Jak napájet zařízení bez baterie bezdrátově

autor článku: Mark Vitunic, Analog Devices

Otázka: Moje zařízení nemá baterii. Je možné napájet je bezdrátově?

FAQ 162 1

 

Odpověď:

Ano, určitě - pomocí jednoduchého integrovaného řešení původně určeného pro oblast jímání elektrické energie.

Systém pro bezdrátový přenos energie se skládá ze dvou částí vzájemně oddělených vzduchovou mezerou: z vysílacího obvodu s vysílací cívkou a přijímacího obvodu s cívkou přijímací – viz Obr. 1. Podobně jako u transformátoru střídavý proud ve vysílací cívce indukuje střídavý proud v cívce přijímací prostřednictvím magnetického pole. Ovšem na rozdíl od typického transformátoru je vazba mezi primárním (vysílacím) a sekundárním (přijímacím) obvodem obvykle velmi slabá v důsledku existence vzduchové mezery mezi nimi.

 FAQ 162 2

Obr. 1 Systém pro bezdrátový přenos energie

Většina dnešních zařízení využívajících bezdrátový přenos energie jsou uspořádány jako bezdrátové nabíječky baterie. Nabíjecí baterie je umístěna na přijímací straně a bezdrátově se nabíjí kdykoli je přítomen vysílač. Jakmile je proces nabíjení ukončen a baterie následně vzdálena od nabíječky, je tato připravena napájet koncové zařízení. Zátěž může být připojena k baterii buď přímo nebo prostřednictvím ideální diody PowerPathTM, případně z baterie napájeným měničem, jenž je integrován do IO nabíječky. Ve všech třech variantách (viz Obr. 2) může koncové zařízení pracovat jak v poloze na nabíječce, tak mimo ni.

FAQ 162 3

Obr. 2 Bezdrátové nabíječky baterie se zátěží připojenou k a) baterii, b) ideální diodě PowerPath, c) výstupu měniče

Co když ale dané zařízení vůbec baterii nemá, a místo toho je třeba stabilizovaného napájecího napětí jen v okamžiku, kdy je zdroj bezdrátové energie k dispozici? Příklady takových aplikací se hojně vyskytují v dálkových snímačích, při měření, v auto-diagnostice a lékařské diagnostice. Například, pokud dálkový snímač nemusí být trvale napájen, pak nepotřebuje baterii, kterou by bylo nutné buď pravidelně vyměňovat (v případě primárních článků), nebo dobíjet (v případě dobíjecích baterií). Pokud takový dálkový snímač má poskytnout výstup jen v případě, kdy je uživatel v jeho blízkosti, může být bezdrátově napájen na základě požadavku.

Podívejme se na integrovaný zdroj na jímání energie LTC3588-1. Ačkoli byl původně navržen pro toto použití při napájení z transduktoru (např. piezoelektrického, solárního atd.), hodí se také pro bezdrátový přenos energie. Na Obr. 3 je vidět úplné řešení bezdrátového přenosu energie s využitím LTC3588-1 na místě přijímače. Jednoduchý bezdrátový vysílač s otevřenou smyčkou na straně vysílací je osazen křemíkovým oscilátorem TimerBlox® LTC6992. Budicí kmitočet je u této konstrukce nastaven na 216 kHz, což je pod rezonančním kmitočtem laděného obvodu 266 kHz. Přesný poměr těchto kmitočtů fLC_TX / fDRIVE se nejlépe stanoví empiricky s cílem minimalizovat spínací ztráty v M1 nastavením spínání v okamžicích nulového napětí. Postup návrhu na straně vysílače s ohledem na výběr cívky a provozní kmitočet se nijak neliší od jiných řešení bezdrátového přenosu energie. To znamená, že není nic výjimečného v použití LTC3588-1 na straně přijímače.

FAQ 162 4

 

Obr. 3 Bezdrátový přenos energie s využitím IO LTC3588-1 k vytvoření stabilizovaného napájecího napětí 3,3 V

Na přijímací straně je rezonanční kmitočet laděného obvodu nastaven na budicí kmitočet 216 kHz. Vzhledem k tomu, že četné aplikace jímání energie vyžadují usměrnění AC/DC (právě tak jako bezdrátový přenos energie) LTC3588-1 má tuto funkci již zabudovánu, přičemž laděný obvod se připojí přímo mezi vývody PZ1 a PZ2. Funkce usměrnění je širokopásmová od 0 do kmitočtu vyššího než 10 MHz. Podobně jako v případě vývodu Vcc u IO LTC4123/LTC4124/LTC4126 je vývod Vin LTC3588-1 stabilizovaný na požadovanou úroveň napájeného zařízení. V případě IO LTC3588-1 je výstupem výstup snižujícího měniče s hysterezí namísto nabíječky. K dispozici jsou čtyři volitelná (prostřednictvím vyhrazeného vývodu) výstupní napětí: 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V a 4,8 V s trvalým výstupním proudem až 100 mA. Výstupní kondenzátor může být dimenzován tak, aby bylo možné dodat krátkodobě i vyšší proudy, pokud jeho střední hodnota nepřesáhne 100 mA. Samozřejmými předpoklady pro dosažení výstupního proudu 100 mA je patřičně dimenzovaný vysílač, dvojice cívek a dostatečná vazba.

Pokud výkonový požadavek zátěže klesne pod hodnotu, kterou bezdrátový vstup dokáže vykrýt, vstupní napětí Vin se zvýší. LTC3588-1 má sice integrován vstupní ochranný bočník, schopný stáhnout až 25 mA pokud Vin vzroste na 20 V, k využití této funkce však nemusí nutně dojít. Zvýší-li se Vin, zvýší se i špičková hodnota střídavého napětí na přijímací cívce, což odpovídá poklesu střídavého výkonu vstupujícího do LTC3588-1. Pokud napětí na laděném obvodu přijímače dosáhne hodnoty v jeho nezatíženém stavu dříve než Vin vzroste na 20 V, jsou následné obvody ochráněny bez nárůstu tepelné ztráty v IO přijímače.

Výsledek zkoušek: Pro aplikaci na Obr. 3 se vzduchovou mezerou 2 mm byl naměřen maximální výstupní proud 30 mA při 3,3 V a maximální hodnota napětí Vin naprázdno 9,1 V. Při vzduchové mezeře blízké nule se maximální hodnota výstupního proudu zvýšila na přibližně 90 mA, přičemž Vin naprázdno vzrostlo jen na 16,2 V, tedy bezpečně pod ochrannou hladinou 20 V (Obr. 4).

FAQ 162 5

Obr. 4 Maximální výstupní proud při 3,3 V při různých velikostech vzduchové mezery

Pro aplikace bez napájecí baterie, u nichž je k dispozici zdroj bezdrátové energie, představuje LTC3588-1 jednoduché integrované řešení poskytující stabilizované napájecí napětí o nízkém proudu s plnou ochranou vstupu.