC引腳電壓升高至電池電壓VBAT + 1.05 V時，無線電源管理器將接收器諧振電路分流至地，直到VCC降低至VBAT + 0.85 V。這樣，線性充電器將非常高效，因為其輸入始終恰好高于其輸出。
圖4.LTC4124接收器的交流輸入整流和直流軌電壓調節。
LTC4124將接收器諧振電路分流至地也會降低發射諧振電路上的折算負載阻抗，導致發射諧振電路的電流和電壓幅度上升。因為分流意味著接收器已從發射器獲得足夠功率，所以發射器諧振電路峰值電壓升高可以用作發射器調節其輸出功率的反饋信號。
圖5.TLTC4124接收器分流期間的發射電路電壓（VTX）升高。
解調反饋信號并閉合控制環路
諧振發射器一側得到接收器的反饋信號后，需要將反饋信號進行轉換，并饋送至發射器的控制輸入，以閉合控制環路。如圖6所示，峰值電路電壓信號可從由二極管和電容CFB1構成的半波整流器獲取。此電壓信號由電阻RFB1和RFB2進一步分壓。為了檢測峰值電壓的變化，使用由電阻（RAVG）和電容（CAVG）構成的低通濾波器來過濾峰值電壓信號，以得到電壓信號的均值。通過比較這個均值信號和原始峰值電壓信號，可生成方波脈沖。然后，將這個脈沖饋送至LTC4125的占空比控制輸入，即可實現發射器輸出功率的調節。
圖6.發射器一側的反饋信號解調電路。
當接收器未獲取足夠電能時，LTC4125應增加其輸出功率。這可以通過為PTHx引腳設置內部電壓目標來實現。內部電壓目標可通過PTHM引腳設置，它在開始LTC4125搜索周期之前設置了初始5位DAC電壓電平?？梢栽贗MON引腳連接1 V基準電壓以禁用搜索，使得PTHx引腳目標電壓在運行期間始終保持初始值。如果LTC4124接收器需要更多功率，分流會停止，給PTHx放電的FET將不會導通。LTC4125將以內部電壓目標為基準，對PTHx電壓充電，直至LTC4124接收到足夠功率來啟用分流。
當接收器在應用中最糟糕的耦合系數位置，輸出預設的最大充電電流時，通過測量PTHx電壓可以確定所需的最大發射功率。設置PTHM引腳電壓時，應滿足最大發射功率要求。
基于LTC4124和LTC4125的閉環控制無線充電器的特性和性能
圖7所示為基于LTC4125的閉環控制發射器和基于LTC4124的100mA接收器的完整示意圖。如圖所示，接收器一側所需的組件數量極少，從而可以降低成本，縮減接收器尺寸。與LTC4125典型應用相比，發射器一側只需增加幾個額外組件即可實現閉環控制。LTC4125的大部分特性都得以保留，包括AutoResonant開關、多種異物檢測方法、過溫保護和諧振電路過壓保護。有關這些特性的詳情，請參考LTC4125數據手冊。
圖7.100 mA LTC4124充電器接收器與LTC4125 AutoResonant閉環控制發射器配對。
基于LTC4125的閉環無線發射器可以動態調節其輸出功率，以匹配接收器的功率要求。圖8顯示了在接收器線圈偏離發射器線圈中心，然后快速回到原始位置時，這款無線充電器的響應。LTC4125發射器的輸出功率由峰值發射電路電壓VTX_PEAK表示，它會對兩個線圈之間的耦合系數變化做出平穩響應，以使充電電流保持恒定不變。
圖8.基于LTC4124和LTC4125的閉環無線充電器會響應發射器和接收器之間耦合系數的突然變化。
在充電電流瞬態上升期間，LTC4124分流停止，允許LTC4125從內部為其PTH1引腳充電。因此，LTC4125會增加其半橋驅動器占空比，以提高發射功率。一旦發射功率足夠高，使LTC4124能夠調節其充電電流，就會恢復分流，占空比則保持在效能最佳水平。在充電電流瞬態降低期間，LTC4124會更頻繁地分流。LTC4125的外部電路使其PTH1引腳上的電容快速放電，以降低占空比，并降低LTC4125的發射功率。
圖9.基于LTC4124和LTC4125的閉環無線充電器會響應充電電流上升。
圖10.基于LTC4124和LTC4125的閉環無線充電器會響應充電電流下降。
圖11.放大波形，用于顯示圖10所示的瞬變詳情。
因為發射功率始終匹配接收器的需求，所以與無閉環控制的基于LTC4124和LTC4125的無線充電器典型配置相比，整體效率得到大幅提高。由于沒有采用LTC4125原本的最佳功率搜索模式，因而不產生DAC的步進效應，該配置的效率曲線更加平穩。由于功率損耗大幅降低，所以LTC4124充電器和電池在整個充電期間始終保持接近室溫的狀態。
圖12.基于LTC4125和LTC4124的無線充電器多種配置在3.5 mm氣隙下的效率。
結論
LTC4125可以配置為帶控制輸入的功率可調發射器。通過LTC4124無線充電器接收器分流可以為發射器提供反饋信號。通過半波整流器、分壓器、低通濾波器和比較器，可對反饋信號進行解調。將處理后的信號饋送至基于LTC4125的功率可調發射器中，以閉合控制環路。我們已構建了原型，用于驗證此概念。此原型能夠對耦合系數和充電電流的變化做出快速平穩的響應。通過這種方法，最終用戶將接收器放置在發射器上方時，可以允許更大偏差，無需擔心接收器是否能夠獲取所需的功率。此外，這種閉環方法可以讓發射器輸出功率始終匹配接收器的功率需求，從而提高了整體效率，使整個充電周期更加安全可靠。
作者簡介
Wenwei Li是位于馬薩諸塞州切姆斯福德ADI公司的電源產品應用工程師。他于2014年獲中國長沙湖南大學的工學學士學位，于2016年獲俄亥俄州立大學哥倫布分校碩士學位。