[RAQ] Uruchamianie urządzeń nieposiadających zasilania bateryjnego za pomocą bezprzewodowego transferu energii

Artykuł wyjaśnia sposób projektowania rozwiązań bezprzewodowego transferu energii w aplikacjach, w których z różnych względów nie można zastosować zasilania bateryjnego. Modelowym przykładem układu scalonego, umożliwiającego zastosowanie takiego rozwiązania jest LTC3588-1.

Pytanie:

Moje urządzenie nie ma baterii. Czy możliwe jest zastosowanie zasilania bezprzewodowego?

RAQ 162

Odpowiedź:

Tak – dostępne jest proste, zintegrowane rozwiązanie, pierwotnie zaprojektowane do pozyskiwania energii.

System bezprzewodowego transferu mocy (WPT) składa się z dwóch części oddzielonych przestrzenią wypełnioną powietrzem: obwodów nadajnika (Tx) z cewką nadawczą i obwodów odbiornika (Rx) z cewką odbiorczą (patrz rysunek 1). Podobnie jak w typowym układzie transformatora, prąd zmienny generowany w cewce nadawczej wymusza prąd zmienny w cewce odbiorczej poprzez działanie pola magnetycznego. Jednakże, w przeciwieństwie do typowego układu transformatorowego, sprzężenie między uzwojeniem pierwotnym (nadajnik) i wtórnym (odbiornik) jest zazwyczaj bardzo niskie. Wynika to z odległości między cewkami w materiale niemagnetycznym (powietrze).

Rysunek 1. System bezprzewodowego transferu mocy

Większość rozwiązań do bezprzewodowego przesyłania energii jest skonfigurowanych jako bezprzewodowe ładowarki baterii. Akumulator znajduje się po stronie odbiornika i jest ładowany bezprzewodowo w obecności nadajnika. Po naładowaniu i odłączeniu akumulatora od ładowarki akumulator zasila urządzenie końcowe. Obciążenie prądowe może zostać podłączone bezpośrednio do akumulatora, pośrednio do akumulatora poprzez diodę PowerPath™ albo do zasilanego akumulatorem stabilizatora zintegrowanego z ładowarką obwodu. We wszystkich trzech przypadkach (patrz rysunek 2) urządzenie końcowe może działać równolegle z ładowarką oraz bez niej.

Rysunek 2. Bezprzewodowe ładowarki akumulatorów z obciążeniami prądowymi podłączonymi do a) akumulatora, b) diody PowerPathi c) wyjścia regulatora.

A co, jeśli konkretne zastosowanie nie ma baterii i zamiast tego do dyspozycji jest stabilizowane napięcie zasilania przy dostępnym zasilaniu bezprzewodowym? Przykłady takich rozwiązań to m.in. zdalne czujniki, mierniki, diagnostyka samochodowa i medyczna. Na przykład, jeśli zdalny czujnik nie potrzebuje stałego zasilania, to nie musi mieć baterii, która musiałaby być okresowo wymieniana (jeśli to zwykła bateria) albo ładowana (jeśli to akumulator). Jeśli dany sensor potrzebuje jedynie odczytu, gdy użytkownik znajduje się w jego pobliżu, może być zasilany bezprzewodowo na żądanie.

Rysunek 3. WPT wykorzystujący LTC3588-1 do zasilania regulowanej szyny 3,3 V

W tym momencie zapoznajmy się układem LTC3588-1, przeznaczonym do aplikacji pozyskiwania energii z otoczenia. Chociaż pierwotnie został zaprojektowany z myślą o zastosowaniach związanych z pozyskiwaniem energii (Energy Harvesting) z przetwornika (np. piezoelektrycznego, słonecznego itp.), może być również wykorzystywany do zasilania bezprzewodowego. Na rysunku 3 pokazano kompletny nadajnik i odbiornik WPT z wykorzystaniem LTC3588-1. Po stronie nadajnika znajduje się prosty nadajnik bezprzewodowy w otwartej pętli, oparty na krzemowym oscylatorze LTC6992 TimerBlox®. W tym przypadku częstotliwość ustawiona jest na 216 kHz, czyli poniżej częstotliwości rezonansowej filtra LC – 266 kHz. Dokładny stosunek fLC_TX do fDRIVE najlepiej określić empirycznie, mając na celu zminimalizowanie strat przełączania w kluczu z powodu przejścia napięcia przez zero (ZVS). Względy konstrukcyjne po stronie nadajnika w odniesieniu do wyboru cewki i częstotliwości działania nie różnią się od innych rozwiązań WPT: nie ma nic wyjątkowego w posiadaniu LTC3588-1 po stronie odbiornika.

