Como adicionar carregamento sem fio de forma rápida e econômica a dispositivos selados e com restrição de espaço

A crescente demanda por dispositivos sem fio minúsculos e selados exige soluções de carregamento mais eficazes. As abordagens convencionais de carregamento são insatisfatórias para os usuários finais, apresentam desafios em dispositivos com restrições de espaço e não são adequadas para ambientes adversos. Embora o carregamento sem fio resolva muitos desses problemas, as soluções disponíveis não atendem aos requisitos de integração, energia e eficiência desses dispositivos.

Este artigo discute a necessidade de soluções de carregamento aprimoradas para dispositivos selados e com restrição de espaço. Em seguida, apresenta uma solução versátil de carregamento sem fio da Analog Devices e mostra como ela ajuda os desenvolvedores a implementar facilmente um carregamento adequado, seguro e eficiente.

Demanda crescente por soluções mais eficazes de carregamento

A crescente demanda por produtos eletrônicos vestíveis mais compactos, como fones de ouvido, dispositivos intra-auriculares e aparelhos de ginástica, continua a impulsionar a necessidade de soluções de carregamento que satisfaçam as restrições de tamanho físico dessas aplicações e garantam a integridade das unidades seladas em diversos ambientes operacionais. Os métodos convencionais de carregamento que dependem de conectores físicos não conseguem atender a essas demandas devido à sua suscetibilidade ao desgaste e a fatores ambientais, como poeira e umidade. Como resultado, as tecnologias de carregamento sem fio se tornaram mais do que um recurso novo, surgindo como um requisito fundamental para essa classe de produtos.

Ao eliminar a necessidade de portas externas de carregamento, os sistemas de transferência de energia sem fio (WPT) oferecem uma solução em potencial, operando em uma folga de ar entre uma fonte de carregamento e um dispositivo fechado. Na prática, porém, o projeto de soluções WPT eficazes apresenta vários desafios técnicos, incluindo a eficiência da transferência de energia, o tratamento de falhas e o gerenciamento térmico e de bateria. A necessidade de atender a limitações de espaço apertado complica ainda mais a situação.

Dispositivos altamente integrados simplificam o projeto WPT

O carregador de íons de lítio sem fio LTC4124 e o transmissor de energia sem fio LTC4125 da Analog Devices foram desenvolvidos para ajudar os projetistas a atender às demandas de alta integração, potência e eficiência exigidas por dispositivos selados e com restrições de espaço.

Oferecido em um invólucro LQFN medindo apenas 2 × 2 milímetros com uma altura de 0,74 mm, o LTC4124 integra o conjunto completo de funções necessárias para carregar uma bateria de íons de lítio com uma corrente de carga selecionável de até 100 miliamperes (mA) (Figura 1).

Figura 1: Com seus recursos funcionais abrangentes, o carregador de íons de lítio sem fio LTC4124 simplifica as implementações de WPT. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Com sua funcionalidade de carregamento abrangente e integrada, o dispositivo pode funcionar como um carregador de bateria de íons de lítio autônomo sem componentes adicionais. Seus recursos completos de carregamento linear da bateria de corrente constante/tensão constante (CC/CV), programáveis por pinos, vêm completos com terminação de temporizador de segurança, detecção de bateria ruim e recarga automática.

O recurso de desconexão de bateria fraca do LTC4124 ajuda a proteger as baterias em um estado de carga muito baixo contra descargas adicionais, o que pode reduzir a vida útil da bateria. O recurso de desconexão faz com que o LTC4124 seja desligado quando não há alimentação disponível na entrada e a tensão da bateria cai abaixo de um mínimo especificado. Ao ser desligado, o dispositivo abre uma chave seccionadora (M3 na Figura 1) que impede a continuação da descarga da bateria. Com o recurso do modo de envio, o LTC4124 evita a descarga da bateria até que a alimentação seja aplicada ao seu pino ACIN ou DCIN.

O LTC4124 também pode ser configurado para impedir a carga se a temperatura da bateria estiver muito alta e pode indicar visualmente o status da carga com a adição de um termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) e um diodo emissor de luz (LED) (Figura 2).

Figura 2: Usando apenas dois componentes, um LED e um resistor NTC, com o carregador LTC4124, os desenvolvedores podem implementar um carregador completo qualificado por temperatura com um indicador visual do status da carga. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Ao conectar um circuito de tanque ressonante de indutor-capacitor (LC) externo e paralelo ao pino ACIN do LTC4124, os desenvolvedores podem facilmente estender esse projeto básico para criar o lado do receptor de um sistema WPT. Em conjunto com o LTC4125 da Analog Devices, essa abordagem fornece uma solução completa de WPT de 100 mA (Figura 3).

Figura 3: O transmissor LTC4125 e o carregador LTC4124 fornecem uma solução WPT compacta de 100 mA. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Assim como o LTC4124, o LTC4125 é um dispositivo altamente integrado projetado especificamente para aplicações WPT. Ele vem em um invólucro QFN medindo 5 × 4 × 0,75 mm e pode fornecer mais de 5 watts a partir de uma alimentação de 3 a 5 volts (Figura 4).

