技术文章—采用无线电源实现无电池应用

问题：

我的应用没有电池。是否可以采用无线供电？

答案：

当然可以，可使用最初设计用于能量收集的简单的集成式纳安功耗解决方案。

无线功率传输(WPT)系统由气隙分隔的两部分组成：发射(Tx)电路（包括发射线圈）和接收(Rx)电路（包括接收线圈）（见图1）。与典型的变压器系统非常相似，发射线圈中产生的交流电通过磁场感应在接收线圈中生成交流电。然而，与典型的变压器系统不同的是，原边（发射端）和副边（接收端）之间的耦合程度通常很低。这是由于存在非磁性材料（空气）间隙。

图1.无线功率传输系统。

目前大多数无线功率传输应用都采用无线电池充电器配置。可充电电池位于接收端，只要有发射端，就可对其进行无线充电。充电完成后，将电池与充电器分离，可充电电池即可为终端应用供电。后端负载既可直接连接到电池，也可通过PowerPath™理想二极管间接连接到电池，或连接到充电器IC中集成的电池供电稳压器的输出端。在所有三种情况下（见图2），终端应用既可在充电器上运行，也可脱离充电器运行。

但是，如果特定应用根本没有电池，取而代之的是，当无线电源可用时，只需提供一个稳压的电压轨，那又会如何呢？在远程传感器、计量、汽车诊断和医疗诊断领域，此类应用的例子极为常见。例如，如果远程传感器无需持续供电，那么它就不需要电池，而使用电池需要定期更换（若是原电池）或充电（若是可充电电池）。如果该远程传感器仅需要用户在其附近时给出读数，则可按需进行无线供电。

图2.无线Rx电池充电器，后端负载连接到a)电池、b)PowerPath理想二极管和c)稳压器输出端。

图3.WPT采用LTC3588-1提供稳定的3.3 V电压轨。

我们来看LTC3588-1纳安功耗能量收集电源解决方案。虽然LTC3588-1最初为传感器（如压电、太阳能等）供电的能量收集(EH)应用而设计，但它也可用于无线电源应用。图3显示了采用LTC3588-1的完整发射端和接收端WPT解决方案。在发射端，使用基于LTC6992 TimerBlox®硅振荡器的简单开环无线发射器。在此设计中，将驱动频率设置为216 kHz，低于LC谐振电路的谐振频率266 kHz。fLC_TX与fDRIVE的精确比值最好是凭经验来确定，旨在最大程度地减小由零电压开关(ZVS)引起的M1开关损耗。关于发射端线圈选择和工作频率的设计考虑，与其他WPT解决方案没有什么不同，也就是说，在接收端采用LTC3588-1并无任何独特之处。

在接收端，将LC谐振电路的谐振频率设置为与216 kHz的驱动频率相等。鉴于许多EH应用需要进行交流到直流的整流（就像WPT一样），因此LTC3588-1已经内置了这项功能，允许LC谐振电路直接连接到LTC3588-1的PZ1和PZ2引脚。该整流为宽带整流：直流到>10 MHz。与LTC4123/LTC4124/LTC4126的VCC 引脚类似，将LTC3588-1的VIN引脚调节至适合为后端输出供电的电平。对LTC3588-1而言，是迟滞降压型DC-DC稳压器的输出而不是电池充电器的输出。可通过引脚选择四种输出电压：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V可选，连续输出电流高达100 mA。只要平均输出电流不超过100 mA，就可以选择大小合适的输出电容来提供较高的短期突发电流。当然，要完全实现100 mA输出电流能力，还取决于是否具有适当大小的发射端、线圈对以及是否充分耦合。

如果负载需求低于支持的可用无线输入功率，则VIN电压会增加。虽然LTC3588-1集成了一个输入保护分流器，可在VIN电压上升至20 V时，提供高达25 mA的拉电流，但这个功能并非必需的。随着VIN电压上升，接收线圈上的峰值交流电压也会上升，这相当于可提供给LTC3588-1的交流量下降，而不只是在接收谐振电路中循环。如果在VIN上升至20 V之前就达到了接收线圈的开路电压(VOC)，则后端电路受到保护，接收端IC中不会产生热量造成能耗。

测试结果：针对图3所示气隙为2 mm的应用，测得在3.3 V下可提供的最大输出电流为30 mA，而无负载时测得的VIN电压为9.1 V。当气隙接近为零时，可提供的最大输出电流增加至大约90 mA，而无负载时的VIN电压仅增加至16.2 V，远低于输入保护分流电压（见图4）。

图4.在3.3 V下各种距离可提供的最大输出电流。

针对采用无线电源的无电池应用，LTC3588-1提供了一种简单的集成解决方案，可提供低电流稳压电压轨，还带有完整的输入保护功能。