IoT可以使用WPT　

作者/ Tony Armstrong 凌力爾特公司(現(xiàn)隸屬ADI 公司)電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場總監(jiān)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)趨勢日漸成風，先進和現(xiàn)成有售的能量收集技術將在未來工廠中得到大量應用，本文介紹了一款無線同步降壓型充電器LTC4120和一款對無線充電解決方案領域的無線接收器 IC 起到了補充作用的無線功率發(fā)送器LTC4125。

引言

　　“物聯(lián)網(wǎng)(IoT)”指的是一種不斷持續(xù)的趨勢，即不僅將人和電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)，還將各類“物體”連接到互聯(lián)網(wǎng)及使各類“物體”相互連接。例如，如果你將部署工業(yè)制造設施或大型基礎設施項目，那么，在更多地方連接更多的傳感器(或傳動器)可以提高效率、改善安全性，并實現(xiàn)全新的業(yè)務模式。這種數(shù)據(jù)交換水平的不斷提高通常也被稱為“工業(yè)4.0”。

　　傳統(tǒng)上，用在這類工廠中的各種類型傳感器都是靠導線連接到電源的。然而，未來在工廠中可能沒有到處安裝和維護電纜的挑戰(zhàn)和費用，因為現(xiàn)在可以安裝可靠的、工業(yè)強度的無線傳感器，而且這些傳感器可以靠小型電池，甚至靠從光、振動或溫度梯度等來源收集的能量運行數(shù)年。也有可能組合使用充電電池和多種環(huán)境能源。

　　先進和現(xiàn)成有售的能量收集(EH)技術，例如振動能源收集和室內(nèi)或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦級功率。盡管這么低功率也許看似用處有限，但是無線傳感器節(jié)點等能量收集組件的多年運行可能意味著，無論就能量提供，還是從所提供的每單位能量的成本上看，能量收集技術與長壽命主電池都是大致相當?shù)?。盡管主電池聲稱能夠提供長達 10 年的壽命，但是這在很大程度上取決于從主電池吸取功率的水平以及從主電池吸取功率發(fā)生的頻度。提供EH功能的系統(tǒng)一般能夠在能量耗盡后再充電，而靠主電池供電的系統(tǒng)則做不到這一點。然而，大多數(shù)部署都將使用環(huán)境能源作為主電源，用主電池作為對這個主電源的補充，如果環(huán)境能源消失或中斷了，可以接入主電池。這可以被認為是一種“電池壽命延長器”功能，為系統(tǒng)提供了更長的工作壽命(接近電池的工作壽命)，就鋰亞硫酰氯化學組成的電池而言，通常約為12年。此外，出于固有的安全性考慮，有些充電電池不能通過導線充電，而需要通過無線功率傳輸技術充電。

　　在很多這類應用中，難以使用或不能使用連接器充電。例如，有些產(chǎn)品要求密封的外殼，以針對嚴酷的環(huán)境保護敏感電子組件。另一些產(chǎn)品也許只是因為太小，而無法裝入連接器，而在電池供電應用可能移動或旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)品中，幾乎不可能用導線充電。那么，可以采用什么樣的可替代方法來應對這類環(huán)境呢?顯然，需要一種無需連接器并能夠無線充電的方法。無線充電解決方案在這類不能使用連接器的應用中提高了價值、可靠性和堅固性。

無線功率傳輸

　　在歐姆連接器不能使用的那些例子中，無線供電是一個良好的解決方案。無線功率傳輸就是通過電絕緣體從電源向一個電負載傳輸電能，以這種方式傳輸功率有幾項挑戰(zhàn)。當電流流經(jīng)導體時，會產(chǎn)生磁場，尤其是當交替變化的電流流經(jīng)導體時，就會在導體周圍產(chǎn)生變化的磁場。如果另一個導體放置在這個磁場中，在第二個導體中就會感應出交替變化的電流。

　　磁場密度與流經(jīng)導體的電流幅度成比例。能量從產(chǎn)生磁場(主端磁場)的導體向主磁場通過上述磁耦合對其產(chǎn)生顯著影響的任何導體(副端磁場)傳送。在松散耦合的系統(tǒng)中，耦合系數(shù)很低，高頻電流不會沿著導體流過很長距離，而會迅速丟失能量，因為沿著電纜的阻抗不匹配，這會導致能量反射回源端，或輻射到空氣中。圖1用圖形表述了通過磁場連接的松耦合線圈。

　　LTC4120是一款無線同步降壓型充電器。該器件不遵循 Qi 標準;這款解決方案為滿足高可靠性應用的需求而設計。LTC4120 采用的底層技術和無線供電架構(gòu)允許基于 LTC4120 的系統(tǒng)提供更長的功率傳輸距離，對錯位的容限更大。這些結(jié)果都是高效率實現(xiàn)的，以使接收器不會遭遇過熱問題。此外，大多數(shù)工業(yè) WSN、IoT和醫(yī)療應用都不喜歡與消費類產(chǎn)品實現(xiàn)互操作。

