Google Glass讓智能可穿戴設備的概念走入了人們的視野。近年來，以智能手表為代表的越來越多新型健康跟蹤設備紛紛登場，使得這些小巧的便攜式硬件設備通過無處不在的云端數(shù)據(jù)交互極大地豐富了我們的日常生活。據(jù)2020年3月IDC發(fā)布的最新報告顯示，2019年全年中國可穿戴設備市場出貨量高達9924萬臺，同比增長37．1％，預計到2023年，可穿戴設備市場出貨將達到2億臺。

高集成度可穿戴設備引發(fā)充電技術升級挑戰(zhàn)

如何在龐大的市場競爭中勝出，對行業(yè)內(nèi)采用以往的眾多慣用技術的企業(yè)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，充電方式的選擇首當其沖。因為需要長時間佩戴，決定了它們看起來不能太過顯眼，必須做到小巧、輕薄、不笨重，因此留給電池和相關電路的空間少之又少。與之相對，這類設備的功能卻在不斷增加，以智能手表為例，這種最常見的可穿戴智能設備不僅提供健身追蹤功能，通常還會配備全彩色觸摸屏、打電話、發(fā)消息等耗電量巨大的功能，即便采用當今最高效的鋰離子（Li－Ion）和鋰聚合物（Li－Pol）電池技術也拯救不了它們的續(xù)航表現(xiàn)。從產(chǎn)品評測來看，大多數(shù)智能手表用不了一兩天就必須進行充電（有的甚至可能連一天都撐不到）。在頻繁充電的問題為用戶帶來巨大困擾的情況下，有必要采取一種比插電充更加簡單的充電方式——無線充電。

典型的可穿戴設備——智能手表

在無線充電的場景下，智能設備的充電流程變得非常簡單，通常只需將其放在充電底座上即可。同時，無線充電還能夠讓可穿戴設備采用完全密封或防水的設計，這對于穿戴在身體上的電子設備而言也是一種非常具有吸引力的保護特性。然而，和通過USB或充電頭充電相比，無線充電會存在額外的能量轉(zhuǎn)換損耗，因而充電效率較低，導致充電時間更長，這會影響用戶體驗，并且可能損害電池性能。電源管理廠商通常會采用調(diào)整無線充電發(fā)射器和接收器間的數(shù)字控制回路的方式來減小影響，但是數(shù)字控制又會增加總體設計的復雜性和增大設備的尺寸。針對此種情況，高性能模擬芯片廠商ADI基于廣泛的電源管理組合設計經(jīng)驗，推出了可以在不增加接收器電路板上組件數(shù)量（和寶貴的整體尺寸）的情況下構建閉環(huán)控制無線充電器原型的解決方案。

無線電源系統(tǒng)如何為電池供電

無線電源系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射（Tx）電路（包括發(fā)射線圈）和接收（Rx）電路（包括接收線圈）。

在設計無線電源電池充電系統(tǒng)時，實際能夠增加電池能量的電量是一個關鍵參數(shù)。接收功率取決于許多因素，包括：

·發(fā)射的功率值

·發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離和對準狀況，通常用線圈之間的耦合系數(shù)來表示

·發(fā)射和接收組件的容差

任何無線電源發(fā)射器設計的主要目標都是使發(fā)射電路能夠產(chǎn)生一個強場，確保在最壞的功率傳輸條件下提供所需的接收功率。但是，避免在最佳情況下接收器過熱和電氣過載也同樣重要。當輸出功率要求較低且耦合性能出色時，這一點尤為重要。例如，電池使用靠近發(fā)射線圈的接收線圈充滿電時的電池充電器。

無線功率傳輸系統(tǒng)

構建高效、安全、小尺寸的完整無線功率傳輸供電方案

LTC4124是一款高度集成的100 mA無線鋰離子充電器芯片，專為空間受限的應用而設計。它包含一個高效的無線電源管理器、一個引腳可編程的全功能線性電池充電器以及一個理想的二極管PowerPath控制器。在運行時，它首先將來自無線諧振電路的交流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓，然后，該直流電壓會饋入功能齊全的線性電池充電器中，以提供良好的電池充電功能。有著如此高的集成度，僅需添加一個接收器諧振電路和電池本身，即可實現(xiàn)非常小巧且功能齊全的無線充電裝置。

如下圖所示，如果LTC4124接收的能量超出為電池充電所需的能量，IC中的無線功率管理器通過將接收器諧振電路分流接地，可以使IC的輸入電壓 VCC保持低電平。這樣，線性充電器將非常高效，因為其輸入始終正好保持在電池電壓 VBATT之上。接合分流電路時，接收器諧振頻率將與發(fā)射器頻率失調(diào)，諧振電路也因此會接收較小的能量。

完整的6 mm無線電池充電器解決方案

交流輸入整流和直流軌電壓調(diào)節(jié)

LTC4125是一款單芯片全橋AutoResonant無線功率發(fā)射器，用于最大限度提高接收器可用功率，提升整體效率，并為無線充電系統(tǒng)提供全面保護。它具有針對無線充電應用的完整保護功能。LTC4125中的優(yōu)化功率搜索功能可根據(jù)接收器負載需求來調(diào)節(jié)發(fā)射功率。LTC4125 還包括多種異物檢測方法，以防止其他物體從發(fā)射器接收無用功率。

LTC4124 100 mA充電器接收器與運行優(yōu)化功率搜索的LTC4125 AutoResonant 發(fā)送器配對使用

與LTC4124配對使用時，可將LTC4125全橋諧振驅(qū)動器轉(zhuǎn)換為半橋驅(qū)動器，以利用更精細的搜索步長，從而使低功率接收器接收恰好足夠的功率來為電池充電。當電池接近充滿電的狀態(tài)時，LTC4124進入恒定電壓模式，使調(diào)節(jié)充電電流降低。LTC4125將自動降低其功率傳輸水平，以匹配接收器的更低功率需求。這有助于減少整個充電周期的功耗，使LTC4124充電器和電池保持較低溫度。

下圖顯示了滿功率和限流恒壓模式下接收器電路的溫度。在室溫下，兩種模式的溫度均低于40°C。

熱性能比較：（a） 4．1 V輸出時100 mA充電電流，（b） 4．2 V輸出時10 mA充電電流

從發(fā)送器上移開充電器接收器時，LTC4125找不到有源負載，其功率將降至待機模式。下圖顯示了在發(fā)送器上放置金屬異物時的情況：LTC4125檢測到高諧振頻率并進入待機模式。

LTC4125未檢測到接收器時的運行情況

LTC4125檢測到異物

總結(jié)

無線充電正變得越來越流行。設備沒有裸露的連接器和端口將更加可靠，最終用戶體驗也更輕松簡便。通過采用LTC4125＆LTC4124無線充電解決方案，最終用戶將接收器放置在發(fā)射器上方時，可以允許更大偏差，無需擔心接收器是否能夠獲取所需的功率。此外，這種閉環(huán)方法可以讓發(fā)射器輸出功率始終匹配接收器的功率需求，從而提高了整體效率，使整個充電周期更加安全可靠。