工业无线充电模块（物联网无线充电技术）

背景信息与引言

“物联网(IoT)”一词指的是不仅将人和计算机连接到互联网，而且将各种“物体”连接到互联网并相互连接的持续趋势。例如，如果您正在部署工业制造设施或大型基础设施项目，在更多地方连接更多传感器（或执行器）可以提高效率、提高安全性并启用新的业务模式。这种不断提高的数据交换水平通常也被称为“工业4.0”。

传统上，此类工厂中使用的各种类型的传感器都是通过电线连接到电源的。然而，未来可能不会存在在工厂各处安装和维护电缆的挑战和费用，因为现在可以安装可靠的、工业强度的无线传感器，这些传感器可以使用小型电池运行，甚至可以从光等来源收集能量、振动或温度梯度。的能量可以运行数年。还可以使用可充电电池和多种环境能源的组合。

先进和现成的能量收集(EH) 技术，例如振动能量收集和室内或可穿戴光伏电池，在典型工作条件下产生毫瓦电力。虽然如此低的功耗似乎用途有限，但无线传感器节点等能量收集组件的多年运行可能意味着能量收集技术在能量输送和单位成本方面与长寿命原电池更兼容。传递的能量。它们都大致相当。虽然主电池据称可提供长达10 年的使用寿命，但这在很大程度上取决于主电池的电量水平以及主电池的电量消耗频率。提供EH 功能的系统通常能够在能量耗尽后重新充电，而使用主电池电源运行的系统则不能。然而，大多数部署将使用环境能源作为主要电源，并使用主电池补充该主要电源，如果环境能源消失或中断，可以插入主电池。这可以被视为“电池寿命延长器”功能，为系统提供更长的运行寿命（接近电池的运行寿命），对于由锂亚硫酰氯化学组成的电池来说，通常约为12 年。此外，出于固有的安全考虑，一些充电电池无法通过有线方式充电，而需要通过无线输电技术进行充电。

在许多此类应用中，使用连接器充电是困难或不可能的。例如，某些产品需要密封外壳来保护敏感电子元件免受恶劣环境的影响。其他的可能太小而无法插入连接器，并且在电池供电的应用可能移动或旋转的产品中，用电线充电几乎是不可能的。那么有什么替代方法可以应对这样的环境呢？显然，需要一种不需要连接器并且可以无线充电的方法。无线充电解决方案在无法使用连接器的应用中增加了价值、可靠性和稳健性。

无限功率传输

在无法使用欧姆连接器的情况下，无线电源是一个很好的解决方案。那么什么是无线供电呢？简而言之，无线电力传输是通过电绝缘体将电能从电源传输到电负载。以这种方式转移权力存在一些挑战。当电流流过导体时，就会产生磁场。特别是，当交流电流流过导体时，导体周围会产生变化的磁场。如果将另一个导体放置在该磁场中，则在第二个导体中会感应出交流电。

磁场密度与流过导体的电流大小成正比。能量从产生磁场（初级场）的导体转移到初级场受到上述磁耦合（次级场）显着影响的任何导体。在耦合系数非常低的松耦合系统中，高频电流不会沿着导体流动很长的距离，但由于沿电缆的阻抗不匹配，能量会很快损失，从而导致能量反射回来到源头，或辐射到空气中。图1 以图形方式表示通过磁场连接的松耦合线圈。

图 1：从主端发送线圈 (Tx) 向副端接收线圈 (Rx) (包括 LTC4120) 的无线功率传输

LTC4120 是一款无线同步降压充电器。该设备不符合Qi 标准；该解决方案旨在满足高可靠性应用的需求。 LTC4120 中使用的底层技术和无线电源架构使基于LTC4120 的系统能够提供更长的电力传输距离和更大的失准容限。这些结果是以高效率实现的，因此接收器不会出现过热问题。此外，大多数工业WSN、物联网和医疗应用不喜欢与消费产品进行互操作。

LTC4120 中嵌入了动态协调控制(DHC) 调谐技术，这为该器件提供了优于其他无线电源解决方案的显着优势。为了适应环境和负载的变化，DHC动态改变接收器的谐振频率。 DHC 实现了更高的电力传输效率，允许更小的接收器尺寸，产生的电磁干扰可以忽略不计，甚至允许更长的传输距离。与其他无线功率传输技术不同，DHC 本质上允许通过感测能量场进行固有功率级别管理，从而无需单独的通信通道来确认接收器或管理电池充电周期期间的负载需求变化。

通过无线供电进行充电

使用LTC4120 进行无线充电可以启用或改进许多不同的应用。例如，可以消除在恶劣的工业环境中容易发生故障且价格昂贵的连接器。两个很好的例子是化学加工厂和炼油厂。同样，对于需要消毒的应用，例如旋转机器人和医学成像系统，无线充电允许完全密封的外壳。显然，在移除电线后，可充电电池可以放置在此类移动或旋转设备中。另一个例子是应用程序太小而无法使用传统连接器。

那么，电源如何到达LTC4120 以便为电池充电呢？这需要无线发射器电路和线圈。为此，凌力尔特公司设计并开发了LTC4125，这是一款无线功率发射器，可补充无线充电解决方案中的无线接收器IC。 LTC4125 是一款简单、高性能单片全桥谐振驱动器，能够以无线方式向经过适当调谐的接收器提供高达5W 的功率。该器件作为发射电路组件使用在一个完整的无线电力传输系统中，该系统由发射电路、发射线圈、接收线圈和接收电路组成。

LTC4125 电源控制器通过提供3 个关键功能来改进基本无线电源发射器： 自动谐振，最大限度地提高接收器可用的功率； Optimal Power 最优功率搜索算法，最大化无线供电系统的整体效率；异物检测，保证在有导电异物的环境下工作安全可靠。 LTC4125 自动调整其驱动频率以匹配LC 网络谐振频率。这种“自动谐振”开关使该器件能够从低压输入电源（3V 至5.5V）向线性技术LTC4120 无线接收器和电池充电器等调谐接收器提供最大功率。还可以使用LTC4071 并联电池充电器或LT3652HV 多化学电池充电器来设计无线电源接收器。为了优化系统效率，LTC4125 使用周期性发射功率搜索，并根据接收器负载要求调整发射功率。在故障情况下或检测到异物时，设备会停止供电。请参见图2，了解如何使用LTC4120 和LTC4125 来实现完整的无线功率传输和电池充电解决方案。

图 2：实现无线电池充电的 LTC4125 和 LTC4120 演示电路

LTC4125 还包括可编程最大电流限制和一个NTC 输入，以针对异物和过载提供额外的保护。应用包括手持式仪器、工业/军用传感器和恶劣环境中使用的类似设备、便携式医疗设备和电气隔离设备。基于LTC4125 的系统提供了坚固耐用的独立解决方案，支持长达15mm 的传输距离，并能承受因未对准而导致的不良线圈耦合。

结论：近年来 IoT 市场出现了爆炸性增长，并涉及多种用于医疗、军事和工业应用领域的产品。新一波产品，包括塞满传感器的医疗保健产品以及监视环境条件以改善安全性的工业传感器在内，正在快速增长。类似地，在改善建筑物能效以及针对机器和桥梁进行系统健康监视等应用中，用于 WSN 的 EH 出现了激增，这是低功率转换解决方案的关键驱动因素。因此，尽管运用无线功率传输给处于严酷环境中的小电流设备供电也许看似是个令人望而却步的任务，凌力尔特却提供了现成有售、易于使用的解决方案，以方便完成这项任务。