Figura 4: O transmissor de energia sem fio LTC4125 da Analog Devices integra o conjunto completo de blocos funcionais necessários para fornecer mais de 5 watts a um receptor devidamente sintonizado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

No coração desse dispositivo, a tecnologia AutoResonant, de propriedade da Analog Devices, detecta e combina automaticamente a frequência ressonante do circuito LC em série conectado em seus pinos de chave (SW1 e SW2). Além de otimizar a potência de transmissão, a tecnologia AutoResonant desempenha um papel crucial na detecção de objetos estranhos. Quando um objeto estranho é colocado próximo à bobina de transmissão, a indutância efetiva da bobina diminui significativamente e a frequência de acionamento do LTC4125 aumenta. Conforme observado abaixo, esse aumento na frequência de acionamento é usado como uma indicação da presença de um objeto estranho.

Otimização da WPT

Durante a WPT, o gerenciador de energia sem fio integrado do receptor LTC4124 retifica a tensão CA do campo magnético alternado gerado pela bobina de transmissão da metade do transmissor de um par transmissor/receptor do sistema WPT. Usando o comparador integrado (CP1) e os comutadores (SW1 e SW2), o gerenciador de energia sem fio LTC4124 mantém a tensão retificada no pino V_CC em um nível logo acima da tensão da bateria (V_BATT), desviando o circuito do tanque ressonante para o terra, quando recebe mais energia do que a necessária para carregar a bateria.

No entanto, a potência dissipada por esse mecanismo de derivação pode aumentar a carga térmica do dispositivo. O transmissor LTC4125 oferece um mecanismo mais direto para reduzir a quantidade de energia que chega ao receptor.

Enquanto sua tecnologia AutoResonant otimiza o fornecimento de energia, o LTC4125 apresenta um recurso de busca de alimentação ideal que monitora e ajusta a saída de alimentação do transmissor para corresponder à carga do receptor em uma sequência contínua de ciclos de busca. Em cada ciclo, o LTC4125 aumenta a alimentação de transmissão de forma incremental, realizando aumentos graduais na tensão de largura de pulso (V_PTH), que é proporcional à largura dos pulsos fornecidos à ponte que aciona a corrente da bobina. Uma mudança significativa na tensão de realimentação do tanque ressonante (V_FB) indica que a alimentação de transmissão é suficiente para atender ou exceder a carga do receptor, e a busca interrompe nessa tensão de largura do pulso, que mantém o nível de alimentação de saída do transmissor desejado até o próximo ciclo de busca (Figura 5).

Figura 5: O recurso de busca de alimentação ideal do transmissor LTC4125 combina a alimentação de saída com a carga do receptor, realizando uma busca em etapas para encontrar o nível de saída adequado. (Fonte da imagem: Analog Devices)

A busca de alimentação ideal do LTC4125 executa cada ciclo de busca por meio de um fluxo de processo fixo até detectar uma condição de saída válida ou uma das várias condições de falha (Figura 6).

Figura 6: Ao executar seu algoritmo de busca da alimentação ideal, o transmissor LTC4125 continua a aumentar a alimentação de saída em uma série de etapas até encontrar uma condição de saída válida ou uma das várias condições de falha. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Nesse processo, o LTC4125 reconhece várias condições de saída válidas e predefinidas, indicando a alimentação ideal de transmissão. Além disso, o desenvolvedor pode especificar duas condições de saída programáveis, incluindo o limiar da corrente de entrada (V_ITH) para limitar a corrente de entrada e o limiar da tensão diferencial do tanque (DTH), para otimizar a potência de transmissão em cenários de uso que envolvem acoplamento ruim entre as bobinas de transmissão e de recepção.

O LTC1425 detecta automaticamente várias condições de falha que podem comprometer a segurança e a eficiência da transferência de energia:

• Exceder o limite de temperatura da bobina determinado pela tensão NTC (V_NTC) detectada em seu pino de entrada NTC
• Exceder o limite máximo de tensão do tanque, conforme detectado pela tensão do pino FB, V_FB>V_IN
• Exceder o limite interno de superaquecimento da pastilha (150°C típico)
• Exceder o limite de frequência, indicando a presença de um objeto estranho devido a uma redução na indutância da bobina de transmissão e um aumento associado na frequência de acionamento
• Exceder o limite da corrente de entrada (ILIM)
• Concluir a busca gradual sem encontrar uma condição de saída válida

A ocorrência de qualquer uma dessas condições de falha faz com que o dispositivo interrompa o fornecimento de energia até o próximo intervalo de busca.

Para os desenvolvedores, recursos como o acionamento AutoResonant e a busca de alimentação ideal operam automaticamente, sujeitos a condições de saída e falha. Embora os limites de algumas dessas condições sejam fixados no dispositivo, os desenvolvedores mantêm um controle considerável sobre os diferentes aspectos usados para determinar as configurações de energia, as condições de saída e as condições de falha.

Usando o kit de demonstração DC2770A-A-KIT da Analog Devices e o kit de demonstração DC2770A-B-KIT de 100 mA, os desenvolvedores podem avaliar rapidamente o desempenho do receptor LTC4124 e do transmissor LTC4125 ao carregar uma bateria de íons de lítio a até 100 mA. Cada kit inclui uma placa transmissora baseada no LTC4125 e uma placa receptora baseada no LTC4124. Ambos vêm equipados com jumpers e pontos de conexão para definir as características de desempenho do dispositivo e monitorar os resultados.

Conclusão

A tendência de dispositivos compactos e selados complica o projeto de métodos eficazes para carregar as baterias das quais eles dependem. A WPT oferece uma solução eficaz, mas a implementação de projetos eficientes de carregamento sem fio é um desafio. Um receptor e transmissor de energia sem fio da Analog Devices, projetado para enfrentar esses desafios, simplifica a implementação de WPT em dispositivos selados e com restrições de espaço.