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瞄准可穿戴市场的痛点,无线充电方案的选择至关重要!

关键词:可穿戴市场 无线充电 能量采集

时间:2019-10-31 14:57:03       来源:网络

据Gartner 发布的全球可穿戴设备数据报告显示,2018 年全球可穿戴设备出货量达到 1.79 亿部,较 2017 年的 1.41 亿部同比增长 27.1%。在未来,新兴市场可穿戴设备的出货量将进一步增长,智能可穿戴设备未来五年复合年增长率将达到 26.3%,预计到 2022 年发货量将跃升至 4.53 亿部。

无线充电——可穿戴设备应用最广泛的充电技术

大多数市场数据都表明,设备两次充电之间的可用时间长度是影响消费者便捷式设备购买选择的关键因素。由于对于连续使用的需要,可穿戴设备的电池续航时间需要超出消费者的期望。这意味着除了集成更多传感器和功能,可穿戴设备还需要能在两次充电之间使用更长的时间。

达到此目的有两种方法,其一是补充电池电量,其二则是寻找可穿戴设备充电的创新途径,如能量采集或无线充电。截止目前,可穿戴设备最广泛使用的充电技术就是无线充电技术。无线充电技术拥有众多优势,例如,它使易于发生故障的插头成为多余。可以将设备内置在具备防潮能力的外壳中。用户也无须忍受插入电缆的麻烦。

具有原边控制和接收器的感应式功率传输概念

另一方面,无线充电技术的种类及标准多样。在可穿戴市场兴起之前,几乎每家电源管理厂商的设备都处于各自为战的状态下,无法通用。不过近年来随着谷歌、微软、苹果等公司相继大举进入可穿戴市场,无线充电技术的通用性得到了很大的改观。各大电源管理的器件及设备厂商也都拿出了符合无线电源协会规定的互操作性标准的产品。事实上,ADI公司就为可穿戴设备提供了广泛的电源管理组合,包括无线充电的可穿戴设备电源解决方案。

如何解决高效与散热难题?这里有DHC方法论

LTC4120,这是一款无线功率接收器和电池充电器。该器件集成了已获专利的动态协调控制(Dynamic Harmonization Control,简称DHC)技术实现了高效率非接触式充电,而且在接收器中不会产生热量或电气负担过重问题。采用这种技术,可以通过长达1.2cm 的距离传送高达2W功率。然而,对单节锂离子(Li-Ion)电池而言,最高充电电压为4.2V,最大充电电流为400mA,这将使DHC技术的传送功率限制到1.7W。类似地,2W最大功率将两节锂离子电池(8.4V最高充电电压) 的充电电流限制到240mA。

功率、效率、距离和尺寸的大小决定了系统性能,因此,基于LTC4120的无线电源系统设计当使用几种可选发送器的其中一款时,通过长达1.2cm的距离在电池端接收高达2W的功率。视所采用方法和组件的不同而不同,效率计算结果会有很大变化。在基于LTC4120的系统中,一般情况下,电池会接收 45%~55% 馈送到发送器的DC输入功率。

LTC4120中嵌入的DHC调谐技术与其他无线电源解决方案相比有一些显著优势。为了响应环境和负载变化,DHC动态改变接收器上谐振储能电路的谐振频率。DHC在允许更长传送距离的同时,实现了更高的功率传送效率,从而使接收器尺寸能够更小。显然,DHC解决了所有无线电源系统的基本问题。所有系统都必须设计为通过给定最长传送距离接收一定量的功率,所有系统也都必须设计为在最短传送距离时能够承受无负载情况而不被损坏。其他同类解决方案用复杂的数字通信系统解决这一问题,但增加了复杂性和成本,限制了功率传送距离,而基于LTC4120的无线电源系统用DHC技术简便地解决了这一问题。

探寻良好保护、紧凑的无线充电器接收器解决方案——

继LTC4120之后,ADI又发布了多款新型无线充电器,其中包括LTC4126,该芯片是带有1.2 V无电感DC-DC转换器的全功能7.5 mA 无线锂离子电池充电器,设计用于助听器、无线耳机和其他需要无线充电的空间受限可穿戴产品。与基于 LTC6990的ZVS 单晶体管发射器组合使用,可获得完整的无线充电解决方案。

LTC4126的设计高度集成,只需几个外部组件即可创建完整的无线充电器接收器解决方案,可将整个设计安装在助听器或耳塞的内部(直径为6 mm 的应用板)。

具有集成式DC-DC转换器和充电器状态输出的完整6 mm直径无线电池充电器接收器

LTC4126充电器、DC-DC转换器(充电泵DC-DC转换器具有三种操作模式,具体取决于电池电压,以提高整体效率)具有一个无线功率控制器,使其能够从发射线圈(LTC6990)产生的交流磁场无线接收功率。无线功率控制器将接收器端谐振电路的交流电压整流成VCC引脚的直流电压。此直流电压馈入线性充电器,线性充电器再调节对电池的充电。

如果LTC4126接收的能量超出所需能量,无线功率控制器通过将接收器谐振电路分流接地来调节线性充电器的输入VCC。这样,线性充电器将高效运行,因为其输入正好保持在电池电压VBAT之上。接合分流电路时,谐振电路也会接收较少的功率,因为谐振频率与发射器频率失调。

同时LTC4126中的集成式恒流(CC)/恒压(CV)线性锂离子电池充电器可通过一组完整的保护功能确保充电周期正常运行,包括安全计时器的自动充电和自动终止、不良电池检测和超出温度范围充电暂停功能。LTC4126包括可传递至系统微控制器的充电器状态和电池电压电平信号。

下图为使用LTC6990作为振荡器来驱动低功率晶体管的简单谐振电路。为实现ZVS操作,发射器谐振回路频率设置为振荡频率的1。29倍。通过这种方式,大幅减少了开关损耗,并提高了整体无线充电效率。此发射器只需几个组件,并可安装在小型外壳中。

具有单晶体管ZVS发射器和LTC4126接收器的完整无线充电解决方案

结论

事实上,可穿戴设备的发展才刚刚起步,业界有许多的创新,遍及硬件设计和软件体验。目前市场关注的焦点虽然主要在消费市场,但在商业与工业应用中,可穿戴设备在例如瓦斯检测、辅助物流管理等许多地方也已经开始崭露头角。可以预见的是,未来可穿戴设备与物联网应用的进一步结合将具有非常大的发展潜力,而无线充电解决方案性能的继续优化将为便携产品增加更多的市场和应用潜能。

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