כיצד להוסיף במהירות ובאופן משתלם טעינה אלחוטית למכשירים אטומים ומוגבלים במקום

הביקוש ההולך וגובר להתקנים אלחוטיים אטומים זעירים דורש פתרונות טעינה יעילים יותר. גישות טעינה קונבנציונלית אינן מספקות משתמשי קצה, מציבות אתגרים בהתקנים מוגבלי-מקום, ואינן מתאימות לסביבות קשות. למרות שטעינה אלחוטית נותנת מענה לרבות‏ מבעיות אלו, הפתרונות הקיימים אינם עומדים בדרישות האינטגרציה, ההספק והנצילות של התקנים אלה.

מאמר זה דן בצורך בפתרונות טעינה משופרים עבור התקנים אטומים ומוגבלי-מקום. אחר כך הוא מציג פתרון אלחוטי‏ רב-תכליתי מבית Analog Devices‏ ומראה כיצד הוא מסייע למפתחים לממש בקלות טעינה מתאימה, בטוחה ויעילה.

ביקוש הולך וגובר לפתרונות טעינה יעילים יותר

ביקוש הולך וגובר לאלקטרוניקה לבישה קומפקטית, כגון מערכות-ראש, התקני תוך-אוזן והתקני כושר גופני, ממשיך להניע את‏ הצורך בפתרונות טעינה העונים על אילוצי הגודל הפיזי של יישומים אלה ומבטיחים את השלמות של יחידות אטומות בסביבות עבודה מגוונות. שיטות טעינה קונבנציונליות המסתמכות על מחברים פיזיים אינן עומדות בדרישות אלו בשל רגישותן לשחיקה ולגורמים סביבתיים כמו אבק ולחות. כתוצאה מכך, טכנולוגיות טעינה אלחוטית הפכו ליותר מתכונה חדשה, מתגלות כדרישת יסוד עבור סוג זה של מוצרים.

על ידי ביטול הצורך בנקודות חיבור עבור טעינה חיצונית, מערכות העברת כוח אלחוטית (WPT) מציעות‏ פתרון פוטנציאלי בפעולתן דרך מרווח אוויר בין מקור‏ טעינה והתקן‏ סגור. למעשה, עם זאת, לתכנון פתרונות WPT אפקטיביים יש אתגרים טכניים מרובים, כולל נצילות העברת כוח, טיפול בתקלות וניהול תרמי וסוללה. הצורך לעמוד במגבלות מקום צר מסבך עוד יותר את העניינים.

התקנים משולבים ביותר מפשטים תכנון WPT

מטען ליתיום-יון (Li-Ion) אלחוטי ‏LTC4124 ומשדר כוח אלחוטי LTC4125 של Analog Devices‏ פותחו כדי לסייע למתכננים לעמוד בדרישות אינטגרציה, הספק ונצילות‏ גבוהות הנדרשות על ידי התקנים אטומים ומוגבלי-מקום.

מוצע במארז‏ LQFN במידות 2 ×‏ 2 מילימטר בלבד עם‏ גובה של‏ 0.74 מ"מ, ה-LTC4124 משלב את כל הפונקציות המשלימות הדרושות כדי לטעון סוללת ליתיום-יון עם זרם‏ ניתן לבחירה של עד 100 מיליאמפר (mA‏‏) (איור 1‏).

איור 1‏: עם יכולותיו הפונקציונליות המקיפות, מטען הליתיום-יון (Li-Ion) האלחוטי LTC4124 מפשט מימושי WPT. (מקור תמונה: Analog Devices)

עם פונקציונליות הטעינה המשולבת המקיפה שלו, ההתקן יכול לשרת כמטען סוללת ליתיום-יון עצמאי ללא רכיבים נוספים. יכולותיו מרובות המאפיינים של טעינת סוללה ליניארית מתוכנתת-פין, זרם קבוע/מתח קבוע (CC/CV), באות שלמות עם סיומת קוצב-זמן בטיחות, זיהוי סוללה פגומה וטעינה אוטומטית.

יכולת הניתוק של סוללה חלשה של ה-LTC4124 מסייעת להגן על סוללות במצב טעינה חלשה מאוד מפני פריקה נוספת, שיכולה לקצר חיי סוללה. תכונת הניתוק גורמת לכיבוי ה-LTC4124 כשלא קיים מתח כניסה ומתח הסוללה נופל אל מתחת למינימום מוגדר. עם הכיבוי, ההתקן פותח מתג ניתוק (M3 באיור 1‏) המונע פריקת סוללה נוספת. עם המאפיין 'מצב משלוח', ה-LTC4124 מונע פריקת סוללה עד להחלת מתח בפין ה-ACIN‏ או ה-DCIN‏ שלו.