Po stronie odbiornika częstotliwość rezonansowa filtra LC jest równa częstotliwości przetwornicy – 216 kHz. Ponieważ wiele zastosowań pozyskiwania energii wymaga prostowania prądu (podobnie jak w WPT), LTC3588-1 ma już wbudowany prostownik, co pozwala na podłączenie filtra LC bezpośrednio do pinów PZ1 i PZ2 układu LTC3588-1. Prostowanie jest szerokopasmowe: od prądu stałego do ponad 10 MHz. Podobnie jak pin VCC w układach LTC4123/LTC4124/LTC4126, pin VIN w LTC3588-1 jest regulowany do poziomu odpowiedniego do dostarczania zasilania na jego wyjściu. W przypadku LTC3588-1 wyjście to stabilizator buck z pętlą histerezy zamiast ładowarki. Dostępne są cztery napięcia wyjściowe: 1.8 V, 2.5 V, 3.3 V i 3.6 V przy ciągłym prądzie wyjściowym do 100 mA. Kondensator na wyjściu można dobrać tak, aby zapewniał wyższe krótkotrwałe impulsy prądowe, pod warunkiem, że prąd na wyjściu nie przekracza 100 mA. Oczywiście, realizacja pełnej zdolności wyjściowej prądowej na poziomie 100 mA zależy od posiadania odpowiednio dobranego rozmiaru nadajnika, pary cewek i wystarczającego sprzężenia.

Jeśli zapotrzebowanie na obciążenie jest mniejsze niż dostępna bezprzewodowa moc wejściowa, napięcie VIN rośnie. Chociaż LTC3588-1 zawiera bocznik ochronny wejściowy,  mający znamionowy spadek napięcia do 25 mA, jeśli napięcie VIN wzrośnie do 20 V, funkcja ta może stać się niepotrzebna. Bowiem wraz ze wzrostem napięcia VIN, szczytowe napięcie zmienne na cewce odbiornika również się zmniejsza, co odpowiada spadkowi ilości prądu zmiennego, który może być dostarczony do LTC3588-1, w przeciwieństwie do prądu płynącego w obwodzie odbiornika. Jeśli napięcie obwodu otwartego (VOC) cewki odbiornika zostanie osiągnięte zanim VIN wzrośnie do 20 V, obwód po stronie wyjścia jest chroniony bez strat cieplnych w odbiorniku.

Wyniki testu: w przypadku zastosowania rozwiązania przedstawionego na rysunku 3 z 2-milimetrową przerwą wypełnioną powietrzem, zmierzony maksymalny prąd wyjściowy przy 3,3 V wynosił 30 mA, a zmierzone napięcie VIN bez obciążenia wyniosło 9,1 V. Dla prawie zerowej przerwy powietrznej maksymalny dostarczany prąd wyjściowy zwiększono do ok. 90 mA, podczas gdy napięcie VIN bez obciążenia wzrosło do zaledwie 16,2 V, czyli znacznie poniżej wejściowego napięcia uruchamiającego zabezpieczenie (patrz rysunek 4).

Rysunek 4. Maksymalny prąd wyjściowy przy 3.3 V dla różnych odległości

W przypadku aplikacji bez zasilania bateryjnego, w których dostępne jest bezprzewodowe źródło zasilania, LTC3588-1 zapewnia proste, zintegrowane rozwiązanie zapewniające niskoprądowe stabilizowane napięcie z pełnym zabezpieczeniem wejścia.

O autorze

Kierownik projektu w grupie Power by Linear Analog Devices. Dołączył do firmy w 2017 roku podczas przejęcia Linear Technology, gdzie pracował przez poprzednie 19 lat. Zarządza wieloma projektami rozwijanymi w Chelmsfold, Ma oraz w Monachium, przede wszystkim w dziedzinach bezprzewodowego transferu energii, ultra-energooszczędnych układów scalonych, pozyskiwania energii z otoczenia, aktywnego balansowania akumulatorów oraz wielokanałowych stabilizatorów DC/DC. Posiada tytuł inżyniera i magistra z elektroniki, zdobyty odpowiednio na Uniwersytecie Carnegie-Mellon i Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley.

www.analog.com