　　LTC4120 中嵌入了動態(tài)協(xié)調(diào)控制(DHC)調(diào)諧技術，這使該器件與其他無線供電解決方案相比具有顯著優(yōu)勢。為了適應環(huán)境和負載變化，DHC 動態(tài)地改變接收器的諧振頻率。DHC 實現(xiàn)了更高的功率傳輸效率，允許更小的接收器尺寸，產(chǎn)生微不足道的電磁干擾，甚至允許更長的傳輸距離。與其他無線功率傳輸技術不同，DHC 本身就允許通過感應能量場進行固有的功率級管理，從而無需單獨的通信信道來確認接收器或在電池充電周期中管理負載需求變化。

通過無線供電進行電池充電

　　采用LTC4120進行無線充電能實現(xiàn)或改善很多不同應用。例如，可以去掉在嚴酷的工業(yè)環(huán)境中易于出故障和昂貴的連接器。兩個很好的例子是化學處理廠和煉油廠。類似地，對于需要消毒的應用，例如旋轉(zhuǎn)機器人和醫(yī)療成像系統(tǒng)，無線充電允許完全密封的外殼。顯然，去除導線后，可將充電電池放置在這類移動或旋轉(zhuǎn)設備中。另一種例子是尺寸太小，以至于無法使用常規(guī)連接器的應用。

　　那么，功率怎樣傳輸?shù)絃TC4120以能夠給電池充電呢?這就需要一種無線發(fā)送器電路和線圈。為此，凌力爾特設計了 LTC4125，這是一款無線功率發(fā)送器，對無線充電解決方案領域的無線接收器 IC 起到了補充作用。LTC4125是一款簡單、高性能的單片全橋式諧振驅(qū)動器，能以無線方式向正確調(diào)諧的接收器提供高達5W功率。在由發(fā)送電路、發(fā)送線圈、接收線圈和接收電路組成的完整無線功率傳輸系統(tǒng)中，該器件作為發(fā)送電路組件使用。

　　LTC4125功率控制器提供3種關鍵功能，改善了基本無線功率發(fā)送器，這3種功能是：自動諧振(Auto Resonant)功能，這一功能最大限度提高了可提供給接收器的功率;最佳功率搜索(Optimum Power Search)算法，該算法最大限度地提高了無線供電系統(tǒng)的總體效率;異物檢測，該功能確保在存在傳導性異物的環(huán)境中工作時可安全和可靠地運行。LTC4125自動調(diào)節(jié)其驅(qū)動頻率，以匹配LC網(wǎng)絡諧振頻率。這種“自動諧振”切換允許該器件從低壓輸入電源(3V至5.5V)向凌力爾特 LTC4120 無線接收器和電池充電器等調(diào)諧接收器提供最大功率。無線功率接收器還可以用LTC4071并聯(lián)電池充電器或LT3652HV多種化學組成電池充電器設計。為了優(yōu)化系統(tǒng)效率，LTC4125采用周期性發(fā)送功率搜索，并基于接收器負載要求調(diào)節(jié)傳輸功率。該器件在故障情況下或在檢測到異物時停止供電。如圖2所示，LTC4120和LTC4125能用來實現(xiàn)完整的無線功率傳輸和電池充電解決方案。

　　LTC4125還包括可編程最大電流限制和一個NTC輸入，以針對異物和過載提供額外的保護。應用包括手持式儀器、工業(yè)/軍用傳感器和用于嚴酷環(huán)境中的類似設備、便攜式醫(yī)療設備以及電隔離設備。基于LTC4125的系統(tǒng)提供堅固、獨立的解決方案，能支持長達15mm的傳輸距離，并容許由于錯位導致的線圈耦合不佳的情況。

結(jié)論

　　近年來，IoT市場出現(xiàn)了爆炸性增長，并涉及多種用于醫(yī)療、軍事和工業(yè)應用領域的產(chǎn)品。新一波產(chǎn)品，包括塞滿傳感器的醫(yī)療保健產(chǎn)品和監(jiān)視環(huán)境條件以改善安全性的工業(yè)傳感器在內(nèi)，正在快速增長。類似地，在改善建筑物能效以及針對機器和橋梁進行系統(tǒng)健康監(jiān)視等應用中，用于WSN的EH出現(xiàn)了激增，這是低功率轉(zhuǎn)換解決方案的關鍵驅(qū)動因素。因此，盡管運用無線功率傳輸給處于嚴酷環(huán)境中的小電流設備供電也許看似是個令人望而卻步的任務，凌力爾特卻提供了現(xiàn)成有售、易于使用的解決方案，以方便完成這項任務。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第32頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。