ה-LTC4124 ניתן גם להגדרת תצורה כך שימנע טעינה אם טמפרטורת הסוללה היא גבוהה מדי, ויכול לציין ויזואלית מצב טעינה עם הוספת תרמיסטור בעל‏ מקדם טמפרטורה שלילי (NTC)‏ ודיודה פולטת אור (LED‏) (איור 2‏).

איור 2‏: על ידי שימוש בשני רכיבים בלבד, נורית LED‏ ונגד‏ NTC, יחד עם מטען ה-LTC4124, מפתחים יכולים לממש‏ מטען מותאם-טמפרטורה שלם עם מחוון מצב טעינה ויזואלי. (מקור תמונה: Analog Devices)

על ידי חיבור מעגל Resonant Tank ‏משרן-קבל (LC‏) מקבילי, חיצוני, לפין ה-ACIN של ה-LTC4124‏, מפתחים יכולים להרחיב בקלות תכנון בסיסי זה ליצירת צד המקלט של מערכת WPT. מזווג עם LTC4125 של Analog Devices‏, גישה זו מספקת פתרון WPT‏ ‏mA‏ 100‏ שלם (איור 3‏).

איור 3‏: משדר ה-LTC4125 ומטען ה-LTC4124 מספקים פתרון ‏100‎ mA WPT קומפקטי. (מקור תמונה: Analog Devices)

כמו ה-LTC4124, ה-LTC4125‏ הוא התקן משולב במידה רבה המתוכנן במיוחד עבור יישומי WPT.‏ הוא בא במארז QFN‏ במידות ‏5‏ ×‏ 4 ×‏ 0.75 מ"מ ויכול לספק יותר מ-‏5‏ ואט‏ מאספקה של‏ 3 עד 5‏ וולט (איור 4‏).

איור 4‏: משדר כוח אלחוטי Analog Devices LTC4125 משלב את מלוא הבלוקים הפונקציונליים המשלימים הדרושים כדי לספק יותר מ-‏5‏ ואט‏ למקלט מכוונן היטב. (מקור תמונה: Analog Devices)

בלב התקן‏ זה, טכנולוגיית ה-AutoResonant הקניינית של Analog Devices‏ מזהה ומתאימה אוטומטית את תדר התהודה של מעגל ה-LC הטורי המחובר אל פיני המתג שלו (SW1 ו-SW2). מלבד אופטימיזציה של הספק שידור, טכנולוגיית AutoResonant משחקת‏ תפקיד חיוני בגילוי אובייקט זר. כשאובייקט זר ממוקם ליד סליל השידור, השראות הסליל האפקטיבית יורדת משמעותית, ותדר הדחיפה של ה-LTC4125 עולה. כמצוין להלן, עליה זו בתדר הדחיפה משמשת כמציין נוכחות של אובייקט זר.

אופטימיזציה של WPT

במהלך WPT, מנהל הכוח האלחוטי המשולב של מקלט ה-TC4124 מיישר את מתח ה-AC מהשדה המגנטי המשתנה המיוצר על ידי סליל השידור של חצי המשדר של מערכת WPT משדר/מקלט.‏ על ידי שימוש במשוון (CP1‏) ומתגים (SW1 ו-SW2) המשולבים שלו, מנהל הכוח האלחוטי LTC4124 שומר על המתח המיושר על פין ה-V_CC ברמה מעט מעל מתח הסוללה (V_BATT) על ידי הסטת‏ מעגל ה-Resonant Tank‏ להארקה כשהוא מקבל יותר אנרגיה מהדרוש לטעינת הסוללה.

עם זאת, ההספק המפוזר על ידי מנגנון הסטה זה יכול להגדיל את העומס התרמי של ההתקן. משדר ה-LTC4125 מספק‏ מנגנון ישיר יותר להפחתת כמות האנרגיה המגיעה למקלט.

בעוד טכנולוגיית ה-AutoResonant שלו ממטבת אספקת כוח, ה-LTC4125 כולל יכולת חיפוש הספק אופטימלי המנטרת ומכוונת יציאת הספק משדר שתתאים‏ לעומס מקלט, על ידי הפעלת סדרה עוקבת של מחזורי חיפוש. בכל מחזור, ה-LTC4125 מעלה אינקרמנטלית את הספק השידור על ידי ביצוע קפיצות הדרגתיות במתח רוחב פולס (V_PTH), שהוא פרופורציונלי לרוחב הפולסים שנמסרו לגשר הדוחף זרם סליל. שינוי משמעותי במתח משוב Resonant Tank‏ (V_FB) מציין שהספק השידור הוא מספיק כדי לעמוד או לעבור את עומס המקלט, והחיפוש נפסק באותו מתח רוחב פולס המחזיק את רמת הספק היציאה של המשדר עד מחזור החיפוש הבא (איור 5‏).

