不使用数字控制器时，闭合无线充电器接收器和发射器之间的控制环路

简介

小尺寸可穿戴设备越来越多地采用无线充电，因为这样无需使用充电线，在设备上也无需配备外露式接口。对于充电电流小于10 mA的应用，由于功耗很低，因此无需在无线充电器接收器和发射器之间实施闭环控制。但是，要获得更高的充电电流，就需要发射器根据其接收器的需求，以及两端之间的耦合系数，主动调节其输出功率。否则，接收器可能需要以热量的形式消耗多余的功率，这会影响用户体验，并且可能损害电池性能。无线充电发射器和接收器间的控制回路通常用数字通信的方式来实现闭合，但是数字控制会增加总体设计的复杂性和增大应用的大小。

本文介绍一种方法，可以在不增加接收器电路板上组件数量（和宝贵的整体尺寸）的情况下，闭合接收器和发射器之间的控制环路。我们使用LTC4125 AutoResonant发射器和LTC4124无线锂离子充电器接收器来构建闭环控制无线充电器原型，以演示此理念。

搭建带占空比控制输入的AutoResonant发射器

LTC4125是一款单芯片全桥AutoResonant无线功率发射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整体效率，并为无线充电系统提供全面保护。

LTC4125采用AutoResonant转换器来驱动串联LC谐振电路；该谐振电路由发射线圈（LTX）和谐振电容（CTX）组成。AutoResonant驱动器使用电流过零检测器，使其驱动频率与LC谐振电路的谐振频率一致。SW1和SW2引脚是LTC4125内部两个半桥的输出。当SWx引脚检测到其输出电流的方向是从负极过零位到正极时，SWx 与VIN导通，占空比与其对应的PTHx引脚电压成比例。当SWx引脚与VIN导通时，流经发射器谐振电路的电流量增加。因此，每个电桥驱动器的占空比控制发射端谐振电路电流的幅值，电流幅值与发射功率成比例。图1所示为占空比低于50％的谐振电路电流和电压波形。谐振电路电流幅值的绝对值由总体电路阻抗决定，包括来自无线接收器的折算负载阻抗。

在传统工作模式下，LTC4125使用内部5位DAC来扫描SWx占空比；该DAC设置PTHx电压以搜索有效负载。如果FB引脚出现某种形式的电压变化，扫描将停止，占空比在可调节的扫描周期内（一般设置为约3到5秒）保持不变。然后，开始新扫描周期，重复上述相同步骤。如果负载条件在扫描周期内发生变化，LTC4125会在下一个扫描周期开始时做出响应。

图1．占空比低于50％、具有方波输入的AutoResonant LC电路电压和电流波形。

为了形成闭环，电桥驱动器的发射功率应可以根据控制输入来调节。LTC4125具备多项特性，其中PTHx引脚不仅可用于指示电桥驱动器占空比，还可作为输入驱动，以设置占空比。芯片内部5位DAC使用内部上拉电阻来设置PTHx引脚的电压目标值。但是，如图2所示，可将外部下拉电阻与FET串联，用于使PTHx引脚上的电容放电，从而降低PTHx引脚的平均电压。这个下拉FET栅级的PWM信号占空比可以控制PTHx引脚的平均电压，从而控制输出功率 。

图2．PTHx受PWM输入信号控制。

LTC4125旨在为合适的接收器提供超过5 W的功率。与LTC4124接收器配对时，可通过停用其中一个半桥驱动器来降低发射功率。这可以通过让SW2引脚保持开路，让PTH2短接至GND来实现。然后，可以在SW1引脚和GND之间连接发射谐振电路。这样LTC4125就成为半桥发射器，可以在PTH1引脚上实现更低的增益，提高PTH1引脚有效控制电压的范围。

图3．在6 mm应用电路板上使用LTC4124的完整无线电池充电器解决方案。