איור 5‏: מאפיין חיפוש ההספק האופטימלי של משדר ה-LTC4125 מתאים יציאת הספק לעומס מקלט על ידי ביצוע חיפוש הדרגתי כדי למצוא את רמת היציאה המתאימה. (מקור תמונה: Analog Devices)

חיפוש ההספק האופטימלי של ה-LTC4125 מבצע כל מחזור חיפוש בזרימת תהליך קבועה עד שמגלה תנאי יציאה תקף או אחד מכמה תנאי תקלה (איור 6‏).

איור 6‏: בביצוע אלגוריתם חיפוש הספק אופטימלי שלו, משדר ה-LTC4125 ממשיך להגדיל בהדרגה את יציאת ההספק בסדרת צעדים‏ עד שנתקל בתנאי יציאה תקף או ‏באחד מכמה תנאי תקלה. (מקור תמונה: Analog Devices)

בתהליך זה, ה-LTC4125 מזהה מספר תנאי יציאה תקפים, מוגדרים-מראש, המציינים את הספק השידור האופטימלי. נוסף לכך, המפתח יכול להגדיר שני תנאי יציאה ניתנים לתכנות, כולל סף זרם כניסה (V_ITH) כדי להגביל זרם כניסה וסף מתח Differential Tank‏ (DTH), למיטוב הספק שידור בתרחישי שימוש הכרוכים בצימוד לקוי בין סלילי השידור והקליטה.

ה-LTC1425 מזהה אוטומטית מספר תנאי תקלה היכולים לפגוע בבטיחות וביעילות של העברת כוח:

• חריגה מסף טמפרטורת הסליל הנקבע על ידי מתח ה-NTC ‏(V_NTC) המתגלה על פין כניסת ה-NTC שלו
• חריגה מהסף המקסימלי של‏ מתח Tank‏ כפי שמתגלה באמצעות מתח פין ה-FB‏ V_FB>V_IN
• חריגה מסף טמפרטורת-יתר של פיסת סיליקון פנימית (150‎°C אופיינית)
• חריגה מסף התדירות, מציינת נוכחות של חפץ‏ זר‏ בגלל ההפחתה בהשראות סליל שידור ועלייה נלווית בתדירות דחיפה
• חריגה ממגבלת זרם הכניסה (ILIM)
• השלמת רמפת החיפוש מבלי למצוא תנאי יציאה תקף

ההתרחשות של כל אחד מתנאי תקלה אלה גורמת להתקן לעצור העברת הספק עד למרווח הזמן של החיפוש הבא.

עבור המפתחים, מאפיינים כמו דחיפת AutoResonant וחיפוש הספק אופטימלי פועלים אוטומטית, כפוף למצבי יציאה ותקלה. למרות שספי חלק ממצבים אלה הם קבועים בהתקן, מפתחים שומרים על שליטה משמעותית על ההיבטים השונים המשמשים לקבוע הגדרות הספק, מצבי יציאה ומצבי תקלה.

על ידי שימוש בערכת הדגמה DC2770A-A-KIT וערכת הדגמה DC2770A-B-KIT ‏mA‏ 100‏של Analog Devices‏, מפתחים יכולים להעריך במהירות את הביצועים של‏ מקלט ה-LTC4124 ומשדר ה-LTC4125 כשטוענים סוללת‏ ליתיום-יון בעד mA‏ 100‏. כל ערכה כוללת לוח משדר מבוסס-LTC4125 ולוח מקלט מבוסס-LTC4124. שתי הערכות באות מצוידות עם מגשרים ונקודות חיבור עבור קביעת מאפייני ביצוע של התקן וניטור התוצאות.

סיכום

הנטייה לעבר התקנים קומפקטיים ואטומים מסבכת את התכנון של שיטות יעילות לטעינת הסוללות עליהן הם מתבססים. WPT מציעה פתרון‏ יעיל, אך המימוש של תכני טעינה אלחוטית‏ נצילים הוא מאתגר. מקלט ומשדר כוח אלחוטי ‏מבית Analog Devices‏, מתוכננים לענות על אתגרים אלו, מפשטים מימוש של‏ WPT במכשירים אטומים ומוגבלים במקום.